直拉法:直拉法即切克老斯基法(Czochralski: Cz), 直拉法是半导体单晶生长用的最多的一种晶体生长技术。
直拉法单晶硅工艺过程-引晶:通过电阻加热,将装在石英坩埚中的多晶硅熔化,并保持略高于硅熔点的温度,将籽晶浸入熔体,然后以一定速度向上提拉籽晶并同时旋转引出晶体;-缩颈:生长一定长度的缩小的细长颈的晶体,以防止籽晶中的位错延伸到晶体中;-放肩:将晶体控制到所需直径;-等径生长:根据熔体和单晶炉情况,控制晶体等径生长到所需长度;-收尾:直径逐渐缩小,离开熔体;-降温:降底温度,取出晶体,待后续加工直拉法-几个基本问题最大生长速度晶体生长最大速度与晶体中的纵向温度梯度、晶体的热导率、晶体密度等有关。
提高晶体中的温度梯度,可以提高晶体生长速度;但温度梯度太大,将在晶体中产生较大的热应力,会导致位错等晶体缺陷的形成,甚至会使晶体产生裂纹。
为了降低位错密度,晶体实际生长速度往往低于最大生长速度。
熔体中的对流相互相反旋转的晶体(顺时针)和坩埚所产生的强制对流是由离心力和向心力、最终由熔体表面张力梯度所驱动的。
所生长的晶体的直径越大(坩锅越大),对流就越强烈,会造成熔体中温度波动和晶体局部回熔,从而导致晶体中的杂质分布不均匀等。
实际生产中,晶体的转动速度一般比坩锅快1-3倍,晶体和坩锅彼此的相互反向运动导致熔体中心区与外围区发生相对运动,有利于在固液界面下方形成一个相对稳定的区域,有利于晶体稳定生长。
生长界面形状(固液界面)固液界面形状对单晶均匀性、完整性有重要影响,正常情况下,固液界面的宏观形状应该与热场所确定的熔体等温面相吻合。
在引晶、放肩阶段,固液界面凸向熔体,单晶等径生长后,界面先变平后再凹向熔体。
通过调整拉晶速度,晶体转动和坩埚转动速度就可以调整固液界面形状。
生长过程中各阶段生长条件的差异直拉法的引晶阶段的熔体高度最高,裸露坩埚壁的高度最小,在晶体生长过程直到收尾阶段,裸露坩埚壁的高度不断增大,这样造成生长条件不断变化(熔体的对流、热传输、固液界面形状等),即整个晶锭从头到尾经历不同的热历史:头部受热时间最长,尾部最短,这样会造成晶体轴向、径向杂质分布不均匀。
直拉法-技术改进:一,磁控直拉技术1,在直拉法中,氧含量及其分布是非常重要而又难于控制的参数,主要是熔体中的热对流加剧了熔融硅与石英坩锅的作用,即坩锅中的O2, 、B、Al等杂质易于进入熔体和晶体。
热对流还会引起熔体中的温度波动,导致晶体中形成杂质条纹和旋涡缺陷。
2,半导体熔体都是良导体,对熔体施加磁场,熔体会受到与其运动方向相反的洛伦兹力作用,可以阻碍熔体中的对流,这相当于增大了熔体中的粘滞性。
在生产中通常采用水平磁场、垂直磁场等技术。
3,磁控直拉技术与直拉法相比所具有的优点在于:减少了熔体中的温度波度。
一般直拉法中固液界面附近熔体中的温度波动达10 C以上,而施加0.2 T 的磁场,其温度波动小于 1 ℃。
这样可明显提高晶体中杂质分布的均匀性,晶体的径向电阻分布均匀性也可以得到提高;降低了单晶中的缺陷密度;减少了杂质的进入,提高了晶体的纯度。
这是由于在磁场作用下,熔融硅与坩锅的作用减弱,使坩锅中的杂质较少进入熔体和晶体。
将磁场强度与晶体转动、坩锅转动等工艺参数结合起来,可有效控制晶体中氧浓度的变化;由于磁粘滞性,使扩散层厚度增大,可提高杂质纵向分布均匀性;有利于提高生产率。
采用磁控直拉技术,如用水平磁场,当生长速度为一般直拉法两倍时,仍可得到质量较高的晶体。
4,磁控直拉技术主要用于制造电荷耦合(CCD)器件和一些功率器件的硅单晶。
也可用于GaAs、GaSb 等化合物半导体单晶的生长。
连续生长技术为了提高生产率,节约石英坩埚(在晶体生产成本中占相当比例),发展了连续直拉生长技术,主要是重新装料和连续加料两中技术:1,重新加料直拉生长技术:可节约大量时间(生长完毕后的降温、开炉、装炉等),一个坩埚可用多次。
2,连续加料直拉生长技术:除了具有重新装料的优点外,还可保持整个生长过程中熔体的体积恒定,提高基本稳定的生长条件,因而可得到电阻率纵向分布均匀的单晶。
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。
液体覆盖直拉技术:是对直拉法的一个重大改进,用此法可以制备多种含有挥发性组元的化合物半导体单晶。
主要原理:用一种惰性液体(覆盖剂)覆盖被拉制材料的熔体,在晶体生长室内充入惰性气体,使其压力大于熔体的分解压力,以抑制熔体中挥发性组元的蒸发损失,这样就可按通常的直拉技术进行单晶生长。
对惰性液体(覆盖剂)的要求:- 密度小于所拉制的材料,既能浮在熔体表面之上;对熔体和坩埚在化学上必须是惰性的,也不能与熔体混合,但要能浸云晶体和坩埚;熔点要低于被拉制的材料且蒸气压很低;- 有较高的纯度,熔融状态下透明。
广泛使用的覆盖剂为B2O3: 密度1.8 g/cm3,软化温度450C,在1300 C时蒸气压仅为13 Pa,透明性好,粘滞性也好。
此种技术可用于生长GaAs、InP、GaP、GaSb和InAs等单晶。
悬浮区熔法:主要用于提纯和生长硅单晶;基本原理:依靠熔体的表面张力,使熔区悬浮于多晶硅棒与下方生长出的单晶之间,通过熔区向上移动而进行提纯和生长单晶。
不使用坩埚,单晶生长过程不会被坩埚材料污染,由于杂质分凝和蒸发效应,可以生长出高电阻率硅单晶。
