工艺基础知识培训课件

培训目的：相关技术人员掌握必备的专业基础知识

课程类型：技术类课目：工艺基础知识课时：2H

主讲人：周锐

编制：周锐审核：李定武核准：实施日期：2011年2月宁夏隆基系统标准化培训教育课件宁夏隆基系统标准化培训教育课件11.1单晶硅与多晶硅

硅（台湾、香港称矽）呈灰色，性脆，易碎。其在自然界中呈氧化物状态存在，在岩石圈中的丰度为27.6%（重量），仅次于氧，因而硅的资源极为丰富。通常的工业硅（99.0-99.9%）不具有半导体性能，当将硅提纯到很高纯度（99.9999999%）时，就显示出优异半导体性能。下表中列举了硅的一些参数。培训教育

学习成长1硅单晶1.1单晶硅与多晶硅培训教育学习成长1硅单晶2培训教育

学习成长表1.1硅的参数培训教育学习成长表1.1硅的参数3硅原子在空间呈长程有序排列，具有周期性和对称性，这种硅晶体称为单晶硅。反之，硅原子在空间的排列呈无序或短程有序，称为多晶硅。因单晶的原子排列具有周期性和有序性，为了方便分析研究，人们选取能够反映晶体周期性的重复单元作为研究对象，称为晶胞。硅单晶属于金刚石结构，晶胞是正方体。八个顶点、六个面的中心及每条空间对角线上距顶点四分之一对角线长的地方各有一个硅原子。图1.2金刚石结构硅原子在空间呈长程有序排列，具有周期性和对称性，这种硅晶体称41.2晶向及晶面晶体生长中，常用到晶面和晶向的概念。晶体的原子可以看成是分列排列在平行等距的平面系上，这样的平面成为晶面。通常选取正方体晶胞上的一个顶点作为原点，过原点的三条棱线分别作为X、Y、Z坐标轴，晶胞的棱长为一个单位长度建立坐标系。任意一个晶面，在X、Y、Z轴上都会有截距，取截取的倒数，若倒数为分数，则乘以它们的最小公倍数，都可以转换成h、k、l的形式，把整数h、k、l扩入圆括号，这样就得到晶面指数（hkl）。某一晶面指数为（123），或者更普遍地为（hkl），它仅表示晶面指数为h、k、l的一个晶面。为了表示平行于这一特殊晶面的一整族晶面，或需要指明具有某种晶体学类型的所有晶面，如所有的立方面是具有（100）特性的晶面，常用｛｝括起晶面指数，这样，一切具有（100）晶面特性的晶面用｛100｝表示，叫｛100｝晶面族，它包括（100）、（010）、（001）、（—100）、（0—10）、（00—1）各晶面。1.2晶向及晶面晶体生长中，常用到晶面和晶向的概念。晶体的5为了标出晶向，通过坐标原点作一直线平行于晶面的法线方向，根据晶胞的棱长决定此直线点的坐标，把坐标化成简单的整数比。用［］括起来，称为晶向指数。为了表示一组相同晶体类型的所有晶向，用＜＞把晶向指数括起来，叫晶向族。

图1.3常用的三种晶面为了标出晶向，通过坐标原点作一直线平行于晶面的法线方向，根据6在晶体的同一面族中，相邻两晶面之间的距离叫面间距。同一晶面上，单位面积中的原子数叫面密度。晶面指数不同的晶面族，面间距也不同，面密度也不一样。单位体积晶体中原子总数是一定的，面间距较小的晶面族，晶面排列密，晶面的原子密度小；面间距较大的面族，晶面排列较稀，晶面的原子密度大。硅单晶生长时，{100}晶面族的法向生长速度最快，{111}晶面族最慢。硅单晶若用腐蚀液腐蚀，各晶面族腐蚀速率不同，{100}面族腐蚀速率最快，{110}面族次之，{111}晶面族最慢。为什么{100}晶面族的法向生长速度最快？在晶体的同一面族中，相邻两晶面之间的距离叫面间距。同一晶面上71.3半导体材料固体材料按照其电阻率可分为超导体材料、导体材料、半导体材料和绝缘体材料。半导体材料的电阻率一般介于导体和绝缘体之间，数值一般在10-4—108Ω.cm之间。但电阻率在10-4—108Ω.cm之间的并不都是半导体，半导体的电阻率受杂质及温度的影响。1.3.1杂质对半导体材料电阻率的影响半导体的电阻率对其所含的杂质量是非常敏感的。杂质含量的改变，会引起半导体材料的电阻率发生显著变化。例如，硅中磷杂质浓度在1021—1012cm-3范围内变化时，它的电阻率则从10-4Ω.cm变到104Ω.cm。目前电阻率可在这样大的范围内变化的材料并不多，它说明了半导体中杂质含量是决定其电阻率的主要因素之一。1.3半导体材料固体材料按照其电阻率可分为超导体材料、导体材81.3.2温度对半导体材料电阻率的影响对金属导体来说，当温度升高时，它的电阻率增大，但变化幅度不大。而半导体与此相反，当温度升高时，电阻率降低，温度下降时，电阻率增大，并且变化幅度很大。当温度变化300℃时，电阻率会改变几千倍到几十万倍。当温度下降至接近绝对零度（-273℃）时，半导体就成为绝缘体。因此要求在室温下（23±2℃）测量硅单晶的电阻率。1.3.2温度对半导体材料电阻率的影响92直拉单晶硅的基础理论2.1位错与拉晶2.1.1晶体缺陷实际晶体的空间点阵和理想的空间点阵不同，它无法作到绝对的理想的规则周期排列，而是点阵在排列上有这样或那样不规则性，存在着点阵畸变，偏离空间点阵。那些偏离点阵的结构或地区通称晶体缺陷。根据缺陷相对晶体尺寸或影响范围大小，可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。2.1.2位错位错是一种很重要的晶体缺陷。晶体的位错是围绕着的一条很长的线，在一定范围内原子都发生有规律的错动，离开它原来平衡位置，所以叫位错。2直拉单晶硅的基础理论2.1位错与拉晶10位错可以发生滑移和攀移运动并发生位错的增殖。硅单晶是典型的金刚石结构，并且是共价键结合，{111}面族面间距大，面密度大，{111}面族是硅单晶的主要滑移面。滑移方向一般为<110>晶向族，<110>晶向族上原子间距最小，因此，硅晶体主要在{111}面族的<110>晶向族的方向上滑移。位错对硅单晶的电学性质影响很大。如位错会影响到电阻率、载流子浓度、缩短少数载流子的寿命及减少电子迁移率直拉硅单晶生长过程中，生产工艺不良，可能使单晶产生位错。产生位错的环节和方式包括：1）籽晶引入位错籽晶表面损伤、机械磨损裂痕等使籽晶表面晶格受到破坏形成位错或籽晶本身有位错。它们和熔硅熔接时，籽晶中位错晶体生长不断延伸和增殖。另一方面，无论籽晶有无位错，籽晶与熔硅接触时受到强烈的热冲击，产生新位错并发生位错增殖，接触面积越大，接触温度越高，新生的和增殖的位错越多，熔接后的籽晶位错密度一般都在103/cm3——104/cm3数量级。位错可以发生滑移和攀移运动并发生位错的增殖。硅单晶是典型的金11熔硅温度较低，籽晶和熔硅熔接不好也会产生位错。如果单晶生长界面温度太低，籽晶和熔硅接触不好，新生长的单晶与籽晶晶格不完全一致，产生了大密度的位错。熔硅表面有浮渣，浮渣附着在籽晶表面，使单晶产生不同取向，同样可以产生位错。2）硅单晶生长中产生位错硅单晶中的位错除籽晶中的位错延伸、增殖外，生长过程中如果受到机械震动，产生机械应力，晶格的结点会发生畸变，生成位错。硅单晶生长中，热应力也会产生位错产生和进行增殖。防止热应力产生位错，这是工艺设计的主要任务。熔硅温度的起伏和单晶生长速率的起伏，可以引起结晶界面上原子振动的变化，使原子排列偏离点阵，产生晶格畸变，形成位错也可能使单晶偏离生长取向产生位错。熔硅温度较低，籽晶和熔硅熔接不好也会产生位错。如果单晶生长界12硅单晶内杂质浓度过高，形成杂质析出也容易产生位错，掺杂量很大的重掺锑、重掺磷、重掺砷硅单尤其明显。硅单晶生长有杂质析出时，形成一新的固相，单晶冷却过程中，它们体积收缩率和形成的新相不同，硅和新固交界处会产生足够的应力，形成位错；另一方面，单晶内杂质浓度高，使硅晶格变化较大，晶格常数的不均匀也可形成应力，产生位错。3）单晶冷却过程产生位错单晶硅生长结束后，单晶和熔硅脱离接触，进行冷却。单晶冷却时，晶体表面和中心由于收缩率不同产生很大的应力，同时晶体表面存在温度梯度，产生很强的热应力，这些应力都足以使单晶界面生成新位错。2.1.3籽晶与引晶籽晶是生长单晶的种子，也叫晶种。用不同晶向的籽晶做晶种，会获得不同晶向的单晶。拉制单晶用的籽晶一般用单晶切成。为了保证单晶质量，切籽晶所用的单晶一般用高阻单晶。切制籽晶的时候，需要进行定向切割。目前一般要求籽晶与所要求的晶向无偏角，即所谓的“零度籽晶”。硅单晶内杂质浓度过高，形成杂质析出也容易产生位错，掺杂量很大13生长无位错硅单晶，首先要生成一个无位错晶核，然后才能在无位错晶核上长成无位错单晶。因此，无位错晶核是生长无位错单晶的基础。无位错晶核和无位错籽晶不同。引晶时，籽晶和熔硅接触，受到强烈的热冲击，不管籽晶有无位错，都要生成和增殖103——104/cm2数量级的位错，通过缩颈工艺则能排除籽晶中原生和新生位错。2.1.4单晶收尾拉晶等径完成后，如果不收尾，单晶尾面脱离熔硅后，由于热应力作用往往产生位错，而且位错会向上返。为提高单晶成晶率，工艺上采取收尾工艺，如果收尾良好，则基本不产生位错。生长无位错硅单晶，首先要生成一个无位错晶核，然后才能在无位错142.2电阻率与掺杂2.2.1硅单晶电阻率和杂质浓度半导体内含微量杂质元素，将使载流子（自由移动的电荷）浓度增加，半导体的电阻率将发生很大变化。在太阳能级单晶硅的拉制中，都要加入杂质元素。根据导电类型分为P（positive正）型和N（negative负）型单晶，P型单晶是由空穴（显正极性）作为载流子，常用的掺杂元素有3价的硼、镓。N型单晶由电子（显负极性）作为载流子，常用的掺杂元素有5价的磷、砷、锑。2.2电阻率与掺杂2.2.1硅单晶电阻率和杂质浓度15通常电阻率低，说明硅中的杂质浓度高，但电阻率高，不能肯定说硅中的杂质浓度就低，还要看是否有高的补偿度（指硅中两种型号杂质浓度之比）。硅单晶的电阻率和杂质浓度可以进行转换，下表中对常用的转换关系进行了列举。2.2.2硅纯度的表示2.2.2.1行业内常用PPb、PPm来表示物质的纯度。通常电阻率低，说明硅中的杂质浓度高，但电阻率高，不能肯定说硅161）PPb（partsperbillion）：表示十亿分之一，如2PPb=2/109

