大直徑區(qū)熔硅單晶的研究與制備技術(shù)探究

李小波

摘 要：隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子器件也取得了飛躍的進(jìn)步，在一些半導(dǎo)體器件的研究過程中硅單晶起著重要的作用，因此高反壓與大電流的器件對(duì)硅單晶的質(zhì)量有一些要求，如：直徑大、無位錯(cuò)、電阻率徑向均勻等，同時(shí)為了提高器件的實(shí)收率，還要求硅單晶有承受壓力的特點(diǎn)，研究大直徑區(qū)熔硅單晶十分必要，對(duì)提高整個(gè)產(chǎn)品的效率以及降低成本方面都有很大的作用。本文就對(duì)大直徑區(qū)熔硅單晶的研究過程以及其設(shè)備技術(shù)問題進(jìn)行具體的分析。

關(guān)鍵詞：大直徑；區(qū)熔；硅單晶；設(shè)備技術(shù)；分析研究

1 大直徑區(qū)熔硅單晶的研究過程

1.1實(shí)驗(yàn)方法

區(qū)熔硅單晶生長的主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備是丹麥生產(chǎn)的區(qū)熔單晶爐，該設(shè)備的直徑最大可生長為8英寸，而加熱線圈也通常采用大尺寸的平板同心結(jié)構(gòu)的線圈，通常線圈的上方與下方的設(shè)計(jì)不同，上方采用兩級(jí)臺(tái)階結(jié)構(gòu)下方采用斜面的設(shè)計(jì)，由于單晶生長采用的籽晶是無偏角籽晶因此在單晶生長的時(shí)候需要在爐體內(nèi)充入作為保護(hù)氣的氬氣，并且當(dāng)籽晶熔接多晶的時(shí)候還可以在氬氣中摻雜一些高純磷烷，讓區(qū)熔硅單晶與氣體相互融合生長，進(jìn)行操作的時(shí)候?qū)⒍嗑О襞c籽晶安裝在上下軸的夾頭中，在檢查情況之后將爐門關(guān)閉，然后在爐內(nèi)加入氬氣再通入高純氫氣，將主加熱高頻發(fā)生器進(jìn)行通電之后，高頻就能對(duì)熔化硅棒的端部進(jìn)行感應(yīng)以調(diào)節(jié)加熱功率和硅棒的位置，將擋渣板移開之后就能讓籽晶與熔區(qū)接好方便之后的引晶、縮頸、收放肩、收尾等操作工序，采用壓粗工藝的方法讓原料晶體的直徑更細(xì)，在大直徑區(qū)熔硅單晶的研究過程中會(huì)有一些常見的參數(shù)，如：加熱線圈尺寸的增大、多晶硅棒尺寸的長度也要事先量好。

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨著硅單晶直徑的不斷增大，液態(tài)熔硅也在增加，而區(qū)熔生長工藝對(duì)單晶生長的熔區(qū)穩(wěn)定性起著很重要的作用，為了更好的滿足大直徑單晶生長的需求，需要對(duì)線圈的加熱功率加大，為了避免使加熱線圈出現(xiàn)短路現(xiàn)象應(yīng)該首先將爐中的氬氣氛壓升到最高，這樣就會(huì)使區(qū)熔硅單晶中的氧含量的等級(jí)降低，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生因氧而形成的沉淀物，所以需要在區(qū)熔硅單晶中需加入氮?dú)鈦硖岣咂鋸?qiáng)度，由于區(qū)熔生長技術(shù)的電阻率要高于直拉硅單晶，這會(huì)從很大程度上限制整流器與晶閘管的反向擊穿電壓，想要獲得濃度比較均勻的區(qū)熔硅單晶可以通過加入磷烷的方式，進(jìn)行氣相摻雜的時(shí)候雜質(zhì)會(huì)與晶體的很多因素相關(guān)，如：生長速度、初始濃度、晶轉(zhuǎn)速度以及流動(dòng)狀態(tài)等，如果單晶在生長的過程中劑量保持不變那么分布曲線就會(huì)隨著單晶的生長而不斷減少，同時(shí)為了對(duì)單晶徑向電阻率的均勻性進(jìn)行控制，在單晶進(jìn)入生長階段之后要進(jìn)行調(diào)整，隨著單晶直徑的變大，加熱線圈的大小也要改變，這是為了避免回熔現(xiàn)象的發(fā)生，大直徑的硅單晶有著很好的對(duì)稱性在進(jìn)行裝爐過程中要進(jìn)行對(duì)齊，可以說單晶的生長要比熱應(yīng)力分量更大一些，但是由于它的抗位錯(cuò)能力比較差更加容易產(chǎn)生滑移，所以更加需要對(duì)單晶的生長做出要求，在單晶生長的整個(gè)過程中要對(duì)功率以及速度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整來提高成晶率，并且在收肩的時(shí)候?yàn)榱吮苊鉄釠_擊的影響就要利用前高功率細(xì)熔區(qū)的處理方式讓熔區(qū)變粗，這種平滑過渡的操作也能提高單晶生長的穩(wěn)定性。

