李小波

摘 要：隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子器件也取得了飛躍的進(jìn)步，在一些半導(dǎo)體器件的研究過(guò)程中硅單晶起著重要的作用，因此高反壓與大電流的器件對(duì)硅單晶的質(zhì)量有一些要求，如：直徑大、無(wú)位錯(cuò)、電阻率徑向均勻等，同時(shí)為了提高器件的實(shí)收率，還要求硅單晶有承受壓力的特點(diǎn)，研究大直徑區(qū)熔硅單晶十分必要，對(duì)提高整個(gè)產(chǎn)品的效率以及降低成本方面都有很大的作用。本文就對(duì)大直徑區(qū)熔硅單晶的研究過(guò)程以及其設(shè)備技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行具體的分析。

關(guān)鍵詞：大直徑；區(qū)熔；硅單晶；設(shè)備技術(shù)；分析研究

1 大直徑區(qū)熔硅單晶的研究過(guò)程

1.1實(shí)驗(yàn)方法

區(qū)熔硅單晶生長(zhǎng)的主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備是丹麥生產(chǎn)的區(qū)熔單晶爐，該設(shè)備的直徑最大可生長(zhǎng)為8英寸，而加熱線圈也通常采用大尺寸的平板同心結(jié)構(gòu)的線圈，通常線圈的上方與下方的設(shè)計(jì)不同，上方采用兩級(jí)臺(tái)階結(jié)構(gòu)下方采用斜面的設(shè)計(jì)，由于單晶生長(zhǎng)采用的籽晶是無(wú)偏角籽晶因此在單晶生長(zhǎng)的時(shí)候需要在爐體內(nèi)充入作為保護(hù)氣的氬氣，并且當(dāng)籽晶熔接多晶的時(shí)候還可以在氬氣中摻雜一些高純磷烷，讓區(qū)熔硅單晶與氣體相互融合生長(zhǎng)，進(jìn)行操作的時(shí)候?qū)⒍嗑О襞c籽晶安裝在上下軸的夾頭中，在檢查情況之后將爐門關(guān)閉，然后在爐內(nèi)加入氬氣再通入高純氫氣，將主加熱高頻發(fā)生器進(jìn)行通電之后，高頻就能對(duì)熔化硅棒的端部進(jìn)行感應(yīng)以調(diào)節(jié)加熱功率和硅棒的位置，將擋渣板移開(kāi)之后就能讓籽晶與熔區(qū)接好方便之后的引晶、縮頸、收放肩、收尾等操作工序，采用壓粗工藝的方法讓原料晶體的直徑更細(xì)，在大直徑區(qū)熔硅單晶的研究過(guò)程中會(huì)有一些常見(jiàn)的參數(shù)，如：加熱線圈尺寸的增大、多晶硅棒尺寸的長(zhǎng)度也要事先量好。

