硅芯的制备技术及注意事项

三氯化硅的氢还原过程中，要让还原出来的纯硅沉积到一发热载体上，结晶成多晶硅。这个载体大多是用纯硅做成的硅芯。硅芯的制备有基座法、切割法、吸管法。

基座法是用高频感应加热熔化多晶硅棒结晶体，边熔化边拉晶，自下而上拉，制出直径5～6mm和所需长度的细硅芯。以多晶硅棒为熔体的基座托住熔体，不与任何物质接触，无污染，可制备出高质量的硅芯。

切割法是将高纯多晶硅粗棒用切割机切成方形5mm×5mm的细条，将其腐蚀清洗干净后，根据需要在区熔炉中熔接成所需长度的硅芯。这种方法切割效率低、多晶硅耗损量大、熔接复杂。

吸管法是用薄壁且直径均匀的细长石英管，利用对管控制真空的办法，将熔硅吸入管内，冷却后除去石英管，便获得硅芯。此法存在石英对硅芯有污染。

基座法制备硅芯的方法较普及，下面主要介绍此方法。

1.基座法制备硅芯工艺原理 将一定直径、一定长度的多晶棒表面腐蚀清洗好后，装入硅芯炉内作基座，将硅芯炉抽真空到一定真空度，充H₂或Ar到一定压力；重复一次抽真空和充H₂或Ar，在氢气或氩气氛围下，通过高频感应加热，使硅棒局部熔化；然后与上轴的“籽晶”充分熔接，并以一定的速度向上提升，拉成所需直径、长度的细硅棒，且外表均匀。直径为5～6mm的硅棒即是硅芯。

2.基座法制备硅芯工艺

（1）硅芯质量要求

1）型号要求每根硅芯属同一导电类型，是n型，或是p型。

2）电阻率硅芯的电阻率要求均匀，纵向电阻率均匀度应大于90%。n型电阻率大体分为三挡。

低电阻率：10^-2～10^-1Ω·cm，3～6Ω·cm，10～30Ω·cm。

中电阻率：40～60Ω·cm，100～300Ω·cm。

高电阻率：500～1000Ω·cm，1000～3000Ω·cm。

3）直径5～6mm，直径均匀度应大于90%。

4）长度视多晶硅生产的需要而定。

（2）制备硅芯工艺流程为

切料→水洗→腐蚀→清洗→烘干→装炉→拉制→出炉→检测→腐蚀

（3）制备硅芯工序

1）将直径25～30mm的多晶硅棒切成一定长度（350 mm左右）的基座硅棒，取硅芯籽晶长约40mm，经HNO₃+HF混合液（5∶1）腐蚀、清洗、烘干待用。

2）在专用装料手套箱中，用清洁的滤纸或专用镊子取籽晶和基座硅棒，分别装入各自用光谱纯石墨制作的夹头中，装正旋紧。根据需要还可对基座硅棒实施掺杂。掺杂方法一般采用掺杂剂涂抹法。

3）打开炉门，用脱脂纱布沾上一些分析纯的苯，或乙醇擦净膛内壁窥视孔和加热线圈。

4）将装有籽晶和硅棒的上、下夹头，分别装在上轴端、转盘夹头孔中和下轴基座上。操作传动机构，使上轴、感应线圈、基座硅棒三者在同一轴线上，然后将上轴降下，让夹头置于接近线圈的预热位置。

5）关闭炉门和放气阀，打开低真空阀，由机械泵对炉体抽真空；同时开启水冷系统，并预热高频炉振荡管灯丝和油扩散泵。当低真空达到22.66Pa以上时，关闭低真空阀，打开高真空阀，让油扩散泵继续抽真空达到0.0134Pa以上。若选择用保护气体Ar、H₂拉晶，则不必抽高真空，可在抽低真空达到22.66Pa后，关闭低真空阀，打开通气管道阀门和炉体进气阀门，对炉内充保护气体，当达到正压时再放气。反复两次赶走炉内空气后，再充保护气体达到22.66Pa左右，关进气阀。

