CN100585031C - <110>无位错硅单晶的制造方法 - Google Patents

<110>无位错硅单晶的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及硅单晶的拉晶工艺，特别涉及一种适用于半导体和太阳能光电器件的<110>无位错单晶的制造方法以及对在制造方法过程中使用的石墨热系统的改进。该方法包括如下步骤：(1).在引晶工艺中，引晶直径应≥5mm，其收放比例为100%，引晶拉速应≥5mm/min，引晶长度为150-300mm；(2).在放肩工艺中，放肩速度为0.2～1.5mm/min；(3).在等径工艺中，单晶头部拉速应为1.0-3.0mm/min，尾部拉速应为0.5-2.0mm/min；(4).在收尾工艺中，单晶收尾长度应大于晶体的直径，收尾最小直径应≤10mm。制造<110>无位错硅单晶的石墨热系统的上保温筒的保温层厚度为20～30mm，下保温筒的保温层厚度为60～70mm，炉底护盘的保温层厚度为70～80mm。本发明成功实现了生产<110>无位错单晶，从而满足了国内外市场对<110>无位错单晶的需求。

Description

<110>无位错硅单晶的制造方法
技术领域
本发明涉及硅单晶的拉晶工艺，特别涉及一种适用于半导体和太阳能光电器件的<110>无位错单晶的制造方法以及对在制造方法过程中使用的石墨热系统的改进。
技术背景
众所周知在硅晶体的晶格中，由于(110)晶面与(111)晶面的夹角为90°和35°16′，夹角为90°(111)晶面上的位错与<110>晶向一致，利用传统的拉晶工艺生产<110>单晶，同样存在着位错缺陷，因此，要想生产<110>无位错单晶，必须排除位错，而克服位错缺陷一直是拉晶工艺中的技术难题。
发明内容
为了有效地避免<110>单晶的位错产生，成功拉制出<110>无位错单晶，经技术人员的无数次拉晶试验，终于摸索出适用于生产<110>无位错单晶的方法。该方法主要应用在拉晶工艺中的引晶、放肩、等径及收尾工艺。通过多次试验、总结、分析后得出：采取大幅度提高拉速、控制引晶直径和长度，采取控制放肩速度、增加单晶收尾长度及控制收尾单晶直径等技术手段，是成功拉制<110>无位错单晶的关键，同时，适应拉制<110>无位错单晶的工艺条件更不可忽视。
<100>、<110>和<111>是硅单晶常用的晶面，它们生长所需的温度梯度也不尽相同，这是由于不同晶向的硅单晶面间距不同，生长时各晶面法向生长速度也就不同。面间距大的，原子间的吸引力小，生长较为困难，因而生长速度慢；面间距小的，原子间的吸引力大，生长较为容易，因而生长速度相对较快，所以，{100}晶面族的法向生长速度最快；{110}晶面族次之；{111}晶面族最慢。腐蚀时与此类似，{100}晶面族的腐蚀速率最快；{110}晶面族次之；{111}晶面族最慢。这就使得不同晶向的单晶生长所需温度梯度也不同。
<111>所需温度梯度最大，<100>所需温度梯度最最小，而<110>晶向的硅单晶的生长在热场梯度的要求上界于<111>晶向<100>晶向之间。
利用原有的热系统拉制<110>无位错单晶，经多次试验发现成晶方面基本无影响，但是单晶基本缺陷存有较大问题如下：
A、原热场梯度偏小<110>单晶生长速度提高会出现单晶外型成椭圆状，(籽晶晶向偏离度也会有影响)不利于单晶后道工序的加工，或根本不成晶。
B、热场梯度偏大单晶经常中途断棱，影响无位错单晶的有效长度。
C、由于<110>晶向单晶的位错增生具有它的特殊性，如果热场梯度太大单晶前部和后部温度差被有效拉开，一旦位错生成将有可能在热应力的冲击下位错会贯穿整棵单晶。
综上所述，为了达到适应拉制<110>无位错单晶的热场温度梯度，必须重新设计上保温筒、下保温筒及炉底护盘的保温层厚度。
本发明为了成功拉制<110>无位错单晶所采取的技术方案是：一种<110>无位错单晶的制造方法，包括如下步骤：
(1).在引晶工艺中，引晶直径应≥5mm，其收放比例为100％，引晶拉速应≥5mm/min，引晶长度为150-300mm；
(2).在放肩工艺中，放肩速度为0.2～1.5mm/min；
(3).在等径工艺中，单晶头部拉速应为1.0-3.0mm/min，尾部拉速应为0.5-2.0mm/min；
(4).在收尾工艺中，单晶收尾长度应大于晶体的直径，收尾最小直径应≤10mm。
一种制造<110>无位错单晶的石墨热系统包括上保温筒，下保温筒及炉底护盘，其特征在于，上保温筒的保温层厚度为20～30mm，下保温筒的保温层厚度为60～70mm，炉底护盘的保温层厚度为70～80mm。
本发明产生的有益效果是：成功实现了生产<110>无位错单晶，从而满足了国内外市场对<110>无位错单晶的需求。
附图说明
图1是本发明使用的石墨热系统结构剖视图并作为摘要附图。
具体实施方式
本发明中所采用的单晶炉是JRDL-800、CG6000型单晶炉，炉内压力：1.3-1.6×103Pa(15-20Torr)；热系统是Φ16~18″石墨热系统；石英埚是Φ16~18″石英坩埚，埚升比例：1.0∶0.128；籽晶类型是P型<110>；减压保护气体是高纯氩气；氩气流量：40-60L/min。
具体操作要求
引晶
由于<110>晶向的单晶排除位错较难，因此要求操作工引晶要有明显的收放趋势，引晶直径不小于5mm收放比例约100％，引晶拉速不得低于5mm/min，引晶长度要大于<100>晶向的要求，具体长度一般为200mm左右。
放肩
由于<110>晶向的单晶为对称双棱，因此放肩操作时要控制好放肩速度，避免放肩速度过快成椭圆，因此要求放肩速度0.2~1.5mm/min。
等径
单晶在保持过程中避免较大的温度起伏和机械振动，单晶头部拉速控制在1.0-3.0mm/min尾部0.5-2.0mm/min。
收尾
单晶收尾长度应大于晶体的直径，例如如果晶体的直径为4时，那么单晶收尾长度应大于4时，收尾最小直径要小于10mm。
参照附图，在本发明中，为了调整石墨热系统的温度梯度，而重新设计了石墨热系统中的上保温筒1、下保温筒2和炉底护盘3的保温层厚度，其中：上保温筒1的保温层厚度设为26mm，下保温筒2的保温层厚度设为64mm，炉底护盘3的保温层厚度设为78mm，可采用碳毡(或硬毡)作为保温材料。
<110>无位错单晶在本发明中未涉及的其它生产工艺均可参照普通<110>硅单晶工艺操作，在此不再描述。

Claims (1)

1.一种<110>无位错硅单晶的制造方法，包括如下步骤：
(1).在引晶工艺中，引晶直径应≥5mm，其收放比例为100％，引晶拉速应≥5mm/min，引晶长度为150-300mm；
(2).在放肩工艺中，放肩速度为0.2～1.5mm/min；
(3).在等径工艺中，单晶头部拉速应为1.0-3.0mm/min，尾部拉速应为0.5-2.0mm/min；
(4).在收尾工艺中，单晶收尾长度应大于晶体的直径，收尾最小直径应≤10mm。
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