（材料物理与化学专业论文）直径300mm硅单晶生长过程的热场模拟.pdf

摘要 摘要 本文对直径3 0 0 m m 晶体生长热场进行了数值模拟，并模拟计算了晶体生长过程 中单晶炉内的氩气流动情况。热场的模拟计算结果与实验测量的结果基本一致，较 好地模拟了单晶炉内的热场分布情况。通过对氩气流动情况的模拟分析，更好地了 解了单晶炉内氩气流场的分布情况，这有利于我们更好地控制单晶炉内的氨气流的 流速和流向，以及单晶中氧含量。 通过对有热屏和无热屏两种状态下的热场分布和晶体质量的比较，我们得出； 单晶炉内施加热屏，可以很好地改进单晶炉内的热场分布，从而改善c z 硅单晶的 生长条件，可以较好地控制晶体中的各种缺陷；同时，通过加装热屏，可以改进熔 体内的温度分布，增大晶体生长的稳定性，从而获得更大的晶体生长速度，这样有 利于提高生产效率；加装热屏还可以减少单晶炉内的热量损失，从而降低加热功 率，减少了熔体与坩埚壁的反应，从而有利于控制晶体中的氧含量。 关键词：直拉硅晶体，热屏，3 0 0 m m ，热场，氩气流，数值模拟 一垒! ! 塑璺 _ _ _ _ _ ，_ _ - _ 。_ _ - 。_ _ _ 。_ _ - _ _ _ _ _ _ 。1 。_ - 。_ 。- 。_ 。_ - 。一一 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t h eh o tz o n ea n dt h ea r g o nf l o wd i s t r i b u t i o nd u r i n g3 0 0 m ms i n g l e c r y s t a lg r o w t hp r o c e s sw e r es i m u l a t e d t h eh o tz o n en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sw e r e e s s e n t i a l l yi na c c o r d a n c ew i t l le x p e r i m e n t a lr e s u a s d i f f e r e n ta r g o nf l o wd i s t r i b u t i o n s i n c z s i c r y s t a l f u r n a c ew e r ea n a l y z e d ，w h i c hc a nh e l pu su n d e r s t a n dt h ea r g o nf l o w d i s t r i b u t i o n si nc z - s ic r y s t a lf i 瑚a c ee f f e c t i v e l ya n da d j u s tt h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o nb y c o n t r o l l i n ga r g o n f l o wv e l o c i t ya n dd i r e c t i o ni nc z s ic r y s t a lf u r n a c e c o m p a r i n gt h eh o tz o n ec o n f i g u r m i o n sw i t ha n dw i t h o u th e a ts h i e l d ，w ef o u n dt h a t h e a ts h i e l dc o u l d i m p r o v e t h eh o tz o n e c o n f i g u r a t i o n ，c r y s t a lg r o w t h c o n d i t i o n sa n dd e f e c t s i nt h ec z - s ic r y s t a l s i m u l t a n e o u s l y ，t h r o u g ha d o p t i n gh e ms h i e l d ，t h em e l tt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n