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实验一 直拉法硅单晶制备实验 1
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区熔法制备单晶硅
名称：区熔法制备单晶硅
发布日期： 9:19:12
　区熔法制备单晶硅
　　　1引言
　　集成电路通常用硅制造，硅是一种非常普遍且分布广泛的元素。石英矿就是一整块二氧化硅。尽管硅化物储量丰富，但硅本身不会自然生长，一般用大量存在的二氧化硅作原料，经过一系列的工艺步骤就可以得到多晶硅，多晶硅经过提纯就变成了高纯度的可以制作集成电路的单晶硅。目前制备单晶硅的常用方法有直拉法和区熔法。
　　本文主要介绍区熔法制备单晶硅。
　　2单晶硅的制备
　　区熔法又分为两种：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676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。然而硅又具有两个比锗、GaAs优越的特性：即密度低(2.33g/cm3和表面张力大(0.0072N/cm)，所以，能用无坩埚悬浮区熔法。该法是在气氛或真空的炉室中，
　　利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支托，悬浮于多晶棒与单晶之间，故称为悬浮区熔法。
　　2.1区熔法制备单晶硅
　　利用多晶锭分区熔化和结晶半导体晶体生长的一种方法。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。区熔法又分为两种：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676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。然而硅又具有两个比锗、GaAs优越的特性：即密度低(2.33g/cm3和表面张力大(0.0072N/cm)，所以，能用无坩埚悬浮区熔法。该法是在气氛或真空的炉室中，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支托，悬浮于多晶棒与单晶之间，故称为悬浮区熔法。
　　熔区悬浮的稳定性很重要，稳定熔区的力主要是熔体的表面张力和加热线圈提供的磁浮力，而造成熔区不稳定的力主要是熔硅的重力和旋转产生的离心力。要熔区稳定地悬浮在硅棒上，前两种力之和必须大于后两种力之和。采用单匝盘形加热线圈，熔区上方的多晶棒和下方的单晶棒的直径均可大于线圈的内径。区熔时熔区不与任何异物接触，不会受到玷污，还有硅中杂质的分凝效应和蒸发效应，生长出的单晶纯度很高。用中子嬗变掺杂方法，就能获得电阻率高、均匀性好的硅单晶。可用于高电压大功率器件上，如可控硅、可关断晶闸管等。这些器件被广泛地用在近代的电力机车、轧钢机、冶金设备、自动控制系统以及高压输配电系统中。
　　来生长单晶体的方法。将棒状多晶锭熔化一窄区,其余部分保持固态,然后使这一熔区沿锭的长度方向移动，使整个晶锭的其余部分依次熔化后又结晶。区熔法可用于制备单晶和提纯材料,还可得到均匀的杂质分布。这种技术可用于生产纯度很高的半导体、金属、合金、无机和有机化合物晶体(纯度可达10-6～10-9)。在头部放置一小块单晶即籽晶，并在籽晶和原料晶锭相连区域建立熔区，移动晶锭或加热器使熔区朝晶锭长度方向不断移动。
　　区域熔化法是按照分凝原理进行材料提纯的。杂质在熔体和熔体内已结晶的固体中的溶解度是不一样的。在结晶温度下,若一杂质在某材料熔体中的浓度为
　　cL,结晶出来的固体中的浓度为cs，则称K=cL/cs为该杂质在此材料中的分凝系数。K的大小决定熔体中杂质被分凝到固体中去的效果。K&1时，则开始结晶的头部样品纯度高，杂质被集中到尾部;K&1时,则开始结晶的头部样品集中了杂质而尾部杂质量少。，使单晶不断长大。
