晶体硅单晶工艺学

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1、直拉硅单晶工艺学 前 言 绪论 硅单晶是一种半导体材料。直拉单晶硅工艺学是研究用直拉方法获得硅单晶 的一门科学，它研究的主要内容：硅单晶生长的一般原理，直拉硅单晶生长工艺 过程，改善直拉硅单晶性能的工艺方法。 直拉单晶硅工艺学象其他科学一样，随着社会的需要和生产的发展逐渐发展 起来。十九世纪，人们发现某些矿物，如硫化锌、氧化铜具有单向导电性能，并 用它做成整流器件，显示出独特的优点，使半导体材料得到初步应用。后来，人 们经过深入研究，制造出多种半导体材料。1918 年，切克劳斯基（JCzochralski） 发表了用直拉法从熔体中生长单晶的论文，为用直拉法生长半导体材料奠定了理 论基础，从此，

2、直拉法飞速发展，成为从熔体中获得单晶一种常用的重要方法。 目前一些重要的半导体材料，如硅单晶，锗单晶，红宝石等大部分是用直拉法生 长的。直拉锗单晶首先登上大规模工业生产的舞台，它工艺简单，生产效率高， 成本低，发展迅速；但是，锗单晶有不可克服的缺点：热稳定性差，电学性能较 低，原料来源少，应用和生产都受到一定限制。六十年代，人们发展了半导体材 料硅单晶，它一登上半导体材料舞台，就显示了独特优点：硬度大，电学热稳定 性好，能在较高和较低温度下稳定工作，原料来源丰富。地球上 25.8%是硅，是 地球上锗的四万倍，真是取之不尽，用之不竭。因此，硅单晶制备工艺发展非常 迅速，产量成倍增加，1964 年

3、所有资本主义国家生产的单晶硅为 50-60 吨，70 年为 300-350 吨，76 年就达到 1200 吨。其中 60%以上是用直拉法生产的。 单晶硅的生长方法也不断发展，在直拉法的基础上，1925 年又发明了坩埚 移动法。1952 年和 1953 年又相继发明了水平区熔和悬浮区熔法，紧接着基座相 继问世。总之，硅单晶生长技术以全新姿态登上半导体材料生产的历史舞台。 随着单晶硅生长技术的发展，单晶硅生长设备也相应发展起来，以直拉单晶 硅为例，最初的直拉炉只能装百十克多晶硅，石英坩埚直径为 40 毫米到 60 毫米， 拉制单晶长度只有几厘米，十几厘米，现在直拉单晶炉装多晶硅达 40 公斤，石

4、英坩埚直径达 350 毫米，单晶直径可达 150 毫米，单晶长度近 2 米，单晶炉籽晶 理论，必须经常和生产实践相结合，为直接生产单晶硅打下基础。 1 晶体与非晶体 自然界的物质，可分为晶体与非晶体两大类。如硅、锗、铜、铅等是晶体， 玻璃、塑料、松香等则是非晶体。从宏观性质看，晶体与非晶体主要有三个方面 的区别。 1、晶体有规则的外型。 人类最早认识的晶体是一些天然矿物，如岩盐、水晶、明矾 等，这些晶体都 轴由硬构件发展成软构件，由手工操作发展成自动操作，并进一步发展成计算机 操作，单晶炉几乎每三年更新一次。 大规模和超大规模集成电路的发展，给电子工业带来一场新的革命，也给半 导体材料单晶硅带

5、来新的课题。大规模和超大规模集成电路在部分用直拉单晶硅 制造，制造集成电路的硅片上，各种电路密度大集成度高，要求单晶硅有良好的 均匀性和高度的完美性。以 4k 位集成电路为例，在 44 毫米或 46 毫米的硅 片上，做四万多个元件，还要制出各元件之间的连线，经过几十道工序，很多次 热处理。元件的高密度，复杂的制备工艺，要保证每个元件性能稳定，除制作集 成电路工艺成熟外，对硅单晶材料质量要求很高：硅单晶要有合适的电阻率和良 好的电阻率均匀性，完美的晶体结构，良好的电学性能。因此，硅单晶生长技术 要更成熟、更精细、更完善，才能满足集成电路的要求。直拉单晶硅工艺理论应 不断地向前发展。 目前世界已跨

