3.2 直拉法制备单晶硅的设备及材料

目前，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，其示意图如图3.6所示。材料装在坩埚内（石英或石墨坩埚），加热到材料的熔点以上，坩埚上方有一根可以旋转和升降的提拉杆，杆的下端有一夹头，夹头上装有一根籽晶。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。

3.2.1 直拉法制备单晶硅的设备

为了提高原材料的利用率，降低生产成本，确保器件参数的一致性，单晶大直径化势在必行，与之相适应的必然是坩埚的大直径化，大投料量，以及直拉单晶炉的设备大型化和自动化。随着现代电子工业的发展，目前已出现用计算机自动控制拉晶过程的大型直拉单晶炉，不但硅单晶的需要量越来越多，而且对硅单晶的质量要求也越来越高。因此，直拉单晶炉不但越来越大，直拉单晶炉设备运转的稳定性和自动化程度也越来越高。

1.直拉单晶炉的结构

直拉单晶炉的结构如图3.7 所示，主要由炉体、电气部分、热系统、水冷系统、真空系统和氢气装置等部分组成。

（1）炉体。炉体由炉座、炉膛、炉顶盖、坩埚轴、籽晶轴、光学等径监测器等部件组成。

① 炉座由铸铁制成，支撑整个炉体重量，炉膛装在炉座上面，坩埚轴及相应驱动部件也装在炉座中。

② 炉膛的样式比较多，大体上分侧开门和钟罩式两种形式。侧开门式又有锥顶、圆弧顶和平顶之分；钟罩式又有单纯钟罩式和有主室与副室中间夹有隔离阀的钟罩式。不管样式千差万别，炉膛总有炉室、观察窗、紫铜电极、炉门（钟罩式没有）、热电偶测温孔、光学等径监测孔、外接真空管道和惰性气体进口等几部分。坩埚轴和籽晶轴从炉膛中心穿过并能上、下运动。炉膛一般由两层4～5mm不锈钢板制成，中间通水。

③ 炉顶盖由铸铁制成，主要支撑籽晶轴的提拉和旋转，装有标尺，显示籽晶轴的提拉位置和提拉长度。

④ 坩埚轴由不锈钢制成，由双层管组成，通流动水冷却。它通过托杆、托碗支撑石英坩埚中的多晶硅，并且通过旋转、上升和下降调节热系统中坩埚内熔硅的位置，使拉晶能顺利进行。

⑤ 籽晶轴也由不锈钢制成，能够旋转、上升和下降。它的结构和坩埚轴相同，但比坩埚轴长，它主要通过籽晶卡头装卡籽晶，并且边旋转边向上运动，完成提拉单晶的过程。

⑥ 光学等径监测器装在炉膛的光学等径监测孔上，一组光学镜头对准坩埚中心，硅单晶通过镜头将硅单晶横断面直径的正生影像反射在毛玻璃屏幕上，屏幕上有一个光敏二极管，影像变化作用在光敏二极管上，产生电信号，经过放大分压（或分流）处理，控制提拉或加热功率，保证硅单晶等径生长，通过调节光敏二极管位置可以控制生长硅单晶的粗细。

⑦ 观察窗装在直拉单晶炉膛上，由两层石英玻璃（或厚玻璃）组成，两层玻璃中间通水，它是观察拉硅单晶过程中各种情况的窗口。

⑧ 热电偶装在直拉单晶炉膛的测温孔上，正对加热器中部。为了便于测量和使测量灵敏准确，一般通过聚光镜，将光聚集于热电偶堆上。

⑨ 电极装在炉膛底部，它的作用是支撑加热器（石墨）和保温系统（或通过石墨电极支撑），把强大的电流传给加热器，使加热器产生高温，熔化多晶硅。电极一般由紫铜制成，两层铜管成环状，内部通水。

（2）电气部分。电气部分由配电盘、控制柜和变压器组成。配电盘是整个直拉单晶炉的总电源，通过它把电流输送给控制柜。控制柜控制整个直拉单晶炉的安全正常运转、真空测量和加热功率的变化。加热电源通过控制柜后进入变压器把220V（或380V）电压变成0～50V，送入直拉单晶炉的紫铜电极。

（3）热系统。直拉单晶炉的热系统由加热器、保温罩、石墨电极、石墨托碗以及石墨托杆组成。保温罩一般用高纯石墨和钼片制成。强大的电流通过加热器产生高温，由保温罩保温，形成热场。