sw e r e i m p r o v e d ，t h es t a b i l i t y o fc r y s t a l g r o w t h w a se n h a n c e da n dt h e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yw a si n c r e a s e db yi n c r e a s i n gc r y s t a lg r o w t hv e l o c i t y t h eh e a l e r s u p p l y i n gp o w e r w a sr e d u c e db y a p p l y i n gh e a t s h i e l db e c a u s eo f t h er e d u c t i o no f h e a tl o s s ， a n dt h ei n t e r s t i t i a lo x y g e ni nt h ec r y s t a lc a nb ed e c r e a s e db e c a u s eo ft h er e s t r a i n to ft h e r e a c t i o nb e t w e e nt h ec r u c i b l ea n dm e l t ，w h i c hw a st h em a i ns o u r c eo f o x y g e n k e y w o r d s ：c z - s i c r y s t a l ，h e a ts h i e l d ，3 0 0 m m ，h o tz o n e ，a r g o nf l o w ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 作者签名： 翟立召 日期：2 0 0 n c 争f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京有色金属研究总院有关保留、使用学位论文的规 定，即：总院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；总 院可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 魏古冒 作者签名： 隹卫届 导师签名 日期：j 红 引言 引言 在现代电子工业中，集成电路的集成度正在以每3 年4 倍的速度增长。电 路的特征尺寸已由微米级降到亚微米级及纳米级的水平。这对于处于微电j 技 术基础地位的半导体材料提出了更高的要求：半导体材料行业必须能够提供直 径更大、质量更好的产品。直拉法生长硅单晶一直占据着集成电路衬底材料 8 0 以上的市场 1 ，所以提高直拉硅单晶的质量，具有十分重要的意义。人们 经研究后发现，晶体生长速率v 与晶体生长时晶体熔体界面处的瞬时轴向温 度梯度g 的比值对晶体生长过程中缺陷的种类有着重要的影响。于是人们纷纷 寻求有效的工艺措施，控制晶体生长的速度和晶体熔体界面处的瞬时轴向温 度梯度，以求获得质量更好的硅单晶材料。采用加装热屏的方式对单晶炉内的 热场进行调整是一种很好的方法，同时，由于单晶直径的增加，也加大了试验 的费用，因此，人们越来越普遍地使用计算机模拟的方法来模拟晶体生长过程 中的热场以及微缺陷分布。可以说热场模拟方法已经成为人们减少实验费用， 提高单晶质量，指导生产实践的重要方法。 国家半导体材料工程研究中心在k a y e x l 5 0 型单晶炉内加装了由各种材料制成的 热屏。k a y e x l 5 0 型单晶炉是目前国内最大的单晶炉，也是国内生产大直径硅单晶的 主力设备。通过计算机模拟的方法对直径3 0 0 m m 晶体生长热场进行模拟计算，对于 探索最佳的拉晶工艺，改善晶体的质量，缩小我国计算机模拟技术在硅单晶生长中 应用与国外的差距有着非常重要的意义。 本论文的主要任务是利用有限元方法模拟计算硅单晶在不同的生长条件下的热 场分布，以及相应的热流分布和温度梯度分布等，同时模拟计算单晶炉内氩气流场 的分布。 