文章來源：半導體全解

原文作者：圓圓De圓

本文主要講述單晶硅的生長方法。

一、單晶硅的發(fā)展背景

科技進步和對高效智能產品需求的增長進一步奠定了集成電路產業(yè)在國家發(fā)展中的核心地位。而半導體硅單晶作為集成電路產業(yè)的發(fā)展基石，其對促進技術革新和經濟增長起到至關重要的作用。

硅片生產的壟斷態(tài)勢使得我國現(xiàn)投入使用的硅單晶嚴重依賴進口，成為制約我國集成電路產業(yè)發(fā)展的卡脖子問題之一。

為了破解當前我國在半導體硅單晶制造領域的困境，投入研發(fā)，全面加強自身發(fā)展是必然選擇。

二、單晶硅材料概述

硅單晶是集成電路產業(yè)發(fā)展的基石。迄今為止，超過90%的集成電路芯片和電子器件均以硅單晶作為首選基礎材料。硅單晶材料之所以擁有如此龐大的市場需求和多樣化的產業(yè)應用，其原因是多方面：

首先，硅材料本身安全、無害、環(huán)保，且在地殼中含量極高；

其次，硅單晶天然具有電絕緣性，其在熱處理后表明會形成防護性的二氧化硅層，可以有效阻隔電量流失；

最后，硅單晶生長技術較為成熟，長期以來的技術積累使得其擁有比其他半導體材料更為嫻熟的生長工藝。

這些因素共同作用使得硅單晶在行業(yè)中始終處于主導地位，這也是其他材料不可替代的關鍵因素。

從晶體結構上看，硅單晶是硅原子按照周期性排布構成的具有連續(xù)點陣結構的材料，也是芯片制造行業(yè)的基礎。

下圖為硅單晶制備全流程示意圖：

首先從硅礦中經過一系列步驟提煉得到生長硅單晶的材料——多晶硅，然后在單晶爐內生長得到硅單晶棒，再經過切、磨、拋等操作形成可用于芯片制造的硅晶圓片。

硅片按照用途可簡單分為光伏級和半導體級。兩者主要存在著結構、純凈度和表面品質上的差異。

半導體硅片純度高達99.999999999%，且嚴格要求為單晶，而光伏用硅單晶片純度相對較低，僅為99.99%至99.9999%之間即可，且并不執(zhí)著于對晶體品質的要求。

與此同時，半導體硅片在光滑度和清潔度方面的要求也高于光伏級硅片。半導體硅片的高要求使得制備難度和后續(xù)的應用價值也大幅提升。

下圖給出了半導體硅片規(guī)格的發(fā)展脈絡，從早期的4英寸(100mm)、6英寸(150mm)逐步增大至現(xiàn)在的8英寸(200mm)、12英寸(300mm)。

在實際硅單晶制備過程中受不同應用類型和成本的影響，硅片尺寸也有所不同，如存儲芯片多采用12英寸硅片，功率器件則常用8英寸硅片。

總之，硅片尺寸的演進是摩爾定律和經濟因素共同作用的結果。相較而言，硅片尺寸的增大會使得相同工藝條件下可以生長出更多可用于芯片制造的可用面積，降低生產成本的同時有效降低硅片邊緣材料的浪費。

半導體硅片作為現(xiàn)代科技發(fā)展不可或缺的關鍵材料，通過后續(xù)一系列精密工藝如光刻與離子注入，賦予了其生產各類電子器件的能力，包括大功率整流器、晶體管、三極管以及開關器件等。

這些器件在多個領域如人工智能、5G通信、汽車電子、物聯(lián)網及航空航天扮演著至關重要的角色，是國家經濟發(fā)展與科技創(chuàng)新的基石。

三、單晶硅的生長技術

提拉法是一種高效的從熔體中提拉生長高質量單晶材料的工藝技術方法，由揚·柴可拉斯基(J. Czochralski)在1917年提出，該方法也被行業(yè)稱為CZ法或晶體直拉法。

