大直徑區熔硅單晶的研究與制備技術探究

李小波

摘 要：隨著我國科學技術的不斷發展，電力電子器件也取得了飛躍的進步，在一些半導體器件的研究過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硅單晶的質量有一些要求，如：直徑大、無位錯、電阻率徑向均勻等，同時為了提高器件的實收率，還要求硅單晶有承受壓力的特點，研究大直徑區熔硅單晶十分必要，對提高整個產品的效率以及降低成本方面都有很大的作用。本文就對大直徑區熔硅單晶的研究過程以及其設備技術問題進行具體的分析。

關鍵詞：大直徑；區熔；硅單晶；設備技術；分析研究

1 大直徑區熔硅單晶的研究過程

1.1實驗方法

區熔硅單晶生長的主要實驗設備是丹麥生產的區熔單晶爐，該設備的直徑最大可生長為8英寸，而加熱線圈也通常采用大尺寸的平板同心結構的線圈，通常線圈的上方與下方的設計不同，上方采用兩級臺階結構下方采用斜面的設計，由于單晶生長采用的籽晶是無偏角籽晶因此在單晶生長的時候需要在爐體內充入作為保護氣的氬氣，并且當籽晶熔接多晶的時候還可以在氬氣中摻雜一些高純磷烷，讓區熔硅單晶與氣體相互融合生長，進行操作的時候將多晶棒與籽晶安裝在上下軸的夾頭中，在檢查情況之后將爐門關閉，然后在爐內加入氬氣再通入高純氫氣，將主加熱高頻發生器進行通電之后，高頻就能對熔化硅棒的端部進行感應以調節加熱功率和硅棒的位置，將擋渣板移開之后就能讓籽晶與熔區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，在大直徑區熔硅單晶的研究過程中會有一些常見的參數，如：加熱線圈尺寸的增大、多晶硅棒尺寸的長度也要事先量好。

1.2實驗結果

隨著硅單晶直徑的不斷增大，液態熔硅也在增加，而區熔生長工藝對單晶生長的熔區穩定性起著很重要的作用，為了更好的滿足大直徑單晶生長的需求，需要對線圈的加熱功率加大，為了避免使加熱線圈出現短路現象應該首先將爐中的氬氣氛壓升到最高，這樣就會使區熔硅單晶中的氧含量的等級降低，同時也不會產生因氧而形成的沉淀物，所以需要在區熔硅單晶中需加入氮氣來提高其強度，由于區熔生長技術的電阻率要高于直拉硅單晶，這會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熔硅單晶可以通過加入磷烷的方式，進行氣相摻雜的時候雜質會與晶體的很多因素相關，如：生長速度、初始濃度、晶轉速度以及流動狀態等，如果單晶在生長的過程中劑量保持不變那么分布曲線就會隨著單晶的生長而不斷減少，同時為了對單晶徑向電阻率的均勻性進行控制，在單晶進入生長階段之后要進行調整，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象的發生，大直徑的硅單晶有著很好的對稱性在進行裝爐過程中要進行對齊，可以說單晶的生長要比熱應力分量更大一些，但是由于它的抗位錯能力比較差更加容易產生滑移，所以更加需要對單晶的生長做出要求，在單晶生長的整個過程中要對功率以及速度進行適當的調整來提高成晶率，并且在收肩的時候為了避免熱沖擊的影響就要利用前高功率細熔區的處理方式讓熔區變粗，這種平滑過渡的操作也能提高單晶生長的穩定性。

