CN102080265B - 一种改进的中子掺杂硅晶体热处理工艺方法 - Google Patents

一种改进的中子掺杂硅晶体热处理工艺方法 Download PDF

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Abstract

一种中子掺杂晶体热处理工艺方法，它包括下述步骤：1)中子掺杂后的晶体的清洗，清洗包括：纯水清洗和与混酸的化学反应以及之后的清洗；混酸中硝酸与氢氟酸的体积比范围为8∶1到3∶1；2)在热处理前，在样片的两端放置隔离物，随后进行热处理；3)将以上晶体按照一定的加热过程进行热处理；4)热处理过程结束后，对晶体进行表面喷砂处理或研磨处理后检验从而验证该工艺方法的效果。本发明的优点是处理工艺简便，效果好，可提高热处理后晶体的少子寿命。

Description

一种改进的中子掺杂硅晶体热处理工艺方法
技术领域
本发明涉及一种利用热处理的方法消除中子辐照损伤，激活嬗变的磷原子。具体地说，就是对中照掺杂晶体中晶格畸变的元素在高温下进行重新排列，以消除中照损伤，达到预期的电学参数。
背景技术
自然界中硅的同位素30Si约占3％左右，在硅(28Si)中均匀分布。在反应堆中，中子与30Si发生核反应：
30Si(n，γ)——31Si，
30Si与中子反应放出γ射线形成不稳定的31Si。31Si的半衰期2.62小时，衰变成稳定的31P，放出β射线(电子)。31Si——31P+e-
根据原生单晶的P含量(电阻率)和目标电阻率决定中照的剂量。(周期表中Si的原子序数14，P的原子序数15)
未经掺杂的高纯区熔本征硅单晶通过中子照射，使部分硅原子变成磷原子，从而获得掺杂原子的高均匀分布的效果。这一工艺大大提高了原始单晶硅材料的有效利用率；电阻率均匀性好，从而大幅度改善单晶硅性能，保证了器件的成品率和优级品率。其主要用于制作半导体功率器件(SR硅整流器、SCR可控硅、GTR巨型晶体管、GRO晶闸管、SITH静电感应晶闸管、IGBT绝缘栅双极晶体管、PIN超高压二极管、SMART POWER智能功率器件、POWER IC功能集成器件等)以及半导体功率集成电路的主体功能材料，也是多种高能探测器、光电子器件和特殊功率器件等的主体功能材料。
由于中子辐照后的单晶内，存在着晶格损伤，其电学性质也受到显著破坏，这样的晶体不经过退火是无法直接使用的，热处理是生产中子掺杂晶体中必不可少的环节。
而且许多实验都证明了热处理工艺比辐照条件更明显的影响着中子掺杂单晶的质量，因此热处理的过程至关重要。
目前的热处理工艺存在着以下几个问题：
1.中子掺杂单晶，存在着一些金属元素的沾污，清洗不彻底，金属元素的残留直接导致少子寿命参数降低；
2.不当的升温和降温速率会导致晶体因受热不均产生破裂甚至通体裂；
3.在热处理过程中，同样的处理环境下晶体的电阻率和均匀性参数无明显差别，但不同位置的少子寿命参数统计平均值差异较大，大量的试验数据表明，相同的热处理条件下，最外侧晶体少子寿命的统计平均值明显低于中间位置晶体的少子寿命，以下是一组在没有隔离物条件下进行热处理得到的少子寿命参数的数据，在空气的气氛下，热处理的加热过程为：从室温开始加热1.5小时缓慢升温到600℃，再从600℃加热1小时到800℃，然后800℃恒温2小时后开始降温，1.5小时到600℃，然后缓慢降温4小时到室温，以下是热处理后测得的少子寿命数据：
  晶体摆放位置   左端   中间   右端
  第一组寿命/μs   400/800   1200/1000   700/400
  第二组寿命/μs   240/900   1000/800   500/400
  第三组寿命/μs   300/1200   1200/1200   500/300
  第四组寿命/μs   300/1000   800/700   300/180
  寿命平均值/μs   310/975   1050/925   500/320
以上数据表明：中间位置的晶体寿命普遍高于两边位置晶体的寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的中子掺杂晶体热处理工艺方法，采用该方法可提高热处理后晶体的少子寿命。
为达到上述的发明目的，本发明采用以下技术方案：
这种中子掺杂晶体热处理工艺方法，它包括下述步骤：
1)、中子掺杂后的硅晶体的清洗，清洗包括：纯水清洗和与混酸的化学反应以及之后的清洗；混酸中硝酸与氢氟酸的体积比范围为8∶1到3∶1；
2)在热处理前，在样品的两端放置隔离物，所述的隔离物为中照硅单晶和/或区熔原生硅单晶，随后进行热处理；
3)、对以上硅晶体进行热处理，热处理包括：升温过程(T1)、(T2)，恒温过程(T2)及降温过程，其中，升温过程的第一温度(T1)为600℃-700℃，第二温度(T2)为800℃-900℃，升温速率控制在3℃/min-7℃/min；热处理温度达到第二温度(T2)后，保温二小时；再降至室温，以2℃/min-3℃/min速率降温；
4)、热处理过程结束后，对硅晶体进行表面喷砂处理或研磨处理后检验从而验证该工艺方法的效果。
所述的隔离物为少子寿命大于500us的中照硅单晶或少子寿命大于1000us区熔原生硅单晶。
所述的直接接触晶体承载器具为SiO2含量不小于99.995％的石英舟。
首先要对待处理的晶体进行清洗，清洗是先用纯水清洗干净，然后用特定比例的混合酸溶液(如硝酸与氢氟酸按3∶1混合或者5∶1混合)进行酸腐蚀，再用大量的纯水冲洗干净。
本发明中采用了隔离物，通常使用少子寿命较高的中照单晶或者区熔原生单晶作为隔离物。隔离物起到了阻隔外界环境中杂质的作用。
隔离物的要求：隔离物与热处理的晶体属于同一类晶体，且形状与热处理晶体类似；
隔离物在高温下不挥发任何金属元素；
