阻流環、改善單晶矽徑向電阻率均勻性的組件及方法與流程
2023-05-27 06:54:17
本發明涉及一種阻流環、改善單晶矽徑向電阻率均勻性的組件及改善單晶徑向電阻率均勻性的方法。
背景技術：
：晶體生長是把半導體級矽的多晶矽塊轉換成一塊大的單晶矽，生長後的單晶矽被稱為矽錠。現在生產用於矽片製備的單晶矽棒最普遍的技術是Czochralski(CZ)法，這是按20世紀初它的發明者的名字來命名的。Czochralski(CZ)法生長單晶矽把熔化了的半導體級矽液體變成有正確晶向並且被摻雜成N型或P型的固體矽錠。85％以上的單晶矽是採用CZ法生長出來的。一塊具有所需晶向的單晶矽作為籽晶來生長矽錠，生長的單晶矽棒就像籽晶的複製品。熔化的矽和單晶籽晶接觸並精確控制接觸面，從而精確複製籽晶結構。熔化的矽放在石英坩堝中，還有少量摻雜物質使其生成N型或P型矽。坩堝中的矽被拉晶爐加熱，使用電阻加熱或射頻(RF)加熱線圈。當矽被加熱時，它變成液體，叫做熔體；籽晶矽接觸到直拉裝置並開始生長新的晶體結構。籽晶放在熔體表面並在旋轉過程中緩慢地拉起。隨著籽晶在直拉過程中離開熔體，熔體上的液體會因為表面張力而提高。籽晶上的界面散發熱量並向下朝著熔體的方向凝固。隨著籽晶旋轉著從熔體裡拉出，與籽晶有同樣晶向的單晶就生長出來了。不同的矽錠生長結果依賴於籽晶相對於坩堝的旋轉方向及速度。直拉法的目的是實現均勻摻雜濃度的同時精確複製籽晶結構，得到合適的矽錠直徑並限制雜質引入到矽中。影響直拉法的兩個主要參數是拉伸速率和晶體旋轉速率。以上簡述了單晶矽的CZ法製備過程。然而在製備過程中存在分凝現象，這會導致單晶矽棒軸向雜質濃度分布不均。單晶矽片徑向電阻率的均勻性與晶體生長過程中雜質的有效分凝係數有關，有效分凝係數keff可由Burton-Prim-Schlicter關係式給出：keff=k0k0+(1-k0)exp(-fδ/D)]]>其中，k0是雜質的平衡分凝係數，D是雜質的擴散係數，f是單晶矽生長速率，根據無限大旋轉圓盤下液流模型的結果，溶質邊界層的厚度為δ＝1.6D1/3υ1/6ω-1/2(υ是矽熔體的運動粘性係數，ω是晶體旋轉速率)。同時，直拉單晶矽在生長過程中，受到熔體熱對流的影響，使得單晶矽邊緣比中心具有更薄的溶質邊界層，並導致邊緣比中心具有更小的有效分凝係數keff，從而增加單晶矽片徑向雜質濃度和電阻率的不均勻性。以下結合附圖說明。參考圖1，由於矽棒1具有彎曲的生長界面即邊界層12，這又會導致從矽棒1切割出的單晶矽片13徑向雜質濃度分布不均，進而影響徑向電阻率的均勻性。尤其對於N型晶向單晶矽，由於雜質分凝係數小，以及受到生長方向取向和小面效應等因素影響，電阻率徑向均勻性會更差。參考圖2，矽棒1由熔體11內生長，並且矽棒1以角速率ω旋轉。矽棒11下端浸入熔體11內有部分正在形成晶體的矽形成邊界層12，熔體11被加熱湧向表面並冷卻，形成箭頭方向的熱對流，對邊界層12產生衝擊。為了減小單晶矽片雜質分布的徑向不均勻性，已有的做法通常是增加晶體旋轉速率ω，來減薄溶質邊界層的厚度，較薄的溶質邊界層將更小程度地受到熱對流的影響。同時，增加晶體旋轉速率對熔體的熱對流本身具有反向抑制效果，削弱其對溶質邊界層的影響。但是，如果在單晶矽生長過程中提高晶體旋轉速率，一方面會引發長晶爐機械結構的不穩定性，導致晶體晃動；另一方面，過快的晶體轉速容易導致單晶矽扭曲變形。兩者都會導致單晶矽成品率的降低。技術實現要素：本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種能改善單晶矽徑向電阻率均勻性、尤其是N型晶向單晶矽徑向電阻率均勻性的阻流環。