1、直拉硅單晶工藝學(xué)刖言緒論硅單晶是一種半導(dǎo)體材料。直拉單晶硅工藝學(xué)是研究用直拉方法獲得硅單晶的一門科學(xué)，它研究的主要內(nèi)容：硅單晶生長的一般原理，直拉硅單晶生長工 藝過程，改進(jìn)直拉硅單晶性能的工藝方法。直拉單晶硅工藝學(xué)象其它科學(xué)一樣，隨著社會的需要和生產(chǎn)的發(fā)展逐漸發(fā) 展起來。十九世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)某些礦物，如硫化鋅、氧化銅具有單向?qū)щ娦阅?，?用它做成整流器件，顯示出獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使半導(dǎo)體材料得到初步應(yīng)用。后來，人 們經(jīng)過深入研究，制造出多種半導(dǎo)體材料。1918年，切克勞斯基(JCzochralski)發(fā)表了用直拉法從熔體中生長單晶的論文，為用直拉法生長半導(dǎo)體材料奠定了 理論基礎(chǔ)，從此，直拉法飛速發(fā)展，

2、成為從熔體中獲得單晶一種常見的重要方法。當(dāng)前一些重要的半導(dǎo)體材料，如硅單晶，錯單晶，紅寶石等大部分是用直拉法 生長的。直拉錯單晶首先登上大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的舞臺，它工藝簡單，生產(chǎn)效率高，成本低，發(fā)展迅速；可是，錯單晶有不可克服的缺點(diǎn)：熱穩(wěn)定性差，電學(xué)性能 較低，原料來源少，應(yīng)用和生產(chǎn)都受到一定限制。六十年代，人們發(fā)展了半導(dǎo)體材料硅單晶，它一登上半導(dǎo)體材料舞臺，就顯示了獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：硬度大，電學(xué)熱穩(wěn) 定性好，能在較高和較低溫度下穩(wěn)定工作，原料來源豐富。地球上25.8%是硅，是 地球上錯的四萬倍，真是取之不盡，用之不竭。因此，硅單晶制備工藝發(fā)展非常 迅速，產(chǎn)量成倍增加，1964年所有資本主義國家生產(chǎn)的單晶

3、硅為50-60噸， 70年為300-350噸，76年就達(dá)到1200噸。其中60%以上是用直拉法生產(chǎn)的。單晶硅的生長方法也不斷發(fā)展，在直拉法的基礎(chǔ)上，1925年又創(chuàng)造了坩 蝸移動法。1952年和1953年又相繼創(chuàng)造了水平區(qū)熔和懸浮區(qū)熔法，緊接著基座 相繼問世?？傊?，硅單晶生長技術(shù)以全新姿態(tài)登上半導(dǎo)體材料生產(chǎn)的歷史舞臺。隨著單晶硅生長技術(shù)的發(fā)展，單晶硅生長設(shè)備也相應(yīng)發(fā)展起來，以直拉單 晶硅為例，最初的直拉爐只能裝百十克多晶硅，石英坩蝸直徑為40毫米到60 毫米， 拉制單晶長度只有幾厘米，十幾厘米，現(xiàn)在直拉單晶爐裝多晶硅達(dá)40公斤, 石英坩蝸直徑達(dá)350毫米，單晶直徑可達(dá)150毫米，單晶長度近2米，

4、單晶爐籽晶牛田由硬構(gòu)件發(fā)展成軟構(gòu)件，由手工操作發(fā)展成自動操作，開進(jìn)一步發(fā)展成計算機(jī) 操作，單晶爐幾乎每三年您學(xué)新參考次如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，給電子工業(yè)帶來一場新的革命，也給半 導(dǎo)體材料單晶硅帶來新的課題。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路在部分用直拉單晶硅 制造，制造集成電路的硅片上，各種電路密度大集成度高，要求單晶硅有良好的 均勻性和高度的完美性。以4k位集成電路為例，在4X4毫米或4X6毫米的 硅片上，做四萬多個元件，還要制出各元件之間的連線，經(jīng)過幾十道工序，很多次 熱處理。元件的高密度，復(fù)雜的制備工藝，要保證每個元件性能穩(wěn)定，除制作集 成電路工藝成熟