。以硅行业为例，常有下列两种用法：PPba：表示单位体积内杂质原子数和总原子的个数比。如硅中含1PPba的硼，可以理解为10亿个原子中，有1个硼原子，999999999个硅原子。PPbwt：表示单位体积内杂质重量和硅重量比。如硅中含0.1PPba的硼，换算成PPbt为0.038PPbwt。实用浓度转换公式：..\..\常用工具\计算器\calculators.xls2）PPm（partspermillion）：PPm是和PPb相似的一种纯度表示法，只是数量级较大：1PPm=1000PPb。2.2.2.2工业上常用几个“9”来表示物质的纯度。以硅为例，若硅的纯度为9个“9”，则硅原子占99.9999999%，也就是说硅中杂质含量为1PPb。1）PPb（partsperbillion）：表示十亿分172.2.3分凝熔体中各部分的杂质浓度相同，但在凝固过程中，固液两相的杂质溶度会不同，这种现象称为分凝效应。如果结晶凝固过程发生的足够缓慢，可近似地看作平衡过程，这时分凝称平衡分凝。2.2.3.1平衡分凝系数平衡分凝过程中，固液两相杂质浓度的比值称为平衡分凝系数。不同物质的分凝系数不同。K0=CS/CL（K0：平衡分凝系数；CS：固相杂质浓度；CL：液相杂质浓度）例如磷的分凝系数为0.35，意味着如果现在这一时刻熔硅里面的浓度是100的话，那么下一时刻长出来的单晶中，磷的浓度是35。2.2.3分凝熔体中各部分的杂质浓度相同，但在凝固过程中，182.2.3.2有效分凝系数实际生产过程中，结晶不可能无限缓慢，即：不可能在平衡状态中进行，这种状态下的分凝系数称为有效分凝系数。理论分析和实践证明，有效分凝系数和平衡分凝系数之间存在以下关系：工艺基础知识培训课件19