為實現以上目的，本發明通過以下技術方案實現：一種阻流環，包括阻流壁，所述阻流壁為筒狀；還包括承載部和懸掛部，所述阻流壁通過所述懸掛部懸掛於所述承載部的下方；所述懸掛部為柔性或剛性。根據本發明的一個實施例，所述懸掛部為至少一根側柱，所述側柱兩端分別連接所述承載部和所述懸掛部。根據本發明的一個實施例，所述懸掛部為與所述阻流壁同軸的提環。根據本發明的一個實施例，所述懸掛部為至少一根側柱，所述側柱兩端分別連接所述承載部和所述懸掛部；所述側柱與所述懸掛部、所述阻流壁一體成型。根據本發明的一個實施例，所述阻流壁的高度不小於10mm。根據本發明的一個實施例，材質為高純度石英。根據本發明的一個實施例，所述筒身的上端設有凸緣，所述凸緣向所述筒身外側翻折。本發明還提供了一種改善單晶矽徑向電阻率均勻性的組件，包括如上所述的阻流環，還包括導流筒和熔體容器，所述承載部安裝於所述導流筒的下端；所述熔體容器設有向上的開口，所述導流筒用於將保護氣吹向熔體表面地設置；所述阻流環伸入所述熔體容器內。根據本發明的一個實施例，所述熔體容器為坩堝，所述保護氣為惰性氣體。根據本發明的一個實施例，所述熔體容器為石英坩堝，所述保護氣為氬氣。本發明還提供了一種基於上述用於改善單晶矽徑向電阻率均勻性的組件的改善單晶矽徑向電阻率均勻性的方法，包括：加熱所述熔體容器，熔化投入熔體容器內的原料矽形成熔體；使所述阻流環浸入熔體中，並且所述熔體的液面由所述阻流環隔斷；在所述阻流環內側，由所述熔體拉制單晶矽棒。根據本發明的一個實施例，所述由所述熔體拉制單晶矽棒是採用的CZ法，所述單晶矽棒在所述阻流環內側拉制。根據本發明的一個實施例，所述改善單晶徑矽向電阻率均勻性的方法還包括提升所述熔體容器，使得熔體液面相對於所述阻流環位置不變。根據本發明的一個實施例，所述熔體容器與所述單晶矽棒在拉制過程中向相反方向旋轉。本發明提供的阻流環，材質為高純度石英，大大減少向熔體內引入雜質。阻流環插入熔體內，阻斷熔體的熱對流對溶質邊界層的衝擊，從而避免產生單晶矽棒中心和邊緣的溶質邊界層厚度差異，並改善徑向的雜質濃度和電阻率均勻性。阻流環上的側面開口可減少阻流環自重、便於取放，且可用於勾住阻流環。阻流環側面開口的下緣與所述筒身的下緣之間的距離不小於30mm，可保證阻流環最下端至少30mm是連續的筒狀而完全隔開阻流環內外的熔體，阻斷熱對流，並且在拉制單晶矽棒的過程中熔體液面下降不會導致阻流環與熔體分離而失去阻流作用。採用本發明提供的阻流環，為達到改善單晶矽棒徑向雜質濃度和電阻率均勻性的目的，無需增加晶體旋轉速率，因而可以保持長晶爐機械結構的穩定性，晶體晃動小；晶體轉速小，單晶矽不易扭曲變形。從而，本發明提供的阻流環可大大提高單晶矽的成品率。本發明提供的改善單晶矽徑向電阻率均勻性的組件，包括上述阻流環，材質為高純度石英，大大減少向熔體內引入雜質。阻流環插入熔體內，阻斷熔體的熱對流對溶質邊界層的衝擊，從而避免產生單晶矽棒中心和邊緣的溶質邊界層厚度差異，並改善徑向的雜質濃度和電阻率均勻性。採用本發明提供的改善單晶徑向電阻率均勻性的組件，為達到改善單晶矽棒徑向雜質濃度和電阻率均勻性的目的，無需增加晶體旋轉速率，因而可以保持長晶爐機械結構的穩定性，晶體晃動小；晶體轉速小，單晶矽不易扭曲變形。從而，本發明提供的改善單晶徑向電阻率均勻性的組件可大大提高單晶矽的成品率。本發明提供的改善單晶矽徑向電阻率均勻性的方法，基於上述改善單晶徑向電阻率均勻性的組件實施，單晶矽生長在阻流環中間進行，阻流環插入熔體內，阻斷熔體的熱對流對溶質邊界層的衝擊，從而避免產生單晶矽棒中心和邊緣的溶質邊界層厚度差異，並改善徑向的雜質濃度和電阻率均勻性。