CZ法,直拉法又称为切克劳斯基法
1918年由切克劳斯基（Czochralski）建立起来的一种晶体生长方法，简称CZ法。CZ法的特点是在一个直筒型的热系统汇总，用石墨电阻加热，将装在高纯度石英坩埚中的多晶硅熔化，然后将籽晶插入熔体表面进行熔接，同时转动籽晶，再反转坩埚，籽晶缓慢向上提升，经过引晶、放大、转肩、等径生长、收尾等过程，一支硅单晶就生长出来了。
区熔法又称FZ法，即悬浮区熔法。
区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。[
区熔法分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。前者主要用于锗、GaAs等材料的提纯和单晶生长。后者主要用于硅，这是由于硅熔体的温度高，化学性能活泼，容易受到异物的玷污，难以找到适合的舟皿，不能采用水平区熔法。
NTD中子嬗变掺杂，Neutron Transmutation Doping (NTD) 这是采用中子辐照的办法来对材料进行掺杂的一种技术，其最大优点就是掺入的杂质浓度分布非常均匀。对于半导体硅，通过热中子的辐照，可使部分的Si同位素原子转变为磷（P）原子[14Si31的半衰期为2.62小时]：14Si30+ 中子→ 14Si31+γ射线→ 15P31+β射线；从而在Si中出现了施主磷而使Si成为了n型。
对于Ge，通过热中子的辐照，可使含量超过95%的同位素32Ge70原子转变为受主31Ga71，从而可使Ge成为p型半导体。由于同位素原子在晶体中的分布是非常均匀的，而且中子在硅中的穿透深度又很大[≈100cm]，所以这种n型Si和p型Ge 的掺杂非常均匀。这对于大功率半导体器件和辐射探测器件的制作是很有用的。
单晶硅生长技术的研究与发展 摘要：综述了单晶硅生长技术的研究现状。对改良热场技术、磁场直拉技术、真空高阻技术以及氧浓度的控制等技术进行了论述。 关键词：单晶硅；真空高阻；磁场；氧含量；氮掺杂 一、前言 影响国家未来在高新技术和能源领域实力的战略资源。作为一种功能材料，其性能应该是各向异性的，因此半导体硅大都应该制备成硅单晶，并加工成抛光片，方可制造IC器件，超过98％的电子元件都足使用硅单晶”引。生产单晶硅的原料主要包括：半导体单晶硅碎片，半导体单晶硅切割剩余的头尾料、边皮料等。目前，单晶硅的生长技术主要有直拉法(CZ)和悬浮区熔法(FZ)。在单晶硅的制备过程中还可根据需要进行掺杂，以控制材料的电阻率，掺杂元素一般为Ⅲ或V主族元素.生长制备后的单晶硅棒还需经过切片、打磨、腐蚀、抛光等工序深加工后方可制成用作半导体材料的单晶硅片。随着单晶硅生长及加工处理技术的进步，单晶硅正朝着大直径化(300ram以上)、低的杂质及缺陷含晕、更均匀的分布以及生产成本低、效率高的方向发展。 二、单晶硅的生长原理 在单晶硅生长过程中，随着熔场温度的下降，将发生由液态转变到固态的相变化。对于发生在等温、等压条件下的相变化，不同相之间的相对稳定性可由吉布斯自由能判定。AG可以视为结晶驱动力。 △G=△H—TAS (1) 在平衡的熔化温度瓦时，固液两相的自由能是相等的，即AG=0，因此 △G=AH一瓦X AS---O (2) 所以，AS=AH／T= (3) 其中，AH即为结晶潜热。将式(3)代入式(1)可得 (4) 由式(4)可以看出，由于AS是一个负值常数，所以△兀即过冷度)可被视为结晶的唯一驱动力。 以典型的CZ长晶法为例，加热器的作用在于提供系统热量，以使熔硅维持在高于熔点的温度。如果在液面浸入一品种，在品种与熔硅达到热平衡时，液面会靠着表面张力的支撑吸附在晶种下方。若此时将晶种往上提升，这些被吸附的液体也会跟着晶种往上运动，而形成过冷状态。这节过冷的液体由于过冷度产生的驱动力而结晶，并随着晶种方向长成单晶棒。在凝固结晶过程中，所释放出的潜热是一个间接的热量来源，潜热将借着传导作用而沿着晶棒传输。同时，晶棒表面也会借着热辐射与热对流将热量散失到外围，另外熔场表面也会将热量散失掉。于是，在一个固定的条件下，进入系统的热能将等于系统输出的热能陟。 三、硅单晶生长方法 1直拉(CZ)法 直拉法的生产过程简单来说就是利用旋转的籽晶从熔硅中提拉制备单晶硅。此法产量大、成本低，国内外大多数太阳能单晶硅片厂家多采用这种技术。目前，直拉法生产工艺的研究热点主要有：先进的热场构造、磁场直拉法以及对单晶硅中氧浓度的控制等方面。 (1)先进的热场构造 在现代下游IC产业对硅片品质依赖度日益增加的情况下，热场的设计要求越来越高。好的
晶体生长方法 一、提拉法 晶体提拉法的创始人是J. Czochralski，他的论文发表于1918年。提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这种方法制备的。近年来，这种方法又得到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法，LEC），能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单晶等）。所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。这种方法的主要优点是：(a)在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b)晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；(c)可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。 二、热交换法