其中：K0为平衡分凝系数；

f为晶体生长速率；δ为杂质富集层（或贫乏层）厚度；D为杂质扩散系数。

以上公式称为普凡方程（也有称为BPS关系的）。工艺基础知识培训课件202.2.3.3硅单晶的电阻率1）纵向电阻率一支直拉硅单晶，从头到尾杂质分布不同，因此其电阻率也不同。影响单晶杂质浓度分布情况主要有以下几个方面。a.杂质分凝是影响硅单晶纵向电阻率分布较大的因素之一。拉制单晶硅时常用的掺杂元素磷、砷、硼、镓，它们在硅中的平衡分凝系数均小于1，因而在晶体生长过程中，杂质会在熔体中不断积累，使熔硅中的杂质浓度越来越高，晶体尾部的杂质浓度也越来越高，电阻率越来越低。分凝系数越小，头尾的电阻比例越大。例如：对于无补偿的掺硼和掺磷（不考虑挥发）单晶，头尾电阻比分别为1.57:1和3.8:1；2.2.3.3硅单晶的电阻率21b.熔体中杂质的蒸发。对于不容易蒸发的杂质，如硼，分凝是影响电阻率分布的主要因素，但容易挥发的杂质，如磷，挥发和分凝同时影响电阻率的纵向分布，当挥发大时，会造成尾部电阻率高于头部电阻率。c.硅熔体还受到其他杂质的污染，主要是石英坩埚中硼杂质的影响。对于P型单晶电阻率会越来越低，N型单晶电阻率会越来越高。总之，分凝、蒸发、污染同时影响单晶杂质分布。而单晶电阻率到底如何变化，必须考虑这三种因素的综合作用。如果分凝占主导作用，单晶中的杂质浓度越来越高，电阻率会越来越低；如果挥发占主导作用，单晶中的杂质尝试会越来越低，电阻率会越来越高。如果石项坩埚污染严重，P型单晶电阻率会越来越低，N型单晶电阻率会越来越高。b.熔体中杂质的蒸发。对于不容易蒸发的杂质，如硼，分凝是影响222）晶体的径向电阻率硅单晶在生长过程中，由于生长界面是弯曲的，这在实际拉晶过程中，从提断的晶体断面可以证实。即在晶体的径向，边缘和中心凝固的时间有先后。这就导致晶体径向的杂质浓度不同。如下图所示，晶体的实际生长界面如果凹向熔体（图中的实线），说明边缘比中心先结晶，如图中的点2处比点7处早凝固。由分凝理论可知，点2处的杂质浓度小于点7处，导致晶体的径向电阻率，中心低、边缘高。因此硅单晶的生长界面平坦，则电阻率均匀。外加磁场可以显著改善单晶的径向电阻率均匀性，就是因为MCZ单晶的生长界面比较平坦。2）晶体的径向电阻率23<111>晶向的单晶，因{111}面族在径向生长速度快，在中心长出小平面，这种“小平面效应”会造成晶体中心部分杂质溶度高，边缘浓度低。因此N型<111>单晶的径向电阻率均匀性很差。3）硅单晶中氧对电阻率的影响直拉硅单晶中，熔硅与石英坩埚会发生反应：SiO2+Si→2SiO↑，通过对流、扩散将氧带入晶体中。氧（施主作用：相当于N型杂质）会影响轻掺硅单晶电阻率的真实性，会使P型单晶电阻率升高，N型单晶电阻率降低，故轻掺杂硅单晶需要650℃的温度下进行热处理，以消除热施主的影响。复拉料处理岗位在做原料分选工作时（或提小头测电阻率时），不能测头尾料中心的电阻率，只能测表皮电阻率，就是考虑到氧施主的干扰。由于SiO的挥发作用，晶体径向氧的分布是中间高、边缘低，也造成晶体径向电阻率出现变化。<111>晶向的单晶，因{111}面族在径向生长速度快，在中242.3工艺参数2.3.1基础知识：温度梯度、热场所谓温度梯度，就是温度在空间某方向上的变化率，用dT/dr表示，指某点的温度T在r方向的变化率。在一定的距离内，某方向的温度相差越大，单位距离内温度变化也越大，温度梯度也越大。于是，我们仿照力学上的力场，电磁学上磁场的描述，称这种热力学上的温度分布为“温度场”，通常称为“热场”。为了帮助初学者对温度梯度有个直观的感觉，我们举例说明，图一和图二是纵向梯度和径向梯度的示意图。先看图一，从加热器的纵向中心开始，沿纵向向上走，温度逐步降低；再看图二，从液面径向的中心开始，沿径向向坩埚边缘走，温度逐步升高。这就是温度梯度的两个例子。希望通过这两个简单的例子，你能对“梯度”一词有个初步的感觉。温度在整个三维空间的分布情况，就是热场。2.3工艺参数2.3.1基础知识：温度梯度、热场25工艺基础知识培训课件26工艺基础知识培训课件27下面我们引入静态热场和动态热场的概念。在单晶没有开始生长时的温度分布，称为静态热场，它由加热器、保温系统、坩埚位置及周围环境决定，图一、图二就是静态热场的分布情况。单晶开始生长后，实际的热场分布，与静态热场是不一样的，主要的原因有以下三点：①由于硅液凝固时会释放出结晶潜热，结晶潜热会改变静态的温度分布；②熔体液面相对坩埚的下降使的温度分布发生变化；③随着晶体长度的增加，晶体表面增加导致散热面积增加，温度分布也发生变化。这种温度梯度不断变化的热场称为动态热场。它是晶体生长时的各种热能因素与静态热场综合迭加的结果。动态热场究竟是怎么“动态”的，我们以径向温度梯度为例来说明。因为结晶而释放出的热量，一部分以热传导、对流、辐射等方式被传走，另一部分则会积聚在晶体下方，从而导致结晶界面处（所谓结晶界面，就是晶体生长时的固液界面）温度升高。如果结晶潜热不是很多，温度升高不多，则径向温度分布会呈图三所示的情况：中心温度分布已经变得比较平坦，但形状尚未发生翻转；如果结晶潜热多，温度升高很多，则径向温度分布会呈图四所示的情况：因为结晶潜热太多，温度分布形状已经发生翻转，晶体中心温度已经高于晶体的边缘温度。硅的结晶潜热是12.1千卡/克分子。下面我们引入静态热场和动态热场的概念。28对于径向温度梯度分布，我们是有机会观察到它的形状的：当因为拉晶不顺而直接提起（不收尾）晶体时，晶体下方断面所显现出来的形状，基本上就是动态径向温度梯度的分布情况。断面越平坦，说明径向温度梯度越小；断面越是弯曲（凹或凸）得厉害，说明径向温度梯度越大。热场的优劣对单晶的生长和质量有着至关重要的影响，好的热场，不但单晶生长顺利，而且能生长出高质量的单晶。不好的热场，或者根本生长不出单晶，或者虽然能生长出单晶，但容易发生晶变（鼓掉）。好的热场应该是晶体中的纵向温度梯度适当地大，熔体中的纵向温度梯度适当地小，结晶界面处的径向温度梯度尽量地小。如果晶体中的纵向温度梯度不够大，则不能充分地将液面传给晶体的热量及结晶潜热带走，晶体生长就不能正常进行。但是纵向温度梯度也不能太大，太大时就会因应力太大而产生位错（晶体中有温度差时，在晶体中就会产生应力）。因此，纵向温度梯度要适当地大。引入一个参数：V/G：拉速与结晶界面温度梯度之比；通常该比值应大于一个临界值：

0.0012~0.0018cm2/min-K，单晶才能正常生长，另外该值还与晶体缺陷，少子寿命有关，是影响太阳能电池转换效率的重要参数。对于径向温度梯度分布，我们是有机会观察到它的形状的：当因为拉29我们再来看看如果结晶界面处的径向温度梯度过大会怎样。径向温度梯度过大，则结晶界面弯曲很厉害。弯曲的结晶界面，意味着应力很大。在晶体的同一横断面上，各部分不是同一时间结晶的，先结晶的温度低，后结晶的温度高。温度有高低，就意味着有应力，当应力太大（也就是温度差很大）的时候，就会产生位错。当位错繁殖到一定的数量，晶体就鼓掉了。因此，结晶介面处的径向梯度必须尽量地小。另外，从改善径向电阻率均匀性来说，也需要径向温度梯度小。2.3.2各工艺参数对单晶生长的影响2.3.2.1拉速对单晶生长的影响我们应该从两个方面了来理解拉速的影响：一是对成晶的影响，二是对产品质量的影响。我们再来看看如果结晶界面处的径向温度梯度过大会怎样。径向温度301）拉速对成晶的影响从前面我们知道，在硅液凝固时要释放出结晶潜热，释放出来的热量与静态热场迭加，从而改变径向温度分布。当拉速很快时，单位时间释放的结晶潜热就很多，会导致结晶界面弯曲得很厉害，一般是弯曲面凹向熔体，从而产生较大的应力。当应力超过一定的极限时，就会产生位错，导致晶体鼓掉。从另一角度说，对于给定的热场，其纵向温度梯度恒定不变的，它能够支持的最高拉速是确定的，如果我们的拉速超过了这一最高值，产生出来的结晶潜热就无法被传走。单晶生长的平衡就会被破坏，导致单晶鼓掉。拉速较慢时，一般不至于对晶体有危害。但是，危害在理论上的可能性是存在的：当静态热场的径向温度梯度特别大，而慢拉速产生的结晶潜热又不足以“填平”静态的径向梯度，最终迭加的结果是结晶界面仍然弯曲得很厉害，只不过这次弯曲面是凸向熔体。要再次强调的是，这种拉速慢导致结晶界面凸向熔体很厉害的情况，在现实中一般不会出现，只具有理论上的可能性。1）拉速对成晶的影响31那么，怎么确定一个最佳的拉速呢？从上面的讨论我们已经知道：最终目标就是通过选择合适的拉速，得到一个平坦的结晶界面。从具体步骤来讲，应该是根据以前的经验，先确定一个大致的拉速框架（这里是指从单晶头部到尾部，整个拉速的变化曲线），然后根据实际生产中观察到的信息，逐步完善。能观察到的信息有以下三个：①当晶体等径中鼓掉时，直接提起，观察断面平坦、凹凸的情况，可以判断实际的径向梯度大小。比如：如果凹向液面太厉害，那就是在该部位拉速太快了。②对于N型的晶体，观察中心点的电阻率与边缘电阻率的差距，如果中心比边缘低得太多，可以初步判定结晶界面凹向液面太厉害了，该部位拉速太快。对于P型的晶体，也可以用此方法作初步判断，但可信性要差些。