目前，CZ法已被廣泛應用于各類半導體材料制備過程中。據(jù)不完全統(tǒng)計，約98%的電子元器件采用硅單晶材料制造，其中85%使用的是CZ法制備的硅單晶材料。

CZ法制備硅單晶材料之所以備受青睞，是因為其具有出色的晶體品質、可控的尺寸、快速的生長速度和高效的生產效率等優(yōu)點。

這些特性使得CZ硅單晶成為滿足電子工業(yè)對高品質、大規(guī)模硅單晶材料需求的首選材料。

CZ法的制備原理見下圖：

CZ法生長硅單晶要求在高溫、真空且封閉的條件下進行，而CZ型單晶爐(以下稱單晶爐)設備則是實現(xiàn)這一條件的核心技術裝備。

下圖是單晶爐的設備構造示意圖。

CZ硅單晶的生長步驟是先將純凈的硅原料置于坩堝內熔化，繼而在熔融態(tài)的硅表面置入一顆籽晶。通過精確控制溫度、拉升籽晶速率和坩堝旋轉速度等關鍵參數(shù)，籽晶與熔體接觸 的界面上原子或分子會持續(xù)重組，伴隨著系統(tǒng)的冷卻逐步固化，最終形成單晶體。

因此，這種晶體生長技術能夠生產出高質量、大直徑且具有特定晶體取向的硅單晶材料。

CZ硅單晶生長工藝流程如下圖所示：

具體步驟為：

(1)拆爐及裝料：取出晶體，徹底清理爐膛和各組件上的附著物，如石英顆粒、石墨顆粒和石墨氈塵等雜質。如果長期未使用，需關閉爐子并進行氣密性檢查。清理完成后，重新裝回各組件。

(2)裝爐：在確認組裝無誤后，將石英坩堝放入爐中，添加摻雜劑(按要求準確添加)，然后放入硅料。在副室內安裝籽晶。確認無誤后，合爐，整理、清掃裝料現(xiàn)場。

(3)抽真空和熔化：先進行1-2次氣體清掃，然后抽真空(小于10mTorr)，接著充入Ar氣體(流量為50-120L/min)，使爐內壓力約為20Torr，并保持氣氛流動。同時啟動冷卻水系統(tǒng)(壓力為0.2-0.4MPa)。在加熱前，進行密封性檢查，確認無異常后，以45-60V電壓和1500-2500A電流加熱熔料，并持續(xù)觀察整個過程。

(4)引晶：將籽晶緩慢降至主室，預熱3-5分鐘，緩慢接近硅熔體界面。為了確保熔體液面平靜，不能出現(xiàn)水波紋。如果發(fā)現(xiàn)有水波紋可能是由振動引起的，需要排除振動源；另一種可能是溫度過高導致大量的SiO揮發(fā)物生成，然后在冷卻后滴回坩堝內。

在確認問題已解決后，需要控制使溫度穩(wěn)定，并將籽晶緩慢降低到與熔體液面接觸的位置。為了準確判別引晶溫度是否合適，需要觀察以下三種情況：

(1)溫度過高，界面會出現(xiàn)亮且寬的光圈，并帶有尖角，光圈會發(fā)生抖動，甚至熔斷，這時無法提高拉速縮頸。

(2)溫度過低，界面不會出現(xiàn)光圈，籽晶未能熔接，反而出現(xiàn)結晶向外長大的假象。

(3)溫度合適，界面會慢慢出現(xiàn)柔和圓潤的光圈，沒有尖角，此時可以進行縮頸操作。晶體既不會因為縮小而熔斷，也不會繼續(xù)擴大。在進行熔接后，稍微降低溫度，開始縮頸操作，以消除位錯并獲得無位錯晶核。

(4)放肩階段：拉速度為0.5mm/min，放肩角度為140°-160°。需要注意的是，在此過程中需適當降低溫度。如果引晶時拉速較快，難以縮頸，說明熔體溫度偏低，可以稍微減少降溫幅度；反之，若引晶速度較快且容易縮細，說明熔體溫度較高，可以適當增加降溫幅度。

