薛佳勇

【摘 要】光學(xué)透鏡所需單晶硅片直徑大、厚度也較厚、電阻率高、光的透過(guò)率要求也較高。大直徑硅片均采用直拉法生產(chǎn)的單晶硅，在生產(chǎn)過(guò)程中如何保證硅片的加工質(zhì)量，特別是如何有效的控制才能把單晶硅的真實(shí)的電阻率表現(xiàn)出來(lái)，達(dá)到其透過(guò)率要求，這些都是難點(diǎn)，因此利用高溫退火來(lái)解決直拉單晶硅這些問(wèn)題是一個(gè)最佳的選擇方案。

【關(guān)鍵詞】高溫退火;空洞缺陷;殘余應(yīng)力;空位;空穴;缺陷

引言

大直徑的直拉單晶硅高溫退火，在國(guó)外，一般采取的方式是在拉直單晶硅后不出單晶爐，直接進(jìn)行高溫退火，這就是所謂的爐內(nèi)高溫退火的直拉大直徑單晶硅;而在國(guó)內(nèi)，對(duì)待大直徑的直拉單晶硅采取的方式均以單晶硅片的形式來(lái)進(jìn)行高溫退火。一般直徑超過(guò)300mm，厚度超過(guò)50mm的直拉單晶硅片對(duì)高溫退火要求是相當(dāng)嚴(yán)格的，在高溫退火過(guò)程中極容易出現(xiàn)炸裂的現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)有顯示不出來(lái)真實(shí)的電阻率值的現(xiàn)象。本文只針對(duì)大直徑直拉單晶硅片，在高溫退火過(guò)程中提出最基本的工藝要求。

1大直徑直拉單晶硅高溫退火前準(zhǔn)備工作

1.1硅片選擇

隨著光電科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，紅外光學(xué)透鏡在我國(guó)的軍工領(lǐng)域和遠(yuǎn)體天文方面得到了廣泛和長(zhǎng)足的發(fā)展，鏡頭要求的直徑也越來(lái)越大，厚度也逐漸增加，而且對(duì)單晶硅的內(nèi)在指標(biāo)的要求也越來(lái)越高，電阻率大都超過(guò)30?.m，其透過(guò)率要求超過(guò)52%，甚至更高。這就要求在大直徑直拉單晶硅片選擇時(shí)，質(zhì)量必須達(dá)到這些超高的標(biāo)準(zhǔn)，才可以制作出合格的光學(xué)透鏡，所以這些高品質(zhì)的光學(xué)透鏡所使用的大直徑單晶硅片必須要進(jìn)行嚴(yán)格的帥選，物料一定不能存在多晶、位錯(cuò)、裂痕、暗紋等嚴(yán)重的缺陷，這些都會(huì)在退火過(guò)程中出現(xiàn)炸裂的現(xiàn)象，致使高溫退火失敗。所以一定在高溫退火前，將大直徑直拉單晶硅片選擇好。

1.2外形處理

大直徑直拉單晶硅片在退火前必須做好整形處理工作，外形處理首先就是要用外圓磨床對(duì)單晶硅片進(jìn)行滾磨，砂輪至少要達(dá)到200目以上，這樣才能得到一個(gè)良好的單晶硅片柱面;其次單晶硅片的表面應(yīng)也是至關(guān)重要的，一般都要將硅片的表面進(jìn)行平磨處理，使硅片的表面達(dá)到平整性好、一致性高，磨過(guò)的硅片的等厚差一般不超過(guò)20um;另外，硅片還需要進(jìn)行倒角作為硅片的保護(hù)，能倒成45O的角為最好，一般達(dá)到0.5-0.7mm為宜;還有整個(gè)硅片上不應(yīng)有褶皺、鋸紋、線(xiàn)痕、崩邊、凹陷等嚴(yán)重的幾何缺陷。這樣在高溫處理的過(guò)程中直拉單晶硅片的內(nèi)在應(yīng)力才能平穩(wěn)均衡的進(jìn)行釋放，不至于集中在某個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行應(yīng)力釋放發(fā)生單晶硅片炸裂的嚴(yán)重后果。

1.3表面清洗

紅外光學(xué)鏡頭的直拉單晶硅片純度一般均在99.99999%以上，所以在高溫退火的過(guò)程中一定不要有其他雜質(zhì)擴(kuò)散到單晶硅片中去，尤其是銅、鐵、鋁等金屬離子，這些離子在高溫狀態(tài)活躍性更強(qiáng)，擴(kuò)散的速度更快。因?yàn)閱尉Ч杵邷赝嘶鸬倪^(guò)程中，不但要釋放其內(nèi)在的應(yīng)力，而且硅片在高溫快速熱處理中引入空位、填隙原子并控制空位的分布，進(jìn)而會(huì)形成了具有較強(qiáng)內(nèi)吸雜能力的區(qū)域，此時(shí)更不能有其他雜質(zhì)來(lái)進(jìn)行空穴填充，否則會(huì)造成的污染，嚴(yán)重影響單晶硅的純度，因此單晶硅片的清洗至關(guān)重要。一般有條件的單位可以利用超聲波對(duì)單晶硅片進(jìn)行清洗;如果不具備超聲波，也可以用清水進(jìn)行清洗，然后用酒精進(jìn)行擦拭表面;還可以使用酸堿進(jìn)行腐蝕，但要再次的徹底清洗干凈。總之，單晶硅片的清洗必須做到徹底清洗干凈為目的。