③选取欲观察部位的一小段晶体，沿纵轴中心剖开，将剖面研磨抛光后，可以观察到结晶界面的形状。那么，怎么确定一个最佳的拉速呢？从上面的讨论我们已经知道：最322）拉速对产品质量的影响拉速对产品质量的影响主要在于径向电阻率均匀性。在前面的讨论中已经说过，由于结晶潜热的释放会影响径向梯度，而决定电阻率径向均匀性的主要因素就是径向温度梯度。界面处的径向温度梯度越小（即：结晶界面越平坦），均匀性越好。径向温度梯度越大（即：结晶界面越弯曲），均匀性就越差。至于界面怎么会弯曲、怎么会平坦，前面已有讨论，这里不再详细叙述。2.3.2.2埚升埚升的作用就是要保持液面的恒定。对这一参数有两点需要注意：一是正确的埚升数值，二是跟埚升的时机。1）埚升跟踪值的大小决定晶体直径的大小。大家都已经知道，埚升快了，晶体会直径逐渐增大；埚升慢了，晶体直径会逐渐减小。其内在的原因解释如下图。2）拉速对产品质量的影响33工艺基础知识培训课件34晶体生长时，如果埚升跟踪正常，则聂尔跟视线与光圈相交于O点，是稳定不动的。如果埚升偏慢，液体供给不足，则液面会逐步下降。图中线段CD是正常时的液面，线段EF是液面下降后的位置。液面下降后，晶体虽然会自然收小，但这不是我们讨论的重点，我们重点讨论计算机，在这种情况下是怎么发生了误判的。液面下降后，聂尔跟的视线与液面的交点变到了B点。我们假设晶体直径不变，与液面的交点变为A点（也就是O点的平行下移）。这时的事实虽然是聂尔跟的视点向晶体中心移动了，但在聂尔跟“看”来却是晶体长大了（晶体光圈已经长到聂尔跟视点B的后方了），因为运动是相对的。基于聂尔跟的这种误判，电脑就会把单晶收小：使A点向B点靠拢，直到A、B两点完全重合。这种液面下降的过程要持续到什么时候呢？一直到晶体直径与埚升比相匹配为止。换句话说，每一埚升比例都对应着一个晶体直径。埚升偏快时的情况，与此完全类似。请自己分析。晶体生长时，如果埚升跟踪正常，则聂尔跟视线与光圈相交于O点，35明白上述道理后，你就应该知道：直径大小的最终决定者是埚升比例是否正确，只要埚升比例正确，直径大了，电脑会给你收小；直径小了，电脑会给你放大。当然，这一收小、放大的过程是非常缓慢的。判断埚升比例是否正确，最有效的办法是不断地计算晶体长度变化量与埚升变化量之比，是否与理论值相同。不同的要及时纠正。2）埚升跟踪的启动时机，影响头部拉速能否稳定刚转完肩后，进入等径时，很容易出现的一个现象是：大约在头部100mm长度以内，拉速降得很低，离要求的值较远。导致这种现象的一个原因是放肩时温度偏高，转肩后温度未能及时下调到位。所以，很多人都知道在快转肩时，提前进行降温，以防等径时拉速太低。但是，还有另外一个重要因素，会影响头部拉速，那就是启动埚升跟踪的时机。在转肩时，如果埚升跟早了，转肩不容易转过来。如果埚升跟晚了，则会导致液面下降，比如：埚升跟踪比例是9:1（拉速：埚升），如果你等晶体已经走了9mm长再启动埚升跟踪，这时液面就已经下降了1mm。对于晶体生长来说，1mm已经是一个非常大的变化了，它会从两个方面引起晶体直径的缩小：首先是液面下降会直接缩小晶体直径；其次是液面下降后，液面温度会上升，这又会缩小晶体直径。在有些情况下，这种液面下降导致的头部拉速降低，比上面说的放肩时温度偏高的影响还要大很多。明白上述道理后，你就应该知道：直径大小的最终决定者是埚升比例36头部拉速波动太大，对成晶是有危害的。所以，炉上的操作人员务必注意：在不影响你转肩的情况下，尽早地启动埚升跟踪。2.3.2.3晶转由于国家没有在直拉工艺方面投入大量资金，让大专院校、研究所作基础研究，再加上直拉工艺是一个很复杂的系统（影响它的因素非常多），所以在直拉工艺上，我们有太多太多说不清楚的事。晶转和埚转到底如何影响单晶生长，就很难说得十分肯定，只能有少量定性的结论。由于晶体的旋转，起到了搅拌的作用，充分的搅拌可以起到两方面的作用：一是使结晶界面变得平坦，这有利于单晶的稳定生长；二是使结晶界面的杂质分布更均匀，有利于改善径向电阻率均匀性。当晶体旋转时，结晶界面附近的硅液因为离心力的作用被甩出去，液体被甩走后，留下的空间需要其他位置的液体来补充，这只能来自于晶体下方的熔体。当晶体转速非常快时，这种方式的液体流动就会很强烈，形成一种下部熔体被吸上来，然后被离心力甩出去的效果。这种效果在晶体生长的头部（熔体较深），可能危害不大，但在晶体尾部，如果埚底有渣滓，就会导致晶体鼓掉。头部拉速波动太大，对成晶是有危害的。所以，炉上的操作人员务必372.3.2.4埚转在拉晶岗位工作时间较长的人，会有这样的经历：托碗（即：埚帮）断了，旋转时要蹭上加热器，但把坩埚转到某个方向然后停住时，不会碰到加热器。于是我们准备在埚转停止的情况下，继续拉晶，那怕是多晶也行（因为原料很珍贵，头尾料比埚底料价值高）。可是，很多人的实践经验告诉我们：这行不通。就算是想拉支多晶也很难，因为中间晶体在生长时，埚边的结晶也在生长。从这一现象我们知道，埚转对形成一定的径向温度梯度很重要。当埚转停止时，径向梯度很小（也许接近零），也就是中心的温度和边缘的温度差不多，中心结晶（晶体生长），边缘也结晶。因此，埚转是调节径向温度梯度的重要手段。埚转太快的危害有两个方面。首先，由于硅液离心力的作用，增加了对埚帮的压力，可能会降低埚帮的使用寿命。其次，搅拌强烈，增加氧含量。2.3.2.4埚转382.3.2.5气流量氩气有以下几个方面的作用。①以强制气流带走挥发物。否则，挥发物在炉膛上沉积，越来越厚，最终容易掉渣导致晶体鼓掉。②作为保护气体，能抑制渗漏空气的氧化作用。③带走晶体表面的热量，有利于增加纵向温度梯度（对径向梯度也有影响）。

氩气流量是大点好，还是小点好，很难一概而论，但倾向应该是大些好。2.3.2.6

水压/水流量多数炉子以水压高低来表示水流量的大小，没有直接的水流量表。水压对单晶生长的影响比较小，只有当热场自身的保温性较差，不能隔离外界水冷却的影响时，才会起作用。2.3.2.5气流量392.4单晶硅棒的检测2.4.1晶向直拉硅单晶晶向一般通过观察原始晶体外观形状确定，若想进一步确定晶体实际生长方向偏离正向偏角，用激光定向仪或X光定向仪进行定向测量。以下是3种常见型号晶体的外观形状。1)<100>：肩部有4条对称棱线，等径部分晶体上有4条对称棱线。

