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 “硅刺”形成的原因

(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”。

2 使用不同臺(tái)階的加熱線圈實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

2.1 使用不同直徑臺(tái)階的高頻線圈實(shí)驗(yàn)

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

2.2 結(jié)果分析

（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。

2.3 原因分析

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)。

3 結(jié) 語

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。