CN105239158A - 直拉法单晶硅生长中硅熔液的温度场控制技术 - Google Patents

Abstract

本发明技术提供一种直拉法单晶硅生长中硅熔液的温度场控制技术。制备两层结构的石英坩埚，内层由高纯石英玻璃构成，在石英玻璃的外壁抛光，并镀上一层氮氧化硅薄膜。用于反射熔体的热量，在单晶硅和石英坩埚壁之间形成一个高温环。石英坩埚的形状分成上下两个部分，上半部分是一个圆柱体。下半部分是一个半椭球体，长轴水平放置，短轴垂直放置。长轴和短轴的尺寸与拉制单晶的尺寸和提拉工艺相关。通过控制晶体转速和坩埚转速，可以控制熔体温度场和温度分布，从而控制单晶硅中的氧分布和掺杂元素分布的均匀性，提高单晶的质量。

Description

直拉法单晶硅生长中硅熔液的温度场控制技术

技术领域

本发明涉及一种直拉法单晶硅生长中硅熔液的温度场控制技术，特别涉及单晶硅的生长工艺技术，石英坩埚结构，以及其对单晶硅生长过程中温度场和氧浓度的控制技术。

背景技术

在半导体单晶硅的制造工艺中，最成熟也常用的方法是直拉法（Czochralski法，缩写Cz法）。在直拉法中，将多晶硅填充在石英玻璃坩埚（也称石英坩埚）中，然后在石墨加热器的加热下，熔融形成硅熔液。在硅熔液中浸入籽晶后向上旋转提拉，硅在籽晶与熔溶液的界面处凝固结晶，形成单晶硅锭。

在单晶硅生长工艺中，热场结构技术是关键技术之一，直接影响到硅单晶生长速度、氧浓度控制和缺陷控制等，从而直接影响成品的质量。专利CN102251275B公开了一种直拉式硅单晶炉中的热场结构技术，能够测量熔硅液面与导流筒之间距离的单晶炉热场装置。实际生产中控制较多的是坩埚内硅熔液的温度场，石英坩埚中的熔体的温度场受到四个对流的控制。熔体的对流对固液界面的形状会造成直接的影响，而且还会影响杂质的分布。总的说来，自然对流、晶体提升引起的对流不利于杂质的均匀分布；晶体和坩埚的转动有利于杂质的均匀分布，但转速太快会产生紊流，既不利于无位错生长也不利于杂质的均匀分布。

自然对流是由于熔体周边的温度比轴心高，底部温度比上部高，在重力的作用下熔体形成对流。对流的程度可由格拉斯霍夫(Grashof)常数(Gr)来判断。由于Gr∝d³，坩埚内径d越大，液体越深，液面越大，自然对流程度越大，甚至会形成紊流，影响单晶的正常生长。对硅而言，Gr=1.56×10⁴ΔTd³，临界值为10⁵。经验表明，在通常热场条件下，其实际值可达10⁸，所以必须依靠其他的对流来加以抑制，才能使晶体生长稳定。

晶体转动的影响：晶体转动一方面可以改善液体温度的轴对称性，另一方面又可抑制自然对流。晶体转动会使紧临固液界面下的熔体往上流动，并借助离心力往外流动，这种流动与自然对流作用相反。由晶体转动引起的液体流动程度，可由瑞洛尔兹(Reynolds)常数Re来描述。在液面宽而深的情况下，晶体转动引起的流动，只能在固液界面下的小区域内起作用，其他区域仍主要受自然对流影响。当液面变小深度变浅时，晶体转动的作用就越来越大，自然对流的影响就越来越小。如果Re超过3×10⁵，则晶体转动也会造成紊流。对φ8in的晶体而言，要达到3×10⁵，晶转要在20r／min以上。所以晶转在实际生产中也不能太高。

坩埚转动将使外侧的熔体往中心流动，其影响程度由泰乐(Taylor)常数(Ta)来判定。埚转不仅可以改善熔体的热对称性，还可以使熔体的自然对流呈螺旋状．从而增加径向的温度梯度。当晶转和埚转的方向相反时，引起熔体中心形成一圆柱状的滞怠区。在这个区域内，熔体以晶转和埚转的相对角速度做螺旋运动，在这个区域外，熔体随坩埚的转动而运动。熔体的运动随晶转与埚转速度不同而呈现出复杂的状况，若晶转埚转配合不当，容易出现固液界面下杂质富集(贫乏)层的厚度不均匀，造成晶体内杂质分布的不均匀。

