大直径区熔硅单晶的研究与制备技术探究

李小波

摘 要：随着我国科学技术的不断发展，电力电子器件也取得了飞跃的进步，在一些半导体器件的研究过程中硅单晶起着重要的作用，因此高反压与大电流的器件对硅单晶的质量有一些要求，如：直径大、无位错、电阻率径向均匀等，同时为了提高器件的实收率，还要求硅单晶有承受压力的特点，研究大直径区熔硅单晶十分必要，对提高整个产品的效率以及降低成本方面都有很大的作用。本文就对大直径区熔硅单晶的研究过程以及其设备技术问题进行具体的分析。

关键词：大直径；区熔；硅单晶；设备技术；分析研究

1 大直径区熔硅单晶的研究过程

1.1实验方法

区熔硅单晶生长的主要实验设备是丹麦生产的区熔单晶炉，该设备的直径最大可生长为8英寸，而加热线圈也通常采用大尺寸的平板同心结构的线圈，通常线圈的上方与下方的设计不同，上方采用两级台阶结构下方采用斜面的设计，由于单晶生长采用的籽晶是无偏角籽晶因此在单晶生长的时候需要在炉体内充入作为保护气的氩气，并且当籽晶熔接多晶的时候还可以在氩气中掺杂一些高纯磷烷，让区熔硅单晶与气体相互融合生长，进行操作的时候将多晶棒与籽晶安装在上下轴的夹头中，在检查情况之后将炉门关闭，然后在炉内加入氩气再通入高纯氢气，将主加热高频发生器进行通电之后，高频就能对熔化硅棒的端部进行感应以调节加热功率和硅棒的位置，将挡渣板移开之后就能让籽晶与熔区接好方便之后的引晶、缩颈、收放肩、收尾等操作工序，采用压粗工艺的方法让原料晶体的直径更细，在大直径区熔硅单晶的研究过程中会有一些常见的参数，如：加热线圈尺寸的增大、多晶硅棒尺寸的长度也要事先量好。

1.2实验结果

随着硅单晶直径的不断增大，液态熔硅也在增加，而区熔生长工艺对单晶生长的熔区稳定性起着很重要的作用，为了更好的满足大直径单晶生长的需求，需要对线圈的加热功率加大，为了避免使加热线圈出现短路现象应该首先将炉中的氩气氛压升到最高，这样就会使区熔硅单晶中的氧含量的等级降低，同时也不会产生因氧而形成的沉淀物，所以需要在区熔硅单晶中需加入氮气来提高其强度，由于区熔生长技术的电阻率要高于直拉硅单晶，这会从很大程度上限制整流器与晶闸管的反向击穿电压，想要获得浓度比较均匀的区熔硅单晶可以通过加入磷烷的方式，进行气相掺杂的时候杂质会与晶体的很多因素相关，如：生长速度、初始浓度、晶转速度以及流动状态等，如果单晶在生长的过程中剂量保持不变那么分布曲线就会随着单晶的生长而不断减少，同时为了对单晶径向电阻率的均匀性进行控制，在单晶进入生长阶段之后要进行调整，随着单晶直径的变大，加热线圈的大小也要改变，这是为了避免回熔现象的发生，大直径的硅单晶有着很好的对称性在进行装炉过程中要进行对齐，可以说单晶的生长要比热应力分量更大一些，但是由于它的抗位错能力比较差更加容易产生滑移，所以更加需要对单晶的生长做出要求，在单晶生长的整个过程中要对功率以及速度进行适当的调整来提高成晶率，并且在收肩的时候为了避免热冲击的影响就要利用前高功率细熔区的处理方式让熔区变粗，这种平滑过渡的操作也能提高单晶生长的稳定性。