(5)轉肩及等徑階段：在放肩階段，拉速較快，需要監(jiān)控直徑變化。當接近目標直徑時，將拉速提高至3-4mm/min，進入轉肩階段。在轉肩過程中，原本位于肩部后方的光圈會迅速向前方擴散，并最終閉合。為了避免直徑在轉肩時縮小，預先適當降低溫度。 在轉肩過程中，晶體繼續(xù)生長，但速度逐漸變慢，最后停止生長，完成轉肩。此時將拉速降至設定速度，并按比例調整堝升速度，進入自動控徑狀態(tài)，等待晶體繼續(xù)生長。

(6)收尾和停爐：當晶體生長到尾部，余料較少時，開始進行收尾操作。將計算機切換至手動模式。提高堝升速度，利用溫度控制實現(xiàn)自動加熱，以保持液面不結晶。

在收尾過程中，有兩種方式可選擇：慢收和快收。

慢收的優(yōu)點是易于控制，不容易斷棱線，但時間較長；而快收的優(yōu)點是時間短，但控制難度較大且容易斷棱線。

不論選擇快收還是慢收，都需要進行收尖操作，以防止位錯攀移到等徑部位。

如果直接將晶體提高離開液面而不進行收尾，由于熱應力的作用，會產生大量位錯并沿著滑移面攀爬。

如果位錯進入等徑部位并被切除，這會造成不可忽視的損失，尤其對于大直徑單晶。因 此，必須收尾成尖形，以確保無位錯生長到結束。當尖形脫離液面時，產生的位錯攀爬長度將無法達到等徑部位。 收尾完成后，將晶體提高，降低坩堝位置，停止升溫和晶轉。

因此，穩(wěn)定控制溫度與提拉速度對于生產高品質、無瑕疵的晶體至關重要。其他影響品質的工藝參數(shù)還涉及加熱器功率、晶體和坩堝的旋轉速度、磁場強度、保護氣體(如氬氣)流量等。這些參數(shù)的優(yōu)化組合是實現(xiàn)高品質、低或無缺陷晶體的基礎。

四、單晶硅的難點

鑒于此，突破大尺寸半導體硅單晶生長過程中的核心工藝技術瓶頸，尤其是需要解決晶體生長環(huán)節(jié)中所面臨的晶體缺陷預測與控制問題：

(1)硅單晶品質一致性差、產出良率較低：隨著硅單晶尺寸的增加，晶體生長環(huán)境愈發(fā)復雜，熱場、流場、磁場的耦合作用加強，晶體品質控制難度呈指數(shù)級增長。這與行業(yè)對于硅片品質的高要求是相悖的。

因此，如何對晶體生長品質進行預測和控制成為了關鍵難題。然而，硅單晶生長過程的復雜性和不確定性因素使得精準系統(tǒng)模型的建立幾乎不可實現(xiàn)。

此外，由于晶體生長設備物理結構的約束，使得直接在晶體生長過程中進行品質檢測難以實現(xiàn)，而離線檢測又存在著檢測周期長，人力、物力耗費大的問題。

因此，迫切需要發(fā)展晶體生長品質檢測理論與方法，實現(xiàn)對晶體生長狀態(tài)的實時在線預測 并指導工藝調整，以減少晶體缺陷產生的可能性，提升硅單晶品質的管控能力。

(2)控制過程不穩(wěn)定、精度和效率欠佳：半導體硅單晶生長過程高度復雜，具有多物理場強耦合、強非線性等顯著特征，且復雜的工藝參數(shù)調整機制和控制流程使得現(xiàn)有的控制系統(tǒng)易出現(xiàn)控制精度不穩(wěn)定，并由此導致產品良率較低。

與此同時，現(xiàn)行的控制策略主要以晶體宏觀尺寸作為直接控制目標，而晶體品質仍依賴人工經驗進行現(xiàn)場調節(jié)，因而這些客觀和主觀因素使得生長的大尺寸硅單晶品質難以滿足集成電路芯片微細納米制程的要求。

因此，如何實現(xiàn)晶體宏觀尺寸精準控制的同時保證晶體質量滿足行業(yè)要求成為了當前亟待解決的重要控制難題。