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CZ生长原理及工艺步骤
New Roman "> CZ法基础原理，多晶体硅料经加热熔化，待温度适宜后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤，完成一根单晶锭拉制。炉内传热、传质、流体力学、化学反应等过程全部直接影响到单晶生长和生长成单晶质量，拉晶过程中可直接控制参数有温度场、籽晶晶向、坩埚和生长成单晶旋转和升降速率，炉内保护气体种类、流向、流速、压力等。
CZ法生长具体工艺过程包含装料和熔料、熔接、细颈、放肩、转肩、等径生长和收尾这么多个阶段。
    1．装料、熔料
    装料、熔料阶段是CZ生长过程第一个阶段，这一阶段看起来似乎很简单，不过这一阶段操作

正确是否往往关系到生长过程成败。大多数造成重大损失事故(如坩埚破裂)全部发生在或起源于这一·阶段。
  2．籽晶和熔硅熔接
  当硅料全部熔化后，调整加热功率以控制熔体温度。通常情况下，有两个传感器分别监测熔体表面和加热器保温罩石墨圆筒温度，在热场和拉晶工艺改变不大情况下，上一炉温度读数可作为参考来设定引晶温度。按工艺要求调整气体流量、压力、坩埚位置、晶转、埚转。硅料全部熔化后熔体必需有一定稳定时间达成熔体温度和熔体流动稳定。装料量越大，则所需时间越长。待熔体稳定后，降下籽晶至离液面3～5mm距离，使粒晶预热，以降低籽经和熔硅温度差，从而降低籽晶和熔硅接触时在籽晶中产生热应力。预热后，下降籽晶至熔体表面，让它们充足接触，这一过程称为熔接。在熔接过程中要注意观察所发生现象来判定熔硅表面温度是否适宜，在适宜温度下，熔接后在界面处会逐步产生由固液气三相交接处弯月面所造成光环(通常称为“光圈”)，并逐步由光环一部分变成完整圆形光环，温度过高会使籽晶熔断，温度过低，将不会出现弯月面光环，甚至长出多晶。熟练操作人员，能依据弯月面光环宽度及明亮程度来判定熔体温度是否适宜。
    3．引细颈
    即使籽晶全部是采取无位错硅单晶制备[16～19]，不过当籽晶插入熔体时，因为受到籽晶和熔硅温度差所造成热应力和表面张力作用会产生位错。所以，在熔接以后应用引细颈工艺，即Dash技术，能够使位错消失，建立起无位错生长状态。
    Dash无位错生长技术原理见7．2节。金刚石结构硅单晶中位错滑移面为{111}面。当以[l00]、[lll]和[ll0]晶向生长时，滑移面和生长轴最小夹角分别为36．16°、l9．28°和0°。位错沿滑移面延伸和产生滑移，所以位错要延伸、滑移至晶体表面而消失，以[100]晶向生长最轻易，以[111]晶向生长次之，以[ll0]晶向生长情形若只存在延伸效应则位错会贯穿整根晶体。细颈工艺通常采取高拉速将晶体直径缩小到大约3mm。在这种条件下，冷却过程中热应力很小，不会产生新位错。所以，细颈最小长度L和直径D关系可由下式表示：

式中，θ为滑移面和生长轴最小夹角。高拉速可形成过饱和点缺点。在这种条件下，即使[ll0]晶向生长位错也经过攀移传输到晶体表面。实践发觉，重掺锑晶体细颈粗而短就能够消除位错，可能是经过攀移机制实现。在籽晶能承受晶锭重量前提下，细颈应尽可能细长，通常直径之比应达成1：10。
    4．放肩
    引细颈阶段完成后必需将直径放大到目标直径，当细颈生长至足够长度，而且达成一定提拉速率，即可降低拉速进行放肩。现在拉晶工艺几乎全部采取平放肩工艺，即肩部夹角靠近180°，这种方法降低了晶锭头部原料损失。
    5．转肩
    晶体生长从直径放大阶段转到等径生长阶段时，需要进行转肩，当放肩直径靠近预定目标时，提升拉速，晶体逐步进入等径生长。为保持液面位置不变，转肩时或转肩后应开始开启埚升，通常以合适埚升并使之随晶升改变。放肩时，直径增大很快，几乎不出现弯月面光环，转肩过程中，弯月面光环逐步出现，宽度增大，亮度变大，拉晶操作人员应能依据弯月面光环宽度和亮度，正确地判定直径改变，并立即调整拉速，确保转肩平滑，晶体直径均匀并达成目标值。从原理上说也能够采取升高熔体温度来实现转肩，但升温会增强熔体中热对流，降低熔体稳定性，轻易出现位错(断苞)，所以，现在工艺全部采取提升拉速快转肩工艺。

  6．等径生长
  当晶体基础实现等径生长并达成目标直径时，就可实施直径自动控制。
在等径生长阶段，不仅要控制好晶体直径，更为关键是保持晶体无位错生长。晶体内总是存在着热应力，实践表明，晶体在生长过程中等温面不可能保持绝正确平面，而只要等温面不是平面就存在着径向温度梯度，形成热应力，晶体中轴向温度分布往往含有指数函数形式，所以也肯定会产生热应力。当这些热应力超出了硅临界应力时晶体中将产生位错。由轴向温度梯度引发位错密度ND能够用下式表示[41]：