1.3工藝?yán)碚摲治?/p>

根據(jù)相關(guān)報(bào)道，純氫氣氛中生長的區(qū)熔單晶中有氫缺陷存在，同時(shí)微裂紋與脆性也比較大，國內(nèi)的很多廠家都用實(shí)踐證明了晶體缺陷這一情況，純氫氣氛中區(qū)熔單晶有很多麻坑因而制作出來的器件成品率比較低，即使可以利用退火的方式進(jìn)行改造也不能從根本上解決問題，因此還不能夠利用在大規(guī)模的生產(chǎn)中，除此之外，在純氫氣氛中生產(chǎn)的產(chǎn)品對(duì)安全防爆問題十分重視，如果在氬氣中加入0.2%的氫氣，那么就可以得到無漩渦的單晶，利用純氫下區(qū)熔也能夠得到很好的單晶，人們都知道影響單晶徑向電阻率均勻性的通常是固液交界面產(chǎn)生的小平面，但是因?yàn)樾∑矫媸窃用芘琶嫔L速度比較慢，只有當(dāng)過冷度較大的時(shí)候才能確保其生長，而區(qū)熔單晶的小平面需要的過冷度通常是-9攝氏度到6攝氏度，在單晶生長時(shí)非小平面區(qū)會(huì)優(yōu)先生長并且不斷結(jié)晶，小平面則是層狀生長比其他的區(qū)域要落后一些，而當(dāng)過冷度達(dá)到一定程度后雜質(zhì)的分配系數(shù)就會(huì)變大，濃度也會(huì)增加。為了不讓磷的濃度過高破壞單晶徑向的均勻性可以盡量的減少小平面區(qū)。而直拉單晶的固液界面是凸、平或者凹的狀態(tài)，在凸界面的時(shí)候需要快拉速，從而降低軸向、徑向的溫度或者采用偏心拉晶方式來消除掉小平面改善徑向電阻率的均勻性。對(duì)固液界面的一些復(fù)雜問題可以采用三種方式解決：第一，利用偏角籽晶法，讓中心小平面移開。第二，利用加熱線圈方式，對(duì)小內(nèi)徑加熱線圈進(jìn)行區(qū)熔操作來消除小平面。第三，采用偏心回?cái)[方式，改變固液界面的形狀改變均勻性。對(duì)于無位錯(cuò)區(qū)熔單晶的生長問題，主要是由于在50毫米左右的單晶很容易出現(xiàn)位錯(cuò)，因此生長成大直徑的單晶后就能夠防止位錯(cuò)化受到破壞，晶體放肩部的散熱條件如果發(fā)生變化會(huì)變?yōu)榘导t的狀態(tài)，這樣會(huì)嚴(yán)重影響晶體的完整性。

