淺析單晶硅生長的機理

金學桐　馮殿義

摘 要 單晶硅作為影響國家未來技術發展的重要材料，對于我國高新技術發展具有戰略性地位。論文主要對形成單晶硅的重要方法即直拉法（CZ）單晶硅生長的機理與工藝進行了分析，并對如何提純材料，提純減少雜質的措施進行了介紹。

關鍵詞 單晶硅；生長機理；雜質

中圖分類號 TM91 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）17-0002-01

單晶硅作為影響國家未來技術發展的重要材料屬于立方晶系，單晶硅具有獨特的金剛石結構。這種材料獨特的結構屬性，使其成為性能優良的半導體材料，單晶硅的發端可以追溯到第二次世界大戰左右，從多晶硅材料的使用開始到如今已經超過半個世紀。目前，硅材料的生長技術已經發展的非常完善，并在集成電路、光學元件、太陽能電池等領域得到廣泛應用。單晶硅作為半導體產業的重要材料支撐，對國家高新技術發展具有難以取代的重要作用，并且SiO2在地殼內儲備豐富，具有礦源豐富的優點。目前，作為新能源產業重要支柱的太陽能光伏產業就是用單晶硅制造的，由于單晶硅具備其他材料所沒有的純度高、光電轉換效率高等特征。因此，單晶硅已經成為生產太陽能電池的最理想材料，并得到世界各國的重視，單晶硅的發展為人類清潔能源、新能源發展帶來了曙光。

1 單晶硅生長的原理分析

目前，國內外通行的制備單晶硅的技術主要分為兩類，具體包括區熔法與直拉法，其中區熔法主要用于大功率器件，而直拉法主要用于集成電路與太陽能電池領域。兩種方法各有所長，但直拉法目前應用更重要，特別是在單晶硅的制備方面。

直拉法通常被叫做切克勞斯基單晶硅制備方法，該單晶硅制備方法最早是由切克勞斯基在1917年建立的，作為一種重要晶體生長方法，得到業界普遍認同。切克勞斯基單晶硅制備方法生長單晶具有很多優點，比如該方法所采用設備和工藝比較簡單，易于操作，特別容易實現自動控制。因此，使用切克勞斯基單晶硅制備方法生產單晶硅的生產效率高，特別是易于制備大直徑單晶。此外，使用切克勞斯基單晶硅制備方法容易控制單晶中雜質濃度，可以制備低電阻率單晶。據不完全統計，目前世界上硅單晶的產量中70%～80%是用切克勞斯基單晶硅制備方法生產的。

單晶硅生長的基本原理主要是將原料放在坩堝中，通過石墨加熱器產生的高溫將其熔化；然后，對熔化的硅液稍做降溫，使之產生一定的過冷度，而在這個坩堝的上方有一籽晶桿，把一根固定在籽晶軸上的籽晶插入熔體表面，該桿可以進行旋轉和升降。在籽晶桿下端設置夾頭捆住籽晶。當原料在坩堝中被熔化后，將籽晶插入到高溫的熔體之中，并將溫度控制到一定的范圍內，并達到過飽和溫度，然后一邊進行旋轉，一邊進行提拉，晶體便會在籽晶下端生長這樣就可以最終獲得所需單晶。其中使用直拉法生長單晶硅的工藝步驟主要包括：多晶硅的裝料與熔化，然后進行引晶，引晶主要是控制籽晶生長出一段長為100mm左右、直徑為3mm～5mm的細頸，通過引晶來消除高溫溶液對籽晶熱沖擊所產生的負向作用，這個負向作用會導致原子排列的位錯。隨后，進行縮頸，放大晶體直徑到工藝要求的大小，通常是75mm～300mm，進行放肩。然后，進行等頸并最終完成收尾工藝。進行提高拉速，開始轉肩操作，做到的標準是使肩部近似直角。接著，通過控制熱場溫度和晶體提升速度的處理方法，使得單晶柱體生長出來，并達到一定的規格。最后，等到大部分硅溶液完成結晶過程，形成晶體之后，將晶體漸縮成尾形錐體，并進行一定的保溫冷卻，晶體就可以取出。

2 單晶硅生長過程中雜質產生與消除措施

2.1 氧雜質的產生與消除措施

單晶硅在生長過程中有雜質產生嚴重的影響了產品質量，因此單晶硅生長過程重要的怎么消除雜質的產生。直拉單晶硅部分雜質屬于工藝學人為摻入，比如部分電活性雜質。但是在單晶硅生長過程中還有對產品質量產生嚴重影響的雜質，其中最普遍的是氧和碳。

氧作為直拉單晶硅中對產品質量產生嚴重影響的主要雜質，主要來源于石英坩堝。該雜質作為單晶硅生長過程中不可避免的雜質，其既可以通過與空位結合，形成缺陷。又可以通過團聚形成氧團簇，此外，也可以形成氧沉淀，誘生缺陷。

為解決氧雜質污染問題，可以使用大尺寸的石英坩堝，降低來源于石英坩堝的污染。還可以采取提高工藝精細程度的辦法降級氧雜質，比如采用高晶軸轉速和低坩堝轉速控制氧的分布。此外，可以采用高氣流量、低爐壓的辦法促進SiO的揮發，進而實現氧雜質減少的目的。

2.2 碳雜質的產生與消除措施

單晶硅在生長過程中C雜質的產生嚴重影響了產品質量，碳作為重要的雜質，C作為四價元素，可以與氧發生作用，同時C也可以與自間隙的Si原子與空位結合，并在一定條件下有微小的碳沉淀生成，碳沉淀造成單晶硅缺陷，導致硅器件的擊穿電壓被降低，進而導致漏電流增加，最終對器件的性能產生嚴重的影響。碳雜質主要來自多晶硅原料，存在于晶體生長爐內的剩余氣體等。

為解決碳雜質污染問題，最直接的措施是改變爐內熱場設計。主要措施是在石墨元件上利用CVD 的方法鍍上一層SiC，阻止CO氣體生成，通過CO氣體的減少，達到減少碳雜質含量的目的。此外，還可以改善熱場設計，通過改善設計使得氬氣將SiO氣體帶出爐體，也可以降低晶棒中的碳含量。通過避免SiO氣體接觸高溫石墨元件的熱場設計，降低碳污染程度。

3 結論

單晶硅作為影響國家未來技術發展的重要材料，在集成電路、光學元件、太陽能電池等領域得到廣泛應用。單晶硅作為半導體產業的重要材料支撐，對國家高新技術發展具有難以取代的重要作用。目前，單晶硅已經成為生產太陽能電池的最理想材料，并得到世界各國的重視，單晶硅的發展為人類清潔能源、新能源發展帶來了曙光。隨著，國內外市場對單晶硅需求的迅速增加。目前，單晶硅市場競爭日趨白熱化。國內廠商要在競爭中占據優勢地位，就必須在理解單晶硅生長機理的同時，進行工藝革新。論文主要對形成單晶硅的重要方法即直拉法（CZ）單晶硅生長的機理與工藝進行了分析，重點論述了單晶硅生長過程中氧雜質與碳雜質的產生與消除措施，比如為解決氧雜質污染問題，可以使用大尺寸的石英坩堝。為解決碳雜質的產生，最直接的措施是改變爐內熱場設計等辦法。

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