3.4 拉单晶过程中的异常情况及晶棒检测

3.4.1 拉单晶过程中的异常情况

1.熔硅的异常情况

熔硅经常出现的异常情况主要包括挂边、搭桥和硅跳。

（1）挂边。挂边指硅绝大部分熔完后，硅熔体上面、坩埚边上粘有硅块的现象。

（2）搭桥。搭桥指硅将熔完时，部分硅块在硅熔体上面形成一座“桥”。

产生挂边和搭桥的原因：一是坩埚内多晶硅装的不合要求，二是熔硅时坩埚位置太高，过早的提高坩埚位置和过早的降温都容易产生挂边和搭桥。出现挂边或搭桥后要及时处理，首先降低坩埚位置，快速升高温度，一旦挂边和搭桥消失，快速降温，快速升高坩埚。

（3）硅跳。硅跳指的是熔硅在坩埚中沸腾的现象。熔硅跳出坩埚外，飞溅到加热器、保温罩、石墨托碗和单晶炉壁上，使石墨器件损坏，严重的硅跳会烧坏单晶炉底。

产生硅跳的原因比较多，多晶硅中有氧化夹层或封闭的气泡、坩埚底部有封闭的气泡以及熔硅时温度过高都会产生硅跳。多晶硅在高温熔化时，坩埚底部的气泡壁破裂或多晶硅的气泡中有气体放出，由于在真空下熔硅，气泡体积剧烈增加，使熔硅沸腾，喷出坩埚，就产生硅跳。熔硅温度过高，达到硅的沸点，熔硅也会沸腾。同时，温度过高，加快熔硅和石英坩埚的反应，产生一氧化硅气泡，也会产生硅跳。

为了避免熔硅时产生硅跳，应仔细挑选多晶硅和石英坩埚，熔硅温度不要太高，一般在1500℃～1600℃，最好在流动气氛下熔硅。另外在处理挂边和搭桥时，应该注意及时降温，以防止熔硅温度过高产生硅跳。

2.突然停电停水

（1）突然停电。熔硅或拉晶时，突然停电，要采取以下措施。

① 在真空下熔硅或者拉晶时，首先关闭真空阀门，打开放气阀（电磁阀会自动关闭，同时放气），然后提起单晶，把所有开关、旋钮旋到零位。若停电时间短，来电后，立即送电，继续加热熔硅，如果拉出了一段单晶，应加温把单晶熔化，重新引晶。若停电时间较长，要缓慢升高坩埚，防止熔硅凝固时胀坏石墨托碗和加热器。

② 在气氛下熔硅或者拉晶突然停电时，首先把所有的开关旋钮放到零位，后面的处理办法和在真空下相同。

（2）突然停水。熔硅或拉晶过程中，突然停水或者没通冷却水就加热熔硅的现象很少发生，因为一般单晶炉都装有水压继电器，单晶炉不通水，加热电源送不上。但有些直拉单晶炉没有这些装置，若单晶炉某些部分冷却水管道阻塞，使单晶炉某些部分温度升高，若温度升高厉害只有停炉，千万不能突然通水，水遇高温后立即汽化，体积突然膨胀，可能出现爆炸事故。单晶炉加热时间不长，温升不高时，可以快速大量通水，待炉温正常后，再调整水压。

3.温度振荡

多晶硅熔完后，无任何机械振动干扰，熔硅表面发生波动的现象，称为温度振荡。

坩埚中的熔硅某一点的温度是变化的，除了受加热温度和散热条件等因素影响外，熔硅中的不稳定对流也会引起温度变化。充分的对流往往表现为湍流形式，从而造成硅熔体无规则地起伏，产生周期性的温度振荡。

多晶硅熔完后骤然升起坩埚，坩埚内熔硅温度发生很大变化，形成很大的温度梯度，靠近坩埚边的熔硅向坩埚中心流动，产生环状波纹，波纹的高低与波动周期和熔硅温度梯度大小、坩埚内熔硅的多少有关。适当调整热场，改变坩埚位置，熔硅时缓慢升高坩埚等措施，可以避免产生温度振荡。