热交换法是由D. Viechnicki和F. Schmid于1974年发明的一种长晶方法。其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。特点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；(3) HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；(4) HEM可用于生长具有特定形状要求的晶体。由于这种方法在生长晶体过程中需要不停的通以流动氦气进行热交换，所以氦气的消耗量相当大，如Φ30 mm的圆柱状坩埚就需要每分钟38升的氦气流量，而且晶体生长周期长，He气体价格昂贵，所以长晶成本很高。 三、坩埚下降法 坩埚下降法又称为布里奇曼－斯托克巴格法，是从熔体中生长晶体的一种方法。通常坩埚在结晶炉中下降，通过温度梯度较大的区域时，熔体在坩埚中，自下而上结晶为整块晶体。这个过程也可用结晶炉沿着坩埚上升方式完成。与提拉法比较该方法可采用全封闭或半封闭的坩埚，成分容易控制；由于该法生长的晶体留在坩埚中，因而适于生长大块晶体，也可以一炉同时生长几块晶体。另外由于工艺条件
单晶硅生长炉 目录 单晶硅生长炉 原理简介 目前国内外晶体生长设备的现状 单晶硅生长炉的特点 单晶硅生长炉 原理简介 目前国内外晶体生长设备的现状 单晶硅生长炉的特点 展开 编辑本段单晶硅生长炉 单晶硅生长炉是通过直拉法生产单晶硅的制造设备。主要由主机、加热电源和计算机控制系统三大部分组成。 1、主机部分： ●机架，双立柱 ●双层水冷式结构炉体 ●水冷式阀座 ●晶体提升及旋转机构 ●坩埚提升及旋转机构 ●氩气系统 ●真空系统及自动炉压检测控制 ●水冷系统及多种安全保障装置 ●留有二次加料口 2、加热器电源： 全水冷电源装置采用专利电源或原装进口IGBT及超快恢复二极管等功率器件。配以特效高频变压器，构成新一代高频开关电源。采用移相全桥软开关（ZVS）及CPU独立控制技术，提高了电能转换效率，不需要功率因数补偿装置。 3、计算机控制系统： 采用PLC和上位工业平板电脑PC机，配备大屏幕触摸式HMI人机界面、高像素CCD测径ADC系统和具有独立知识产权的“全自动CZ法晶体生长SCADA监控系统”，可实现从抽真空—检漏—炉压控制—熔料—稳定—溶接—引晶—放肩—转肩—等径—收尾—停炉全过程自动控制。
中国西安理工大学研究所 。 美国KAYEX公司 德国CGS GmbH公司 编辑本段单晶硅生长炉的特点 HD系列硅单晶炉的炉室采用3节设计。上筒和上盖可以上升并向两边转动，便于装料和维护等。炉筒升降支撑采用双立柱设计，提高稳定性。支撑柱安装在炉体支撑平台的上面，便于平台下面设备的维护。炉筒升降采用丝杠提升技术，简便干净。 全自动控制系统采用模块化设计，维护方便，可靠性高，抗干扰性好。双摄像头实时采集晶体直径信息。液面测温确保下籽晶温度和可重复性。炉内温度或加热功率控制方式可选，保证控温精度。质量流量计精确控制氩气流量。高精度真空计结合电动蝶阀实时控制炉内真空度。上称重传感器用于晶棒直径的辅助控制。伺服电机和步进电机的混合使用，即可满足转动所需的扭矩，又可实现转速的精确控制。质量流量计精确控制氩气流量。 自主产权的控制软件采用视窗平台，操作方便简洁直观。多种曲线和数据交叉分析工具提供了工艺实时监控的平台。完整的工艺设定界面使计算机可以自动完成几乎所有的工艺过程。 加热电源采用绿色纵向12脉冲直流电源。比传统直流电源节能近15%。 特殊的温场设计使晶体提拉速度提高20-30%。
金属1001 覃文远3080702014 单晶硅制备方法 我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。 单晶硅，英文，Monocrystallinesilicon。是硅的单晶体。具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999%，甚至达到99.9999999%以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。 用途：单晶硅具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随着温度升高而增加，具有半导体性质。单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第ЩA族元素，形成P型半导体，掺入微量的第VA族元素，形成N型，N型和P型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。 单晶硅是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。在开发能源方面是一种很有前途的材料。 单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。 直拉法 直拉法又称乔赫拉尔基斯法（Caochralski）法，简称CZ法。它是生长半导体单晶硅的主要方法。该法是在直拉单晶氯内，向盛有熔硅坩锅中，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制热场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，单晶便在籽晶下按照籽晶的方向长大。拉出的液体固化为单晶，调节加热功率就可以得到所需的单晶棒的直径。其优点是晶体被拉出液面不与器壁接触，不受容器限制，因此晶体中应力小，同时又能防止器壁沾污或接触所可能引起的杂乱晶核而形成多晶。直拉法是以定向的籽晶为生长晶核，因而可以得到有一定晶向生长的单晶。 直拉法制成的单晶完整性好，直径和长度都可以很大，生长速率也高。所用坩埚必须由不污染熔体的材料制成。因此，一些化学性活泼或熔点极高的材料，由于没有合适的坩埚，而不能用此法制备单晶体，而要改用区熔法晶体生长或其
