CN101717993B - 直拉重掺锑单晶的掺杂方法及掺杂装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直拉重掺锑单晶的掺杂方法及掺杂装置。掺杂装置包括石英罩和小石英坩埚，将盛有掺杂剂锑的小石英坩埚悬挂在石英罩内，小石英坩埚的底部设有一个小孔。采用该掺杂装置，在硅料熔化完成后，将掺杂剂锑有效的掺入硅熔体中，在掺杂过程中，掺杂剂锑从小孔流入熔硅的瞬间飞溅被有效地控制在石英罩内，避免了对炉膛气氛的破坏，有效解决了因反应剧烈造成的飞溅而导致掺杂剂锑较难掺入硅料中的问题；由于掺杂时间短，减少了掺杂剂蒸发的影响；掺杂过程反应平稳可控，能够精确的设定掺杂剂重量，即可以有效控制掺杂剂浓度。不但提高了锑掺杂的效率，而且节约了掺杂剂的成本，同时提高了重掺锑单晶的成晶率，从而满足了国内外市场对重掺锑单晶的需求。

Description

直拉重掺锑单晶的掺杂方法及掺杂装置

技术领域

本发明涉及硅单晶的生产方法，特别涉及一种直拉重掺锑单晶的掺杂方法及掺杂装置。

背景技术

众所周知，作为半导体材料的重掺单晶常用的掺杂剂有三种，分别是磷、锑和砷。砷与其化合物存在毒性，从其较高的防护成本与环保问题的考虑，较少被单晶生产厂家所采用；磷作为常规的掺杂剂，具有较大的扩散系数，在重掺杂后，对于后道产品的加工工序，有不利的方面；因此，只有锑作为掺杂剂，体现出较好的优越性，虽然，锑作为掺杂剂有着独特的优势，但是，也因其特殊的物理化学性质，常规的掺杂方式(1、掺杂剂与硅料同熔法；2、将硅料熔化完后，隔离置换，将单质掺杂剂投入熔体中的方法；3、母合金掺杂法。)都不同程度存在较难顺利地掺入硅中的问题。例如：掺杂剂锑熔化时间长，挥发量难以控制；掺杂剂与硅液剧烈反应，产生飞溅，破坏炉膛气氛，影响拉晶等等。母合金掺杂法由于需要母合金的杂质溶度大，制备有效母合金的难度也是比较大的，该方法对于锑元素掺杂同样不可取。

除此之外，近年来有的厂家为了克服常规的掺杂方式所存在的问题，先后出现采用漏斗式或导管式的掺杂装置来解决直拉重掺锑单晶的掺杂问题。但是，由于掺杂剂锑与硅的物理性质不同，尤其是熔点不同，锑的熔点是630.74℃，与硅熔点1410℃相比有较大差异，采用漏斗式或导管式掺杂装置进行掺杂时，也存在以下问题：

1、掺杂剂锑在熔化后，流入熔硅的瞬间，由于熔点的较大差异，与硅液剧烈反应，产生飞溅，破坏炉膛气氛，会影响晶体成晶率，造成晶体成品率低，生产成本大。

2、产生的飞溅，导致飞溅出的掺杂剂没有被有效的掺入硅熔体中，造成掺杂剂的浪费。

3、产生的飞溅，导致飞溅出的掺杂剂没有被有效的掺入硅熔体中，造成掺杂量不精准，容易导致生长晶体的电阻率出现偏差，甚至不能达到要求的电阻率范围，掺杂效率不高。

发明内容

鉴于上述存在的问题，本发明提供一种直拉重掺锑单晶的掺杂方法及掺杂装置。为了有效地解决锑掺杂的难题，通过对掺杂剂锑性质的分析研究，设计出适用于掺杂剂锑的掺杂装置。采用该掺杂装置，在硅料熔化完成后，将掺杂剂锑有效的掺入硅熔体中，从而成功实现了喇叭口钟罩形掺杂装置对锑的掺杂。

一种直拉重掺锑单晶的掺杂装置，其特征在于，包括石英罩和小石英坩埚，所述的小石英坩埚悬挂固定在石英罩内，小石英坩埚的底部设有一个小孔。

一种直拉重掺锑单晶的掺杂方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、根据单晶炉投料量将称量好的掺杂剂锑放入小石英坩埚内；

(2)、将盛有掺杂剂锑的小石英坩埚悬挂固定在石英罩内；

(3)、待单晶炉内多晶硅料化料完成后，关闭单晶炉翻板阀门，进行隔离操作程序，隔离完成后，打开上炉室炉门；

(4)、打开炉门后，从设备提拉头钢缆上取下拉晶用夹头；

(5)、将掺杂装置与设备提拉头的钢缆相连，并且固定在钢缆上，再对钢缆进行上下升降操作，确定掺杂装置可以跟着钢缆的动作而上下移动；

(6)、关闭上炉室炉门，单晶炉进行置换操作程序，打开单晶炉翻板阀门；

(7)、调整单晶炉功率，使熔硅液面保持稳定状态后，下降提拉头钢缆，使掺杂装置降至熔硅液面位置，随着温度的升高，开始熔化成液态的掺杂剂锑从小石英坩埚的底部小孔处漏下，熔入下面的硅液中；

