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直拉硅单晶生长的现状与发展
摘要:综述了制造集成电路(IC)用直拉硅单晶生长的现状与发展。对大直径生
长用磁场拉晶技术,硅片中缺陷的控制与利用(缺陷工程),大直径硅中新型原
生空位型缺陷,硅外延片与SOI片,太阳电池级硅单和大直径直拉硅生长的计
算机模拟,硅熔体与物性研究等进行了论述。
关键词:直拉硅单晶;扩散控制;等效微重力;空洞型缺陷;光电子转换效率;
硅熔体结构
前言
20世纪中叶晶体管、集成电路(IC)、半导体激光器的问世,导致了电子
技术、光电子技术的革命,产生了半导体微电子学和半导体光电子学,使得计算
机、通讯技术等发生了根本改变,有力地推动了当代信息(IT)产业的发展.应
该强调的是这些重大变革都是以半导体硅材料的技术突破为基础的。2003年全
世界多晶硅的消耗,达到了19000t,但作为一种功能材料,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,并加工成硅抛光片,方可制造IC
器件。
半导体硅片质量的提高,主要是瞄准集成电路制造的需要而进行的。1956
年美国仙童公司的“CordonMoore”提出,IC芯片上晶体管的数目每隔18~24个
月就要增加一倍,称作“摩尔”定律。30多年来事实证明,IC芯片特征尺寸(光
刻线宽)不断缩小,微电子技术一直遵循“摩尔定律”发展。目前,0.25μm、
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0.18μm线宽已进入产业化生产。这就意味着IC的集成度已达到10~10量级,
可用于制造256MB的DRAM和速度达到1000MHE的微处理芯片。目前正在研
究开发0.12μm到0.04μm的MOS器件,预计到2030年,将达到0.035μm
水平。微电子芯片技术将从目前器件级,发展到系统级,将一个系统功能集成在
单个芯片上,实现片上系统(SOC)。
这样对半导体硅片的高纯度、高完整性、高均匀性以及硅片加工几何尺寸
的精度、抛光片的颗粒数和金属杂质的沾污等,提出了愈来愈高的要求。
在IC芯片特征尺寸不断缩小的同时,芯片的几何尺寸却是增加的。为了减
少周边损失以降低成本,硅片应向大直径发展。在人工晶体生长中,目前硅单晶
尺寸最大。
当代直拉硅单晶正在向着高纯度、高完整性、高均匀性(三高)和大直径
(一大)发展。
磁场直拉硅技术
硅单晶向大直径发展,投料量急剧增加。生长φ6″、φ8″、φ12″、φ
16″硅单晶,相应的投料量应为60kg、150kg、300kg、500kg。大熔体严重的
热对流,不但影响晶体质量,甚至会破坏单晶生长。热对流驱动力的大小,可用
无量纲Raylieh数表征:
R=gβb3ΔT/kν(1)
其中,β为熔体体膨胀系数,g为重力加速度,ΔT为熔体自有表面的纵向温度
差,b为熔体特征尺寸(熔体高度),ν为熔体动力粘滞系数,k为熔体热扩散系
数。从式(1)可以看出,R与b3成正比,与ν成反比。
抑制熔体热对流,现有两条技术途径:
0-4
1)在太空微重力环境下生长单晶体.此时g→0(低轨道卫星g→g×10;高
0-5-6
轨道卫星g→g×10~g0×10),R→0,熔体无宏观热对流晶体生长过程中熔体
质量的输运,主要依赖扩散(扩散控制机制)此时晶体完整性、均匀性可得到极
大改善.这一点已在太空晶体生长中得到证实
太空生长单晶是不可能产业化的(每发射一公斤有效载荷,要耗费3~5万
美元).因此只能用于基础研究,验证有关晶体生长理论。
2)向熔体空间引入磁感应强度.众所周知,导电熔体在磁场中运动(对流),要
受到罗仑兹力(Lorentzforce)的阻滞。该阻滞的效果,可以理解为增加了熔体
的有效粘滞性(磁动力粘滞性)。磁动力粘滞系数可表示
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