李賀梅

（中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津300220）

?

橫向磁場中直拉硅單晶生長

李賀梅

（中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津300220）

摘要：直拉法（CzochralskiTechnique）生長硅單晶是目前獲得高質(zhì)量大直徑晶體的一種最常用工業(yè)化方法，在直拉法生長硅單晶過程中引入磁場可以有效抑制熔體對流，提高電阻率均勻性，控制氧含量、碳含量濃度，改善硅單晶微缺陷，從而獲得高質(zhì)量大直徑硅單晶。主要介紹了熔體中的熔體對流、產(chǎn)生原因、磁場抑制熔體對流的原理，并以橫向磁場為研究對象，分析了橫向磁場的組成結(jié)構(gòu)、工作原理。

關(guān)鍵詞：單晶爐；橫向磁場；等效微重力

硅單晶材料是最重要的半導(dǎo)體材料，是信息社會的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對于高純度、高均勻性、高完整性（三高）和大直徑（一大）的硅單晶的需求大大增加。這就要求在硅單晶的生長中減少單晶材料的缺陷、雜質(zhì)含量、提高氧、碳等雜質(zhì)在晶體中分布的均勻性以及加大硅片的直徑［1］。在直拉法晶體生長過程中，存在由熔體中溫度梯度和重力引起的熱對流、由表面張力降低引起的表面張力對流以及晶轉(zhuǎn)和堝轉(zhuǎn)引起的強迫對流，這些對流是產(chǎn)生缺陷、有害雜質(zhì)非均勻分布的重要因素。因此，抑制熔體對流是提高晶體質(zhì)量的重要途徑［2］。目前在大直徑硅單晶的生長中，在熔體空間中引入磁場是一種較為有效的方法。通過給熔體引入磁場可增加熔體的黏滯系數(shù)降低熔體對流，，減少晶體的雜質(zhì)含量，提高雜質(zhì)分布均勻性，進(jìn)一步提高單晶的質(zhì)量。熔體空間引入的磁場按磁力線可以分為：橫向磁場、縱向磁場、勾形磁場三種。通常人們普遍給熔體引入一種磁力線水平分布的磁場——橫向磁場。

1　熔體對流與磁場抑制

1.1熔體對流

在單晶生長過程中，由于不均勻熱場、重力場、自由表面張力、晶賺、堝轉(zhuǎn)等因素的影響導(dǎo)致熔體產(chǎn)生了多種對流。其中主要為三種對流：熱對流、毛細(xì)對流、強迫對流。熱對流：熔體表面與底部存在溫度梯度，使熔體產(chǎn)生密度差，在重力場的作用下引起的自由對流。加熱過程中由于坩堝壁溫度高，熔體在堝壁受熱，密度變小，在浮力作用下沿著坩堝壁側(cè)面上升，在溶液便面進(jìn)行熱交換后溫度變低、密度變大，然后在重力作用下下沉到坩堝底部，從而在坩堝壁處產(chǎn)生一個由溫度梯度產(chǎn)生的浮力引起的順時針反向流動的自然對流，其主要集中再靠近堝壁的熔體表面下方。毛細(xì)對流：從冷晶體邊緣到熱坩堝壁，由表面張力降低所驅(qū)動的沿著自由表面的表面張力對流。在半徑方向坩堝邊緣溫度高，中心溫度低，從而在熔體的水平面形成一個從中心到坩堝邊緣的溫度增加的溫度場，這種溫度梯度加上溶質(zhì)濃度梯度引起的自由表面張力形成張力梯度［3］。表面張力梯度在自由表面產(chǎn)生向心運動的驅(qū)動力，形成熔體從堝壁流向中心的毛細(xì)對流。強迫對流：由單晶旋轉(zhuǎn)和坩堝旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力的作用引起的對流。由于拉晶時晶體與坩堝相對旋轉(zhuǎn)，在晶體生長面下方產(chǎn)生離心力，形成順時針的強迫對流，其流動方向與浮力產(chǎn)生的熱對流方向一致，為順時針渦流。并且該對流把熱對流限制在坩堝壁附近。

1.2磁場抑制熔體對流原理

為了抑制熔體對流，人們進(jìn)行了各種嘗試，微重力環(huán)境生長技術(shù)和外加磁場生長技術(shù)是兩種有效的方法，其中外加磁場是在地面上等效微重力環(huán)境生長單晶的有效方法。