(8)、直到所有的掺杂剂锑熔化成液态，全部从小石英坩埚底部小孔漏出后，提升设备提拉头钢缆，使掺杂装置升至上炉室，冷却3-5分钟；

(9)、关闭单晶炉翻板阀门，再次进行离操作程序，隔离完成后，打开上炉室炉门；

(10)、从设备提拉头钢缆上取下掺杂装置，换上拉晶用夹头；

(11)、关闭上炉室炉门，单晶炉进行置换操作程序，打开单晶炉翻板阀门，完成整个掺杂操作步骤。

本发明所产生的有益效果是：采用该掺杂装置，在硅料熔化完成后，将掺杂剂锑有效的掺入硅熔体中，在掺杂过程中，掺杂剂锑从小孔流入熔硅的瞬间飞溅被有效的控制在石英罩内，避免了对炉膛气氛的破坏，有效解决了因反应剧烈造成的飞溅而导致掺杂剂锑较难掺入硅料中的问题；由于掺杂时间短，减少了掺杂剂蒸发的影响；掺杂过程反应平稳可控，能够精确的设定掺杂剂重量，即可以有效控制掺杂剂浓度。不但提高了锑掺杂的效率，而且节约了掺杂剂的成本，同时提高了重掺锑单晶的成晶率，从而满足了国内外市场对重掺锑单晶的需求。

附图说明

图1是本发明掺杂装置结构主视图并作为摘要附图；

图2是图1的俯视图；

图3是掺杂装置中的液态掺杂剂锑熔入硅液中的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明设计的掺杂装置包括石英罩1和小石英坩埚2，小石英坩埚2悬挂固定在石英罩1内，小石英坩埚2的底部设有一个小孔21。底部小孔21直径设为5±0.2mm。石英罩1包括直筒11、喇叭形罩12、罩盖13，罩盖13的顶上设有用于悬挂的吊环14。直筒11内壁上设有用于悬挂固定小石英坩埚2的两个定位凹槽15，小石英坩埚2的坩埚边上设有与两个定位凹槽15相固定配合的外沿22，如图1、2所示。

直筒11和喇叭形罩12加工一体，总高190mm，其中直筒11高120mm，在直筒11三分之二高度的内壁上设有两个凸出的定位凹槽15，直筒11直径110mm，喇叭形罩12口直径230mm。罩盖13与顶上的吊环14加工一体。

小石英坩埚2与坩埚边上设置的两个用于支撑的外沿22加工一体，外沿22与定位凹槽15是带有一定间隙的固定配合，并且在坩埚底部设置有一个小孔21，底部小孔21直径5mm。小石英坩埚2直径90mm(连同双边外沿长96mm)，高35mm。

以上掺杂装置是在KAYEXCG6000单晶炉中完成直拉重掺锑单晶的掺杂，其步骤如下：

(1)、根据单晶炉投料量，使用镊子将称量好的掺杂剂锑放入小石英坩埚内，虽然小石英坩埚底部有一个直径5mm的小孔，但由于锑在常温下是不规则块状固体，因此，不会从小石英坩埚的小孔内漏出。根据单晶炉投料量的多少，确定掺杂剂的重量。根据热场不同，掺杂剂锑与多晶硅投料量的重量比为1∶100～200。通常情况下，使用16英寸热场，投料量为35-55kg多晶硅料，掺杂剂锑的重量为200-300g。

(2)、将盛有掺杂剂锑的小石英坩埚悬挂在石英罩内，固定牢固，确定在该装置移动的状态下，小石英坩埚不会掉落。

(3)、待单晶炉内多晶硅料化料完成后，关闭单晶炉翻板阀门，进行隔离操作程序，隔离完成后，打开上炉室炉门。

(4)、打开炉门后，从设备提拉头钢缆上取下拉晶用夹头。

(5)、将掺杂装置与设备提拉头的钢缆相连，并且通过掺杂装置上的吊环固定在钢缆上。

(6)、关闭上炉室炉门，单晶炉进行置换操作程序，打开单晶炉翻板阀门。

(7)、调整单晶炉功率，使熔硅液面保持稳定状态后，下降提拉头钢缆，使掺杂装置降至熔硅液面位置，随着掺杂装置逐渐降入高温区，掺杂装置内的温度逐渐升高并超过掺杂剂锑的熔点，小石英埚内的掺杂剂锑开始熔化成液态，于是，熔化成液态的掺杂剂锑从小石英坩埚的底部小孔处漏下，熔入下面的硅液中。掺杂剂锑在熔入硅料时，由于两种材料温差较大，会呈现剧烈反应的状态，但由于受到石英罩的压制，剧烈的反应被有效的抑制，避免了对炉膛内拉晶气氛的破坏，有效的提高了成晶效率。

