浅析单晶硅生长的机理
浅析单晶硅生长的机理
摘要单晶硅作为影响国家未来技术发展的重要材料，对于我国高新技术发展具有战略性地位。论文主要对形成单晶硅的重要方法即直拉法（CZ）单晶硅生长的机理与工艺进行了分析，并对如何提纯材料，提纯减少杂质的措施进行了介绍。
关键词单晶硅；生长机理；杂质
中图分类号TM91 文献标识码A 文章编号
2095-6363（2017）17-0002-01
单晶硅作为影响国家未来技术发展的重要材料属于立方晶系，单晶硅具有独特的金刚石结构。这种材料独特的结构属性，使其成为性能优良的半导体材料，单晶硅的发端可以追溯到第二次世界大战左右，从多晶硅材料的使用开始到如今已经超过半个世纪。目前，硅材料的生长技术已经发展的非常完善，并在集成电路、光学元件、太阳能电池等领域得到广泛应用。单晶硅作为半导体产业的重要材料支撑，对国家高新技术发展具有难以取代的重要作用，并且SiO2在地壳内储备丰富，具有矿源丰富的优点。目前，作为新能源产业重要支柱的太阳能光伏产业就是用单晶硅制造的，由于单晶硅具备其他材料所没有的纯度高、光电转换效率高等特
征。因此，单晶硅已经成为生产太阳能电池的最理想材料，并得到世界各国的重视，单晶硅的发展为人类清洁能源、新能源发展带来了曙光。
1 单晶硅生长的原理分析
目前，国内外通行的制备单晶硅的技术主要分为两类，具体包括区熔法与直拉法，其中区熔法主要用于大功率器件，而直拉法主要用于集成电路与太阳能电池领域。两种方法各有所长，但直拉法目前应用更重要，特别是在单晶硅的制备方面。
直拉法通常被叫做切克劳斯基单晶硅制备方法，该单晶硅制备方法最早是由切克劳斯基在1917年建立的，作为一种重要晶体生长方法，得到业界普遍认同。切克劳斯基单晶硅制备方法生长单晶具有很多优点，比如该方法所采用设备和工艺比较简单，易于操作，特别容易实现自动控制。因此，使用切克劳斯基单晶硅制备方法生产单晶硅的生产效率高，特别是易于制备大直径单晶。此外，使用切克劳斯基单晶硅制备方法容易控制单晶中杂质浓度，可以制备低电阻率单晶。据不完全统计，目前世界上硅单晶的产量中70%～80%是用切克劳斯基单晶硅制备方法生产的。
单晶硅生长的基本原理主要是将原料放在坩埚中，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，而在这个坩埚的上方有一籽
晶杆，把一根固定在籽晶轴上的籽晶插入熔体表面，该杆可以进行旋转和升降。在籽晶杆下端设置夹头捆住籽晶。当原料在坩埚中被熔化后，将籽晶插入到高温的熔体之中，并将温度控制到一定的范围内，并达到过饱和温度，然后一边进行旋转，一边进行提拉，晶体便会在籽晶下端生长这样就可以最终获得所需单晶。其中使用直拉法生长单晶硅的工艺步骤主要包括：多晶硅的装料与熔化，然后进行引晶，引晶主要是控制籽晶生长出一段长为100mm左右、直径为3mm～5mm的细颈，通过引晶来消除高温溶液对籽晶热冲击所产生的负向作用，这个负向作用会导致原子排列的位错。随后，进行缩颈，放大晶体直径到工艺要求的大小，通常是75mm～300mm，进行放肩。然后，进行等颈并最终完成收尾工艺。进行提高拉速，开始转肩操作，做到的标准是使肩部近似直角。接着，通过控制热场温度和晶体提升速度的处理方法，使得单晶柱体生长出来，并达到一定的规格。最后，等到大部分硅溶液完成结晶过程，形成晶体之后，将晶体渐缩成尾形锥体，并进行一定的保温冷却，晶体就可以取出。
2 单晶硅生长过程中杂质产生与消除措施
2.1 氧杂质的产生与消除措施
单晶硅在生长过程中有杂质产生严重的影响了产品质量，因此单晶硅生长过程重要的怎么消除杂质的产生。直拉单晶硅部分杂质属于工艺学人为掺入，比如部分电活性杂
质。但是在单晶硅生长过程中还有对产品质量产生严重影响的杂质，其中最普遍的是氧和碳。
氧作为直拉单晶硅中对产品质量产生严重影响的主要杂质，主要来源于石英坩埚。该杂质作为单晶硅生长过程中不可避免的杂质，其既可以通过与空位结合，形成缺陷。又可以通过团聚形成氧团簇，此外，也可以形成氧沉淀，诱生缺陷。
为解决氧杂质污染问题，可以使用大尺寸的石英坩埚，降低来源于石英坩埚的污染。还可以采取提高工艺精细程度的办法降级氧杂质，比如采用高晶轴转速和低坩埚转速控制氧的分布。此外，可以采用高气流量、低炉压的办法促进SiO 的挥发，进而实现氧杂质减少的目的。
2.2 碳杂质的产生与消除措施
单晶硅在生长过程中C杂质的产生严重影响了产品质量，碳作为重要的杂质，C作为四价元素，可以与氧发生作用，同?rC也可以与自间隙的Si原子与空位结合，并在一定条件下有微小的碳沉淀生成，碳沉淀造成单晶硅缺陷，导致硅器件的击穿电压被降低，进而导致漏电流增加，最终对器件的性能产生严重的影响。碳杂质主要来自多晶硅原料，存在于晶体生长炉内的剩余气体等。
为解决碳杂质污染问题，最直接的措施是改变炉内热场设计。主要措施是在石墨元件上利用CVD 的方法镀上一层
SiC，阻止CO气体生成，通过CO气体的减少，达到减少碳杂质含量的目的。此外，还可以改善热场设计，通过改善设计使得氩气将SiO气体带出炉体，也可以降低晶棒中的碳含量。通过避免SiO气体接触高温石墨元件的热场设计，降低碳污染程度。
3 结论
单晶硅作为影响国家未来技术发展的重要材料，在集成电路、光学元件、太阳能电池等领域得到广泛应用。单晶硅作为半导体产业的重要材料支撑，对国家高新技术发展具有难以取代的重要作用。目前，单晶硅已经成为生产太阳能电池的最理想材料，并得到世界各国的重视，单晶硅的发展为人类清洁能源、新能源发展带来了曙光。随着，国内外市场对单晶硅需求的迅速增加。目前，单晶硅市场竞争日趋白热化。国内厂商要在竞争中占据优势地位，就必须在理解单晶硅生长机理的同时，进行工艺革新。论文主要对形成单晶硅的重要方法即直拉法（CZ）单晶硅生长的机理与工艺进行了分析，重点论述了单晶硅生长过程中氧杂质与碳杂质的产生与消除措施，比如为解决氧杂质污染问题，可以使用大尺寸的石英坩埚。为解决碳杂质的产生，最直接的措施是改变炉内热场设计等办法。
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