區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置及方法與流程

2023-11-02 23:09:48 1

本發明涉及矽單晶製備技術領域，特別涉及一種區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置及方法。

背景技術：

矽單晶作為一種半導體材料被廣泛應用於半導體器件領域，因此需求量極大，而採用區熔法生長矽單晶是獲取單晶矽的一種重要方法。

區熔法又稱fz法，即懸浮區熔法。是利用熱能在半導體棒料的一端產生一熔區，再熔接單晶籽晶。調節溫度使熔區緩慢地向棒的另一端移動，通過整根棒料，生長成一根單晶，晶向與籽晶的相同。區熔法製備矽單晶具有如下優點：1、不使用坩堝，單晶生長過程不會被坩堝材料汙染；2、由於雜質分凝和蒸發效應，可以生長出高電阻率矽單晶。

採用區熔法能夠生長高純度低缺陷的矽單晶，區熔法可以得到低至1011cm-3的載流子濃度。區熔法生長技術的基本特點是樣品的熔化部分是完全由固體部分支撐的，不需要坩堝，可以大大降低氧和碳及其它金屬離子的沾汙。柱狀的高純多晶材料固定於卡盤，一個金屬線圈沿多晶長度方向緩慢移動並通過柱狀多晶，在金屬線圈中通過高功率的射頻電流，射頻功率電磁場將在多晶柱中引起渦流，產生焦耳熱，通過調整線圈功率，可以使得多晶柱緊鄰線圈的部分熔化，線圈移過後，熔料結晶為單晶，其晶向與籽晶的相同。另一種使晶柱局部熔化的方法是使用聚焦電子束。整個區熔生長裝置可置於真空系統中，或者有保護氣氛的封閉腔室內。

區熔法製備單晶矽摻雜技術一般有：

(1)氣相摻雜法(gasdopingmethod)：n型摻磷、p型摻硼；

(2)中子嬗變摻雜(ntd)矽單晶：成本太高；

(3)填裝摻雜法(pilldopingmethod)：一般只適合用於偏析係數低及揮發 性低的摻雜物，如鎵(ga)及銦(in)；

(4)核心摻雜法(coredopingmethod)：比較不容易控制晶棒之軸向電阻之均勻性，摻雜物一般只適合用於偏析係數較大的硼(b)。

工業界普遍採用氣體摻雜法應用於區熔法生長矽單晶。這種摻雜技術是將易揮發的ph4(n型摻雜)或b2h6(p型摻雜)氣體藉著氬氣(ar)稀釋後直接吹入熔融區進行摻雜。其優點是製造商不需要再存儲不同電阻率的多晶矽原料棒。但是，摻雜氣源的發射口一般均設在爐壁上，因此氣相摻雜矽單晶的電阻率普遍存在均勻性差、摻雜不夠精確等問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置及方法，解決現有技術中以氣相摻雜方式生長的矽單晶的電阻率均勻性差，摻雜不夠精確的問題。

本發明的技術方案是一種區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置，包括氣體噴射器與射頻加熱線圈，所述氣體噴射器與所述射頻加熱線圈形狀相同，共同環繞原料棒，且所述氣體噴射器與所述射頻加熱線圈固定連接；所述氣體噴射器包括一環形管，所述環形管上開設有數個氣孔。

進一步的，所述氣體噴射器與所述射頻加熱線圈通過銷釘或螺絲固定連接。

進一步的，所述氣體噴射器與所述射頻加熱線圈通過焊接方式固定連接。

進一步的，所述環形管的材質為陶瓷。

進一步的，所述環形管上的數個氣孔為等間距均勻分布。

進一步的，所述環形管上的數個氣孔為不均勻分布。

進一步的，所述氣孔的形狀為圓形、橢圓形、方形或不規則形狀。

進一步的，還包括一氣體混合箱，所述氣體混合箱具有冷卻裝置，且所述氣體混合箱的出氣口與所述環形管相連。

進一步的，還包括一質量流量控制器，所述質量流量控制器與所述氣體混合箱的進氣口連接，用於控制通入所述氣體混合箱的氣體。

相應的，本發明還提供一種區熔法氣相摻雜生長矽單晶的方法，採用上述 的區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置進行矽單晶生長，所述方法包括：將所述區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置環繞原料棒，從原料棒的一端向另一端緩慢移動，同時在射頻加熱線圈中通過高功率的射頻電流，使得原料棒緊鄰線圈的部分熔化，形成熔區，並且所述氣體噴射器向所述熔區噴射摻雜氣體，從而使得所述原料棒結晶為單晶棒。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

本發明通過將氣體噴射器與射頻加熱線圈固定連接，在氣體噴射器的環形管上開設有數個氣孔，使得從氣體噴射器噴出的摻雜氣體對摻雜氣流分布有明顯改善，摻雜氣流能夠更加均勻的分布在熔區周圍，使得熔區對摻雜氣體的吸收率大大增加，從而提高了氣相摻雜矽單晶的電阻均勻性，同時節約了摻雜源。

附圖說明

圖1為本發明一實施例中區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置形成矽單晶的示意圖。

圖2為本發明一實施例中環形管的結構示意圖。

圖3為本發明一實施例中環形管與氣體混合箱的連接示意圖。

具體實施方式

為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容做進一步說明。當然本發明並不局限於該具體實施例，本領域的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護範圍內。

