多晶硅真空區(qū)熔提純技術(shù)研究

欒國旗，張殿朝，閆萍，高穎，馬玉通

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

高電阻率、高少數(shù)載流子壽命真空區(qū)熔硅單晶作為一種新型的基礎(chǔ)材料，除具備一般高阻材料純度高，補償度低的特點外，更由于其在真空下生長，是制備高靈敏度探測器件的首選。在真空單晶研制過程中，需要對多晶硅進行真空區(qū)熔提純。通過真空區(qū)熔提純，可以對多晶硅的電阻率、型號及外型等參數(shù)加以控制，是成功研制真空單晶的關(guān)鍵步驟之一。

1 實驗條件

多晶提純設(shè)備：L4375-ZE型區(qū)熔硅單晶爐。

真空區(qū)熔提純時的爐內(nèi)真空度≤1×10-2Pa。

原料：美國ASiMI多晶硅料，基硼電阻率≥9000 Ω·cm，基磷電阻率≥1000 Ω·cm，少子壽命≥1000μs，原始電阻率≥3000Ω·cm，直徑50mm。

熱場：單匝平板線圈。線圈為偏心結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑短軸28mm、長軸32mm，外徑90mm；

籽晶：5mm×5mm×60mm的正〈111〉晶向；

針對研制直徑30mm、P型電阻率10～20 kΩ·cm真空區(qū)熔單晶，多晶硅提純目標(biāo)參數(shù)為：電阻率20～40 kΩ·cm；直徑 30～32mm。

試驗過程中，我們分別對對應(yīng)多晶編號為A，B，C，D，E，F(xiàn)的 6棵多晶進行了提純，提純速率1～4mm/min。

2 結(jié)果與討論

真空區(qū)熔提純過程中，熔區(qū)移動速度(即提純速率)與熔區(qū)長度對單次提純效果起到?jīng)Q定性的作用，提純速率與提純次數(shù)的配合對提純效率起到?jīng)Q定性的作用，同時上下軸的相對移動速度是調(diào)節(jié)多晶直徑的必然手段，上下軸轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)對整個提純過程也起到了重要的影響。

2.1 多晶硅電學(xué)參數(shù)的控制

2.1.1 提純速率對提純效果的影響

熔區(qū)移動速度越慢，熔區(qū)內(nèi)雜質(zhì)蒸發(fā)和分凝的效果越好，熔區(qū)長度越長，雜質(zhì)的分凝效果也越好。在提純過程中，多晶電阻率會隨著多晶內(nèi)主要電活型雜質(zhì)磷的含量的變化呈現(xiàn)出先升高后降低的變化過程，多晶型號也會隨之由N型轉(zhuǎn)為P型。首先，我們看一下一次提純后多晶內(nèi)雜質(zhì)分布情況，見圖1。

圖1 多晶一次提純雜質(zhì)分布圖

從圖1中可以看出，當(dāng)雜質(zhì)分凝系數(shù)K小于1時，雜質(zhì)向多晶尾部移動，K越小，分布變化越明顯。由于硅中磷雜質(zhì)的分凝系數(shù)K小于1，因此雜質(zhì)應(yīng)向尾部移動匯集，多晶型號應(yīng)在頭部首先發(fā)生變化。由各提純參數(shù)記錄表也可看出，實際提純過程中，多晶亦是從頭部首先發(fā)生轉(zhuǎn)型，從而也表明，提純過程未有沾污情況發(fā)生。由于提純過程中我們采用的加熱功率適中，熔區(qū)長度基本一致，因此，我們主要對不同熔區(qū)移動速度下的提純效果加以對比，見圖2。

圖2 不同熔區(qū)移動速度下首次提純效果對比示意圖

從圖2中(其中VF代表真空提純)可以看出，D、E、F的首次提純效果要明顯好于A、B、C，熔區(qū)移動速度越慢，提純效果越明顯。盡管A、B、C的首次提純效果略低，但相對于原始材料的電阻率，A、B、C的提純效果也很明顯，說明在首次提純過程中，由于材料內(nèi)雜質(zhì)含量較高，即使采用稍快的熔區(qū)移動速度，材料內(nèi)雜質(zhì)的真空蒸發(fā)作用和分凝作用仍然非常明顯。但這種提純速率的影響并非無止境的，在我們所做的其它實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)提純速率大于4mm/min時，提純效果非常不明顯，提純速率小于2mm/min時，提純效果與2mm/min相比幾乎相同，沒有明顯的變化。