採用本發明提供的改善單晶徑向電阻率均勻性的方法拉制單晶矽，為達到改善單晶矽棒徑向雜質濃度和電阻率均勻性的目的，無需增加晶體旋轉速率，因而可以保持長晶爐機械結構的穩定性，晶體晃動小；晶體轉速小，單晶矽不易扭曲變形。從而，本發明提供的改善單晶徑向電阻率均勻性的方法可大大提高單晶矽的成品率。採用本發明提供的阻流環、改善單晶矽徑向電阻率均勻性的組件及方法，在以下實驗條件下，分別生長2支輕摻Ph單晶矽棒，晶向為，電阻率30-60Ωcm，40kg投料，製作5英寸晶棒。將所生長的兩支單晶矽每隔100mm取樣，並進行電阻率及均勻性測試，整理相關數據後，結果如下：位置(mm)0100200300400500單晶矽一10.50％7.20％8.30％13.20％12.30％15.40％單晶矽二23.24％21.56％26.87％23.39％26.57％27.81％位置(mm)6007008009001000-單晶矽一14.60％13.80％11.80％14.20％11.70-單晶矽二26.97％25.66％27.23％27.41％28.37％-由此可見，本發明提供的阻流環、改善單晶徑向電阻率均勻性的組件及方法可有效改善單晶矽棒徑向雜質濃度和電阻率均勻性，成品率提高；且晶體轉動速度小，晃動相應也小。附圖說明圖1為CZ法拉制單晶矽的過程中，矽棒、矽棒拉制時的生長界面和由矽棒切割單晶矽片的示意圖；圖2示出了熔體內的熱對流對溶質邊界層產生衝擊的原理；圖3為導流筒、坩堝的結構示意圖；圖4為本發明一種阻流環的結構示意圖；圖5為本發明再一種阻流環的結構示意圖；圖6為圖5中的阻流環和導流筒配合使用的結構示意圖；圖7為圖6中導流筒結構改變後、阻流環和導流筒配合使用的結構示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明進行詳細的描述：實施例一參考圖4，一種阻流環2，總體呈圓筒狀，上下兩端開口，由高純石英製作而成。需要注意的是，「上」、「下」為根據圖4所示方位使用的相對性概念，旨在清楚說明本實施例中的技術方案，而不構成對技術方案和權利要求的限制。筒身徑向開設有三個側面開口22。側面開口的數量可根據實際情況設置為一個、兩個、三個、四個或更多個。側面開口22將阻流環2分隔為提環21和阻流壁24兩部分；相鄰側面開口22之間的筒身構成側柱23連接提環21和阻流壁24。阻流壁24的高度為50mm。阻流壁24的高度可按需設置，不小於10mm。在圖3的基礎上，將阻流環2通過提環21懸掛在導流筒3的下端。向高純度石英製成的坩堝4內投入原料矽，並加熱使得原料矽熔化形成熔體。調整阻流環2的高度，使得阻流壁24浸入矽熔體內，同時保證熔體液面在阻流壁24上端的下方，從而熔體的液面由阻流壁24隔斷，不會由側面開口22向阻流環2內側湧動。由導流筒3向坩堝4內的熔體表面自上而下地吹入氬氣作為保護氣。氬氣通過側面開口22流出。導流筒3還能在單晶矽生長時屏蔽來自給矽熔體加熱的加熱器的高溫輻射。在阻流環內側的熔體液面，採用CZ法拉直單晶矽棒。其中，坩堝4和單晶矽棒向相反的方向轉動。隨著單晶矽棒的拉制，向上推升坩堝4，使得熔體液面相對於阻流環2高度不變。實施例二本例中的阻流環和導流筒和實施例一中類似，但是略有區別。參考圖5、圖6，在圖4的基礎上，阻流環2的上端提環21外側設置有第一凸緣25，第一凸緣25向阻流環2外側翻折；導流筒3下端則設置有向內翻折、用於勾住第一凸緣25的第二凸緣31。阻流環2掛設於導流筒3的下端，參考圖6。需要注意的是，「上」、「下」為根據圖5和圖6所示方位使用的相對性概念，旨在清楚說明本實施例中的技術方案，而不構成對技術方案和權利要求的限制。本例其餘類同實施例一，不予贅述。