一種提高大直徑區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)質(zhì)量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種提高大直徑區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)質(zhì)量的方法，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 區(qū)熔硅單晶是用于半導(dǎo)體功率器件、功率集成器件及半導(dǎo)體集成電路的主題功能 材料。隨著微電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體工業(yè)對硅材料也提出了更新、更高的要求。隨 著市場的不斷發(fā)展，出于提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本的目的，要求區(qū)熔硅單晶的直徑不斷增 大，直徑為5英寸、6英寸單晶甚至于8英寸的區(qū)熔硅單晶逐漸成為市場需求的主流。
[0003] 區(qū)熔法制備硅單晶是在充滿氬氣的密封反應(yīng)室中進行的，其制備工藝主要包括籽 晶熔接、引晶、放肩、等徑、收尾等步驟。整個過程可以概括為：首先將一根長度約為1〇〇~ 180cm的多晶硅棒垂直的放置在高溫反應(yīng)室內(nèi)，用加熱線圈將多晶硅棒的下端熔成半球，下 壓多晶硅棒使熔區(qū)與籽晶熔接；接著下拉籽晶，引晶生長細頸，使熔區(qū)呈漏斗狀；然后降低 籽晶的輸送速度，進行放肩，放肩到要求直徑后，開始等徑生長；加熱線圈不動，懸掛的多晶 上料緩慢向下降低，通過加熱線圈把熔融硅上方部分的多晶硅棒熔化，此時靠近籽晶的一 端熔融硅開始凝固，形成與籽晶晶體相同的晶向。當加熱線圈掃過整個硅棒后，便能使其轉(zhuǎn) 變成硅單晶棒。
[0004] 隨著區(qū)熔硅單晶直徑的增大，現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)己逐漸難以滿足大直徑單晶如6英 寸及以上區(qū)熔硅單晶生長的條件。目前國內(nèi)用于拉制大直徑區(qū)熔單晶的設(shè)備以德國公司 PVA的Fz-35爐為主，此設(shè)備功率設(shè)計上具有拉制8寸單晶的能力，但其在單晶生長熱場配 套上也有一定的缺陷點存在。如果用現(xiàn)有的區(qū)熔硅單晶生長工藝生長6英寸及以上的區(qū)熔 硅單晶，在單晶生長過程中存在以下幾點難以控制的問題：1、區(qū)熔硅單晶的生長角度難以 控制；2、區(qū)熔硅單晶的熔區(qū)液面生長難以控制；3、硅單晶在生長過程中晶向易發(fā)生扭曲； 4、硅單晶在生長過程中易發(fā)生勒苞現(xiàn)象。
[0005] 因此，需要進一步改進現(xiàn)有的區(qū)熔單晶生長的工藝條件，來滿足大直徑單晶6英 寸及以上硅單晶的生長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種提高大直徑區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)質(zhì)量的方法。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種提高大直徑區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)質(zhì)量的方法，該方法主要包括籽晶熔接、引晶、放 肩、等徑、收尾步驟，在放肩過程中，通過以下步驟確定并控制該過程中加熱線圈的功率： (1)根據(jù)所要生產(chǎn)的硅單晶的直徑將欲放肩形成的漏斗形熔區(qū)劃分為數(shù)個生長區(qū)間；（2) 然后根據(jù)所劃分的生長區(qū)間確定每個生長區(qū)間的生長時間；（3)最后根據(jù)所確定的生長時 間確定每個生長區(qū)間內(nèi)加熱線圈需要增加的功率。
[0009] 在該方法中，數(shù)個生長區(qū)間與其對應(yīng)的生長時間在坐標系中的關(guān)系曲線為右開口 拋物線，其中橫坐標表示生長時間，縱坐標表示生長區(qū)間。每個生長區(qū)間的生長時間與加熱 線圈需要增加的功率在坐標系中的關(guān)系曲線為左開口拋物線，其中橫坐標表示生長時間， 縱坐標表示增加的功率。
[0010] 該方法適用于生產(chǎn)直徑為6英寸以上的大直徑區(qū)熔硅單晶。生產(chǎn)6英寸區(qū)熔硅單 晶時，可以將欲放肩形成的漏斗形熔區(qū)劃分為7個生長區(qū)間，依次為0~70mm、70~90mm、 90 ~110mm、110 ~130mm、130 ~140mm、140 ~145mm. 145 ~150mm。對應(yīng)每個生長區(qū)間 的生長時間依次為：25~55s、25~55s、35~65s、55~85s、55~85s、75~105s、125~ 155s〇
[0011] 在該方法中，以籽晶熔接步驟中加熱線圈的功率為初始功率，在整個放肩過程中， 對應(yīng)每個生長區(qū)間的加熱線圈需要增加的功率百分比為0~1%、0~1%、0~1%、0~ 1%、0. 2 ~0? 8%、0. 3 ~0? 7%、0. 4 ~0? 6%。
