大直径直拉单晶技术76234

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1、大直径直拉单晶技术摘要：随着国内大直径直拉单晶技术的发展，一些原先在小直径单晶中并未引起重视的问题，对大直径单晶生长的负面影响日渐显现。大直径单晶对其生长环境有很高的稳定性要求。本文就其中真空度的稳定和气流控制的优化两个方面，提出了改进方案，以提高大直径单晶生长的成晶率和内在品质。关键字：直拉法；大直径单晶；真空稳定性；气流控制1引言   半导体技术的日新月异促使了硅单晶生长技术向大直径方向发展。目前，国内大直径直拉单晶制造的规模化生产刚刚起步，许多技术尚处在摸索阶段。生长无位错的大直径单晶，要求其生长

2、环境有很高的稳定性。这使得一些破坏单晶生长稳定性的因素，在原先小直径单晶生长中影响不大，但是对大直径单晶生长的负面影响却日渐显现。   在直拉单晶生长过程中，炉体内的气体气流由上至下贯穿单晶生长的区域，及时地带走由于高温而产生出来的硅氧化物和杂质挥发物。因此，维持单晶炉体内真空值的稳定性，不受外界因素的影响，同时使保护气体有合理的气流走向，迅速带走杂质，已经成为目前半导体材料制造行业领域改进设备，提高成晶率的重要课题。2真空度的稳定性控制    高纯氩气从单晶炉顶部注入，底部由真空泵将气体抽出，炉内的真

3、空值保持动态平衡（一般在20Torr左右）。但由于种种外界因素的影响，这个平衡往往会受到破坏，使真空值在较大幅度内变化，特别在大直径单晶生长中的影响尤为明显。2.1影响真空度不稳定的因素   其一，一般设备中，氩气的进气流量是由转子流量计控制的。转子流量计是通过改变通气孔径的大小来控制气体的流量。它的缺点就是气流量势必随着进气口压力的改变而改变。实际生产中，气源压力不可避免地会受到环境温度和贮罐内氩气存量的影响。   其二，真空泵是抽真空的动力设备。在拉晶过程中，由于炉内高温而挥发出来的杂质和硅氧化物会

4、被吸收到真空泵油中，与泵油混合在一起。随着工作时间的增长，真空泵油的粘稠度会不断增大，导致抽真空的效率降低。到一定程度，真空泵必须定期更换泵油。另外，真空泵油的温度也是影响抽真空效率的因素。2.2改进方案   针对上面提出的两个问题，首先从氩气进气系统入手，为了保证进气速度恒定，我们用质量流量控制器（MFC）代替转子流量计。质量流量控制器能精确地测量和控制气体的流量，它的测量技术是基于美国一个专利（美国专利号NOS.4464932、4679585）。质量流量控制器检测的是气体的“质量流”，它只受气体自身

5、三个特性的影响（热容量、密度、分子结构），对于某种确定的气体，上面三个参数都是确定的。因此，MFC的测量精度不受气体的温度、压力等外在因素的影响，能在20～200SLPM的范围内达到高于1.0%的控制精度，响应时间小于2s。   其次，考虑真空抽速的控制。我们在单晶炉与真空泵的管道上增加了步进蝶阀。采用步进蝶阀目的是通过改变抽气通道的孔径来调节真空抽速。这是一个闭环的控制系统，由数字真空表实时检出炉内的真空压力，把该真空值与设定真空值比较，当炉内真空值偏高，就逐渐开大步进蝶阀，提高抽气速度，降低真空值至

6、设定点。反之，若炉内真空值偏低，则关小步进蝶阀，减小抽气速度。采用这样闭环系统，可以使单晶炉内真空值相当稳定，避免外界因素的干扰。 3气流的优化控制   在单晶生长过程中，硅熔液和石英坩埚等炉内物件会由于高温产生大量硅氧化物（主要成分是SiO，也有少量SiO2，呈黄色烟尘状）、杂质挥发物以及挥发性气体。这些气尘粒子飘浮在单晶生长界面周围。当减小氩气流量时，能明显看到硅熔液上方有烟尘翻腾，俗称“冒烟”。氩气由上至下穿过单晶生长区域，带走气尘杂质。有时，SiO粒子可能会被吸附到单晶生长界面上，造成正在生长的

7、单晶的原子晶向发生位错，使单晶生长失败，俗称“断苞”，降低了成晶率。   由于单晶的大直径化，需要更大的硅多晶投料量，使用更大直径的石英坩埚。自然而然，大直径单晶生长时，产生的气尘杂质会更多，增加了位错发生的机率。所以，大直径单晶需要更迅速地排除气尘杂质。3.1进气口改造为了尽可能快地带走挥发气尘，氩气流量必须足够大。大直径单晶的氩气流量一般在60-100SLPM。特别是对于成晶较困难的重掺单晶，由于掺杂量大，挥发物多，需要更大的氩气流量。值得注意是，大气流量会在炉顶进气口处产生高速气流，并在气流周围形

8、成不规则的气流旋涡。拉晶过程中，单晶以软轴方式悬挂在钢缆上，高速气流就一阵阵旋风，吹得钢缆和单晶来回晃动，无法稳定，像极大的增加了单晶生长错位断苞的可能性。   为了避免这样的情况发生，我们对氩气进气口形状作了改进。改进后的进气口像一个环状的莲蓬头。由原来的一个进气口，改为多个的微孔进气，并且气流方向向外发散。这样进气口的总孔径不变，保证了大进气量，又使气流相对缓和、分散。3.2合理的气流流向   气流量大并不意味带走颗粒气尘的效果好，合理