4.放肩时坩埚边结晶

拉晶放肩时可能在坩埚边上产生结晶，不及时处理，结晶会逐渐长大，严重影响单晶的生长。

产生这种情况主要由于熔硅表面过冷度太大，造成熔硅表面过冷度太大的原因主要是热场纵向梯度小或放肩时降温太大。增大热场纵向温度梯度，降低拉速，小幅度降温，可以避免放肩时坩埚边结晶。一旦坩埚边出现结晶，要适当升高温度，降低拉速，使结晶缓慢熔化，结晶熔完后，继续进行正常拉晶。

3.4.2 晶棒检测

生长好的单晶硅棒需要经过测试来衡量各项参数是否符合要求。

外观检验主要通过光线在单晶硅棒的外表反射是否均匀，从而判断出外表面是否光滑。

晶向检验可以使用目检，[111]晶向的单晶硅棒有三根或六根对称的棱线，而[100]晶向的单晶硅棒有四根或八根对称的棱线。也可以使用铬酸溶液腐蚀晶体，在高倍显微镜下观察，判定晶向。

缺陷的存在会影响晶体的物理和电学性质，并最终影响到集成电路的成品率。缺陷检验可以使用电子显微镜在真空条件下，通过高压加速后的电子束穿透样品时形成散射电子和透射电子，透射电子在电磁透镜的作用下在荧光屏上成像，进行缺陷分析。

确定单晶硅棒的导电类型常用热探针法，如图3.18所示，通过检流计的指针偏转就可以判断晶棒的导电类型了。热探针法利用半导体的热电效应，用一冷一热两根探针同时接触晶棒，热探针接触的地方由于热激发产生大量的载流子，冷探针处载流子较少。由于浓度差异，导致载流子由热探针处向冷探针处扩散，产生电位的变化。若热探针处电位高，则可判断出多数载流子为电子，晶棒为N型；反之，若冷探针处电位高，则可判断出多数载流子为空穴，晶棒为P型。

单晶硅棒电阻率的测量常采用直流四探针法，原理如图3.19所示。将四根金属探针排成一条直线，并以一定压力压在晶棒上，在1和4两根探针间通过电流I，则2和3探针间产生电位差U，根据公式可计算出材料的电阻率：

ρ=C×U/I

其中，C为四探针的探针系数（cm），它的大小取决于四根探针的排列方法和针距。通常为了方便，可以让四根探针的间距都为1mm，则C=0.2πcm=0.628cm。这样再使电流I大小为0.628mA，则电阻率变为

ρ =U

这样就可以在电位计上直接读出样品的电阻值了。

3.4.3 硅晶体中杂质的均匀性分析

在生长的单晶中，杂质的分布是不均匀的，这种不均匀性会造成电阻率在纵向和径向上的不均匀，从而对器件参数的一致性产生不利影响。纵向电阻率不同，做出的器件其电阻率也不同；径向电阻率的差异会使大面积器件电流分布不均匀，产生局部过热，引起局部击穿，降低耐压和功率。

1.硅单晶纵向电阻率

一根直拉硅单晶，从头到尾杂质分布不同，其电阻率也不同。影响单晶杂质浓度分布的因素有以下几个方面。

（1）拉制硅单晶时，熔体中的杂质进行扩散和蒸发。

（2）结晶时杂质分凝。含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，杂质在结晶的固体和未结晶的液体中的浓度是不同的，这种现象叫做分凝现象，也叫偏析现象。分凝作用的大小用分凝系数K描述。

分凝系数K=杂质在固相中的溶解度÷杂质在液相中的溶解度

（3）硅熔体还受到其他杂质的污染。

杂质的扩散速度很慢，一般可以忽略，杂质分凝影响较大，拉制单晶硅时常用的掺杂元素磷、砷、锑和硼、铝、镓，它们在硅中的平衡分凝系数均小于1，因而单晶中的杂质比熔体中少。由于分凝出的杂质在熔体中不断积累，熔硅中的杂质浓度越来越高，晶体尾部的杂质浓度也越来越高，其电阻率越来越低。在单晶生长界面附近熔体中有一层杂质含量较大的富集层（厚度为δ），而杂质分凝又在生长界面处进行，实际分凝效果服从K有效。