单晶硅生长炉原理 单晶硅生长炉原理 首先，把高纯度的多晶硅原料放入高纯石英坩埚，通过石墨加热器产生的高温将其熔化；然后，对熔化的硅液稍做降温，使之产生一定的过冷度，再用一根固定在籽晶轴上的硅单晶体（称作籽晶）插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长；接着，控制籽晶生长出一段长为100m 单晶硅生长炉 m左右、直径为3～5mm的细颈，用于消除高温溶液对籽晶的强烈热冲击而产生的原子排列的位错，这个过程就是引晶；随后，放大晶体直径到工艺要求的大小，一般为75～300mm，这个过程称为放肩；接着，突然提高拉速进行转肩操作，使肩部近似直角；然后，进入等径工艺，通过控制热场温度和晶体提升速度，生长出一定直径规格大小的单晶柱体；最后，待大部分硅溶液都已经完成结晶时，再将晶体逐渐缩小而形成一个尾形锥体，称为收尾工艺；这样一个单晶拉制过程就基本完成，进行一定的保温冷却后就可以取出。 直拉法，也叫切克劳斯基（J.Czochralski）方法。此法早在1917年由切克劳斯基建立的一种晶体生长方法，用直拉法生长单晶的设备和工艺比较简单，容易实现自动控制，生产效率高，易于制备大直径单晶，容易控制单晶中杂质浓度，可以制备低电阻率单晶。据统计，世界上硅单晶的产量中70％～80％是用直拉法生产的。 单晶硅生长炉现状 目前国内外晶体生长设备的现状如下： 美国KAYEX公司 国外以美国KAYEX公司为代表，生产全自动硅单晶体生长炉。KAYEX公司是目前世界上最大，最先进的硅单晶体生长炉制造商之一。KAYEX的产品早在80年代初就进入中国市场，已成为中国半导体行业使用最多的品牌。该公司生长的硅晶体生长炉从抽真空－检漏－熔料－引晶－放肩－等径－收尾到关机的全过程由计算机实行全自动控制。晶体产品的完整性与均匀性好，直径偏差在单晶全长内仅±1mm。主要产品有CG3000、CG6000、KAYEX100PV、KAYEX120PV、KEYEX150，Vision300型，投料量分别为30kg、60kg、100kg、120kg、150kg、300kg。
CL系列单晶炉，属软轴提拉型，用直拉法生长无位错电路级、太阳能级单晶的设备。 此设备结构设计稳定，运行平稳，且有多项安全防护设施，质量流量及温度控制精确，整个晶体生长过程由高可靠的可编程计算机控制器（PCC）控制，并可实现全自动（CCD）控制，包括抽真空、熔化、引晶缩颈、放肩、等经生长和尾锥生长。 CL-90型设备提供一对电极，满足用户采用两温区加热的工艺要求。设备使用18寸或20寸的热系统，投料量60-90Kg，生长6″或8″的单晶体。 设备特点： 1、稳定的机架结构设计，增强了设备在晶体生长过程中的抗振动能力。 2、优化的液压提升机构确保副炉室提升和复位时的运动平稳性。 3、与主机分离的分水器设计，在减少冷却水振动对晶体生长的影响的同时优化了水路布局。 4、晶体和坩埚的提升采用双电机结构，保证稳定的低生长速度以及坩埚和籽晶的快速定位。 5、采用无振动的高性能马达和低噪声的减速器驱动晶体和坩埚上升，可提供稳定的低生长速度。 6、设备的真空条件和在真空下的可控惰性气体气流使得热区清洗最佳化。氧化硅可以在不污染晶体和晶体驱动装置的条件下排除。 7、带隔离阀的副室可以在热区保持工作温度的情况下，取出长成的晶体或者更换籽晶。 8、对惰性气体流量和炉室压力高精度的控制能力，为生长高品质单晶创造了条件。 9、炉盖和炉腔通过两个提升装置提升，很方便的转向一边快捷地清洗。 10、熔化温度通过对加热器温度的电控来维持和调节，加热电源采用直流供电提高了控制精度。高品质的加热器温度测量传感器实现了精确的温度控制。 12、整个晶体生长过程由一个高可靠的可编程计算机控制器（PCC）控制，包括抽真空、熔化、引晶缩颈、放肩、等经生长和尾锥生长，晶体生长全过程可实现全自动（CCD）控制：。 13、带有数据和报警过程控制的可视化软件，存储在计算机的硬盘中。可以显示过程变量随时 间变化的趋势图。
单晶硅材料简介 摘要：单晶硅是硅的单晶体，具有完整的点阵结构，纯度要求在99.9999%以上，是一种良好的半导体材料。制作工艺以直拉法为主，兼以区熔和外延。自从1893年光生伏效应的发现，太阳能电池就开始在人们的视线中出现，随着波兰科学家发展了生长单晶硅的提拉法工艺以及1959年单晶硅电池效率突破10%，单晶硅正式进入商业化。我国更是在05年把太阳能电池的产量提高到10MW/年，并且成为世界重要的光伏工业基地。单晶硅使信息产业成为全球经济发展中增长最快的先导产业，世界各国也重点发展单晶硅使得单晶硅成为能源行业宠儿。地壳中含量超过25.8%的硅含量使得单晶硅来源丰富，虽然暂时太阳能行业暂时以P 型电池主导，但遭遇边际效应的P型电池终将被N型电池所取代。单晶硅前途不可限量。 关键字：性质；历史；制备；发展前景 Monocrystalline silicon material Brief Introduction Abstract: Monocrystalline silicon is silicon single crystal with complete lattice structure, purity over 99.9999%, is a good semiconductor materials.Process is given priority to with czochralski method, and with zone melting and extension.Since 1893 time born v effect, found that solar cells began to appear in the line of sight of people, with the development of polish scientist pulling method of single crystal silicon growth process and single crystal silicon battery efficiency