[0012] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0013] 本發(fā)明在生長單晶時加入了三圖合一的單晶生長曲線的操作工藝手法，有效的操 控了單晶的生長結(jié)構(gòu)，改善了單晶的生長熱場環(huán)境，減緩了人為操作過程中的失誤情節(jié)，還 可以提高單晶的成晶率和合格率，降低生產(chǎn)成本。
[0014] 本發(fā)明為6英寸區(qū)熔硅單晶的生長工藝分析奠定了生長理論基礎(chǔ)；為6英寸區(qū)熔 硅單晶的生長提供了模擬熱場的必要條件；同時也為8英寸區(qū)熔硅單晶提供理論生長基 礎(chǔ)，驗證了區(qū)熔硅單晶的熱場生長條件。
【附圖說明】
[0015] 圖1為生產(chǎn)6英寸區(qū)熔硅單晶放肩時熔區(qū)生長區(qū)間劃分的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2為生長區(qū)間與生長時間的關(guān)系曲線。
[0017] 圖3為各生長區(qū)間的生長時間與其需要增加的功率的關(guān)系曲線。
[0018] 圖4為各生長區(qū)間與其需要增加的功率的關(guān)系曲線。
[0019] 圖5為功率輸出反饋與生長時間的關(guān)系曲線。
【具體實施方式】
[0020] 以下通過實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0021] 本發(fā)明的方法適用于區(qū)熔硅單晶生長過程中的放肩階段和等徑生長階段。在區(qū) 熔硅單晶生產(chǎn)之前，首先根據(jù)所要生產(chǎn)的硅單晶的直徑將欲放肩形成的漏斗形熔區(qū)劃分為 數(shù)個生長區(qū)間，如圖1所示，數(shù)個生長區(qū)間的劃分可以根據(jù)實際情況例如所要生長的區(qū)熔 硅單晶的直徑等來確定。然后根據(jù)所劃分的生長區(qū)間確定每個生長區(qū)間的生長時間，如圖 2所示，數(shù)個生長區(qū)間與其對應(yīng)的生長時間在坐標系中的關(guān)系曲線為右開口拋物線形狀，其 中橫坐標表示生長時間，縱坐標表示生長區(qū)間。最后根據(jù)所確定的生長時間確定每個生長 區(qū)間內(nèi)加熱線圈需要增加的功率，如圖3所示，每個生長區(qū)間的生長時間與加熱線圈需要 增加的功率在坐標系中的關(guān)系曲線為左開口拋物線，其中橫坐標表示生長時間，縱坐標表 示增加的功率。
[0022] 由圖1~圖3中工藝參數(shù)之間的關(guān)系可以得到如圖4所示的各生長區(qū)間與其需要 增加的功率的關(guān)系曲線，可以看出，在整個放肩階段，加熱線圈所增加的功率在各生長區(qū)間 之間實現(xiàn)了平穩(wěn)過渡，為區(qū)熔硅單晶提供一個穩(wěn)定的生長角度和穩(wěn)定的熱場環(huán)境。
[0023] 根據(jù)以上圖1~圖3中的數(shù)據(jù)分析，可以確定在區(qū)熔硅單晶在生產(chǎn)過程中尤其是 放肩階段的功率輸出反饋的明確目標，如圖5所示。在放肩階段，在一定的時間范圍內(nèi)所增 加的功率數(shù)值穩(wěn)步過渡，從而間接的控制區(qū)熔硅單晶生長的熱場環(huán)境，實現(xiàn)區(qū)熔硅單晶的 穩(wěn)定生長。
[0024] 實施例1
[0025] 本實施例使用德國PVA公司的FZ-35型單晶爐（區(qū)熔爐），用直徑為240mm的2臺 加熱線圈，以生產(chǎn)直徑為150mm的6英寸區(qū)熔硅單晶為實例。拉制6英寸單晶的生長過程 工藝為：單晶保持后下拉速為2.8mm/min，上拉速依據(jù)多晶料的直徑計算得到，上軸旋轉(zhuǎn) 為0. 5rpm/min,下軸旋轉(zhuǎn)即單晶旋轉(zhuǎn)為8rpm/min。多晶娃料經(jīng)過加熱烙化，待溫度適 合后，將籽晶浸入烙接，引晶過程中下拉速走12mm/min,長度是36_。在放肩和等徑生長 階段采用以下具體控制方式：
[0026] 在放肩階段的過程中單晶下拉速由4~2. 8mm/min,下轉(zhuǎn)速由30~8rpm/min, 直至保持后的參數(shù)，將漏斗形熔區(qū)劃分成以下生長區(qū)間：〇~70mm、70~90mm、90~110mm、 110~130mm、130~140mm、140~145mm. 145~150mm。對應(yīng)每個生長區(qū)間的生長時間依次 為：50s、50s、50s、80s、80s、100s、150s;以籽晶熔接步驟中加熱線圈的功率為初始功率，對 應(yīng)每個生長區(qū)間的加熱線圈功率逐漸遞增，各生長區(qū)間內(nèi)功率遞增的百分率分別為0. 5%、 0. 5%、0. 4%、0. 4%、0. 3%、0. 2%、0. 1%。在每個生長區(qū)間內(nèi)或兩個生長區(qū)間之間，所加 功率的百分率要穩(wěn)步過渡，例如，如果某一生長區(qū)間內(nèi)所需增加的功率為〇. 5%，可以按照 0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的方式逐漸增加到所需增加的百分率，基體的直徑生長 區(qū)間、時間、所加功率如表1所示：