熔融狀態(tài)的硅具有導(dǎo)電性，在磁場作用下，熔體流動引起感生電流，根據(jù)電磁理論，通電導(dǎo)體在磁場中運動將會受到外力阻止，即洛倫茲力，在洛倫茲力作用下，熔體內(nèi)的對流就會得到抑制，處于相對靜態(tài)平衡狀態(tài)。晶體與熔體界面處的氧、點缺陷及其他雜質(zhì)也可以得到控制，進(jìn)而得到大尺寸、高質(zhì)量的單晶硅。

直拉法生長的單晶是在具有溫度梯度的熱場中進(jìn)行的，因此要克服熔體的無規(guī)則熱對流主要通過減小地球重力場的方法實現(xiàn)。研究表明在微重力環(huán)境下，重力驅(qū)動的熱對流會大大減弱甚至消失，熔體中幾乎無熱對流，擴散支配熔體的質(zhì)量輸運過程，所以在直拉法生長單晶過程中可以通過模擬空間微重力環(huán)境來克服地球的重力場。研究表明，在生長過程中引入磁場可以實現(xiàn)此目的。熔融態(tài)的硅是導(dǎo)電體，當(dāng)無規(guī)則的熔體對流切割外加磁場的磁力線時會產(chǎn)生洛倫茲力作用，使得對流運動受阻，等效于增加熔體的黏滯系數(shù)［4］。其中熱對流是晶體生長過程中熔體的主要對流，大大影響單晶的質(zhì)量，甚至破壞單晶的生長，是磁場拉晶過程中的主要控制對象。當(dāng)引入的磁場強度達(dá)到某一臨界值時，熔體對流基本被抑制，此時在晶體生長過程中，熔體的質(zhì)量輸運榮國擴散機理控制，有效地抑制了熔體的熱對流運動。

2　橫向磁場結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1橫向磁場結(jié)構(gòu)

橫向磁場是由高導(dǎo)磁率半封閉C形鐵磁回路、高導(dǎo)磁率鐵芯、結(jié)構(gòu)完全相同的兩個獨立螺旋管圓形直流線圈、兩個磁極、縱向調(diào)節(jié)機制、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、大功率直流電源、控制柜及其他附件構(gòu)成。左右兩個線圈安裝在兩個鐵芯上，線圈的電流流向、匝數(shù)、線圈半徑、縱向和軸向?qū)訑?shù)以及繞制方法完全相同，線圈采用多路并行再通過銅帶將各路線圈串聯(lián)在一起，便于提供冷卻水多路并聯(lián)，這樣可提高冷卻效率，保證磁場在長時間運行的情況下不會溫度過高，而且一旦線圈出現(xiàn)故障，可單獨關(guān)閉、更換壞掉的線圈，便于維修。鐵芯使用由矯頑力低、導(dǎo)磁率高、磁性穩(wěn)定的DT4E型純鐵材料加工而成。鐵芯的兩端安裝馬蹄形磁極，磁極下面安裝調(diào)節(jié)桿，用以調(diào)節(jié)磁極的相對位置以及兩個磁極相對石英坩堝及坩堝內(nèi)熔體液面的位置。C形鐵磁回路也是用DT4E純鐵材料加工而成，其磁導(dǎo)率高，磁阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空氣的磁阻，磁力線幾乎全部通過高磁導(dǎo)率的磁回路并形成閉合回路，減少磁場不必要的損耗提高坩堝區(qū)域磁場強度，避免對單晶爐控制柜及工作人員身體的影響。磁場控制柜具有監(jiān)控和報警的功能，可以時刻監(jiān)控電流、電壓的數(shù)值，若水循環(huán)出現(xiàn)異常也會及時報警，避免危險情況的發(fā)生。磁場結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　橫向磁場結(jié)構(gòu)圖

2.2橫向磁場工作原理

單晶爐放在橫向磁場的兩個磁極之間，當(dāng)給兩個線圈通以大小相等、方向相同直流電流時，線圈內(nèi)部會產(chǎn)生磁場，由于兩個線圈的繞制方向完全相同，電流方向也相同，根據(jù)右手定律可知兩個線圈相對的兩端分別為磁極的N極和S極，另外兩端分別為磁極的S極和N極，由于兩個線圈通過C形高導(dǎo)磁回路相連，線圈內(nèi)部的磁力線通過磁回路到另一線圈的一個磁極 （兩個磁極的磁性相反）；線圈外部的磁力線通過兩磁極間空氣回到另一磁極，從而在二個磁極空間區(qū)域內(nèi)形成一個磁力線為水平方向分布、磁場強度較均勻的橫向磁場。爐體、石墨件、坩堝均為非磁性材料，故可將磁極見區(qū)域視為空氣。