式中，β是硅热胀系数(在500～850℃温度范围内约为
)，b是柏格斯矢量绝对

值，G是切变模量，σC是硅临界应力，r 是晶体半径。从式(4．28)可知，轴向温度梯度不引发位错条件是

径向温度梯度引发位错密度由下式表示

式中l是晶体长度。从式(4．30)可知，径向温度梯度不引发位错条件是

所以，必需控制径向温度梯度和轴向温度梯度不能过大，使热应力不超出硅临界应力，满足这么条件才能保持无位错生长。
    其次，多晶中夹杂难熔固体颗粒、炉尘(坩埚中熔体中SiO挥发后，在炉膛气氛中冷却，混结成颗粒)、坩埚起皮后脱落物等，当它们运动至生长界面处全部会引发位错产生(常常称为断苞)，其原因一是作为非均匀成核结晶核，一是成为位错源。调整热场结构和坩埚在热场中初始位置，能够改变晶体中温度梯度。调整保护气体流量、压力，调整气体流向，能够带走挥发物SiO和有害杂质CO气体，预防炉尘掉落，有利于无位错单晶生长，同时也有改变晶体中温度梯度作用。
    无位错状态判定因晶体晶向而异，通常可经过晶锭外侧面上生长条纹(通常称为苞丝)、小平面(通常称为扁棱和棱线)来判定。<111>生长时，在放肩阶段有六条棱线出现，三条主棱线、三条副棱线、等晶阶段晶锭上有苞丝和三个扁棱，因生长界面上小平面出现而使弯月面光环上有显著直线段部分。生长晶向对按时，三个小平面应大小相等，相互间成l20°夹角。但实际生长时往往因为生长方向偏离，造成小平面有大有小，有甚至消失。<100>方向生长时，有四条棱线，没有苞丝。无位错生长时，在整根晶体上四条棱线应连续，只要有一条棱线消失或出现不连续，说明出现了位错(断苞)。
    出现位错后处理视情况不一样处理方法也不一样，当晶锭长度不长时，应进行回熔，然后重新拉晶；当晶锭超出一定长度，而坩埚中还有不少熔料时，可将晶锭提起，冷却后取出，然后再拉出下一根晶锭；当坩埚中熔体所剩不多时，或将晶体提起，或继续拉下去，断苞部分作为回炉料。拉晶人员应调整拉晶工艺参数，尽可能避免出现位错。
    这里所提到“苞丝”实质上是旋转性表面条纹。在4．2．5节中我们已经讨论了在晶体转轴和温度场对称轴不一致条件下，晶体旋转所产生轴向(沿提拉方向)生长速率起伏和由此而产生旋转性杂质条纹。现在我们再来讨论在一样条件下，晶体径向(垂直于提拉方向)生长速率起伏所产生结果。

    在近似地认为固液界面上任意一点包含固液界面边缘上任意一点温度全部等于硅凝固点温度前提(也就是说认为界面过冷度等于零，即不考虑生长动力学效应影响)下，由图4．12能够看出，晶体旋转时晶体柱面和熔体液面交点(即固液界面边缘上一点)A点距轴O’一O’距离是改变着。晶体旋转一周，半径改变为2d，故晶体半径随时间改变可表示为

于是径向生长速率起伏为

假如径向温度梯度为G、晶体旋转一周温度改变为△T，则

代入(4．10)式，于是有

在晶体生长等径阶段，径向生长速率平均值为零。因为晶体转轴和温度场对称轴不一致，所以产生了径向生长速率起伏。径向生长速率起伏造成在该条件下生长晶体表面出现了细牙螺纹。螺纹螺距为每旋转一周固液界面边缘在液面方向位移，如式(4．8)所表示。螺纹深度为2d，即O一O轴和O’一O’轴间垂直距离两倍，见图4—10。晶体表面这种细牙螺纹就是旋转性表面条纹。

    晶体转轴和温度场对称轴不一致，晶体旋转时引发了生长速率起伏，所以在晶体内引发了溶质浓度起伏，这就是旋转性杂质条纹；一样原因引发生长速率起伏，在晶体表面所引发直径改变是旋转性表面条纹。故旋转性杂质条纹和旋转性表面条纹全部是同一原因引发。
    除了上述旋转性生长条纹以外，因为固液界面温度随机性起伏，引发生长速率起伏，也会产生表面条纹。实际硅单晶无位错生长时所观察到“苞丝”包含了这两种表面条纹。
    以上相关表面生长条纹产生机制讨论是在固液界面温度等于凝固点近似假设条件下进行，考虑到生长动力学效应界面温度有一定过冷度，且和生长机制相关，所以<111>晶向生长无位错硅单晶生长过程中单晶表面能够看到显著表面条纹(常被称为“苞丝”)，而一旦出现位错后就会消失，在<111>以外晶向生长无位错硅单晶生长时也看不到这么现象。
    7．收尾
    收尾作用是预防位错反延。在拉晶过程中，当无位错生长状态中止或拉晶完成而使晶体忽然脱离液面时，已经生长无位错晶体受到热冲击，其热应力往往超出硅临界应力。这时会产生位错，并将反延至其温度尚处于范性形变最低温度晶体中去(图4．20)，形成位错排，星形结构。

    通常来说，位错反延距离大约等于生长界面直径。所以，在拉晶结束时，应逐步缩小晶体直径直至最终缩小成为一点，这一过程称为收尾。收尾可经过提升拉速，也可经过升高温度方法来实现，更多是将两种方法结合起来，收尾时应控制好收尾速度，以防晶体过早地脱离液面。现在优异单晶炉能够实现从引晶到收尾整个过程