[0027]表1
【主權(quán)項】
1. 一種提高大直徑區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)質(zhì)量的方法，該方法主要包括籽晶熔接、引晶、放 肩、等徑、收尾步驟，其特征在于，在放肩過程中，通過以下步驟確定并控制該過程中加熱線 圈的功率：（1)根據(jù)所要生產(chǎn)的硅單晶的直徑將欲放肩形成的漏斗形熔區(qū)劃分為數(shù)個生長 區(qū)間；（2)然后根據(jù)所劃分的生長區(qū)間確定每個生長區(qū)間的生長時間；（3)最后根據(jù)所確定 的生長時間確定每個生長區(qū)間內(nèi)加熱線圈需要增加的功率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高大直徑區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)質(zhì)量的方法，其特征在于，數(shù)個 生長區(qū)間與其對應(yīng)的生長時間在坐標系中的關(guān)系曲線為右開口拋物線，其中橫坐標表示生 長時間，縱坐標表示生長區(qū)間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高大直徑區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)質(zhì)量的方法，其特征在于，每個 生長區(qū)間的生長時間與加熱線圈需要增加的功率在坐標系中的關(guān)系曲線為左開口拋物線， 其中橫坐標表示生長時間，縱坐標表示增加的功率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高大直徑區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)質(zhì)量的方法，其特征在于，所述 大直徑區(qū)熔硅單晶的直徑為6英寸以上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高大直徑區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)質(zhì)量的方法，其特征在于，生產(chǎn) 6英寸區(qū)熔硅單晶，欲放肩形成的漏斗形熔區(qū)劃分為7個生長區(qū)間，衣次為0~70mm、70~ 90mm、90 ~110mm、110 ~130mm、130 ~140mm、140 ~145mm、145 ~150mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高大直徑區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)質(zhì)量的方法，其特征在于，對應(yīng) 每個生長區(qū)間的生長時間依次為：25~55s、25~55s、35~65s、55~85s、55~85s、75~ 105s、125 ~155s。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高大直徑區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)質(zhì)量的方法，其特征在于，對應(yīng) 每個生長區(qū)間的加熱線圈需要增加的功率百分比為0~1%、〇~1%、〇~1%、〇~1%、 02 ~08%、03 ~07%、04 ~06%。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種提高大直徑區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)質(zhì)量的方法，一種提高大直徑區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)質(zhì)量的方法，該方法主要包括籽晶熔接、引晶、放肩、等徑、收尾步驟，在放肩過程中，通過以下步驟確定并控制該過程中加熱線圈的功率：(1)根據(jù)所要生產(chǎn)的硅單晶的直徑將欲放肩形成的漏斗形熔區(qū)劃分為數(shù)個生長區(qū)間；(2)然后根據(jù)所劃分的生長區(qū)間確定每個生長區(qū)間的生長時間；(3)最后根據(jù)所確定的生長時間確定每個生長區(qū)間內(nèi)加熱線圈需要增加的功率。采用本發(fā)明可以有效的操控單晶的生長結(jié)構(gòu)，改善單晶的生長熱場環(huán)境，減緩人為操作過程中的失誤情節(jié)，還可以提高單晶的成晶率和合格率，降低生產(chǎn)成本。
【IPC分類】C30B13-28, C30B29-06
【公開號】CN104711664
【申請?zhí)枴緾N201310690078
【發(fā)明人】楊凱, 閆志瑞
【申請人】有研新材料股份有限公司, 有研半導(dǎo)體材料有限公司
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2013年12月16日