由于磁場結(jié)構(gòu)的對稱性，在兩磁極之間空間區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的磁場是以幾何中心為對稱的。如選取幾何中心為坐標(biāo)原點O，磁場分布和強度就以x、y和z三個坐標(biāo)平面為對稱，且磁場強度Bz分量在z方向上隨著距中心O點距離增加而增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)二磁極時達(dá)到最大；而在x和y方向上隨著距中心O點距離增加Bz分量將減小［5］。因為安裝磁場主要抑制熔體上下對流及晶轉(zhuǎn)、堝轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強迫對流，所以主要研究對象為磁場強度z軸分量Bz。磁場的磁力線剖面分布如圖2所示，由圖可看出強磁場區(qū)域主要集中在平行于z軸的橫向區(qū)域內(nèi)，即磁力線密集區(qū)。磁場對熔體對流的抑制效果主要取決于坩堝內(nèi)壁處磁場分量Bz的強弱、均勻性、抑制熔體區(qū)域的大小和位置，在設(shè)計磁場參數(shù)時，應(yīng)盡可能使這些關(guān)鍵參數(shù)最優(yōu)，加寬Bz的工作區(qū)域，提高磁場的均勻性使得對流被抑制的同時保存部分毛細(xì)對流，控制SiO的蒸發(fā)，在熔體表面形成低氧層，減少從生長界面進(jìn)入單晶的氧，從而改善單晶中氧濃度提高晶體質(zhì)量。

圖2　橫向磁場磁力線剖面圖

3結(jié)　論

橫向磁場中直拉硅單晶生長能夠增加對流的黏滯性、熱穩(wěn)定性，有效地抑制了熔體對流，大大地減少了機械振動等原因造成的熔硅掖面的抖動、熔體的溫度波動，控制了熔硅與石英坩堝壁的反應(yīng)速率，實現(xiàn)氧的可控性，有效地咸少或消除雜質(zhì)的微分凝效應(yīng)，使各種雜質(zhì)分布均勻，降低晶體的缺陷，提高均勻性，可以生產(chǎn)出滿足半導(dǎo)體器件和集成電路用的高純度、高完整性、高均勻性的結(jié)構(gòu)完美的大直徑硅單晶。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 徐岳生.直拉硅單晶生長的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，33（2）：52-58.

［2］ SabhapathyP，SalcudeanME.NumericalStudyofCzochralskiGrowthofSiliconinAxisymmetricField［J］.J.Crystal-Growth，1998，193：402-412.

［3］ XuYS.ProgressinCzochralskiSiliconGrowth［J］.JournalofHebeiUniversityofTechnology，2004，33（2）：52258.

［4］ 馬海武，王麗黎，趙仙紅，等.電磁場理論［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004.

［5］ LiangX，JinWQ.ProgressofMagneticFieldApplicationin CrystalGrowth［J］.JournalofInorganicCmaterials，1999，14 （6）：8332839.

中圖分類號：TN304.053

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C

文章編號：1004-4507（2016）07-0047-04

作者簡介：

李賀梅（1983-），女，天津人，助理工程師，大專，現(xiàn)就職于中國電子科技集團公司第四十六研究所，主要從事半導(dǎo)體材料的檢測工作。

收稿日期：2016-05-23

Transverse Magnetic Czochralski Silicon Single Crystal Growth

LI Hemei

（The 46thResearch Institute of CETC，Tianjin 300220）

Abstract：CzochralskiTechnique growth of silicon single crystal is the most commonly used industrialization method to obtain high quality and large diameter crystal，The introduction of magnetic field in the process of the growth of silicon single crystal by CzochralskiTechnique can effectively restrain the convection of the melt，improve the uniformity of resistivity，controlle the content of oxygen and carbon content，and improve the micro defects of silicon single crystal，thus obtain high quality and large diameter silicon single crystal.This paper mainly introduces the melt convection，the cause of the production，the principle of the magnetic field to suppress the melt convection，and take the transverse magnetic field as the research object，analyzes the composition structure and working principle of the transverse magnetic field.

Keywords：Czochralski crystal furnace；Transverse magnetic field；Equivalent micro gravity