6、入电子时代感。可以这样说，四十年代是电子管时代，五十年 代是晶体管时代，六十年代是集成电路时代，七十年代是大规模集成电路时代， 八十年代是超大规模集成电路时代。大规模和超大规模集成电路已成功的应用于 国民经济各部门，日益显示出它无比的优越性。人造卫星的上天，火箭的飞行， 潜艇的远航，雷达的运转，自动化生产线的运行，哪一样都离不开大规模和超大 规模集成电路。至于计算机，我们可以这样说，它的核心部分是由大规模和超大 规模集成电路组合起来的。现代生产工艺、科研、军事、宇宙航行、家庭生活等 几乎没有一样不和大规模集成电路有关。因此，掌握大规模集成电路基础材料直 拉单晶硅的生产技术和工艺理论是非常重要的

7、。通过本课程学习，要求掌握：一、 直拉单晶硅生长的基本理论；二、直拉单晶炉结构和直拉单晶硅生产的基本流程； 三、在生产中控制直拉单晶硅的几个基本参数一些基本方法；四、本课程是工艺 有规则的外形，如岩盐是立方体，不过晶体的外形常常受生长条件限制，外型各 有差异例如，在含尿素溶液中生长的食盐为八面体，在含硼酸的溶液中生长的食 盐则为立方体兼八面体，如图： 人工生长的晶体，生长条件不同，晶体外型在生长后还能显露出来。用直拉 法沿方向生长的硅、锗单晶，有三条对称的棱线，沿方向生长的硅、 锗单晶，则有四条对称分布的棱线。 非晶体则没有规则的外形，如玻璃、松香、塑料等外表没有一定规则。 2、晶体具有一定的

8、熔点： 将晶体和非晶体逐渐加热，每隔一定时间测量一下它们的温度，一直到它们 全部熔化或成为熔体，作出温度和时间关系的曲线熔化曲线。 从熔化曲线中我们可以看到：晶体熔化时有一温度平台 bc，熔化时温度保 持不变，此温度就是晶体的熔点。在熔点温度，一部分晶体熔化成液体，一部分 仍保持固体状态，随着时间增加直到全部熔化成液体。 非晶体没有温度平台，随着时间的推移温度不断升高，bc 段很难说是固态 还是液态，而是一种软化状态，不具有流动性，温度继续高就成为液体。 晶体具有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点，这是晶体和非晶体之间最明 显的区别。熔点是晶体从固态转变到液态（熔化）的温度，也是从液态转变到固

9、态（凝固）的温度。 3、晶体各向异性 晶体的物理性质和化学性质随着晶面方向不同而不同，称为晶体各向异性。 我们做一个实验，在薄的云母片和玻璃片上分别涂上石腊，分别用一个加热的金 属针尖压在云母片和玻璃片上，就会发现，触点周围的石腊逐渐熔化；玻璃片上 的形状是圆形，云母片上却是椭圆形的。 1111这说明玻璃的导热性与方向无关，云母片的导热性与方向有关。 晶体在不同的方向上力学性质，电学性质和光学性质是不同的，抗腐蚀、抗 氧化的性质随着晶体方向不同也不同。非晶体则不然，它们在各个方向上性质相 同。晶体所以具有非晶体不同的性质，主要是晶体内部质（原子或分子）按一定 规律周期性的排列构成空间点阵，不同

10、的排列规律，呈现不同的外形，不同的晶 面，它们各晶面的性质也不相同。 2晶体空间点阵和晶胞晶体和非晶体不同，有很多独特的性质，在大量感性认识的基础上，经过深 入研究，确定晶体是由原子、分子或离子等在空间按一定规律排列组成的。这些 粒子在空间排列具有周期性，对称性。相同粒子在空间不同排列，晶体具有不同 外形，不同的性质。不同粒子相同的排列，晶体性质也不相同。为了研究晶体中 原子、分子或离子的排列，晶体性质也不相同。为了研究晶体中原子、分子或离 子的排列，把这些微粒的重心作为一个几何点，叫做结点（或格点），微粒的分 布规律用格点表示。晶体中有无限多在空间按一定规律分布的格点，称为空间点 阵。 空间

