專(zhuān)利名稱(chēng)：直拉法生長(zhǎng)單晶硅中利用氮-氬混合氣體除雜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屈于半導(dǎo)體分離技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及生產(chǎn)、分離單晶硅時(shí)的一種利用氮-氬混合氣體除雜技術(shù).
背景技術(shù)：
目前我國(guó)單晶硅棒(碇)的生產(chǎn)辦法基本上還是用傳統(tǒng)的單晶爐直拉式來(lái)生產(chǎn)單晶硅棒(碇)的，用單晶爐直拉式生產(chǎn)單晶硅棒(碇)過(guò)程中會(huì)存有多種雜質(zhì)，這當(dāng)中就有氧、碳、氮、氫和一些金屈元素雜質(zhì)，其中氧是直拉法生長(zhǎng)單晶硅中的主要雜質(zhì)，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中氧雜質(zhì)主要是硅熔體與石英坩堝作用生成的，其機(jī)理為在硅的熔點(diǎn)附近，高溫的硅熔體(1420°C )和石英坩堝反應(yīng)，其反應(yīng)方程式如下Si+Si02 — 2Si0生成的SiO進(jìn)入到硅熔體中，在單晶的拉制過(guò)程中，晶轉(zhuǎn)和堝轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)熔體的對(duì)流產(chǎn)生很大影響，再加上熔體本身的熱對(duì)流，因此，進(jìn)入硅熔體中的SiO會(huì)被輸送到熔體的表面，此時(shí)大部分的Si0(99% )會(huì)在熔體表面，到達(dá)硅熔體表面的SiO以氣體形式揮發(fā)，然后被拉制單晶過(guò)程中加入的惰性氣體帶走，剩余的SiO(1% )會(huì)在硅熔體中分解，以氧原子形式存在于熔體中，如下所示SiO — Si+0分解后所產(chǎn)生的氧在隨后的生長(zhǎng)拉仲過(guò)程中進(jìn)入硅單晶，最終以間隙原子狀態(tài)存在，形成Si-O-Ri鍵。同時(shí)氧還會(huì)與硅晶體上的空位結(jié)合，使氧與硅晶體上的空位結(jié)合形成位錯(cuò)、點(diǎn)缺陷、層錯(cuò)等微缺陷；因此在單晶爐直拉式生產(chǎn)單晶硅棒(碇)的過(guò)程中人們大多采用在真空、低壓的環(huán)境中加入惰性氣體，使之整個(gè)單晶生長(zhǎng)過(guò)程處在真空、低壓的環(huán)境和加入惰性氣體這樣的氛圍下進(jìn)行拉晶的。通常在加入惰性氣體時(shí)，有的是采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體的，用氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣體時(shí)， 在過(guò)程中生成的氮化硅能釘雜位錯(cuò)，可以提高金屈硅的機(jī)械強(qiáng)度，并能降低單晶硅的一些微缺陷；但氮?dú)庠?000°C以上時(shí)，能與硅結(jié)合生成氮化硅。其反應(yīng)過(guò)程3Si+2N2 = Si3N4反應(yīng)過(guò)程中生成的Si3N4顆粒存在于晶體的晶界上，或者產(chǎn)生于固液界面上，由于氮化硅顆粒的介電常數(shù)和硅基體不同，這樣就會(huì)影響到成品單晶材料的電學(xué)性能。如果氮化硅顆粒在固液界面上形成，還會(huì)導(dǎo)致細(xì)晶的產(chǎn)生，增加晶界數(shù)目和總面積，最終也會(huì)影響到成品單晶材料的電學(xué)性能。另一種是在拉晶過(guò)程中加入惰性氣體氬，過(guò)程中將氬氣以一定速度吹入反應(yīng)爐， 并迅速抽走，這些氣體可以攜帶走爐內(nèi)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體，從而加速SiO的蒸發(fā)，隨著SiO 的蒸發(fā)量增大使之降低硅熔體中的氧含量，但是用這種辦法也無(wú)法根本上消除溶解氧對(duì)硅晶體的影響；所以加入以上兩種惰性氣體的辦法都存有一定的不足之處