K有效受晶体生长速度即拉晶速度f和富集层厚度δ影响。当提高单晶生长速度时，K有效增大，即单晶的纵向电阻率均匀性变好；当单晶生长速度很大很大，即生长速度无限大时，整个单晶都是均匀的；当单晶生长速度很慢很慢，即生长速度为零时，晶体由于杂质的积累，纵向电阻率均匀性变差。由此看来，提高单晶的生长速度，可以使单晶的纵向电阻率均匀，而降低单晶的生长速度，单晶的纵向电阻率均匀性变差，况且单晶的生长速度越慢，生长效率越低，因此一般生产上不采取低速生长。

杂质的蒸发对单晶纵向杂质浓度也有影响。拉制硅单晶时，由于硅熔点温度高，熔解又处于真空或流动气氛中，因此熔硅和杂质的蒸发比较厉害，在长时间的硅单晶生长中，由于杂质蒸发使杂质浓度降低，蒸发系数较大的杂质尤其明显，如磷、锑、砷等。由于杂质蒸发，杂质浓度降低，可以补偿一部分由于杂质分凝效应导致杂质浓度的升高，由此看来，蒸发对单晶纵向电阻率的均匀性有利。

在拉晶时逐渐提高真空度和逐渐增大气体（氩气）流量，都可以提高蒸发速度，降低熔体由于分凝效应的杂质积累，改善单晶纵向电阻率。熔体蒸发的表面积受单晶直径影响，尽量保持单晶等直径生长，不能粗细不均匀，单晶粗细不均，熔硅的蒸发表面积由小到大变化，熔硅的杂质浓度发生高低变化，单晶电阻率由低向高变化。但是在硅中蒸发常数小的杂质，单晶粗细变化对其电阻率影响小。例如掺杂硼的P型硅单晶，由于硼在硅中蒸发常数小，蒸发对熔硅中硼杂质浓度影响不大，因此，掺硼的P型硅单晶纵向电阻率一般比较均匀。

污染对单晶纵向杂质浓度也有一定影响。在单晶炉内，由于用石墨做发热体和保温系统，用石英坩埚做容器熔化多晶硅，而石墨和石英的纯度比起多晶硅来要低很多，一般低3～5个数量级，在高温下对熔硅的影响比较严重。若在气氛下拉晶，气氛中的杂质对熔硅也有影响，一般来说，碳对单晶的电阻率影响不大，但是碳和气氛中的氧结合溶于硅中，便使硅的电阻率发生了变化。石英坩埚含硼量较高，随着单晶生长，硅和石英作用：

Si+SiO2→SiO↑

硼溶于硅中，熔硅中硼的浓度逐渐增大。如果拉制P型硅单晶，电阻率会越来越低，如果拉制N型硅单晶，由于P型杂质的补偿，电阻率会越来越高。

综上所述，分凝、蒸发、污染都会影响单晶杂质的分布，从而影响单晶电阻率的分布，而这三种因素同时影响熔硅，单晶电阻率到底如何变化，必须考虑这三种因素的综合作用。如果分凝占主导作用，单晶中的杂质浓度越来越高，电阻率会越来越低；如果挥发占主导作用，单晶中的杂质浓度会越来越低，电阻率会越来越高；如果坩埚污染严重（主要是硼杂质），P型单晶电阻率会越来越低，N型单晶电阻率会越来越高。

2.硅单晶径向电阻率

硅单晶生长过程中，熔体中杂质的扩散、对流、蒸发、分凝以及污染，不但影响电阻率的纵向分布，而且也影响电阻率的径向分布，同时单晶硅生长界面的状态也会影响杂质在硅单晶中的分布。不同的生长条件，硅单晶中径向电阻率的均匀性不同。

直拉法拉制硅单晶时，坩埚中的熔硅温度近似对称分布，靠近坩埚边缘的熔硅温度高，位于中心的熔硅温度低，因此边缘部分的熔硅向中心流动，使坩埚边缘含P型杂质较高（由于石英坩埚含硼量较高）的熔硅向中心流动，同时P型杂质向中心扩散，构成一个边缘到中心P型杂质逐渐减小的负浓度梯度，拉制N型单晶，单晶径向从边缘到中心P型杂质补偿由大到小，因此，N型杂质浓度由低到高，单晶电阻率由高到低变化。考虑熔体蒸发，坩埚中心部分的熔体被单晶覆盖，不能蒸发，边缘部分不被单晶覆盖，杂质大量蒸发，使N型杂质浓度降低，也会使熔体杂质浓度由边缘到中心逐渐增加，使单晶边缘电阻率高于中心。P型单晶则变化相反，单晶边缘电阻率低，中心电阻率高。

