硅的基础知识和太阳能单晶拉制基础知识及操作

硅的基础知识和太阳能单晶拉制基础知识及操作——-余新明——硅的基础知识硅在元素周期表中的序号是14,相对原子量为28,密度2.32-2.34克/厘米。常温下是固体，熔点是1410~1414度，沸点则要2355度。硅是IV族元素，外层有四个电子，所以，外层有五个电子的V族元素就被称为施主元素，因为多余的那个好象是做善事一样可以共大家使用，产生导电性。而外层只有三个电子的III族元素，则被成为受主元素，因为外面少一个电子，好象有一个空穴一样，所以周围的硅原子所带有的外层的电子老是要来填满它，这样，那个空穴就好象也会到处跑，像个正电子一样，电子和空穴就被统称为载流子。最常被用来作为施主杂质的元素是磷，主要原因是它无毒而且比较容易得到，进行掺杂也比较容易。最常被用来作为受主杂质的元素是硼，主要原因也和磷一样，但它比磷还有一个更加明显的优点，就是，它在硅中的分凝系数很接近于1。一一这是什么意思呢？掺杂时，要将硅和杂质一起熔化，然后拉单晶。而单晶是从上到下逐渐生长的，所有的杂质元素在硅晶体的生长时，在硅的晶体和液体的界面上（固液界面），在固体和液体中的浓度是不同的，其在固体中的浓度与在液体中的浓度之比，就称为分凝系数。分凝系数越接近与1，则在固体和液体中的比例一样，这样所拉出的单晶的杂质浓度就越均匀。而分凝系数越接近于零，则在固体和液体的比例差别越大，这样，先拉出来的单晶的头部，杂质就会很少，而到单晶的底部，杂质浓度就会很大。硼在固液界面静止情况下的分凝系数为0.8,在固液界面运动的时候，会超过0.9,所以，拉制的单晶里，从头到尾，所掺杂的硼的浓度很均匀。而磷的分凝系数为0.36，在实际拉晶时，分凝系数可以超过0.5,虽然小了些，但在V族元素里，已经是分凝系数最大的元素了硅单晶的主要技术参数硅单晶主要技术参数有导电类型、电阻率与均匀度、非平衡载流子寿命、晶向与晶向偏离度、晶体缺陷等。导电类型导电类型由掺入的施主或受主杂质决定。P型单晶多掺硼，N型单晶多掺磷，外延片衬底用N型单晶掺锑或砷。电阻率与均匀度拉制单晶时掺入一定杂质以控制单晶的电阻率。由于杂质分布不匀，电阻率也不均匀。电阻率均匀性包括纵向电阻率均匀度、断面电阻率均匀度和微区电阻率均匀度。它直接影响器件参数的一致性和成品率。非平衡载流子寿命光照或电注入产生的附加电子和空穴瞬即复合而消失，它们平均存在的时间称为非平衡载流子的寿命。非平衡载流子寿命同器件放大倍数、反向电流和开关特性等均有关系。寿命值又间接地反映硅单晶的纯度，存在重金属杂质会使寿命值大大降低。晶向与晶向偏离度常用的单晶晶向多为（111）和（100）。晶体的轴与晶体方向不吻合时，其偏离的角度称为晶向偏离度。晶体缺陷生产电子器件用的硅单晶除对位错密度有一定限制外，不允许有小角度晶界、位错排、星形结构等缺陷存在。位错密度低于200/厘米2者称为无位错单晶，无位错硅单晶占产量的大多数。在无位错硅单晶中还存在杂质原子、空位团、自间隙原子团、氧碳或其他杂质的沉淀物等微缺陷。微缺陷集合成圈状或螺旋状者称为旋涡缺陷。热加工过程中，硅单晶微缺陷间的相互作用及变化直接影响集成电路的成败。太阳能单晶拉制基础知识及操作单晶的生长方法有很多种，但在生产上应用的只有两种，即悬浮区熔法(FZ)和直拉法(CZ),其中直拉法包含磁场直拉法，磁场直拉法的特别之处是磁场作为一个单晶生长的特别参数，磁场拉晶法包含三种不同的磁场类型(垂直磁场法，水平磁场法以及Cusp磁场法)。