橫向磁場(chǎng)中直拉硅單晶生長(zhǎng)

李賀梅

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220）

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橫向磁場(chǎng)中直拉硅單晶生長(zhǎng)

李賀梅

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220）

摘要：直拉法（CzochralskiTechnique）生長(zhǎng)硅單晶是目前獲得高質(zhì)量大直徑晶體的一種最常用工業(yè)化方法，在直拉法生長(zhǎng)硅單晶過(guò)程中引入磁場(chǎng)可以有效抑制熔體對(duì)流，提高電阻率均勻性，控制氧含量、碳含量濃度，改善硅單晶微缺陷，從而獲得高質(zhì)量大直徑硅單晶。主要介紹了熔體中的熔體對(duì)流、產(chǎn)生原因、磁場(chǎng)抑制熔體對(duì)流的原理，并以橫向磁場(chǎng)為研究對(duì)象，分析了橫向磁場(chǎng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)尉t；橫向磁場(chǎng)；等效微重力

硅單晶材料是最重要的半導(dǎo)體材料，是信息社會(huì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)于高純度、高均勻性、高完整性（三高）和大直徑（一大）的硅單晶的需求大大增加。這就要求在硅單晶的生長(zhǎng)中減少單晶材料的缺陷、雜質(zhì)含量、提高氧、碳等雜質(zhì)在晶體中分布的均勻性以及加大硅片的直徑［1］。在直拉法晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，存在由熔體中溫度梯度和重力引起的熱對(duì)流、由表面張力降低引起的表面張力對(duì)流以及晶轉(zhuǎn)和堝轉(zhuǎn)引起的強(qiáng)迫對(duì)流，這些對(duì)流是產(chǎn)生缺陷、有害雜質(zhì)非均勻分布的重要因素。因此，抑制熔體對(duì)流是提高晶體質(zhì)量的重要途徑［2］。目前在大直徑硅單晶的生長(zhǎng)中，在熔體空間中引入磁場(chǎng)是一種較為有效的方法。通過(guò)給熔體引入磁場(chǎng)可增加熔體的黏滯系數(shù)降低熔體對(duì)流，，減少晶體的雜質(zhì)含量，提高雜質(zhì)分布均勻性，進(jìn)一步提高單晶的質(zhì)量。熔體空間引入的磁場(chǎng)按磁力線可以分為：橫向磁場(chǎng)、縱向磁場(chǎng)、勾形磁場(chǎng)三種。通常人們普遍給熔體引入一種磁力線水平分布的磁場(chǎng)——橫向磁場(chǎng)。

1　熔體對(duì)流與磁場(chǎng)抑制

1.1熔體對(duì)流

在單晶生長(zhǎng)過(guò)程中，由于不均勻熱場(chǎng)、重力場(chǎng)、自由表面張力、晶賺、堝轉(zhuǎn)等因素的影響導(dǎo)致熔體產(chǎn)生了多種對(duì)流。其中主要為三種對(duì)流：熱對(duì)流、毛細(xì)對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流。熱對(duì)流：熔體表面與底部存在溫度梯度，使熔體產(chǎn)生密度差，在重力場(chǎng)的作用下引起的自由對(duì)流。加熱過(guò)程中由于坩堝壁溫度高，熔體在堝壁受熱，密度變小，在浮力作用下沿著坩堝壁側(cè)面上升，在溶液便面進(jìn)行熱交換后溫度變低、密度變大，然后在重力作用下下沉到坩堝底部，從而在坩堝壁處產(chǎn)生一個(gè)由溫度梯度產(chǎn)生的浮力引起的順時(shí)針?lè)聪蛄鲃?dòng)的自然對(duì)流，其主要集中再靠近堝壁的熔體表面下方。毛細(xì)對(duì)流：從冷晶體邊緣到熱坩堝壁，由表面張力降低所驅(qū)動(dòng)的沿著自由表面的表面張力對(duì)流。在半徑方向坩堝邊緣溫度高，中心溫度低，從而在熔體的水平面形成一個(gè)從中心到坩堝邊緣的溫度增加的溫度場(chǎng)，這種溫度梯度加上溶質(zhì)濃度梯度引起的自由表面張力形成張力梯度［3］。表面張力梯度在自由表面產(chǎn)生向心運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，形成熔體從堝壁流向中心的毛細(xì)對(duì)流。強(qiáng)迫對(duì)流：由單晶旋轉(zhuǎn)和坩堝旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力的作用引起的對(duì)流。由于拉晶時(shí)晶體與坩堝相對(duì)旋轉(zhuǎn)，在晶體生長(zhǎng)面下方產(chǎn)生離心力，形成順時(shí)針的強(qiáng)迫對(duì)流，其流動(dòng)方向與浮力產(chǎn)生的熱對(duì)流方向一致，為順時(shí)針渦流。并且該對(duì)流把熱對(duì)流限制在坩堝壁附近。