　　为经过一次区熔后不同K值的杂质分布。区熔可多次进行，也可以同时建立几个熔区提纯材料。通常是在提纯的最后一次长成单晶。有时,区熔法仅用于提纯材料,称区熔提纯。区熔夷平是使熔区来回通过材料，从而得到杂质均匀分布的晶锭。区熔法生长晶体有水平区熔和垂直浮带压熔两种形式。
　　2.1.1 水平区熔法
　　将原料放入一长舟之中，舟应采用不沾污熔体的材料制成，如石英、氧化镁、氧化铝、氧化铍、石墨等。舟的头部放籽晶。加热可以使用电阻炉，也可使用高频炉。用此法制备单晶时，设备简单，与提纯过程同时进行又可得到纯度很高和杂质分布十分均匀的晶体。但因与舟接触，难免有舟成分的沾污，且不易制得完整性高的大直径单晶。
　　2.1.2垂直浮带区熔法
　　用此法拉晶时，先从上、下两轴用夹具精确地垂直固定棒状多晶锭。用电子轰击、高频感应或光学聚焦法将一段区域熔化，使液体靠表面张力支持而不坠落。移动样品或加热器使熔区移动。这种方法不用坩埚，能避免坩埚污染，因而可以制备很纯的单晶和熔点极高的材料(如熔点为3400℃的钨)，也可采用此法进行区熔。大直径硅的区熔是靠内径比硅棒粗的“针眼型”感应线圈实现的。为了达到单晶的高度完整性，在接好籽晶后生长一段直径约为2～3毫米、长约10～20毫米的细颈单晶，以消除位错。此外,区熔硅的生长速度超过约5～6毫米/分时，还可以阻止所谓漩涡缺陷的生成。
　　为确保生长沿所要求的晶向进行，也需要使用籽晶，采用与直拉单晶类似的方法，将一个很细的籽晶快速插入熔融晶柱的顶部，先拉出一个直径约3mm，长约10-20mm的细颈，然后放慢拉速，降低温度放肩至较大直径。顶部安置籽晶技术的困难在于，晶柱的熔融部分必须承受整体的重量，而直拉法则没有这个问题，因为此时晶定还没有形成。这就使得该技术仅限于生产不超过几公斤的晶锭
　　用区熔法单晶生长技术制备的半导体硅材料，是重要的硅单晶产品。由于硅熔体与坩埚容器起化学作用，而且利用硅表面张力大的特点，故采用悬浮区熔法，简称FZ法或FZ单晶。
　　特点和应用 由于不用坩埚，避免了来自坩埚的污染，而且还可以利用悬浮区熔进行多次提纯，所以单晶的纯度高。用于制作电力电子器件、光敏二极管、射线探测器、红外探测器等。Fz单晶的氧含量比直拉硅单晶(见半导体硅材料)的氧含量低2～3个数量级，这一方面不会产生由氧形成的施主与沉积物，但其机械强度却不如直拉单晶硅，在器件制备过程中容易产生翘曲和缺陷。在Fz单晶中掺入氮可提高其强度。
　　工艺特点 大直径生长，比直拉硅单晶困难得多，要克服的主要问题是熔区的稳定性。这可用“针眼技术”解决，在FZ法中这是一项重大成就。另一项重大成就是中子嬗变掺杂。它使电力电子器件得到飞跃发展。Fz技术无法控制熔体对流和晶/熔边界层厚度，因而电阻率的波动比cZ单晶大。高的电阻率不均匀性限制了大功率整流器和晶闸管的反向击穿电压。利用中子嬗变掺杂可获得掺杂浓度很均匀的区熔硅(简称NTD硅)，从而促进了大功率电力电子器件的发展与应用。区熔硅的常规掺杂方法有硅芯掺杂、表面涂敷掺杂、气相掺杂等，以气相掺杂最为常用。晶体缺陷 区熔硅中的晶体缺陷有位错和漩涡缺陷。中子嬗变晶体还有辐照缺陷，在纯氢或氩一氢混合气氛中区熔时，常引起氢致缺陷。其中漩涡缺陷有A、B、C和D四种，其特性及易出现的主要条件列于表1。
　　漩涡缺陷有害，它使载流子寿命下降，进而导致器件特性劣化。在器件工艺中它可转化为位错、层错及形成局部沉淀，从而造成微等离子击穿或使PN结反向电流增大。这种缺陷不仅使高压大功率器件性能恶化，而且使CCD产生暗电流尖峰。在单晶制备过程中减少漩涡缺陷的措施有尽量降低碳含量、提高拉晶速度等。’ 90年代的水平90年代以来达到的是：区熔硅单晶的最大直径为150mm，并已商品化，直径200mm的产品正在试验中。晶向一般为&111)和&100&。
　　(1)气相掺杂区熔硅单晶。N型掺磷、P型掺硼。无位错、无漩涡缺陷。碳浓
　　度[C。]&2×10“at/cm3，典型的可&5×1015at/cm3。氧浓度&1×1016at/cm3。电阻率范围和偏差列于表2，少子寿命值列于表3。
