半导体材料与工艺之单晶半导体材料制备技术.ppt

完 shàn嬗 * * 4.放肩 晶颈生长完后，降低温度和拉速，使晶体直径渐渐增大到所需的大小，称为放肩。 放肩角度必须适当，角度太小，影响生产效率，而且因晶冠部分较长，晶体实收率低。 一般采用平放肩(150°左右)，但角度又不能太大，太大容易造成熔体过冷，严重时将产生位错和位错增殖，甚至变为多晶。 直拉生长工艺 5.等径生长 晶体放肩到接近所需直径(与所需直径差10mm左右)后，升温升拉速进行转肩生长。 转肩完后，调整拉速和温度，使晶体直径偏差维持在±2mm范围内等径生长。这部分就是产品部分，它的质量的好坏，决定着产品的品质。 热场的配置、拉晶的速率、晶体和坩埚的转速、气体的流量及方向等，对晶体的品质都有影响。这部分生长一般都在自动控制状态下进行，要维持无位错生长到底，就必须设定一个合理的控温曲线(实际上是功率控制曲线)。 直拉生长工艺 从晶体在炉内的外观可以判断晶体是否为无位错。100晶向生长的单晶，外观上可以见到4条等距对称的晶线，111晶向生长的单晶，外观上可以见到3条等距的晶线，一旦晶线出现异常，则无位错生长已被破坏。 在晶体生长状态下，固液界面处存在着温度径向和纵向梯度，即存在着热应力；晶体在结晶和冷却过程中，又会产生机械应力。当外界应力超过了晶体的弹性应力时，位错就会产生，以释放其外界应力。 当固液界面平坦时，热应力和机械应力都最小，有利于晶体的无位错生长。 直拉生长工艺 如当固液界面呈凹形时，晶体外围比中心先凝结，中心部位凝结时，因外围已凝结而使其体积的膨胀没有足够的空间扩张，造成晶体内机械应力过大而产生位错。 因此，晶体在生长过程中常在下半部发生无位错消失的情况，适当地降低拉速将有利于维持晶体的无位错生长。在自动控制状态下，设定一个合理的拉速控制曲线也是非常重要的。 特别是在接近尾部液面已降至坩埚底部的圆弧以下时，液体的热容量减小较快，必须注意提升功率和降低拉速，否则，无位错生长将被破坏。 直拉生长工艺 熔体的对流对固液界面的形状会造成直接的影响，而且还会影响杂质的分布。 总的说来，自然对流、晶体提升引起的对流不利于杂质的均匀分布； 晶体和坩埚的转动有利于杂质的均匀分布，但转速太快会产生紊流，既不利于无位错生长也不利于杂质的均匀分布。 直拉生长工艺 熔体对流 直拉生长工艺 自然对流：由于熔体周边的温度比轴心高，底部温度比上部高，在重力的作用下熔体形成对流. 对流的程度可由格拉斯霍夫(Grashof)常数(Gr)来判断。 a液体热膨胀系数； d坩埚内径或液体深度； △T熔体内最大温度偏差； Vk液体动力黏滞系数； g重力加速度。 由于Gr∝d3，坩埚内径d越大，液体越深，液面越大，自然对流程度越大，甚至会形成紊流，影响单晶的正常生长。 对硅而言，Gr=1.56×104ΔTd3，临界值为105。经估计，在目前热场条件下，其值可达108，所以必须依靠其他的对流来加以抑制，才能使晶体生长稳定。 直拉生长工艺 直拉生长工艺 晶体转动的影响：晶体转动一方面可以改善液体温度的轴对称性，另一方面又可抑制自然对流。 晶体转动会使紧临固液界面下的熔体往上流动，并借助离心力往外流动，这种流动与自然对流作用相反。由晶体转动引起的液体流动程度，可由瑞洛尔兹(Reynolds)常数Re来描述 式中r为晶体半径；ωs为晶体的转速。 在液面宽而深的情况下，晶体转动引起的流动，只能在固液界面下的小区域内起作用，其他区域仍主要受自然对流影响。 当液面变小深度变浅时，晶体转动的作用就越来越大，自然对流的影响就越来越小。 如果Re超过3×105，则晶体转动也会造成紊流。对φ8in的晶体而言，要达到3×105，晶转要在20r／min以上。 直拉生长工艺 直拉生长工艺 坩埚转动将使外侧的熔体往中心流动，其影响程度由泰乐(Taylor)常数(Ta)来判定。 式中ωc为坩埚转速；h为熔体深度。 埚转不仅可以改善熔体的热对称性，还可以使熔体的自然对流呈螺旋状．从而增加径向的温度梯度。 晶转和埚转交互作用下的四种可能的流动形式 直拉生长工艺 当晶转和埚转的方向相反时，引起熔体中心形成一圆柱状的滞怠区。在这个区域内，熔体以晶转和埚转的相对角速度做螺旋运动，在这个区域外，熔体随坩埚的转动而运动。 熔体的运动随晶转与埚转速度不同而呈现出复杂的状况，若晶转埚转配合不当，容易出现固液界面下杂质富集(贫乏)层的厚度不均匀，造成晶体内杂质分布的不均匀。 6.收尾 晶体等径生长完毕后，如果立刻将晶体与熔液分离，热应力将使晶体产生位错排和滑移线，并向晶体上部延伸，其延伸长度可达晶体直径的一倍以上。 为避免这种情况发生，必须将晶体的直径慢慢缩小，直到接近一尖点才与液面分离，这一过程称为收尾。收尾是提高