1.2磁場(chǎng)抑制熔體對(duì)流原理

為了抑制熔體對(duì)流，人們進(jìn)行了各種嘗試，微重力環(huán)境生長(zhǎng)技術(shù)和外加磁場(chǎng)生長(zhǎng)技術(shù)是兩種有效的方法，其中外加磁場(chǎng)是在地面上等效微重力環(huán)境生長(zhǎng)單晶的有效方法。

熔融狀態(tài)的硅具有導(dǎo)電性，在磁場(chǎng)作用下，熔體流動(dòng)引起感生電流，根據(jù)電磁理論，通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)將會(huì)受到外力阻止，即洛倫茲力，在洛倫茲力作用下，熔體內(nèi)的對(duì)流就會(huì)得到抑制，處于相對(duì)靜態(tài)平衡狀態(tài)。晶體與熔體界面處的氧、點(diǎn)缺陷及其他雜質(zhì)也可以得到控制，進(jìn)而得到大尺寸、高質(zhì)量的單晶硅。

直拉法生長(zhǎng)的單晶是在具有溫度梯度的熱場(chǎng)中進(jìn)行的，因此要克服熔體的無(wú)規(guī)則熱對(duì)流主要通過(guò)減小地球重力場(chǎng)的方法實(shí)現(xiàn)。研究表明在微重力環(huán)境下，重力驅(qū)動(dòng)的熱對(duì)流會(huì)大大減弱甚至消失，熔體中幾乎無(wú)熱對(duì)流，擴(kuò)散支配熔體的質(zhì)量輸運(yùn)過(guò)程，所以在直拉法生長(zhǎng)單晶過(guò)程中可以通過(guò)模擬空間微重力環(huán)境來(lái)克服地球的重力場(chǎng)。研究表明，在生長(zhǎng)過(guò)程中引入磁場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)此目的。熔融態(tài)的硅是導(dǎo)電體，當(dāng)無(wú)規(guī)則的熔體對(duì)流切割外加磁場(chǎng)的磁力線時(shí)會(huì)產(chǎn)生洛倫茲力作用，使得對(duì)流運(yùn)動(dòng)受阻，等效于增加熔體的黏滯系數(shù)［4］。其中熱對(duì)流是晶體生長(zhǎng)過(guò)程中熔體的主要對(duì)流，大大影響單晶的質(zhì)量，甚至破壞單晶的生長(zhǎng)，是磁場(chǎng)拉晶過(guò)程中的主要控制對(duì)象。當(dāng)引入的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一臨界值時(shí)，熔體對(duì)流基本被抑制，此時(shí)在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，熔體的質(zhì)量輸運(yùn)榮國(guó)擴(kuò)散機(jī)理控制，有效地抑制了熔體的熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)。

2　橫向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1橫向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)

橫向磁場(chǎng)是由高導(dǎo)磁率半封閉C形鐵磁回路、高導(dǎo)磁率鐵芯、結(jié)構(gòu)完全相同的兩個(gè)獨(dú)立螺旋管圓形直流線圈、兩個(gè)磁極、縱向調(diào)節(jié)機(jī)制、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、大功率直流電源、控制柜及其他附件構(gòu)成。左右兩個(gè)線圈安裝在兩個(gè)鐵芯上，線圈的電流流向、匝數(shù)、線圈半徑、縱向和軸向?qū)訑?shù)以及繞制方法完全相同，線圈采用多路并行再通過(guò)銅帶將各路線圈串聯(lián)在一起，便于提供冷卻水多路并聯(lián)，這樣可提高冷卻效率，保證磁場(chǎng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的情況下不會(huì)溫度過(guò)高，而且一旦線圈出現(xiàn)故障，可單獨(dú)關(guān)閉、更換壞掉的線圈，便于維修。鐵芯使用由矯頑力低、導(dǎo)磁率高、磁性穩(wěn)定的DT4E型純鐵材料加工而成。鐵芯的兩端安裝馬蹄形磁極，磁極下面安裝調(diào)節(jié)桿，用以調(diào)節(jié)磁極的相對(duì)位置以及兩個(gè)磁極相對(duì)石英坩堝及坩堝內(nèi)熔體液面的位置。C形鐵磁回路也是用DT4E純鐵材料加工而成，其磁導(dǎo)率高，磁阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空氣的磁阻，磁力線幾乎全部通過(guò)高磁導(dǎo)率的磁回路并形成閉合回路，減少磁場(chǎng)不必要的損耗提高坩堝區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度，避免對(duì)單晶爐控制柜及工作人員身體的影響。磁場(chǎng)控制柜具有監(jiān)控和報(bào)警的功能，可以時(shí)刻監(jiān)控電流、電壓的數(shù)值，若水循環(huán)出現(xiàn)異常也會(huì)及時(shí)報(bào)警，避免危險(xiǎn)情況的發(fā)生。磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　橫向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.2橫向磁場(chǎng)工作原理