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 硅材料发展现状 在当今全球超过2 0 0 0 亿美元的半导体市场中，9 5 以上的半导体器件和9 9 以上的集成电路( l s l ) 都是用高纯优质的硅抛光片和外延片制作的。在未来3 0 一5 0 年 内，它仍将是l s i 工业最基本和最重要的功能材料 2 。半导体硅材料以丰富的资 源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等综合优势而成为了当代电子工 业中应用最多的半导体材料，它还是目前可获得钓纯度最高的材料之一，其实验室 纯度可达1 2 个“9 ”的本征级，工业化大生产也能达到7 1 1 个“9 ”的商纯度。 由于它的优良性能，使其在射线探测器、整流器、集成电路( i c ) 、硅光电池、传感 器等各类电子元件中占有极为重要的地位。同时由予它具有识别、存储、放大、 开关和处理电讯号及能量转换的功能，而使“半导体硅”实际上成了“微电子”和 “现代化电子”的代名词 3 。 半导体硅材料分为多晶硅、单晶硅、硅外延片以及非晶硅、浇泣多晶硅、淀 积和溅射非晶硅等。自从6 0 年代被广泛应用于各类电子元器件以来，其用量平均大 约以每年1 2 1 6 的速度增长。目前全世界每年消耗约1 8 ，0 0 0 - 2 5 ，0 0 0 吨半导体级 多晶硅，消耗6 0 0 0 7 0 0 0 吨单晶硅。1 9 9 9 年，全世界硅片产量4 5 亿平方英寸 2 0 0 0 年，其产量更高。目前全世界硅片销售金额约6 0 - 8 0 亿美元。 现行多晶硅生产工艺主要有改良西门子法和硅烷热分解法。主要产品有棒状和 粒状两种，主要用途是用作制备单晶硅以及太阳能电池硅等。生长单晶硅的工艺；0 分为区熔( f z ) 和直拉( c z ) 两种生长工艺。区熔单晶硅( f z - s i ) 主要用于制作电力电 子器件( s r 、s c r 、g t o 等) 、射线探测器、高压大功率晶体管等：直拉单晶硅( c z s i ) 主要用于制作l s i 、晶体管、传感器及硅光电池等。硅外延片( e p i ) 是在单晶衬 底片上，沿单晶的结晶方向生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构都符合特 定器件要求的新单晶层。硅外延片主要用于制作c m o s 电路，各类晶体管以及绝缘 一2 一 第一章文献综述 栅，双极型晶体管等。非晶硅、浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅主要用作各种硅光 电池等。 进入超大规模集成电路时代以来，大直径硅单晶一直是热门的研发课题。目前 国际上主流工业产品为直径1 5 ( h n m ( 6 英寸) 和2 0 0 m m ( 8 英寸) 硅片，直径 3 0 0 r a m ( 1 2 英寸) 硅片已在进行批量生产， 3 0 0 m m 硅材料仍处于研究阶段。我国已 于1 9 9 7 年拉制出直径3 0 0 m m ，等径长度4 0 0 r a m ，重量8 l k g 的硅单晶。国际半导体 材料与设备协会( s e m i ) 也制定了直径3 0 0 m m 的硅片标准。但是生长直径3 0 0 m m 或 大于3 0 0 m m 的直拉硅单晶仍面临四个方面的问题：流体动力学的复杂性增强：传统 的细颈不能支撑质量3 0 0 k g 以上的晶棒；点缺陷影响明显，消除氧化层错等更加困 难；每次拉晶成本大大增加，这意昧着必须加强计算机模拟工作，减少实验次数。 d u p r e t 4 和s e i d l 等人【5 】报告了生长大直径单晶熔体动力学数学模型，比较了两种 涡流模型的结果，并发现熔体划分为三个区域，在中心区域熔体流动发生从“软” 到“硬”涡流的变化。c h a n d r a s e k h a r 等人【6 】和t u 等人 7 】报告了以1 0 m m 、6 r a m 和 7 m m 的缩颈技术生长直径3 0 0 m m 无位错硅单晶工艺，发现粗籽晶无位错技术遵循 r i p - w i l o x 8 规律。