CN1267751A - 生产硅单晶的直拉区熔法 - Google Patents

Abstract

一种生产硅单晶的直拉区熔法,是由直拉炉和区熔炉完成的,步骤如下:(1)将料装入直拉炉抽真空充氩气,(2)加热化料熔接籽晶,(3)拉细颈,(4)放肩收肩,(5)等径生长,(6)收尾,(7)降温出炉,(8)对多晶棒定形加工清洗腐蚀,(9)装入区熔炉抽真空充氩气,(10)预热化料熔接籽晶,(11)引晶拉细颈,(12)放肩等径生长,(13)拉断尾部,(14)降温停炉晶体出炉。本发明克服了直拉硅中的高氧含量,生产的硅单晶氧含量为10¹⁶atm/cm³,热稳定性好,又克服了区熔法不能掺入特殊固态元素的不足,可掺入特殊固态元素,提高了区熔炉的产能,降低了生产成本缩短了生产周期。

Description

生产硅单晶的直拉区熔法

本发明涉及一种生产硅单晶的直拉区溶法。

目前几乎所有的硅单晶都用直拉法或者区熔法生产。但是直拉法生产的硅单晶中氧含量高达10¹⁸atm/cm³所形成的氧施主引起的电阻率热不稳定性和可逆性造成了直拉硅单晶在功率器件制造过程中的局限和困难。区熔法生产的硅单晶虽然能够降低氧的含量，但其硅单晶生产成本高，难于低电阻率比，抗辐射性差，而且又不可掺入其它所需的特殊固态元素，因此也限制了其在生产器件领域的广泛应用。科技上，硅物理探测器及抗辐射加固器等器件都要求低氧含量(1×10¹⁶atm/cm³)热稳定性好，同时又掺入特殊固态元素的硅单晶，而无论是直拉法还是区熔法都难以达到两全其美。

本发明的目的在于提供一种即可满足低氧含量，又可满足掺入特殊固态元素的生产硅单晶的直拉区熔法。

本发明的目的是这样实现的：其生产设备有直拉炉和区熔炉，制造方法包括如下步骤：(1)将硅多晶料装入直拉炉，抽真空、充氩气，(2)加热化料熔接籽晶，(3)拉细颈，(4)放肩、收肩，(5)等径生长，(6)收尾，(7)降温出炉，(8)将出炉的多晶棒进行定形加工，清洗腐蚀，(9)装入区熔炉抽真空、充氩气，(10)预热化料熔接籽晶，(11)引晶拉细颈，(12)放肩、等径生长，(13)拉断尾部，(14)降温停炉，晶体出炉。

本发明由于采用直拉区熔法生产硅单晶，从而具有下述特点：

1、克服了直拉法生产硅单晶中氧含量高的缺陷：直拉硅中的氧原子是由单晶生长过程中熔硅同石英埚高温反应( )进入硅晶体而产生的。一般情况下氧含量高达10¹⁸atm/cm³，直拉硅中的高氧含量所形成的氧施主引起的电阻率热不稳定性和可逆性造成直拉硅单晶在功率器件制造过程中的局限和困难。区熔单晶生长过程中，进入熔体的氧原子由两部分供给，即原料硅多晶棒中的氧原子和高温状态下(800℃～1350℃)隋性气体中微量氧分子同原料硅多晶棒反应生成的sio薄膜( )，高温的硅熔体将进入硅中的sio几乎挥发殆尽，只有极少部分氧原子最后进入区熔晶体。从大量实验结果看，尽管原料硅棒中的氧含量相差近3个数量级(从10¹⁶atm/cm³～10¹⁸atm/cm³)，但在区熔一次成晶后的区熔单晶的氧含量趋同一致为10¹⁶atm/cm³数量极。因此直拉过程中引入的高氧含量(10¹⁸atm/cm³)经区熔一次成晶后已降为10¹⁶atm/cm³完全达到了国家标准。

