劉 燕
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所,天津300220)
無位錯(cuò)區(qū)熔硅單晶生長(zhǎng)過程中,如果采用的工藝不適合,或者操作不當(dāng),在多晶硅棒的固液交界面的邊緣容易留下不熔化的小柱狀體,通常稱為“硅刺”,如圖1 所示。硅刺一旦形成,由于其吸熱慢,散熱快,便不容易熔化,隨著區(qū)熔過程的進(jìn)行,迅速長(zhǎng)大,無法再熔化,直至觸到加熱線圈,導(dǎo)致中途停爐。特別是生長(zhǎng)75 mm(3 英寸)以上直徑的單晶,如果不采取有效措施,幾乎難以正常生長(zhǎng)單晶。本文就通過對(duì)FZ 硅單晶生長(zhǎng)過程中,經(jīng)常出現(xiàn)的“硅刺”現(xiàn)象進(jìn)行研究,著重分析了“硅刺”產(chǎn)生的原因,并采用了有效防止“硅刺”產(chǎn)生的措施。
圖1 多晶邊緣出現(xiàn)硅刺
(1)多晶表面加工不規(guī)則,棱突較大的位置容易形成“硅刺”。生長(zhǎng)單晶時(shí)為了順利成晶,避免生成“硅刺”,通常要將多晶硅棒表面加工成規(guī)則光滑的表面,但往往由于經(jīng)濟(jì)方面的原因,加工程序簡(jiǎn)化,加工后經(jīng)常留下明顯的不規(guī)則棱和麻坑,如圖2 所示。在多晶熔化過程中,多晶料的棱突出的位置,所接受的電磁也弱,吸熱少,而散熱卻比較快,很快便形成“硅刺”。
(2)多晶棒裝料不正,也容易形成硅刺。由于所使用的多晶棒制備的原因,往往有一定的彎曲,因此裝料時(shí)不容易裝的很正,生長(zhǎng)過程中多晶旋轉(zhuǎn)時(shí),相對(duì)于磁場(chǎng)中心偏遠(yuǎn)的部分容易生長(zhǎng)成“硅刺”。
圖2 多晶表面的棱突和麻坑
(3)操作不當(dāng)時(shí)也易生成“硅刺”。生長(zhǎng)單晶時(shí),使用的加熱功率不準(zhǔn)確,偏高或偏低,使得多晶硅的熔化界面不適合磁場(chǎng)的要求,不能均勻流暢的使多晶熔化,在不均勻的部位,極易留下不化的硅晶體,這種小晶體受磁面積小不容易產(chǎn)生熱,而且會(huì)增加散熱,因此也易形成“硅刺”。
(4)加熱線圈幾何形狀設(shè)計(jì)不標(biāo)準(zhǔn),也是形成“硅刺”的重要原因。單晶生長(zhǎng)要求有一個(gè)大面積、均勻、對(duì)稱的熱場(chǎng),線圈的厚度、內(nèi)徑、外徑及上、下面傾斜角度的不同,會(huì)使線圈產(chǎn)生的熱場(chǎng)分布不同。熱場(chǎng)的圓周分布不均勻,或立體形狀的角度與多晶硅棒熔化界面不匹配,多晶棒的邊緣處所接受的熱場(chǎng)不準(zhǔn)確極易產(chǎn)生“硅刺”。
高頻線圈是產(chǎn)生準(zhǔn)確熱場(chǎng)的關(guān)鍵部分,因此也是單晶生長(zhǎng)的重要部分。線圈的形狀和幾何尺寸若設(shè)計(jì)的合適,不僅可以順利地使多晶生長(zhǎng)成單晶,而且可以使得多晶均勻順利地熔化。為了減少拉晶過程中出現(xiàn)硅刺的機(jī)會(huì),并且一旦出現(xiàn)了硅刺,可以加強(qiáng)硅刺的熔化,在設(shè)計(jì)加熱線圈時(shí),于線圈朝向多晶的一面上,除了設(shè)計(jì)成傾斜的坡面外,設(shè)計(jì)多個(gè)向內(nèi)的圓周臺(tái)階,如圖3 所示。
圖3 帶圓周臺(tái)階的線圈示意圖
本文對(duì)線圈臺(tái)階的尺寸及形狀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。認(rèn)為線圈的臺(tái)階對(duì)硅刺的消除,起到了非常重要的作用,并且臺(tái)階的直徑與所使用的多晶直徑呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。
