專利名稱：大直徑區(qū)熔硅單晶制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅單晶制備方法，特別涉及一種用于生產(chǎn)大功率、高電壓、大電流半導(dǎo)體器件的大直徑區(qū)熔硅單晶制備方法。
背景技術(shù)：
作為半導(dǎo)體硅材料之一的區(qū)熔硅單晶，主要是用于半導(dǎo)體功率器件、功率集成器件及半導(dǎo)體集成電路的主體功能材料。隨著微電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體工業(yè)對(duì)硅材料也提出了更新、更高的要求。半導(dǎo)體器件廠家隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，出于提高生產(chǎn)率、降低成本、增加利潤的目的，都逐步要求增大硅片直徑。多年來，晶體的大直徑化一直是半導(dǎo)體器件制備業(yè)和半導(dǎo)體材料制備業(yè)永恒的追求目標(biāo)。眾所周知，利用3″以下小直徑區(qū)熔硅單晶傳統(tǒng)的制備方法，制備3″以上大直徑區(qū)熔硅單晶，尤其是5″、6″區(qū)熔硅單晶是無法成功實(shí)現(xiàn)的。為了盡快滿足大型水利火力發(fā)電工程用大功率、高電壓、大電流的電力電子器件領(lǐng)域以及尖端國防領(lǐng)域的需求，幾年來，技術(shù)人員一直在探索研究制備大直徑區(qū)熔硅單晶的方法，關(guān)鍵是它的拉晶工藝，要想攻破相當(dāng)困難。在多次試驗(yàn)過程中，技術(shù)人員遇到了惰性氣體電擊穿效應(yīng)、肩部生長的回熔現(xiàn)象、固液生長界面翻轉(zhuǎn)等一系列晶體生長的關(guān)鍵性問題。因此技術(shù)人員面臨解決上述技術(shù)難題，盡快摸索出制備大直徑區(qū)熔硅單晶的艱巨任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述技術(shù)現(xiàn)狀及技術(shù)難題，為成功實(shí)現(xiàn)制備大直徑區(qū)熔硅單晶，本發(fā)明采取了1.控制界面翻轉(zhuǎn)過程中的加熱功率；2.調(diào)整N2的充入時(shí)機(jī)及比例；3.重新進(jìn)行生長硅單晶熱場的設(shè)計(jì)，由此，本發(fā)明提供一種大直徑區(qū)熔硅單晶制備方法，并對(duì)實(shí)施本方法的區(qū)熔單晶爐的熱系統(tǒng)部分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種大直徑區(qū)熔硅單晶制備方法，其特征在于利用區(qū)熔單晶爐進(jìn)行以下操作當(dāng)區(qū)熔硅單晶的直徑擴(kuò)肩到Φ110mm～130mm時(shí)，發(fā)生界面翻轉(zhuǎn)，此時(shí)，立即調(diào)整區(qū)熔單晶爐發(fā)生器設(shè)定的陽極電壓，每隔5～10秒，將陽極電壓設(shè)定點(diǎn)增加0.1％～0.3％；當(dāng)區(qū)熔硅單晶的直徑擴(kuò)肩到Φ110mm時(shí)，將區(qū)熔單晶爐編碼器控制下軸向下的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定在2.0～2.4mm/分范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度設(shè)定在4～6轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)；在抽空充氣過程中，拉晶所需爐膛壓力應(yīng)達(dá)3.0bar～3.2bar，當(dāng)區(qū)熔硅單晶的直徑擴(kuò)肩到Φ110mm時(shí)，開始充入N2，充入N2的比例相對(duì)于Ar的0.5％～0.6％。
一種大直徑區(qū)熔硅單晶制備方法的區(qū)熔單晶爐，它包括感應(yīng)線圈及反射器，其特征在于所述的感應(yīng)線圈的外徑設(shè)計(jì)為180mm～200mm；其內(nèi)孔直徑設(shè)計(jì)為26mm～30mm，所述反射器的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為160mm～180mm；反射器感應(yīng)線圈的可調(diào)節(jié)距離設(shè)計(jì)為30mm～40mm。
在單晶的生長過程中，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)界面翻轉(zhuǎn)的過程，即生長界面由凸變凹。在小直徑單晶的生長中，這一過程一般發(fā)生在單晶的等徑或放肩階段。而對(duì)于大直徑單晶來說，界面翻轉(zhuǎn)一般發(fā)生在放肩階段，也就是當(dāng)單晶直徑擴(kuò)肩到Φ110mm～130mm時(shí)，發(fā)生界面翻轉(zhuǎn)。在界面翻轉(zhuǎn)過程中將出現(xiàn)局部晶體的回熔，生長界面的熱平衡將發(fā)生改變，建立新的熱平衡，這一過程要根據(jù)生長界面的情況，及時(shí)補(bǔ)充功率，但功率不能增加過多、過快，以免界面翻轉(zhuǎn)過后晶體直徑突然迅速增大，難以控制。因此通過多次實(shí)驗(yàn)得出操作者根據(jù)單晶的生長情況，熔區(qū)情況進(jìn)行判斷，每隔5～10秒補(bǔ)充功率，即緩慢增加陽極電壓設(shè)定點(diǎn)，來達(dá)到控制界面翻轉(zhuǎn)過程中加熱功率的目的。