单晶在生长时，最初散热以传导和肩部辐射为主，因此生长界面凸向熔体，就是单晶中心部分生长快，边缘部分生长慢，单晶中心部分有效分凝系数大于边缘，使单晶的中心部分杂质浓度高，电阻率低。单晶的尾部散热以表面辐射为主，生长界面凹向熔体，单晶的边缘比中心部分生长快，因此，边缘部分的有效分凝系数比中心部分大，边缘部分的杂质浓度比中心部分高，因此边缘部分电阻率低。

由此看来，只有平坦生长界面，单晶边缘和中心部分的有效分凝系数才会相等，杂质浓度才能一致，电阻率才会均匀。为了使单晶生长界面平坦，在拉晶过程中，适当地改变拉晶速度，强烈搅拌熔体，加强熔体的对流和扩散，使熔体中的杂质分布均匀，从而使单晶径向电阻率的均匀性提高。提高上下轴的转动速度，可使熔体搅拌加强；上轴或者下轴有规律地忽快忽慢地做匀加速或匀减速旋转，也可以加强搅拌；上下轴做不同心的旋转（即所谓的偏心拉晶），既加强了搅拌，又改变了晶体和熔体的对称接触，可使径向电阻率的均匀性大大改善。

由此看来，单晶的径向杂质分布在单晶生长过程中既受分凝的影响，又受蒸发和坩埚污染的影响。N型单晶的掺杂元素蒸发速度常数都较大，径向电阻率受蒸发影响较大，拉晶时的真空度、坩埚和单晶比例影响单晶径向电阻率的均匀性较大。P型单晶的掺杂元素蒸发速度常数都很小，蒸发作用不显著，真空度、坩埚和单晶比例影响较小，而硼的分凝系数较大，一般说来，P型单晶径向电阻率均匀性好。

总的说来，硅单晶中掺杂元素的蒸发速度常数大，径向电阻率均匀性差，掺杂元素的蒸发速度常数小，径向电阻率均匀性较好；坩埚质量高（指坩埚纯度），单晶硅径向电阻率均匀性好；熔硅搅拌剧烈，即上下轴转速快，硅中熔体杂质分布均匀，硅单晶径向电阻率均匀；单晶硅的生长界面平整，电阻率均匀，坩埚和单晶中心不对称向，则径向电阻率较均匀。

3.硅单晶析出及杂质条纹

直拉硅单晶中由于分凝现象，使得生长界面附近杂质过饱和，有时会出现析出，析出是在硅单晶中形成散粒（或颗粒）掺杂剂单质的现象。硅单晶的析出一般在掺杂量比较大的重掺杂的单晶中出现，在硅中平衡分凝系数较小的锑、砷、磷重掺杂单晶析出更明显。

直拉单晶硅生长时，由于杂质的分凝，硅熔体杂质原子浓度升高，凝固点降低，虽然一部分杂质原子在热对流和机械搅拌作用下和整个硅熔体重新分布，但是，生长界面的熔硅比离生长界面较远处熔硅的杂质浓度更高，熔硅中的杂质浓度随着离生长界面的远近由高到低变化。因此，紧靠着生长界面的硅熔体比远处的硅熔体凝固温度低，所以实际结晶温度T低于凝固点温度TL，界面附近的熔硅虽然是正的温度梯度，但熔硅会过冷。

