关于硅晶圆所需了解的知识（一）：硅棒的制备流程

一、制备所需的材料

1）高纯硅原料：

在制备硅棒之前，首先要准备硅的原料，一般采用多晶硅，按纯度分类可以分为冶金级多晶硅(工业硅)、太阳能级多晶硅和电子级多晶硅。

(1)冶金级多晶硅(MG)：是硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。一般含硅为 90%-95%，有的可高达 99.8%。

(2)太阳能级多晶硅(SG)：一般认为含硅在99.99%-99.9999% (4-6个9)之间。

(3)电子级多晶硅(EG)：一般要求含硅在99.9999%以上，超高纯达99.9999999%-99.999999999%(9-11个9)。

少数的工业硅必须经过特殊的提纯工艺才能进一步作为半导体材料使用。多晶硅的常用的制备方法有两种，一是普遍使用的三氯氢硅还原法制备高纯硅，又称西门子法。首先通过硅和干燥的氯化氢反应生成三氯氢硅，然后再将三氯氢硅提纯后，最后与氢气反应进行还原（1080-1100℃），生长于硅棒上。

另外一种是硅烷热分解法，硅烷热分解法制备高纯度硅，是硅多晶的重要生产方法之一，也是近年来国内研究较多的一种有很大发展前景的方法。将提纯后的硅烷气体导入硅烷分解炉，在850-900℃的发热硅芯上，硅分解并沉积出高纯多晶硅，其反应式为:

2）直拉单晶炉

常用的制备单晶硅的方法主要有直拉法和悬浮区熔法两种。直拉法是熔体生长单晶的最常用的一种方法，设备结构如图1，材料装在坩埚内(石英或石墨坩埚)，加热到材料的熔点以上，坩上方有一根可以旋转和升降的提拉杆，杆的下端有一夹头，夹头上装有一根籽品。降低拉杆，使籽晶与熔体接触，只要熔体温度适中，籽晶既不熔掉，也不长大。然后缓慢向上提拉同时转动晶杆，缓慢降低加热功率，籽晶就逐渐长粗长大。整个生长装置放在一个密封罩里，以便使生长环境中有所需要的气体和压强，这样就能得到所需直径的单晶棒了。

图1

3）籽晶

籽晶是单晶硅的种子,目前用得最多的是[111]晶向和[100]晶间的籽晶,偶尔还会用到[110]晶向的籽晶。籽晶（图2左）在使用前需要进行腐蚀、清洗和烘干。通常在籽晶的方头端面做好标识，用来识别籽晶的型号和晶向（图2右）。

4）掺杂剂

拉制低电阻率单晶(小于0.01Ω·cm)时一般选用纯元素作为掺杂剂，如重掺杂锑单晶应选用高纯锑作掺杂剂，重掺杂硼单晶，应选用高纯硼作掺杂剂。

拉制高电阻率单晶(大于0.1Ω·cm)时，一般选用合金作为掺杂剂，如磷硅合金、硼硅合金等

二、制备流程

1）装炉和熔硅

将处理好的籽晶装入籽晶夹头，将多晶硅原料加入到坩埚中，开启加热功率按钮，加热升到熔硅的最高温度(约1500℃)。

2）引晶

多晶硅全部熔完后，籽晶下降到距离熔硅 3-5mm 处烘烤两三分钟，使籽晶温度接近熔硅温度，籽晶再下降与熔硅接触，通常称此过程为“下种”。然后接触后通过控制温度和其他参数，使籽晶与熔融硅材料接触，使硅晶体沿着籽晶的晶格结构生长。

3）缩颈

引晶熔接好以后，稍降温就可以开始缩颈了。缩颈又称收颈，如图3(b)所示，是指在引晶后略降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶还细的部分，故称缩颈。缩颈是为了排除引出单晶中的位错。缩颈时要求新结晶的单晶硅直径比籽晶的直径小，细颈均匀、修长，无糖葫芦状，直径为3mm，其长度约为此时晶体直径的10倍左右，对称且连续。

4）放肩和转肩

细颈达到规定长度后，如果晶棱不断，立刻降温，降拉速，使细颈逐渐长大到规定的直径，此过程称为放肩，如图3.14(c)所示。通过温度和拉速来控制硅棒直径的大小。

5）等径生长

硅单晶等径生长如图 3 (d)所示。随着单晶长度的不断增加，单晶的散热表面积就越大，散热速度也越快，单晶生长表面的熔硅温度降低，单晶直径增加。另一方面，单晶长度不断增加，熔硅则逐渐减少，坩埚内熔硅的液面逐渐下降，熔硅液面越来越接近加热器的高温区，单晶生长界面的温度越来越高，使单晶变细，要想保持单晶等径生长，加热功率的增加或减少，要看这两个过程的综合效果。一般来说，单晶等径生长过程是缓慢降温过程，在单晶等径生长过程中，为了减少降温幅度或不降温，逐步降低拉速，连续升高坩埚，可达到目的。

5）收尾

到尾部，在剩料不多的情况下就要进行收尾工作了，如图3 (e)所示。收尾是为了减少位错缺陷，如果无收尾过程，直接将晶体提高离开液面，则提断处会产生大量位错。

6）停炉

单晶提起后，马上停止坩埚转动和籽晶轴转动，加热功率降到零位。停掉加热电流，关闭低真空阀门、排气阀门和进气阀门，停止真空泵运转，关闭所有控制开关。晶体冷却1-2h后，拆炉取出晶体，送检验部门检验。

图3

通过以上方法，最终制备出高纯度、电子级的硅棒。