测试方法:电阻率:用四探针法。
OISF密度:利用氧化诱生法在高温、高洁净的炉管中氧化,再经过腐蚀后观察其密度进行报数。
碳含量:利用红外分光光度计进行检测。
单晶硅抛光片品质规格:单晶硅抛光片的物理性能参数同硅单晶技术参数---------------------------|厚度(T)|200-1200um||----------|--------------||总厚度变化(TTV)|<10um||----------|--------------||弯曲度(BOW)|<35um||----------|--------------||翘曲度(WARP)|<35um|---------------------------单晶硅抛光片的表面质量:正面要求无划道、无蚀坑、无雾、无区域沾污、无崩边、无裂缝、无凹坑、无沟、无小丘、无刀痕等。
背面要求无区域沾污、无崩边、无裂缝、无刀痕。
(2)加工工艺知识多晶硅加工成单晶硅棒:多晶硅长晶法即长成单晶硅棒法有二种:CZ(Czochralski)法FZ(Float-ZoneTechnique)法目前超过98%的电子元件材料全部使用单晶硅。
其中用CZ法占了约85%,其他部份则是由浮融法FZ生长法。
CZ法生长出的单晶硅,用在生产低功率的集成电路元件。
而FZ法生长出的单晶硅则主要用在高功率的电子元件。
CZ法所以比FZ法更普遍被半导体工业采用,主要在于它的高氧含量提供了晶片强化的优点。
另外一个原因是CZ法比FZ法更容易生产出大尺寸的单晶硅棒。
目前国内主要采用CZ法CZ法主要设备:CZ生长炉CZ法生长炉的组成元件可分成四部分(1)炉体:包括石英坩埚,石墨坩埚,加热及绝热元件,炉壁(2)晶棒及坩埚拉升旋转机构:包括籽晶夹头,吊线及拉升旋转元件(3)气氛压力控制:包括气体流量控制,真空系统及压力控制阀(4)控制系统:包括侦测感应器及电脑控制系统加工工艺:加料—→熔化—→缩颈生长—→放肩生长—→等径生长—→尾部生长3.1原料的品质规格原料品质为免洗料,符合相关国内或国际行业技术标准规定及合同对产品质级的认定。
3.2成品的品质规格单晶硅棒品质规格:该单耗标准对原料适用于相关GB/T12962-1996国家标准及合同对单晶硅棒质级的认定。
单晶硅抛光片品质规格:该单耗标准适用于相关GB/T12964-1996国家标准及合同对单晶硅抛光片质级的认定。
3.3单、损耗标准3.3.1多晶硅——单晶硅棒-------------------------------------------------------------|序号|成品名称|成品单位|商品编号|成品规格|原料名称|原料单位|商品编号|单耗标准(kg)|损耗率(%)||--|----|----|--------|----|----|----|--------|------|------||1.|单晶硅棒|Kg|28046110|4英寸|多晶硅|Kg|28046190|1.83|45.3||--|----|----|--------|----|----|----|--------|------|------||2.|单晶硅棒|Kg|28046110|5英寸|多晶硅|Kg|28046190|1.78|43.8|-------------------------------------------------------------3.3.2单晶硅棒——单晶硅抛光片--------------------------------------------------------------|序号|成品名称|成品单位|商品编号|成品规格|原料名称|原料单位|商品编号|净耗标准(kg)|损耗率(%) ||--|-----|----|--------|-----|----|----|--------|------|-----|||IC级单晶|||4英寸|||||||1.||千片|38180011||单晶硅棒|Kg|28046110|10.224|57.4|||硅抛光片|||525um|||||||--|-----|----|--------|-----|----|----|--------|------|-----|||IC级单晶|||5英寸|||||||2.||千片|38180011||单晶硅棒|Kg|28046110|18.619|56.7|||硅抛光片|||625um||||||--------------------------------------------------------------注:1、可利用制成低档次硅产品的掺埚底料、头尾料,应按边角料征税。
2、用线切割机,损耗较小。
HDB/YD003-2000单晶硅棒、单晶硅片加工贸易单耗标准编制说明任务来源为加强加工贸易单耗管理,规范和完善海关和外经贸管理部门对单耗审批、备案、核销,落实国务院关于加强对加工贸易管理的政策措施,打击伪报单耗的不法行为,促进加工贸易的健康发展,根据加工贸易单耗标准制定工作联络小组工作计划,制定单晶硅棒、单晶硅片加工贸易单耗标准。
本标准由海关总署关税征管司委托上海海关负责起草制定。
由海关总署关税征管司、国家经贸委外经司和国家信息产业部组织相关工业协会及企业的工艺、技术专家和有关海关加工贸易保税专业技术人员进行审定。