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第四五讲 单晶硅制备
硅单晶的制备,就是要实现由多晶到单晶的转变,即原子由液相的随机排列直接转变为有序阵列;由不对称结构转变为有对称结构。这种转变而是通过固-液界面的移动而逐渐完成的。从熔体中生长硅单晶的方法,目前应用最广泛的主要有两种;有坩埚直拉法(Czochralski法,CZ)和无坩埚悬浮区熔法 (Zone meltng method) 又称Fz 法 (Float-Zone method)。
4.1、直拉生长工艺
直拉法又称Czochralski法即Cz法,目前,98%的电子元件都是用硅材料制作的,其中约85%是用直拉硅单晶制作的。直拉硅单晶由于具有较高的氧含量,机械强度比Fz硅单晶大,在制电子器件过程申不容易形变。由于它的生长是把硅熔融在石英坩埚中,而逐渐拉制出的,其直径容易做得大。目前直径300mm的硅单晶己商品化,直径450mm的硅单晶已试制成功,直径的增大,有利于降低电子元器件的单位成本。
4.1.1、CZ基本原理
在熔化的硅熔液中插入有一定晶向的籽晶,通过引细晶消除原生位错,利用结晶前沿的过冷度驱动硅原子按顺序排列在固液界面的硅固体上,形成单晶。
固液界面过冷度
4.1.2 CZ基本工艺
1、减压拉晶
CZ过程需要惰性气体保护!
现有的CZ都采用氩气气氛减压拉晶。利用通入惰性气体氩气,结合真空泵的抽气,形成一个减压气氛下的氩气流动。氩气流带走高温熔融硅挥发的氧化物,以防止氧化物颗粒掉进硅熔液,进而运动到固液界面,破坏单晶原子排列的一致性。
减压气氛的压力一般为12-20Torr,氩气的流量为45-80slpm。
拉晶过程中的保护气流
2、利用热场形成温度梯度
热场(hot zone)是由高纯石墨部件和保温材料(碳毡)组成。
单晶热场温度分布
石墨加热器:产生热量,熔化多晶硅原料,
并保持熔融硅状态;
石墨部件:形成氩气流道,并隔离开保温材料;
保温材料:保持热量,为硅熔液提供合适的温度梯度。
3 晶转、晶升、埚转和埚升
晶升:通过籽晶提升系统把凝固的固体向上升,保持晶体一定的直径。
埚升:通过坩埚升降系统,把硅熔液的液面控制在一个位置(原因后面解释)
晶转和埚转:抑制熔液的热对流,为单晶生长提供稳定热系统。晶转和埚转的方向必须相反
4 单晶炉提供减压气氛保护、机械运动和自动控制系统
减压气氛保护:
通过上炉筒、副室、炉 盖、主炉室和下炉室形成减压气氛 保持系统。
机械运动:
通过提拉头和坩埚运动系统提供晶转、晶升、埚转、埚升系统。
自动控制系统
通过相机测径、测温孔测温、自动柜控制组成单晶拉制自动控制系统。
4.1.3基本设备
1提拉头:
晶升、晶转系统,磁流体系统等;
2上炉筒:
提供晶棒上升空间;
3副室:
提肩装籽晶掺杂等的操作空间;
4炉盖:
主炉室向副室的缩径;
5主炉室:
提供热场和硅熔液的空间;
6下炉室:
提供排气口和电极穿孔等;
1、单晶炉结构
cz法的基本设备有:炉体、晶体及坩埚的升降和传动部分、电器控制部分和气体控制部分,此外还有热场的配置。
8上炉筒提升系统:
液压装置,用于上炉筒提升;
9梯子:
攀登炉顶,检查维修提拉头等;
10观察窗:
观察炉内的实际拉晶状态;
11测温孔:
测量对应的保温筒外的温度;
12排气口:
氩气的出口,连接真空泵;
13坩埚升降系统:
坩埚升降旋转系统等;
14冷却水管组:
提供冷却水的分配。
2 、石墨热场的基本部件及作用
石墨坩埚
单
个
三
瓣
埚和埚底
三瓣埚组合后
单个三瓣埚
单
个
三
瓣
埚和埚底
及中轴
导流筒的形状及剖面
内外导流筒里的空隙里需要填充碳毡,以增加隔热作用,从而降低功率,增加晶棒的冷却速度。
导流筒
左图为石墨加热器三维图。
上图为加热器脚的连接方式。加热器脚和石墨螺丝、石墨电极间需要垫石墨纸,目的是为了更加良性接触,防止打火。
加热器
?
热场的部件主要包括石墨加热器、三瓣坩埚、导流筒、保温筒、埚托、坩埚轴、炉底护盘等等
热场的各个部件主要是采用石墨材料加工而成的,而石墨炭素材料从制成原理分成等静压、挤压和模压三种,而等静压又会根据不同企业分成不同牌号。
热场关键部件如石墨加热器、三瓣坩埚、导流筒等原则上是必须要求用等静压材的
中国目前生产加热器的厂家很多,所使用的材料也多是日本和德国的石墨炭素材料,部分使用国产的材料
?
3 、自动控制
1 )温度自动控制
温度控制系统一般以控制功率与温度反馈相结合。
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