CN106283177A

CN106283177A - 阻流环、改善单晶硅径向电阻率均匀性的组件及方法

Info

Publication number: CN106283177A
Application number: CN201610875591.6A
Authority: CN
Inventors: 韩建超; 邓彩莲
Original assignee: SHANGHAI HEJING SILICON MATERIAL CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI HEJING SILICON MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2017-01-04

Abstract

本发明公开了一种阻流环，其包括阻流壁，所述阻流壁为筒状，还包括承载部和悬挂部，所述阻流壁通过所述悬挂部悬挂于所述承载部的下方，所述悬挂部为柔性或刚性，还公开了一种改善单晶硅径向电阻率均匀性的组件，其包括前述阻流环，还包括导流筒和熔体容器，所述阻流环安装于所述导流筒的下端，所述熔体容器设有向上的开口，所述导流筒用于将保护气吹向熔体表面地设置，所述阻流环伸入所述熔体容器内；还公开了基于前述改善单晶硅径向电阻率均匀性的组件的改善单晶硅径向电阻率均匀性的方法。本发明能改善单晶硅径向电阻率均匀性、尤其是N型<111>晶向单晶硅径向电阻率均匀性。

Description

阻流环、改善单晶硅径向电阻率均匀性的组件及方法

技术领域

本发明涉及一种阻流环、改善单晶硅径向电阻率均匀性的组件及改善单晶径向电阻率均匀性的方法。

背景技术

晶体生长是把半导体级硅的多晶硅块转换成一块大的单晶硅，生长后的单晶硅被称为硅锭。现在生产用于硅片制备的单晶硅棒最普遍的技术是Czochralski(CZ)法，这是按20世纪初它的发明者的名字来命名的。Czochralski(CZ)法生长单晶硅把熔化了的半导体级硅液体变成有正确晶向并且被掺杂成N型或P型的固体硅锭。85％以上的单晶硅是采用CZ法生长出来的。

一块具有所需晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭，生长的单晶硅棒就像籽晶的复制品。熔化的硅和单晶籽晶接触并精确控制接触面，从而精确复制籽晶结构。熔化的硅放在石英坩埚中，还有少量掺杂物质使其生成N型或P型硅。坩埚中的硅被拉晶炉加热，使用电阻加热或射频(RF)加热线圈。当硅被加热时，它变成液体，叫做熔体；籽晶硅接触到直拉装置并开始生长新的晶体结构。籽晶放在熔体表面并在旋转过程中缓慢地拉起。随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体会因为表面张力而提高。籽晶上的界面散发热量并向下朝着熔体的方向凝固。随着籽晶旋转着从熔体里拉出，与籽晶有同样晶向的单晶就生长出来了。不同的硅锭生长结果依赖于籽晶相对于坩埚的旋转方向及速度。

直拉法的目的是实现均匀掺杂浓度的同时精确复制籽晶结构，得到合适的硅锭直径并限制杂质引入到硅中。影响直拉法的两个主要参数是拉伸速率和晶体旋转速率。

以上简述了单晶硅的CZ法制备过程。然而在制备过程中存在分凝现象，这会导致单晶硅棒轴向杂质浓度分布不均。单晶硅片径向电阻率的均匀性与晶体生长过程中杂质的有效分凝系数有关，有效分凝系数k_eff可由Burton-Prim-Schlicter关系式给出：

k_{e f f} = \frac{k_{0}}{k_{0} + (1 - k_{0}) \exp (- f δ / D)}

其中，k₀是杂质的平衡分凝系数，D是杂质的扩散系数，f是单晶硅生长速率，根据无限大旋转圆盘下液流模型的结果，溶质边界层的厚度为δ＝1.6D^1/3υ^1/6ω^-1/2(υ是硅熔体的运动粘性系数，ω是晶体旋转速率)。同时，直拉单晶硅在生长过程中，受到熔体热对流的影响，使得单晶硅边缘比中心具有更薄的溶质边界层，并导致边缘比中心具有更小的有效分凝系数k_eff，从而增加单晶硅片径向杂质浓度和电阻率的不均匀性。以下结合附图说明。

参考图1，由于硅棒1具有弯曲的生长界面即边界层12，这又会导致从硅棒1切割出的单晶硅片13径向杂质浓度分布不均，进而影响径向电阻率的均匀性。尤其对于N型<111>晶向单晶硅，由于杂质分凝系数小，以及受到<111>生长方向取向和小面效应等因素影响，电阻率径向均匀性会更差。

