關于硅晶圓所需了解的知識（一）：硅棒的制備流程

一、制備所需的材料

1）高純硅原料：

在制備硅棒之前，首先要準備硅的原料，一般采用多晶硅，按純度分類可以分為冶金級多晶硅(工業(yè)硅)、太陽能級多晶硅和電子級多晶硅。

(1)冶金級多晶硅(MG)：是硅的氧化物在電弧爐中被碳還原而成。一般含硅為 90%-95%，有的可高達 99.8%。

(2)太陽能級多晶硅(SG)：一般認為含硅在99.99%-99.9999% (4-6個9)之間。

(3)電子級多晶硅(EG)：一般要求含硅在99.9999%以上，超高純達99.9999999%-99.999999999%(9-11個9)。

少數(shù)的工業(yè)硅必須經過特殊的提純工藝才能進一步作為半導體材料使用。多晶硅的常用的制備方法有兩種，一是普遍使用的三氯氫硅還原法制備高純硅，又稱西門子法。首先通過硅和干燥的氯化氫反應生成三氯氫硅，然后再將三氯氫硅提純后，最后與氫氣反應進行還原（1080-1100℃），生長于硅棒上。

另外一種是硅烷熱分解法，硅烷熱分解法制備高純度硅，是硅多晶的重要生產方法之一，也是近年來國內研究較多的一種有很大發(fā)展前景的方法。將提純后的硅烷氣體導入硅烷分解爐，在850-900℃的發(fā)熱硅芯上，硅分解并沉積出高純多晶硅，其反應式為:

2）直拉單晶爐

常用的制備單晶硅的方法主要有直拉法和懸浮區(qū)熔法兩種。直拉法是熔體生長單晶的最常用的一種方法，設備結構如圖1，材料裝在坩堝內(石英或石墨坩堝)，加熱到材料的熔點以上，坩上方有一根可以旋轉和升降的提拉桿，桿的下端有一夾頭，夾頭上裝有一根籽品。降低拉桿，使籽晶與熔體接觸，只要熔體溫度適中，籽晶既不熔掉，也不長大。然后緩慢向上提拉同時轉動晶桿，緩慢降低加熱功率，籽晶就逐漸長粗長大。整個生長裝置放在一個密封罩里，以便使生長環(huán)境中有所需要的氣體和壓強，這樣就能得到所需直徑的單晶棒了。

圖1

3）籽晶

籽晶是單晶硅的種子,目前用得最多的是[111]晶向和[100]晶間的籽晶,偶爾還會用到[110]晶向的籽晶。籽晶（圖2左）在使用前需要進行腐蝕、清洗和烘干。通常在籽晶的方頭端面做好標識，用來識別籽晶的型號和晶向（圖2右）。

4）摻雜劑

拉制低電阻率單晶(小于0.01Ω·cm)時一般選用純元素作為摻雜劑，如重摻雜銻單晶應選用高純銻作摻雜劑，重摻雜硼單晶，應選用高純硼作摻雜劑。

拉制高電阻率單晶(大于0.1Ω·cm)時，一般選用合金作為摻雜劑，如磷硅合金、硼硅合金等

二、制備流程

1）裝爐和熔硅

將處理好的籽晶裝入籽晶夾頭，將多晶硅原料加入到坩堝中，開啟加熱功率按鈕，加熱升到熔硅的最高溫度(約1500℃)。

2）引晶

多晶硅全部熔完后，籽晶下降到距離熔硅 3-5mm 處烘烤兩三分鐘，使籽晶溫度接近熔硅溫度，籽晶再下降與熔硅接觸，通常稱此過程為“下種”。然后接觸后通過控制溫度和其他參數(shù)，使籽晶與熔融硅材料接觸，使硅晶體沿著籽晶的晶格結構生長。

3）縮頸

引晶熔接好以后，稍降溫就可以開始縮頸了?？s頸又稱收頸，如圖3(b)所示，是指在引晶后略降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶還細的部分，故稱縮頸。縮頸是為了排除引出單晶中的位錯?？s頸時要求新結晶的單晶硅直徑比籽晶的直徑小，細頸均勻、修長，無糖葫蘆狀，直徑為3mm，其長度約為此時晶體直徑的10倍左右，對稱且連續(xù)。

4）放肩和轉肩

細頸達到規(guī)定長度后，如果晶棱不斷，立刻降溫，降拉速，使細頸逐漸長大到規(guī)定的直徑，此過程稱為放肩，如圖3.14(c)所示。通過溫度和拉速來控制硅棒直徑的大小。

5）等徑生長

硅單晶等徑生長如圖 3 (d)所示。隨著單晶長度的不斷增加，單晶的散熱表面積就越大，散熱速度也越快，單晶生長表面的熔硅溫度降低，單晶直徑增加。另一方面，單晶長度不斷增加，熔硅則逐漸減少，坩堝內熔硅的液面逐漸下降，熔硅液面越來越接近加熱器的高溫區(qū)，單晶生長界面的溫度越來越高，使單晶變細，要想保持單晶等徑生長，加熱功率的增加或減少，要看這兩個過程的綜合效果。一般來說，單晶等徑生長過程是緩慢降溫過程，在單晶等徑生長過程中，為了減少降溫幅度或不降溫，逐步降低拉速，連續(xù)升高坩堝，可達到目的。

5）收尾

到尾部，在剩料不多的情況下就要進行收尾工作了，如圖3 (e)所示。收尾是為了減少位錯缺陷，如果無收尾過程，直接將晶體提高離開液面，則提斷處會產生大量位錯。

6）停爐

單晶提起后，馬上停止坩堝轉動和籽晶軸轉動，加熱功率降到零位。停掉加熱電流，關閉低真空閥門、排氣閥門和進氣閥門，停止真空泵運轉，關閉所有控制開關。晶體冷卻1-2h后，拆爐取出晶體，送檢驗部門檢驗。

圖3

通過以上方法，最終制備出高純度、電子級的硅棒。