浅析单晶硅生长的机理

金学桐　冯殿义

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，同時C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。

参考文献

[1]李进，张洪岩，高忙忙，等.氩气流速对400mm大直径磁场直拉单晶硅固液界面、热应力及氧含量的影响[J].人工晶体学报，2014（5）：1193-1198，1211.

[2]焦庆斌，巴音贺希格，谭鑫，等.超声波震荡法及润湿性增强法对单晶硅阶梯光栅闪耀面粗糙度的影响[J].光学学报，2014（3）：53-59.

[3]包凌东，韩敬华，段涛，等.纳秒紫外重复脉冲激光烧蚀单晶硅的热力学过程研究[J].物理学报，2012（19）：

475-483.

[4]周春兰，励旭东，王文静，等.氧化随机织构硅表面对单晶硅太阳电池性能的影响研究[J].物理学报，2011（3）：773-779.

[5]梁志强，王西彬，吴勇波，等.垂直于工件平面的二维超声振动辅助磨削单晶硅表面形成机制的试验研究[J].机械工程学报，2010（19）：171-176.endprint