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区熔硅单晶市场调研 贾红 第一章 区熔硅单晶行业概述 第一节 区熔硅单晶的概念 一、区熔硅单晶的定义和分类以及与直拉硅的区别 区熔硅单晶也称区熔硅单晶，是电子信息材料中最基础性材料，属半导体材料类。区熔硅单晶是电力电子器件的关键材料。 多晶硅转化成单晶硅主要有2种形式：直拉法及区熔法。通过对高纯多晶硅的融化，采用熔体直拉法（CZ）或着悬浮区熔法（FZ）制取，区熔硅单晶由悬浮区熔法（FZ）制取。 1 直拉(CZ)法 切克劳斯基法(Czochralski method)是利用旋转着的籽晶从坩埚中的熔体中提拉制备出单晶的方法，又称直拉法、提拉法(简称CZ法)。 (1)基本原理 CZ法生长硅单晶已有40多年的历史，通过不断改进，其生长工艺已日臻成熟。晶体的直径不断增大，缺陷不断减少。杂质分布的均匀性也不断得到提高。 多晶硅料经过加热熔化，待温度适合后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、等径、收尾等步骤，完成一根单晶锭的拉制。炉内的传热、传质、流体力学、化学反应等过程都直接影响到单晶的生长与生成的单晶的质量，拉晶过程中可以直接控制的参数有温度场、籽晶的晶向、坩埚和生成的单晶的旋转与升降速率，炉内保护气体的种类、流向、流速、压力等。 (2)直拉法的特点 直拉法制备硅单晶的基本特点是：单晶可获良好的晶体完整性，容易获得无位错单晶，并可降低微缺陷密度；投料量大，适宜生长大直径硅单晶；调整热场方便，容易获得合理的径向和轴向温度梯度，因而能够制备完整性良好的大直径单晶；在拉晶过程中，除硅与掺杂剂外，还有氧、碳的引入与输运；直拉法与区熔法相比，具有设备简单、易于操作、掺杂方便、易于获得大直径、均匀性好等优点。 2磁控(MCZ)直拉法 在直拉法拉晶过程中，坩埚中熔体的热对流加剧了熔硅与石英坩埚的作用，使坩埚中的氧、硼、铝等杂质易于进入熔体和晶体，同时，热对流还会引起固液界面附近熔体中温度波动，晶体生长速度起伏，导致晶体中形成杂质条纹和漩涡缺陷。 磁场具有抑制导电流体的热对流的能力。在直拉硅单晶的生长系统加上磁 场，能有效地抑制硅熔体中的热对流，控制熔硅中杂质的输运[引。适当分布的磁场能减少氧、硼、铝等杂质从石英坩埚进入熔体，进而进入晶体。 (1)MCZ法的基本原理 在磁场中的运动着的带电粒子受到的洛伦兹力为： 式中，q为粒子所带的电荷，v为粒子的运动速度，H为磁场强度。 由洛仑兹定律可以推知，在切割磁力线运动的导电流体中会产生与运动方向和磁场方向相垂直的电流。由于此电流与磁场的相互作用，使导电流体受到与其运动方向相反的作用力。因而导电流体在运动时会受到阻力。 高温下的硅熔体具有良好的导电性。这样磁场所产生的对于运动导电流体的 阻力阻碍了直拉法生长过程中坩埚中熔体的对流，热对流受到了抑制，增加了石 英坩埚壁附近的溶质边界层厚度，从而使坩埚壁进入熔硅中的氧和其他杂质少。 (2)MCZ法的特点 磁控直拉法就是对熔体施加磁场，抑制硅熔体中的热对流，减少结晶前沿附近的温度波动，降低或排除杂质条纹和缺陷的产生。它的特点是：减小了熔体中的温度波动，明显提高了晶体中的杂质分布的均匀性，以及单晶径向电阻率分布。均匀性；降低了单晶中的缺陷密度；减少了杂质的并入，提高了晶体的纯度，可以有效地控制晶体中氧浓度的变化；由于磁黏滞性，使杂质的有效分凝系数更接近于1，提高了杂质纵向分布的均匀性。 直拉法容易获得低电阻大直径单晶，但含氧量高，纯度低于区熔单晶，机械强度较好，其径向杂质分布均匀， 在电子领域中主要应用于制造集成电路、低压硅器件等。 3区熔(FZ)法 区熔法主要用于提纯和生长单晶。采用这种方法对多晶硅进行提纯或生长硅 单晶时，熔区悬浮于多晶硅棒与下方生长出的单晶之间，故称为悬浮区熔法。 （1）区熔法的基本原理 熔区的悬浮依靠熔硅的表面张力和加热线圈提供的磁托浮力。因为硅熔体 具有比重小(2.39／cm2)和表面张力大(720dny／cm)的特性，加上高频电磁场 的托浮作用，熔区易保持稳定。 悬浮区熔时，熔区呈悬浮状态，不与任何物质相接触，因而不会被沾污。此外，由于硅中杂质的分凝效应和蒸发效应，可以获得高纯硅单晶。区熔可以在保护气氛(氩、氢)中进行，也可以在真空中进行，且可以反复提纯(尤其在真空中蒸发速度快)，特别适用于制备高阻硅单晶和探测器级高纯硅单晶。其基本原理是依靠熔体的表面张力，使熔区悬浮于多晶棒与单晶之间，通过熔区向上移动而进行提纯和生长单晶，如图： 熔区的稳定是悬浮区熔法的关键，生长过程中保持熔区稳定的条件是：熔区的重力F1、转动的离心力F2与表面张力F3、加热熔区所用高频感应形成的磁托力F4相平衡，即：F1+F2=F3+F4 可以看出，表面张力越大，熔区越短小，离心力(熔区转速)越小，越容易建立稳定的熔区。要增大晶体的直径，又要保持熔区的稳定，就要减少