矽紅外濾光片的熱處理工藝的製作方法

2023-05-15 00:19:56

專利名稱：矽紅外濾光片的熱處理工藝的製作方法
技術領域：
本發明是一種旨在降低直拉矽單晶氧含量，提高矽紅外濾光片透過率的矽片熱處理工藝，屬於半導體濾光片的加工方法。
用半導體矽材料製造的7-14μm紅外帶通濾光片是很多紅外儀器，例如紅外報警器、紅外探測器、紅外傳感器等所必需的元件。這種濾光片要求在上述紅外光波段有高的透過率。一般用區熔矽單晶製造。這是因為直拉矽單晶的含氧量高，在9μm附近，有一強的氧吸收峰，導致該波段的透過率減小。美國BalzersOpticalCorporation在其出版的「Balzers」的技術信息欄中指出，由於直拉矽單晶的氧含量高，使得在9μm處，有鍍層(抗反射鍍層)的厚0.5mm的直拉矽單晶濾光片的透過率為66%，而同樣條件的區熔矽單晶濾光片的透過率可達75%。二者相比，直拉矽單晶濾光片在9μm波段的透過率約低9%。但是，區熔矽單晶的價格要比直拉矽單晶高得多，導致用區熔矽單晶製造的矽濾光片的成本遠高於用直拉矽單晶製造的濾光片。這在我國尤為明顯。另外，直拉矽單晶在用於製造半導體集成電路及其它半導體器件時，單晶錠的頭、尾部分常因其雜質含量高而棄之不用，這部分廢料重新回爐直拉的矽單晶錠在本申請中稱為廉價的直拉矽單晶。如果通過適當的處理，能用廉價的直拉矽單晶製造紅外濾光片，將大大降低矽紅外濾光片的生產成本，使紅外儀器產品能以有利條件參與國際技術市場的競爭。
本發明的目的在於通過對廉價的直拉矽單晶片進行適當的熱處理，使之在9μm處的紅外透過率接近或達到區熔矽單晶的水平，以致可用廉價的直拉矽單晶代替區熔矽單晶製造7-14μm帶通紅外濾光片，從而大大降低矽紅外濾光片的生產成本。
本發明是在對直拉矽單晶中氧行為研究的基礎上提出的。直拉矽單晶的製造要使用石英坩堝，熔融的矽與石英坩堝接觸。在拉制過程中帶入二氧化矽，使直拉矽單晶的氧含量高達1×1018Cm-3，比區熔矽單晶的氧含量1×1016Cm-3高二個數量級。因此，直拉矽單晶在9μm附近出現Si-O-Si的明顯吸收峰。

圖1是氧在矽中的固溶度曲線(Semiconductor Silicon，V.81-5，PP 266，1981)。研究表明，9μm處的吸收峰是由矽中固溶的間隙氧引起的，固溶的氧含量越高，該吸收峰就越強。圖1表明，隨著溫度的降低，氧在矽中固溶度也隨之下降。因此，通過適當的熱處理，可以降低矽中固溶氧的含量。但由於氧在矽中的擴散速度低，一般經長時間的恆溫處理，高氧含量的矽單晶中過飽和的氧仍遠大於該溫度下的飽和固溶度，使得通過熱處理降低矽片中氧含量的工作變得相當困難。本發明根據對矽中氧沉澱的動力學研究，掌握了不同溫度階段氧沉澱成核生長的規律，建立了一套矽片熱處理工藝，使在適當的處理時間內，大大降低直拉矽單晶中的固溶氧含量，使之接近區熔矽單晶的氧含量水平，從而成功地使廉價直拉矽單晶片在9μm附近的紅外透過率接近或達到區熔矽單晶的水平。
本發明的工藝在對廉價直拉矽單晶錠進行常規的切片、研磨、拋光後，用通常方法腐蝕、清洗矽片，將矽片裝入先經HCl處理過的石英爐管，本發明的特徵在於在400-1000℃分四段溫區逐步升溫，其中在400-550℃和700-800℃分別保溫10-30小時，在800-900℃和900-1000℃分別保溫2-5小時，然後自然冷卻至850℃以下時取出熱處理好的矽片。
用本發明的工藝處理的廉價直拉矽單晶片在紅外分光光度計上測定其透射光譜，測得結果表明，處理後的直拉矽單晶片在9μm處的透過率接近或達到了區熔矽單晶片的水平。圖2是厚度為1mm的廉價直拉矽單晶片的紅外透射光譜，由圖可見，在9μm(1106Cm)附近的透過率達到75.5%。圖3是熱處理前後廉價直拉矽單晶片(未經防反射鍍層處理)的透射光譜，可明顯看出經本發明的工藝處理後9μm附近透過率的提高。
本發明的具體工藝如下1.將廉價直拉矽單晶錠切片、研磨、拋光後，用1＃洗液(H2O∶H2O2∶NH4OH＝5∶2∶1)煮沸三分鐘，用去離子水衝洗，然後用稀氫氟酸溶液(HF∶H2O＝1∶20)漂去矽片表面自然氧化層，用去離子水衝洗五分鐘，再用2＃洗液(H2O∶H2O2∶HCl＝7∶2∶1)煮沸10分鐘，去離子水衝洗10分鐘，烘乾。
2.將熱處理用石英爐管在1000-1150℃下，在含3-5%HCl的氧氣氣氛下處理2-6小時後，在爐溫降至400℃以下時，裝入矽片。
3.將爐溫升至400-550℃，保溫10-30小時，然後升溫至700-800℃，保溫10-30小時，再升溫至800-900℃，保溫2-5小時，最後將爐溫升至900-1000℃，保溫2-5小時。
4.待爐溫降至850℃以下時，取出矽片。
用本發明的工藝，先後對不同廠(如上海冶煉廠，739廠等)生產的不同直徑，不同厚度的廉價直拉矽單晶片共六萬多片進行處理，均得到接近或達到區熔矽單晶片同樣滿意的結果。實踐表明，用本發明的工藝處理的廉價直拉矽單晶片完全可代替區熔矽單晶製造紅外濾光片。據初步估算，每公斤矽片可節省成本3000元，大大降低了矽紅外濾光片的成本。用本發明的工藝製造的矽紅外濾光片完全能滿足紅外報警器、紅外檢測器、紅外傳感等紅外儀表、元件的生產、使用和出口的要求。
權利要求
一種矽紅外濾光片的熱處理工藝，包括矽片的切、磨、拋光和腐蝕清洗及熱處理用石英爐管的HCl處理，本發明的特徵在於1.在爐溫低於400℃時，裝入矽片，
2.將爐溫升至400-550℃，保溫10-30小時；然後升溫至700-800℃，保溫10-30小時，再升溫至800-900℃，保溫2-5小時，最後升溫至900-1000℃，保溫2-5小時，
3.在爐溫降至850℃以下時，取出矽片。
全文摘要
一種旨在降低直拉矽單晶氧含量，提高矽紅外濾光片透過率的矽片熱處理工藝，其特徵是將矽片在400-1000℃溫度間的四段溫區逐步升溫並保溫適當時間並在矽片冷卻至850℃以下時取出，處理後的直拉矽單晶片在9μm處的透過率接近或達到區熔矽單晶的水平，用熱處理後的廉價直拉矽單晶片製造的紅外濾光片，可滿足紅外儀器設備所需紅外濾光片的要求，大大降低了濾光片的成本。
文檔編號G02B1/02GK1069299SQ9110746
公開日1993年2月24日 申請日期1991年8月6日 優先權日1991年8月6日
發明者譚淞生, 朱建生, 李月珍 申請人:中國科學院上海冶金研究所