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>> 直拉单晶制造法(提拉法)及工艺过程

直拉单晶制造法(Czochralski,简称CZ法)又称提拉法、切克劳斯基法,它是切克劳斯基(Czochralski)在1918年建立起来的一种晶体生长方法。

 直拉单晶制造法(提拉法)及工艺过程(图1)

提拉法生长单晶示意图

直拉单晶制造法是将原料放在铂、铱或石英坩埚中,在单晶炉中加热熔化,在适当的温度下,将籽晶浸入液面,让熔体先在籽晶的末端生长,然后边旋转边慢慢向上提拉籽晶,晶体即从籽晶末端开始逐渐长大。

按晶体走向和提拉方法的不同,可分为:

  • 自动提拉法——生产YAG 等氧化物单晶

  • 液封提拉法(LEC)——生产 GaAs 单晶

  • 导模提拉法——生产宝石、LINBO3 单晶

  • 磁场提拉法——生产硅单晶

  • 微重力法

  • 双坩埚法

直拉法的优缺点

优点

  • 在生产过程中可以方便的观察晶体的生长状态

  • 熔体表面生长单晶,不与坩埚接触,能显著减少晶体的应力,并防止埚壁的寄生成核

  • 较快的生长速度和较短的生长周期

  • 生长过程易控制,速度快,易于得到大尺寸和高质量的单晶

  • 可以方便的使用定向籽晶和“缩颈”工艺。缩颈后面的籽晶,其位错可大大减少,这样可使放大后生长出来的晶体,其位错密度降低

缺点

  • 高温下,石英容器会污染熔体,造成晶体的纯度降低。

  • 直拉法得到的单晶中杂质大体上沿纵向变化,对分凝系数小于1的杂质,在晶体中浓度不断增加,因而也就使电阻率沿整根晶棒变化,以致不能生产出电阻率均匀的单晶体。

直拉单晶制造法工艺过程

直拉单晶制造法(提拉法)及工艺过程(图2)
直拉单晶制造法工艺流程示意图

籽晶熔接:加大加热功率,使多晶硅完全熔化,并挥发一定时间后,将籽晶下降与液面接近,使籽晶预热几分钟,俗称“烤晶”,以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。

引晶:当温度稳定时,可将籽晶与熔体接触。此时要控制好温度,当籽晶与熔体液面接触,浸润良好时,可开始缓慢提拉,随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶,这一步骤叫“引晶”,又称“下种”。

缩颈:是指在引晶后略为降低温度,提高拉速,拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20 mm。

放肩:缩颈工艺完成后,略降低温度,让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。在放肩时可判别晶体是否是单晶,否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特征一棱的出现可帮助我们判别,<111>方向应有对称三条棱,<100>方向有对称的四条棱。

等径生长:当晶体直径到达所需尺寸后,提高拉速,使晶体直径不再增大,称为收肩。收肩后保持晶体直径不变,就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。

收尾:随着晶体生长结束,采用稍升温,降拉速,使晶体直径逐渐变小,此过程称为收尾。

退火处理:消除晶体内部的热应力。

生长要点

(1)温度控制:在晶体提拉法生长过程中,熔体的温度控制是关键。要求熔体中温度的分布在固液界面处保持熔点温度,保证籽晶周围的熔体有一定的过冷度,熔体的其余部分保持过热。这样,才可保证熔体中不产生其它晶核,在界面上原子或分子按籽晶的结构排列成单晶。为了保持一定的过冷度,生长界面必须不断地向远离凝固点等温面的低温方向移动,晶体才能不断长大。另外,熔体的温度通常远远高于室温,为使熔体保持其适当的温度,还必须由加热器不断供应热量。

(2)提拉速率:提拉的速率决定晶体生长速度和质量。适当的转速,可对熔体产生良好的搅拌,达到减少径向温度梯度,阻止组分过冷的目的。一般提拉速率为每小时6-15mm。在晶体提拉法生长过程中,常采用“缩颈”技术以减少晶体的位错,即在保证籽晶和熔体充分沾润后,旋转并提拉籽晶,这时界面上原子或分子开始按籽晶的结构排列,然后暂停提拉,当籽晶直径扩大至一定宽度(扩肩)后,再旋转提拉出等径生长的棒状晶体。这种扩肩前的旋转提拉使籽晶直径缩小,故称为“缩颈”技术。