有关单晶拉制工艺.doc

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1、杭州富通半导体设备科技有限公司一、晶体与非晶体l 晶体具有一定熔点温度 温度 d d b c (当固体全溶后温度继续升高) b c 0 a 时间 0 a 时间(晶体) （非晶体） 由图晶体在bc段熔化时温度不变，此时的温度就是晶体的熔点。 l 晶体各向异性晶体在不同方向上导热性质、力学性质、电学性质等各物理、化学性质不同，是因为晶体各晶面格点密度的不同。二、晶面和晶向l 晶面指数选取x，y，z平行于晶胞的三条棱标出一个晶面，标出晶面在x，y，z轴上的截距，然后取截距的倒数，若倒数为分数，则乘上它们的最小公倍数，便有h，k，l的形式，而（h，k，l）即为晶面指数。 z z z 1 1 1 1 x

2、 x x 1 1 y y y(111)面 （110）面 （100）面l 晶向通过坐标原点作一直线平行于晶面法线方向，根据晶胞棱长决定此直线点坐标，把坐标化成整数，用 括起来表示。注：对于硅单晶生长，100晶面族的法向生长速度最快，111族最慢。（拉速）三、晶体的熔化和凝固l 晶体熔化和凝固与时间关系对应曲线上出现“温度平台”是因为熔化过程中，晶体由固态向液态变化一过程需吸收一定的热量（熔化热），使晶体内原子有足够的能量冲破晶格束缚，破坏固态结构。反之，凝固时过程会释放一定的结晶潜热。四、结晶过程的宏观特性l 曲线表明凝固时必须有一定的过冷度T结晶才能进行。即结晶只能在过冷熔体中进行。l 所谓“

3、过冷度”，指实际结晶温度与其熔点的差值，T=液体实际凝固温度熔点温度。l 结晶潜热的释放和逸散是影响结晶过程的重要因素：a.结晶潜热的释放和逸散相等，结晶温度保持恒定，液体完全结晶后温度才下降。b.表示由于熔体冷却略快或其他原因结晶在较大的过冷度下进行，结晶较快，释放的结晶潜热大于热的逸散，温度逐渐回升，一直到二者相等，此后，结晶在恒温下进行，一直到结晶过程结束温度才开始下降。c.结晶在很大的过冷度下进行，结晶潜热的释放始终小于热的逸散，结晶在连续降温过程中进行。五、晶核的自发形成l 判断结晶能否自发形成就看固态自由能Z固和液态自由能Z液的变化关系。哪一物态自由能小，过程将趋于该物态。自由能越

4、小，相应物态越稳定。Z固Z液 结晶自动进行Z液0 dt/dx=0 dt/dx0 界面凸向熔体 界面凹向熔体 T 0 x 小结：合理的热场分布应使纵向温度梯度尽可能大，使单晶生长有足够动力；但 不能过大，以防生成新晶核变多晶。径向温度梯度尽量接近0或等于0， 保证结晶界面平坦。 内梯形 l 热场配置 外梯形 短平罩注：石墨坩埚的厚薄影响热场稳定性，厚度大热惯量大，热场对温度变化反应慢，热场较稳定；薄坩埚热惯量小，热场对温度变化反应快，热场易变化，但热场温度容易调整。拉晶过程中易晶变纵向温度梯度过小的可能性很大，而增大纵向温度梯度的方法是提高坩埚位置，也可适当降低保温罩高度或增大保温盖孔。a.石墨

5、件老化会引起纵向温度梯度的减小。b.气氛条件下拉晶可增大纵向温度梯度。l 热场调试 一般说来，掺杂量大、杂质浓度高的单晶，要求晶体纵向温度梯度较小而熔体纵向温度梯度较大；掺杂量小、杂质浓度低的单晶，要求大的纵向温度梯度；径向温度梯度一般取零或稍负，使生长界面平滑或微凹向熔体。l 晶向与热场 单晶生长时，面间距大的晶面，面间原子因距离大，吸引力小，形成 新晶核困难，因此所需的动力过冷度要大些，生长速度要慢些。 同时，由于这种晶面的原子面密度大，同一面上原子间距小，晶面横 向生长快，释放较多的结晶潜热，如此必须有足够大的纵向温度梯度。 （100）面间距最小 （111）面间距最大l 加热器设计 R1

6、 R2 R2 设计一加热器需确定如下参数： 1.加热器形状 2.加热器内径 3.加热器有效长度 4.加热器厚度 5.加热器外径 确定以上参数的依据是：单晶炉膛大小，电源最大输出功率，石英坩埚直径，石英坩埚高度等。 选材和确定加热器形状 一般用高纯石墨，高纯石墨电阻率=1.310-3。 确定石墨坩埚厚度 一般选26。 确定加热器内径内=石英坩埚外径+2倍石墨坩埚厚度+2倍石墨坩埚和加热器的间隙 （石墨坩埚和加热器的间隙一般取0.5）。 确定加热器有效长度H H=（1.61.8）石英坩埚的高度。 确实加热器分片数，算出片宽L 加热器一般可分为16片、20片、24片三种，若取20片，片与片间隙为0.