實施例三本例和實施例二中類似，區別僅在於，參考圖7，在第二凸緣31上分布有若干缺口32，缺口32便於工具伸入導流筒內部並勾住阻流環2的提環21時，取出阻流環2。其餘類同實施例二，不予贅述。實施例四本例和實施例一中類似，區別在於，提環21和阻流壁24並非通過側柱23一體地連接在一起，而是通過採用耐熱的柔性材料將阻流壁24懸掛在提環21下方，從而使阻流壁24浸入熔體中。其餘類同實施例一，不予贅述。本發明提供的阻流環，材質為高純度石英，大大減少向熔體內引入雜質。阻流環插入熔體內，阻斷熔體的熱對流對溶質邊界層的衝擊，從而避免產生單晶矽棒中心和邊緣的溶質邊界層厚度差異，並改善徑向的雜質濃度和電阻率均勻性。阻流環上的側面開口可減少阻流環自重、便於取放，且可用於勾住阻流環。阻流環側面開口的下緣與所述筒身的下緣之間的距離不小於30mm，可保證阻流環最下端至少30mm是連續的筒狀而完全隔開阻流環內外的熔體，阻斷熱對流，並且在拉制單晶矽棒的過程中熔體液面下降不會導致阻流環與熔體分離而失去阻流作用。採用本發明提供的阻流環，為達到改善單晶矽棒徑向雜質濃度和電阻率均勻性的目的，無需增加晶體旋轉速率，因而可以保持長晶爐機械結構的穩定性，晶體晃動小；晶體轉速小，單晶矽不易扭曲變形。從而，本發明提供的阻流環可大大提高單晶矽的成品率。本發明提供的改善單晶矽徑向電阻率均勻性的組件，包括上述阻流環，材質為高純度石英，大大減少向熔體內引入雜質。阻流環插入熔體內，阻斷熔體的熱對流對溶質邊界層的衝擊，從而避免產生單晶矽棒中心和邊緣的溶質邊界層厚度差異，並改善徑向的雜質濃度和電阻率均勻性。採用本發明提供的改善單晶徑向電阻率均勻性的組件，為達到改善單晶矽棒徑向雜質濃度和電阻率均勻性的目的，無需增加晶體旋轉速率，因而可以保持長晶爐機械結構的穩定性，晶體晃動小；晶體轉速小，單晶矽不易扭曲變形。從而，本發明提供的改善單晶徑向電阻率均勻性的組件可大大提高單晶矽的成品率。本發明提供的改善單晶矽徑向電阻率均勻性的方法，基於上述改善單晶徑向電阻率均勻性的組件實施，單晶矽生長在阻流環中間進行，阻流環插入熔體內，阻斷熔體的熱對流對溶質邊界層的衝擊，從而避免產生單晶矽棒中心和邊緣的溶質邊界層厚度差異，並改善徑向的雜質濃度和電阻率均勻性。採用本發明提供的改善單晶徑向電阻率均勻性的方法拉制單晶矽，為達到改善單晶矽棒徑向雜質濃度和電阻率均勻性的目的，無需增加晶體旋轉速率，因而可以保持長晶爐機械結構的穩定性，晶體晃動小；晶體轉速小，單晶矽不易扭曲變形。從而，本發明提供的改善單晶徑向電阻率均勻性的方法可大大提高單晶矽的成品率。採用本發明提供的阻流環、改善單晶矽徑向電阻率均勻性的組件及方法，在以下實驗條件下，分別生長2支輕摻Ph單晶矽棒，晶向為，電阻率30-60Ωcm，40kg投料，製作5英寸晶棒。將所生長的兩支單晶矽每隔100mm取樣，並進行電阻率及均勻性測試，整理相關數據後，結果如下：位置(mm)0100200300400500單晶矽一10.50％7.20％8.30％13.20％12.30％15.40％單晶矽二23.24％21.56％26.87％23.39％26.57％27.81％位置(mm)6007008009001000-單晶矽一14.60％13.80％11.80％14.20％11.70-單晶矽二26.97％25.66％27.23％27.41％28.37％-由此可見，本發明提供的阻流環、改善單晶徑向電阻率均勻性的組件及方法可有效改善單晶矽棒徑向雜質濃度和電阻率均勻性，成品率提高；且晶體轉動速度小，晃動相應也小。本發明中的實施例僅用於對本發明進行說明，並不構成對權利要求範圍的限制，本領域內技術人員可以想到的其他實質上等同的替代，均在本發明保護範圍內。當前第1頁1 2 3