單晶硅的生長方法有哪些

1. 目前商用半導體單晶硅主要的晶體生長方法是什麼

目前商用半導體單晶硅主要以真空電解和真空精煉來拉出晶圓柱，再反覆精煉，使晶柱累積成長。

2. 製作單晶硅的方法

（1）

硅的主要來源是石英砂（二氧化硅），硅元素和氧元素通過共價鍵連接在一起。因此需要將氧元素從二氧化硅中分離出來，換句話說就是要將硅還原出來，採用的方法是將二氧化硅和碳元素（可以用煤、焦炭和木屑等）一起在電弧爐中加熱至2100°C左右，這時碳就會將硅還原出來。化學反應方程式為：SiO2 (s) + 2C (s) = Si (s) + 2CO (g)（吸熱）

（2）

上一步驟中得到的硅中仍有大約2%的雜質，稱為冶金級硅，其純度與半導體工業要求的相差甚遠，因此還需要進一步提純。方法則是在流化床反應器中混合冶金級硅和氯化氫氣體，最後得到沸點僅有31°C的三氯化硅。化學反應方程式為：Si (s) + 3HCl (g) = SiHCl3 (g) + H2 (g)（放熱）

(3）

隨後將三氯化硅和氫氣的混合物蒸餾後再和加熱到1100°C的硅棒一起通過氣相沉積反應爐中，從而除去氫氣，同時析出固態的硅，擊碎後便成為塊狀多晶硅。這樣就可以得到純度為99.9999999%的硅，換句話說，也就是平均十億個硅原子中才有一個雜質原子。

（4）

進行到目前為止，半導體硅晶體對於晶元製造來說還是太小，因此需要把塊狀多晶硅放入坩堝內加熱到1440°C以再次熔化 。為了防止硅在高溫下被氧化，坩堝會被抽成真空並注入惰性氣體氬氣。之後用純度99.7%的鎢絲懸掛硅晶種探入熔融硅中，晶體成長時，以2~20轉/分鍾的轉速及3~10毫米/分鍾的速率緩慢從熔液中拉出：
探入晶體「種子」
長出了所謂的「肩部」
長出了所謂的「身體」
這樣一段時間之後就會得到一根純度極高的硅晶棒，理論上最大直徑可達45厘米，最大長度為3米。

以上所簡述的硅晶棒製造方法被稱為切克勞斯法（Czochralski process，也稱為柴氏長晶法），此種方法因成本較低而被廣泛採用，除此之外，還有V-布里奇曼法（Vertikalern Bridgman process）和浮動區法（floating zone process）都可以用來製造單晶硅。

3. 單晶爐中單晶硅棒時如何生長的

首先，把高純度的多晶硅原料放入高純石英坩堝，通過石墨加熱器產生的高溫將其熔化；然後，對熔化的硅液稍做降溫，使之產生一定的過冷度，再用一根固定在籽晶軸上的硅單晶體（稱作籽晶）插入熔體表面，待籽晶與熔體熔和後，慢慢向上拉籽晶，晶體便會在籽晶下端生長；接著，控制籽晶生長出一段長為100m 單晶硅生長爐
m左右、直徑為3～5mm的細頸，用於消除高溫溶液對籽晶的強烈熱沖擊而產生的原子排列的位錯，這個過程就是引晶；隨後，放大晶體直徑到工藝要求的大小，一般為75～300mm，這個過程稱為放肩；接著，突然提高拉速進行轉肩操作，使肩部近似直角；然後，進入等徑工藝，通過控制熱場溫度和晶體提升速度，生長出一定直徑規格大小的單晶柱體；最後，待大部分硅溶液都已經完成結晶時，再將晶體逐漸縮小而形成一個尾形錐體，稱為收尾工藝；這樣一個單晶拉制過程就基本完成，進行一定的保溫冷卻後就可以取出。 直拉法，也叫切克勞斯基（J.Czochralski）方法。此法早在1917年由切克勞斯基建立的一種晶體生長方法，用直拉法生長單晶的設備和工藝比較簡單，容易實現自動控制，生產效率高，易於制備大直徑單晶，容易控制單晶中雜質濃度，可以制備低電阻率單晶。據統計，世界上硅單晶的產量中70％～80％是用直拉法生產的

4. 單晶硅的生產工藝流程

單晶硅生產工藝流程:

1、石頭加工

開始是石頭，(石頭都含硅)，把石頭加熱，變成液態，在加熱變成氣態，把氣體通過一個密封的大箱了，箱子里有N多的子晶加熱，兩頭用石墨夾住的，氣休通過這個箱子，子晶會把氣體中的一種吸符到子晶上，子晶慢慢就變粗了，因為是有體變固休，所以很慢，一個月左右，箱子里有就很多長長的原生多品硅。

2、酸洗

當然，還有很多的廢氣啊什麼的，(四氯化硅)就是生產過程中產生的吧，好像現在還不能很好處理這東西，廢話不多說，原生多晶有了，就開始酸洗，氫氣酸啊硝酸啊，乙酸啊什麼的把原生多晶外面的東西洗干凈了，就過烘房烘乾，無塵檢查打包。

3、拉晶

送到拉晶，拉晶就是用拉晶爐把多晶硅加熱融化，在用子晶向上拉引，工人先把多晶硅放進石英鍋里，(廠里為了減少成本，也會用一些洗好的電池片，碎矽片一起融)關上爐子加熱，石英鍋的融點1700度，硅的融點才1410度左右，融化了硅以後石英鍋慢慢轉起來，子晶從上面下降，點到鍋的中心液面點，也慢慢反方向轉，鍋下面同時在電加熱，液面上加冷，子晶點到液面上就會出現一個光點，慢慢旋轉，向上拉引，放肩，轉肩，正常拉棒，收尾，一天半左右，一個單晶棒就出來了。

4、切方

單晶棒有了就切方，單晶棒一般是做6英寸的，P型，電阻率0.5-6歐姆(一英寸等於2.4厘米左右)切掉棒子四邊，做成有倒角的正方形，在切片，0.22毫米一片吧。

拓展資料

硅的單晶體。具有基本完整的點陣結構的晶體。不同的方向具有不同的性質，是一種良好的半導材料。純度要求達到99.9999%，甚至達到99.9999999%以上。用於製造半導體器件、太陽能電池等。用高純度的多晶硅在單晶爐內拉制而成。

單晶硅是一種比較活潑的非金屬元素，是晶體材料的重要組成部分，處於新材料發展的前沿。其主要用途是用作半導體材料和利用太陽能光伏發電、供熱等。由於太陽能具有清潔、環保、方便等諸多優勢，近三十年來，太陽能利用技術在研究開發、商業化生產、市場開拓方面都獲得了長足發展，成為世界快速、穩定發展的新興產業之一。

單晶硅可以用於二極體級、整流器件級、電路級以及太陽能電池級單晶產品的生產和深加工製造，其後續產品集成電路和半導體分離器件已廣泛應用於各個領域，在軍事電子設備中也佔有重要地位。

在光伏技術和微小型半導體逆變器技術飛速發展的今天，利用硅單晶所生產的太陽能電池可以直接把太陽能轉化為光能，實現了邁向綠色能源革命的開始。北京2008年奧運會將把「綠色奧運」做為重要展示面向全世界展現，單晶硅的利用在其中將是非常重要的一環。現在，國外的太陽能光伏電站已經到了理論成熟階段，正在向實際應用階段過渡，太陽能硅單晶的利用將是普及到全世界范圍，市場需求量不言而喻 。