1.3工藝理論分析

根據相關報道，純氫氣氛中生長的區熔單晶中有氫缺陷存在，同時微裂紋與脆性也比較大，國內的很多廠家都用實踐證明了晶體缺陷這一情況，純氫氣氛中區熔單晶有很多麻坑因而制作出來的器件成品率比較低，即使可以利用退火的方式進行改造也不能從根本上解決問題，因此還不能夠利用在大規模的生產中，除此之外，在純氫氣氛中生產的產品對安全防爆問題十分重視，如果在氬氣中加入0.2%的氫氣，那么就可以得到無漩渦的單晶，利用純氫下區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生的小平面，但是因為小平面是原子密排面生長速度比較慢，只有當過冷度較大的時候才能確保其生長，而區熔單晶的小平面需要的過冷度通常是-9攝氏度到6攝氏度，在單晶生長時非小平面區會優先生長并且不斷結晶，小平面則是層狀生長比其他的區域要落后一些，而當過冷度達到一定程度后雜質的分配系數就會變大，濃度也會增加。為了不讓磷的濃度過高破壞單晶徑向的均勻性可以盡量的減少小平面區。而直拉單晶的固液界面是凸、平或者凹的狀態，在凸界面的時候需要快拉速，從而降低軸向、徑向的溫度或者采用偏心拉晶方式來消除掉小平面改善徑向電阻率的均勻性。對固液界面的一些復雜問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。第二，利用加熱線圈方式，對小內徑加熱線圈進行區熔操作來消除小平面。第三，采用偏心回擺方式，改變固液界面的形狀改變均勻性。對于無位錯區熔單晶的生長問題，主要是由于在50毫米左右的單晶很容易出現位錯，因此生長成大直徑的單晶后就能夠防止位錯化受到破壞，晶體放肩部的散熱條件如果發生變化會變為暗紅的狀態，這樣會嚴重影響晶體的完整性。

2大直徑區熔硅單晶的設備技術研究

大直徑區熔硅單晶的設備問題是重點問題，要利用大型區熔爐進行還要保證其結構與小型的區熔爐差別不大，通常大型區熔爐的上下軸行程會比較長，爐室中利用不銹鋼的材質，爐體比較高所以要采用爐外傳動的方法，并且要裝設不同的操作桿如：熱環桿、推棒桿等等，爐室外面會有手柄可以通過手柄進行操作，而爐子本身是真空的設計，利用兩臺頻率不同的發生器來進行區熔操作，同時采用可控硅移相裝置或者調壓器對高頻發生器進行功率上的調節。線圈在區熔工藝中占有重要的地位，他是用來加熱與熔化硅原料棒的，同時他還可以提供給單晶在生長時的溫度與磁托力等，通常線圈的材質為銅質，或者可以對表面進行鍍銀操作，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。主加熱線圈的內徑與外徑差距很大，內徑小節省功率，對區熔工藝進行操作的時候也比較方便、簡單。如果多晶體很粗的時候棒四周熔化就會非常不均勻留下很多難熔點會破壞線圈，也會妨礙到區熔工藝的進行。如果加熱線圈內徑太大就會十分耗費功率，還會在進行放肩縮頸的時候壓垮熔區，如果外徑太小，單晶外周受到高頻感應的作用也會變小，相反如果線圈外徑太大線圈的電感量就會越大，線圈磁場對熔區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消除線圈的尖刺很有幫助。在進行區熔的時候，出現的尖刺成了工藝運行時的阻礙，分析尖刺出現的主要原因就是加熱線圈與熔體之間產生的磁力將熔體慢慢推向軸心，當原料太粗或者線圈的內徑過小時熔體向中心的趨勢就會越強，否則就會越來越小，那些不會被熔化的就會慢慢形成尖刺的形狀，嚴重的還會影響到工藝的正常進行只能停爐進行整修。

3結束語

綜上所述，通過對大直徑區熔硅單晶的生長機制研究，可以看出通過氣相摻雜的技術來對其進行調整，從而得出大直徑的區熔硅單晶，硅單晶無位錯與電阻率的均勻性控制良好，因此在大直徑區熔硅單晶的工藝中，要使整個的過程保持平滑過渡，相信在眾多技術人員的共同努力下，未來該方面會取得更大的進步。

參考文獻

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