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨著硅單晶直徑的不斷增大，液態(tài)熔硅也在增加，而區(qū)熔生長(zhǎng)工藝對(duì)單晶生長(zhǎng)的熔區(qū)穩(wěn)定性起著很重要的作用，為了更好的滿足大直徑單晶生長(zhǎng)的需求，需要對(duì)線圈的加熱功率加大，為了避免使加熱線圈出現(xiàn)短路現(xiàn)象應(yīng)該首先將爐中的氬氣氛壓升到最高，這樣就會(huì)使區(qū)熔硅單晶中的氧含量的等級(jí)降低，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生因氧而形成的沉淀物，所以需要在區(qū)熔硅單晶中需加入氮?dú)鈦?lái)提高其強(qiáng)度，由于區(qū)熔生長(zhǎng)技術(shù)的電阻率要高于直拉硅單晶，這會(huì)從很大程度上限制整流器與晶閘管的反向擊穿電壓，想要獲得濃度比較均勻的區(qū)熔硅單晶可以通過(guò)加入磷烷的方式，進(jìn)行氣相摻雜的時(shí)候雜質(zhì)會(huì)與晶體的很多因素相關(guān)，如：生長(zhǎng)速度、初始濃度、晶轉(zhuǎn)速度以及流動(dòng)狀態(tài)等，如果單晶在生長(zhǎng)的過(guò)程中劑量保持不變那么分布曲線就會(huì)隨著單晶的生長(zhǎng)而不斷減少，同時(shí)為了對(duì)單晶徑向電阻率的均勻性進(jìn)行控制，在單晶進(jìn)入生長(zhǎng)階段之后要進(jìn)行調(diào)整，隨著單晶直徑的變大，加熱線圈的大小也要改變，這是為了避免回熔現(xiàn)象的發(fā)生，大直徑的硅單晶有著很好的對(duì)稱性在進(jìn)行裝爐過(guò)程中要進(jìn)行對(duì)齊，可以說(shuō)單晶的生長(zhǎng)要比熱應(yīng)力分量更大一些，但是由于它的抗位錯(cuò)能力比較差更加容易產(chǎn)生滑移，所以更加需要對(duì)單晶的生長(zhǎng)做出要求，在單晶生長(zhǎng)的整個(gè)過(guò)程中要對(duì)功率以及速度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整來(lái)提高成晶率，并且在收肩的時(shí)候?yàn)榱吮苊鉄釠_擊的影響就要利用前高功率細(xì)熔區(qū)的處理方式讓熔區(qū)變粗，這種平滑過(guò)渡的操作也能提高單晶生長(zhǎng)的穩(wěn)定性。

1.3工藝?yán)碚摲治?/p>

根據(jù)相關(guān)報(bào)道，純氫氣氛中生長(zhǎng)的區(qū)熔單晶中有氫缺陷存在，同時(shí)微裂紋與脆性也比較大，國(guó)內(nèi)的很多廠家都用實(shí)踐證明了晶體缺陷這一情況，純氫氣氛中區(qū)熔單晶有很多麻坑因而制作出來(lái)的器件成品率比較低，即使可以利用退火的方式進(jìn)行改造也不能從根本上解決問(wèn)題，因此還不能夠利用在大規(guī)模的生產(chǎn)中，除此之外，在純氫氣氛中生產(chǎn)的產(chǎn)品對(duì)安全防爆問(wèn)題十分重視，如果在氬氣中加入0.2%的氫氣，那么就可以得到無(wú)漩渦的單晶，利用純氫下區(qū)熔也能夠得到很好的單晶，人們都知道影響單晶徑向電阻率均勻性的通常是固液交界面產(chǎn)生的小平面，但是因?yàn)樾∑矫媸窃用芘琶嫔L(zhǎng)速度比較慢，只有當(dāng)過(guò)冷度較大的時(shí)候才能確保其生長(zhǎng)，而區(qū)熔單晶的小平面需要的過(guò)冷度通常是-9攝氏度到6攝氏度，在單晶生長(zhǎng)時(shí)非小平面區(qū)會(huì)優(yōu)先生長(zhǎng)并且不斷結(jié)晶，小平面則是層狀生長(zhǎng)比其他的區(qū)域要落后一些，而當(dāng)過(guò)冷度達(dá)到一定程度后雜質(zhì)的分配系數(shù)就會(huì)變大，濃度也會(huì)增加。為了不讓磷的濃度過(guò)高破壞單晶徑向的均勻性可以盡量的減少小平面區(qū)。而直拉單晶的固液界面是凸、平或者凹的狀態(tài)，在凸界面的時(shí)候需要快拉速，從而降低軸向、徑向的溫度或者采用偏心拉晶方式來(lái)消除掉小平面改善徑向電阻率的均勻性。對(duì)固液界面的一些復(fù)雜問(wèn)題可以采用三種方式解決：第一，利用偏角籽晶法，讓中心小平面移開(kāi)。第二，利用加熱線圈方式，對(duì)小內(nèi)徑加熱線圈進(jìn)行區(qū)熔操作來(lái)消除小平面。第三，采用偏心回?cái)[方式，改變固液界面的形狀改變均勻性。對(duì)于無(wú)位錯(cuò)區(qū)熔單晶的生長(zhǎng)問(wèn)題，主要是由于在50毫米左右的單晶很容易出現(xiàn)位錯(cuò)，因此生長(zhǎng)成大直徑的單晶后就能夠防止位錯(cuò)化受到破壞，晶體放肩部的散熱條件如果發(fā)生變化會(huì)變?yōu)榘导t的狀態(tài)，這樣會(huì)嚴(yán)重影響晶體的完整性。