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了提高直拉法生長(zhǎng)單晶硅中的除雜效果、提高硅單晶的品質(zhì)，達(dá)到高質(zhì)量的單晶的生長(zhǎng)，本發(fā)明采用在高純度的氬氣中加入微量的氮?dú)?，用它們的混合氣體來(lái)作保護(hù)氣體，克服了以單一氬氣或單一氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣體的不足之處，以去除直拉法生長(zhǎng)單晶硅中的主要雜質(zhì)氧，達(dá)到高質(zhì)量的單晶的生長(zhǎng)，提高了硅單晶的品質(zhì)。因?yàn)槲⒘康牡诰w硅中主要以氮對(duì)形式存在。這種氮對(duì)有兩個(gè)未配對(duì)電子，和相鄰的兩個(gè)硅原子以共價(jià)鍵結(jié)合，形成中性的氮對(duì)，對(duì)晶體硅不提供電子，在硅中不呈施主特性，通常也不引入電中心。氮還能與硅熔體中的氧起作用，生成氮氧復(fù)合體，減少硅熔體中氧含量。氮氧復(fù)合體是一種淺熱施主，是一種單電施主，可以為晶體提供電子；但是，在硅中氮氧復(fù)合體濃度不高，一般低于O 5)X10_14，而且可以消除。微量的氮在1000°C以上的高溫時(shí)很容易與硅起反應(yīng)，反應(yīng)生成的氮化硅能釘雜位錯(cuò)，而且不致使位錯(cuò)沿滑移面移動(dòng)或延仲，同時(shí)還能增強(qiáng)金屈硅的機(jī)械強(qiáng)度；因此摻氮作保護(hù)氣體的關(guān)鍵是控制氮的含量和用量。氮-氬混合氣體使?fàn)t內(nèi)保持低壓、惰性氣氛；混合氣體以一定速度吹入反應(yīng)爐，并迅速抽走，促使SiO的蒸發(fā)，隨著SiO的蒸發(fā)量增大而降低硅熔體中的氧含量；加大混合氣體的流速，能使反應(yīng)氣體、反應(yīng)粉末和反應(yīng)液體迅速排出單晶爐。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的在直拉法生長(zhǎng)單晶硅中利用氮-氬混合氣體除雜； 即在高純氬氣中(氬氣純度為> 99. 999% )加入微量的氮?dú)?氮?dú)饧兌葹?gt; 99. 99% ), 氮?dú)夂蜌鍤饣旌系馁|(zhì)量比為3 10，就是用這樣的氮-氬混合氣體作為直拉法生長(zhǎng)單晶硅中的保護(hù)氣體進(jìn)行除雜，氮-氬混合氣體進(jìn)入單晶爐的氣壓保持在0. 20 0. 3Mpa ；氮-氬混合氣體進(jìn)入單晶爐的流量為15L/min 25L/min ；具體操作時(shí)把氮?dú)馀c氬氣分別從儲(chǔ)存罐引出，通過(guò)流量計(jì)控制流量與混合比，在送入輸送管道時(shí)進(jìn)行混合。拉晶時(shí)混合氣體由單晶爐頂部副室進(jìn)氣口進(jìn)入，由爐底抽真空排氣口排出；進(jìn)入單晶爐的氮-氬混合氣體的流量由副室流量計(jì)控制，通過(guò)皮拉尼真空計(jì)確定讀數(shù)，氮-氬混合氣體流量控制在15L/min 25L/min。(真空計(jì)顯示 800 1200Pa)。本發(fā)明由于采用氮-氬混合氣體作為保護(hù)氣體，它具有能充分利用了氮?dú)夂蜌鍤庠趩尉L(zhǎng)中的特性，使之生成氮氧復(fù)合體，減少單晶爐中硅熔體中氧的含量；并且微量的氮與硅作用，能形成中性的氮對(duì)和具有釘雜位錯(cuò)功能，也不致使位錯(cuò)沿滑移面移動(dòng)或延仲，并能增強(qiáng)金屈硅的機(jī)械強(qiáng)度；同時(shí)一定流量的氮-氬混合氣體提高了 SiO的擴(kuò)散速度， 也增加了熔體的攪動(dòng)速度，有利于單晶生長(zhǎng)中雜質(zhì)去除的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的具體情況由以下的實(shí)施例給出。下面詳細(xì)說(shuō)明依據(jù)本發(fā)明提出的細(xì)節(jié)及工作情況。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的直拉法生長(zhǎng)單晶硅中利用氮-氬混合氣體除雜的具體實(shí)施方式