其次，本發明利用示意圖進行了詳細的表述，在詳述本發明實例時，為了便於說明，示意圖不依照一般比例局部放大，不應對此作為本發明的限定。

本發明的核心思想是：通過將氣體噴射器與射頻加熱線圈固定連接，在氣體噴射器的環形管上開設有數個氣孔，使得從氣體噴射器噴出的摻雜氣體對摻雜氣流分布有明顯改善，摻雜氣流能夠更加均勻的分布在熔區周圍，使得熔區對摻雜氣體的吸收率大大增加，從而提高了氣相摻雜矽單晶的電阻均勻性，同時節約了摻雜源。

圖1為本發明一實施例中區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝 置形成矽單晶的示意圖，如圖1所示，本發明提出一種區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置10，包括氣體噴射器100與射頻加熱線圈200，所述氣體噴射器100與所述射頻加熱線圈200形狀相同，共同環繞原料棒，且所述氣體噴射器100與所述射頻加熱線圈200固定連接；所述區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置10沿原料棒20的長度方向緩慢移動並通過所述原料棒20，在所述射頻加熱線圈200中通過高功率的射頻電流，射頻功率電磁場將在原料棒20中引起渦流，產生焦耳熱，通過調整線圈功率，可以使得原料棒20緊鄰線圈的部分熔化，形成熔區30，同時所述氣體噴射器100向所述熔區30噴射摻雜氣體；所述區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置10移過之後，原料棒20結晶為單晶棒40。

所述氣體噴射器100包括一環形管101，請參考圖2，其為本發明一實施例中環形管的結構示意圖，所述環形管101上設置有進氣端102，並且在所述環形管101上開設有數個氣孔103，從而使得摻雜氣流能夠更加均勻的分布在熔區周圍，使得熔區對摻雜氣體的吸收率大大增加，從而提高了氣相摻雜矽單晶的電阻均勻性，同時節約了摻雜源。

本實施例中，所述環形管101的材質為陶瓷，所述環形管101上的氣孔103為等間距均勻分布，如圖2所示。在其他實施例中，所述環形管101的材質可以為銅質鍍銀的金屬，或不與摻雜氣體發生反應的其他材質；所述環形管101上的氣孔103也可為不均勻分布，例如在靠近所述進氣端102的地方稀疏，在遠離所述進氣端102的地方密集；氣孔102的數量根據不同的工藝條件而定。所述氣孔102的形狀為圓形、橢圓形、方形或不規則形狀，也可以是本領域技術人員已知的其他形狀。

所述氣體噴射器100安裝於所述射頻加熱線圈200的上方，所述氣體噴射器100與所述射頻加熱線圈200可以通過銷釘或螺絲固定連接，方便兩者之間的固定與分離，從而可以單獨對所述氣體噴射器100或所述射頻加熱線圈200進行更換；也可以通過焊接方式進行固定連接，以防止所述氣體噴射器100與所述射頻加熱線圈200的部分連接部位發生分離，保證摻雜氣流能夠均勻的分布在熔區周圍。可以理解的是，所述氣體噴射器100也可以安裝於所述射頻加熱線圈200的下方，具體的安裝位置根據實際的工藝條件及裝置來決定，最終 保證摻雜氣流能夠均勻的分布在熔區周圍。

所述區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置還包括一氣體混合箱與一質量流量控制器，所述氣體混合箱具有冷卻裝置，且所述氣體混合箱的出氣口與所述環形管相連，所述質量流量控制器與所述氣體混合箱的進氣口連接，用於控制通入所述氣體混合箱的氣體。請參考圖3所示，其為本發明一實施例中環形管與氣體混合箱的連接示意圖，摻雜氣體或者稀釋混合氣體經第一質量流量控制器401與第二質量流量控制器402通入至氣體混合箱300進行混合後再傳輸至所述環形管101，然後噴射至熔區30進行長晶摻雜。所述冷卻裝置(圖中未示出)用於冷卻所述氣體混合箱300內的氣體。

相應的，本發明還提供一種區熔法氣相摻雜生長矽單晶的方法，採用上述的區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置進行矽單晶生長。具體的，包括：將區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置環繞原料棒，從原料棒的一端向另一端緩慢移動，在所述區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置經過的地方，射頻加熱線圈中通過高功率的射頻電流，射頻功率電磁場將在原料棒中引起渦流，產生焦耳熱，通過調整線圈功率，可以使得原料棒緊鄰線圈的部分熔化，形成熔區，同時所述氣體噴射器向所述熔區噴射摻雜氣體，在所述區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置移過之後，所述原料棒結晶為單晶棒。

綜上所述，本發明提供的區熔法生長矽單晶用氣體噴射與射頻加熱一體裝置及方法，通過將氣體噴射器與射頻加熱線圈固定連接，在氣體噴射器的環形管上開設有數個氣孔，使得從氣體噴射器噴出的摻雜氣體對摻雜氣流分布有明顯改善，摻雜氣流能夠更加均勻的分布在熔區周圍，使得熔區對摻雜氣體的吸收率大大增加，從而提高了氣相摻雜矽單晶的電阻均勻性，同時節約了摻雜源。

上述描述僅是對本發明較佳實施例的描述，並非對本發明範圍的任何限定，本發明領域的普通技術人員根據上述揭示內容做的任何變更、修飾，均屬於權利要求書的保護範圍。