　　(2)中子嬗变掺杂(NTD)硅单晶。N型掺杂元素磷，无位错、无漩涡缺陷。碳浓度[C。]&2×1016at/cm3，典型的可&5×1015at/cm3，氧浓度&1×1016at/cm3，电阻率范围和偏差及少子寿命值列于表4。
　　3 区熔法制备单晶硅的工业流程及具体步骤：
　　主要用于提纯和生长硅单晶;其基本原理是：依靠熔体的表面张力，使熔区悬浮于多晶硅棒与下方生长出的单晶之间，通过熔区向上移动而进行提纯和生长单晶。
　　区熔法制备单晶硅具有如下特点：
　　1.不使用坩埚，单晶生长过程不会被坩埚材料污染
　　2.由于杂质分凝和蒸发效应，可以生长出高电阻率硅单晶
　　单晶硅建设项目具有巨大的市场和广阔的发展空间。在地壳中含量达25.8%的硅元素，为单晶硅的生产提供了取之不尽的源泉。 近年来，各种晶体材料，特别是以单晶硅为代表的高科技附加值材料及其相关高技术产业的发展，成为当代信息技术产业的支柱，并使信息产业成为全球经济发展中增长最快的先导产业。单晶硅作为一种极具潜能，亟待开发利用的高科技资源，正引起越来越多的关注和重视。 与此同时，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家正掀起开发利用太阳能的热潮并成为各国制定可持续发展战略斩重要内容。 在跨入21世纪门槛后，世界大多数国家踊跃参与以至在全球范围掀起了太阳能开发利用的“绿色能源热”，一个广泛的大规模的利用太阳能的时代正在来临，太阳能级单晶硅产品也将因此炙手可热。 此外，包括我国在内的各国政府也出台了一系列“阳光产业”的优惠政策，给予相关行业重点扶持，单晶硅产业呈现出美好的发展前景。 单晶硅性质;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。局随温度升高而增加。
　　具有半导体性质。单晶硅石重要的半导体材料，在单晶硅中掺入微量的IIIA族元素。形成p型半导体。掺入微量的第vA族元素。形成N型和P型导体结合在一起。就可以做成太阳能电池。将辐射能转变为电能。在开发电能方面是一种很有前途的材料。
　　3 单晶硅的发展前景：
　　单晶硅是电力工业的粮食。基于区熔硅片的电力电子技术的飞速发展被称为“硅片引起的第二次革命”。 近年来，区熔硅单晶开始进入绿色能源领域。国际上利用区熔单晶硅制作太阳能电池技术逐渐成熟，使用区熔硅制作太阳能电池，其光电转换效率达到20%，其综合性价比超过直拉单晶硅太阳能电池(光电转换效率为12%)和多晶硅太阳能电池(光电转换效率为10%)。这个用途将极大地扩展区熔硅单晶的市场空间，这是区熔单晶硅最大的新兴市场。最近，区熔硅单晶更是进入了信息、通讯领域，被用来制造射频集成电路、微波单片集成电路(MMIC)和光电探测器等高端微电子器件。 磁场直拉硅单晶(MCZ)是指利用磁场拉晶装置模仿空间微重力环境制备的单晶硅。MCZ硅普遍用来制作集成电路和分立器件。重要的是，MCZ硅单晶的原料可以使用区熔单晶的头尾料以及不合格单晶，这样就可以充分、有效地利用宝贵的原料资源，同时增加产值和利润。
　　参 考 文 献：
　　【1】 ltalhashovAM t.gal J.cfⅢ.Growth，8
　　【2】 GassoaD B.J Sei Instrum.，4
　　【3】 Mut0K t.g a/ Jpn.J Ap .Plays，60
　　【4】 Brissot J，BdinC.J.Cryst.Growth，3
　　【5】 Palaniswamy M t,g a/.Ci,rst.Res.Teehno1.
　　【6】 RO t.g J.Cryst Growth，6
　　【7】 张克从等.非线性光学晶体材料科学 北京：科学出版社。
　　1996.2∞[m ANG K c0nE.Material Science.i：Selenoe P，(in Chinese )]
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