2.1.1 使用無臺(tái)階線圈生長(zhǎng)單晶
使用沒有臺(tái)階的線圈生長(zhǎng)單晶的時(shí)候,如圖4 所示,無論使用的功率偏高或是偏低,采用細(xì)腰法或粗腰法,在單晶生長(zhǎng)過程中,都很難避免出現(xiàn)硅刺,并且硅刺一旦出現(xiàn),便不容易消除。因此,使用無臺(tái)階的加熱線圈生長(zhǎng)直徑稍大一點(diǎn)的單晶,幾乎不能生長(zhǎng)完整的單晶。
圖4 無臺(tái)階線圈生長(zhǎng)單晶
2.1.2 使用臺(tái)階直徑大于多晶直徑的線圈生長(zhǎng)單晶
使用臺(tái)階直徑大于多晶直徑的線圈生長(zhǎng)單晶(本文設(shè)計(jì)使用線圈臺(tái)階為三級(jí)臺(tái)階),當(dāng)使用偏低功率的時(shí)候,硅刺會(huì)有較多出現(xiàn)的機(jī)會(huì),并且不容易消除;如果使用的功率較高,熔硅的腰稍細(xì)的時(shí)候,出現(xiàn)硅刺的機(jī)會(huì)有所減少,但是仍然經(jīng)常出現(xiàn)硅刺。
2.1.3 使用臺(tái)階直徑接近于多晶直徑的線圈生長(zhǎng)單晶
當(dāng)使用臺(tái)階直徑接近于多晶直徑的線圈拉晶的時(shí)候,如圖5 所示,無論使用的功率偏高或是偏低,出現(xiàn)硅刺的幾率都大為減少,如果出現(xiàn)硅刺也比較易消除。
圖5 臺(tái)階接近于多晶直徑的線圈生長(zhǎng)單晶
(1)綜上的試驗(yàn)結(jié)果我們可以看出,在其它準(zhǔn)備工作如:多晶棒的外形加工,裝料的對(duì)中度,操作的準(zhǔn)確性同樣的情況下,加熱線圈形狀的設(shè)計(jì)對(duì)消除硅刺顯得很重要,特別是加熱線圈靠近多晶一面上的臺(tái)階,是消除硅刺的關(guān)鍵。
(2)線圈面上臺(tái)階直徑的大小,與消除硅刺的效果有直接的關(guān)系,只有臺(tái)階的直徑接近于使用的多晶棒直徑的時(shí)候,生長(zhǎng)單晶時(shí)消除硅刺的作用才明顯。
區(qū)熔硅單晶生長(zhǎng)過程是通過高頻電磁感應(yīng)加熱的方式實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)線圈內(nèi)通以高頻交流電流時(shí),在線圈內(nèi)部及其周圍就會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng),置于強(qiáng)大的高頻磁場(chǎng)中的多晶硅,感應(yīng)到交變的磁場(chǎng)后,在硅棒內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流,使其迅速被加熱熔化。感應(yīng)加熱過程是電磁感應(yīng)過程和熱傳導(dǎo)的綜合過程。多晶熔化過程中,一邊從電磁中感應(yīng)到熱能,使其自身熔化,一邊向環(huán)境中輻射熱能,同時(shí)還向多晶棒的端部傳遞熱能,此過程中要求多晶棒的圓周各方向得到的熱能相對(duì)平衡均勻,尤其是多晶的邊緣各點(diǎn)熔化同步均勻,否則邊緣部分不能及時(shí)熔化,或者邊緣由于熔化不均勻,固液交界面起伏不平,拐點(diǎn)處很容易留下小的不熔體而形成硅刺。多晶熔化時(shí)的熱平衡式為:
Q吸=Q輻+Q傳