2)<110>：肩部有对称的两条明显的主线，两条主线的两旁各有一条副线（共4条副线），等径部分晶体上有两条主线。3)<111>：肩部有对称的6条棱线，等径部分晶体上没有明显的棱线，但有很密集的小“苞丝”。2.4单晶硅棒的检测2.4.1晶向402.4.2单晶、多晶的判断对于直拉硅单晶圆棒，无位错的部分为单晶，有位错则为多晶。在晶体上切取样块，用腐蚀液腐蚀后，可以看到位错线。通常简单快捷的方法是从外观进行判断。方法是，一般收尖并且棱线到底的晶棒，整根晶体为单晶，若中间棱线或“苞丝”鼓掉，则从鼓掉的地方反掉其断面直径后剩余的部分为单晶。2.4.3型号硅单晶的型号（导电类型）有P型和N型。用专门的型号测试仪进行检测。测量时要经过研磨或喷砂处理，处理干净表面。避免因表面沾有阴、阳离子，造成测量错误。2.4.4电阻率常用于单晶硅棒电阻率的检测方法是四探针接触法。其测量时要求晶体表面经过磨粗或喷砂处理。2.4.2单晶、多晶的判断411）硅棒纵向表皮电阻率的测试。将硅棒表面处理后，进行测试即可。需要注意电阻率的头尾走势是否符合规律。2）径向电阻率变化（RRV）。因为氧的施主效应，会影响硅棒的径向电阻率。因此需要经过热处理，消除氧施主效应。方法是加热到650度后，急速冷却。处理后，用电阻率仪测试。测试点选取的方法是（采用GB11073-89中的选点方案B），测量6点，如下图所示。在硅片的中心测量2次，在两条垂直直径距硅棒边沿6mm处各测量一点。径向电阻率变化%=（边沿4点的平均值-中心2点的平均值）/中心2点的平均值×100%1）硅棒纵向表皮电阻率的测试。将硅棒表面处理后，进行测试即可422.4.5少子寿命（非平衡少数载流子的寿命）非平衡少数载流子的寿命是半导体材料的一个基本参数，它的大小直接影响半导体器件的性能。P型单晶硅依靠空穴导电，N型单晶硅依靠电子导电。非平衡少数载流子的寿命是指：非平衡少数载流子在外界激发条件取消后，能存在的平均时间。在太阳能级中一般要求大于10微秒。少子寿命的大小可以间接反映电池片的转换效率。影响少子寿命的因素很多，主要是金属含量和晶格缺陷，特别是重金属含量对其影响较大。有效控制重金属和其它杂质的含量可以有效的提高单晶硅的少子寿命和单晶品质。少子寿命的测量值受表面状态的干扰很大，在测试时，需对测试表面进行严格的抛光处理。但目前行业内，都是在圆棒切断后，在断面上直接测量，测量值小于真实值。2.4.6氧碳含量直拉硅单晶中的氧和碳是很重要的杂质，在晶体内可能生成微沉淀，也可能在微沉淀的基础上形成微缺陷，严重影响硅单晶的质量。2.4.5少子寿命（非平衡少数载流子的寿命）43氧主要来源与石英坩埚，在单晶中的分布是：纵向，头高尾低；晶体断面中心高，边缘低。直拉硅单晶中，氧的浓度在6×1017/cm3——2×1018/cm3的范围内。采用磁场技术，可以降低氧含量。碳一部分来自于石墨热场，但大部分来自于原料。在单晶中的分布是头低尾高。浓度数量级1016/cm3。2.4.7位错检测位错对半导体材料的电学性质，如载流子浓度、迁移率、特别是对寿命的影响很大，因此，对器件的成品率影响很大。现在，一般都要求无错位单晶硅。检测错位的方法主要有：腐蚀坑法，杂质沉淀法和X光法。把腐蚀好的样品放在全相显微镜下，可进行观察，〈111〉晶面上的位错腐蚀坑呈现三角形，〈100〉晶面上的位错腐蚀坑呈现四方形。在每平方厘米面积上的腐蚀坑个数表示为位错密度。在拉制的无位错晶体的尾部，由于热应力的作用也会产生大量位错。在检测时，把有位错的部位要作为废品而切除掉。氧主要来源与石英坩埚，在单晶中的分布是：纵向，头高尾低；晶体443辅助材料3.1氩气高纯氩气在直拉单晶中作为保护气体。如果氩气纯度不高，含有水、氧及其他杂质，势必要影响单晶硅的成晶率和质量，甚至于根本无法拉制出单晶来。单晶硅的生产对高纯氩气的要求是：纯度＞99.9995%，即所有杂质的总含量＜10ppm；其中氧含量＜2.0ppm，目前已经提高到＜1.5ppm；水份＜2.0ppm（对应的露点约为-70℃），通常测定露点，露点越低，水含量越低。3.2纯水直拉单晶炉运行时，需要冷却水来冷却炉壁。自来水或普通蒸馏水中都含有一些杂质离子，如：钠（Na+）、钾（K+）、镁（Mg+2）、钙（Ca+2）等阳离子及氯（Cl-）、硫酸根（SO4-2），碳酸根（CO3-2）、硅酸根（SiO3-2）等阴离子。这些杂质，如钙镁离子会在冷却水管内结垢造成水路堵塞，酸根会腐蚀管道。因此冷却水需要进行纯化处理。3辅助材料3.1氩气45单晶炉的冷却水的纯度要求是：Cl离子含量≤10mg/L；PH值在6-9之间；总硬度≤125mg/L。需要说明的是电阻率也是考量水纯度的重要指标之一，电阻率越大，水的纯度越高。纯水的理论极限电阻率与温度有关，如下表。单晶炉的冷却水的纯度要求是：463.3高纯石墨及石墨毡拉制单晶硅所使用的加热器和保温系统是用高纯石墨制做的。单晶硅的生产对高纯石墨的要求是：纯度高、强度大、结构致密均匀，无裂纹、无空洞。3.3高纯石墨及石墨毡拉制单晶硅所使用的加热器和保温系统是用473.4石英坩埚3.4.1石英也是很重要的辅助材料。目前没有查到电弧坩埚的国家标准文件。石英玻璃的形变点为1075℃，退火点1180℃，软化点1730℃。3.4.2关于坩埚的“析晶”现象。坩埚的“析晶”现象：拉晶使用过的坩埚，有时会在外壁或内壁上出现与坩埚质地不同，类似石灰质的一层壳。这就是“析晶”现象。“析晶”轻微时，埚壁上出现白斑，看不出明显的分层；严重时，“析晶”层很厚，而且在内壁的“析晶”层与坩埚的夹层之间会渗入硅。“析晶”的原因是坩埚受到了碱金属（钠、钾、锂等）的沾污。沾污有以下几种可能：①坩埚清洗时受到了碱金属沾污。②多晶原料中碱金属含量高。③坩埚外壁的“析晶”，则多半是因为石墨托碗中的碱金属含量高。④其他原因引起的碱金属沾污。3.4石英坩埚3.4.1石英也是很重要的辅助材料。目前没48说明：本培训材料主要引用：单晶生产基础理论知识（V2.0）——梁永生直拉工艺培训教材（一）——李定武说明：本培训材料主要引用：49

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50演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！51培训目的：相关技术人员掌握必备的专业基础知识

课程类型：技术类课目：工艺基础知识课时：2H

主讲人：周锐

编制：周锐审核：李定武核准：实施日期：2011年2月宁夏隆基系统标准化培训教育课件宁夏隆基系统标准化培训教育课件521.1单晶硅与多晶硅

硅（台湾、香港称矽）呈灰色，性脆，易碎。其在自然界中呈氧化物状态存在，在岩石圈中的丰度为27.6%（重量），仅次于氧，因而硅的资源极为丰富。通常的工业硅（99.0-99.9%）不具有半导体性能，当将硅提纯到很高纯度（99.9999999%）时，就显示出优异半导体性能。下表中列举了硅的一些参数。培训教育

学习成长1硅单晶1.1单晶硅与多晶硅培训教育学习成长1硅单晶53培训教育

学习成长表1.1硅的参数培训教育学习成长表1.1硅的参数54硅原子在空间呈长程有序排列，具有周期性和对称性，这种硅晶体称为单晶硅。反之，硅原子在空间的排列呈无序或短程有序，称为多晶硅。因单晶的原子排列具有周期性和有序性，为了方便分析研究，人们选取能够反映晶体周期性的重复单元作为研究对象，称为晶胞。硅单晶属于金刚石结构，晶胞是正方体。八个顶点、六个面的中心及每条空间对角线上距顶点四分之一对角线长的地方各有一个硅原子。图1.2金刚石结构硅原子在空间呈长程有序排列，具有周期性和对称性，这种硅晶体称551.2晶向及晶面晶体生长中，常用到晶面和晶向的概念。晶体的原子可以看成是分列排列在平行等距的平面系上，这样的平面成为晶面。通常选取正方体晶胞上的一个顶点作为原点，过原点的三条棱线分别作为X、Y、Z坐标轴，晶胞的棱长为一个单位长度建立坐标系。任意一个晶面，在X、Y、Z轴上都会有截距，取截取的倒数，若倒数为分数，则乘以它们的最小公倍数，都可以转换成h、k、l的形式，把整数h、k、l扩入圆括号，这样就得到晶面指数（hkl）。某一晶面指数为（123），或者更普遍地为（hkl），它仅表示晶面指数为h、k、l的一个晶面。为了表示平行于这一特殊晶面的一整族晶面，或需要指明具有某种晶体学类型的所有晶面，如所有的立方面是具有（100）特性的晶面，常用｛｝括起晶面指数，这样，一切具有（100）晶面特性的晶面用｛100｝表示，叫｛100｝晶面族，它包括（100）、（010）、（001）、（—100）、（0—10）、（00—1）各晶面。1.2晶向及晶面晶体生长中，常用到晶面和晶向的概念。晶体的56为了标出晶向，通过坐标原点作一直线平行于晶面的法线方向，根据晶胞的棱长决定此直线点的坐标，把坐标化成简单的整数比。用［］括起来，称为晶向指数。为了表示一组相同晶体类型的所有晶向，用＜＞把晶向指数括起来，叫晶向族。