屠海令等人【9 】和w a t a n a b e 等人【1 0 】报道了c u s p 磁场的轴向零磁 面在熔体自由表面以下可实现稳定的单晶生长，并可生长出无条纹的晶体。为了减 少直径大于3 0 0 m m 硅单晶巨额研究的负担，日本于1 9 9 6 年成立了超级硅晶体研究 所( 简称s s i ) ，实行了5 年计划，包括直径4 0 0 m m 的单晶制备、晶片加工和外延 生长等三部分内容，研究经费1 3 4 0 亿日元。s s i 采用德国l e y b o l d 公司的单晶炉， 8 8 2 m m ( 3 6 英寸) 坩埚，装料量5 5 0 k g 。直径4 0 0 m m 的硅材料的研究才刚刚开始， 而美国半导体协会( s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 贝u 提出硅单晶由直径3 0 0 m m 直接过渡到4 5 0 m m 比较合理。 1 2 现代微电子工业对半导体硅材料的新要求【1 l ，1 2 1 随着微电子工业飞速发展，除了本身对加工技术和j u t 设备的要求之外，同时 对硅材料也提出了更新更高的要求。 ( 1 ) 对硅片表面附着粒子及微量杂质的要求 3 - 第一章文献综述 随着集成电路的集成度不断提高，其加工线宽也逐步缩小，因此，对硅片的加 工、清洗、包装、储运等工作提出了更高的新要求。对于兆位级器件，0 ，1 0 ”的 微粒都可能造成器件失效。深亚徽米级器件要求0 1pm 的微粒降到l o 个片以 下，同时要求各种金属杂质如f e 、c u 、c r 、n i 、a l 、n a 等，都要求控制在目前分析 技术的检测极限以下( 约为lxl o ”原子c m 2 ) 。 ( 2 ) 对硅片表面平整度、应力和机械强度的要求 硅片表面的局部平整度( s f q d ) 一般要求为设。计线宽的2 3 ，以6 4 m 存储器的加 工线宽0 3 5 # m 为铡，则要求硅片局部平整度在2 2 m f f 范围内为o 。2 3 u m ，2 5 6 m 电 路的s f q d 为0 1 7um 。同时，器件工艺还要求原始硅片的应力不能过分集中，机械 强度要高，使器件的稳定性和可靠性得到保证，但现在这方面硅材料尚未取得突破 性进展，仍是以后研究的一个课题。 ( 3 ) 对硅片表面和内部结晶特性及氧含量的要求 对v l s i 和u l s i 来说，距硅片表面1 0 um 左右厚度区域为器件活性区，要求该 区域性质均匀且无缺陷。6 翎和2 5 蹴电路要求硅片的氧化诱生层错( o i s f ) 2 0 c i 1 2 a 为达到此要求，目前比较成熟的工艺是采用硅片吸除技术，分为内吸除和外 吸除( 包括背面损伤和长多晶硅等) 。现在器件厂家部根据器件工艺的需要，对硅片 提出了某种含氧量要求。硅材料生产厂应根据用户要求进行控氧生长硅单晶。 ( 4 ) 对硅片大直径化的要求 出于提高生产率、降低成本的目的，器件厂家随着生产规模的扩大，也逐步要 求增大硅片直径，使同等娥模芯片的收得率明显提高，给器件厂家带来极为显著的 经济效益。现代微电子工业对硅片的参数提出了更高的要求，具体参数要求如表 1 1 所示。 4 第一章文献综述 表i 1现代微电子工业对硅片关键参数的要求 首批产品生产年份 2 0 0 l2 0 0 42 0 0 72 0 1 02 0 1 32 0 1 6 工艺代( 特征尺寸n m ) 1 3 09 06 57 05 03 5 硅片直径( m m ) 3 0 03 0 03 0 03 0 04 5 04 5 0 去边( m m ) 322222 颗粒数( 趴v f )1 2 3 1 6 47 77 74 79 5 颗粒大j 、( c m 2 ) 0 1 80 2 40 儿0 1 l0 0 700 6 正表面颗粒尺寸( r i m ) 9 0三4 5三3 3；2 3之1 6三l l 表面临界金属元素( 1 0 ”a t c m ) llll1 l 局部平整度( n m ) 1 3 09 06 54 53 22 2 f e 浓度0 0 ”a t c m 3 ) 111l1 l o i s f c d r a m ，c m “)2 81 61 oo 60 40 2 o i s f ( m p u ，c m “)1 o0 50 30 20 io 1 1 3 热场分布的数值模拟 1 3 i 热场数值模拟技术的发展 人们对单晶炉热场以及熔体流动的数值模拟计算经历了一个从简单到复杂、局 部到整体的过程。 