above 10% in 1959, monocrystalline silicon formally enter the commercial.5 years of our country is in the production of solar cells to 10 mw/year, and become the world pv industrial base.Monocrystalline silicon makes information industry become the world's fastest growing economy in the forerunner industry, the world also make focus on monocrystalline silicon single crystal silicon darling become the energy industry.Content more than 25.8% of silicon content in the crust has rich source of monocrystalline silicon, while the solar industry to temporarily P type battery, but in the marginal effects of p-type battery will eventually be replaced by N type battery.Future of monocrystalline silicon. Key words: silicon;Properties;History;Preparation;Prospects for development 一、单晶硅基本性质以及历史沿革 硅有晶态和无定形两种同素异形体。晶态硅又分为单晶硅和多晶硅，它们均具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。晶态硅的熔点1410C,沸点2355C,密度2.32~2.34g/cm3，莫氏硬度为7。 单晶硅是硅的单晶体。具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999%，甚至达到99.9999999%以上。 熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征半导体。在超纯单晶硅中掺入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成p型硅半导体；如掺入微量的ⅤA族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成n型硅半导体。 最开始是1893年法国的实验物理学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应。在1918年的时候波兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉法工艺。1959年Hoffman电子实现可商业化单晶硅电池效率达到10%，并通过用网栅电极来显著减少光伏电池串联电阻；卫星探险家6号发射，共用9600片太阳能电池列阵，每片2c㎡，共20W。由此单晶硅生产的太阳能电池正式进入商业化方向。 同样在中国，单晶硅的发展也是伴随着太阳能电池的发展。在1958年的时候我国开始
晶体生长计算软件FEMAG 20世纪80年代中期，鲁汶大学Fran?ois Dupret教授带领其团队，开始晶体生长的研究，经过10多年的行业研发及应用，Fran?ois Dupret教授于2003年成立了FEMAGSoft公司（总部设在比利时Louvain-la-Neuve市），正式推出晶体生长数值仿真软件FEMAG。如今，FEMAG软件已成为全球行业用户高度认可的数值仿真工具，在晶体生长数值模拟领域处于国际领先地位。 FEMAG Soft擅长所有类型晶体材料生长方面的工艺模拟专业技术，比如：?直拉法（Czochralski） ?区熔法（Floating Zone） ?适用于铸锭定向凝固过程工艺（DS），Bridgman法 ?物理气相传输法（PVT） 产品模块 1.FEMAG/CZ-Czochralski (CZ) Process 适用于Czochralski直拉法生长工艺和Kyropoulos生长工艺 2.FEMAG/DS-Directional Solidification (DS) Process 适用于铸锭定向凝固过程工艺 3.FEMAG/FZ-Float Zone Process (FZ) 适用于区熔法生长工艺
主要功能 1.全局热传递分析 “全局性”即包涵所有拉晶要素在内，并考虑传热模式的耦合。全局热传递模拟分析，主要考虑:炉内的辐射和传导、熔体对流和炉内气体流量分析。 2.热应力分析 按照经验，一般情况下，晶体位错的产生与晶体生长过程中热应力的变化有着密切的关系。该软件可以进行三维的非轴对称和非各向同性温度场热应力分析计算，可以提出对晶体总的剪切力预估。 “位错”的产生是由于在晶体生长过程中,热剪应力超越临界水平,被称为CRSS(临界分剪应力)，而导致的塑性变形。 3.点缺陷预报 该软件可以预知在晶体生长过程中的点缺陷(自裂缝和空缺),该仿真可以很好的预测在晶体生长过程中点缺陷的分布。 4.动态仿真 动态仿真提供了对复杂几何形状对于时间演变的预测。该预测把发生在晶体生长和冷却过程中所有瞬时的影响因素都考虑在内。为了准确地预报晶体点缺陷和氧分,布动态仿真尤其是不可或缺的。 5.固液界面跟踪 在拉晶的过程中准确预测固液界面同样是一个关键问题。对于不同的柑祸旋转速度和不同的提拉高度,其固液界面是不同的。 6.加热器功率预测 利用软件动态仿真反算加热功率对于生长合格晶体也是非常必要的。
