[发明专利]一种生产Φ6英寸区熔气掺硅单晶的热系统及工艺

说明书

技术领域

本发明涉及硅单晶的生产方法，特别涉及一种生产Φ6英寸区熔气掺硅单晶的热系统及工艺。

背景技术

半导体器件厂家出于提高生产率、降低成本、增加利润等方面的考虑，都逐步要求增大硅片的直径，大直径化是半导体器件行业和材料行业的永恒课题。但是在区熔硅单晶的生产过程中，随着单晶直径的增大，其成晶也越来越困难。

拉制区熔直径单晶，由于单晶中心处散热较慢，边缘散热较快，所以单晶固液界面为下凹的碗状。单晶边缘先于中心凝固，当中心处凝固时体积膨胀，会产内部应力。一旦应力大于硅单晶的弹性极限，则会产生位错断苞。在拉制大直径硅单晶时问题尤为突出，由于直径较大，单晶内外散热速度差别更大，中心凝固结晶时产生的应力也更大，更容易产生位错断苞。单晶在生长过程中，一旦碰到杂质颗粒，很容易产生新的晶核而变成多晶。对单晶进行掺杂，即为向单晶晶格内部引入杂质原子，增加了断苞的风险。要成功拉制大直径掺杂单晶，对热场提出了更高要求。

现有技术下的区熔硅单晶的最大尺寸为Φ5英寸或Φ6英寸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产Φ6英寸区熔气掺硅单晶的热系统及工艺。

为达到以上目的，需对热系统进行调整，使单晶内部和外部的凝固更为同步，以降低应力导致断苞的概率。

增加保温筒的高度至100mm左右，直径增加至350±50mm，与线圈间距离降低至100±50mm，增强了其保温效果，可以减缓单晶外部的冷却速率，从而使单晶内外凝固结晶较为同步，降低产生的热应力。

等径过程中，降低下轴转速至3~5rpm；扩肩过程中，降低下轴转速至7~10rpm。两者都可以降低单晶与周围气氛的相对运动，也可以减缓单晶外部的冷却速率，从而使单晶内外凝固结晶较为同步，降低产生的热应力。

扩肩时选择缓慢扩肩，使扩肩角度为40°±2°，也可以使单晶内部和边缘的凝固结晶较为同步，降低热应力产生的概率。

由于单晶冷却速率降低了，所以对硅单晶相变潜热的释放能力也降低了，需要适当降低下轴的下降速度，经多次试验，下降速度降至3~4mm/min较为适宜。

单晶直径尺寸增加，单位时间需要的硅熔体供应也相应增加，那么需要增加线圈发生器的功率以熔化更多的多晶硅。通过试验，线圈发生器功率为其额定功率的60%~70%可以满足生产的要求。

选择外径为Φ350±50mm，内径为Φ50±2mm，厚度为30±2mm，上表面为上表面为倾斜多台阶线圈，则可以使电磁场的分布以及对多晶料棒的加热更加均匀，防止“出刺”问题。

本发明所采取的技术方案是：一种生产Φ6英寸区熔气掺硅单晶的热系统，包括线圈和保温筒，其特征在于：所述线圈上表面为倾斜多台阶线圈，线圈外径为Φ350±50mm，内径为Φ50±2mm，厚度为30±2mm。

所述保温筒直径为Φ350±50mm，高度为100±20mm。

所述线圈与保温筒的距离为100±50mm。

一种生产Φ6英寸区熔气掺硅单晶的工艺，其特征在于：在扩肩过程中向炉室内通入掺杂气体，下轴转速为7～10rpm，扩肩角度为40°±2°；在等径生长过程中，下轴下降速度约为3～4mm/min，下轴转速为3～5rpm，线圈发生器功率为其额定功率的60%～70%。

本发明所产生的有益效果是：通过采用新设计的热系统及调整了工艺参数，可以成功拉制出Φ6英寸区熔气掺硅单晶，解决了大直径区熔气掺硅单晶在生产过程容易产生位错断苞及“出刺”问题，从而满足市场对大直径硅单晶的需求。

附图说明

图1为生产Φ6英寸区熔气掺硅单晶的热系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。参照图1，一种生产Φ6英寸区熔气掺硅单晶的热系统包括线圈1和保温筒2，线圈1上表面为倾斜多台阶线圈，线圈1外径为Φ300mm，内径为Φ50mm，厚度为30mm。保温筒2直径为Φ300mm，高度为100mm。线圈1与保温筒2的距离为100mm。线圈1的冷却水水路3和保温筒2的冷却水水路4分别位于二者内部。

生产Φ6英寸区熔气掺硅单晶采用的设备为PVA FZ-30型，其工艺具体步骤如下：