單晶爐放在橫向磁場(chǎng)的兩個(gè)磁極之間，當(dāng)給兩個(gè)線圈通以大小相等、方向相同直流電流時(shí)，線圈內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，由于兩個(gè)線圈的繞制方向完全相同，電流方向也相同，根據(jù)右手定律可知兩個(gè)線圈相對(duì)的兩端分別為磁極的N極和S極，另外兩端分別為磁極的S極和N極，由于兩個(gè)線圈通過(guò)C形高導(dǎo)磁回路相連，線圈內(nèi)部的磁力線通過(guò)磁回路到另一線圈的一個(gè)磁極 （兩個(gè)磁極的磁性相反）；線圈外部的磁力線通過(guò)兩磁極間空氣回到另一磁極，從而在二個(gè)磁極空間區(qū)域內(nèi)形成一個(gè)磁力線為水平方向分布、磁場(chǎng)強(qiáng)度較均勻的橫向磁場(chǎng)。爐體、石墨件、坩堝均為非磁性材料，故可將磁極見(jiàn)區(qū)域視為空氣。

由于磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，在兩磁極之間空間區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)是以幾何中心為對(duì)稱(chēng)的。如選取幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，磁場(chǎng)分布和強(qiáng)度就以x、y和z三個(gè)坐標(biāo)平面為對(duì)稱(chēng)，且磁場(chǎng)強(qiáng)度Bz分量在z方向上隨著距中心O點(diǎn)距離增加而增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)二磁極時(shí)達(dá)到最大；而在x和y方向上隨著距中心O點(diǎn)距離增加Bz分量將減?。?］。因?yàn)榘惭b磁場(chǎng)主要抑制熔體上下對(duì)流及晶轉(zhuǎn)、堝轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)迫對(duì)流，所以主要研究對(duì)象為磁場(chǎng)強(qiáng)度z軸分量Bz。磁場(chǎng)的磁力線剖面分布如圖2所示，由圖可看出強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域主要集中在平行于z軸的橫向區(qū)域內(nèi)，即磁力線密集區(qū)。磁場(chǎng)對(duì)熔體對(duì)流的抑制效果主要取決于坩堝內(nèi)壁處磁場(chǎng)分量Bz的強(qiáng)弱、均勻性、抑制熔體區(qū)域的大小和位置，在設(shè)計(jì)磁場(chǎng)參數(shù)時(shí)，應(yīng)盡可能使這些關(guān)鍵參數(shù)最優(yōu)，加寬Bz的工作區(qū)域，提高磁場(chǎng)的均勻性使得對(duì)流被抑制的同時(shí)保存部分毛細(xì)對(duì)流，控制SiO的蒸發(fā)，在熔體表面形成低氧層，減少?gòu)纳L(zhǎng)界面進(jìn)入單晶的氧，從而改善單晶中氧濃度提高晶體質(zhì)量。

圖2　橫向磁場(chǎng)磁力線剖面圖

3結(jié)　論

橫向磁場(chǎng)中直拉硅單晶生長(zhǎng)能夠增加對(duì)流的黏滯性、熱穩(wěn)定性，有效地抑制了熔體對(duì)流，大大地減少了機(jī)械振動(dòng)等原因造成的熔硅掖面的抖動(dòng)、熔體的溫度波動(dòng)，控制了熔硅與石英坩堝壁的反應(yīng)速率，實(shí)現(xiàn)氧的可控性，有效地咸少或消除雜質(zhì)的微分凝效應(yīng)，使各種雜質(zhì)分布均勻，降低晶體的缺陷，提高均勻性，可以生產(chǎn)出滿足半導(dǎo)體器件和集成電路用的高純度、高完整性、高均勻性的結(jié)構(gòu)完美的大直徑硅單晶。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類(lèi)號(hào)：TN304.053

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1004-4507（2016）07-0047-04

作者簡(jiǎn)介：

李賀梅（1983-），女，天津人，助理工程師，大專(zhuān)，現(xiàn)就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，主要從事半導(dǎo)體材料的檢測(cè)工作。

收稿日期：2016-05-23

Transverse Magnetic Czochralski Silicon Single Crystal Growth

LI Hemei

（The 46thResearch Institute of CETC，Tianjin 300220）

Abstract：CzochralskiTechnique growth of silicon single crystal is the most commonly used industrialization method to obtain high quality and large diameter crystal，The introduction of magnetic field in the process of the growth of silicon single crystal by CzochralskiTechnique can effectively restrain the convection of the melt，improve the uniformity of resistivity，controlle the content of oxygen and carbon content，and improve the micro defects of silicon single crystal，thus obtain high quality and large diameter silicon single crystal.This paper mainly introduces the melt convection，the cause of the production，the principle of the magnetic field to suppress the melt convection，and take the transverse magnetic field as the research object，analyzes the composition structure and working principle of the transverse magnetic field.

Keywords：Czochralski crystal furnace；Transverse magnetic field；Equivalent micro gravity