2.1.2 提純速率與提純次數(shù)的結(jié)合

較快的熔區(qū)移動速度可以縮短提純時間，提高提純速度；較慢的熔區(qū)移動速度可以獲得更好的提純效果。綜合考慮，為獲得最佳提純效率，我們應(yīng)在保證提純效果的情況下，使盡量快的熔區(qū)移動速度與盡量少的提純次數(shù)相結(jié)合，獲得最佳的提純效率。在多數(shù)的提純過程中，我們采用了2～2.5mm/min的提純速率，這個速率下多晶的提純效果表現(xiàn)的非常好。

由數(shù)據(jù)表格可以看出，各棵多晶最終參數(shù)均達到了目標(biāo)要求，但所使用的提純次數(shù)不同，A用6次，B、C用5次，D、E、F用4次。我們首先根據(jù)圖3對A進行分析：

圖3 多晶A提純過程中電阻率變化示意圖

由圖3都可以看出，多晶A在提純過程中電阻率及型號變化正常，電阻率首先升高后降低，型號由N型逐漸轉(zhuǎn)為P型。按照目標(biāo)電阻率參數(shù)，A-VF-4基本達到要求，但由于測試中發(fā)現(xiàn)有個別點電阻率較高，我們對其進行了提純，通過提純發(fā)現(xiàn)，A-VF-5、A-VF-6均達到目標(biāo)參數(shù)范圍，但與A-VF-4相比電阻率變化非常小，我們認(rèn)為，對此種多晶而言，在多晶硅轉(zhuǎn)化為P型后，整體電阻率達到40 KΩ·cm左右時，已接近提純極限，且在單晶生長的過程中，電阻率平均下降1倍，多晶繼續(xù)提純已經(jīng)意義不大，對此，我們在B、C的提純過程中加以了驗證，通過實驗發(fā)現(xiàn)，在編號B的多晶經(jīng)4次提純基本達到目標(biāo)參數(shù)(低于40 KΩ·cm)的情況下，繼續(xù)對其提純，編號B多晶在第五次提純后電阻率變化仍然非常小，對最終單晶電阻率控制實際意義不大。且我們在編號C多晶的第5次提純過程中，采用非常低的提純速率1mm/min，也驗證了過低的提純速率對多晶提純效果貢獻并不大。

對于多晶A、B、C，按照設(shè)定的提純速率，通過4次提純，基本可以達到目標(biāo)參數(shù)，但由于A、B、C經(jīng)過4次提純后，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)個別點電阻率高于目標(biāo)電阻率，我們決定降低首次提純速率，因為除首次提純速率外都采用了較低的提純速率。通過降低首次提純速率由編號A、B、C多晶的2.5mm/min至編號D、E、F多晶的2mm/min左右，在編號D、E、F多晶的提純過程中我們發(fā)現(xiàn)，在其余提純速率基本不變的情況下，多晶硅經(jīng)過4次提純完全可以達到目標(biāo)參數(shù)，同時，由于降低了首次提純速率，為后面提純速率預(yù)留了調(diào)整的空間。

2.2 多晶硅提純過程中其他參數(shù)的控制

2.2.1 上下軸轉(zhuǎn)速控制

在真空提純過程中，熔區(qū)依靠熔體的表面張力、電磁托浮力、重力及氣氛對熔體的托浮力等各項因素達到平衡狀態(tài)來維持一個穩(wěn)定的熔區(qū)，熔體表面各點應(yīng)滿足以下力的平衡方程：

式中：F張為表面張力；

F磁為電磁托浮力；

F離為旋轉(zhuǎn)離心力；

F靜為液柱靜壓力；

F附為氣氛環(huán)境的附加壓力。

其中，F(xiàn)離為不穩(wěn)定力，轉(zhuǎn)速越大，F(xiàn)離越大，由于是在真空環(huán)境下，不穩(wěn)定力離心力影響放大，因此，我們降低了下軸轉(zhuǎn)速，一般控制在6～8 r/min，以防止塌爐事故的發(fā)生。