2大直徑區(qū)熔硅單晶的設(shè)備技術(shù)研究

大直徑區(qū)熔硅單晶的設(shè)備問(wèn)題是重點(diǎn)問(wèn)題，要利用大型區(qū)熔爐進(jìn)行還要保證其結(jié)構(gòu)與小型的區(qū)熔爐差別不大，通常大型區(qū)熔爐的上下軸行程會(huì)比較長(zhǎng)，爐室中利用不銹鋼的材質(zhì)，爐體比較高所以要采用爐外傳動(dòng)的方法，并且要裝設(shè)不同的操作桿如：熱環(huán)桿、推棒桿等等，爐室外面會(huì)有手柄可以通過(guò)手柄進(jìn)行操作，而爐子本身是真空的設(shè)計(jì)，利用兩臺(tái)頻率不同的發(fā)生器來(lái)進(jìn)行區(qū)熔操作，同時(shí)采用可控硅移相裝置或者調(diào)壓器對(duì)高頻發(fā)生器進(jìn)行功率上的調(diào)節(jié)。線圈在區(qū)熔工藝中占有重要的地位，他是用來(lái)加熱與熔化硅原料棒的，同時(shí)他還可以提供給單晶在生長(zhǎng)時(shí)的溫度與磁托力等，通常線圈的材質(zhì)為銅質(zhì)，或者可以對(duì)表面進(jìn)行鍍銀操作，線圈的形狀也比較多變大多是幾何形狀尺寸大小也不盡相同。主加熱線圈的內(nèi)徑與外徑差距很大，內(nèi)徑小節(jié)省功率，對(duì)區(qū)熔工藝進(jìn)行操作的時(shí)候也比較方便、簡(jiǎn)單。如果多晶體很粗的時(shí)候棒四周熔化就會(huì)非常不均勻留下很多難熔點(diǎn)會(huì)破壞線圈，也會(huì)妨礙到區(qū)熔工藝的進(jìn)行。如果加熱線圈內(nèi)徑太大就會(huì)十分耗費(fèi)功率，還會(huì)在進(jìn)行放肩縮頸的時(shí)候壓垮熔區(qū)，如果外徑太小，單晶外周受到高頻感應(yīng)的作用也會(huì)變小，相反如果線圈外徑太大線圈的電感量就會(huì)越大，線圈磁場(chǎng)對(duì)熔區(qū)的壓迫也隨之慢慢變小，在線圈的表面上可以有一定的斜度存在這樣對(duì)消除線圈的尖刺很有幫助。在進(jìn)行區(qū)熔的時(shí)候，出現(xiàn)的尖刺成了工藝運(yùn)行時(shí)的阻礙，分析尖刺出現(xiàn)的主要原因就是加熱線圈與熔體之間產(chǎn)生的磁力將熔體慢慢推向軸心，當(dāng)原料太粗或者線圈的內(nèi)徑過(guò)小時(shí)熔體向中心的趨勢(shì)就會(huì)越強(qiáng)，否則就會(huì)越來(lái)越小，那些不會(huì)被熔化的就會(huì)慢慢形成尖刺的形狀，嚴(yán)重的還會(huì)影響到工藝的正常進(jìn)行只能停爐進(jìn)行整修。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)大直徑區(qū)熔硅單晶的生長(zhǎng)機(jī)制研究，可以看出通過(guò)氣相摻雜的技術(shù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，從而得出大直徑的區(qū)熔硅單晶，硅單晶無(wú)位錯(cuò)與電阻率的均勻性控制良好，因此在大直徑區(qū)熔硅單晶的工藝中，要使整個(gè)的過(guò)程保持平滑過(guò)渡，相信在眾多技術(shù)人員的共同努力下，未來(lái)該方面會(huì)取得更大的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

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