CZ硅晶生长理论 .pdfVIP

一.CZ法晶体生长设计

CZ生长炉的组成元件可以分成4部分：

（1）炉体：包括石英锅，石墨三瓣锅，加热器，绝热元件，

炉壁。

（2）晶棒及坩锅拉升上抬旋转机械：包括籽晶卡头，钢吊

绳，拉升上抬旋转元件。

（3）气体压力控制：包括气体流量控制，真空系统，压力

控制阀。

（4）控制系统：包括侦测感应器，电脑控制。

但是按照我们通熟的讲法可以认为是：

（1）炉体：包括控制晶体升降旋转的电机（限位，用于控

制晶体升降的极限位置），副炉室（钢吊绳，重锤），

隔离板，主炉室（倒流桶，大盖板，上保温罩，主保

温罩，加热器，三瓣锅，托盘，托杆，六角外螺纹石

墨螺丝，内螺纹石墨螺丝，石英罩，电极，底盘），

传动机械（底盘下面的）。

（2）电柜（加热，真空，球阀，温控仪，计算机，计算机

风扇，真空计开关，触摸屏，液压传动开关以及各种

电器电子元件）。

（3）电控机（楼下的）

单晶硅的密度

固态密度2.33克/cm3

液态密度2.5克/cm3

凝固结晶的驱动力

在溶液长晶过程里，随着溶液温度的下降，将产生由

液态转换成固态的相变化。为什么温度下降，会导致相变化

的产生？这个问题一般我们可以用热力学的观点来解释。对

于发生在等温等压的相变化，不同相之间的相对稳定性可由

自由能（G）来决定。

G=H－T×S

G：自由能

H：焓

T：绝对温度

S：乱度

一个平衡系统将具有最低自由能,假如一个系统的自由

能△G高于最低值,它将设法降低△G以达到平衡状态。因

此，我们可以将△G视为结晶的驱动力

在平衡的融化温度Tm时，液固二相的自由能是相等的，

即△G=0，

所以我们可以认为△G=△S△T

其中△T=Tm－T，即所谓的过冷度，由于在凝固时，△

S是个负值的常数，所以△T可被视为凝固结晶的唯一驱动

力。

液固界面

晶体生长时的液固界面的形状，和晶轴方向及温度梯

度有关。下图为三种可能出现的液固界面的形状，即凸形，

平面形，凹形。只有当液固界面的形状为平面形时，才能较

易维持良好的晶棒品质。但在实际的长晶里，由于热环境在

不断的变化，很难能维持长时间的平面状的界面。在定性上，

液固界面的形状可由考虑热平衡的关系来了解，当热散失程

度大于热来源时，液固界面的形状会变成凸状，当热散失程

度小于热来源时（过多的热源进入液固界面会提升等温线的

位置），液固界面的形状会变成凹状。

当液固界面的形状不是平面状时，在凝固过程中会使

晶棒内产生热应力。当热应力等于弹性应力时，这些热应力

会在晶棒的冷却过程中消失掉。但是液固界面的形状太凸或

太凹时，热应力可能会大于弹性应力，这时晶棒内便会产生

差排，失去结晶的完美性。

光环区

光环区是指液面随着毛细作用，靠表面张力而吸附在晶

棒下方的区域。在光环区有一个与材料特性有关的角度，这

个角度是指晶棒表面与在光环区三相点正切线间的夹角。当

这个角不等于0时，这暗示着一个物体的固态表面不被其本

身的液态完全融化。

在长晶的过程中光环区的高度与晶棒的直径有关，当晶

棒的直径越大则光环区的高度越小。但是光环区的高度则不

受晶棒转速的影响。如果我们增加溶液的温度，便会使得液

固界面的位置往上移，也就是光环区的高度会增加，那么晶

棒的直径就会缩小，若温度增加的太大，光环区的高度增加

到让表面张力支撑不了，这时光环区便会突然垮掉，而使晶

棒与液面分离。

组成过冷现象

当晶体生长的液固界面的形状，能随着时间维持某种

一定程度时，具体而言就是凸出状或凹陷状不会随着时间增

加大小。在这种情况下，我们称之为稳定的界面。

在CZ硅晶生长里，由于我们必须加入掺杂物，如：硼，

磷，砷，锑等，再加上存在于溶液内的不纯物，如：氧，碳

等，使得液固界面前端的扩散边界会积累着高浓度的杂质，

因此，在这边界内的凝固温度将低于溶液的凝固温度，（因

为凝固温度会随着杂质浓度的增大而下降，这也是为什么在

拉多晶时容易出现结晶的原因）。

如果溶液的实际温度小于凝固温度，液固界面的形状

将会出现不稳定现象，而形成细胞状的结构，这种由杂质浓

度梯度引起的过冷现象称之为组成过冷。

在一个极度过冷的晶体生长里，会很容易导致多晶的

生长。

长晶系统的热平衡

我们在典型的CZ长晶法里，加热器的作用在于提供系

统热量Qh，以使硅溶液维持在高于熔化点的温度。如果我们

在液面上侵入一晶体，在晶体与溶液达到热平衡时，液面会

靠着表面张力的支撑吸附在晶体的下方。若此时我们将晶体

往上提升，这些被吸附着的液体也