浅析单晶硅的生产现状 发表时间：2018-07-23T16:41:02.197Z 来源：《知识-力量》2018年8月上作者：高磊刘佳佳[导读] 本文综述了制造光伏电池和集成电路用单晶硅的特点，对直拉法生长单晶硅的基本原理及生产工艺进行论述，并且分析了直拉法单晶生长过程中的主要杂质及其来源。（郑州大学，河南郑州 450001） 摘要：本文综述了制造光伏电池和集成电路用单晶硅的特点，对直拉法生长单晶硅的基本原理及生产工艺进行论述，并且分析了直拉法单晶生长过程中的主要杂质及其来源。关键词：单晶硅直拉法生产工艺前言 单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能优良的半导体材料。应用于制作晶体管、微处理器、存储器、模拟电路等，其中90%的半导体器件和集成电路都是用硅单晶制作的。目前，单晶硅在太阳能光伏电池和集成电路中的应用最为广泛。 随着电子通讯行业和太阳能光伏产业的快速发展，半导体工业也随之迅猛发展。到目前为止，太阳能光电工业基本上是建立在硅材料基础之上的，以硅材料为主的半导体专用材料在国民经济、军事工业中的地位非常重要，全世界的半导体器件中有95 % 以上是用硅材料制成。其中单晶硅则是半导体器件的核心材料，单晶硅属于立方晶系，具有类似金刚石的结构，硬度大，在较宽的温度范围内，都能够稳定地工作，其热稳定性和电学性能非常好。硅材料的优点及用途决定了它是目前最重要、产量最大、发展最快、用途最广泛的一种半导体材料。因此，单晶硅制备工艺发展迅速，产量大幅增加。 1单晶硅生产工艺 当前制备单晶硅主要有两种技术，根据晶体生长方式不同，可分为悬浮区熔法和直拉法。这两种方法制备的单晶硅具有不同的特性和不同的器件应用领域，区熔单晶硅主要应用于大功率器件方面，而直拉单晶硅主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面，是单晶硅的主体。 区熔法：在整个制备单晶硅的过程中，不需要使用石英坩埚支撑，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。这种方法制备的单晶硅氧含量低，但是不容易生长出较大直径的硅单晶。 直拉法：也被简称为CZ 法，现已成为制备单晶硅材料最为重要的方法之一。CZ法是将原料装在一个石英坩埚中，外面用石墨加热器进行加热，当原料被加热器熔化后，将籽晶插入熔体之中，在合适的温度下，边转动边提拉，即可获得所需单晶。直拉法的优点是：可以方便地观察晶体生长过程、晶体生长时内部热应力小、可以方便地使用“缩颈”工艺，降低位错密度，成品率高、方便的控制温度梯度、有较快的生长效率。 直拉法生长单晶的具体工艺过程包括装料、化料、熔接、引晶、放肩、转肩、等径生长和收尾这几个阶段： 1.装料：根据所设计的投料量，将块状多晶硅料装入石英坩埚内并放入到单晶炉中。在此阶段有两个问题需要特别注意: 投料量和熔料温度，避免在化料过程中产生不利的问题，例如挂边、破裂。 2.抽真空：将单晶炉内的空气抽出，真空合格后充入保护气体氩气。 3.化料：打开功率进行加热，使炉体上升到1500℃左右。熔硅时，应注意炉内真空度的变化，一般来说，在流动气氛下或在减压下熔硅比较稳定。熔硅温度升到1000℃时应转动坩埚，使坩埚各部受热均匀。 4.熔接：当硅料全部溶化，调整加热功率以控制熔体的温度。待熔体稳定后，降下籽晶至离液面3-5mm 距离，使籽晶预热，以减少籽晶与溶硅的温度差，从而减少籽晶与溶硅接触时在籽晶中产生的热应力。预热充分后的籽晶则可以继续下降与液面进行熔接，同时籽晶保持一定的旋转速度。 5.引晶：为排除籽晶在熔接时由于受热冲击而产生的位错延伸到晶体中，需要控制籽晶生长出一段长为100mm左右、直径为3～5mm的细颈，在引晶过程中需注意两个关键因素：坩埚的位置和液面温度。 6.放肩：为使得晶体直径达到制备要求的尺寸，进行放肩。引晶完成后，将拉速降低，同时降低功率开始放肩。放肩角一般控制在140°至160°之间，需适当调整放肩速度，保持圆滑光亮的放肩表面。放肩过程可通过降低拉速或者降低温度实现。 7.转肩：当放肩过程达到目标直径时，要对它的生长进行控制，通过提高拉晶速度进行转肩，使肩近似直角，进入等直径的纵向生长。 8.等径：当晶棒长到一定长度，就可以对其直径进行等径控制，以确保单晶棒直径的上下一致。等径过程在整个拉晶工艺中占用时间最多也是最重的阶段，这个阶段的工艺直接决定了单晶硅棒的质量。不仅要控制好晶体的直径，更为重要的是保持晶体的无错位生长。 9.收尾：在晶体生长接近尾声时，生长速度再次加快，同时升高硅熔体的温度，使得晶体的直径不断缩小，形成一个圆锥形，最终晶体离开液面，单晶硅生长完成。收尾的作用是防止位错反延。 10.停炉：当单晶硅与液面脱离后，不能立刻把晶棒升高，而是缓慢降低加热器功率直至为零，仍保持氩气的正常流通直至完全冷却，以防止空气对单晶硅表面的氧化。 2直拉单晶中存在的主要杂质目前，在直拉单晶硅中，主要杂质是氧和碳。 （1）单晶硅中的氧杂质在CZ法生长中，氧是直拉单晶硅中的主要杂质，氧不可避免地掺入硅单晶。其途径是在硅的熔点（1420℃）附近，熔硅与石英坩埚作用，生成sio进入硅熔体，溶解的氧经由熔体的对流和扩散传输到晶体和熔体的界面或自由表面。熔体中的部分氧在熔体自由表面蒸发，而余下的氧则通过晶体和熔体界面分凝而渗入晶体内。在实际直拉单晶硅中，氧浓度的表现为头部高、尾部低，在收尾处氧浓度有所上升，同时，氧浓度从单晶硅的中心部位到边缘是逐渐降低的。这是受晶体生长工艺变化的影响。 (2)单晶中的碳杂质