(8)5-10分钟后，直到所有的掺杂剂锑熔化成液态，全部从小石英坩埚底部小孔漏出后，提升设备提拉头钢缆，使掺杂装置升至上炉室，冷却3-5分钟。

(9)、关闭单晶炉翻板阀门，再次进行离操作程序，隔离完成后，打开上炉室炉门。

(10)、从设备提拉头钢缆上取下掺杂装置，换上拉晶用夹头。

(11)、关闭上炉室炉门，单晶炉进行置换操作程序，打开单晶炉翻板阀门，完成整个掺杂操作步骤。此时可以开始正常单晶生长程序。

综上所述，由于锑的熔点较低，熔点630.74℃，与硅熔点1410℃相比，有较大差异。由于是重掺杂单晶，掺杂浓度较大，炉膛内随着锑的掺入，产生的挥发物会很多，如果掺杂过程不当，还会使掺杂剂与熔硅混合的瞬间产生剧烈的反应，产生飞溅等情况，破坏单晶炉炉膛气氛，会影响晶体成晶率，造成该品种晶体成品率低，生产成本大。

其次，锑的蒸发系数较大，在硅熔体中的具有很强的蒸发性。同样条件下，C_L：熔体中的掺杂剂浓度；C_L0：熔体中初始的掺杂剂浓度；d：熔体比重；E：蒸发速率常数；A：蒸发表面积；W：熔体重量；t：蒸发时间：

其蒸发反应式： $C_L=C_{L0}{e}^{-\frac{\mathrm{dEA}}{W}t}$

即当t＝t₀时，即C_L＝C_L0/e，当杂质的蒸发时间为t₀时，杂质在熔体中的浓度只有初始浓度的1/e。T₀称为杂质的蒸发时间常数。由此可以看出，熔体中的杂质浓度随时间按指数规律下降，因此，掺杂与拉晶过程时间越长，所生产的晶体电阻率越容易超出要求的范围。

同等状态下，磷的蒸发常数为10^-4cm/s，砷的蒸发常数为5×10^-3cm/s，而锑的蒸发常数为7×10^-2cm/s。从数据上可以看出，锑的蒸发性大于磷与砷。由于掺杂剂性质的差异，使得锑作为掺杂剂，由于蒸发性大的条件影响，对生长晶体的电阻率控制较为困难。一方面，为了晶体电阻率在要求的范围内，就要保证掺杂剂浓度有效，需要具有足够的掺杂量；另一方面，如果掺杂剂在长时间的状态下蒸发太多，会使得有效掺杂剂浓度变少，将导致生长晶体的电阻率出现偏差，超出要求的范围，降低了掺杂效率。因此，除了掺杂装置之外，在掺杂过程中，掺杂重量与掺杂所用的时间也是掺杂的关键。

图3给出了掺杂装置中的液态掺杂剂锑4流入多晶原料用石英坩埚5里，熔入硅液6中的示意图。其中，与掺杂装置上的吊环14固定连接的是钢缆3。

Claims (1)

1.一种直拉重掺锑单晶的掺杂方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、根据单晶炉投料量将称量好的掺杂剂锑放入小石英坩埚内；

(2)、将盛有掺杂剂锑的小石英坩埚悬挂固定在石英罩内；

(3)、待单晶炉内多晶硅料化料完成后，关闭单晶炉翻板阀门，进行隔离操作程序，隔离完成后，打开上炉室炉门；

(4)、打开炉门后，从设备提拉头钢缆上取下拉晶用夹头；

(5)、将掺杂装置与设备提拉头的钢缆相连，并且固定在钢缆上，再对钢缆进行上下升降操作，确定掺杂装置可以跟着钢缆的动作而上下移动；

(6)、关闭上炉室炉门，单晶炉进行置换操作程序，打开单晶炉翻板阀门；

(7)、调整单晶炉功率，使熔硅液面保持稳定状态后，下降提拉头钢缆，使掺杂装置降至熔硅液面位置，随着温度的升高，开始熔化成液态的掺杂剂锑从小石英坩埚的底部小孔处漏下，熔入下面的硅液中；

(8)、直到所有的掺杂剂锑熔化成液态，全部从小石英坩埚底部小孔漏出后，提升设备提拉头钢缆，使掺杂装置升至上炉室，冷却3-5分钟；

(9)、关闭单晶炉翻板阀门，再次进行隔离操作程序；隔离完成后，打开上炉室炉门；

(10)、从设备提拉头钢缆上取下掺杂装置，换上拉晶用夹头；

(11)、关闭上炉室炉门，单晶炉进行置换操作程序，打开单晶炉翻板阀门，完成整个掺杂操作步骤。 

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