生长界面附近熔硅过冷区的存在，使宏观生长的生长界面变得不稳定，逐渐形成胞状的界面，称为栅格结构。硅单晶生长时熔硅有一定厚度的过冷层，栅格的突出部分进一步向熔硅内生长，一方面放出结晶潜热，另一方面排出杂质，潜热使突出部分周围温度升高，杂质则在突出部分的侧面扩散，也向其他地方扩散，侧向扩散使得两个突出部分的凹处杂质浓度增大，相应的熔体平衡结晶温度TL降低；TL的降低和突出部分周围熔体温度的升高两种效应结合，可以消除突出部分邻近熔体的组分过冷。栅格突出部分的生成和熔化可以使栅格凹处的熔体汇集成一个液滴，这个液滴含有浓度极高的杂质，液滴被栅格包裹随晶体生长，生长过程中，栅格顶部凝固，于是大部分杂质聚集在最后凝固的液滴中，在分凝作用下，排出的杂质最后凝固，形成杂质析出。

熔硅中杂质是饱和状态，拉晶过程中如果温度变化，由于分凝作用，杂质出现过饱和，生长界面会极不稳定，容易形成栅格结构或杂质液滴。液滴附着在生长界面上，形成杂质析出。如果单晶生长速度过快，熔硅会发生组分过冷，产生杂质析出。

硅单晶中的杂质条纹不但在杂质平衡分凝系数较小的锑、磷、砷重掺单晶中产生，在杂质平衡而分凝较大的硼重掺单晶中也经常出现。单晶生长界面凸向硅熔体时，从微观角度看，生长界面成台阶状，由于杂质分凝和坩埚、籽晶旋转，生长界面各处杂质浓度不同，台阶凹处杂质浓度较高，结晶过程中凹处可能被封闭，封闭部分凝结分凝出极少的杂质单质，由单晶在旋转中生长，生长界面经化学腐蚀会显示出间隔的条纹。

单晶中的杂质析出和杂质条纹对单晶质量危害很大，应尽量消除。生产中消除杂质析出和杂质条纹主要采取以下几种措施。

（1）选择合适的热系统。热场是硅单晶生长的重要部分，热场的优劣严重影响硅单晶的生长质量。重掺杂单晶生长的热场保温性好，纵向梯度较大，不容易产生组分过冷，热场的热对称性好，单晶生长过程中不容易产生回熔现象。拉制重掺杂单晶一般用氩气做保护气氛，氩气流量要适当。氩气不流动时，一般保持炉膛压力为（0.4～0.5）kgf/cm2（1kgf/cm2约等于98kPa）。

（2）在保证硅单晶电阻率合适的情况下，尽量减少掺杂量，避免由于分凝效应使得生长界面附近熔硅中杂质过饱和。

（3）适当增大籽晶的转速和坩埚的转速，加强熔硅搅拌，使结晶分凝效应排出的杂质尽快扩散，保持熔硅的杂质浓度分布均匀。

（4）尽量保持拉晶温度稳定，防止温度突变，避免单晶回熔和组分过冷产生析出。

（5）采用变速拉晶，单晶头部拉快些，逐渐降低拉速，消除因分凝效应导致的熔硅杂质浓度的升高，消除因拉速不变而大幅度降温形成的组分过冷，尽量使生长界面平坦是避免杂质析出和产生杂质条纹的关键。总之，硅单晶产生杂质析出和杂质条纹与单晶的生长过程紧密联系，不同的单晶炉，生产相同或不同的单晶品种，生产技术条件也不同。以上提出的只是几个原则，具体条件要在生产实践中摸索。

4.单晶硅中的氧和碳

直拉硅单晶中的氧和碳是一类很重要的杂质，氧和碳在直拉单晶中可能形成微沉淀，进而在微沉淀的基础上形成微缺陷，严重影响单晶的质量，甚至影响大规模集成电路的性能和制造。

氧原子在硅单晶中大部分以间隙原子的状态存在，成Si-O-Si状态或SiO2和SiO4状态，熔点时，氧在固态硅中的溶解度为（2.75±0.15）×1018/cm3，在熔硅中的溶解度为（2.20±0.15）× 1018/cm3。直拉硅单晶的氧主要来源于多晶硅，它的含氧量一般为1016～1017/cm3数量级，而直拉单晶硅中的氧含量一般为6×1017～2×1018/cm3，可见，单晶生长过程中有大量的氧进入。

