閆 萍，索開南，龐炳遠

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

L4375-ZE區(qū)熔爐為國產(chǎn)區(qū)熔爐，爐膛高約2m，內(nèi)徑約為0.4m，上、下軸的最大行程為1m，目前可生長單晶的最大直徑為55mm。由于具有高真空系統(tǒng)，因此采用該區(qū)熔爐可對多晶硅進行區(qū)熔提純，并能研制P型高阻率單晶，但因是20世紀70年代的老設備，且產(chǎn)能有限，目前主要用于進行科研課題的樣品研制。CFG/1400P區(qū)熔爐為從德國進口的單晶爐，上、下軸行程為1.5m，爐膛直徑約為0.65m，可生長單晶的直徑為45～104mm。

由于完成科研、生產(chǎn)任務的需要，我們有機會在兩臺區(qū)熔爐上分別生長了同種規(guī)格的兩種高阻單晶，其中P型高阻單晶研制采用了在CFG/1400P區(qū)熔爐上、氬氣氣氛下區(qū)熔整形拉細的多晶，將該多晶用L4375-ZE爐經(jīng)多次區(qū)熔提純達到預期目標后，再分別用兩臺區(qū)熔爐生長單晶；而N型高阻單晶則為多晶在CFG/1400P區(qū)熔爐上、氬氣氣氛下區(qū)熔整形拉細后，再分別在兩臺區(qū)熔爐生長單晶。不同單晶生長系統(tǒng)生長的單晶，其電阻率的徑向均勻性表現(xiàn)出了明顯的差異。

1 實驗及結(jié)果

1.1 實驗條件

1.1.1 設備及儀器

單晶生長實驗采用L4375-ZE型區(qū)熔爐及德國進口的CFG/1400P型區(qū)熔爐。

單晶電阻率檢測采用SZ－82數(shù)字式四探針測試儀，單晶導電類型檢測采用DLY-2型單晶硅型號鑒別儀。

1.1.2 主要原材料

美國進口（ASIM i）一級區(qū)熔用多晶硅，直徑100 mm，對應的基硼電阻率不小于1×104Ω·cm，基磷電阻率不小于1 000Ω·cm。

1.2 實驗

1.2.1 區(qū)熔整形

采用CFG/1400P區(qū)熔爐，在氬氣氣氛下將直徑100mm左右的多晶硅區(qū)熔拉細至50mm左右；

1.2.2 多晶提純

采用L4375-ZE型區(qū)熔爐，對拉細整形后的多晶進行多次真空區(qū)熔提純，最終使多晶的電阻率達到不小于1×104Ω·cm，導電類型為P型。

1.2.3 單晶生長

分別用兩臺區(qū)熔爐，將區(qū)熔整形及提純后的多晶生長成<111>晶向的單晶，單晶直徑53mm左右。生長單晶時的工藝參數(shù)為：晶體生長速率4.0 mm/m in，單晶生長時，上、下晶軸反向旋轉(zhuǎn)，上晶軸旋轉(zhuǎn)速率5 r/m in，下晶軸的旋轉(zhuǎn)速度8 r/min。

1.3 實驗結(jié)果

在生長的單晶端面取點檢測徑向電阻率的分布情況，結(jié)果如表1和表2所示。其中，表1為P型高阻單晶的檢測結(jié)果，單晶中心電阻率為（1.0～5.0）×104Ω·cm；

表1 P型單晶電阻率徑向分布情況

表1中，編號為FZ-P1～FZ-P3的單晶樣品采用CFG/1400P區(qū)熔爐生長，其電阻率的徑向不均勻性最大為53%，最小為11.5%。且電阻率較低的單晶徑向均勻性更好。編號為FZ-P4～FZ-P6的單晶樣品采用L4375-ZE區(qū)熔爐生長，其電阻率的徑向均勻性明顯優(yōu)于采用CFG/1400P區(qū)熔爐生長的單晶，其中徑向不均勻性最大為11.5%，最小為0.7%。兩個系統(tǒng)生長的單晶電阻率分布均為中心區(qū)域較高，邊緣區(qū)域較低。

表2為N型高阻單晶的檢測結(jié)果，單晶中心電阻率為（1.5～4.5）×103Ω·cm。

表2中，編號為FZ-N1～FZ-N3的單晶樣品采用CFG/1400P區(qū)熔爐生長，其電阻率的徑向不均勻性最大為65.7%，最小為16.5%。編號為FZ-N4～FZ-N6的單晶樣品采用L4375-ZE區(qū)熔爐生長。其中徑向不均勻性最大為20.9%，最小為3.4%。對于N型單晶，徑向電阻率變化隨著電阻率的增大而明顯變大，而對于相同的電阻率范圍，用L4375-ZE區(qū)熔爐生長的單晶，其電阻率徑向均勻性同樣優(yōu)于用CFG/1400P區(qū)熔爐生長的晶體。

對于N型高阻單晶，徑向電阻率分布與P型高阻單晶相反，表現(xiàn)為中心區(qū)域較低，邊緣區(qū)域較高。

表2 N型單晶電阻率徑向分布情況

2 結(jié)果分析

兩臺單晶爐采用了相同品質(zhì)的多晶原料生長單晶，由于兩臺設備所用的加熱線圈幾何結(jié)構(gòu)（包括上下表面角度、內(nèi)徑尺寸及臺階設計）基本相同，因此由加熱線圈所形成的電磁場分布也應該是相似的，在單晶生長的速率，上、下晶軸旋轉(zhuǎn)配置基本相同的情況下，所表現(xiàn)出的單晶徑向電阻率分布的明顯不同應該和單晶的生長系統(tǒng)有關。