6）对高频炉送高压，并调节输出功率预热上夹头。待籽晶被加热到红热状态时，升起上轴让籽晶末端熔成一小熔球。

7）将下轴升到基座硅棒的顶端与线圈下2～3 mm处。将上轴降到使小熔球与硅棒顶端接触，利用籽晶端的小熔球预热基座硅棒，直至硅棒达到红热状态；缓慢增加高频炉输出功率，使硅棒顶端熔透，把籽晶和基座硅熔接在一起；待熔区平稳后，进行拉制硅芯。

8）调节高频炉输出功率，使基座硅顶端的熔区保持在拉硅芯温度。如果温度过低，会使熔区出现新的结晶中心而很快凝固；温度过高，熔区会出现流垮现象。

9）开动传动机构，调节上轴提升速度，使籽晶从熔区中向上引出的硅芯按要求的直径（5～6mm）拉出。拉速由慢逐渐增快，达到预定拉速（15～20 mm/min）。同时按预定比例的速度让下轴同步上升，不断供给硅料以保持熔区体积不变。上下轴的速度比例计算公式如下。

式中 v₁———上轴拉速（mm/min）；

v₂———下轴升速（mm/min）；

d₁———硅芯直径（mm）；

d₂———硅基座直径（mm）。

仔细地调节高频炉输出功率和拉硅芯及供料（下轴升）速度，是控制直径均匀的细硅芯的关键。

10）拉“大头”。当控制硅芯达到预定长度时，需留一个大头，以便切凹槽，方便还原工艺中搭“Π”字形状发热体结构。拉“大头”的方法是当拉硅芯到末端时，迅速将拉速由20 mm/min降至4～5mm/min，并适当降低加热功率，使硅芯逐渐胀粗成所谓“大头”，大头直径10 mm左右；然后把硅芯与基座硅料分离即可。若可连续拉多根硅芯，需操作上、下轴手轮，使硅芯与熔区分离，此时基座硅料仍保持一定熔区，呈暗红状态。

11）操作更换夹头机构，将已拉出的硅芯放在转盘的挂槽内；又通过更换夹头机构，夹住转盘上第一个夹头孔中的上夹头，使转盘与上轴对中后，下降上轴夹头，重复预热籽晶，开始第二根硅芯的拉制操作。依次到拉完预计拉制的所有硅芯后，停炉、停水。

12）停高频炉电源5min后，关闭真空阀门，放气入炉。若用保护气体拉晶，则需开机械泵抽空5min后，关真空阀再放气入炉，拆炉取出硅芯。

（4）技术要点

1）避免“糖葫芦”，提高硅芯直径的均匀性。“糖葫芦”产生的原因，主要是由于拉硅芯过程中，熔体温度和拉速控制不当造成的。例如拉硅芯时，熔体温度过高，硅芯生长会变细；而当硅芯细到一定程度时，由于高频感应线圈对硅芯的电磁感应作用变弱（硅芯离磁力线密集区远），使硅芯温度急剧下降，于是硅芯就会自动变粗；而当硅芯长粗到一定程度后，硅芯受电磁感应作用又增强了，硅芯温度突然升高，又使生长的硅芯变细。如此不断循环，拉制出的硅芯就类似糖葫芦状的粗细周期性变换着。

消除“糖葫芦”的方法如下：

①硅料熔透后需降低温度，在适当的过冷状态下拉制硅芯。

②拉速由慢到正常，应缓慢上升。

③选择适当的供料速度，确保熔体体积不变，并保持熔区适当饱满。

万一操作不当，出现“糖葫芦”现象，应适当调节熔区温度和拉速，逐渐消除。一般以调拉速为主，以调温度为辅，两者密切配合。

2）避免熔区流垮事故。熔区流垮原因是熔化或拉硅芯时温度过高、或供料速度过快、或基座硅料中有氧化夹层，熔料时产生跳硅等。为了避免熔区流垮，应注意如下：

①熔接籽晶时，应根据基座硅料的粗细，选择适当的熔透功率，升温不可过急。

②注意熔区在感应线圈中的位置，不能让熔区过高。

③如果拉晶时，熔体温度过高，在正常拉速下硅芯会变细。当发现此现象，应立即降低熔体温度，使之恢复正常。若因供料速度太快，产生熔区过于饱和时，操作者应根据硅芯直径变化情况，减慢下轴升速。