1、 区熔法(FZ)区熔法不需要石英柑祸，高温的硅并没有和任何其它物质接触，因而很容易保持高纯度。这种方法可以得到特别低的氧含量，但是它不太容易生长出较大直径的硅单晶。2、 直拉法(CZ)直拉法是IC电路用硅片最常用的方法。熔硅放在石英坩埚里面，因为石英坩埚(Si02)导致氧进入熔硅，因而有高的氧含量。3、MCZMethodVMCZ(Verticalmagneticfieldtype)这是垂直磁场(通过熔融表面)的CZ方法，熔硅被熔融流体和磁场的相互作用强制住。这种相互作用影响流体的流动模式，并影响所获得单晶的特性。HMCZMethod(Horizontalmagneticfieldtype)这是水平磁场(通过熔融表面)的CZ方法，熔硅被熔融流体和磁场的相互作用强制住.这种相互作用影响流体的流动模式，并影响所获得单晶的特性。CuspMCZMethod(Cuspshapedmagneticfieldtype)Cusp型磁场是通过两个同极磁场相对而形成的。Cusp磁场的特性是对晶/熔界面有小的磁场改变，而对其它部位则改变较大，相互平行的磁场影响熔体表面，并且与晶体生长轴线有同轴形状。直拉法的创始人是“恰克拉斯基”(J.Czochralski)，所以说该法又称恰克拉斯基法.该法简单的描述为：多晶装在一个坩埚中，坩埚上方有一可旋转和升降的重锤，重锤的下端有一夹头，其上捆上一根籽晶。多晶被加热器熔化后，将籽晶插入熔体之中，控制合适的温度，边转动边提拉，即可获得所需单晶。根据生长晶体不同的要求，加热方式可用高频或中频感应加热或电阻加热。直拉法硅单晶生长的优点：1、 可以方便地观察晶体生长过程。2、 晶体在熔体和自由表面处生长，而不与坩埚接触，可以减少热应力。3、 可以方便地使用定向籽晶和籽晶细颈工艺以减小晶体中的缺陷，得到所需取向的晶体。4、 较快的生长速度和较短的生长周期。直拉硅单晶生长的工艺过程直拉法生长的具体工艺过程包括装料与熔料、挥发稳定熔接、引细颈、放肩、转肩、等径生长和收尾这几个阶段。它将拉晶经验参数编程输入计算机进行自动控制。采用计算机控制加热温度及晶体的等径生长，对提高产品质量、降低工作强度、节约能耗有极大的意义。从本质上讲，直拉法是一个受控制的(即非自由的)晶体生长过程。向熔体引入籽晶，在某一特定晶向上，通过固一液界面上原子从液相向固相不断转移来使晶体长大。晶体生长的原动力来自热场。在固液界面的生长过程微观上遵循二维成核、侧向层状生长规律，要获得完美的晶体，应该有一个平坦的固液生长界面，即平坦的径向等温线。开炉前准备工作。准备开炉所需要的工具。检查真空系统是否正常。检查水路是否正常。开炉。打开电源，冲入氩气，当大表显示炉内压力已经达到大气压时关掉氩气。将单晶完全升入上炉筒后升起上炉筒，缓缓将上炉筒向左侧移开（需扶稳单晶，使单晶尽量减少晃动）。降下单晶并取出单晶。用酒精纱布擦拭籽晶和重锤，并下拉籽晶。处理完后升籽晶至上炉筒的下边缘略上方。升起上炉室及上炉盖，并向左移动。拿出导流筒及上保温系统，取出石英坩垠锅底.石墨坩埚.托杆。升起下炉筒并向右移出，取出保温系统，加热器。用吸尘器清理加热器.石墨部件.保温系统.下炉筒.炉底及抽气管道。用酒精纱布擦拭不锈钢炉内壁。清理完毕后装入加热器及保温系统（注意温度取光孔所对的位置），装上坩埚杆，放入已经处理干净的石墨坩埚，放入石英坩埚并装料及掺杂。完毕后装上上保温盖.