11、点阵中，通过两个格点作一条直线，这一直线上一定含有无数格点，这 样的直线叫晶列，晶体外表的晶棱就是晶列。互相平行的晶列叫晶列族，一个晶 列族里包含晶体全部格点。 通过不在同一晶列的三个格点作一平面，这平面上必包含无数格点，这样的 平面叫网面，也叫晶面。晶体外表所见的晶面（解理面）就是网面。 在空间点阵中，不同的三个晶列族分空间为无数格子，称为网格，又叫晶格。 组成空间点阵最基本的单元叫晶胞。晶胞反映整个晶体的性质。很多晶胞在 空间重复排列起来就得整个晶体。不同的晶体，晶胞型式不同。 硅晶体是金刚石结构，晶胞是正方体，八个顶点和六个面的中心都是格点， 每条空间对角线上距顶点四分之一对角线长的地方

12、各有一个格点，晶格常数为 a， 单位晶胞占有的原子数为： 入研究，确定晶体是由原子、分子或离子等在空间按一定规律排列组成的。这些 粒子在空间排列具有周期性，对称性。相同粒子在空间不同排列，晶体具有不同 外形，不同的性质。不同粒子相同的排列，晶体性质也不相同。为了研究晶体中 原子、分子或离子的排列，晶体性质也不相同。为了研究晶体中原子、分子或离 子的排列，把这些微粒的重心作为一个几何点，叫做结点（或格点），微粒的分 布规律用格点表示。晶体中有无限多在空间按一定规律分布的格点，称为空间点 阵。 空间点阵中，通过两个格点作一条直线，这一直线上一定含有无数格点，这 样的直线叫晶列，晶体外表的晶棱就是晶

13、列。互相平行的晶列叫晶列族，一个晶 列族里包含晶体全部格点。 通过不在同一晶列的三个格点作一平面，这平面上必包含无数格点，这样的 平面叫网面，也叫晶面。晶体外表所见的晶面（解理面）就是网面。 在空间点阵中，不同的三个晶列族分空间为无数格子，称为网格，又叫晶格。 组成空间点阵最基本的单元叫晶胞。晶胞反映整个晶体的性质。很多晶胞在 空间重复排列起来就得整个晶体。不同的晶体，晶胞型式不同。 硅晶体是金刚石结构，晶胞是正方体，八个顶点和六个面的中心都是格点， 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格点，晶格常数为 a， 单位晶胞占有的原子数为： 8 6 4 8 金刚石结构微密度差，所以，

14、杂质在硅中扩 散和硅原子自身扩散比较容易，熔硅凝固时 体积增大。 晶体各晶列族各晶面族格点密度不同， 因此晶体表现出各向异性。 3 晶面和晶向 晶体生长中，常用到晶面和晶向。为了讨论方便，我们采用密勒（Miller） 指数符号。在密勒指数中，选取 X、Y、Z 平行于晶胞的三条棱，标出一个晶面， 必须指出它在 X、Y、Z 三条轴上 的截距，然后取截 距的例数并乘以最 小公倍数， 截距倒数便有 h/n、k/n、l/n 的形式，把整数 hkl 括入圆括号，这样就得到晶面指 数（hkl）， 为了说明此方法我们以图 2-1 为例。 标出立方晶系中的一些晶面（a）表示 X、Y、Z 轴上截距分别为一个单位 长度坐标。即（1，1，1）的平面其倒数值仍是 1、1、1，每个值都已经是最低 整数了，叫此面为（111）晶面。（b）表示 X、Y、Z 轴上截距分别为 1、1 和 的平面，截距的倒数为 1、1、0，此面称（110）晶面。（c）表示截距分别为 1/2、 -1/3 和 1 的晶面，截距倒数是 2， 3 ，1，此面称为（2 3 1）晶面。 某一组晶面指数为（123），或者更普遍地为（hkl），它仅表示晶面批数为 h、