為 直拉法生長(zhǎng)硅單晶的操作步驟主要包括有熱場(chǎng)安裝、裝料、加熱、拉晶、冷卻等；熱場(chǎng)安裝、 裝料之后，在加熱之前進(jìn)行抽真空檢漏，氮?dú)馀c氬氣分別從儲(chǔ)存罐引出，通過(guò)流量計(jì)控制流量與混合比，在送入輸送管道時(shí)進(jìn)行混合，經(jīng)輸送管道輸送待用，抽真空檢漏時(shí)，緩慢打開(kāi)排氣球閥(先打開(kāi)球閥的1/3)，等到真空計(jì)顯示2000 時(shí)全部打開(kāi)球閥抽真空；工作時(shí)打開(kāi)氣體流量計(jì)球閥通入混合氣體，混合氣體通過(guò)氣體流量計(jì)球閥從單晶爐頂部副室進(jìn)氣口進(jìn)入，從底部排氣口通過(guò)抽氣機(jī)排出單晶爐，在爐內(nèi)混合氣體從副室到主室循環(huán)使用；此時(shí)控制混合氣體流量以20L/min的速度流入單晶爐，5分鐘左右后關(guān)閉流量計(jì)球閥，如此反復(fù)數(shù)次，使?fàn)t內(nèi)真空度達(dá)到10 以下，并進(jìn)行泄漏檢查；然后進(jìn)入加熱化料階段；在加熱化料階段要控制混合氣體以較小流量進(jìn)入單晶爐，具體是要求氣壓控制在700 800Pa，而加熱功率逐漸提高到90kW ；在引晶階段，要增加混合氣體流量，降低溫度，具體要求為爐內(nèi)氣壓控制在900Pa，加熱器功率下降至60KW，并增加晶轉(zhuǎn)、堝轉(zhuǎn)速度，提高晶體提升速度；進(jìn)入放肩階段后，要逐漸降低晶轉(zhuǎn)與堝轉(zhuǎn)速度，降低晶體的提升速度，降低液面溫度，這時(shí)要求爐內(nèi)氣壓保持在900Pa，加熱器功率下降為55kw左右；在等徑階段，再通過(guò)逐漸提高晶體的提升速度、降低溫度，要求爐內(nèi)氣壓為900Pa，加熱器功率下降為50KW左右，使晶體進(jìn)入等徑生長(zhǎng)階段，并使晶體直徑控制在大于或接近工藝要求的目標(biāo)的公差范圍之內(nèi)；收尾階段，為了防止收尾階段位錯(cuò)反延，再次提高晶體提升速度，同時(shí)升高液面溫度，這時(shí)要求加熱器功率控制在55KW 60KW，爐內(nèi)氣壓保持在900Pa，使得晶體的直徑不斷縮小，形成一個(gè)園錐形尾部；收尾結(jié)束，快速下降坩堝(下降20mm左右)，使晶體與液體分離，快速提升晶體，使晶體上升到副室觀察窗能觀察到的位置，停止加熱一小時(shí)后關(guān)閉氮-氬混合氣體，待真空抽到極限，先關(guān)閉抽空管道閥門(mén)，再停真空泵；4. 5-5小時(shí)以后可拆爐取出晶體。
權(quán)利要求
1.直拉法生長(zhǎng)單晶硅中利用氮-氬混合氣體除雜，其特征是在高純氬氣中(氬氣純度為> 99. 999%)加入微量的氮?dú)?氮?dú)饧兌葹?gt; 99.99% )，氮?dú)夂蜌鍤饣旌系馁|(zhì)量比為 3 10的混合氣體作為保護(hù)氣體，氮-氬混合氣體的氣壓保持在0.20 0.3Mpa，氮-氬混合氣體進(jìn)入單晶爐的流量為15L/min 25L/min。
2.如權(quán)利要求1所述的直拉法生長(zhǎng)單晶硅中利用氮-氬混合氣體除雜，具體操作時(shí)是把氮?dú)馀c氬氣分別從儲(chǔ)存罐引出，通過(guò)流量計(jì)控制流量與混合比，在送入輸送管道時(shí)進(jìn)行混合，拉晶時(shí)混合氣體由單晶爐頂部副室進(jìn)氣口進(jìn)入，由爐底抽真空排氣口排出，進(jìn)入單晶爐的氮-氬混合氣體的流量由副室流量計(jì)控制，通過(guò)皮拉尼真空計(jì)確定讀數(shù)，氮-氬混合氣體流量控制在15L/min 25L/min (真空計(jì)顯示800 1200Pa)。
全文摘要
直拉法生長(zhǎng)單晶硅中利用氮-氬混合氣體除雜。屈半導(dǎo)體分離技術(shù)領(lǐng)域，單晶爐直拉式生產(chǎn)單晶硅棒(碇)過(guò)程中會(huì)存有多種雜質(zhì)，其中氧是直拉法生長(zhǎng)單晶硅中的主要雜質(zhì)，由于氧的存在嚴(yán)重影響單晶硅的品質(zhì)，本發(fā)明采用在高純度的氬氣中加入微量的氮?dú)?，用它們的混合氣體來(lái)作保護(hù)氣體，以去除直拉法生長(zhǎng)單晶硅過(guò)程中的氧，氮-氬混合氣體使?fàn)t內(nèi)保持低壓、惰性氣氛，促使SiO的蒸發(fā)，隨著SiO的蒸發(fā)量增大而降低硅熔體中的氧含量，加大混合氣體的流速，能使反應(yīng)氣體、反應(yīng)粉末和反應(yīng)液體迅速排出單晶爐；本發(fā)明主要應(yīng)用于直拉法生長(zhǎng)單晶硅中的除雜，它效果好，提高了硅單晶的品質(zhì)，達(dá)到高質(zhì)量的單晶的生長(zhǎng)。
文檔編號(hào)C30B29/06GK102409401SQ20101029254
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月26日
發(fā)明者江國(guó)慶 申請(qǐng)人:江國(guó)慶