2大直徑區(qū)熔硅單晶的設(shè)備技術(shù)研究

大直徑區(qū)熔硅單晶的設(shè)備問題是重點(diǎn)問題，要利用大型區(qū)熔爐進(jìn)行還要保證其結(jié)構(gòu)與小型的區(qū)熔爐差別不大，通常大型區(qū)熔爐的上下軸行程會(huì)比較長，爐室中利用不銹鋼的材質(zhì)，爐體比較高所以要采用爐外傳動(dòng)的方法，并且要裝設(shè)不同的操作桿如：熱環(huán)桿、推棒桿等等，爐室外面會(huì)有手柄可以通過手柄進(jìn)行操作，而爐子本身是真空的設(shè)計(jì)，利用兩臺(tái)頻率不同的發(fā)生器來進(jìn)行區(qū)熔操作，同時(shí)采用可控硅移相裝置或者調(diào)壓器對(duì)高頻發(fā)生器進(jìn)行功率上的調(diào)節(jié)。線圈在區(qū)熔工藝中占有重要的地位，他是用來加熱與熔化硅原料棒的，同時(shí)他還可以提供給單晶在生長時(shí)的溫度與磁托力等，通常線圈的材質(zhì)為銅質(zhì)，或者可以對(duì)表面進(jìn)行鍍銀操作，線圈的形狀也比較多變大多是幾何形狀尺寸大小也不盡相同。主加熱線圈的內(nèi)徑與外徑差距很大，內(nèi)徑小節(jié)省功率，對(duì)區(qū)熔工藝進(jìn)行操作的時(shí)候也比較方便、簡單。如果多晶體很粗的時(shí)候棒四周熔化就會(huì)非常不均勻留下很多難熔點(diǎn)會(huì)破壞線圈，也會(huì)妨礙到區(qū)熔工藝的進(jìn)行。如果加熱線圈內(nèi)徑太大就會(huì)十分耗費(fèi)功率，還會(huì)在進(jìn)行放肩縮頸的時(shí)候壓垮熔區(qū)，如果外徑太小，單晶外周受到高頻感應(yīng)的作用也會(huì)變小，相反如果線圈外徑太大線圈的電感量就會(huì)越大，線圈磁場對(duì)熔區(qū)的壓迫也隨之慢慢變小，在線圈的表面上可以有一定的斜度存在這樣對(duì)消除線圈的尖刺很有幫助。在進(jìn)行區(qū)熔的時(shí)候，出現(xiàn)的尖刺成了工藝運(yùn)行時(shí)的阻礙，分析尖刺出現(xiàn)的主要原因就是加熱線圈與熔體之間產(chǎn)生的磁力將熔體慢慢推向軸心，當(dāng)原料太粗或者線圈的內(nèi)徑過小時(shí)熔體向中心的趨勢就會(huì)越強(qiáng)，否則就會(huì)越來越小，那些不會(huì)被熔化的就會(huì)慢慢形成尖刺的形狀，嚴(yán)重的還會(huì)影響到工藝的正常進(jìn)行只能停爐進(jìn)行整修。

3結(jié)束語

綜上所述，通過對(duì)大直徑區(qū)熔硅單晶的生長機(jī)制研究，可以看出通過氣相摻雜的技術(shù)來對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，從而得出大直徑的區(qū)熔硅單晶，硅單晶無位錯(cuò)與電阻率的均勻性控制良好，因此在大直徑區(qū)熔硅單晶的工藝中，要使整個(gè)的過程保持平滑過渡，相信在眾多技術(shù)人員的共同努力下，未來該方面會(huì)取得更大的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]沈文杰.大直徑區(qū)熔硅單晶生長設(shè)備電磁場及溫度場的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究.機(jī)械電子工程.浙江大學(xué).2013（學(xué)位年度）.

[2]王彥君.大直徑區(qū)熔硅單晶的研究與制備.材料工程.河北工業(yè)大學(xué).2014（學(xué)位年度）.

[3]王美.懸浮區(qū)熔法生長大直徑單晶硅的數(shù)值模擬及其熱場分析.凝聚態(tài)物理.南開大學(xué).2014（學(xué)位年度）.