参考图2，硅棒1由熔体11内生长，并且硅棒1以角速率ω旋转。硅棒11下端浸入熔体11内有部分正在形成晶体的硅形成边界层12，熔体11被加热涌向表面并冷却，形成箭头方向的热对流，对边界层12产生冲击。

为了减小单晶硅片杂质分布的径向不均匀性，已有的做法通常是增加晶体旋转速率ω，来减薄溶质边界层的厚度，较薄的溶质边界层将更小程度地受到热对流的影响。同时，增加晶体旋转速率对熔体的热对流本身具有反向抑制效果，削弱其对溶质边界层的影响。

但是，如果在单晶硅生长过程中提高晶体旋转速率，一方面会引发长晶炉机械结构的不稳定性，导致晶体晃动；另一方面，过快的晶体转速容易导致单晶硅扭曲变形。两者都会导致单晶硅成品率的降低。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种能改善单晶硅径向电阻率均匀性、尤其是N型<111>晶向单晶硅径向电阻率均匀性的阻流环。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种阻流环，包括阻流壁，所述阻流壁为筒状；还包括承载部和悬挂部，所述阻流壁通过所述悬挂部悬挂于所述承载部的下方；所述悬挂部为柔性或刚性。

根据本发明的一个实施例，所述悬挂部为至少一根侧柱，所述侧柱两端分别连接所述承载部和所述悬挂部。

根据本发明的一个实施例，所述悬挂部为与所述阻流壁同轴的提环。

根据本发明的一个实施例，所述悬挂部为至少一根侧柱，所述侧柱两端分别连接所述承载部和所述悬挂部；所述侧柱与所述悬挂部、所述阻流壁一体成型。

根据本发明的一个实施例，所述阻流壁的高度不小于10mm。

根据本发明的一个实施例，材质为高纯度石英。

根据本发明的一个实施例，所述筒身的上端设有凸缘，所述凸缘向所述筒身外侧翻折。

本发明还提供了一种改善单晶硅径向电阻率均匀性的组件，包括如上所述的阻流环，还包括导流筒和熔体容器，所述承载部安装于所述导流筒的下端；所述熔体容器设有向上的开口，所述导流筒用于将保护气吹向熔体表面地设置；所述阻流环伸入所述熔体容器内。

根据本发明的一个实施例，所述熔体容器为坩埚，所述保护气为惰性气体。

根据本发明的一个实施例，所述熔体容器为石英坩埚，所述保护气为氩气。

本发明还提供了一种基于上述用于改善单晶硅径向电阻率均匀性的组件的改善单晶硅径向电阻率均匀性的方法，包括：加热所述熔体容器，熔化投入熔体容器内的原料硅形成熔体；使所述阻流环浸入熔体中，并且所述熔体的液面由所述阻流环隔断；在所述阻流环内侧，由所述熔体拉制单晶硅棒。

根据本发明的一个实施例，所述由所述熔体拉制单晶硅棒是采用的CZ法，所述单晶硅棒在所述阻流环内侧拉制。

根据本发明的一个实施例，所述改善单晶径硅向电阻率均匀性的方法还包括提升所述熔体容器，使得熔体液面相对于所述阻流环位置不变。

根据本发明的一个实施例，所述熔体容器与所述单晶硅棒在拉制过程中向相反方向旋转。

本发明提供的阻流环，材质为高纯度石英，大大减少向熔体内引入杂质。阻流环插入熔体内，阻断熔体的热对流对溶质边界层的冲击，从而避免产生单晶硅棒中心和边缘的溶质边界层厚度差异，并改善径向的杂质浓度和电阻率均匀性。阻流环上的侧面开口可减少阻流环自重、便于取放，且可用于勾住阻流环。阻流环侧面开口的下缘与所述筒身的下缘之间的距离不小于30mm，可保证阻流环最下端至少30mm是连续的筒状而完全隔开阻流环内外的熔体，阻断热对流，并且在拉制单晶硅棒的过程中熔体液面下降不会导致阻流环与熔体分离而失去阻流作用。采用本发明提供的阻流环，为达到改善单晶硅棒径向杂质浓度和电阻率均匀性的目的，无需增加晶体旋转速率，因而可以保持长晶炉机械结构的稳定性，晶体晃动小；晶体转速小，单晶硅不易扭曲变形。从而，本发明提供的阻流环可大大提高单晶硅的成品率。

