直拉单晶硅的基本制备技术及方法

2026-05-15 08:48 来源：中国科学院半导体研究所制造工艺 137 次阅读

摘要：本文介绍了直拉单晶硅的基本制备技术及方法。单晶硅的制造技术主要存在两种方法，分别为区熔法（FZ 法）和直拉法（CZ法）。悬浮区熔法（FZ 法）是一种用于生产单晶硅的工艺技术，其核心在于通过熔融区域定向结晶实现晶体生长。在设备构造方面，炉体内上部通过刚性支撑结构固定高纯度多晶硅棒，底部区域配置高频感应线圈作为主要热源。该线圈通过电磁感应原理产生高温，配合特制耐火材料构筑的恒温环境，形成稳定的热力

本文介绍了直拉单晶硅的基本制备技术及方法。

单晶硅的制造技术主要存在两种方法，分别为区熔法（FZ 法）和直拉法（CZ法）。

悬浮区熔法（FZ 法）是一种用于生产单晶硅的工艺技术，其核心在于通过熔融区域定向结晶实现晶体生长。在设备构造方面，炉体内上部通过刚性支撑结构固定高纯度多晶硅棒，底部区域配置高频感应线圈作为主要热源。该线圈通过电磁感应原理产生高温，配合特制耐火材料构筑的恒温环境，形成稳定的热力学系统。设备运行过程中，位于炉体下端的精密传动装置可对籽晶实施三维运动控制，包括轴向位移和绕轴旋转。当启动晶体生长程序时，感应系统将硅材料局部熔化成液态，此时通过精确操控籽晶进行定向移动，在固液共存界面处实现原子有序排列。在此过程中，熔融态硅在籽晶诱导下发生外延生长，最终形成与籽晶具有相同晶格取向的单晶结构。该工艺的显著特征体现为：原料棒底端与熔融区接触面形成明确的相变边界，通过精准控制籽晶牵引速率和温度梯度，使液态硅在结晶前沿持续完成定向凝固。整个生长机制的关键参数控制要点如图示直观展示了从多晶态向单晶态转变的物理过程。

区熔法制备单晶硅的核心优势源于其非接触式生长机制。该工艺通过无坩埚环境实现晶体培育，原料与支撑系统之间始终处于物理隔离状态，从根本上消除了容器污染风险。这种特性使制得晶体具备本征纯度优异、结构一致性突出的特点，同时晶格缺陷密度显著降低，位错增殖得到有效抑制。相较于传统工艺，该技术对制造系统提出更高标准。其运动控制模块需实现亚毫米级位移精度，热场调控系统须维持±0.5 ℃的梯度稳定性，这些技术壁垒导致设备研发投入倍增。此外，工艺窗口的狭窄性要求全程自动化控制，致使产业化应用成本居高不下，目前仅限用于航空航天级半导体材料的制备领域。

另外一种在光伏级单晶硅领域被充分使用的生长制造方法为直拉法， CZ法作为光伏级单晶硅的主流制备工艺，由波兰科学家扬·切克劳斯基于1916年研发，故该技术亦称切克劳斯基法。在工业生产中，将用于直拉法制备晶体硅的设备称为单晶炉，硅料会在单晶炉体内完成熔化并成晶的过程。单晶炉的炉体是由一套密封的水冷不锈钢制造而成，其内的水路贯穿大部分核心区域用于带走多余热量。炉室内部安装着由石墨或碳碳加热器、石墨保温层等部件构成的热场，且在热场内部装有石英坩埚，用于盛放原生多晶硅。在单晶炉的上部安装有提拉头设备，单晶籽晶则安装在提拉头上，并通过钨丝绳悬吊进主炉室，坩埚托杆支撑则从炉体底部插入炉底板内，提拉头和坩埚支撑托杆具有升降和转动的机械传动系统。

直拉法制备单晶硅时首先将硅原料在密闭反应腔内熔融为液态，随后通过精密机械臂将特定晶向的晶种浸入熔体形成结晶界面。整个晶体培育流程包含七个特征性操作阶段：装料、抽空/检漏、熔料、熔接/引晶、放肩/转肩、等径/收尾、停炉。

装料：在制备单晶硅时需要按照预先设定的投料量进行装料，且在装料过程中需注意多晶硅原料的摆放，防止出现挂边等问题。

抽空/检漏：晶体生长过程需要在真空环境下完成，需通过干泵将炉体内空气抽出，并通入保护气体氩气。在运行前，抽出氩气，测量炉室内的压升率，检查单晶炉炉室的密封性。
熔料：熔料阶段是将坩埚内的多晶硅原料熔化，通过维持炉内温度，使其保持熔融状态。
熔接/引晶：在提拉头的提拉作用下，将籽晶下降并与溶体接触形成固液界面，并在此处使晶体开始生长。在高温熔接时，籽晶浸入硅熔体内会在热应力的作用下影响到硅原子的排列并产生位错。为了生长出无位错的晶体，需通过快速提拉籽晶来引出一段直径 3~5 mm 长度 200 mm 的细颈，这一过程即为引晶。

放肩/转肩：在引晶阶段完成后，降低拉速可以使晶体直径逐渐增大，实现放肩过程。这里工艺表中会设定一个期望直径，晶体的实际直径和提拉速度会根据工艺表中的目标实时匹配调节。在达到期望直径后，立即提高提拉速度稳定晶体的直径，完成转肩阶段，进入晶体等径生长过程。

等径/收尾:在这一阶段中所产出的产品及时最终产品，所以需要在等径阶段保持晶体直径和质量的稳定，越大尺寸的单晶在此阶段越难保持稳定。此外，从成本角度考虑，一般希望在质量好的情况下提拉速度越快越好。在晶体等径生长长度到达期望值后，需要完成晶体生长的收尾过程。收尾过程中需提高晶体的提拉速度，晶体直径在拉速作用下不断缩小，直到晶体底部缩为一点脱离熔硅液面。