張怡

摘 要：在信息化時代的今天，信息工業(yè)的堅(jiān)強(qiáng)后盾就是高速發(fā)展的電子工業(yè)，而半導(dǎo)體硅材料又為電子工業(yè)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。電子工業(yè)的逐步提高對硅材料質(zhì)量和數(shù)量的要求，促使硅材料工業(yè)為滿足這種需求而快速發(fā)展。 20世紀(jì)中葉晶體管、集成電路（IC）、半導(dǎo)體激光器的問世，導(dǎo)致了電子技術(shù)、光電子技術(shù)的革命，產(chǎn)生了半導(dǎo)體微電子學(xué)和半導(dǎo)體光電子學(xué)，使得計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)等發(fā)生了根本改變，有力地推動了當(dāng)代信息（IT）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這些重大變革都是以半導(dǎo)體硅材料的技術(shù)突破為基礎(chǔ)。目前，單晶硅電池效率已達(dá)24.7%，多晶硅電池效率突破19.8%。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體硅材料；單晶硅生長和工藝；研究

一、直拉單晶硅生長工藝

晶體的生長。從溶液中生長晶體的歷史悠久，應(yīng)用也很廣泛。這種方法的基本原理是將原料（溶質(zhì)）溶解在溶劑中，采取適當(dāng)?shù)拇胧┰斐扇芤旱倪^飽和狀態(tài)，使晶體在其中生長。溶液法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）晶體可在遠(yuǎn)低于其熔點(diǎn)的溫度下生長；（2）降低粘度。有些晶體在熔化狀態(tài)時粘度很大，冷卻時不能形成晶體而成為玻璃體，溶液法采用低粘度的溶劑則可避免這一問題；（3）容易長成大塊的、均勻性良好的晶體，并且有較完整的外形；（4）在多數(shù)情況下，可直接觀察晶體生長過程，便于對晶體生長動力學(xué)的研究。

從溶液中生長晶體時，最重要的問題是溶解度，它是眾多的生長參數(shù)中最基本的數(shù)據(jù)。溶解度可以用在一定條件（溫度、壓力等）下飽和溶液的濃度來表示，與溶質(zhì)固相處于平衡狀態(tài)的溶液則稱為該溶質(zhì)的飽和溶液。但實(shí)際上，溶液所包含的溶質(zhì)的量比在同一條件下、飽和溶液中所含的溶質(zhì)的量要多，這樣的溶液稱為過飽和溶液。溶液都有不同程度的過飽和現(xiàn)象。對于某一特定的溶劑，人們測出它的溶解度與溫度之間的關(guān)系，并將它們的關(guān)系繪制成曲線，得到溶解度曲線，對于從溶液中培養(yǎng)晶體，溶解度曲線的測定是非常重要的。它是選擇生長方法和生長溫度的重要依據(jù)。溶解度溫度系數(shù)指在一定壓力下物質(zhì)在溶劑中溶解的變化量（W）與溫度變化量（T）之比，K=W/T。了解從溶液中結(jié)晶的規(guī)律之后，人們設(shè)計(jì)了各種從溶液中培養(yǎng)晶體的方法。

焰熔法是利用可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生高溫，粉狀原料隨氣體進(jìn)入生長爐，在下落過程中被火焰所熔融，熔物落在結(jié)晶桿上（可裝上籽晶）逐漸長成晶體。焰熔法是工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)紅寶石的主要方法，其工藝過程主要包括原料提純、粉料制備和晶體生長三個過程。

發(fā)生開裂，要避免大角度晶界的產(chǎn)生，應(yīng)創(chuàng)造良好的引晶條件和選用優(yōu)質(zhì)籽晶。用這種方法生長晶體，形狀由導(dǎo)模頂端形狀決定，因此，只要改變導(dǎo)模的形狀，就可以得到所需要的異形晶體，要生長出各種形狀的晶體，關(guān)鍵之一就是導(dǎo)模的設(shè)計(jì)。

垂直區(qū)熔法也稱懸浮區(qū)熔法。懸浮區(qū)熔法不需要坩堝，是一種無坩堝生長法。它的優(yōu)點(diǎn)是可以避免坩堝的影響，并起提純作用；它的缺點(diǎn)是位錯密度較高。

二、磁場對直拉單晶的質(zhì)量影響

磁場對直拉單晶的影響研究現(xiàn)狀。使用磁場拉制硅單晶的方法是在常規(guī)的CZ法工藝中附加一個穩(wěn)定的磁場，稱之為MCZ法。磁場用于抑制晶體生長中的流動以減少條紋的方法是在二十世紀(jì)六十年代提出的，然而這一發(fā)現(xiàn)卻未能引起人們的重視。七十年代末，人們發(fā)現(xiàn)磁場對硅單晶生長中氧濃度影響很大。

由于熔硅有大的電導(dǎo)率，磁場能控制熔體運(yùn)動，因此發(fā)展了一種加磁場的直拉法，即MCZ法。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）能做到雜質(zhì)的微觀控制，特別是實(shí)現(xiàn)氧的可控性；（2）降低了熔體的坩堝污染，提高了純度；（3）增加了邊界層厚度，因而增加了雜質(zhì)的有效分凝系數(shù)，改善雜質(zhì)分布的宏觀和微觀均勻性。因此MCZ法能生產(chǎn)大直徑的單晶硅，其氧含量低且可控。

Suzuki等最先提出了橫向磁場下的單晶硅生長。他們利用傳統(tǒng)加熱器，在400mT磁場下生長出無位錯單晶體，熔體中溫度振蕩從2℃降到小于0.2℃，氧的濃度有所降低。Hoshi[10]等研究較大坩堝中晶體生長，發(fā)現(xiàn)橫向磁場可以減少晶體中氧含量、且分布很均勻。Hoshi[10]和Suzuki[12]試驗(yàn)表明，當(dāng)橫向磁場為0.15T時就足以抑制住裝在直徑25cm坩堝中的熔體對流，而且磁場強(qiáng)度與堝轉(zhuǎn)、晶轉(zhuǎn)之間的平衡對雜質(zhì)的分配有明顯的影響。Thomas[6]等人研究認(rèn)為，在橫向磁場（TMCZ）中，磁場強(qiáng)度增加時，晶體中的氧濃度單調(diào)下降；氧含量與晶轉(zhuǎn)的關(guān)系不大，但它可由坩堝轉(zhuǎn)速來控制。在0.15T條件下，隨坩堝轉(zhuǎn)速增加，氧濃度從很低值到中等值范圍內(nèi)很快增加。在TMCZ中，由于和磁場線平行的徑向流是允許的，可防止出現(xiàn)較高的徑向溫度梯度。

三、結(jié)論與展望

結(jié)論。通過前人的探索和驗(yàn)證，得到的了一系列完整的單晶硅生長方法。從上邊的對比中可以得出：在現(xiàn)在的直拉單晶硅生長理論探索和工藝研究中，磁場直拉法（MCZ）的理論探索和工藝研究已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的走在了其他的生長方法前列。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐岳生.直拉硅單晶生長的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2004

[2] 張果虎，吳志強(qiáng)，方峰300～硅單晶的生長技術(shù)〔J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2001