晶体硅单晶工艺学..docVIP

直拉硅单晶工艺学 前 言 绪论 硅单晶是一种半导体材料。直拉单晶硅工艺学是研究用直拉方法获得硅单晶 的一门科学，它研究的主要内容：硅单晶生长的一般原理，直拉硅单晶生长工艺 过程，改善直拉硅单晶性能的工艺方法。 直拉单晶硅工艺学象其他科学一样，随着社会的需要和生产的发展逐渐发展 起来。十九世纪，人们发现某些矿物，如硫化锌、氧化铜具有单向导电性能，并 用它做成整流器件，显示出独特的优点，使半导体材料得到初步应用。后来，人 们经过深入研究，制造出多种半导体材料。1918 年，切克劳斯基（J·Czochralski） 发表了用直拉法从熔体中生长单晶的论文，为用直拉法生长半导体材料奠定了理 论基础，从此，直拉法飞速发展，成为从熔体中获得单晶一种常用的重要方法。 目前一些重要的半导体材料，如硅单晶，锗单晶，红宝石等大部分是用直拉法生 长的。直拉锗单晶首先登上大规模工业生产的舞台，它工艺简单，生产效率高， 成本低，发展迅速；但是，锗单晶有不可克服的缺点：热稳定性差，电学性能较 低，原料来源少，应用和生产都受到一定限制。六十年代，人们发展了半导体材 料硅单晶，它一登上半导体材料舞台，就显示了独特优点：硬度大，电学热稳定 性好，能在较高和较低温度下稳定工作，原料来源丰富。地球上 25.8%是硅，是 地球上锗的四万倍，真是取之不尽，用之不竭。因此，硅单晶制备工艺发展非常 迅速，产量成倍增加，1964 年所有资本主义国家生产的单晶硅为 50-60 吨，70 年为 300-350 吨，76 年就达到 1200 吨。其中 60%以上是用直拉法生产的。 单晶硅的生长方法也不断发展，在直拉法的基础上，1925 年又发明了坩埚 移动法。1952 年和 1953 年又相继发明了水平区熔和悬浮区熔法，紧接着基座相 继问世。总之，硅单晶生长技术以全新姿态登上半导体材料生产的历史舞台。 随着单晶硅生长技术的发展，单晶硅生长设备也相应发展起来，以直拉单晶 硅为例，最初的直拉炉只能装百十克多晶硅，石英坩埚直径为 40 毫米到 60 毫米， 拉制单晶长度只有几厘米，十几厘米，现在直拉单晶炉装多晶硅达 40 公斤，石 英坩埚直径达 350 毫米，单晶直径可达 150 毫米，单晶长度近 2 米，单晶炉籽晶 轴由硬构件发展成软构件，由手工操作发展成自动操作，并进一步发展成计算机 操作，单晶炉几乎每三年更新一次。 大规模和超大规模集成电路的发展，给电子工业带来一场新的革命，也给半 导体材料单晶硅带来新的课题。大规模和超大规模集成电路在部分用直拉单晶硅 制造，制造集成电路的硅片上，各种电路密度大集成度高，要求单晶硅有良好的 均匀性和高度的完美性。以 4k 位集成电路为例，在 4×4 毫米或 4×6 毫米的硅 片上，做四万多个元件，还要制出各元件之间的连线，经过几十道工序，很多次 热处理。元件的高密度，复杂的制备工艺，要保证每个元件性能稳定，除制作集 成电路工艺成熟外，对硅单晶材料质量要求很高：硅单晶要有合适的电阻率和良 好的电阻率均匀性，完美的晶体结构，良好的电学性能。因此，硅单晶生长技术 要更成熟、更精细、更完善，才能满足集成电路的要求。直拉单晶硅工艺理论应 不断地向前发展。 目前世界已跨入电子时代感。可以这样说，四十年代是电子管时代，五十年 代是晶体管时代，六十年代是集成电路时代，七十年代是大规模集成电路时代， 八十年代是超大规模集成电路时代。大规模和超大规模集成电路已成功的应用于 国民经济各部门，日益显示出它无比的优越性。人造卫星的上天，火箭的飞行， 潜艇的远航，雷达的运转，自动化生产线的运行，哪一样都离不开大规模和超大 规模集成电路。至于计算机，我们可以这样说，它的核心部分是由大规模和超大 规模集成电路组合起来的。现代生产工艺、科研、军事、宇宙航行、家庭生活等 几乎没有一样不和大规模集成电路有关。因此，掌握大规模集成电路基础材料直 拉单晶硅的生产技术和工艺理论是非常重要的。通过本课程学习，要求掌握：一、 直拉单晶硅生长的基本理论；二、直拉单晶炉结构和直拉单晶硅生产的基本流程； 三、在生产中控制直拉单晶硅的几个基本参数一些基本方法；四、本课程是工艺 理论，必须经常和生产实践相结合，为直接生产单晶硅打下基础。§ 1 晶体与非晶体 自然界的物质，可分为晶体与非晶体两大类。如硅、锗、铜、铅等是晶体， 玻璃、塑料、松香等则是非晶体。从宏观性质看，晶