隔离物必须放置在指定温区内，并分别放在热处理晶体的两端；
使用中要对隔离物进行反复酸洗，当隔离物的尺寸与外形发生变化时，需要更换新的隔离物。
对隔离物的选择需要非常严格，隔离物在高温下应不挥发任何金属元素；不与晶体发生任何物理或化学反应；隔离物不能有辐射现象；隔离物与热处理的晶体最好属于同一类晶体，且形状与热处理晶体类似，端面横截面要保证不小于待处理晶体的端面横截面；通常使用少子寿命大于500μs的中照单晶或者少子寿命大于1000μs的区熔原生单晶作为隔离物，这样可以避免隔离物可能带来的附加风险。
工艺中所采用的加热过程是：先从室温开始加热1.5小时缓慢升温到T1，再从T1加热1小时到T2，然后T2恒温2小时后开始降温，1.5小时到T1，然后缓慢降温4小时到室温，加热曲线见图二。
目前采用高频光电导衰减法测量Si中少子寿命。
本发明的优点是处理工艺简便，效果好，可提高热处理后晶体的少子寿命。
附图说明
图1加隔离物前后少子寿命参数对比图
图2热处理曲线
图1中，横座标为数据组，纵座标为少子寿命，每组数据中，左侧为无隔离物的少子寿命平均值，右侧为放隔离物的少子寿命平均值。
具体实施方式
实施例1
本发明步骤1中，待处理的晶体先用纯水清洗干净，再用特定比例的混合酸溶液(如硝酸与氢氟酸按3∶1混合或者5∶1混合)进行酸腐蚀，充分腐蚀后再用大量的纯水清洗干净。
本发明步骤2中的热处理温度曲线的设置主要呈梯形，其中有两个温控点比较关键，即T1(第一温度)(T1＝T3)和T2(第二温度)，本实验中选取T1为600℃，T2为800℃。温控曲线运行10小时左右。如下图所示，T1和T2的高低直接会影响到晶体晶格损伤的恢复，即影响晶体最终的少子寿命。
步骤3中，对隔离物的选择需要非常严格，隔离物在高温下应不挥发任何金属元素；不与晶体发生任何物理或化学反应；隔离物不能有辐射现象；隔离物与热处理的晶体最好属于同一类晶体，且形状与热处理晶体类似，端面横截面要保证不小于待处理晶体的端面横截面；通常使用电学参数较好的中照单晶或者区熔原生单晶作为隔离物，这样可以避免隔离物可能带来的附加风险。热处理设备中，直接接触晶体的承载器具通常选用高纯度的石英舟，因为石英舟的纯度高(其SiO2含量不小于99.995％)、杂质少，耐高温(≥1000℃)，膨胀系数小，耐腐蚀，耐辐射，高温下不与晶体发生物理化学反应。在整个工艺过程中，需要保证处理环境、产品、设备、承载器具等多方面的洁净，以防止高温下杂质不规则热扩散。通过步骤3的处理，晶体内部组织发生了变化，消除了中子辐照造成单晶内部原子的畸变，激活了磷原子，从而获得预期少子寿命值的晶体。
在步骤4中，为了增大晶体表面复合，减少少子载流子注入的影响，检验晶体表面应该进行喷砂处理或研磨处理，两种方法各有特点，本实验数据采用了喷砂的处理方法，该处理方法重复性能好，尤其适用于高阻单晶。尽量不要采用经过腐蚀、抛光处理或未经处理的原始表面进行测量，半导体表面对外界十分敏感，经过腐蚀处理的样品容易沾上正、负离子，使半导体表面感应出反型层，从而造成测量错误。另外，半导体表面对周围电磁场很敏感，在周围电场的作用下，也会出现反型层，测量时应进行电磁屏蔽，避免外界电磁辐射的干扰。
以下是两端放置隔离物后进行热处理的少子寿命参数，其中热处理温度条件
同上，即：选取T1为600℃，T2为800℃，温控曲线运行10小时左右。
  晶体摆放位置   左端   中间   右端
  第一组寿命/μs   800/1200   2000/1800   1000/800
  第二组寿命/μs   600/900   800/1000   2000/1000
  第三组寿命/μs   1000/1400   1200/1000   800/800
  第四组寿命/μs   500/500   600/700   700/900
  寿命平均值/μs   725/1000   1150/1125   1125/875
  无隔离物寿命平均值/μs   310/975   1050/925   500/320
  放隔离物寿命平均值/μs   725/1000   1150/1125   1125/875
从以上图中可以看出，加了隔离物热处理后，两端位置的晶体少子寿命明显提高。
实施例2
与实施例1中的其它条件相同，实施例2中选取T1为650℃，T2为850℃，得到的热处理数据如下表：
  晶体摆放位置   左端   中间   右端
  第一组寿命/μs   700/1200   1600/1800   1000/600
  第二组寿命/μs   500/800   1000/1000   2000/1000
  第三组寿命/μs   800/1000   1400/1200   800/600
  第四组寿命/μs   800/800   1200/1000   600/800
  寿命平均值/μs   700/950   1300/1250   1100/750
实施例3
与实施例1中的其它条件相同，实施例2中选取T1为700℃，T2为900℃，得到的热处理数据如下表：
  晶体摆放位置   左端   中间   右端
  第一组寿命/μs   600/1400   1400/1800   800/400
  第二组寿命/μs   800/800   1200/1000   1200/800
  第三组寿命/μs   600/1200   1400/1400   800/800
  第四组寿命/μs   800/1000   1600/1200   800/600
  寿命平均值/μs   700/1100   1400/1350   900/650
从实施例2和3中的数据可以看出，在指定温度范围内，其它条件相同的情况下进行热处理，少子寿命值相当。确定本发明最终产品性能好坏的标准：本批同时热处理单晶的少子寿命参数。