7、2cm,那么片宽L=内/200.2 确定加热器厚度 1/R=1/ R1+1/ R2 R1=2R R= Vmax/Imin R1=L/S=一联加热器片长/每片截面积 其中一联加热器片长=20H/2 每片截面积=片宽L片厚d 由以上条件可确定片厚d的值。确定加热器外径外=内+2d九、分凝知识l 一块有含有杂质的材料，经熔化后再慢慢凝固，则因体中各部分的杂质浓度并不相同，这就是分凝现象。 T T0 （X0，T0） T 液相线（L） 液（L） T1 T2 （L+S）固相线（S） 固（S） A Xs1 Xs2 XL1 XL2 B x% 纵轴表示温度，点XA=0表示系统只有纯物质A 模轴表示B物质的原子百

8、分数，点XB=100%表示系统只有纯物质B eg：温度T0时处于状态（X0，T0）是液态，当温度下降到T1时，开始凝固，这时凝出一部分固相，固相中物质B的成份是Xs1，液相中B的成份是XL1 ；当温度再下降到T2 ，又一部分固相凝结出来，这时新凝固出的固相中物质B的原子百分数为Xs2 ，液相中B的原子百分数为 XL2 。可见XS1和 XS2不等。T T L T L T S S K1时二元系相图 K1时二元系相图 K1属于熔点低杂质 K1属于熔点高杂质 K1的杂质易聚集在尾部 K1杂质易聚集在头部十、掺杂计算l 纯元素掺杂（电阻率为10-210-4）掺杂量大的一般使用，纯元素掺杂量的计算主要根据

9、单晶头、尾的电阻率，查得对应杂质浓度来确定。公式：M=（CS头/K0）（W/D）（A/N0）M：掺杂元素重量K0：所掺杂质在熔体的分凝系数 （P的分凝系数0.35，B的分凝系数0.80.9 )CS头：头部电阻率所对应的杂质浓度W：多晶硅重量 D：硅的比重 d=2.33克/厘米3A：掺杂元素原子量 PA=31N0：阿佛加德罗常数 6.0231023l 母合金掺杂公式：M=WCS头/( K0 Cm CS头)K0：所掺杂质在熔体的分凝系数 CS头：头部电阻率所对应的杂质浓度W：多晶硅重量 Cm：母合金杂质浓度M：掺杂的重量eg：1000g多晶，拉制N型、电阻率为1（头部）硅单晶，N型母合金电阻率为0

10、.003，应掺母合金多少克？从杂质浓度与电阻率关系图中查得，1电阻对应杂质浓度为5.21015/cm3；0.003电阻对应杂质浓度为31019/cm3。M=1000(5.21015)(0.35310195.21015)=0.5gl 经验计算公式：M11=M22M1 第一次掺母合金量1 第一次拉制单晶的电阻率M2 第二次掺母合金量2 第二次拉制单晶的电阻率 注： 除浓度与电阻率关系图查得外可用公式诸杂质浓度或电阻率 C=1/e其中 e=1.610-19 N型=1500 cm2/vs P型=500 厘米2/伏特秒l 考虑多晶本身含杂的情况eg:用P型多晶作原料 C1=1/e1 （可用公式或查图得到

11、多晶料中本身所含的P型杂质的浓度C1） C2= C(A/V)t (坩埚杂质对拉制单晶的影响)其中C=1013原子/厘米2小时V是多晶体积=多晶重量/硅比重A是熔硅与坩埚接触面积t是拉晶时间C3=1/e3 （所拉制单晶目标电阻率对应的杂质浓度）由上：拉N型单晶应掺N型杂质CN= C1+C2+C3 拉P型单晶应掺P型杂质CP= C3-C1-C2 公式：Wm= W0C0/ Cm Wm：掺入的母合金重量 W0：多晶硅重量 C0：熔料后熔体最初杂质浓度，即含杂质因素的代数和 Cm：母合金杂质浓度eg：P型多晶硅90克，电阻率为20，要拉制N型电阻率10的单晶，应掺多少母合金？（母合金为N型，磷杂质浓度为

12、1019/cm3，多晶熔化到拉完需1.2小时，熔硅与坩埚接触表面积为54 cm2） C1=1/ep=1/(201.610-19480)=6.51014个/厘米3（可查图得） C2= C(A/V)tV=90/2.5=36 算得C2=1013（ 54/36 ）1.2=1.81013个/厘米3 C3=1/nen=1/(101.610-191350)=4.631014个/厘米3 不考虑蒸发分凝作用，所拉N型单晶杂质浓度为：CNS= C1+C2+C3=1.1281015个/厘米3Wm= W0C0/ Cm=901.1281015/1019注：提高单晶生长速度可使单晶纵向电阻率均匀 加大上下轴转速可改善单晶径向电阻率均匀 等径P6，I1.2，D5.5 等径周期2s，微分系数0.9热场P5，I0.5，D0生长gain1.8，learn0.06500 400.5 20.8 0.80.92 0.10.9 50.92 20.990.50.00圆台r上底半径R下底半径h高Vh(R2Rrr2)/3球r半径d直径V4/3r3d2/6球缺h球缺高r球半径a球缺底半径Vh(3a2+h2)/6h2(3r-h)/3a2h(2r-h)球台r1和r2球台上、下底半径h高Vh3(r12r22)+h2/6圆环体R环体半径D环体直径r环体截面半径d环体截面直径V22Rr22Dd2/4硅液比重2.5