单晶硅抛光片的物理性能参数同硅单晶技术参数 厚度（T） 200-1200um 总厚度变化（TTV）＜10um 弯曲度（BOW）＜35um 翘曲度（WARP）＜35um 单晶硅抛光片的表面质量：正面要求无划道、无蚀坑、无雾、无区域沾污、无崩边、无裂缝、无凹坑、无沟、无小丘、无刀痕等。背面要求无区域沾污、无崩边、无裂缝、无刀痕。 （2）加工工艺知识 多晶硅加工成单晶硅棒： 多晶硅长晶法即长成单晶硅棒法有二种： CZ（Czochralski）法 FZ（Float-Zone Technique）法 目前超过98％的电子元件材料全部使用单晶硅。其中用CZ法占了约85％，其他部份则是由浮融法FZ生长法。CZ法生长出的单晶硅，用在生产低功率的集成电路元件。而FZ法生长出的单晶硅则主要用在高功率的电子元件。CZ法所以比FZ法更普遍被半导体工业采用，主要在于它的高氧含量提供了晶片强化的优点。另外一个原因是CZ法比FZ法更容易生产出大尺寸的单晶硅棒。 目前国内主要采用CZ法 CZ法主要设备：CZ生长炉 CZ法生长炉的组成元件可分成四部分 （1）炉体：包括石英坩埚，石墨坩埚，加热及绝热元件，炉壁 （2）晶棒及坩埚拉升旋转机构：包括籽晶夹头，吊线及拉升旋转元件 （3）气氛压力控制：包括气体流量控制，真空系统及压力控制阀 （4）控制系统：包括侦测感应器及电脑控制系统 加工工艺： 加料→熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长 （1）加料：将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的N或P型而定。杂质种类有硼，磷，锑，砷。 （2）熔化：加完多晶硅原料于石英埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度（1420℃）以上，将多晶硅原料熔化。 （3）缩颈生长：当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中。由于籽晶与硅熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用缩劲生长使之消失掉。缩颈生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（4-6mm）由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出晶体表面，产生零位错的晶体。 （4）放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。 （5）等径生长：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2mm之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶硅片取自于等径
大规格蓝宝石单晶体生长炉技术说明 一、项目市场背景 α-Al2O3单晶又称蓝宝石，俗称刚玉，是一种简单配位型氧化物晶体。蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，因而被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaN/Al2O3发光二极管(LED)，大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。 蓝宝石晶体生长方式可划分为溶液生长、熔体生长、气相生长三种，其中熔体生长方式因具有生长速率快，纯度高和晶体完整性好等特点，而成为是制备大尺寸和特定形状晶体的最常用的晶体生长方式。目前可用来以熔体生长方式人工生长蓝宝石晶体的方法主要有熔焰法、提拉法、区熔法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法和泡生法等。但是，上述方法都存在各自的缺点和局限性，较难满足未来蓝宝石晶体的大尺寸、高质量、低成本发展需求。例如，熔焰法、提拉法、区熔法等方法生长的晶体质量和尺寸都受到限制，难以满足光学器件的高性能要
求；热交换法、温度梯度法和泡生法等方法生长的蓝宝石晶体尺寸大，质量较好，但热交换法需要大量氦气作冷却剂，温度梯度法、泡生法生长的蓝宝石晶体坯料需要进行高温退火处理，坯料的后续处理工艺比较复杂、成本高。 二、微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体工艺技术说明 微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体方法在对泡生法和提拉法改进的基础上发展而来的用于生长大尺寸蓝宝石晶体的方法，主要在乌克兰顿涅茨公司生产的 Ikal-220型晶体生长炉的基础上改进和开发。晶体生长系统主要包括控制系统、真空系统、加热体、冷却系统和热防护系统等。微提拉旋转泡生法大尺寸蓝宝石晶体生长技术主要是通过调控系统内的热量输运来控制整个晶体的生长过程，因此加热体与热防护系统的设计，热交换器工作流体的选择、散热能力的设计，晶体生长速率、冷却速率的控制等工艺问题对能否生长出品质优良的蓝宝石晶体都至关重要。 微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体，生长设备集水、电、气于一体，主要由能量供应与控制系统、传动系统、晶体生长室、真空系统、水冷系统及其它附属设备等组成。传动系统作为籽晶杆(热交换器)提拉和旋转运动的导向和传动机构，与立柱相连位于炉筒之上，其主要由籽晶杆(热交换器)的升降、旋转装置组成。提拉传动装置由籽晶杆(热交换器)的快速及慢速升降系统两部分组成。籽晶杆(热交换器)的慢速升降系统由稀土永磁直流力矩电机，通过谐波减速器与精密滚珠丝杠相连，经滚动直线导轨导向，托动滑块实现籽晶杆(热交换器)在拉晶过程中的慢速升降运动。籽晶杆(热交换器)的快速升降系统由快速伺服电机经由谐波减速器上的蜗杆、蜗杆副与谐波的联动实现。籽晶杆的旋转运动由稀土永磁式伺服电机通过楔形带传动实现。该传动系统具有定位精度高、承载能力大，速度稳定、可靠，无振动、无爬行等特点。