综合以上可知，为了提高单晶硅中掺杂元素和杂质的均匀性，要加大晶转和坩埚旋转，但晶转和坩埚旋转都存在稳定性限制。尤其是在单晶硅的尺寸越来越大，熔体体积也随之越来越大的情况下，控制熔体的温度场，从而控制单晶中缺陷的难度也越来越大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直拉法单晶硅生长中硅熔液的温度场控制技术。首先制备两层结构的石英坩埚，内层由高纯石英玻璃构成，在石英玻璃的外壁抛光，并镀上一层氮氧化硅薄膜。石英坩埚的形状分成上下两个部分，上半部分是一个圆柱体，下半部分是一个半椭球体。长轴水平放置，短轴垂直放置。长轴和短轴的尺寸与拉制单晶的尺寸和提拉工艺相关，通过控制晶体转速和坩埚转速，控制熔体流场和温度分布，从而控制单晶硅中的氧分布和掺杂元素分布的均匀性。

为了达到以上的目的，本发明工艺技术采取以下方法：设计特殊形状和结构的石英坩埚，石英坩埚的形状与晶体的转速和坩埚旋转相结合，共同控制熔体的温度场，从而控制单晶中掺杂元素的浓度分布和氧浓度分布。

本发明硅熔液的温度场控制技术的特征在于，石英坩埚壁各部分的厚度相同。石英坩埚由双层构成，外层为石英陶瓷，内层为杂质浓度和气泡极低的高纯石英玻璃构成。高纯石英玻璃的特征在于杂质浓度小于10^-2ppm，在肉眼和光学显微镜下无可检测气泡。石英玻璃内层的外表面抛光，Ra小于0.1μm。在内层石英玻璃的外壁采用真空气相沉积方法，沉积一层氮化硅层，其厚度为300nm，氮化硅中含有105ppm的碱金属或碱土金属。形成一个反射面。

本发明硅熔液的温度场控制技术，其石英坩埚的特征还在于，将外层基体和带有镀层的内层装在一起形成复合体，在真空条件下，将复合体加热到1500℃以上，将外层基体与内层石英熔合，形成石英坩埚。见图1所示。

本发明硅熔液的温度场控制技术，其石英坩埚的特征还在于，石英坩埚的形状分为两个部分，上部分为一个圆柱，下部为一个半椭球底部。椭球在与圆柱相切，光滑过渡。见图1所示。圆柱的高度与椭球短轴长度相同。

本发明硅熔液的温度场控制技术，其石英坩埚的特征还在于，椭球的长轴水平放置，椭球的短轴竖直放置。

本发明硅熔液的温度场控制技术，其椭球长轴和短轴的特征还在于：

……(1)

式中a为椭球的长轴，b为椭球的长轴，r为单晶硅的半径。a的取值范围特征为

2r≤a≤3r……(2)

坩埚椭球形的底部，热量通过坩埚的中间膜反射，其焦点在硅单晶与坩埚壁的1/2处。形成一个以硅单晶和坩埚壁的中间为分界线的两个温度场，分别向两个方向旋转流动。内层的氧含量较低，而外层的氧含量较高，控制在硅单体中的氧含量。

本发明本发明硅熔液的温度场控制技术，其晶体转速的特征在于，

……(3)

式中，g为重力加速度，l为晶体长度。l的取值范围为100-1500mm。ω_s为晶体转速。

本发明本发明硅熔液的温度场控制技术，其坩埚旋转的方向与晶转方向相反，坩埚转速的特征在于，

……(4)

式中，r为硅单晶的半径，b为坩埚短轴长度。

晶体的转速较高，熔体在凝固成晶体后掺杂元素在界面上富集，高转速有利于元素均匀化。

本发明本发明硅熔液的温度场控制技术，其坩埚内的温度特征在于，坩埚内熔体的最最大温度差ΔT为

……(5)

式中，α为热膨胀系数，v _k 为熔体粘度。

温度梯度控制保证了晶体生长动力，同时也保证了晶体中各元素的均匀性。提高了单晶硅的质量。

附图说明

图1为本发明石英坩埚结构示意图；

图2为本发明石英坩埚热能反射聚焦示意图；

图3为本发明石英坩埚保持热场控制示意图。

具体实施方法

实施例1

直径400mm的坩埚，制备直径200mm的硅单晶。石英坩埚底部椭球的长轴为200mm，短轴的长度130mm，圆柱段的高度为130mm，石英坩埚的整体高度260mm。坩埚分为二层，内层为杂质浓度和气泡极低的高纯石英玻璃构成，杂质浓度小于10^-2ppm，在肉眼和光学显微镜下无可检测气泡。石英玻璃内层的外表面抛光，Ra小于0.1μm。在内层石英玻璃的外壁采用真空气相沉积方法，沉积一层氮化硅层，其厚度为300nm，氮化硅中含有105ppm的碱金属或碱土金属。形成一个反射面。外层为石英陶瓷，起支撑作用，在高温下强度高，保证拉晶过程中坩埚不发生变形。