（4）水冷系统。用直拉单晶炉拉制硅单晶是在高温下进行的，因此，炉膛、观察窗、籽晶轴、坩埚轴、紫铜电极等必须进行水冷。直拉单晶炉都有庞大的水冷系统，它由进水管道、水阀、水压继电气、分水箱、各冷却部分水网、回水箱和排水管等组成。

（5）氩气系统。直拉单晶炉拉制单晶的过程中，一般用氩气作为保护气氛。市场上出售的氩有液态氩和瓶装气态氩。直拉单晶炉通常使用液态氩，液态氩储存在液氩罐内，液氩罐是双层的，中间抽成真空。一般说来液态氩纯度较高，能满足拉制硅单晶的要求。但液态氩在通入单晶炉前要经过气化，经过缓冲罐进入单晶炉，这样可以使气流稳定。

2.直拉单晶炉的工作环境

直拉单晶炉是用于单晶硅生长的精密设备，因此为了保证产品的质量及设备的正常运转，直拉单晶炉对环境有以下要求。

（1）工厂周边环境。

① 工厂周边气候适宜，空气湿度小，没有其他工业企业排放的污染性烟雾、粉尘及有害气体等。

② 环境安静，震动少，避免震动传递到设备，在拉单晶时如发生震动，会影响单晶硅的质量。

③ 水源充足，水质较好，可以保证有足够的水量供冷却炉使用。

④ 电源线路好（采用三相五线制或三相四线制供电），不能频繁发生停电事故，电源电压要稳定。

（2）车间室内环境。

① 单晶炉安装的车间高度要满足吊装调试、维修的需要，室内高度为8m以上。

② 车间室内有空调设备，温度控制在22～25℃，相对湿度在60%～70%。

③ 车间室内设备摆放合理，符合安全要求，灰尘要少。

④ 工作人员按要求穿戴好工作服。

3.直拉单晶炉的安装和调试

一台直拉单晶炉要经过安装和调试后才能投入正常生产。新的直拉单晶炉拆箱后，首先清除单晶炉上的灰尘和封装油脂，然后将炉体移至恒温高纯车间的防震地基上。炉体要调整水平度和垂直度。一般用框式水平仪按照单晶炉说明书上指出的基准面调整地脚螺钉，使水平度达到万分之五。清洗炉膛，装入热系统，关紧炉门，启动真空系统，检查单晶炉密封情况，同时打开水冷系统，检查各冷却部位是否水流通畅。开启所有运转部分，检查籽晶轴和坩埚轴的旋转和上下移动是否正常平稳，最后，送加热电流，检查功率控制部分是否灵敏稳定。完全正常后，可以投放多晶硅原料试拉单晶。试拉过程中单晶炉各部分运转正常，调试结束。

4.直拉单晶炉的保养和维修

直拉单晶炉要经常保养，保养主要有以下几个方面。

（1）每次开炉前把籽晶轴和坩埚轴擦干净，在轴密封部分注入少量的扩散泵油，保持润滑良好。

（2）籽晶轴和坩埚轴的转动丝杠和滑运轨道经常注入润滑油。

（3）籽晶轴和坩埚轴的密封圈经常清洗，避免脏物聚集，保持良好的密封。

（4）机械泵定期更换泵油，保证泵的良好运行，减少泵的磨损。

（5）定期清洗单晶炉的观察窗，保持良好的观察状态。

直拉单晶炉的维修主要有以下几个方面。

（1）籽晶轴和坩埚轴颤动。一般说来，籽晶轴和坩埚轴颤动主要原因有：密封圈过紧，润滑不变，密封部分有脏物；电动机转矩小；籽晶轴或坩埚轴不垂直；传动丝杠弯曲或部分螺纹有问题。

（2）漏油或漏真空。漏油或漏真空一般发生在籽晶轴或坩埚轴密封部分。一是密封圈过大，不能很好密封；二是密封圈和凹槽接触不好；三是密封圈有脏物堆集，以上原因都能引起单晶炉漏油或漏真空。单晶炉真空机组的阀门由于经常开关会有磨损，也容易引起漏真空。

（3）漏水。单晶炉膛漏水会使单晶氧化，从而影响单晶质量。漏水和漏真空现象有些相似，一般情况泵抽不到需要的真空度，有时漏水也能抽到需要的真空度，但加热熔硅时真空度会突然下降。漏水的明显特征是单晶产生氧化，单晶颜色发白。

寻找漏水点的方法是：首先把炉膛擦干净，关闭炉门，通冷却水，抽真空，然后打开炉门，在灯光照射下，仔细检查，出现水珠处就是漏水点。用氦气质谱检漏仪可迅速准确地检查出漏水点。

