3单晶硅制备工艺

单晶炉简介HDT-100型硅单晶硅生长炉，是由世界上著名的晶体生长设备制造公司德国CGS公司和中国最大的晶体炉设备制造公司西安理工大学工厂共同生产的。HDT-100型硅单晶生长炉，是软轴提拉型单晶炉，是在惰性气体环境中，以石墨电阻加热器，将硅半导体材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备。它可生产大规模集成电路所需要的高质量单晶。该设备使用18〞20〞石英坩埚热场，生长6″或8″的硅单晶，可选配二次加料系统以提高生产效率。该设备提供的两对（四个）电极，可满足用户采用两温区加热的工艺要求。HDT-100型单晶炉机械系统大致分类为六大部分，分别是：基座及炉室、晶体提升及旋转部件、坩埚升降及旋转部件、真空及氩气充入系统、水冷系统、其它附件。外形如下图所示。直拉单晶硅制备工艺第一节：半导体硅的概念第二节：备料第三节：生长条件第四节：拉晶过程第五节：拉晶过程中的异常情况及处理第六节：单晶硅的电阻率和掺杂计算第七节：单晶硅的物理检测为何选择硅？1硅的丰裕度2更高的熔化温度允许更宽的工艺容限3更宽的工作温度范围4氧化硅的自然生成硅是地球第二丰富的元素，占到地壳成分的25﹪，硅能够提纯到半导体制造所需的足够高的纯度而消耗更低的成本。硅的熔点1416±4℃，更高的熔点使硅可以承受更高的工艺，增加半导体的应用范围和可靠性。第一节：半导体硅的概念1.硅的物理性质;硅的化学符号：Si原子量：28原子序号：14熔点1416±4℃沸点3145℃晶体结构金刚石，20℃固态密度：2.33g/㎝3，1420℃液态密度2.54g/㎝3），电子迁移率1350±100㎝3，空穴迁移率:480±15㎝3硅是四价元素，呈灰色，金属光泽，性质：脆弱，比重较小，硬度较大。2.硅是一种半导体材料，通常的工业硅不具备半导体性能，但当硅纯度达到一定水平是就显示出优异的半导体性能。（提纯的意义）3.晶体与非晶体晶体:由原子、分子或离子在空间按一定规律排列组成空间排列具有周期性和对称性。宏观性质：1晶体具有规则的外形2具有一定的熔点3晶体各向异性非晶体：没有固定熔点，各向同性。绝缘体导体半导体电子能量电子能量电子能量绝缘体导体半导体价电子分布于价带内，价带与导带之间存在一个禁带宽度，禁带宽度具有很高的能级而产生一个禁带（通常大于2eV）是绝缘体。价带与导带重叠，电子移动只需要很小的能量，是导体。介于绝缘体与导体之间的禁带能级，就是半导体。硅的禁带宽度是1.12eV，半导体的禁带宽度处于中等程度。导带禁带价带带导价带重叠能带导带禁带价带2.单晶硅的概念熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。3单晶硅的生长单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。目前晶体直径可控制在Φ3~12英寸。区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。外延片主要用于集成电路领域。2.1.多晶硅2.籽晶3.母合金（掺杂剂）4.石英坩埚第二节:备料多晶硅生长直拉单晶硅所用的高纯多晶硅原料必须符合的条件：结晶致密、金属光泽好、断面颜色一致，没有明暗的温度圈和氧化夹层，纯度要求高。多晶硅分级技术标准等级优级一级二级三级等外基磷含量/㎝31*10131.5*10133*10137.5*10134.6*1014基磷电阻Ωcm≥450≥300≥150≥60≥10基硼含量/㎝32.6*10135*10138.5*10131.1*10144.0*1014基硼电阻Ωcm≥4500≥2600≥1500≥1000≥30原料腐蚀酸配比及腐蚀时间名称酸配比(HF:HNO3)说明还原多晶硅1：6~1：7腐蚀液侵没多晶硅，搅拌时不外露即可，冒出大量棕黄色气体NO2时，用高纯水冲洗回炉多晶硅1：5~1：7同上籽晶1：6~1：7旧籽晶如有氧化层，应先用砂纸磨去再腐蚀母合金1：6~1：7碎块容易氧化，腐蚀应缓慢石英坩埚1：10一般腐蚀1~2分钟，用高纯水冲洗（目前已基本不用此工序）籽晶籽晶是生长单晶的种子，也叫晶种。