在提純過程中，通過上軸旋轉(zhuǎn)可以有效的防止硅刺的產(chǎn)生，同時對晶體的徑向電阻率均勻性調(diào)節(jié)有一定好處，但對于真空單晶用多晶硅提純來說，上軸旋轉(zhuǎn)并不適合，因為上軸帶動上棒旋轉(zhuǎn)過程中，由于多晶熔化界面不是絕對的對稱，整個熔區(qū)內(nèi)熔硅量隨之變化，導(dǎo)致下棒多晶直徑收放，呈現(xiàn)規(guī)則起伏變化。由于真空單晶生長過程中對熔區(qū)飽滿程度要求非常高，上棒直徑的起伏變化將直接影響其對熔區(qū)的送料多少，進而影響單晶的生長，因此，我們在多晶提純過程中盡量不采用上軸旋轉(zhuǎn)的方式，對于硅刺，我們通過設(shè)計改造線圈，采用線圈偏心及臺階設(shè)計，調(diào)整加熱功率，最大程度的避免硅刺的產(chǎn)生。

2.2.2 多晶直徑的控制

在多晶提純過程中，需要對多晶直徑進行調(diào)整，由于原始多晶直徑為50mm，我們在提純過程中逐步對多晶直徑進行調(diào)整，由于每次提純后需要甩掉尾部約40～50mm的多晶，因此，多晶越細(xì)，損失越小，但若一次將50mm多晶拉細(xì)至30mm左右，有以下缺點：

(1)由于上下棒直徑相差太大，功率難以匹配，熔區(qū)難以控制，同時容易產(chǎn)生硅刺，導(dǎo)致提純中斷；

(2)由于提純速率是決定提純效果的重要因素，相同提純速率下，相同重量的多晶，直徑越細(xì)所需提純時間越長，提純效率越低；

(3)上下棒直徑相差太大，若出現(xiàn)上棒直徑若稍有起伏或功率突然變化等情況，下棒直徑將不易控制，造成多晶直徑不均勻。

通過實驗，我們制定了直徑調(diào)整方案，按照原始直徑50mm,提純4次計算：第1次提純至42～44mm，第2次提純至37～39mm，第3次提純至33～35mm，第4次提純至30～32mm。即保證了提純的順利進行，又可以調(diào)整好直徑。

3 結(jié)論

(1)熔區(qū)移動速度是決定提純效果的重要參數(shù)，對于真空區(qū)熔提純，當(dāng)提純速率位于2～2.5mm/min區(qū)間時，提純效率較高；當(dāng)提純速率低于2mm/min時，提純效果較前者速率無明顯改善；當(dāng)提純速率高于2.5mm/min時，提純效果逐漸降低；當(dāng)提純速率高于4mm/min時，提純效果很低；

(2)對所用多晶而言，在提純初期，雜質(zhì)蒸發(fā)和分凝的效果非常明顯，待提純到4次以上時，雜質(zhì)去除效果已不明顯，繼續(xù)提純無實際意義；

(3)在提純初期采用較低的提純速率，可為后期的提純預(yù)留提純速率調(diào)整空間，使提純速率與提純次數(shù)達到最佳配比；

(4)為使多晶獲得均勻的直徑，在提純過程中盡量不采用上軸旋轉(zhuǎn)。采用偏心線圈設(shè)計及臺階設(shè)計，同時調(diào)整加熱功率，保持較飽滿的熔區(qū)，有效避免硅刺的產(chǎn)生；

(5)提純過程中，不采用一次到位的方式拉細(xì)多晶，避免上下多晶尺寸相差過大，而是逐漸將多晶拉細(xì)至目標(biāo)直徑范圍，即保證了提純的效果，降低意外發(fā)生幾率，又可以提高工作效率。

[1]張寶豐.電子工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)手冊(6)半導(dǎo)體與集成電路卷[M].電子工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)手冊編委會,國防工業(yè)出版社,1989.