5、外，對硅單晶材料質(zhì)量要求很高：硅單晶要有合適的電阻率和良 好的電阻率均勻性，完美的晶體結(jié)構(gòu)，良好的電學(xué)性能。因此，硅單晶生長技術(shù) 要更成熟、更精細(xì)、更完善，才能滿足集成電路的要求。直拉單晶硅工藝?yán)碚?應(yīng)不斷地向前發(fā)展。當(dāng)前世界已跨入電子時代感。能夠這樣說，四十年代是電子管時代，五十年 代是晶體管時代，六十年代是集成電路時代，七十年代是大規(guī)模集成電路時代， 八十年代是超大規(guī)模集成電路時代。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路已成功的應(yīng)用于 國民經(jīng)濟(jì)各部門，日益顯示出它無比的優(yōu)越性。人造衛(wèi)星的上天，火箭的飛行， 潛艇的遠(yuǎn)航，雷達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)，自動化生產(chǎn)線的運(yùn)行，哪一樣都離不開大規(guī)模和超大 規(guī)模集成電路。至于計算機(jī)，

6、我們能夠這樣說，它的核心部分是由大規(guī)模和超大 規(guī)模集成電路組合起來的。現(xiàn)代生產(chǎn)工藝、科研、軍事、宇宙航行、家庭生 活等幾乎沒有一樣不和大規(guī)模集成電路有關(guān)。因此，掌握大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)材料直理論，必須經(jīng)常和生產(chǎn)實踐相結(jié)合，為直接生產(chǎn)單晶硅打下基礎(chǔ)。 1晶體與非晶體自然界的物質(zhì)，可分為晶體與非晶體兩大類。如硅、錯、銅、鉛等是晶玻璃、塑料、松香等則是非晶體。從宏觀性質(zhì)看，晶體與非晶體主要有三個方 面的區(qū)別。1、晶體有規(guī)則的外型。人類最早認(rèn)識的晶體是一些天然礦物，如巖鹽、水 晶、明磯等，這些晶體都有規(guī)則的外形，如巖鹽是立方體，不過晶體的外形常常受生長條件限制，外型 各有差異例如，在含尿素溶液中生長的食

7、鹽為八面體，在含硼酸的溶液中生長的 食鹽則為立方體兼八面體，如圖：人工生長的晶體，生長條件不同，晶體外型在生長后還能顯露出來。用直拉法沿111方向生長的硅、錯單晶，有三條對稱的棱線，沿100方向生長的硅、 錯單晶，則有四條對稱分布的棱線。非晶體則沒有規(guī)則的外形，如玻璃、松香、塑料等外表沒有一定規(guī)則。2、晶體具有一定的熔點(diǎn)：將晶體和非晶體逐漸加熱，每隔一定時間測量一下它們的溫度，一直到它 們?nèi)咳刍虺蔀槿垠w，作出溫度和時間關(guān)系的曲線一熔化曲線。從熔化曲線中我們能夠看到：晶體熔化時有一溫度平臺bc,熔化時溫度 保持不變，此溫度就是晶體的熔點(diǎn)。在熔點(diǎn)溫度，一部分晶體熔化成液體，一部分仍保持固體狀態(tài)

8、，隨著時間增加直到全部熔化成液體。非晶體沒有溫度平臺，隨著時間的推移溫度不斷升高，bc段很難說是固 態(tài)還是液態(tài)，而是一種軟化狀態(tài)，不具有流動性，溫度繼續(xù)高就成為液體。晶體具有確定的熔點(diǎn)，非晶體沒有確定的熔點(diǎn)，這是晶體和非晶體之間最 明顯的區(qū)別。熔點(diǎn)是晶體從固態(tài)轉(zhuǎn)變到液態(tài)（熔化）的溫度，也是從液態(tài)轉(zhuǎn)變到固態(tài)（凝固）的溫度。3、晶體各向異性晶體的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)隨著晶面方向不同而不同，稱為晶體各向異性。我們做一個實驗，在薄的云母片和玻璃片上分別涂上石臘，分別用一個加熱的 金屬針尖壓在云母片和玻璃片上，就會發(fā)現(xiàn)，觸點(diǎn)周圍的石臘逐漸熔化；玻璃片 上的形狀是圓形，云母片上卻是橢圓形的。1111這說明玻璃的導(dǎo)熱性與方向無關(guān)，云母片的導(dǎo)熱性與方向有關(guān)。晶體在不同的方向上力學(xué)性質(zhì)，電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)是不同的，抗腐蝕、抗氧化的性質(zhì)隨著晶體方向不同也不同。非晶體則不然，它們在各個方向上性質(zhì)相 同。晶體因此具有非晶體不同的性質(zhì)，主要是晶體內(nèi)部質(zhì)（原子或分子）按一定 規(guī)律周期性的排列構(gòu)成空間點(diǎn)陣，不同的排列規(guī)律，呈現(xiàn)不同的外形，不同的 晶面，它們各晶面的性質(zhì)也不相同。2晶體空間點(diǎn)陣和晶胞晶體和非晶