采用精密加热，其具有操作方法简单，容易控制的特点。在热防护系统方面，该设计保温罩具有调节气氛，防辐射性能好，保温隔热层热导率小，材料热稳定性好，长期工作不掉渣，不起皮，具有对晶体生长环境污染小，便于清洁等优点。选用金属钼坩埚，并依据设计的晶体生长尺寸、质量来设计坩埚的内径、净深、壁厚等几何尺寸，每炉最大可制备D200mmX200mm，重量25Kg蓝宝石单晶体。Al2O3原料晶体生长原料采用纯度为5N的高纯氧化铝粉或熔焰法制备的蓝宝石碎晶。 从熔体中结晶合成宝石的基本过程是：粉末原料→加热→熔化→冷却→超过临界过冷度→结晶。 ９９．９９％以上纯度氧化铝粉末加有机黏结剂，在压力机上形成坯体；先将该坯体预先烧成半熟状态的氧化铝块，置入炉内预烧，将炉抽真空排出杂质气体，先后启动机械泵、扩散泵，抽真空至１０↑［－３］－１０↑［－４］Ｐａ，当炉温达１５００－１８００℃充入混合保护气体，继续升温至设定温度（２１００－２２５０℃）；（３）炉温达设定温度后，保温４－８小时，调节炉膛温度
中国晶体硅生长炉设备调查 目前我国有超过30家企业在生产多晶硅铸锭炉和单晶炉。现推出中国晶体硅生长炉设备调查。 多晶硅铸锭炉发展迅速太阳能产业的迅猛发展需要更多的硅料及生产设备来支撑。世界光伏产业中，多晶硅片太阳能电池占据主导地位，带动了多晶硅铸锭生长设备市场的发展。目前，全球太阳能电池的主流产品为硅基产品，占太阳能电池总量的85％以上。多晶硅太阳能电池占太阳能电池总量的56%。多晶硅太阳能电池由于产能高，单位能源消耗低，其成本低于单晶硅片，适应降低太阳能发电成本的发展趋势。多晶铸锭生长技术已逐渐发展成为一种主流的技术，由此也带动了多晶硅铸锭炉市场的发展。多晶硅铸锭炉作为一种硅重熔的设备，重熔质量的好坏直接影响硅片转换效率和硅片加工的成品率。 目前，我国引进最多的是GT SOALR（GT Advanced Technologies Inc.，以下简称GT） 的结晶炉。在国际多晶硅铸锭炉市场上，市场份额占有率最高的为美国GT公司和德国ALD公司。GT公司市场主要面向亚洲，在亚洲的市场销售额占其收入的60%；ALD公司主要面向欧洲市场。其他多晶铸锭设备的主要国际生产商还有美国Crystallox Limited、挪威Scanwafer、普发拓普、和法国ECM。德国ALD公司生产的多晶硅铸锭炉投料量为400kg/炉；美国Crystallox Limited 公司为275kg/炉；挪威Scanwafer公司生产的多晶硅铸锭炉可同时生产4锭，投料量达到800～1000kg/炉，该设备属于专利产品，暂时不对外销售；法国ECM生产的多晶硅铸锭炉采用三温区设计，提高了硅料的再利用率高。 国内的保定英利、江西赛维LDK、浙江精功太阳能都是引进GT的结晶炉。从早期160公斤级到240公斤级，目前容量已增加到450公斤级甚至到800公斤级。2003年10月国内第一条铸锭线在保定英利建成，2006年4月LDK项目投产，百兆瓦级规模生产启动。随后，尚德、林洋、CSI等众多企业多晶硅电池开始量产。2002年, 30~50kg的小型浇铸炉研发；2004年, 100kg试验型热交换型铸锭炉研发；2007年, 240kg大生产型定向凝固炉研发成功并推向市场。
CZ生长原理及工艺流程 CZ法的基本原理，多晶体硅料经加热熔化，待温度合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤，完成一根单晶锭的拉制。炉内的传热、传质、流体力学、化学反应等过程都直接影响到单晶的生长与生长成的单晶的质量，拉晶过程中可直接控制的参数有温度场、籽晶的晶向、坩埚和生长成的单晶的旋转与升降速率，炉内保护气体的种类、流向、流速、压力等。 CZ法生长的具体工艺过程包括装料与熔料、熔接、细颈、放肩、转肩、等径生长和收尾这样几个阶段。 1．装料、熔料 装料、熔料阶段是CZ生长过程的第一个阶段，这一阶段看起来似乎很简单，但是这一阶段操作正确与否往往关系到生长过程的成败。大多数造成重大损失的事故(如坩埚破裂)都发生在或起源于这一·阶段。 2．籽晶与熔硅的熔接 当硅料全部熔化后，调整加热功率以控制熔体的温度。一般情况下，有两个传感器分别监测熔体表面和加热器保温罩石墨圆筒的温度，在热场和拉晶工艺改变不大的情况下，上一炉的温度读数可作为参考来设定引晶温度。按工艺要求调整气体的流量、压力、坩埚位置、晶转、埚转。硅料全部熔化后熔体必须有一定的稳定时间达到熔体温度和熔体的流动的稳定。装料量越大，则所需时间越长。待熔体稳定后，降下籽晶至离液面3～5mm距离，使粒晶预热，以减少籽经与熔硅的温度差，从而减少籽晶与熔硅接触时在籽晶中产生的热应力。预热后，下降籽晶至熔体的表面，让它们充分接触，这一过程称为熔接。在熔接过程中要注意观察所发生的现象来判断熔硅表面的温度是否合适，在合适的温度下，熔接后在界面处会逐渐产生由固液气三相交接处的弯月面所导致的光环(通常称为“光圈”)，并逐渐由光环的一部分变成完整的圆形光环，温度过高会使籽晶熔断，温度过低，将不会出现弯月面光环，甚至长出多晶。熟练的操作人员，能根据弯月面光环的宽度及明亮程度来判断熔体的温度是否合适。 3．引细颈 虽然籽晶都是采用无位错硅单晶制备的[16～19]，但是当籽晶插入熔体时，由于受到籽晶与熔硅的温度差所造成的热应力和表面张力的作用会产生位错。因此，在熔接之后应用引细颈工艺，即Dash技术，可以使位错消失，建立起无位错生长状态。 Dash的无位错生长技术的原理见7．2节。金刚石结构的硅单晶中位错的滑移面为{111}面。当以[l00]、[lll]和[ll0]晶向生长时，滑移面与生长轴的最小夹角分别为36．16°、l9．28°和0°。位错沿滑移面延伸和产生滑移，因此位错要延伸、滑移至晶体表面而消失，以[100]晶向生长最容易，以[111]晶向生长次之， 以[ll0]晶向生长情形若只存在延伸效应则位错会贯穿整根晶体。细颈工艺通
