超导横向磁场在大尺寸半导体级单晶硅长晶中的应用

2020-06-19穆童

时代农机 2020年3期

穆童

（南京晶升能源设备制造有限公司，江苏南京210000）

随着半导体行业的发展，半导体晶片的市场需求，从8 英寸（1 英寸=2.54 厘米，下同）逐渐向12 英寸扩展，由于单晶硅生长的基本性质，晶体头尾部分难以有效利用，坩埚尺寸在24 寸级以下的半导体级单晶硅长晶炉，由于其坩埚尺寸小，单炉投料量少等原因，生长12 英寸及以上半导体晶棒时，晶棒有效长度非常短，越来越难以适用于大尺寸半导体级单晶硅的生长。因此，大尺寸单晶硅生长，需要坩埚尺寸随之增大，目前坩埚尺寸已逐渐向28 英寸和32 英寸发展。

传统的Cusp 磁场（勾型磁场）通常采用的两组反向的多层线圈，通入冷却水进行冷却，但是由于其采用的铜线圈，磁场电流增大时，根据焦耳定律，将产生大量的热，造成大量的电能浪费。即便更换超导材料，由于其线圈排布，其磁场强度仍维持在一个很低的水平，通常小于1000GS，难以适用于大尺寸坩埚的长晶需求。而此时，超导横向磁场，由于其采用超导材料，在低温下，磁场线圈电阻为0，即使磁场电流增大也不会产生发热，能到产生非常强的磁场强度（＞4000GS），能够有效抑制硅液的纵向流动，对提高长晶的成功率，降低晶体的氧含量，有着显著的作用。因此，超导横向磁场，将会是目前大尺寸半导体级单晶硅长晶的最优选择。

1 理论依据

MCZ 硅单晶生长（Magnetic Field Applied Czochralski Method），是一种在传统CZ 硅单晶生长基础上，外加磁场，从而抑制晶体生长中产生的热对流。在单晶硅长晶过程中，熔液里的热对流对晶棒的品质影响非常大，特别是不稳定的热对流，很容易造成长晶固液界面的不稳定和掺杂的微观偏析现象。由于硅熔体具有导电性，因此在适当的磁场之下，可以有效的抑制熔体的自然对流，避免紊流的产生。

在单晶硅生长中，热场中的热量主要由侧面加热器产生，通过石墨坩埚传递给石英坩埚，再传导给熔体，熔体通过液面和晶体向上散热。通过热场结构，形成了坩埚内部外热内冷，下热上冷的情况，由于物体热胀冷缩的基本性质，下部温度高的熔体由于体积膨胀密度小会上浮，上方温度低的熔体密度大下沉，这种宏观区域的下沉上浮造成了熔体的流动现象。在坩埚内，熔体的自然对流是沿着熔体沿着坩埚壁向上流动，到了液面开始向中心流动。自然对流的程度可以用无量纲的格拉斯霍夫数Gr或者瑞利数Ra 来表示：

在式中α 为熔体的热膨胀系数，g 为重力加速度，ΔT 为硅熔体内的最大温差，D 为石英坩埚的内径或熔体高度νk为熔体的粘滞叙述，Ks为熔体的热传导系数。从公式可以看出，当坩埚尺寸增大时，自然对流的程度呈三次方的程度向上增长，对于一个D=0．5m，ΔT 为50K 的CZ 系统而言，当没有外加磁场的情况下，Ra值高达108，远高于产生紊流的103。当施加磁场时，硅熔体相当于一个离子化的导体，根据洛伦兹力定律，当导体运动切割磁感线时，会产生感应电流，而感应电流有会产生与熔体流动方向相反的洛伦兹力，从而抑制熔体的对流。

目前，当坩埚尺寸增加到28～32 英寸时，自然对流呈指数增大，现有的勾型磁场，由于磁场强度低，无法有效抑制熔体对流。由于晶体中的氧，主要是熔体流动冲刷坩埚造成，无法抑制对流，则晶体中的氧含量根本无法得到有效控制，而超导横向磁场，由于其使用的超导线圈，在低温下电阻为0，根本不发热，电流可以加到很高，磁场强度远远超过传统的勾型磁场。本实验采用的超导横向磁场，其最大磁场强度超过4000GS，是传统的勾型磁场无法比拟的。

2 实验过程

本实验采用32 英寸石英坩埚，装料420kg，磁场强度4000GS，拉制12 英寸的半导体级的单晶硅晶棒。

晶体编号边缘氧含量E17atom/cc 15,87625．34536．089位置000中心氧含量E17atom/cc 6．4356．7565．349406．8975．767505．7894．676

通过拉速5 根长度2000mm 晶棒，截取其肩部位中间和边缘的试样进行氧含量检测，得到实验数据。

3 实验结果及讨论

通过实验结果，根据ASTMF121-83 太阳能硅晶体氧含量的标准测试方法，得到以下数据：其氧含量完全符合半导体级单晶硅的质量要求。根据结果，推断超导横向磁场抑制氧含量的原因为：①通过外加磁场强度，抑制了熔体对流，减少了石英坩埚的溶解量。②由于横向磁场仅抑制了熔体的纵向流动，横向流动并未抑制，由于临近液面的Marangoni flow 为主要的传输机制，是的SiO 的挥发速度增加。③抑制了石英坩埚底部的氧向上传输。