為了解決高壓電離的問題，要在Ar保護(hù)氣氛中摻入一定比例的N2。但是，N2不能過早地?fù)饺?，因?yàn)樵诟邷叵聦⑸傻?，它不易熔化，一旦不能一次成晶，將?duì)再次成晶造成影響。因此，在單晶生長中，應(yīng)根據(jù)爐壓的情況，在擴(kuò)肩到Φ110mm時(shí)，摻入N2。N2的摻入比例應(yīng)控制在一定范圍，太少了不起作用，太多會(huì)對(duì)正常的單晶生長造成破壞。當(dāng)保護(hù)氣氛中氮含量≥5％時(shí)，會(huì)誘發(fā)位錯(cuò)的產(chǎn)生，造成對(duì)無位錯(cuò)單晶的破壞。通過實(shí)際探索，認(rèn)為N2的摻入比例在0.5％～0.6％為最佳(相對(duì)Ar)。另外，區(qū)熔硅單晶摻氮后，并不會(huì)對(duì)硅單晶的機(jī)械性能及電學(xué)性能造成影響，反而會(huì)提高硅片的機(jī)械強(qiáng)度，減少硅片的碎片率。
在拉晶過程中，隨著單晶直徑的增大，熔區(qū)深度、熔區(qū)體積及熔體質(zhì)量要增大，由此形成的熱應(yīng)力、熔體界面而產(chǎn)生的靜態(tài)壓強(qiáng)也要增大，維持熔區(qū)的穩(wěn)定性變得更加困難。因此，對(duì)于大直徑單晶的熱場設(shè)計(jì)，要求加熱線圈既要有足夠的功率輸出，又能產(chǎn)生大面積的均勻熱場，在軸向上，要兼顧上多晶料充分熔化所需的熔化功率和下生長界面處磁場的一定強(qiáng)度；在徑向上，要滿足大直徑多晶棒料的均勻熔化，防止“出刺”，又要滿足下生長界面磁場的均勻分布，所以在設(shè)計(jì)線圈上，界面應(yīng)能增強(qiáng)邊緣的電流密度；考慮高頻電流的集膚效應(yīng)，應(yīng)適當(dāng)增加線圈邊緣處的表面積，下界面應(yīng)能產(chǎn)生較小的徑向磁場梯度，增加生長界面邊緣的電流密度；并考慮電磁托浮力對(duì)下界面熔區(qū)的作用效果，保證熔區(qū)邊緣形狀的飽滿，利于單晶自由生長而又不使熔區(qū)流垮。本發(fā)明設(shè)計(jì)的扁平、針眼形狀感應(yīng)線圈可滿足上述技術(shù)要求，能夠穩(wěn)定生長大直徑區(qū)熔硅單晶。
經(jīng)過本發(fā)明制備的區(qū)熔硅單晶，經(jīng)國家信息產(chǎn)業(yè)部專用材料質(zhì)量檢驗(yàn)中心測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到SEMI標(biāo)準(zhǔn)，甚至高于SEMI標(biāo)準(zhǔn)要求。從而滿足了大型水利火力發(fā)電工程用大功率、高電壓、大電流的電力電子器件領(lǐng)域以及尖端國防領(lǐng)域?qū)Υ笾睆絽^(qū)熔硅單晶的需求。


圖1是大直徑區(qū)熔硅單晶工藝流程圖，并作為摘要附圖。
圖2是區(qū)熔硅單晶生長示意圖。
圖3是圖2中感應(yīng)線圈形狀示意圖。
圖中1.感應(yīng)線圈，2.反射器。
具體實(shí)施例方式
生產(chǎn)大直徑區(qū)熔硅單晶，尤其是Φ≥4″的區(qū)熔硅單晶，無論對(duì)拉晶工藝還是拉晶設(shè)備都是一種考驗(yàn)。本發(fā)明公開的區(qū)熔單晶爐是由丹麥托普索公司生產(chǎn)的，型號(hào)為FZ-30。在拉晶過程中，需要不斷的調(diào)整區(qū)熔單晶爐發(fā)生器的設(shè)定點(diǎn)，而該設(shè)備發(fā)生器陽極電壓設(shè)定點(diǎn)是以百分比給出，即每一次調(diào)整功率，觸摸屏上顯示的永遠(yuǎn)是百分比。例如當(dāng)區(qū)熔硅單晶直徑擴(kuò)肩到Φ110mm～130mm時(shí)，此時(shí)的陽極電壓設(shè)定點(diǎn)一般為70％，如果將陽極電壓增加0.1％，那么觸摸屏上顯示的設(shè)定點(diǎn)應(yīng)該是70.1％。
根據(jù)上述公開的本發(fā)明，以5″、6″區(qū)熔硅單晶為例，在具體實(shí)施中，為獲得最佳效果，其制備方法略有不同，現(xiàn)將不同之處分別描述如下5″區(qū)熔硅單晶當(dāng)區(qū)熔硅單晶的直徑擴(kuò)肩到Φ110mm時(shí)，將區(qū)熔單晶爐編碼器控制下軸向下的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定為2.2mm/分；其轉(zhuǎn)動(dòng)速度設(shè)定為5轉(zhuǎn)/分；在抽氣、充氣過程中，拉晶所需爐膛壓力應(yīng)達(dá)到3.0bar；當(dāng)區(qū)熔硅單晶的直徑擴(kuò)肩到Φ110mm時(shí)，開始充入N2，充入N2的比例相對(duì)于Ar的0.5％，感應(yīng)線圈1的外徑設(shè)計(jì)為180mm；其內(nèi)孔直徑設(shè)計(jì)為28mm，反射器2內(nèi)徑設(shè)計(jì)為160mm；反射器(2)與感應(yīng)線圈(1)的可調(diào)節(jié)距離設(shè)計(jì)為35mm。
