单晶硅生长技术的发展分析

程愉悻

摘 要：文章主要针对当前单晶硅生长技术进行了分析综述。并针对磁场直拉、改良热场、磁场直拉以及真空高阻、氧浓度控制等技术展开了研究。

关键词：直拉法；悬浮区熔法；单晶硅；生长

前言

目前电子信息技术以及光伏技术飞速发展，而作为此类技术的基础材料，硅发挥了重要作用。从某些角度分析，硅（Si）影响了未来科技的发展，是高薪技术进步的基础，因此国家想要发展自身在能源领域以及高新技术领域实力，必须将Si作为战略资源。作为功能性材料，Si具有各项异性，所以将Si应用于半导体材料需要将其制成硅单晶，并进一步将其加工成为抛光片。这样才能将Si应用于CI器件的制造中，目前所生产的电子元件中89%以上的均使用硅单晶。

单晶硅的生产需要以半导体单晶硅切割过程中产生的头尾料、单晶硅碎片以及边皮料作为原料。而生产所用技术目前主要有两种，一种为直拉法，一种则是悬浮区熔法。制备单晶硅过程中，依照实际的需要还需要添加必要元素，从而增大、减小材料电阻率，掺杂元素主要为第Ⅲ主族元素以及第Ⅴ主族元素。完成单晶硅材料的制备后，还需要依照半导体材料的需要进行深加工，深加工程序主要包括切片、打磨以及腐蚀和抛光。而随着单晶硅的生产技术、加工技术的发展，目前的单晶硅逐步向着300mm以上大直径材料发展，且缺陷含量以及杂志含量更低，材料分布更加均匀，且生产成本不断降低、效率更高。

1 技术原理

在生长过程中，单晶硅状态会随着熔场温度的改变而发生相变化，熔场温度降低，则其由液态变为固态。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△G可以视为结晶驱动力。

△G=△H-△S （1）

在平衡的熔化温度Tm。时，固液两相的。自由能是相等的，即。△G。=0，因此

△G=△H-Tm×S=0 （2）

所以，△S=△H/Tm （3）

其中，△H即為结晶潜热。

将式（3）代入式（1）可得

△G=■=■=△S△T （4）

由式（4）可以看出，由于△S是一个负值常数，所以△T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。如果在液面浸入一晶种，在晶种。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，进人系统的热能将等于系统输出的热能。

2 生长方法

2.1 直拉（CZ）法

CZ是单晶硅生长中直拉法的简称，其过程相对较为简单，通过从熔硅中利用旋转籽晶对单晶硅进行提拉制备，该种方法生产成本相对较低，且能够大量生产。因此该项技术在国内太阳能单晶硅片的生产中广泛贵推广开来，直拉法目前使用的技术工艺核心有磁场直拉法、热场构造以及控制氧浓度等。

2.1.1 热场构造分析。单晶硅在下游IC产业中的利用率逐年增加，而电子产业对硅片的依赖程度逐年加深，因而单晶硅生产要求不断提升，因此热场设计要求更加严格。设计优良的热场能够使炉内的温度分布达到最佳化，所以在CZ长晶炉中会逐步的将特殊热场元件应用其中，以促进单晶硅生长技术的发展。

技术人员研究了？准200mm太阳能用直拉单井生长。通过诸多的拉晶实验（如图1，复合式导流系统、热屏双加热改造直拉炉热系统），结果表明，拉晶速率提升了50%。同时针对单晶炉热场以及氩气流场采用有限元法进行试验，试验结果可以看出，通过上述改造，氩气流场得到了明显的改善，晶体纵向温度梯度在界面附近有明显增加，且熔体纵向温度梯度有明显减少。而研究表明，增加加热屏后直拉炉平均拉速提升的主要原因有两点。首先直拉炉中晶体所受热量辐射受到热屏阻止有所减弱，且固液面热辐射也有所减小。其次，氩气流也会受到热屏的影响，能够得到良好的导流。

2.1.2 磁场直拉法（MCZ）。随着材料技术的发展，直拉单晶硅的生产规模得到进一步扩大，由于大直径直拉单晶硅的应用越来越广泛，因而在生产中投料量不断增加。但在单晶硅的生产中，晶体质量会受到大熔体的影响，甚至单晶生长会受到严重影响，这是由于热对流对晶体结构的影响所致。而目前最有效的方式便是利用磁场抑制热对流。通过磁场的加装，长晶系统中的生长单晶受到一定强度磁感线的影响，影响单晶生长的一切对流都会被洛伦兹力影响，而有效被抑制。通过实践总结出，想要有效抑制硅单晶氧浓度，则磁场应当选择Cusp磁场。

2.1.3 控制氧浓度。在单晶硅生长时，石英坩埚会溶解，因而单晶硅中会混杂如一部分氧，而这些氧在硅晶格间隙浓度超过一定范围，就会产生氧沉淀，该种缺陷会影响单晶硅质量、性能。若不对氧沉淀进行控制，应用该种硅片加工集成电路，将会产生极大的危害。因此在单晶硅生长过程中，利用一定工艺，令硅片内部氧沉淀密度增高，但在硅片表面一定深度则为无氧沉淀的洁净区，从而对氧析出物进行控制，制备出高性能单晶硅材料。

2.2 区熔（FZ）法。将硅棒局部利用线圈进行熔化的方式便是区熔法，在熔区处设置磁托，因而熔区可以始终处在悬浮状态，将熔硅利用旋转籽晶进行拉制，在熔区下方制备单晶硅。该种方法优势在于，熔区为悬浮态，因而在生长过程中单晶硅不会同任何物质接触，并且蒸发效应以及杂质分凝效应较为显著，因此具有较高的纯度，其单晶硅制品性能相对较好。但由于工艺复杂，对设备以及技术要求较为严格，因此生产成本相对较高，其产品多应用于太空以及军工领域。

3 结束语

文章主要论述了单晶硅的生长技术，通过不断的实践总结出，对热场构造进行改进以及将磁场引进熔硅所在空间能够有效节能，且有利于生产大直径单晶硅。在硅晶体生长过程中加入氮能够加速形成原生氧沉淀，并且对热工艺加工中氧沉淀的增加有利，而加入氮能够令氧沉淀更加稳定。这两方面的优势使得掺氮工艺在直拉硅生产中得到推广，并且掺氮能够有效降低热预算，即便硅片氧浓度初始值很低，其内吸杂能力仍旧很强，所以得到了充分的肯定。

参考文献

[1]魏奎先，戴永年，马文会，等.太阳能电池硅转换材料现状及发展趋势[J].轻金属，2006，2：52-56.

[2]宇慧平，隋允康，安国平.不同磁场对大直径单晶硅生长中的动量与热量输运影响的数值分折[J].人工晶体学报，2008（5）：1073-1078.