图1.3常用的三种晶面为了标出晶向，通过坐标原点作一直线平行于晶面的法线方向，根据57在晶体的同一面族中，相邻两晶面之间的距离叫面间距。同一晶面上，单位面积中的原子数叫面密度。晶面指数不同的晶面族，面间距也不同，面密度也不一样。单位体积晶体中原子总数是一定的，面间距较小的晶面族，晶面排列密，晶面的原子密度小；面间距较大的面族，晶面排列较稀，晶面的原子密度大。硅单晶生长时，{100}晶面族的法向生长速度最快，{111}晶面族最慢。硅单晶若用腐蚀液腐蚀，各晶面族腐蚀速率不同，{100}面族腐蚀速率最快，{110}面族次之，{111}晶面族最慢。为什么{100}晶面族的法向生长速度最快？在晶体的同一面族中，相邻两晶面之间的距离叫面间距。同一晶面上581.3半导体材料固体材料按照其电阻率可分为超导体材料、导体材料、半导体材料和绝缘体材料。半导体材料的电阻率一般介于导体和绝缘体之间，数值一般在10-4—108Ω.cm之间。但电阻率在10-4—108Ω.cm之间的并不都是半导体，半导体的电阻率受杂质及温度的影响。1.3.1杂质对半导体材料电阻率的影响半导体的电阻率对其所含的杂质量是非常敏感的。杂质含量的改变，会引起半导体材料的电阻率发生显著变化。例如，硅中磷杂质浓度在1021—1012cm-3范围内变化时，它的电阻率则从10-4Ω.cm变到104Ω.cm。目前电阻率可在这样大的范围内变化的材料并不多，它说明了半导体中杂质含量是决定其电阻率的主要因素之一。1.3半导体材料固体材料按照其电阻率可分为超导体材料、导体材591.3.2温度对半导体材料电阻率的影响对金属导体来说，当温度升高时，它的电阻率增大，但变化幅度不大。而半导体与此相反，当温度升高时，电阻率降低，温度下降时，电阻率增大，并且变化幅度很大。当温度变化300℃时，电阻率会改变几千倍到几十万倍。当温度下降至接近绝对零度（-273℃）时，半导体就成为绝缘体。因此要求在室温下（23±2℃）测量硅单晶的电阻率。1.3.2温度对半导体材料电阻率的影响602直拉单晶硅的基础理论2.1位错与拉晶2.1.1晶体缺陷实际晶体的空间点阵和理想的空间点阵不同，它无法作到绝对的理想的规则周期排列，而是点阵在排列上有这样或那样不规则性，存在着点阵畸变，偏离空间点阵。那些偏离点阵的结构或地区通称晶体缺陷。根据缺陷相对晶体尺寸或影响范围大小，可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。2.1.2位错位错是一种很重要的晶体缺陷。晶体的位错是围绕着的一条很长的线，在一定范围内原子都发生有规律的错动，离开它原来平衡位置，所以叫位错。2直拉单晶硅的基础理论2.1位错与拉晶61位错可以发生滑移和攀移运动并发生位错的增殖。硅单晶是典型的金刚石结构，并且是共价键结合，{111}面族面间距大，面密度大，{111}面族是硅单晶的主要滑移面。滑移方向一般为<110>晶向族，<110>晶向族上原子间距最小，因此，硅晶体主要在{111}面族的<110>晶向族的方向上滑移。位错对硅单晶的电学性质影响很大。如位错会影响到电阻率、载流子浓度、缩短少数载流子的寿命及减少电子迁移率直拉硅单晶生长过程中，生产工艺不良，可能使单晶产生位错。产生位错的环节和方式包括：1）籽晶引入位错籽晶表面损伤、机械磨损裂痕等使籽晶表面晶格受到破坏形成位错或籽晶本身有位错。它们和熔硅熔接时，籽晶中位错晶体生长不断延伸和增殖。另一方面，无论籽晶有无位错，籽晶与熔硅接触时受到强烈的热冲击，产生新位错并发生位错增殖，接触面积越大，接触温度越高，新生的和增殖的位错越多，熔接后的籽晶位错密度一般都在103/cm3——104/cm3数量级。位错可以发生滑移和攀移运动并发生位错的增殖。硅单晶是典型的金62熔硅温度较低，籽晶和熔硅熔接不好也会产生位错。如果单晶生长界面温度太低，籽晶和熔硅接触不好，新生长的单晶与籽晶晶格不完全一致，产生了大密度的位错。熔硅表面有浮渣，浮渣附着在籽晶表面，使单晶产生不同取向，同样可以产生位错。2）硅单晶生长中产生位错硅单晶中的位错除籽晶中的位错延伸、增殖外，生长过程中如果受到机械震动，产生机械应力，晶格的结点会发生畸变，生成位错。硅单晶生长中，热应力也会产生位错产生和进行增殖。防止热应力产生位错，这是工艺设计的主要任务。熔硅温度的起伏和单晶生长速率的起伏，可以引起结晶界面上原子振动的变化，使原子排列偏离点阵，产生晶格畸变，形成位错也可能使单晶偏离生长取向产生位错。熔硅温度较低，籽晶和熔硅熔接不好也会产生位错。如果单晶生长界63硅单晶内杂质浓度过高，形成杂质析出也容易产生位错，掺杂量很大的重掺锑、重掺磷、重掺砷硅单尤其明显。硅单晶生长有杂质析出时，形成一新的固相，单晶冷却过程中，它们体积收缩率和形成的新相不同，硅和新固交界处会产生足够的应力，形成位错；另一方面，单晶内杂质浓度高，使硅晶格变化较大，晶格常数的不均匀也可形成应力，产生位错。3）单晶冷却过程产生位错单晶硅生长结束后，单晶和熔硅脱离接触，进行冷却。单晶冷却时，晶体表面和中心由于收缩率不同产生很大的应力，同时晶体表面存在温度梯度，产生很强的热应力，这些应力都足以使单晶界面生成新位错。2.1.3籽晶与引晶籽晶是生长单晶的种子，也叫晶种。用不同晶向的籽晶做晶种，会获得不同晶向的单晶。拉制单晶用的籽晶一般用单晶切成。为了保证单晶质量，切籽晶所用的单晶一般用高阻单晶。切制籽晶的时候，需要进行定向切割。目前一般要求籽晶与所要求的晶向无偏角，即所谓的“零度籽晶”。硅单晶内杂质浓度过高，形成杂质析出也容易产生位错，掺杂量很大64生长无位错硅单晶，首先要生成一个无位错晶核，然后才能在无位错晶核上长成无位错单晶。因此，无位错晶核是生长无位错单晶的基础。无位错晶核和无位错籽晶不同。引晶时，籽晶和熔硅接触，受到强烈的热冲击，不管籽晶有无位错，都要生成和增殖103——104/cm2数量级的位错，通过缩颈工艺则能排除籽晶中原生和新生位错。2.1.4单晶收尾拉晶等径完成后，如果不收尾，单晶尾面脱离熔硅后，由于热应力作用往往产生位错，而且位错会向上返。为提高单晶成晶率，工艺上采取收尾工艺，如果收尾良好，则基本不产生位错。生长无位错硅单晶，首先要生成一个无位错晶核，然后才能在无位错652.2电阻率与掺杂2.2.1硅单晶电阻率和杂质浓度半导体内含微量杂质元素，将使载流子（自由移动的电荷）浓度增加，半导体的电阻率将发生很大变化。在太阳能级单晶硅的拉制中，都要加入杂质元素。根据导电类型分为P（positive正）型和N（negative负）型单晶，P型单晶是由空穴（显正极性）作为载流子，常用的掺杂元素有3价的硼、镓。N型单晶由电子（显负极性）作为载流子，常用的掺杂元素有5价的磷、砷、锑。2.2电阻率与掺杂2.2.1硅单晶电阻率和杂质浓度66通常电阻率低，说明硅中的杂质浓度高，但电阻率高，不能肯定说硅中的杂质浓度就低，还要看是否有高的补偿度（指硅中两种型号杂质浓度之比）。硅单晶的电阻率和杂质浓度可以进行转换，下表中对常用的转换关系进行了列举。2.2.2硅纯度的表示2.2.2.1行业内常用PPb、PPm来表示物质的纯度。通常电阻率低，说明硅中的杂质浓度高，但电阻率高，不能肯定说硅671）PPb（partsperbillion）：表示十亿分之一，如2PPb=2/109