6″區(qū)熔硅單晶當(dāng)區(qū)熔硅單晶的直徑擴(kuò)肩到Φ110mm時(shí)，區(qū)熔單晶爐編碼器控制下軸向下的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定為2.0/分；其轉(zhuǎn)動(dòng)速度設(shè)定為4轉(zhuǎn)/分；在抽氣、充氣過程中，拉晶所需爐膛壓力應(yīng)達(dá)到3.2bar；當(dāng)區(qū)熔硅單晶的直徑擴(kuò)肩到Φ110mm時(shí)，開始充入N2，充入N2反射器2內(nèi)徑設(shè)計(jì)為180mm；反射器(2)與感應(yīng)線圈(1)的可調(diào)節(jié)距離設(shè)計(jì)為35mm。
上述所述的感應(yīng)線圈1為扁平針眼形狀。
權(quán)利要求
1.一種大直徑區(qū)熔硅單晶制備方法，其特征在于利用區(qū)熔單晶爐進(jìn)行以下操作當(dāng)區(qū)熔硅單晶的直徑擴(kuò)肩到Φ110mm～130mm時(shí)，發(fā)生界面翻轉(zhuǎn)，此時(shí)，立即調(diào)整區(qū)熔單晶爐發(fā)生器設(shè)定的陽極電壓，每隔5～10秒，將陽極電壓設(shè)定點(diǎn)增加0.1％～0.3％；當(dāng)區(qū)熔硅單晶的直徑擴(kuò)肩到Φ110mm時(shí)，將區(qū)熔單晶爐編碼器控制下軸向下的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定在2.0～2.4mm/分范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度設(shè)定在4～6轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)；在抽空充氣過程中，拉晶所需爐膛壓力應(yīng)達(dá)3.0bar～3.2bar，當(dāng)區(qū)熔硅單晶的直徑擴(kuò)肩到Φ110mm時(shí)，開始充入N2，充入N2的比例相對(duì)于Ar的0.5％～0.6％。
2.一種大直徑區(qū)熔硅單晶制備方法的區(qū)熔單晶爐，它包括感應(yīng)線圈(1)及反射器(2)，其特征在于所述的感應(yīng)線圈(1)的外徑設(shè)計(jì)為180mm～200mm；其內(nèi)孔直徑設(shè)計(jì)為26mm～30mm，所述反射器(2)的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為160mm～180mm；反射器(2)與感應(yīng)線圈(1)的可調(diào)節(jié)距離設(shè)計(jì)為30mm～40mm。
3.如權(quán)利要求2所述的大直徑區(qū)熔硅單晶制備方法的區(qū)熔單晶爐，其特征在于所述的感應(yīng)線圈(1)為扁平針眼形狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅單晶制備方法，特別涉及一種用于生產(chǎn)大功率、高電壓、大電流半導(dǎo)體器件的大直徑區(qū)熔硅單晶制備方法。當(dāng)區(qū)熔硅單晶的直徑擴(kuò)肩到Φ110mm～130mm時(shí)，發(fā)生界面翻轉(zhuǎn)，此時(shí)，立即調(diào)整區(qū)熔單晶爐發(fā)生器設(shè)定的陽極電壓，每隔5～10秒，將陽極電壓設(shè)定電增加0.1％～0.3％；當(dāng)區(qū)熔硅單晶的直徑擴(kuò)肩到Φ110mm時(shí)，將區(qū)熔單晶爐編碼器控制下軸向下的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定在2.0～2.4mm/分范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度設(shè)定在4～6轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)；在抽空充氣過程中，拉晶所需爐膛壓力應(yīng)達(dá)3.0bar～3.2bar，當(dāng)區(qū)熔硅單晶的直徑擴(kuò)肩到Φ110mm時(shí)開始充入N
文檔編號(hào)C30B15/20GK1724723SQ20051001385
公開日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2005年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月15日
發(fā)明者沈浩平, 劉為鋼, 高福林, 高樹良, 李翔, 汪雨田 申請(qǐng)人:天津市環(huán)歐半導(dǎo)體材料技術(shù)有限公司