2高溫退火控制

大直徑直拉單晶硅片在高溫退火時(shí)，一般都采用程序型的加熱方式進(jìn)行升溫。因?yàn)槌绦蛐图訜岱绞绞前凑找?guī)定的時(shí)間，能夠均勻的將溫度升至所設(shè)定的溫度目標(biāo)，升溫速度比較均勻，而不是在某一段區(qū)域急速升溫，其他區(qū)域則緩慢升溫，所以采取程序型加熱的方式能夠?qū)Υ笾睆街崩瓎尉Ч杵佑行У倪M(jìn)行保護(hù)。高溫退火的目標(biāo)溫度一般根據(jù)產(chǎn)品的具體要求來(lái)確定，一般的在750℃左右，因?yàn)楫a(chǎn)品不同所要達(dá)到的目標(biāo)也不盡相同。隨著溫度的升高，電子從熱震動(dòng)的晶格中吸收能量，電子從低能態(tài)遷升到高能態(tài)，形成自由的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴，不斷產(chǎn)生載流子，這個(gè)過(guò)程即是升溫的結(jié)果。退火溫度達(dá)到目標(biāo)溫度值后還要確定一個(gè)時(shí)間來(lái)做保溫處理，讓高溫快速熱處理中引入空位、填隙原子并控制空位的分布，使原子快速填充空穴重新進(jìn)行排布，保溫時(shí)間設(shè)定仍然是要根據(jù)產(chǎn)品要求來(lái)具體確定。

3高溫退火后處理

3.1產(chǎn)品防護(hù)

直拉單晶硅片在750℃保溫的狀態(tài)下需要快速出爐，就要求我們有極好的防護(hù)措施，才不至于使其發(fā)生炸裂的現(xiàn)象發(fā)生，因此一定做好必要防護(hù)措施。首先，出爐前需準(zhǔn)備較好的耐高溫手套，因?yàn)榇笾睆降膯尉Ч杵话愣驾^沉重，每片重量基本均在8kg以上，出爐時(shí)只能戴高溫手套直接搬出來(lái)，切勿使用不銹鋼或鐵質(zhì)的器具去觸碰或移動(dòng)直拉單晶硅片，避免造成其沾污或炸裂;其次，出爐后單晶硅硅片絕對(duì)不可以直接放在不銹鋼或鐵質(zhì)材料上，此時(shí)溫度較高，容易形成擴(kuò)散，還會(huì)因?yàn)榫植矿E然變涼而造成炸裂，最好準(zhǔn)備厚一點(diǎn)的石棉墊來(lái)放置剛出爐的大直徑單晶硅片，因?yàn)槭迚|既耐高溫又較松軟，正適合放置剛出爐的大單晶硅片;另外，在操作的過(guò)程中一定注意不要有任何的磕碰、剮蹭或大的震蕩，以免單晶硅片由于外力因素造成炸裂;同時(shí)操作人員自身也要做好防護(hù)工作，以免碰觸被爐墻、爐門(mén)或硅片而燙傷。

3.2快速降溫

出爐后的直拉硅片需要迅速降溫，當(dāng)溫度在750℃左右降至450℃左右時(shí)，直拉單晶硅中的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，同時(shí)釋放出一定能量，使漂移的載流子進(jìn)行復(fù)合;同時(shí)直拉單晶硅中的氧會(huì)轉(zhuǎn)化為氧施主，這個(gè)迅速降溫的過(guò)程可以使氧施主返回到間隙氧的狀態(tài)，消除氧施主對(duì)電阻率測(cè)試的不良影響，對(duì)電阻率測(cè)量的正確性有著極其重要的作用，快速降溫是直拉單晶硅退火最重要的步驟之一。既然需要快速降溫，就應(yīng)準(zhǔn)備高風(fēng)量的風(fēng)機(jī)對(duì)直拉單晶硅片進(jìn)行吹試，同時(shí)還應(yīng)考慮將這些熱量快速的散發(fā)出去，那最好的選擇就是在通風(fēng)櫥中進(jìn)行操作，這樣才能達(dá)到迅速降溫的最佳效果。

3.3后處理

經(jīng)過(guò)高溫退火的直拉大直徑單晶硅片的表面已得到部分氧化，另外表面還極有可能被雜質(zhì)污染，所以經(jīng)過(guò)高溫退火的直拉大直徑單晶硅片一定要進(jìn)行表面處理。一般硅片表面的氧化層和沾污的處理采取平磨或進(jìn)行酸腐蝕的方式來(lái)去除，去除量無(wú)需太大，正常去除在0.1mm即可達(dá)到檢測(cè)要求，這樣使用四探針電阻率測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量電阻率即可得到真實(shí)的數(shù)據(jù)，為確定其透過(guò)率提供依據(jù)。

結(jié)束語(yǔ)

從大直徑直拉單晶硅片高溫退火過(guò)程來(lái)看，既可使直拉單晶硅的真實(shí)電阻率值顯露出來(lái)，為紅外光學(xué)提供透過(guò)率參考數(shù)據(jù);同時(shí)又還能消除張拉單晶硅片的殘余應(yīng)力，在單晶硅片后續(xù)加工過(guò)中變得極其容易。從以上幾個(gè)維度來(lái)講，直拉單晶硅片的高溫退火工藝是硅加工行業(yè)必不可少的重要一步。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯連武 硅片加工工藝 有色金屬工人技術(shù)理論教材 1986年

[2]尹建華 李志偉 半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ) 化學(xué)工業(yè)出版社 2013年

（作者單位：天津眾晶半導(dǎo)體材料有限公司）