2、克服了区熔法不能生产掺入特殊固态元素的硅单晶的缺陷。区熔法生产的硅单晶由于工艺限制不可掺入其他杂质，一般多采用拉制本征单晶后送入中子反应堆，经热(慢)中子流辐照可达到掺磷制备N型硅单晶的目的，但这种方法生产周期长，生产成本高，只能制备N型硅单晶。采用直拉区熔法生产单晶硅时，可以利用直拉设备易于掺杂的特点，在拉制直拉多晶棒料的过程中掺入所需要掺入的杂质，然后用区熔炉拉制出掺入N型或P型杂质或其它特殊需要的杂质且含氧量低的硅单晶，从而达到了掺杂的目的。

3、极大的提高了区熔炉的产能，降低了区熔硅单晶的生产周期和生产成本。相同直径的区熔炉比直拉炉价格高八倍以上，区熔法首先要用区熔炉提纯出硅多晶棒，再用区熔炉制成硅单晶，然后再进行中子照射。而直拉区熔法先用直拉炉拉成硅多晶棒后再用区熔炉制成硅单晶，并且省去了中子照射的时间和费用，从而即降低了生产成本，又提高了区熔炉的生产利用率，缩短了生产周期。

下面给出具体实施例，进一步说明本发明是如何实现的。

生产硅单晶的直拉区熔法是先后采用直拉炉和区熔炉来完成的。包括以下步骤：

(1)将22公斤腐蚀、清洗干净的块状硅多晶料装入直拉炉中的石英埚内，经30～60分钟抽真空到压力≤100毫乇时充氩气至真空压力≤9乇左右。

(2)加热前通冷却水，开动坩埚旋转机构，启动加热按钮，约需2.5小时加热至1500℃～1600℃使块状多晶料全部熔化成熔融状态后开动籽晶旋转机构，下降籽晶，熔接籽晶。

(3)将籽晶行程调至零位，旋转晶升电位器，30分钟时间用籽晶从熔融状的多晶料中拉出一段直径约为8mm，长度约为20mm的细颈。

(4)下降籽晶升速，开启晶生转换按钮，用直径控制器控制拉速，30分钟左右将拉晶直径从细颈的8mm左右扩大到50mm～80mm，本实施例为65mm，即放肩。

(5)调节直径传感器，控制拉晶速度，经过20小时的等径生长过程。

(6)降低拉速，经3.5小时左右的收尾。

(7)提高晶体离开液面，停止加热，将埚转、晶升、晶转电位器全部旋转至零位，切断电源，半小时后停止氩气，四小时后停水，关闭线阀开关，停止主真空泵抽空，将多晶棒料出炉。

(8)将出炉的多晶棒进行锭形加工，清洗腐蚀后，装入区熔炉内晶体夹持器上，并将籽晶装入籽晶固定夹上，预热片放在籽晶上面，关闭炉门后用10分钟左右将炉室抽真空至压力0.1毫乇，再充氩气至压力0.2毫乇。

(9)加热前通冷却水，经20分钟予热将晶棒熔区温度加热至1420℃，用5分钟将熔区与籽晶熔接。

(10)调整熔区用10分钟拉出一段直径约为8mm，长约100mm的细颈。

(11)降低下部晶体的输送速度，进行放肩，并使用上速控制放肩角度为60°，经30～40分钟将细颈由直径8mm，扩大至50mm～80mm，本实施例为63mm，再经6小时等径生长过程。

(12)逐步降低上部夹速，用50分钟将晶体尾部拉断。

(13)慢速降温，直到晶体黑暗时，停止加热，十分钟后切断电源，停止氩气，二十分钟后断水，停止抽空。

(14)打开下部炉室，取出晶体。

本实施例所使用的直拉炉是美国产CG-3000型直拉炉，区熔炉是丹麦产FZ-14型区熔炉。

当制造有特殊掺杂需要的硅单晶时可在将原料装入直拉炉的同时掺入所需要的杂质。

如：当拉制P型硅单晶时需掺入硼元素，其电阻率与掺杂浓度的计算关系式如下： $N=\frac{1.330\×{10}^{16}}{\mathrm{\ρ}}+\frac{1.082\×{10}^{17}}{\mathrm{\ρ}[1+{\left(54.56\mathrm{\ρ}\right)}^{1.105}]}$ 其中ρ：为电阻率，N：为掺杂浓度