本发明提供的改善单晶硅径向电阻率均匀性的组件，包括上述阻流环，材质为高纯度石英，大大减少向熔体内引入杂质。阻流环插入熔体内，阻断熔体的热对流对溶质边界层的冲击，从而避免产生单晶硅棒中心和边缘的溶质边界层厚度差异，并改善径向的杂质浓度和电阻率均匀性。采用本发明提供的改善单晶径向电阻率均匀性的组件，为达到改善单晶硅棒径向杂质浓度和电阻率均匀性的目的，无需增加晶体旋转速率，因而可以保持长晶炉机械结构的稳定性，晶体晃动小；晶体转速小，单晶硅不易扭曲变形。从而，本发明提供的改善单晶径向电阻率均匀性的组件可大大提高单晶硅的成品率。

本发明提供的改善单晶硅径向电阻率均匀性的方法，基于上述改善单晶径向电阻率均匀性的组件实施，单晶硅生长在阻流环中间进行，阻流环插入熔体内，阻断熔体的热对流对溶质边界层的冲击，从而避免产生单晶硅棒中心和边缘的溶质边界层厚度差异，并改善径向的杂质浓度和电阻率均匀性。采用本发明提供的改善单晶径向电阻率均匀性的方法拉制单晶硅，为达到改善单晶硅棒径向杂质浓度和电阻率均匀性的目的，无需增加晶体旋转速率，因而可以保持长晶炉机械结构的稳定性，晶体晃动小；晶体转速小，单晶硅不易扭曲变形。从而，本发明提供的改善单晶径向电阻率均匀性的方法可大大提高单晶硅的成品率。

采用本发明提供的阻流环、改善单晶硅径向电阻率均匀性的组件及方法，在以下实验条件下，分别生长2支轻掺Ph单晶硅棒，晶向为<111>，电阻率30-60Ωcm，40kg投料，制作5英寸晶棒。

将所生长的两支单晶硅每隔100mm取样，并进行电阻率及均匀性测试，整理相关数据后，结果如下：

位置(mm)

0

100

200

300

400

500

单晶硅一

10.50％

7.20％

8.30％

13.20％

12.30％

15.40％

单晶硅二

23.24％

21.56％

26.87％

23.39％

26.57％

27.81％

位置(mm)

600

700

800

900

1000

-

单晶硅一

14.60％

13.80％

11.80％

14.20％

11.70

-

单晶硅二

26.97％

25.66％

27.23％

27.41％

28.37％

-

由此可见，本发明提供的阻流环、改善单晶径向电阻率均匀性的组件及方法可有效改善单晶硅棒径向杂质浓度和电阻率均匀性，成品率提高；且晶体转动速度小，晃动相应也小。

附图说明

图1为CZ法拉制单晶硅的过程中，硅棒、硅棒拉制时的生长界面和由硅棒切割单晶硅片的示意图；

图2示出了熔体内的热对流对溶质边界层产生冲击的原理；

图3为导流筒、坩埚的结构示意图；

图4为本发明一种阻流环的结构示意图；

图5为本发明再一种阻流环的结构示意图；

图6为图5中的阻流环和导流筒配合使用的结构示意图；

图7为图6中导流筒结构改变后、阻流环和导流筒配合使用的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述：

实施例一

参考图4，一种阻流环2，总体呈圆筒状，上下两端开口，由高纯石英制作而成。需要注意的是，“上”、“下”为根据图4所示方位使用的相对性概念，旨在清楚说明本实施例中的技术方案，而不构成对技术方案和权利要求的限制。筒身径向开设有三个侧面开口22。侧面开口的数量可根据实际情况设置为一个、两个、三个、四个或更多个。侧面开口22将阻流环2分隔为提环21和阻流壁24两部分；相邻侧面开口22之间的筒身构成侧柱23连接提环21和阻流壁24。阻流壁24的高度为50mm。阻流壁24的高度可按需设置，不小于10mm。

在图3的基础上，将阻流环2通过提环21悬挂在导流筒3的下端。向高纯度石英制成的坩埚4内投入原料硅，并加热使得原料硅熔化形成熔体。调整阻流环2的高度，使得阻流壁24浸入硅熔体内，同时保证熔体液面在阻流壁24上端的下方，从而熔体的液面由阻流壁24隔断，不会由侧面开口22向阻流环2内侧涌动。