拉制单晶的籽晶一般用单晶切成，一般为高阻。晶向：结晶面的垂直方向叫做该晶面的晶向根据晶向可分为：（100）（111）（110）等（100）：晶向的单晶有四条棱线互成90度（111）：晶向的单晶有三条棱线互成120度（110）:晶向的单晶有六条棱线母合金拉制一定型号和电阻率的硅单晶，要选用适当的惨杂剂。五族元素常用作单晶硅N型掺杂剂，主要有磷、砷、锑。三族元素常用作单晶硅P型掺杂剂，主要有硼、铝、镓。所谓母合金就是杂质元素与硅的合金。常用硅磷和硅硼两种，杂质浓度一般大于1018原子/CM3。石英坩埚石英坩埚是单晶制备过程中熔硅的容器，有透明和不透明之分，均为Si02制成。石英坩埚要求:薄厚均匀一致，内壁光滑无气泡。泡、黑点，纯度高。第三节生长条件一：直拉单晶炉直拉单晶炉主要由：炉体、电器部分、热系统、水冷系统、真空系统和氩气供给装置六部分组成。二：热系统及热场热系统由：加热器、保温系统、支持机构、托杆、托碗等组成。加热器是热系统的主体，由高纯石墨制成。保温系统及其它部分则由高纯石墨和碳毡组成。合理的热场分布应该是:1,结晶界面处的纵向温度梯度尽可能的大一些，保证单晶有足够的生长动力。但也不能过大，单晶既能良好的生长，又不能产生结构缺陷和发生晶变。2，生长界面处的径向温度梯度尽量接近零，以保证结晶界面的平坦。第四节拉晶过程一：清炉二：装料三：抽空四：熔化硅五：引晶六：缩颈七：放肩与转肩八：等直径生长和收尾九：停炉清炉1、穿戴好劳保防护用品，认真阅读交接班记录，准备好拆炉工具。检查电控柜，确认各开关处于关闭状态后，才能送电控柜电源。拆炉前先查看真空度并作记录。2、停加热6-8小时后，才能充气拆炉。充气前先拧松副室门螺栓。充气完后，打开副室门，提升晶体。3、在晶体下方摆放好取晶框后，撤掉防护木板或托晶盘，然后降下晶体，晶体离取晶框底部还有3-5mm距离时，停止下降，严禁使晶体接触到取晶框（会导致上轴钢丝绳因跳槽而损坏）。剪断细颈前，一人扶住取晶框，另一人用手抓住重锤或连杆（禁止抓籽晶），然后剪断细颈；剪断细颈后逐步释放重锤，控制好重锤的旋转和晃动，防止钢丝绳跳槽或籽晶磕碰损伤。4、戴上高温隔热手套，将导流筒、保温盖取出冷却。将废石英、埚底料取出，然后将三瓣石墨埚取出冷却。最后再将主室炉筒升起到最高位，然后旋转出来（离开热系统）。5、拆开抽空管道上的盲板，清洗管道内的挥发物。清洗完成后，装盲板时，注意将密封处擦干净,密封圈装好。清理炉膛注意事项：1、拿石墨件的时候必须戴上线手套，严禁赤手接触。使用吸尘管道时，要注意防止管道被烫化在石墨件上。石墨件较烫时，不能戴薄膜手套。2、所有石墨器件必须彻底打扫干净。干净的标准是：容易拿出来的石墨部件：导流筒、上下保温盖、副保温筒、三瓣埚、石墨埚托，必须打扫到全部露出石墨的本色，特别是不能留有黄色的挥发物。不容易拿出来的石墨件：加热器、主保温筒、炉底护盘等，在大清的时候打扫，仍然要求打扫到露出石墨的本色。3、所有炉子内壁打扫干净，不能留有任何挥发物。包括副室炉筒、两个抽气口、主窥视孔。4、在进行以上打扫时，必要时可以使用砂纸打磨。凡是用砂纸打磨过的地方，最后必须清理干净。5、每隔8炉左右对炉子进行一次大清。大清范围：所有石墨件；炉膛内壁；真空管道装热系统时应注意事项：①加热器石墨螺钉是否紧固。②托杆与下轴连接是否稳固、对中。③确认石墨埚托及三瓣埚是否完好可用。④托杆和石墨埚托、石墨埚托与三瓣埚托之间的止口连接必须吻合良好：作到旋转滑动自如。装料1、检查所备多晶料及母合金与报告单相符后，才能开始装料。