。以硅行业为例，常有下列两种用法：PPba：表示单位体积内杂质原子数和总原子的个数比。如硅中含1PPba的硼，可以理解为10亿个原子中，有1个硼原子，999999999个硅原子。PPbwt：表示单位体积内杂质重量和硅重量比。如硅中含0.1PPba的硼，换算成PPbt为0.038PPbwt。实用浓度转换公式：..\..\常用工具\计算器\calculators.xls2）PPm（partspermillion）：PPm是和PPb相似的一种纯度表示法，只是数量级较大：1PPm=1000PPb。2.2.2.2工业上常用几个“9”来表示物质的纯度。以硅为例，若硅的纯度为9个“9”，则硅原子占99.9999999%，也就是说硅中杂质含量为1PPb。1）PPb（partsperbillion）：表示十亿分682.2.3分凝熔体中各部分的杂质浓度相同，但在凝固过程中，固液两相的杂质溶度会不同，这种现象称为分凝效应。如果结晶凝固过程发生的足够缓慢，可近似地看作平衡过程，这时分凝称平衡分凝。2.2.3.1平衡分凝系数平衡分凝过程中，固液两相杂质浓度的比值称为平衡分凝系数。不同物质的分凝系数不同。K0=CS/CL（K0：平衡分凝系数；CS：固相杂质浓度；CL：液相杂质浓度）例如磷的分凝系数为0.35，意味着如果现在这一时刻熔硅里面的浓度是100的话，那么下一时刻长出来的单晶中，磷的浓度是35。2.2.3分凝熔体中各部分的杂质浓度相同，但在凝固过程中，692.2.3.2有效分凝系数实际生产过程中，结晶不可能无限缓慢，即：不可能在平衡状态中进行，这种状态下的分凝系数称为有效分凝系数。理论分析和实践证明，有效分凝系数和平衡分凝系数之间存在以下关系：工艺基础知识培训课件70

其中：K0为平衡分凝系数；

f为晶体生长速率；δ为杂质富集层（或贫乏层）厚度；D为杂质扩散系数。

以上公式称为普凡方程（也有称为BPS关系的）。工艺基础知识培训课件712.2.3.3硅单晶的电阻率1）纵向电阻率一支直拉硅单晶，从头到尾杂质分布不同，因此其电阻率也不同。影响单晶杂质浓度分布情况主要有以下几个方面。a.杂质分凝是影响硅单晶纵向电阻率分布较大的因素之一。拉制单晶硅时常用的掺杂元素磷、砷、硼、镓，它们在硅中的平衡分凝系数均小于1，因而在晶体生长过程中，杂质会在熔体中不断积累，使熔硅中的杂质浓度越来越高，晶体尾部的杂质浓度也越来越高，电阻率越来越低。分凝系数越小，头尾的电阻比例越大。例如：对于无补偿的掺硼和掺磷（不考虑挥发）单晶，头尾电阻比分别为1.57:1和3.8:1；2.2.3.3硅单晶的电阻率72b.熔体中杂质的蒸发。对于不容易蒸发的杂质，如硼，分凝是影响电阻率分布的主要因素，但容易挥发的杂质，如磷，挥发和分凝同时影响电阻率的纵向分布，当挥发大时，会造成尾部电阻率高于头部电阻率。c.硅熔体还受到其他杂质的污染，主要是石英坩埚中硼杂质的影响。对于P型单晶电阻率会越来越低，N型单晶电阻率会越来越高。总之，分凝、蒸发、污染同时影响单晶杂质分布。而单晶电阻率到底如何变化，必须考虑这三种因素的综合作用。如果分凝占主导作用，单晶中的杂质浓度越来越高，电阻率会越来越低；如果挥发占主导作用，单晶中的杂质尝试会越来越低，电阻率会越来越高。如果石项坩埚污染严重，P型单晶电阻率会越来越低，N型单晶电阻率会越来越高。b.熔体中杂质的蒸发。对于不容易蒸发的杂质，如硼，分凝是影响732）晶体的径向电阻率硅单晶在生长过程中，由于生长界面是弯曲的，这在实际拉晶过程中，从提断的晶体断面可以证实。即在晶体的径向，边缘和中心凝固的时间有先后。这就导致晶体径向的杂质浓度不同。如下图所示，晶体的实际生长界面如果凹向熔体（图中的实线），说明边缘比中心先结晶，如图中的点2处比点7处早凝固。由分凝理论可知，点2处的杂质浓度小于点7处，导致晶体的径向电阻率，中心低、边缘高。因此硅单晶的生长界面平坦，则电阻率均匀。外加磁场可以显著改善单晶的径向电阻率均匀性，就是因为MCZ单晶的生长界面比较平坦。2）晶体的径向电阻率74<111>晶向的单晶，因{111}面族在径向生长速度快，在中心长出小平面，这种“小平面效应”会造成晶体中心部分杂质溶度高，边缘浓度低。因此N型<111>单晶的径向电阻率均匀性很差。3）硅单晶中氧对电阻率的影响直拉硅单晶中，熔硅与石英坩埚会发生反应：SiO2+Si→2SiO↑，通过对流、扩散将氧带入晶体中。氧（施主作用：相当于N型杂质）会影响轻掺硅单晶电阻率的真实性，会使P型单晶电阻率升高，N型单晶电阻率降低，故轻掺杂硅单晶需要650℃的温度下进行热处理，以消除热施主的影响。复拉料处理岗位在做原料分选工作时（或提小头测电阻率时），不能测头尾料中心的电阻率，只能测表皮电阻率，就是考虑到氧施主的干扰。由于SiO的挥发作用，晶体径向氧的分布是中间高、边缘低，也造成晶体径向电阻率出现变化。<111>晶向的单晶，因{111}面族在径向生长速度快，在中752.3工艺参数2.3.1基础知识：温度梯度、热场所谓温度梯度，就是温度在空间某方向上的变化率，用dT/dr表示，指某点的温度T在r方向的变化率。在一定的距离内，某方向的温度相差越大，单位距离内温度变化也越大，温度梯度也越大。于是，我们仿照力学上的力场，电磁学上磁场的描述，称这种热力学上的温度分布为“温度场”，通常称为“热场”。为了帮助初学者对温度梯度有个直观的感觉，我们举例说明，图一和图二是纵向梯度和径向梯度的示意图。先看图一，从加热器的纵向中心开始，沿纵向向上走，温度逐步降低；再看图二，从液面径向的中心开始，沿径向向坩埚边缘走，温度逐步升高。这就是温度梯度的两个例子。希望通过这两个简单的例子，你能对“梯度”一词有个初步的感觉。温度在整个三维空间的分布情况，就是热场。2.3工艺参数2.3.1基础知识：温度梯度、热场76工艺基础知识培训课件77工艺基础知识培训课件78下面我们引入静态热场和动态热场的概念。在单晶没有开始生长时的温度分布，称为静态热场，它由加热器、保温系统、坩埚位置及周围环境决定，图一、图二就是静态热场的分布情况。单晶开始生长后，实际的热场分布，与静态热场是不一样的，主要的原因有以下三点：①由于硅液凝固时会释放出结晶潜热，结晶潜热会改变静态的温度分布；②熔体液面相对坩埚的下降使的温度分布发生变化；③随着晶体长度的增加，晶体表面增加导致散热面积增加，温度分布也发生变化。这种温度梯度不断变化的热场称为动态热场。它是晶体生长时的各种热能因素与静态热场综合迭加的结果。动态热场究竟是怎么“动态”的，我们以径向温度梯度为例来说明。因为结晶而释放出的热量，一部分以热传导、对流、辐射等方式被传走，另一部分则会积聚在晶体下方，从而导致结晶界面处（所谓结晶界面，就是晶体生长时的固液界面）温度升高。如果结晶潜热不是很多，温度升高不多，则径向温度分布会呈图三所示的情况：中心温度分布已经变得比较平坦，但形状尚未发生翻转；如果结晶潜热多，温度升高很多，则径向温度分布会呈图四所示的情况：因为结晶潜热太多，温度分布形状已经发生翻转，晶体中心温度已经高于晶体的边缘温度。硅的结晶潜热是12.1千卡/克分子。下面我们引入静态热场和动态热场的概念。79对于径向温度梯度分布，我们是有机会观察到它的形状的：当因为拉晶不顺而直接提起（不收尾）晶体时，晶体下方断面所显现出来的形状，基本上就是动态径向温度梯度的分布情况。断面越平坦，说明径向温度梯度越小；断面越是弯曲（凹或凸）得厉害，说明径向温度梯度越大。热场的优劣对单晶的生长和质量有着至关重要的影响，好的热场，不但单晶生长顺利，而且能生长出高质量的单晶。不好的热场，或者根本生长不出单晶，或者虽然能生长出单晶，但容易发生晶变（鼓掉）。好的热场应该是晶体中的纵向温度梯度适当地大，熔体中的纵向温度梯度适当地小，结晶界面处的径向温度梯度尽量地小。如果晶体中的纵向温度梯度不够大，则不能充分地将液面传给晶体的热量及结晶潜热带走，晶体生长就不能正常进行。但是纵向温度梯度也不能太大，太大时就会因应力太大而产生位错（晶体中有温度差时，在晶体中就会产生应力）。因此，纵向温度梯度要适当地大。引入一个参数：V/G：拉速与结晶界面温度梯度之比；通常该比值应大于一个临界值：

