[其他]采用氮保护气氛制造直拉(切氏法)硅单晶的方法

说明书

本发明属于直拉（切氏法）硅单晶生长技术领域。采用纯氮作为直拉硅单晶的保护气体，所用的氮气纯度为９９．９９９％以上，进入炉内氮气压力为０．５～６０托，氮气流量为２～５０升／分，所用的充氮设备及控制方法与充氩工艺相同。由于氮气来源丰富，价格低廉，可大幅度地降低硅单晶生产成本，提高硅单晶质量，产生积极的经济效果。

本发明是一种关于直拉（切氏法）硅单晶的方法。

最常用的生长半导体级硅单晶的方法有切氏法（CZ）和悬浮区熔法（FZ），其中切氏法生长的硅单晶的占有量约为总量的90%左右。

在切氏法硅单晶生长过程中，熔硅与石英坩锅反应（Si+SiO₂→2SiO↑）生成的SiO向上蒸发而影响硅单晶的正常生长，在制造大直径硅单晶时，其拉制时间长达10小时，使这一问题尤为突出，无论在真空或常压氩气氛下，都无法避免在拉晶过程中氧化硅颗粒落入熔硅表面而破坏单晶持续生长的稳定性。1975年美国Varian公司报导了一种减压充氩条件下的大型硅单晶拉制工艺（Solid State Technology1975 VOL。18.31～33），将硅单晶体拉制过程中不断产生的CO和SiO气体，由从炉内上方进入的减压氩气带出炉外，消除了SiO的干扰，降低了硅中的含碳量，从而提高了切氏法无位错硅单晶的成品率，并提高了产品质量。

上述减压充氩切氏拉晶方法的不足之处是：瓶装氩气易被杂质所污染，纯度难以保证;若使用液态氩，则需用超大型空气设备生产，价格昂贵。

本发明的任务在于寻找来源丰富、价格更低廉的气体作为拉制高质量硅单晶的保护气。

1959年，W·Kaiser〔见J·Appl phys 30.427（1959）〕指出，氮与熔融硅液的反应生长氮化硅干扰晶体生长，并在悬浮区熔法（FZ）单晶生长中进行充氮试验，证明在常压下因硅与氮发生化学反应而不可能生长硅单晶。至今在直拉硅单晶技术中，尚无采用纯氮作为制造直拉硅单晶的保护气体的先例。

本发明在深入地试验研究了氮与硅化学反应的具体条件，以及氮在硅中的分凝状态的基础上，克服了长期存在的纯氮气不能作为拉晶保护气体的技术偏见，提出了以氮作为保护气氛的制造直拉硅单晶的方法。

采用纯氮保护气氛需要控制进入炉内气体的压力和流量。本发明采用了液氮贮槽、蒸发器、平衡器、压力调节器组成的供气系统;质量流量计、精密电阻真空计、不锈钢波纹管阀组成的压力流量的调节测量系统;截止阀、过滤器、滑阀真空泵组成的抽气系统。构成纯氮气保护气氛的减压及流量控制系统，有效地抑制了SiO的干扰，创造了在减压气氛下硅晶体正常生长的条件。控制的技术参数如下：

氮气纯度 99.999%以上

炉内氮气压力范围0.5～60托，氮气流量2～50升/分。

在上述较宽范围的氮气保护气氛条件下，都能和采用氩保护气氛同样地生长无位错硅单晶，产品质量符合制造半导体器件的要求。

本发明与现有充氩（Ar）减压切氏法工艺相比较，具有氮气来源丰富，价格低廉（目前氮气价格约为氩气的1/3），在硅单晶质量相同的条件下，可大幅度地降低硅单晶成本。并使无氩气地区可以使用本技术拉制高质量的硅单晶。

实施例：

采用氮气保护气氛制造直拉硅单晶的方法，所用的氮气纯度为99.999%以上，控制硅单晶炉内氮气压力为10～30托，氮气流量为10～30升/分。所用的充气抽气设备及控制方法与充氩工艺相同。拉制成的硅单晶质量满足制作硅半导体器件的要求。