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单晶硅生产工艺分析

2016/04/18 阅读:

摘要:

该文对单晶硅的主要技术参数、生产工艺进行了综述。单晶硅在下游IC产业中的利用率逐年增加,而电子产业对硅片的依赖程度亦逐年加深,单晶硅生产要求不断提升,因此热场设计要求更加严格。设计优良的热场能够使炉内的温度分布达到最优化,所以在CZ长晶炉中会逐步地将特殊热场元件应用其中,以促进单晶硅生长技术的发展。重点对直拉法进行了分析,从工艺原理、配料基本原则及氧浓度的控制方面进行了探讨。

关键词:

单晶硅;技术参数;直拉法;氧浓度

目前,电子信息技术以及太阳能光伏发电技术高速发展,而作为此类技术的基础材料——硅,无疑发挥着重要作用。从某种意义上分析,硅影响着未来科技的发展。作为功能性材料,Si具各项异性,所以将Si应用于半导体材料需要将其制成硅单晶,并进一步将其加工,经过抛光、清洗之后制成硅片,再进行处理后将Si应用于电子器件的制造中,目前所生产的电子元件中89%以上均使用硅单晶。

1硅单晶的主要技术参数

1.1导电类型导电类型由掺入的施主或受主杂质决定。P型单晶为超纯单晶硅中掺入ⅢA族元素形成,多掺杂硼元素;N型单晶为超纯单晶硅中掺入ⅤA族元素形成,多掺杂磷元素;外延片衬底用N型单晶掺杂锑元素或砷元素。

1.2电阻率与均匀度在拉制单晶时掺入一定量杂质以控制单晶的电阻率。由于杂质分布不均匀,电阻率也不均匀,电阻率均匀度包括纵向电阻率均匀度、断面电阻率均匀度和微区电阻率均匀度,均匀度直接影响器件参数的一致性和成品率。

1.3非平衡载流子寿命在光照或电注入条件下产生的附加电子和空穴瞬即复合而消失,它们平均存在的时间称为非平衡载流子的寿命。非平衡载流子寿命同器件放大倍数、反向电流和开关特性等均有关系。寿命值又间接地反映硅单晶的纯度,重金属杂质会大大降低寿命值。

1.4晶体缺陷生产电子器件用的硅单晶除对位错密度有一定限制外,不允许有小角度晶界、位错排、星形结构等缺陷存在。位错密度小于某一限度值的单晶称为无位错单晶。对于硅单晶而言,位错密度小于500个/cm2时称为无位错硅单晶,无位错硅单晶占产量的大多数。在无位错硅单晶中还存在杂质原子、空位团、自间隙原子团、氧碳或其他杂质的沉淀物等微缺陷。热加工过程中,硅单晶微缺陷间的相互作用及变化直接影响集成电路的成败。

1.5氧浓度氧在晶体中的分布是头部高、尾部低。硅中的氧既有益又有害,其在硅中行为比较复杂,具体如下:(1)其在硅晶格中处于间隙位置,对位错起着一定的阻止作用,可以增加机械强度;(2)单晶硅中的原生氧浓度在一定程度上影响热施主的形成;(3)可以在晶体热处理的过程中形成氧沉淀,进而吸附晶体中的杂质;(4)在晶体生长冷却过程中形成微缺陷;(5)形成O-B复合体。

2硅单晶制备工艺

2.1技术原理单晶硅在生长过程中,随着熔场温度的变化而发生相变,当熔场温度降低时,其呈现结晶的趋势,由液态向固态转变。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,吉布斯自由能的变化G即为结晶驱动力。

