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直拉单晶硅的制备工艺

内容提要：单晶硅根据硅生长方向的不同分为区熔单晶硅，外延单晶

硅和直拉单晶硅。直拉单晶硅的制备工艺一般包括多晶硅的装料和熔

化，种晶，缩颈，放肩，等径和收尾。目前，单晶硅的直拉生长法已

经是单晶硅制备的主要技术，也是太阳电池用单晶硅的主要制备方法。

关键词：直拉单晶硅，制备工艺

一，直拉单晶硅的相关知识

硅单晶是一种半导体材料。直拉单晶硅工艺学是研究用直拉方

法获得硅单晶的一门科学，它研究的主要内容：硅单晶生长的一般原

理，直拉硅单晶生长工艺过程，改善直拉硅单晶性能的工艺方法。

直拉单晶硅工艺学象其他科学一样，随着社会的需要和生产的

发展逐渐发展起来。十九世纪，人们发现某些矿物，如硫化锌、氧化

铜具有单向导电性能，并用它做成整流器件，显示出独特的优点，使

半导体材料得到初步应用。后来，人们经过深入研究，制造出多种半

导体材料。1918年，切克劳斯基（JCzochralski）发表了用直拉法从

熔体中生长单晶的论文，为用直拉法生长半导体材料奠定了理论基础，

从此，直拉法飞速发展，成为从熔体中获得单晶一种常用的重要方法。

目前一些重要的半导体材料，如硅单晶，锗单晶，红宝石等大部分是

用直拉法生长的。直拉锗单晶首先登上大规模工业生产的舞台，它工

艺简单，生产效率高，成本低，发展迅速；但是，锗单晶有不可克服

的缺点：热稳定性差，电学性能较低，原料来源少，应用和生产都受

到一定限制。六十年代，人们发展了半导体材料硅单晶，它一登上半
导体材料舞台，就显示了独特优点：硬度大，电学热稳定性好，能在

较高和较低温度下稳定工作，原料来源丰富。地球上25.8%是硅，是

地球上锗的四万倍，真是取之不尽，用之不竭。因此，硅单晶制备工

艺发展非常迅速，产量成倍增加，1964年所有资本主义国家生产的

单为晶硅50-60吨，70年为300-350吨，76年就达到1200吨。其

中60%以上是用直拉法生产的。

随着单晶硅生长技术的发展，单晶硅生长设备也相应发展起来，

以直拉单晶硅为例，最初的直拉炉只能装百十克多晶硅，石英坩埚直

径为40毫米到60毫米，拉制单晶长度只有几厘米，十几厘米，现在

直拉单晶炉装多晶硅达40斤，石英坩埚直径达350毫米，单晶直径

可达150毫米，单晶长度近2米，单晶炉籽晶轴由硬构件发展成软构

件，由手工操作发展成自动操作，并进一步发展成计算机操作，单晶

炉几乎每三年更新一次。大规模和超大规模集成电路的发展，给电

子工业带来一场新的革命，也给半导体材料单晶硅带来新的课题。大

规模和超大规模集成电路在部分用直拉单晶硅制造，制造集成电路的

硅片上，各种电路密度大集成度高，要求单晶硅有良好的均匀性和高

度的完美性。以4k位集成电路为例，在4×4毫米或4×6毫米的

硅片上，做四万多个元件，还要制出各元件之间的连线，经过几十道

工序，很多次热处理。元件的高密度，复杂的制备工艺，要保证每个

元件性能稳定，除制作集成电路工艺成熟外，对硅单晶材料质量要求

很高：硅单晶要有合适的电阻率和良好的电阻率均匀性，完美的晶体

结构，良好的电学性能。因此，硅单晶生长技术要更成熟、更精细、
更完善，才能满足集成电路的要求。直拉单晶硅工艺理论应不断地向

前发展。

二，直拉单晶硅的制备工艺

（一），工艺概述

直拉法生产硅单晶工艺尽管种类繁多，但大体可分为：真空工艺、

气氛工艺和减压拉晶工艺。真空工艺又分低真空工艺和高真空工艺。

真空工艺的特点是在单晶炉膛内保持真空情况下拉制硅单晶。低真空

工艺单晶炉膛内真空度保持10-1～10-2乇，高真空工艺单晶炉膛保

持10-3乇或更高的真空度。硅单晶拉制过程中单晶炉膛内充高纯氩

气做保护气体，称为气氛工艺。气氛工艺中又有流动气氛和不流动气

氛两种。在拉制硅单晶时一次充入单晶炉膛内0.2～0.4kg压强高纯氩

气（表压），称为不流动气氛；拉制硅单晶时，连续不断地向单晶

炉膛内充入高纯氩，保护炉膛内气体是正压（表压），同时又使部分

氩气沿管道向外溢出，这种工艺称为流动气氛。

近几年又出现了介于真空工艺和气氛工艺之间减压拉晶工艺。

减压拉晶是在单晶硅拉制过程中，连续向单晶炉膛充入等量的高纯氩

气，同时真空泵不断地从炉膛内向外抽气，保持炉膛内稳定在10乇～

20乇真空内，这种工艺既有真空工艺的特点（炉膛内保持负压），又

有流动气氛的特点（不断充气，不断排气），减压工艺在目前直拉

单晶硅生产过程中被普遍采用。

（二），各项工艺步骤的特点

１．多晶硅的装料和熔化
a.粉碎至适当大小

b.装料时，底部不能有过多的空隙，不能碰到坩埚上边沿

c.抽真空，充入保护气

d.加热温度高于1412℃