石英坩埚对硅单晶的氧沾污影响很大，在高温1420℃以上时，硅熔体和石英坩埚进行化学反应，反应式为：

Si（熔体）+SiO2（固体）→SiO

反应结果表明，石英坩埚上生成一层固体一氧化硅，并不断溶解于熔硅中，生成一氧化硅气体也会溶解于熔硅，使熔硅的氧浓度增高。

氩气氛下拉晶时，氩气中的氧会以不同形式溶入熔硅中，使硅单晶的氧浓度增高。

一般情况下，直拉硅单晶的单晶头部氧浓度高，尾部氧浓度低，单晶的面中心氧浓度高，边缘氧浓度低。硅单晶的这种氧浓度分布既受坩埚污染的影响，也受拉晶时氧蒸发和氧分凝效应的影响。坩埚中熔硅虽然离坩埚壁越近氧浓度越高，但在拉晶过程中，被单晶覆盖的熔硅氧不能蒸发，其余部分的氧蒸发较快，在熔硅对流作用下，形成单晶中氧含量边缘高而中心低的现象。氧在硅中的平衡分凝系数一般认为是1.25，这很容易解释硅单晶头部含氧高尾部含氧低的事实。目前对硅单晶中氧的作用认为既有害，也有利。氧在硅单晶中形成氧沉淀，产生微缺陷和氧条纹，影响单晶的质量；也可以利用硅单晶含氧高的特点制造某些大规模集成电路，化害为利。

碳原子在硅单晶中处于替位杂质状态，直拉硅单晶的碳浓度在5×1016 个/cm3～3×1017个/cm3，碳的来源有三个：多晶硅含碳量一般为1×1016个/cm3～3×1016个/cm3，单晶炉热系统的石墨器件和保护气氛（氩气）中残留的氧在高温下进行化学反应。

C + O2 →CO

C + O2 →CO2

CO + O2 → CO2

CO → CO2 + C

石英坩埚在高温下和石墨反应，反应式为：

SiO2 + C →SiC + CO2

SiO2 + C →SiC + CO

在高温下主要以一氧化碳的形成存在，一氧化碳溶入硅中使硅单晶中的氧含量增高。

直拉硅单晶工艺中，经常采用下列措施降低单晶中氧和碳的含量。

（1）选用含氧、碳较低的多晶硅原料，多晶硅熔化时温度不要太高，尽量降低多晶硅和坩埚的反应，减少一氧化碳和一氧化硅的生成。

（2）在真空下生长的硅单晶一般氧、碳含量较低，在氩气下拉晶时，氩气中含氧、碳和水分通过氩气带出炉外，降低单晶炉内一氧化碳和一氧化硅的分压，减少它们溶入熔硅的量；减压法拉晶既使单晶炉保持低的压强，又使炉内氩气交换迅速，降低硅单晶的氧、碳含量。

（3）坩埚和单晶直径比例要适当，硅单晶生长过程中，石英坩埚中的熔硅表面是低氧区，熔硅和坩埚接触部分是高氧区，中部熔硅为过渡区，坩埚和单晶直径比例适当，一方面使一氧化碳和一氧化硅挥发快，溶入熔的硅量减少；另一方面单晶远离坩埚壁附近的高氧区，单晶中氧和碳的含量自然减少。

晶体和坩埚的旋转也会影响单晶中的氧含量。晶体和坩埚旋转，使熔硅的搅拌作用增强，高氧区熔硅和低氧区熔硅混合，从而使单晶中的含量增加。如果晶体和坩埚旋转产生的强迫对流刚好抑制熔硅产生的自然对流，单晶中的氧含量不但不会增加，反而减少。在一定的硅单晶生长条件下，合适的晶体和坩埚旋转速度非常重要。

拉晶速度增加，单晶硅中的氧含量一般说来也增加，当速度大于一定值后，单晶中的氧含量反而降低。拉晶速度大时，单晶生长速度快，熔硅表面一氧化硅蒸发时间短，导致单晶的氧含量增加，拉速很大时，影响熔硅流动，熔体表面低氧区中的熔硅很容易对流到生长界面处，使硅单晶中含氧量降低。偏心法拉晶可以降低单晶中的氧含量。偏心拉晶时，单晶的生长界面不断地经过熔硅表面低氧区，熔硅表面被单晶永远覆盖区大大减小，一氧化硅和一氧化碳蒸发量增大，单晶中的氧含量减少。