2、戴好薄膜手套检查石英坩埚问题（破损、裂纹、气泡、黑点）后，将坩埚放入三瓣石墨埚内，尽量装水平。装坩埚时要防止将坩埚外壁的石英渣子带入埚内。3、装好坩埚，须另换薄膜手套后，才能装料。4、装料的原则，从纵向来说，小块的料放在坩埚底部；最大块的料放中部，中等大小的料放在最上面；从径向来说，大块的放在四周，小块的放在中心。必要时，要把大块的料敲小，尽量利用好埚内空间，否则到最后可能料装不下。5、中下部门的料可以装得紧凑些并且贴近埚壁，但应该是自然堆砌，而不是硬挤。上部的料块，仍可轻轻靠在埚壁上。注意：1、减少料块与埚边的接触面积，以防止挂边；2、在料块互相之间的相对位置方面，要预估料块在跨料后，是否会架桥，然后进行相应的调整；3、装最上面部分时，小块的料不要靠在埚壁上（挂上后难以被烤下）；4、不论是上、中、下哪个部位，料块尖锐部位不能直接对着坩埚壁。6、装完料降坩埚时，注意不要超过下限（不是设备下限位，而是热场配时确定的安全下限），防止造成短路。7、装导流筒时要戴上薄膜手套，以防手沾污多晶料及导流筒，并且要避免导流筒撞上多晶料块。装好后要检查料块与导流筒之间的距离，能否允许转动坩埚，不能转动的，要在交班本上注明并口头向下一班交接。8、检查无误后，擦净主炉室、副炉室密封面，合上炉盖，打开副室门，关上闸板阀。用高速气流对副室（包括副室圆筒）、籽晶、重锤等进行吹拂。籽晶夹头装到重锤上时不能拧得过紧，整个拆炉、装料过程中，籽晶不能有任何磕碰、损伤，对是否损伤有疑问时，应更换新籽晶。9、装好并停稳籽晶后，关好副室门，抽空。抽真空1、检查通水情况正常后，才能启动机械泵。循环水压力0.2-0.25MPa。2、启动泵时，需点动两、三次后，再开泵。真空阀必须慢慢20%-40%，保持约1分钟左右后，再完全打开。不经点动直接开泵和过快地打开球阀都是错误的操作方法。3、真空度优于1Pa以内，才能开始检漏，泄漏率低于0.5Pa/5分钟，方可通气加热。4、通氩气:通气压力0.5MPa，氩气流量40L/min，炉压1000-1200。根据具体的工艺要求，这三项参数可在以下范围内进行调整：通气压力0.25-0.65MPa，氩气流量20-50L/min，炉压600-3000Pa。熔化硅手动方式：用一个小时的时间，均匀的分三次将功率加到最高功率95kw。在高温的前两个小时内，可适当的再升高功率到95-100kw之间，以便尽快的把料烘跨，防止挂边、架桥、溅料。自动方式：检查熔化参数，投自动化料一旦料已经跨下，并且没有挂边的危险时，要及时的将功率降低到90-95kw之间，过高的化料功率不利于成晶。在料全部熔完之前，还剩余少量小料块时，适当预降功率到60-70kw之间，以防止跳料，减少每一个化料步骤的时间。引晶一、预热籽晶下降籽晶到液面3~5毫米预热两到三分钟。二、合适的引晶温度与溶液接触后，籽晶周围出现一片白色结晶，而其越来越大，温度偏低，应立即升温。与溶液接触后，籽晶周围马上出现光圈，而且籽晶也熔硅的接触越来越小，光圈抖动厉害，温度偏高，立即降温。温度过高的情况出现有两种可能：1、实际加热功率偏高，应适当降低加热功率2、由于熔硅和加热器保温系统热惰性引起的合适的引晶温度是籽晶和熔硅接触后，籽晶周围逐渐出现光圈，最后光圈变圆。这种方式是用经验和现象来判断引晶温度。三、判断是否是单晶熔接好后，缓慢提拉籽晶。晶体出现三个均匀分布的白点为（111）晶向单晶，出现四个对称分布的白点为（100）晶向单晶，或两个对称分布的白点为（110）晶向单晶。四、原理：籽晶相当于在硅熔体中加入了一个定向晶核，使晶体按晶核的晶向定向生长，制得所需晶向的单晶。同时晶核使晶体能在过冷度较小的熔体中生长，避免自发晶核的形成。等径引晶放肩收尾缩颈目的：排除引出单晶中的位错。位错是由于籽晶和熔硅温差较大，高温的熔硅对籽晶造成强烈的热冲击，籽晶头部产生大量的位错.缩颈有两种方法：快缩颈和慢缩颈慢缩颈