在坩埚中装料100kg，拉晶工艺中，晶体转速16rpm，坩埚转速为：8rpm。观察硅熔液的温度场，可见在硅单晶和坩埚壁的中间形成了一个涡流，流动状态非常稳定。在坩埚的一侧温度较高，在单晶硅的一侧温度较低，但单晶硅的一侧熔体流动速度快，测量获得熔体的温度差为4.98℃。可保证掺杂元素的均匀以及氧的有效排除。获得80kg硅锭。

硅锭制备后，检测氧浓度为7×10¹⁷atoms/cm³，分布均匀。电阻率变化范围为8.5%。与之相对比的传统方法制备的同样的硅锭，氧浓度为11×10¹⁷atoms/cm³，分布不均匀，径向分布差别较大。电阻率变化范围为18.9%。

实施例2

直径580mm的坩埚，制备直径200mm的硅单晶。石英坩埚底部椭球的长轴为290mm，短轴的长度215mm，圆柱段的高度为215mm，石英坩埚的整体高度430mm。坩埚分为二层，内层为杂质浓度和气泡极低的高纯石英玻璃构成，杂质浓度小于10^-2ppm，在肉眼和光学显微镜下无可检测气泡。石英玻璃内层的外表面抛光，Ra小于0.1μm。在内层石英玻璃的外壁采用真空气相沉积方法，沉积一层氮化硅层，其厚度为300nm，氮化硅中含有105ppm的碱金属或碱土金属。形成一个反射面。外层为石英陶瓷，起支撑作用，在高温下强度高，保证拉晶过程中坩埚不发生变形。

在坩埚中装料150kg，拉晶工艺中，晶体转速16.2rpm，坩埚转速为：5.58rpm。观察硅熔液的温度场，可见在硅单晶和坩埚壁的中间形成了一个涡流，流动状态非常稳定。熔的温度非常均匀，仅是坩埚壁的温度较高，测量显示熔体的温度差仅为1.26℃。掺杂元素和氧浓度分布均匀。获得120kg硅锭。

硅锭制备后，检测氧浓度为3.0×10¹⁷atoms/cm³，分布均匀。电阻率变化范围为5.5%。与之相对比的传统方法制备的同样的硅锭，氧浓度为9.6×10¹⁷atoms/cm³，分布不均匀，径向分布差别较大。电阻率变化范围为21%。

实施例3

直径590mm的坩埚，制备直径300mm的硅单晶。石英坩埚底部椭球的长轴为295mm，短轴的长度222.5mm，圆柱段的高度为222.5mm，石英坩埚的整体高度445mm。坩埚分为二层，内层为杂质浓度和气泡极低的高纯石英玻璃构成，杂质浓度小于10^-2ppm，在肉眼和光学显微镜下无可检测气泡。石英玻璃内层的外表面抛光，Ra小于0.1μm。在内层石英玻璃的外壁采用真空气相沉积方法，沉积一层氮化硅层，其厚度为300nm，氮化硅中含有105ppm的碱金属或碱土金属。形成一个反射面。外层为石英陶瓷，起支撑作用，在高温下强度高，保证拉晶过程中坩埚不发生变形。

在坩埚中装料200kg，拉晶工艺中，晶体转速16.3rpm，坩埚转速为：8.28rpm。观察硅熔液的温度场，可见在硅单晶和坩埚壁的中间形成了一个涡流，流动状态非常稳定。在坩埚的一侧温度较高，在单晶硅的一侧温度较低，但单晶硅的一侧熔体流动速度快，测量获得熔体的温度差为3.72℃。可保证掺杂元素的均匀以及氧的有效排除。获得180kg硅锭。

硅锭制备后，检测氧浓度为5.89×10¹⁷atoms/cm³，分布均匀。电阻率变化范围为12.5%。与之相对比的传统方法制备的同样的硅锭，氧浓度为14×10¹⁷atoms/cm³，分布不均匀，径向分布差别较大。电阻率变化范围为16.8%。

