硅的直拉法单晶生长.pptx

硅的直拉法单晶生长直拉法（Czochralski法）单晶生长
半导体圆片是从大块晶体上切割下来的，绝大多数晶体的主流生产技术是直拉生长法（Czochralski法）。这项工艺最早是由Teal在20世纪50年代初开发使用的，而在此之前，早在1918年，Czochralski采用过类似的方法，用它从熔融金属中拉制细灯丝。硅是一个单组分系统，从他开始研究晶体的生长是最容易的。
直拉法分两种：坩埚直拉法、无坩埚直拉法直拉法是运用熔体的冷凝结晶驱动原理，在固液界面处，藉由熔体温度下降，将产生由液态转换成固态的相变化。当前国际上供应单晶硅生长设备的主要著名厂商是美国KAYEX公司和德国CGS公司。这两个公司能供应生长不同直径的单晶硅生长设备，尤其是生长直径大于200ram的单晶硅生长设备系统。
为了生长质量合格(硅单晶电阻率、氧含量及氧浓度分布、碳含量、金属杂质含量、缺陷等)的单晶硅棒，在采用直拉法生长时，必须考虑以下问题。首先是根据技术要求，选择使用合适的单晶生长设备；其次是要掌握一整套单晶硅的制备工艺、技术，包括：(1)单晶硅系统内的热场设计，确保晶体生长有合理稳定的温度梯度；(2)单晶硅生长系统内的氩气气体系统设计；(3)单晶硅夹持技术系统的设计；(4)为了提高生产效率的连续加料系统的设计；(5)单晶硅制备工艺的过程控制。直拉法的基本过程:
1.引晶：通过电阻加热，将装在坩埚中的多晶硅熔化，并保持略高于硅熔点的温度，将籽晶浸入熔体，然后以石英一定速度向上提拉籽晶并同时旋转引出晶体；2.缩颈：生长一定长度的缩小的细长颈的晶体，以防止籽晶中的位错延伸到晶体中；3.放肩：将晶体控制到所需直径；4等径生长：根据熔体和单晶炉情况，控制晶体等径生长到所需长度；5.收尾：直径逐渐缩小，离开熔体；6.降温：降级温度，取出晶体，待后续加工。
直拉法设备图片KAYEXCG3000型KAYEXKXl50型西安理工大学生产的单晶炉实际生产过程1一电极；2一硅熔体；3一等径生长；4一观察孔；5一放肩；6一缩颈；7一图像传感器；8一卷轴旋转系统；9一提拉绳；10一至真空泵；11一光学系统；12一石英坩埚；13一石墨托；14一石墨加热器；15一保温罩
熔体的流动在Cz晶体生长过程中，熔体流动状态非常复杂，由于熔体不透明，难以直接观察；因此，常常用数字模拟，实验模拟，以及用x光照射来了解熔体流动。

熔体流动图像有5种基本类型的对流:
(1)温度梯度产生的浮力而引起的自然热对流；
(2)熔体表面张力梯度引起的马兰哥尼对流；(3)提升晶体引起的强迫对流；
(4)晶体旋转引起的强迫对流；
(5)坩埚旋转引起的强迫对流。
在这5种对流中以热对流和晶转强迫对流最为重要。热对流的速度场完全取决于格拉斯霍夫数。
在熔体长成晶体的过程中(MeltGrowth)，藉由熔体温度下降，将产生由液态转换成固态的相变化(PhaseTransformation)。这要从热力学观点来解释。对于发生在等温等压的相变化，不同相之间的相对稳定性，可有自由能G来决定。G=H—TS
其中H是焓，T是绝对温度，而S是熵。一个平衡系统将具有最低的自由能。加入一个系统的自由能△G高于最低值，它将设法降低△G以达到平衡状态。因此我们可以将△G视为结晶的驱动力，如图1．5所示。在温度T时，液固二相的自由能可表示为：
因此在温度T时△G=△H-T△S
另外在平衡的熔化温度Tm时，液固二相的自由能是相等的，即△G=0，因此
△G=△H-T△S=0△S=△H／T
其中△H即是所谓的结晶潜热。可得到
△G=△H△T／T=△S△T
其中△T=Tm-T，亦即所谓的过冷度，由于凝固时，△S是个负值常数，所以△T可
被视为唯一的驱动力。
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