1 9 6 5 年，b i l l i g 1 3 假设熔体中的热传输为理想条件，将熔体向晶体传输的热 量一同并入到晶体熔体界面处的潜热中，采用一维片状近似的方法，获得了晶体半 径和晶体拉速的平方成反比的关系； 1 9 6 6 年，w i l c o x 和d u t y 1 4 首次将热量的传导与处于稳定生长的晶体熔体界 面的形状耦合到一起进行计算。他们假设熔体和晶体之间的热量传输可以用一个参 数进行表征，求解出了圆柱体内以及晶体熔体界面的形状。由于热传输参数是未知 的，所以不能对晶体生长进行预测； 7 0 年代，许多的科学工作者在不考虑界面形状的情况下，对热场 1 5 1 8 进行 确定，以及热应力的预测 1 9 2 2 都作了大量的工作，所有这些工作的结论仍然属于 定性的； 1 9 8 3 年，w i l l i 硼s 和r e u s s e r 2 3 为了计算热屏对热场分布的影响，从而优化 设计晶体生长系统，建立了面向系统的模型。通过计算，他们获得了整个晶体的温 一5 度分布，给出了不同径向位置温度分布曲线，并给出了一个通过晶体表面温度分 布，估计晶体熔体界面形状的方法； 1 9 8 5 年，r a m a c h a n d r a n 、d u d u k o v i c 和s r i v a s t a v a 等人模拟计算了c z 系统巾 圆柱型晶体与熔体、坩埚以及气氛之间的热辐射问题 2 4 】； 1 9 8 6 年，d e r b y 和b r o w n 提出了以传导为主的热传输模型，预测了熔体晶体 和熔体气体界面位置随生长参数变化的函数 2 5 】：1 9 8 7 年，他们利用瞬态热张力模 型，分析了c z 系统的稳定性【2 6 】； 1 9 9 3 年，k i n n e y 和b r o w n 为了解释熔体对流对热交换的影响，提出了包括低 瑞利数k e 湍流模型计算的整体的热传输模型 2 7 ； 1 9 9 7 年，a s s a k e r 等人论证了进行整体热转移随时间变化模拟，以及使用特定 湍流模型模拟熔体对流的可能性( 2 8 】； 1 9 9 8 年，e g o r o v 等人提出了c z 系统的氧传输模型，其中包括惰性气体流动模 拟和低瑞利数k 一模型的扰动熔体对流的计算 2 9 ； 2 0 0 3 年，v v k a l s e v 等人提出了整个c z 系统的热传输模型，其中包括熔体的 紊流、惰性气体流动和熔体晶体界面几何参数的计算。研究了不同生长条件下，惰 性气体流动对熔体对流以及整个c z 系统热转移的影响 3 0 。 随着晶体直径越来越大，拉晶实验的费用也越来越高，而随着计算机技术的不 断提高和计算方法的逐步完善，计算机模拟技术由于可以避免很高的实验费用，倒 此它的应用将越来越广泛。 1 3 2 热场分布的解析求解 如果考虑到熔体生长中的各种可能的影响因素( 包括非稳态效应) ，那么问题 将非常的复杂。在这里，只能从简化的条件出发来处理热传输方程的求解问题。 b r i c e 曾经详细的讨论了晶体中的传热问题，他提出了简化的数学模型，并进 行了模拟计算，得到了拉普拉斯方程的解析解。 我们可以确定固体具有的四类边界条件： ( 1 ) 固一液界面 6 第一章文献综述 k , v t , = k i v z ) + 皿( 公式1 1 ) 下标s 和1 分别表示固体和液体，f 为生长速率，l 为单位体积的潜热。 ( 2 ) 只有辐射热损耗的界面 该损耗为驮= g o u 仃4 一万j ( 公式1 2 ) 式中盯为辐射率，西为s t e f a n 常数，t 0 是环境温度 ( 3 ) 没有质量传输的固一气界面 如果同时存在气体对流引起的熟损耗，以及辐射热损耗，则总的热损耗为 q = 印= ( 占一+ s r ) 目( 公式1 3 ) 式中臼= t - t o ，占是指温度比环境温度高一度时，晶体在单位时间内、单位面 积上的热损耗。 ( 4 ) 固一固界面( 如晶体和籽晶夹头之间的界面) 如果两种材料分别以s 。