3.2.2 直拉单晶硅前的材料准备

1.硅原料

硅原料是指准备装入石英坩埚中进行单晶拉制的原料。硅原料包括西门子法制得的多晶硅、硅烷法制得的多晶硅、直拉法或区熔法制得的单晶回收料、坩埚的埚底料及硅片回收料等。

在第2章中已学过西门子法制备高纯硅，所得多晶棒的不同部分如图3.8所示，因为作直拉单晶硅的原料要破碎成短节和小块状，以便放入坩埚内，因此多晶棒的横梁料和碳头料可以作为直拉单晶硅的原料使用，而中间大块的直棒料可以用做对原料要求更高的区熔法的原料。

单晶回收料包括单晶头尾料和单晶边皮料。单晶头尾料是指制成的单晶不能进行后续产品加工的剩余部分，如放肩、转肩的部位，以及经测试不合格的部分，如图3.9 所示。单晶边皮料是指在硅片生产工艺中，制作硅片定位边时，去掉的圆弧形的边角余料，如图3.10所示。

坩埚的埚底料是指直拉单晶过程中没有被完全拉净的留在坩埚内的剩余料，如图3.11所示。通常情况下，埚底料只能用于拉制太阳能级的单晶。

硅片回收料是指在集成电路或光伏电池生产过程中产生的废硅片，如图3.12所示。由于目前拉制单晶的原料比较紧缺，因此回收这些废的硅片也是解决原料来源的方法之一。但是因为这些硅片在生产过程中，经过了掺杂、氧化、刻蚀等工艺，引入了很多的杂质，因此使用时需要经过仔细的处理，而且通常只能用于拉制太阳能级的单晶。

回收料在使用中应该注意对原料的分类。对于P型原料，应使所配比原料中的硼原子总浓度与目标电阻率所对应的硼原子浓度相等；对于N型原料，应使所配比原料中的磷原子总浓度与目标电阻率所对应的磷原子浓度相等。直拉单晶的原料使用前要破碎成块状，以便装入石英坩埚，一般情况下每块料块不超过1kg。

2.掺杂剂

根据不同电阻率单晶的要求，掺杂剂分为纯元素和母和金两类。

拉制低电阻率单晶（小于0.01 Ω·cm）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。纯元素的粒度不能太大，要便于称量和包装，投入熔体使用时也可以防止熔体溅起。

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

母和金的制得方法有很多，可以在单晶炉内熔化多晶，再投入较多的纯元素，按照拉制重掺单晶的方法就可以拉制成含有该元素的母合金。也可以将重掺单晶的头尾料或是有缺陷的部分作为母和金。

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]晶向的籽晶，偶尔还会用到[110]晶向的籽晶。用[111]晶向的籽晶生长的单晶，仍是[111]晶向，有对称的三条棱，互成120°（也可以有对称的六条棱，互成60°）；用[100]晶向的籽晶生长的单晶，仍是[100]晶向，有对称的四条棱，互成90°。

籽晶在使用前需要进行腐蚀、清洗和烘干，再装入盒内待用，如图3.13所示。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，如图3.14所示。

4.钼丝

钼是熔点很高（2600℃）的贵重金属，钼丝用来捆绑固定籽晶。通常选择直径在0.3～0.5mm的钼丝，这样的钼丝具有一定的强度和韧性。钼丝在使用前外表有一层黑灰色的附着物，需要用纱布蘸氢氧化钠溶液擦净，再用纯水清洗冲净，自然凉干以备使用。

也有的直拉单晶炉不是使用钼丝来捆绑固定籽晶，而是将钼做成籽晶的夹头来夹住籽晶的。

3.2.3 直拉单晶硅前的材料清洁处理

拉制硅单晶所用的多晶硅材料及掺杂用的中间合金、石英坩埚、籽晶等，都必须经过严格的化学清洁处理。其目的是除去表面的附着物和氧化物，得到清洁而光亮的表面。化学处理的基本步骤是腐蚀、清洗和烘干。

硅的化学性质稳定，几乎不溶于所有的酸，但溶于氢氟酸和硝酸的混和溶液。对硅常用的化学腐蚀液由氧化剂与络合剂组成。常用的氧化剂是硝酸，常用的络合剂是氢氟酸。硝酸起氧化作用，纵向深入硅，氢氟酸起络合作用，横向剥离氧化层。可用氢氟酸：硝酸比例是1:7～1:10的混和溶液进行腐蚀，它们的反应原理如下：

SiO2+HF→H2SiF6+H2O

Si+HNO3→SiO2+H2O+NO2

最后再用去离子水洗净酸液，烘干备用。