1.3工艺理论分析

根据相关报道，纯氢气氛中生长的区熔单晶中有氢缺陷存在，同时微裂纹与脆性也比较大，国内的很多厂家都用实践证明了晶体缺陷这一情况，纯氢气氛中区熔单晶有很多麻坑因而制作出来的器件成品率比较低，即使可以利用退火的方式进行改造也不能从根本上解决问题，因此还不能够利用在大规模的生产中，除此之外，在纯氢气氛中生产的产品对安全防爆问题十分重视，如果在氩气中加入0.2%的氢气，那么就可以得到无漩涡的单晶，利用纯氢下区熔也能够得到很好的单晶，人们都知道影响单晶径向电阻率均匀性的通常是固液交界面产生的小平面，但是因为小平面是原子密排面生长速度比较慢，只有当过冷度较大的时候才能确保其生长，而区熔单晶的小平面需要的过冷度通常是-9摄氏度到6摄氏度，在单晶生长时非小平面区会优先生长并且不断结晶，小平面则是层状生长比其他的区域要落后一些，而当过冷度达到一定程度后杂质的分配系数就会变大，浓度也会增加。为了不让磷的浓度过高破坏单晶径向的均匀性可以尽量的减少小平面区。而直拉单晶的固液界面是凸、平或者凹的状态，在凸界面的时候需要快拉速，从而降低轴向、径向的温度或者采用偏心拉晶方式来消除掉小平面改善径向电阻率的均匀性。对固液界面的一些复杂问题可以采用三种方式解决：第一，利用偏角籽晶法，让中心小平面移开。第二，利用加热线圈方式，对小内径加热线圈进行区熔操作来消除小平面。第三，采用偏心回摆方式，改变固液界面的形状改变均匀性。对于无位错区熔单晶的生长问题，主要是由于在50毫米左右的单晶很容易出现位错，因此生长成大直径的单晶后就能够防止位错化受到破坏，晶体放肩部的散热条件如果发生变化会变为暗红的状态，这样会严重影响晶体的完整性。

2大直径区熔硅单晶的设备技术研究

大直径区熔硅单晶的设备问题是重点问题，要利用大型区熔炉进行还要保证其结构与小型的区熔炉差别不大，通常大型区熔炉的上下轴行程会比较长，炉室中利用不锈钢的材质，炉体比较高所以要采用炉外传动的方法，并且要装设不同的操作杆如：热环杆、推棒杆等等，炉室外面会有手柄可以通过手柄进行操作，而炉子本身是真空的设计，利用两台频率不同的发生器来进行区熔操作，同时采用可控硅移相装置或者调压器对高频发生器进行功率上的调节。线圈在区熔工艺中占有重要的地位，他是用来加热与熔化硅原料棒的，同时他还可以提供给单晶在生长时的温度与磁托力等，通常线圈的材质为铜质，或者可以对表面进行镀银操作，线圈的形状也比较多变大多是几何形状尺寸大小也不尽相同。主加热线圈的内径与外径差距很大，内径小节省功率，对区熔工艺进行操作的时候也比较方便、简单。如果多晶体很粗的时候棒四周熔化就会非常不均匀留下很多难熔点会破坏线圈，也会妨碍到区熔工艺的进行。如果加热线圈内径太大就会十分耗费功率，还会在进行放肩缩颈的时候压垮熔区，如果外径太小，单晶外周受到高频感应的作用也会变小，相反如果线圈外径太大线圈的电感量就会越大，线圈磁场对熔区的压迫也随之慢慢变小，在线圈的表面上可以有一定的斜度存在这样对消除线圈的尖刺很有帮助。在进行区熔的时候，出现的尖刺成了工艺运行时的阻碍，分析尖刺出现的主要原因就是加热线圈与熔体之间产生的磁力将熔体慢慢推向轴心，当原料太粗或者线圈的内径过小时熔体向中心的趋势就会越强，否则就会越来越小，那些不会被熔化的就会慢慢形成尖刺的形状，严重的还会影响到工艺的正常进行只能停炉进行整修。

3结束语

综上所述，通过对大直径区熔硅单晶的生长机制研究，可以看出通过气相掺杂的技术来对其进行调整，从而得出大直径的区熔硅单晶，硅单晶无位错与电阻率的均匀性控制良好，因此在大直径区熔硅单晶的工艺中，要使整个的过程保持平滑过渡，相信在众多技术人员的共同努力下，未来该方面会取得更大的进步。

参考文献

[1]沈文杰.大直径区熔硅单晶生长设备电磁场及温度场的数值模拟与实验研究.机械电子工程.浙江大学.2013（学位年度）.

[2]王彦君.大直径区熔硅单晶的研究与制备.材料工程.河北工业大学.2014（学位年度）.

[3]王美.悬浮区熔法生长大直径单晶硅的数值模拟及其热场分析.凝聚态物理.南开大学.2014（学位年度）.