Claims (3)

1.一种中子掺杂硅晶体热处理工艺方法，它包括下述步骤：
1)、中子掺杂后的硅晶体的清洗，清洗包括：纯水清洗和与混酸的化学反应以及之后的清洗；混酸中硝酸与氢氟酸的体积比范围为8∶1到3∶1；
2)在热处理前，在样品的两端放置隔离物，所述的隔离物为中照硅单晶和/或区熔原生硅单晶，随后进行热处理；
3)、对以上硅晶体进行热处理，热处理包括：升温过程(T1)、(T2)，恒温过程(T2)及降温过程，其中，升温过程的第一温度(T1)为600℃-700℃，第二温度(T2)为800℃-900℃，升温速率控制在3℃/min-7℃/min；热处理温度达到第二温度(T2)后，保温二小时；再降至室温，以2℃/min-3℃/min速率降温；
4)、热处理过程结束后，对硅晶体进行表面喷砂处理或研磨处理后检验从而验证该工艺方法的效果。
2.根据权利要求1所述的一种中子掺杂硅晶体热处理工艺方法，其特征在于：隔离物为少子寿命大于500us的中照硅单晶或少子寿命大于1000us区熔原生硅单晶。
3.根据权利要求1所述的一种中子掺杂硅晶体热处理方法，其特征在于：直接接触晶体承载器具为SiO2含量不小于99.995％的石英舟。
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