和s ：表示，则热流为 9 = 船v t s , = k s ，v t s ，( 公式1 4 ) 在稳态条件下，上述各个界面损耗的总热量( j 与固体中的热流相平衡，于是 q ：屉娶 r 垂直于表面。 同样，在稳态条件下 v 2 t = 0 采用圆柱坐标系可以得到 害弓警+ 害= 。 丹2，a ， 瑟2 。 假定热场具有旋转对称性( 即与口和妒无关) ，那么 a 2 口1a 口a 2 曰 矿+ 了百+ 可划 7 ( 公式1 5 ) ( 公式1 6 ) ( 公式1 7 ) ( 公式1 8 ) 第一章文献综述 上式的边界条件为，当z ：。时，口：靠；r ：a 时，足警+ 占口= 。( a 是晶体 的半径) 。z = - - - l 时，由公式1 8 及其边界条件，可以求出该式的通解。在h 很小 的条件下l = 妻蔓l ( 硎。1 ) f ，得出了公式1 8 的近似解为 k 塑+ s 8 ：0 宓 ( 公式1 9 ) 印力* 等等e 冲憎) ”2 刁( 1 一妄 口) l “ j 知( 秽帮唧“2 刁 ( 公式1 j2 ) 窘纠俐”刁 。， 昆。口 ii 口j j 式中靠2 n t o ，其中矗为熔点，h 为热交换系数。 当h 很小时，由公式1 1 l 和公式1 1 3 可以看出，d 西和口可均与a 无 关。这一点已经由直拉法生长g e 晶体时测量的实验数据所证实。对于g e 来说 h 1 5 x i 0 2 ( c m “) 。 i 塑f 通常h o 的情况下( 晶体向环境散热) ，当z 为常数时，目和i 出f 均随r 的增 大酬咖随删大而眠当m 黼憾胤o r 慨的增大 大而减小；而f 毋i 则随r 的增大而增大；当r 为常数时，。f 瑟f 和ii 则随z 的增大 而按指数降低在h o 时( 晶体从坩埚壁中吸热) ，可以进行同样的分析。 8 叫 丝口 ，卜 印 卜一 坠扣 塑加 第一章文献综述 尽管通过上面的分析，得到了热场分布的解析解，但是所得到的结果的真实性 受到了简化模型本身的限制。比如，上面分析没有考虑熔体中的对流及温度分布、 没有考虑搅拌和坩埚壁温度等因素对热场分布的影响。 非常有效、完善的分析必须考虑很多因素，这使得我们对方程的求解变得更加 困难。但是随着计算机技术的不断发展和计算方法的不断完善，相信人们对热场的 数值分析将会更加深入、更加彻底。 1 4 热屏技术的发展与实验原理 1 4 1 热屏技术及氩气流在单晶生长中的应用 由于硅晶体生长中各种缺陷的形成与v c 的值有很大的关系，所以为了使晶体 生长过程中的缺陷，尤其是o i s f s 能够从晶体中消失，从而得到性能更好的晶体， 这就要求我们把晶体的拉速控制在一个临界值，此临界值为0 5 m m m i n ，且不依赖 于晶体的直径 3 l ，3 2 。然而从实际考虑，太低的晶体拉速必然会导致生产效率的降 低，因此该方案是不可行的。为此人们开始寻求改变g 的方法，热屏技术的应用就 是方法之一。 热屏技术首先运用于悬浮区熔法制备硅单晶。如图1 1 所示，人们在制备硅 甚 晶时，在熔体和晶体界面下方放置了一个熟反射屏，改变单晶的热辐射状况，使得 界面的形状更接近于平面，减小了晶体轴心处的应力。在加装热屏之前，往往山于 晶体表面热量损失能力高于晶体内部，使得界面凹度很大，导致晶体产生很大的应 力，影响了晶体的质量。 人们借鉴悬浮区熔热屏技术，将其应用到直拉硅晶体的生产中。热屏在直拉品 体生产中的应用早在8 0 年代就已经开始，比如说日本，但由于商业原因，它们没订 被公开发表。通过调整热屏的位置及形状，我们能够很好地控制单晶炉内的热场分 布从而更加有效地控制晶体熔体界面的形状以及轴向瞬时温度梯度。 随着晶体直径的不断增大，人们对晶体的性能提出了不同的要求，与之相应的 热屏技术的发展也经历了两个阶段： 9 第一章文献综述 图1 1 加装热屏的悬浮区熔晶体生长 1 ) 在硅晶体直径为4 英寸或小于4 英寸时，人们生产的硅晶体是在v g c 。，条 件下制得的，晶体中的间隙原子过剩。这些过剩的间隙原子能够聚和形成间隙型的 微缺陷，比如漩涡缺陷。 1 9 9 4 年，德国人w i l f r i e dy o na m m o n 和e r i c hd o r n b e r g e r 等人为了消除晶体 中的间隙型微缺陷，他们采用了在单晶炉内施加热屏的方法，使得晶体熔体界面处 晶体的瞬时轴向温度梯度得以提高，获得了更高的拉晶速度。