大直径直拉单晶硅片退火前后工艺的研究

薛佳勇

【摘 要】光学透镜所需单晶硅片直径大、厚度也较厚、电阻率高、光的透过率要求也较高。大直径硅片均采用直拉法生产的单晶硅，在生产过程中如何保证硅片的加工质量，特别是如何有效的控制才能把单晶硅的真实的电阻率表现出来，达到其透过率要求，这些都是难点，因此利用高温退火来解决直拉单晶硅这些问题是一个最佳的选择方案。

【关键词】高温退火;空洞缺陷;残余应力;空位;空穴;缺陷

引言

大直径的直拉单晶硅高温退火，在国外，一般采取的方式是在拉直单晶硅后不出单晶炉，直接进行高温退火，这就是所谓的炉内高温退火的直拉大直径单晶硅;而在国内，对待大直径的直拉单晶硅采取的方式均以单晶硅片的形式来进行高温退火。一般直径超过300mm，厚度超过50mm的直拉单晶硅片对高温退火要求是相当严格的，在高温退火过程中极容易出现炸裂的现象，同时也会有显示不出来真实的电阻率值的现象。本文只针对大直径直拉单晶硅片，在高温退火过程中提出最基本的工艺要求。

1大直径直拉单晶硅高温退火前准备工作

1.1硅片选择

随着光电科学技术的突飞猛进，红外光学透镜在我国的军工领域和远体天文方面得到了广泛和长足的发展，镜头要求的直径也越来越大，厚度也逐渐增加，而且对单晶硅的内在指标的要求也越来越高，电阻率大都超过30?.m，其透过率要求超过52%，甚至更高。这就要求在大直径直拉单晶硅片选择时，质量必须达到这些超高的标准，才可以制作出合格的光学透镜，所以这些高品质的光学透镜所使用的大直径单晶硅片必须要进行严格的帅选，物料一定不能存在多晶、位错、裂痕、暗纹等严重的缺陷，这些都会在退火过程中出现炸裂的现象，致使高温退火失败。所以一定在高温退火前，将大直径直拉单晶硅片选择好。

1.2外形处理

大直径直拉单晶硅片在退火前必须做好整形处理工作，外形处理首先就是要用外圆磨床对单晶硅片进行滚磨，砂轮至少要达到200目以上，这样才能得到一个良好的单晶硅片柱面;其次单晶硅片的表面应也是至关重要的，一般都要将硅片的表面进行平磨处理，使硅片的表面达到平整性好、一致性高，磨过的硅片的等厚差一般不超过20um;另外，硅片还需要进行倒角作为硅片的保护，能倒成45O的角为最好，一般达到0.5-0.7mm为宜;还有整个硅片上不应有褶皱、锯纹、线痕、崩边、凹陷等严重的几何缺陷。这样在高温处理的过程中直拉单晶硅片的内在应力才能平稳均衡的进行释放，不至于集中在某个点上进行应力释放发生单晶硅片炸裂的严重后果。

1.3表面清洗

红外光学镜头的直拉单晶硅片纯度一般均在99.99999%以上，所以在高温退火的过程中一定不要有其他杂质扩散到单晶硅片中去，尤其是铜、铁、铝等金属离子，这些离子在高温状态活跃性更强，扩散的速度更快。因为单晶硅片高温退火的过程中，不但要释放其内在的应力，而且硅片在高温快速热处理中引入空位、填隙原子并控制空位的分布，进而会形成了具有较强内吸杂能力的区域，此时更不能有其他杂质来进行空穴填充，否则会造成的污染，严重影响单晶硅的纯度，因此单晶硅片的清洗至关重要。一般有条件的单位可以利用超声波对单晶硅片进行清洗;如果不具备超声波，也可以用清水进行清洗，然后用酒精进行擦拭表面;还可以使用酸碱进行腐蚀，但要再次的彻底清洗干净。总之，单晶硅片的清洗必须做到彻底清洗干净为目的。

