直拉法单晶硅生长工艺
时间：2025-04-18 发布人：admin 点击数：0
直拉法，即切克劳斯基法（J Czochralski），简称 CZ 法，最早由切克劳斯基法在 1917 年发明，但是最早由 Teal 和 Buehler[25-26]拉出第一根单晶硅棒。到了 1958 年，Dash发明了无位错生长技术，生长出无位错的单晶硅，解决了单晶硅片的质量问题。直拉法是应用最多的一种晶体生长技术，其基本工艺过程如下：（1）装料：把小块的高纯多晶硅以及通过计算掺杂含量的掺杂剂放进装料筒中，通过人工操作放入单晶炉的坩埚里等待加热融化装，料过程中需要注意轻拿轻放，防止刮伤坩埚；（2）熔硅：熔硅前需将单晶炉抽至一定的真空度，再通入氩气带走杂质和热量，保持一定的炉压保护单晶炉。然后石墨加热器加热，将坩埚中的多晶硅加热熔化保持略高于熔点的温度；（3）引晶：待多晶硅完全熔化且液面稳定后，降低加热功率，待硅熔体温度稍微降低，将籽晶缓慢伸入到固液界面，以旋转的籽晶引出晶体；（4）缩颈：籽晶在刚接触熔体液面时产生的热冲击会使籽晶产生位错，如果不进行缩颈，这种位错会一直伴随着晶体生长而增加。引晶后通过提高拉速使晶体的直径缩小至 2-3mm，这一步被称为缩颈。这一步可以消除籽晶与熔体接触时热冲击造成的位错；（5）放肩：为了获得目标直径，晶体生长速度放缓使得直径缓慢变大，再放肩过程中温度持续下降，为了保证晶线的完整，晶体生长速度需要不断地调整跟温度下降的速度匹配；（6）转肩：当放肩得到目标直径单晶后，提高拉速使晶体保持固定的直径纵向生长；（7）等径生长：晶体保持一定的直径生长到所需长度，在这过程中需要通过调控拉速以及控制功率，确保目标直径不变以及晶体的晶线的完整；（8）收尾：在晶体等径生长到当初计算好的长度时，提高拉速，使晶体直径逐渐缩小，最后提拉出熔体，在单晶炉内等待温度降低，等降低到一定温度取出晶体，待后续加工。扬州晶格半导体-提供超大尺寸柱状多晶硅、单晶硅材料，并可定制加工各类硅部件、硅锭、硅棒、硅环、硅管、硅靶材。17826693981实际生产中，比较关注晶体旋转、坩埚旋转、拉速、固液界面等工艺参数的影响。晶体与坩埚的转速方向一般相反，转速差形成固液界面下方的一个稳定区域，区域内的流动较恒定且均匀，是晶体生长的有利条件。并且晶体与坩埚的反向旋转运动造成熔体内的强制对流，产生环流的力由晶体产生离心力和坩埚产生向心力构成，并且由熔体表面张力梯度驱动。生长大尺寸晶体所需的熔体体积和质量很大，其熔体内部的对流强度和体积也更大，因此在大尺寸生产中会遇到熔体中温度波动过高以及晶体局部回熔的现象，这也使得杂质在晶体中的均匀性更差。晶体的生长速率很大程度决定生产率的高低，但是生长速度并不是可以无限提高的，晶体中的纵向温度梯度、晶体的热导率、晶体密度等决定了晶体生长最大速度。实际生产中常用提高生长界面纵向温度梯度的方法来提高长晶速度，但温度梯度过大会造成较大的热应力，这会导致位错等缺陷的形成，甚至导致晶体破裂。为了保证缺陷数量不至于影响晶体质量，实际生产中所采用的长晶速度一般低于允许的最大值。固液界面形状的改变总是影响着晶体生长过程的稳定性、质量的均匀性。固液界面的形状也总是与熔体等温面的形状吻合。从引晶到放肩再到等径生长的阶段，固液界面面向熔体的方向总是先凸出再变平缓再凹下去。它的形状可以依靠改变拉晶速度，晶体转动和坩埚转动速度等工艺参数来改变，通过调整这些工艺参数来调整固液界面，使晶体生长更稳定。在晶体生长过程中，装料、引晶、缩颈、收尾等工艺过程中不但耗费大量的时间而且也缩短了坩埚的使用寿命。为了提高生产率，减少石英坩埚的消耗（在晶体生产成本中占相当比例），发展了连续直拉生长技术（CCZ）。连续加料直拉生长技术可以在晶体生长的同时不断地加入多晶硅原料，实现边加料边生长单晶。除了具有可以拉制较长的单晶，提高产量的优点外，还可保持整个生长过程中熔体的体积恒定，提供稳定的晶体生长条件，通过计算可以控制熔体的掺杂杂质的浓度，可得到电阻率纵向分布更为均匀的单晶。连续加料直拉生长技术有两种加料法：连续固体送料和连续液体送料法。连续直拉法技术克服了传统直拉法各坩埚晶体长度短、电阻率和间隙氧轴向变化大的缺点。采取连续生长技术虽然会增加初投资的成本，但仍可以大幅度降低生产成本而具有前景。在直拉法中普遍使用静态磁场，静态磁场分为横向、纵向以及勾形磁场三种形式。由于半导体熔体具有良好的导电性，在直拉法单晶硅生长中加入静态磁场，带电的粒子在流动方向不平行于磁场方向时，将会受到洛伦兹力。在直拉法中加入磁场可以限制由于垂直和水平温差引起的自然对流消除温度振荡带来的不利影响、可以降低熔体的流速使固液界面变得平坦和减少坩埚中的杂质进入熔体、减缓杂质的径向分凝效应获得杂质分布更均匀的单晶等。在直拉法中加入磁场的优势在于：可以拉制高电阻率的晶体并且少子寿命也更高；可以提高晶体生长速度从而提高生产效率，与没加磁场的相比平均拉速可以提升至 10-20%；在磁场中生长单晶硅可以使缺陷减少、杂质分布更均匀，晶体质量的提高使得太阳能电池的转换效率变高和使用寿命变长。采用磁场设备来生产单晶，可以改善晶体质量和提高晶硅器件的成品率，扩大了单晶硅的应用前景。但是磁场设备昂贵，用电量大，使用成本高，所以磁场还没有广泛地应用在光伏级单晶硅中。合理地利用磁场技术以及降低磁场的设备以及运营成本将是磁场直拉法研究方向。