导流筒，移回上炉盖及上炉室并降下复位。（注意不要伤到籽晶）。清理工作台。（以上所有过程要求炉内部件不能接触水份和油渍）抽空。打开真空泵，打开主抽气球阀，将真空抽至下限（此过程需10-20分钟），打开上氩气阀门向炉内注入氩气（此过程约10分钟）。关上氩气阀门，将真空抽至下限，若真空达到5帕以下或者炉子升温前的一贯真空度可以升温，若真空不到5帕则反复冲氩及抽空过程直到真空抽至5帕以下后升温。熔料。升温时先将温度升到低温，向炉内注入氩气控制并保持炉内压力在1000Pa左右，开启坩埚转为1转（若有料可能刮碰到导流筒则不开埚转），注意坩埚位置。低温半小时后升至中温并观察炉内料的情况，再半小时后升到高温，开始熔料（此过程约4小时，过程中要注意调节坩埚位置）直至料全熔。挥发。全熔后高温挥发半小时至1小时（视炉内料的情况而定，若硅跳厉害则早点降至引晶温度），降温至引晶温度后放埚转为5-6转，30分钟后升坩埚位置到引晶位置（液面离导流筒1CM左右）（此环节千万要注意升埚位时液面绝对不能碰到导流筒下边缘，否则将极易发生事故）。坩埚位置放好后挥发稳定20分钟左右打入温度自动，开晶转为8-10转可以开始引晶。引晶。当温度快达到固液交接面的临界温度时降下籽晶插入液面，所插长度视籽晶的情况而定。当籽晶边缘出现完整的光圈后慢慢提拉速开始引晶（注意控制好温度）。所引的籽晶要求粗细大致均匀（3MM左右）长度为150MM左右，准备就绪后开始放肩。七放肩。当引晶完毕后开始放肩拉速放至0.5（所放肩的形态由晶向决定：〈100〉晶向为4条棱，分布均匀呈90度角分布，〈111〉晶向为3条主棱3条副棱，3条主棱呈120度角均匀分布，每两条主棱组成的角中分线上有1条副棱。）。控制好温度肩会越放越大但是不允许有任何一条棱有脱节现象（若出现则晶体的晶格排列被打乱就生长不出单晶，需要回熔重新引晶.放肩。）。放肩过程中检查拉速曲线和温校曲线及参数设置。八.转肩。当肩放到接近于所需要拉制直径时可以开始转肩（具体相差多少要视炉内温度和放肩情况而定）。转肩时慢慢将拉速放到2.50左右，当看见完整的光圈出现时将拉速放到1.50，拉几毫米后打开埚升，按所拉制单晶的埚升比进行埚升跟踪，当单晶等径后将拉速降到1.2左右（视所拉制的直径放拉速）拉制几公分，微调节温度至单晶等径温度。埚升计算公式如下：埚升二晶升X单晶直径的平方：坩埚内壁直径的平方X0.93九.等径。当温度和直径手动控制稳定后打入拉速自动和温度自动。等径过程中要注意以下几点：观察单晶直径的变化，若粗细不匀可以退出自动适当调节温度和拉速待直径稳定后重新打自动。30公分以下则回熔，回熔后重新从上述“挥发”步骤开始；若勒雹时的单晶已经适合取出则取出单晶（退出自动，停止埚升跟踪收尾5-8公分，降埚转为1转，下降少许埚位以提断晶棒，升少许温。将晶棒停留在原位置上保温半小时后，改拉速为慢升5MM/分钟，自动升3小时后将单晶快升至上炉筒关上拉速冷却半小时，关上插板阀或者翻板阀同时打开上下炉筒氩气，待大表显示压力为大气压后升起上炉筒，缓缓向左移出，降下单晶并取出后用保温设备或材料保温。用干净的纱布擦拭并下拉籽晶升籽晶至安全位置，移回并降下上炉筒。打开副室泵，打开副泵球阀抽副室真空（通过2-3次置换气氛）将副室真空抽至极限真空后关副泵真空管道球阀打开翻板阀或者插板阀，打开上炉筒氩气关下炉筒氩气和副室球阀及副室泵，打开晶转然后重新从“引晶”步骤开始操作。若拉晶途中出现突