由导流筒3向坩埚4内的熔体表面自上而下地吹入氩气作为保护气。氩气通过侧面开口22流出。导流筒3还能在单晶硅生长时屏蔽来自给硅熔体加热的加热器的高温辐射。

在阻流环内侧的熔体液面，采用CZ法拉直单晶硅棒。其中，坩埚4和单晶硅棒向相反的方向转动。

随着单晶硅棒的拉制，向上推升坩埚4，使得熔体液面相对于阻流环2高度不变。

实施例二

本例中的阻流环和导流筒和实施例一中类似，但是略有区别。

参考图5、图6，在图4的基础上，阻流环2的上端提环21外侧设置有第一凸缘25，第一凸缘25向阻流环2外侧翻折；导流筒3下端则设置有向内翻折、用于勾住第一凸缘25的第二凸缘31。阻流环2挂设于导流筒3的下端，参考图6。需要注意的是，“上”、“下”为根据图5和图6所示方位使用的相对性概念，旨在清楚说明本实施例中的技术方案，而不构成对技术方案和权利要求的限制。

本例其余类同实施例一，不予赘述。

实施例三

本例和实施例二中类似，区别仅在于，参考图7，在第二凸缘31上分布有若干缺口32，缺口32便于工具伸入导流筒内部并勾住阻流环2的提环21时，取出阻流环2。其余类同实施例二，不予赘述。

实施例四

本例和实施例一中类似，区别在于，提环21和阻流壁24并非通过侧柱23一体地连接在一起，而是通过采用耐热的柔性材料将阻流壁24悬挂在提环21下方，从而使阻流壁24浸入熔体中。其余类同实施例一，不予赘述。

位置(mm)

0

100

200

300

400

500

单晶硅一

10.50％

7.20％

8.30％

13.20％

12.30％

15.40％

单晶硅二

23.24％

21.56％

26.87％

23.39％

26.57％

27.81％

位置(mm)

600

700

800

900

1000

-

单晶硅一

14.60％

13.80％

11.80％

14.20％

11.70

-

单晶硅二

26.97％

25.66％

27.23％

27.41％

28.37％

-

本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims

1.一种阻流环，其特征在于，包括阻流壁，所述阻流壁为筒状；还包括承载部和悬挂部，

所述阻流壁通过所述悬挂部悬挂于所述承载部的下方；所述悬挂部为柔性或刚性。

2.根据权利要求1所述的阻流环，其特征在于，所述悬挂部为至少一根侧柱，所述侧柱两端分别连接所述承载部和所述悬挂部。

3.根据权利要求1所述的阻流环，其特征在于，所述悬挂部为与所述阻流壁同轴的提环。

4.根据权利要求3所述的阻流环，其特征在于，所述悬挂部为至少一根侧柱，所述侧柱两端分别连接所述承载部和所述悬挂部；所述侧柱与所述悬挂部、所述阻流壁一体成型。

5.根据权利要求1所述的阻流环，其特征在于，所述阻流壁的高度不小于10mm。

6.根据权利要求1所述的阻流环，其特征在于，材质为高纯度石英。

7.一种改善单晶硅径向电阻率均匀性的组件，其特征在于，包括根据权利要求1-6任一项所述的阻流环，还包括导流筒和熔体容器，所述承载部安装于所述导流筒的下端；所述熔体容器设有向上的开口，所述导流筒用于将保护气吹向熔体表面地设置；所述阻流环伸入所述熔体容器内。

8.根据权利要求7所述的改善单晶硅径向电阻率均匀性的组件，其特征在于，所述熔体容器为坩埚，所述保护气为惰性气体。

9.根据权利要求8所述的改善单晶硅径向电阻率均匀性的组件，其特征在于，所述熔体容器为石英坩埚，所述保护气为氩气。

10.一种改善单晶硅径向电阻率均匀性的方法，其特征在于，基于根据权利要求7-9任一项权利要求所述的用于改善单晶硅径向电阻率均匀性的组件，包括：

加热所述熔体容器，熔化投入熔体容器内的原料硅形成熔体；

使所述阻流环浸入熔体中，并且所述熔体的液面由所述阻流环隔断；

在所述阻流环内侧，由所述熔体拉制单晶硅棒。

11.根据权利要求10所述的改善单晶硅径向电阻率均匀性的方法，其特征在于，所述由所述熔体拉制单晶硅棒是采用的CZ法，所述单晶硅棒在所述阻流环内侧拉制。

12.根据权利要求10所述的改善单晶径硅向电阻率均匀性的方法，其特征在于，还包括：

提升所述熔体容器，使得熔体液面相对于所述阻流环位置不变。

13.根据权利要求10或11或12所述的改善单晶硅径向电阻率均匀性的方法，其特征在于，所述熔体容器与所述单晶硅棒在拉制过程中向相反方向旋转。