0.0012~0.0018cm2/min-K，单晶才能正常生长，另外该值还与晶体缺陷，少子寿命有关，是影响太阳能电池转换效率的重要参数。对于径向温度梯度分布，我们是有机会观察到它的形状的：当因为拉80我们再来看看如果结晶界面处的径向温度梯度过大会怎样。径向温度梯度过大，则结晶界面弯曲很厉害。弯曲的结晶界面，意味着应力很大。在晶体的同一横断面上，各部分不是同一时间结晶的，先结晶的温度低，后结晶的温度高。温度有高低，就意味着有应力，当应力太大（也就是温度差很大）的时候，就会产生位错。当位错繁殖到一定的数量，晶体就鼓掉了。因此，结晶介面处的径向梯度必须尽量地小。另外，从改善径向电阻率均匀性来说，也需要径向温度梯度小。2.3.2各工艺参数对单晶生长的影响2.3.2.1拉速对单晶生长的影响我们应该从两个方面了来理解拉速的影响：一是对成晶的影响，二是对产品质量的影响。我们再来看看如果结晶界面处的径向温度梯度过大会怎样。径向温度811）拉速对成晶的影响从前面我们知道，在硅液凝固时要释放出结晶潜热，释放出来的热量与静态热场迭加，从而改变径向温度分布。当拉速很快时，单位时间释放的结晶潜热就很多，会导致结晶界面弯曲得很厉害，一般是弯曲面凹向熔体，从而产生较大的应力。当应力超过一定的极限时，就会产生位错，导致晶体鼓掉。从另一角度说，对于给定的热场，其纵向温度梯度恒定不变的，它能够支持的最高拉速是确定的，如果我们的拉速超过了这一最高值，产生出来的结晶潜热就无法被传走。单晶生长的平衡就会被破坏，导致单晶鼓掉。拉速较慢时，一般不至于对晶体有危害。但是，危害在理论上的可能性是存在的：当静态热场的径向温度梯度特别大，而慢拉速产生的结晶潜热又不足以“填平”静态的径向梯度，最终迭加的结果是结晶界面仍然弯曲得很厉害，只不过这次弯曲面是凸向熔体。要再次强调的是，这种拉速慢导致结晶界面凸向熔体很厉害的情况，在现实中一般不会出现，只具有理论上的可能性。1）拉速对成晶的影响82那么，怎么确定一个最佳的拉速呢？从上面的讨论我们已经知道：最终目标就是通过选择合适的拉速，得到一个平坦的结晶界面。从具体步骤来讲，应该是根据以前的经验，先确定一个大致的拉速框架（这里是指从单晶头部到尾部，整个拉速的变化曲线），然后根据实际生产中观察到的信息，逐步完善。能观察到的信息有以下三个：①当晶体等径中鼓掉时，直接提起，观察断面平坦、凹凸的情况，可以判断实际的径向梯度大小。比如：如果凹向液面太厉害，那就是在该部位拉速太快了。②对于N型的晶体，观察中心点的电阻率与边缘电阻率的差距，如果中心比边缘低得太多，可以初步判定结晶界面凹向液面太厉害了，该部位拉速太快。对于P型的晶体，也可以用此方法作初步判断，但可信性要差些。

③选取欲观察部位的一小段晶体，沿纵轴中心剖开，将剖面研磨抛光后，可以观察到结晶界面的形状。那么，怎么确定一个最佳的拉速呢？从上面的讨论我们已经知道：最832）拉速对产品质量的影响拉速对产品质量的影响主要在于径向电阻率均匀性。在前面的讨论中已经说过，由于结晶潜热的释放会影响径向梯度，而决定电阻率径向均匀性的主要因素就是径向温度梯度。界面处的径向温度梯度越小（即：结晶界面越平坦），均匀性越好。径向温度梯度越大（即：结晶界面越弯曲），均匀性就越差。至于界面怎么会弯曲、怎么会平坦，前面已有讨论，这里不再详细叙述。2.3.2.2埚升埚升的作用就是要保持液面的恒定。对这一参数有两点需要注意：一是正确的埚升数值，二是跟埚升的时机。1）埚升跟踪值的大小决定晶体直径的大小。大家都已经知道，埚升快了，晶体会直径逐渐增大；埚升慢了，晶体直径会逐渐减小。其内在的原因解释如下图。2）拉速对产品质量的影响84工艺基础知识培训课件85晶体生长时，如果埚升跟踪正常，则聂尔跟视线与光圈相交于O点，是稳定不动的。如果埚升偏慢，液体供给不足，则液面会逐步下降。图中线段CD是正常时的液面，线段EF是液面下降后的位置。液面下降后，晶体虽然会自然收小，但这不是我们讨论的重点，我们重点讨论计算机，在这种情况下是怎么发生了误判的。液面下降后，聂尔跟的视线与液面的交点变到了B点。我们假设晶体直径不变，与液面的交点变为A点（也就是O点的平行下移）。这时的事实虽然是聂尔跟的视点向晶体中心移动了，但在聂尔跟“看”来却是晶体长大了（晶体光圈已经长到聂尔跟视点B的后方了），因为运动是相对的。基于聂尔跟的这种误判，电脑就会把单晶收小：使A点向B点靠拢，直到A、B两点完全重合。这种液面下降的过程要持续到什么时候呢？一直到晶体直径与埚升比相匹配为止。换句话说，每一埚升比例都对应着一个晶体直径。埚升偏快时的情况，与此完全类似。请自己分析。晶体生长时，如果埚升跟踪正常，则聂尔跟视线与光圈相交于O点，86明白上述道理后，你就应该知道：直径大小的最终决定者是埚升比例是否正确，只要埚升比例正确，直径大了，电脑会给你收小；直径小了，电脑会给你放大。当然，这一收小、放大的过程是非常缓慢的。判断埚升比例是否正确，最有效的办法是不断地计算晶体长度变化量与埚升变化量之比，是否与理论值相同。不同的要及时纠正。2）埚升跟踪的启动时机，影响头部拉速能否稳定刚转完肩后，进入等径时，很容易出现的一个现象是：大约在头部100mm长度以内，拉速降得很低，离要求的值较远。导致这种现象的一个原因是放肩时温度偏高，转肩后温度未能及时下调到位。所以，很多人都知道在快转肩时，提前进行降温，以防等径时拉速太低。但是，还有另外一个重要因素，会影响头部拉速，那就是启动埚升跟踪的时机。在转肩时，如果埚升跟早了，转肩不容易转过来。如果埚升跟晚了，则会导致液面下降，比如：埚升跟踪比例是9:1（拉速：埚升），如果你等晶体已经走了9mm长再启动埚升跟踪，这时液面就已经下降了1mm。对于晶体生长来说，1mm已经是一个非常大的变化了，它会从两个方面引起晶体直径的缩小：首先是液面下降会直接缩小晶体直径；其次是液面下降后，液面温度会上升，这又会缩小晶体直径。在有些情况下，这种液面下降导致的头部拉速降低，比上面说的放肩时温度偏高的影响还要大很多。明白上述道理后，你就应该知道：直径大小的最终决定者是埚升比例87头部拉速波动太大，对成晶是有危害的。所以，炉上的操作人员务必注意：在不影响你转肩的情况下，尽早地启动埚升跟踪。2.3.2.3晶转由于国家没有在直拉工艺方面投入大量资金，让大专院校、研究所作基础研究，再加上直拉工艺是一个很复杂的系统（影响它的因素非常多），所以在直拉工艺上，我们有太多太多说不清楚的事。晶转和埚转到底如何影响单晶生长，就很难说得十分肯定，只能有少量定性的结论。由于晶体的旋转，起到了搅拌的作用，充分的搅拌可以起到两方面的作用：一是使结晶界面变得平坦，这有利于单晶的稳定生长；二是使结晶界面的杂质分布更均匀，有利于改善径向电阻率均匀性。当晶体旋转时，结晶界面附近的硅液因为离心力的作用被甩出去，液体被甩走后，留下的空间需要其他位置的液体来补充，这只能来自于晶体下方的熔体。当晶体转速非常快时，这种方式的液体流动就会很强烈，形成一种下