实施例4

直径600mm的坩埚，制备直径200mm的硅单晶。石英坩埚底部椭球的长轴为300mm，短轴的长度223.6mm，圆柱段的高度为223.6mm，石英坩埚的整体高度447.2mm。坩埚分为二层，内层为杂质浓度和气泡极低的高纯石英玻璃构成，杂质浓度小于10^-2ppm，在肉眼和光学显微镜下无可检测气泡。石英玻璃内层的外表面抛光，Ra小于0.1μm。在内层石英玻璃的外壁采用真空气相沉积方法，沉积一层氮化硅层，其厚度为300nm，氮化硅中含有105ppm的碱金属或碱土金属。形成一个反射面。外层为石英陶瓷，起支撑作用，在高温下强度高，保证拉晶过程中坩埚不发生变形。

在坩埚中装料150kg，拉晶工艺中，晶体转速16.2rpm，坩埚转速为：5.4rpm。观察硅熔液的温度场，可见在硅单晶和坩埚壁的中间形成了一个涡流，流动状态非常稳定。熔的温度非常均匀，仅是坩埚壁的温度较高，测量显示熔体的温度差仅为1.06℃。掺杂元素和氧浓度分布均匀。获得120kg硅锭。

硅锭制备后，检测氧浓度为3.5×10¹⁷atoms/cm³，分布均匀。电阻率变化范围为8.5%。与之相对比的传统方法制备的同样的硅锭，氧浓度为10.6×10¹⁷atoms/cm³，分布不均匀，径向分布差别较大。电阻率变化范围为18%。

实施例5

直径500mm的坩埚，制备直径200mm的硅单晶。石英坩埚底部椭球的长轴为250mm，短轴的长度178.5mm，圆柱段的高度为178.5mm，石英坩埚的整体高度357mm。坩埚分为二层，内层为杂质浓度和气泡极低的高纯石英玻璃构成，杂质浓度小于10^-2ppm，在肉眼和光学显微镜下无可检测气泡。石英玻璃内层的外表面抛光，Ra小于0.1μm。在内层石英玻璃的外壁采用真空气相沉积方法，沉积一层氮化硅层，其厚度为300nm，氮化硅中含有105ppm的碱金属或碱土金属。形成一个反射面。外层为石英陶瓷，起支撑作用，在高温下强度高，保证拉晶过程中坩埚不发生变形。

在坩埚中装料150kg，拉晶工艺中，晶体转速16rpm，坩埚转速为：6.4rpm。观察硅熔液的温度场，可见在硅单晶和坩埚壁的中间形成了一个涡流，流动状态非常稳定。在坩埚的一侧温度较高，在单晶硅的一侧温度较低，但单晶硅的一侧熔体流动速度快，测量获得熔体的温度差为2.05℃。可保证掺杂元素的均匀以及氧的有效排除。获得120kg硅锭。

硅锭制备后，检测氧浓度为4.86×10¹⁷atoms/cm³，分布均匀。电阻率变化范围为10.5%。与之相对比的传统方法制备的同样的硅锭，氧浓度为14×10¹⁷atoms/cm³，分布不均匀，径向分布差别较大。电阻率变化范围为16.9%。

实施例6

直径560mm的坩埚，制备直径200mm的硅单晶。石英坩埚底部椭球的长轴为280mm，短轴的长度206mm，圆柱段的高度为206mm，石英坩埚的整体高度412mm。坩埚分为二层，内层为杂质浓度和气泡极低的高纯石英玻璃构成，杂质浓度小于10^-2ppm，在肉眼和光学显微镜下无可检测气泡。石英玻璃内层的外表面抛光，Ra小于0.1μm。在内层石英玻璃的外壁采用真空气相沉积方法，沉积一层氮化硅层，其厚度为300nm，氮化硅中含有105ppm的碱金属或碱土金属。形成一个反射面。外层为石英陶瓷，起支撑作用，在高温下强度高，保证拉晶过程中坩埚不发生变形。

在坩埚中装料150kg，拉晶工艺中，晶体转速16.3rpm，坩埚转速为：5.82rpm。观察硅熔液的温度场，可见在硅单晶和坩埚壁的中间形成了一个涡流，流动状态非常稳定。在坩埚的一侧温度较高，在单晶硅的一侧温度较低，但单晶硅的一侧熔体流动速度快，测量获得熔体的温度差为1.37℃。可保证掺杂元素的均匀以及氧的有效排除。获得120kg硅锭。

