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天将降大任于斯人也，必先苦其心志，劳其筋骨，饿其体肤，空乏其身，行拂乱其所为。——《孟子》

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

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：

天将降大任于斯人也，必先苦其心志，劳其筋骨，饿其体肤，空乏其身，行拂乱其所为。——《孟子》

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