2.2生产工艺

2.2.1直拉法直拉法又称Cz法,其过程相对较为简单,它的生长是把硅熔融在石英坩埚中利用旋转籽晶对单晶硅逐渐提拉制备出来,该种方法生产成本相对较低,且能够大量生产。因此该项技术在国内太阳能单晶硅片的生产中广泛推广开来,目前,直径300mm的硅单晶已商品化,直径450mm的硅单晶也已试制成功。该工艺目前使用的技术工艺核心为热场构造及控制氧浓度等。(1)配料的基本原则。①对于P型原料,应使所配比原料中的硼原子总浓度与目标电阻率所对应的硼原子浓度相等;②对于N型原料,应使所配比原料中的磷原子总浓度与目标电阻率所对应的磷原子浓度相等。(2)控制氧浓度。在单晶硅生长时,石英坩埚会熔解,这是单晶硅中氧杂质的主要来源,它在硅中的行为很复杂,而氧在硅晶格间隙浓度超过一定范围,就会产生过量氧沉淀,该种缺陷会影响单晶硅质量、性能。若不对氧沉淀进行控制,应用该种硅片加工集成电路,将会产生极大的危害。因此在单晶硅生长过程中,需利用一定工艺,使硅片内部氧沉淀密度增高,但在硅片表面一定深度则为无氧沉淀的洁净区,从而对氧析出物进行控制,制备出高性能单晶硅材料。

2.2.2区熔法区熔法,又称Fz法,即悬浮区熔法。此种工艺技术始于1953年,Keck和Golay两人首次将此种工艺应用于生产单晶硅上。区熔法生产单晶硅不使用坩埚,而是将硅棒局部利用线圈进行熔化,在熔区处设置磁托,因而熔区可以始终处在悬浮状态,将熔硅利用旋转籽晶进行拉制,在熔区下方制备单晶硅。该种方法优势在于,熔区为悬浮态,因而在生长过程中单晶硅不会同任何物质接触,并且蒸发效应以及杂质分凝效应较为显著,因此具有较高的纯度,其单晶硅制品性能相对较好。但由于工艺复杂,对设备以及技术要求较为严格,因此生产成本相对较高,主要被用于制作高反压元件上,如可控硅、整流器、探测器件等,其产品多应用于太空以及军工领域。

2.2.3磁拉法随着材料技术的发展,直拉单晶硅的生产规模得到进一步扩大,由于大直径直拉单晶硅的应用越来越广泛,因而在生产中投料量不断增加。但在单晶硅的生产中,晶体质量会受到大熔体的影响,甚至单晶生长会受到严重影响,这是由于热对流对晶体结构的影响所致。磁拉法,又称MCz法,是在传统的Cz法上外加一磁场,以抑制晶体生成中熔硅的对流。目前利用磁场抑制热对流效果甚为显著,通过磁场的加装,长晶系统中的生长单晶会受到一定强度磁感线的影响,影响单晶生长的一切对流都会因洛伦兹力的存在而受到干扰,从而被有效抑制。理论上,磁场可以选择横型磁场法、纵型磁场法、勾型磁场(会切磁场)法,实践证明,勾型磁场(会切磁场)效果最佳,可以有效抑制硅单晶氧浓度。

2.2.4CCz法CCz法,即连续加料法。CCz法主要在原料的补充及设备方面进行改善,原理上和Cz法没有本质区别。CCz法的优点:(1)由于维持着固定的溶液量,石英坩埚内的熔硅无需太多,熔液的对流相对比较稳定,有利于晶体的生长;(2)由于维持着固定的溶液量,石英坩埚与熔硅液的界面的面积与熔液的自由面的面积之比可维持一定,使晶体中氧的轴向分布较为均匀;(3)因为不断补充新原料及掺杂物,晶体的轴向电阻率的变化也会比较缓慢。综上所述,以上各种生产工艺各有千秋,实践证明,不同生产企业会根据自己的实际情况选择适合自己的工艺或者采用各工艺的靓点编制自己独有的一套工艺制度。

参考文献

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[2]谢于柳,朱立豪,李卫宁.直拉单晶硅配料工艺探讨[J].太阳能,2010(5):34-35,42.

[3]尹建华,李志伟.半导体硅材料基础[M].北京:化学工业出版社,2011.

[4]刘智恩.材料科学基础[M].西安:西北工业大学出版社,2003

作者:泰伟业 单位:朔州职业技术学院

单晶硅生产工艺分析

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