硅锭制备后，检测氧浓度为6.79×10¹⁷atoms/cm³，分布均匀。电阻率变化范围为11.5%。与之相对比的传统方法制备的同样的硅锭，氧浓度为14×10¹⁷atoms/cm³，分布不均匀，径向分布差别较大。电阻率变化范围为16.8%。

实施例7

直径480mm的坩埚，制备直径200mm的硅单晶。石英坩埚底部椭球的长轴为240mm，短轴的长度206mm，圆柱段的高度为206mm，石英坩埚的整体高度412mm。坩埚分为二层，内层为杂质浓度和气泡极低的高纯石英玻璃构成，杂质浓度小于10^-2ppm，在肉眼和光学显微镜下无可检测气泡。石英玻璃内层的外表面抛光，Ra小于0.1μm。在内层石英玻璃的外壁采用真空气相沉积方法，沉积一层氮化硅层，其厚度为300nm，氮化硅中含有105ppm的碱金属或碱土金属。形成一个反射面。外层为石英陶瓷，起支撑作用，在高温下强度高，保证拉晶过程中坩埚不发生变形。

在坩埚中装料120kg，拉晶工艺中，晶体转速16.2rpm，坩埚转速为：6.75rpm。观察硅熔液的温度场，可见在硅单晶和坩埚壁的中间形成了一个涡流，流动状态非常稳定。在坩埚的一侧温度较高，在单晶硅的一侧温度较低，但单晶硅的一侧熔体流动速度快，测量获得熔体的温度差为2.42℃。可保证掺杂元素的均匀以及氧的有效排除。获得100kg硅锭。

硅锭制备后，检测氧浓度为5.02×10¹⁷atoms/cm³，分布均匀。电阻率变化范围为9.5%。与之相对比的传统方法制备的同样的硅锭，氧浓度为13.2×10¹⁷atoms/cm³，分布不均匀，径向分布差别较大。电阻率变化范围为15.8%。

Claims (6)

1.一种直拉法单晶硅生长中硅熔液的温度场控制技术；首先制备两层结构的石英坩埚，内层由高纯石英玻璃构成，在石英玻璃的外壁抛光，并镀上一层氮氧化硅薄膜；石英坩埚的形状分成上下两个部分，上半部分是一个圆柱体，下半部分是一个半椭球体；长轴水平放置，短轴垂直放置；长轴和短轴的尺寸与拉制单晶的尺寸和提拉工艺相关，通过控制晶体转速和坩埚转速，控制熔体温度场和温度分布，从而控制单晶硅中的氧分布和掺杂元素分布的均匀性。

2.根据权利要求1所述的直拉法单晶硅生长中硅熔液的温度场控制技术，其特征在于本发明硅熔液的温度场控制技术的特征在于，石英坩埚壁各部分的厚度相同；石英坩埚由双层构成，外层为石英陶瓷，内层为杂质浓度和气泡极低的高纯石英玻璃构成；高纯石英玻璃的特征在于杂质浓度小于10^-2ppm，在肉眼和光学显微镜下无可检测气泡；石英玻璃内层的外表面抛光，Ra小于0.1μm；在内层石英玻璃的外壁采用真空气相沉积方法，沉积一层氮化硅层，其厚度为300nm，氮化硅中含有105ppm的碱金属或碱土金属，形成一个反射面。

3.根据权利要求1至2所述的直拉法单晶硅生长中硅熔液的温度场控制技术，其石英坩埚的特征还在于，椭球的长轴水平放置，椭球的短轴竖直放置；本发明硅熔液的温度场控制技术，其椭球长轴和短轴的特征还在于：

(1)

式中a为椭球的长轴，b为椭球的长轴，r为单晶硅的半径； a的取值范围特征为

2r≤a≤3r(2)

坩埚椭球形的底部，热量通过坩埚的中间膜反射，其焦点在硅单晶与坩埚壁的1/2处。

4.根据权利要求1至3所述的硅熔液的温度场控制技术，其晶体转速的特征在于，

(3)

式中，g为重力加速度，l为晶体长度，l的取值范围为100-1500mm，ω_s为晶体转速。

5.根据权利要求1至4所述的本发明本发明硅熔液的温度场控制技术，其坩埚旋转的方向与晶转方向相反，坩埚转速的特征在于，

(4)

式中，r为硅单晶的半径，b为坩埚短轴长度。

6.根据权利要求1至5所述的硅熔液的温度场控制技术，其坩埚内的温度特征在于，坩埚内熔体的最最大温度差ΔT为

(5)

式中，α为热膨胀系数，v _k 为熔体粘度。