④选择无氧化夹层的多晶硅棒做原料。

⑤视高频炉输出功率大小及适应线圈形状尺寸，选择基座原料直径。

3）避免结晶。在控制硅芯过程中，当熔区表面刚出现结晶时，应适当提高加热功率，结晶核便很快消失，此时可继续拉硅芯。当熔区温度降低、供料速度过快，使硅料未熔透造成结晶，此时熔区很快结晶。处理这种结晶必须立即停止拉速和下轴升速，并提高加热功率，待熔体熔透后方可继续拉晶。

4）避免硅芯中出现p-n结或混合型。p-n结一般出现在用真空室拉制n型硅芯的情况。如果熔区温度过高，拉速过慢，熔体长时间停留在真空室内，引起施主磷杂质大量挥发，直至挥发尽，而硅中受主杂质硼的挥发系数小，故使后生长的硅芯出现反型。为避免硅芯中p-n结产生，应注意如下：(www.xing528.com)

① 在真空下拉制n型硅芯，在给原料掺杂时，应考虑增加磷挥发值。

② 籽晶与硅料熔接时间不宜过长，以减少磷杂质挥发。

③ 采用含磷较均匀的低电阻率籽晶拉n型硅芯，相当于给硅料掺杂。一般情况下拉硅芯用籽晶按型号电阻率分类，拉低电阻率硅芯用低电阻率籽晶；拉高电阻率硅芯用高电阻率籽晶，绝不能用p型籽晶拉n型硅芯。

④采用保护气氛（如Ar、H₂）下拉硅芯工艺，可以减少磷杂质挥发。

5）硅芯中的孔洞问题。硅芯中的孔洞来源于多晶硅中氧化夹层引起熔硅跳动而形成。实验证明，用孔洞的多晶硅料反复拉制硅芯，硅芯中孔洞的直径越来越大、孔洞数也越来越多。因此克服硅芯孔洞，选择好原料是关键。一般对拉制硅芯原料要求如下：

①多晶硅基硼含量2×10^-5，即p型电阻率大于1400Ω·cm。

②多晶硅无氧化夹层，无孔洞。

6）芯的氧含量。为了确保多晶硅和单晶硅的质量，硅芯中氧含量越低越好，故而选择高真空条件（0.0067Pa）下拉制硅芯。拉完硅芯需停炉5min方可打开炉门。若开门过早，硅芯大头尚未冷却，一旦接触空气，则其硅芯氧含量要高出半个数量级。

7）合理备料。根据拉制一根直径为d、长为l硅芯的质量，应等于消耗基座硅棒直径为D、长度为L质量，推算出如下公式：

按此公式计算备料，有利于原材料充分利用，减少浪费。

3.基座法制备硅芯设备 制备硅芯的设备分为外热式和内热式两类，但加热方式都是用高频感应加热。下面介绍两种内热式硅芯炉。

（1）LG-1300型基座硅芯炉。设备特点如下：

1）上轴是由提拉钢丝连接拉制机构（如籽晶夹等），沿着固定在不锈钢筒里面的四根导向柱进行升降，拉晶相对平稳。

2）下轴不升降，可转动，其转动速度为2～35r/min。

3）电极筒升降（即加热用高频感应线圈可升降）上升只有快挡，下降则分快速、慢速两挡。正常拉晶用慢挡。

4）真空度可达0.0134～0.0067Pa。

5）高频炉功率为10kW、频率为2.3MHz。此硅芯炉为小真空室、内热式，是真空、保护气氛两用设备，结构简单，造价成本低。

（2）GX-1100型硅芯炉

1）上轴采用柔性不锈钢丝，由传动卷筒带动，沿着两根不锈钢丝导向柱升降，轴端附加更换上夹头机构，可连续拉制5根硅芯。上轴不转动，可升降，其升降速度为2～30mm/min。