(1)單晶正常生長(zhǎng)過程中,多晶棒隨著熔區(qū)的移動(dòng)過程能夠均勻的熔化。不僅沿軸向,而且沿徑向也要均勻的熔化,才能保證晶體順利生長(zhǎng)。但是由于種種因素,如多晶表面加工不規(guī)則有明顯突起的棱,或多晶棒為橢圓,也可能料裝的不正等情況,造成多晶的所有部位不能軸中心對(duì)稱,熔化時(shí)遠(yuǎn)離中心的部位不能及時(shí)熔化,遺留下小刺。這種小刺出現(xiàn)以后,由于是突起截面積很小,因此吸熱慢,但是散熱卻很快,越長(zhǎng)越大,很容易最終不能熔化,成為硅刺,影響單晶的生長(zhǎng)。這種硅刺作為小局部則獨(dú)自形成小的熱模式。其熱模式是:
Q吸i<Q輻i
硅刺向其它部位的傳熱可以被忽略掉,但是輻射散熱仍然大于吸收的熱量,而且隨著硅刺的不斷長(zhǎng)大,熱不平衡也越來越嚴(yán)重,最后嚴(yán)重妨礙單晶的生長(zhǎng)。
(2)硅刺的出現(xiàn)主要在多晶棒熔化界面的邊緣,內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)硅刺,因此采用改變線圈的幾何形狀的方法,加強(qiáng)靠近多晶邊緣部位的磁場(chǎng)強(qiáng)度,改變多晶邊緣的熔化狀態(tài),使其邊緣所有的點(diǎn)都能均勻充分地熔化,不留下不熔的小多晶固體,是消除硅刺的關(guān)鍵。此時(shí),多晶邊緣任意一點(diǎn)的熱平衡模式應(yīng)是:線圈的上面由于有固定的坡度,因此磁場(chǎng)從中心到外沿的分布,呈沿著坡面平滑均勻的分布,為了加強(qiáng)多晶邊緣的磁場(chǎng)強(qiáng)度,在線圈的上邊靠近多晶的面上,加2 至3 級(jí)臺(tái)階。加臺(tái)階后,磁力線在臺(tái)階地方突然加強(qiáng),使多晶的邊緣熔化加強(qiáng),改變了多晶邊緣熔化的角度,產(chǎn)生了如圖6 所示的熔化角,使固液交界面邊緣形成圓弧角,可以大幅降低硅刺出現(xiàn)的幾率,即使出現(xiàn)了硅刺,也比較容易消除。
Q吸i≥Q輻i
圖6 多晶邊緣形成了熔化角
(3)通過實(shí)驗(yàn)表明,線圈面上臺(tái)階的直徑越接近多晶的直徑,多晶熔化時(shí)的熔化角形狀越理想,消除硅刺的效果越明顯,這是因?yàn)槠交拇艌?chǎng)在臺(tái)階處突然形成突起的峰,磁場(chǎng)在臺(tái)階處高度集中,且垂直于多晶的邊緣,增加多晶邊緣的熔化,改變了多晶邊緣熔化的斜率,使多晶棒邊緣不容易形成硅刺,即使出現(xiàn)了硅刺,也還有熔掉的機(jī)會(huì)。
(4)如果臺(tái)階的直徑偏大,大于多晶直徑較多,則臺(tái)階處峰起的磁場(chǎng)對(duì)多晶的邊緣起不到作用,如果多晶邊緣的某處存在不規(guī)則的突起,則容易形成硅刺。此時(shí)如采用相對(duì)偏高的功率,使得多晶棒的固液交界面斜率整體增大,向上翹起,臺(tái)階對(duì)多晶邊緣能起到一定的作用,可以減少硅刺的出現(xiàn)。
FZ 單晶生長(zhǎng)過程中,硅刺的出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重妨礙單晶的正常生長(zhǎng)。為了防止出現(xiàn)硅刺,除了加強(qiáng)多晶的表面加工,生長(zhǎng)單晶時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確的操作外,設(shè)計(jì)加工線圈時(shí),在線圈的多晶一面制作相應(yīng)的臺(tái)階,是有效的防止或消除硅刺的措施。
線圈上臺(tái)階的設(shè)計(jì),應(yīng)根據(jù)多晶的直徑,設(shè)計(jì)接近多晶直徑的臺(tái)階,由于多晶的直徑不盡相同,則應(yīng)設(shè)計(jì)系列的不同臺(tái)階直徑的線圈,以保證適應(yīng)不同直徑的多晶,可以取得較好的成晶效果。