当拉制N型硅单晶时需掺入磷元素，其电阻率与掺杂浓度的计算关系式如下： $N=\frac{{6.24210}^{18}}{\mathrm{\ρ}}\×{10}^Z$ $Z=\frac{A_0+A_{1}X+A_2{X}^2+A_3{X}^3}{1+B_{1}X+B_2{X}^2+B_3{X}^3}$ 其中：ρ为电阻率，N为浓度X＝log10ρ     A₀＝-3.1083A₁＝-3.2626    A₂＝-1.2196A₃＝-0.13923   B₁＝1.0265B₂＝0.38755    B₃＝0.041833

此外还可根据不同用途掺入其它元素，例如大量掺锗元素制成掺锗硅单晶。

Claims (6)

1、一种生产硅单晶的直拉区熔法，是先后采用直拉炉和区熔炉来完成的，包括如下步骤：

(1)将腐蚀清洗干净的块状硅多晶料装入直拉炉中的石英坩埚内，然后抽真空、充氩气；

(2)加热前通冷却水，开动坩埚旋转机构，启动加热按钮，将块状硅多晶全部熔化后，开动籽晶旋转机构，下降籽晶熔接籽晶；

(3)将籽晶行程调至零位，旋转晶升电位器，拉细颈；

(4)下降籽晶升速，开启晶升转换按钮，扩大拉晶直径，用直径控制器控制拉速进行放肩；

(5)调节直径传感器，控制拉晶速度进行等径拉晶；

(6)降低晶体拉速进行收尾；

(7)提高晶体离开液面、停止加热，将埚转，晶升、晶转电位器全部旋至零位，切断电源，半小时后停止氩气，四小时后停水，关闭线阀开关，停止主真空泵抽空，将多晶棒出炉；

(8)将出炉后的多晶棒进行锭形加工，清洗腐蚀后装入区熔炉内晶体夹持器上，将籽晶装入籽晶固定夹头上，预热片放在籽晶上面，关闭炉门抽真空充氩气；

(9)加热前通冷却水，预热、化料，将晶棒熔区与籽晶熔接；

(10)调整熔区，引晶生长细颈；

(11)降低下部晶体的输送速度，进行放肩，并使用上速控制放肩角度，放肩到要求直径后，开始等径生长；

(12)逐步降低上部夹速，拉断晶体尾部；

(13)慢速降温，直到晶体黑暗时停止加热，十分钟后切断电源，停止氩气，二十分钟后断水；

(14)打开下部炉室，取出晶体。

2、根据权利要求1所述生产硅单晶的直拉区熔法，其特征在于所述的直拉炉抽真空至压力≤100乇时充氩气至真空压力≤9乇时，开始加热。

3、根据权利要求1所述生产硅单晶直拉区熔法，其特征在于所述的由直拉炉拉出的硅多晶棒细颈其直径约为8mm，长约为20mm，放肩后的直径为50mm～80mm。

4、根据权利要求1所述生产硅单晶的直拉区熔法，其特征在于所述的区熔炉抽真空压力至0.1毫乇时充氩气压力至0.2毫乇时预热。

5、根据权利要求1所述生产硅单晶的直拉区熔法，其特征在于所述的区熔炉拉出的硅单晶细颈直径约为8mm，长约为100mm，放肩后的直径为50mm～80mm。

6、根据权利要求1所述生产硅单晶的直拉区熔法，其特征在于当需要掺入特殊固态元素的硅单晶时，可在将硅多晶原料装入直拉炉的同时掺入所需固态元素。