2高温退火控制

大直径直拉单晶硅片在高温退火时，一般都采用程序型的加热方式进行升温。因为程序型加热方式是按照规定的时间，能够均匀的将温度升至所设定的温度目标，升温速度比较均匀，而不是在某一段区域急速升温，其他区域则缓慢升温，所以采取程序型加热的方式能够对大直径直拉单晶硅片更加有效的进行保护。高温退火的目标温度一般根据产品的具体要求来确定，一般的在750℃左右，因为产品不同所要达到的目标也不尽相同。随着温度的升高，电子从热震动的晶格中吸收能量，电子从低能态迁升到高能态，形成自由的导带电子和价带空穴，不断产生载流子，这个过程即是升温的结果。退火温度达到目标温度值后还要确定一个时间来做保温处理，让高温快速热处理中引入空位、填隙原子并控制空位的分布，使原子快速填充空穴重新进行排布，保温时间设定仍然是要根据产品要求来具体确定。

3高温退火后处理

3.1产品防护

直拉单晶硅片在750℃保温的状态下需要快速出炉，就要求我们有极好的防护措施，才不至于使其发生炸裂的现象发生，因此一定做好必要防护措施。首先，出炉前需准备较好的耐高温手套，因为大直径的单晶硅片一般都较沉重，每片重量基本均在8kg以上，出炉时只能戴高温手套直接搬出来，切勿使用不锈钢或铁质的器具去触碰或移动直拉单晶硅片，避免造成其沾污或炸裂;其次，出炉后单晶硅硅片绝对不可以直接放在不锈钢或铁质材料上，此时温度较高，容易形成扩散，还会因为局部骤然变凉而造成炸裂，最好准备厚一点的石棉垫来放置刚出炉的大直径单晶硅片，因为石棉垫既耐高温又较松软，正適合放置刚出炉的大单晶硅片;另外，在操作的过程中一定注意不要有任何的磕碰、剐蹭或大的震荡，以免单晶硅片由于外力因素造成炸裂;同时操作人员自身也要做好防护工作，以免碰触被炉墙、炉门或硅片而烫伤。

3.2快速降温

出炉后的直拉硅片需要迅速降温，当温度在750℃左右降至450℃左右时，直拉单晶硅中的导带电子和价带空穴从高能态向低能态跃迁，同时释放出一定能量，使漂移的载流子进行复合;同时直拉单晶硅中的氧会转化为氧施主，这个迅速降温的过程可以使氧施主返回到间隙氧的状态，消除氧施主对电阻率测试的不良影响，对电阻率测量的正确性有着极其重要的作用，快速降温是直拉单晶硅退火最重要的步骤之一。既然需要快速降温，就应准备高风量的风机对直拉单晶硅片进行吹试，同时还应考虑将这些热量快速的散发出去，那最好的选择就是在通风橱中进行操作，这样才能达到迅速降温的最佳效果。

3.3后处理

经过高温退火的直拉大直径单晶硅片的表面已得到部分氧化，另外表面还极有可能被杂质污染，所以经过高温退火的直拉大直径单晶硅片一定要进行表面处理。一般硅片表面的氧化层和沾污的处理采取平磨或进行酸腐蚀的方式来去除，去除量无需太大，正常去除在0.1mm即可达到检测要求，这样使用四探针电阻率测量仪来测量电阻率即可得到真实的数据，为确定其透过率提供依据。

结束语

从大直径直拉单晶硅片高温退火过程来看，既可使直拉单晶硅的真实电阻率值显露出来，为红外光学提供透过率参考数据;同时又还能消除张拉单晶硅片的残余应力，在单晶硅片后续加工过中变得极其容易。从以上几个维度来讲，直拉单晶硅片的高温退火工艺是硅加工行业必不可少的重要一步。

参考文献：

[1]侯连武 硅片加工工艺 有色金属工人技术理论教材 1986年

[2]尹建华 李志伟 半导体硅材料基础 化学工业出版社 2013年

（作者单位：天津众晶半导体材料有限公司）