2）下轴行程约400 mm，可转动，其转动速度为2～33r/min；下轴可升降，其升降速度为0.2～3mm/min。

3）加热用高频感应线圈的电极由炉体左后侧引入，距离炉底约350 mm左右，固定不移动。

4）高频炉功率为20kW，频率为3.6MHz。

5）此设备为大真空室，马蹄形，炉体沉浸式水冷，内热式硅芯炉真空达0.0067Pa，可在真空或保护气氢下控制硅芯。

4.硅芯腐蚀

（1）硅芯腐蚀原理。硅芯腐蚀采用浓硝酸和氢氟酸的混合液，HNO₃和HF的体积比为5∶1。在HNO₃和HF的混合腐蚀液中，由于HF的存在，使硅芯表面的SiO₂保护膜被破坏，不断地被HF溶解，因此HNO₃和HF混合液对硅芯能进行有效的腐蚀。其反应式为

4HNO₃+Si+6HF=H₂SiF₆+4H₂O+4NO₂↑ （5-84）

（2）硅芯腐蚀工艺

1）工艺流程如下：硅芯选配→磨槽→水洗→无水乙醇擦→CCl₄擦→腐蚀→煮至中性→烘干备用

拉制好的硅芯送检后，根据检测数据，按型号、电阻率范围及均匀度进行选配成对。每根硅芯选好后，截取一定长度称重、登记；再将每根硅芯大头切槽，用自来水冲洗干净；分别用无水乙醇、CCl₄擦洗，去掉硅芯表面油污；然后用HNO₃和HF混合腐蚀后，再用纯水煮至中性，最后进入烘箱烘干备用。

2）操作要点

① 配制碱液至规定量。

② 配制腐蚀液，HNO₃和HF的体积比为5∶1。

③ 按硅芯型号、直径、均匀度、电阻率、长度进行选配，并作好记录。同一组或同一对硅芯要求型号、直径、均匀度、电阻率大致接近，硅芯弯曲方向能相互匹配。

④ 根据硅芯弯曲方向、大头与硅芯搭配情况合适后切槽。切槽时，沿硅芯长度与砂轮成一定角度方向切。切槽质量要求：硅芯弯向和所切槽沟在同一个平面上，槽沟前后深度、宽度保持一致，槽沟两边的托瓣大小、厚薄基本相同，与硅芯连接牢固。切槽后的硅芯用自来水冲洗干净。

⑤ 将硅芯腐蚀。

a）分别用四氯化碳和无水乙醇擦拭硅芯表面，去掉杂质和油污后放入腐蚀槽。

b）倒入配好的腐蚀液，使之淹过硅芯表面；用四氟筷子不断拨动硅芯，待有大量棕色气体冒出后，再不断搅动一会；随即用大量纯水冲洗酸液（硅芯不得露出水面），冲至接近中性。

c）将硅芯从腐蚀槽中取出，放入石英舟内；倒入纯水淹过硅芯表面；合上电源加热，边煮边倒去离子水，冲至水溶液呈中性为止。

d）用专用镊子将硅芯取出，放入烘箱内烘干。

（3）硅芯腐蚀主要设备

1）切割机。用于硅芯切槽、磨尖。

2）风机。用于抽排腐蚀产生的尾气。

3）碱泵。用于把碱液抽到碱洗塔。

4）真空泵。用于烘箱抽真空。

5）烘箱。用于烘干硅芯。

6）腐蚀槽。用于腐蚀硅芯。

7）石英舟。用于将硅芯放入石英舟内，用纯水煮至中性。

（4）安全控制。上班前按规定穿戴好劳动保护用品。在使用酸碱时，要戴好口罩、眼镜、耐酸碱手套，尽量在通风处操作；若酸碱液溅在脸上、手上，立即用水冲洗；使用酸碱手套前要检查是否完好、腐蚀操作前检查碱洗液液位、碱液pH值是否在规定值内、风机运转是否正常；切槽房间内光线应充足，严格按切割机操作规程操作。