直拉硅单晶生长的现状与发展 摘要：综述了制造集成电路（IC）用直拉硅单晶生长的现状与发展。对大直径生长用磁场拉晶技术，硅片中缺陷的控制与利用（缺陷工程），大直径硅中新型原生空位型缺陷，硅外延片与SOI片，太阳电池级硅单和大直径直拉硅生长的计算机模拟，硅熔体与物性研究等进行了论述。 关键词：直拉硅单晶；扩散控制；等效微重力；空洞型缺陷；光电子转换效率；硅熔体结构 前言 20世纪中叶晶体管、集成电路（IC）、半导体激光器的问世，导致了电子技术、光电子技术的革命，产生了半导体微电子学和半导体光电子学，使得计算机、通讯技术等发生了根本改变，有力地推动了当代信息（IT）产业的发展．应该强调的是这些重大变革都是以半导体硅材料的技术突破为基础的。2003年全世界多晶硅的消耗，达到了19 000 t，但作为一种功能材料，其性能应该是各向异性的．因此半导体硅大都应该制备成硅单晶，并加工成硅抛光片，方可制造I C 器件。 半导体硅片质量的提高，主要是瞄准集成电路制造的需要而进行的。1956年美国仙童公司的“CordonMoore”提出，IC芯片上晶体管的数目每隔18~24个月就要增加一倍，称作“摩尔”定律。30多年来事实证明，IC芯片特征尺寸（光刻线宽）不断缩小，微电子技术一直遵循“摩尔定律”发展。目前，0.25 μm、0.18μm线宽已进入产业化生产。这就意味着IC的集成度已达到108~109量级，可用于制造256MB的DRAM和速度达到1 000MHE的微处理芯片。目前正在研究开发0.12 μm到0.04μm的MOS器件，预计到2030年，将达到0.035μm 水平。微电子芯片技术将从目前器件级，发展到系统级，将一个系统功能集成在单个芯片上，实现片上系统（SOC）。 这样对半导体硅片的高纯度、高完整性、高均匀性以及硅片加工几何尺寸的精度、抛光片的颗粒数和金属杂质的沾污等，提出了愈来愈高的要求。 在IC芯片特征尺寸不断缩小的同时，芯片的几何尺寸却是增加的。为了减少周边损失以降低成本，硅片应向大直径发展。在人工晶体生长中，目前硅单晶尺寸最大。 当代直拉硅单晶正在向着高纯度、高完整性、高均匀性（三高）和大直径（一大）发展。 磁场直拉硅技术 硅单晶向大直径发展，投料量急剧增加。生长φ6″、φ8″、φ12″、φ16″硅单晶，相应的投料量应为60 kg、150 kg、300 kg、500 kg。大熔体严重的热对流，不但影响晶体质量，甚至会破坏单晶生长。热对流驱动力的大小，可用无量纲Raylieh数表征：
单晶硅生长原理及工艺 摘要：介绍了直拉法生长单晶硅的基本原理及工艺条件。通过控制不同的工艺参数（晶体转速：2.5、10、20rpm ；坩埚转速： 5、 150×1000mm 优质单晶硅棒。分别对这三种单晶硅样品进行 了电阻率、氧含量、碳含量、少子寿命测试，结果表明，当晶体转速为10rpm ，坩埚转速为 ０７ ），男，助理研究员，E-mail ：lxliu2007@https://www.doczj.com/doc/fc1846039.html, 。 刘立新1，罗平1，李春1，林海1，张学建1，2，张莹1 （1.长春理工大学 材料科学与工程学院，长春 130022；2.吉林建筑工程学院，长春 130021） Growth Principle and Technique of Single Crystal Silicon LIU Lixin 1，LUO Ping 1，LI Chun 1，LIN Hai 1，ZHANG Xuejian 1，2 ，ZHANG Ying 1 （1.Changchun University of Science and Technology ，Changchun 130022；2.Jilin Architectural and civil Engineering institute ，Changchun 130021） Abstract ：This paper introduces the basic principle and process conditions of single crystal silicon growth by Cz method.Through controlling different process parameters (crystal rotation speed:2.5，10，20rpm;crucible rotation speed:-1.25，-5，-10)，three high quality single crystal silicon rods with the size of é? ??ì?2a?÷?￠?ˉ3éμ??·?￠ì????üμ?3?μè ［1］ 。此外，硅 没有毒性，且它的原材料石英(SiO 2)构成了大约60%的地壳成分，其原料供给可得到充分保障。硅材料的优点及用途决定了它是目前最重要、产量最大、发展最快、用途最广泛的一种半导体材料［2］。 到目前为止，太阳能光电工业基本上是建立在 硅材料基础之上的，世界上绝大部分的太阳能光电器件是用单晶硅制造的。其中单晶硅太阳能电池是 最早被研究和应用的，至今它仍是太阳能电池的最 主要材料之一。单晶硅完整性好、纯度高、资源丰富、技术成熟、工作效率稳定、光电转换效率高、使用寿命长，是制备太阳能电池的理想材料。因此备受世界各国研究者的重视和青睐，其市场占有率为太阳能电池总份额中的40%左右［3］。 随着对单晶硅太阳能电池需求的不断增加，单晶硅市场竞争日趋激烈，要在这单晶硅市场上占据重要地位，应在以下两个方面实现突破，一是不断降低成本。为此，必须扩大晶体直径，加大投料量，并且提高拉速。二是提高光电转换效率。为此，要在晶体生长工艺上搞突破，减低硅中氧碳含 第32卷第4期2009年12月 长春理工大学学报（自然科学版） Journal of Changchun University of Science and Technology （Natural Science Edition ）Vol.32No.4 Dec.2009