L4375-ZE區(qū)熔爐為國產(chǎn)區(qū)熔爐，爐膛高約2m，內(nèi)徑約為0.4 m，生長單晶時的爐內(nèi)氬氣壓力為0.11～0.12MPa。CFG/1400P區(qū)熔爐為從德國進口的單晶爐，爐膛直徑約為0.65m，爐膛高約為3m，生長單晶時的爐內(nèi)氬氣壓力約為0.15～0.16MPa。

區(qū)熔單晶生長時，熱源來自于線圈形成的電磁場與硅材料之間感應形成的強大渦旋電流，區(qū)熔工藝中硅材料只有局部被加熱。當兩個系統(tǒng)所用多晶原料直徑相同，生長的單晶直徑也相同時，如果采用相同幾何結(jié)構(gòu)的加熱線圈和相同的單晶生長參數(shù)配置，保持單晶穩(wěn)定生長所形成的熔區(qū)形狀也基本是相同的，因此系統(tǒng)內(nèi)（爐膛內(nèi)）所產(chǎn)生的熱量也基本相同。在這種情況下，較大的爐膛內(nèi)尺寸和較高的充氣壓力，均會增強爐內(nèi)氣體對熱量的傳導及對流作用，并直接影響到單晶生長界面的徑向溫度梯度。也就是說，當用兩個系統(tǒng)生長同樣尺寸規(guī)格的單晶時，CFG/1400P區(qū)熔爐形成的生長界面的徑向溫度梯度會明顯大于L4375-ZE區(qū)熔爐。從表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出，無論是P型單晶還是N型單晶，用L4375-ZE區(qū)熔爐生長的單晶的電阻率徑向均勻性均優(yōu)于用CFG/1400P區(qū)熔爐生長的單晶，這應該是徑向溫度梯度增大形成了較大的晶體生長界面彎曲的結(jié)果。

硅單晶中的電活性雜質(zhì)是硼雜質(zhì)及磷雜質(zhì)，單晶的電阻率及導電類型是兩種雜質(zhì)相互補償?shù)慕Y(jié)果。對于P型高阻單晶，硼雜質(zhì)濃度高于磷雜質(zhì)，而對于N型單晶，則是磷雜質(zhì)濃度高于硼雜質(zhì)。單晶生長時，由于雜質(zhì)的分凝作用，在固液交界面附近的液相中產(chǎn)生磷雜質(zhì)的富集層（磷的分凝系數(shù)為0.35，硼的凝系數(shù)為0.9），在晶體旋轉(zhuǎn)、電磁力及重力等多重因素的作用下，磷雜質(zhì)在熔體及結(jié)晶界面上按一定的規(guī)律分布[1]，通常情況下，中心區(qū)域磷雜質(zhì)濃度高于邊緣區(qū)域，因此對于P型單晶，表現(xiàn)為中心區(qū)域的電阻率高，邊緣區(qū)域的電阻率低，而對于N型單晶，則表現(xiàn)為中心區(qū)域電阻率低，邊緣區(qū)域電阻率高。

由表1、表2的檢測結(jié)果可以看出，即使單晶的軸向電阻率變化不大（單晶的邊緣和中心分別保持相對較小的電阻率變化）時，單晶的中心區(qū)域與邊緣區(qū)域之間依然保持較大的電阻率變化，這也從另一個方面說明了單晶的徑向電阻率變化不只是晶體生長界面彎曲下雜質(zhì)分凝的結(jié)果。

當生長界面彎曲增大時，無論是雜質(zhì)分凝還是各種其它因素引起的磷雜質(zhì)在熔體中的不均勻分布對徑向電阻率變化的作用均會增大，并由此造成了在兩種系統(tǒng)中生長的單晶徑向電阻率變化的明顯不同。

在實際單晶生長中我們發(fā)現(xiàn)，P型單晶的徑向電阻率均勻性普遍優(yōu)于N型單晶，這是因為P型高阻單晶所用多晶經(jīng)過多次提純后，磷雜質(zhì)濃度已大大減少的結(jié)果。

3 結(jié) 論

1）高阻區(qū)熔硅單晶徑向電阻率變化是由于磷雜質(zhì)的分凝以及分凝后的雜質(zhì)在晶體旋轉(zhuǎn)、電磁力及重力等多重因素的作用下再分布的結(jié)果；

2）用CFG/1400P區(qū)熔爐生長小尺寸單晶時，為提高單晶的徑向電阻率均勻性，可適當減小爐內(nèi)充氣的壓力，以減小環(huán)境氣體的熱對流及熱傳導作用；

3）采用CFG/1400P區(qū)熔爐生長較小直徑的單晶，不但生產(chǎn)效率低，單晶的電阻率均勻性也較差。

[1]A.Mühlbauer，A.Muiznieks，J.Virbulis.Analysis of the dopant segregation effects at the floating zone growth of large silicon crystals[J].Journal of Crystal Growth，1997(180)：372-380.