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单晶硅生长技术的研究与发展
摘要:综述了硅的应用和单晶硅生长技术的研究现状。对直拉法和悬浮区熔法制备单晶硅
进行了概述,
关键词:单晶硅;
一、前言
单晶硅属于立方晶系,金刚石结构,是一种性能优良的半导体材料。自上世纪40年代
起开始使用多晶硅至今,硅材料的生长技术已趋于完善,并广泛的应用于红外光谱频率光
学元件、红外及射线探测器、集成电路、太阳能电池等。此外,硅没有毒性,且它的原材料
石英(SiO2)构成了大约60%的地壳成分,其原料供给可得到充分保障。硅材料的优点及用途
决定了它是目前最重要、产量最大、发展最快、用途最广泛的一种半导体材料。
到目前为止,太阳能光电工业基本上是建立在硅材料基础之上的,世界上绝大部分的太
阳能光电器件是用单晶硅制造的。其中单晶硅太阳能电池是最早被研究和应用的,至今它仍
是太阳能电池的最主要材料之一。单晶硅完整性好、纯度高、资源丰富、技术成熟、工作效
率稳定、光电转换效率高、使用寿命长,是制备太阳能电池的理想材料。因此备受世界各国
研究者的重视和青睐,其市场占有率为太阳能电池总份额中的40%左右。随着对单晶硅太阳
能电池需求的不断增加,单晶硅市场竞争日趋激烈,要在这单晶硅市场上占据重要地位,应
在以下两个方面实现突破,一是不断降低成本。为此,必须扩大晶体直径,加大投料量,并
且提高拉速。二是提高光电转换效率。为此,要在晶体生长工艺上搞突破,减低硅中氧碳含
量。因此,对单晶硅的生产和研究提出了新的要求。了解单晶生长条件、生长缺陷以及它们
对器件性能的影响之间的关系,对提高晶体质量是很重要的。本文采用直拉法生长了6英
寸优质单晶硅,并对其电阻率、杂质含量及位错进行了测试,获得了最佳的生长工艺参数,
分析了杂质引入机制及减少杂质的措施。
硅材料是信息技术,电子技术和光伏技术最重要的基础材料,从某种意义上讲,Si不仅
是高技术和可再生能源,更是影响国家未来在高新技术和能源领域实力的战略资源。作为一
种功能材料,其性能应该是各向异性的,因此半导体硅大都应该制备成硅单晶,并加工成抛
光片,方可制造IC器件,超过98%的电子元件都足使用硅单晶。单晶硅已渗透到国民经济
和国防科技中各个领域,当今全球超过2000亿美元的电子通信半导体市场中95%以上的半
导体器件及99%以上的集成电路用硅。
生产单晶硅的原料主要包括:半导体单晶硅碎片,半导体单晶硅切割剩余的头尾料、边
皮料等。目前,单晶硅的生长技术主要有直拉法(CZ)和悬浮区熔法(FZ)。在单晶硅的制备过
程中还可根据需要进行掺杂,以控制材料的电阻率,掺杂元素一般为Ⅲ或V主族元素.生长制
备后的单晶硅棒还需经过切片、打磨、腐蚀、抛光等工序深加工后方可制成用作半导体材料
的单晶硅片。随着单晶硅生长及加工处理技术的进步,单晶硅正朝着大直径化(300ram以上)、
低的杂质及缺陷含晕、更均匀的分布以及生产成本低、效率高的方向发展。
二、单晶硅的生长原理
当前制备单晶硅主要有两种技术,根据晶体生长方式不同,可分为悬浮区熔法(Float
ZoneMethod)和直拉法(CzochralskiMethod)。这两种方法制备的单晶硅具有不同的特性
和不同的器件应用领域,区熔单晶硅主要应用于大功率器件方面,而直拉单晶硅主要应用于
微电子集成电路和太阳能电池方面,是单晶硅的主体。
随着熔场温度的下降,将发生由液态转变到固态的相变化。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。AG可以视为结晶驱动力。
△G=△H—TAS(1)
在平衡的熔化温度瓦时,固液两相的自由能是相等的,即AG=0,因此
△G=AH一瓦XASO(2)
所以,AS=AH/T=(3)
其中,AH即为结晶潜热。将式(3)代入式(1)可得
(4)
由式(4)可以看出,由于AS是一个负值常数,所以△兀即过冷度)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。如果在液面浸入一品种,在品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
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