这不仅改善了晶体的 性能，也大大提高了生产效率。与此同时，他们采用计算机数值模拟技术得出了 v 5 临界值c 。为1 3 x l o 3 c 岔m i f f 。e - 1 。 2 ) 随着晶体直径的不断增大，晶体生长继续在v g l o 时，强迫对流占优势。而当 r 。g r ；时，固液界面处，自间隙硅原子向固相扩散的速度小于吲 相向液相扩散的速度。所以，从液相到固相自间隙原子的净流量为 负，生成的硅单晶有过饱和的空位。在冷却过程中过饱和的空位聚 集生成空洞型微缺陷，现在的大直径硅单晶通常属于这种情况。空 位聚集成空位型缺陷。 3 当v o = ；时，在高温下，生成的单晶中空位与自间隙原子复合的速 度较快，超过了平衡浓度的过饱和点缺陷。完美硅的设计思路就是 来自这里。 经实验测得的临界值约为0 2 m m 2 m i n k 或0 1 4 m m 2 m i n k 。但由于单 晶掺杂的浓度种类不同，以及实验的误差，所以还不能完全确定。图l ，4 表明了晶体原生缺陷浓度与v g 的关系： 间隙硅原子聚集( 大的位错) 微小氧沉淀( o i s f 核心) 空位聚集( c o p ) 图1 4 晶体原生缺陷种类以及缺陷浓度与v g 关系示意图 一1 8 第一章文献综述 图1 5 ( a ) 恒定温场，逐渐提高拉速获得的硅单晶轴向腐蚀截 面，经锅缀馋后的图像。( b ) 轴商缺陷分布示意图。 在大直径晶体中的轴向温度梯度在半径方向上是连续变化的：在晶体中心 g 值最低，沿半径方向逐渐增加，在晶体边界显著增加。因此，在晶体中心的 v g 就有可能大于，而边缘的v g 则有可能低于值。这样就很容易形成 了在晶体中心区域为空位型缺陷而外部区域为间隙区域的硅晶体。 v o r o n k o v 和v a l s t e r 等人利用以上关系，在恒定的温场中逐渐把拉晶速 度由低向高提升。然后将获得的单晶沿轴向切开，抛光然后腐蚀得到图1 5 3 5 的结果。 入们对v g 与晶俸巾的缺陷的作用关系进行了研究，并且对其进行了解释，大 致如下： 在晶体结晶时的固液界面交界处，空位浓度c 。处于平衡状态，随着晶体温度的 逐渐降低，晶体平衡空位浓度g 也随之降低，其与温度的关系可以表示为： c r r e x p ( 一e d k t )( 公式1 3 2 ) e ，为空位的形成能，温度t 是距晶体结晶面的距离z 的函数，将1 t 展开成级 数形式，我们得到一个线性近似： 1 t = l n + g 。z t 。2 ( 公式1 3 3 ) 将公式1 。3 3 代入函数c 。( ? ) 可以得到： 1 9 g ( 7 1 ) ；c 。e x p ( 一e g z k t ) ( 公式1 3 4 ) 此处c v u = 巳( r 。) 。 对于间隙原子浓度，可以给出类似的表达式。 在晶体的制备过程中，当晶体处于稳定生长时，我们可以认为晶体熔体的界面 形状保持不变，我们在这里假定是平面状的，因此，可以认为晶体的生长速度在晶 体的各个径向位置上是相同的。 在拉速较慢的底端，为自间隙原子过饱和。在降温过程中，自间隙原子聚集形 成了a 缺陷和b 缺陷。普遍认为a 缺陷是棱柱型位错环，而b 缺陷是间隙原予的聚 集。但是a 缺陷和b 缺陷的尺寸很大。从器件制造角度来看，宁愿使用空位型单 晶。所以现在都是拉制空位型单晶，然后通过退火，外延的工艺提高栅极氧化物的 完整性g o i 。 在拉速较快的上部是空位过饱和区。在降温过程中，空位会聚集形成空洞型缺 陷。空位型缺陷对g o i 影响很大。根据不同的测试方法，空位型缺陷被命名为： 1 c o p ( c r y s t a lo r i g i n a lp i t s ) ：晶体原生颗粒 2 ，f p d ( f l o wp a t t e r nd e f e c t ) ：流动图形缺陷 3 l s t d ( l i g h ts c a t t e r i n gt o m o g r a p h yd e f e c t ) 激光散射缺陷 在空位区和自间隙区之间是p 型带和b 型带。p 型带是由空位向外扩散以及和 自间隙原子复合的结果。经过适当高温缀饰处理( 例如湿氧化) ，p 型带周围会出 现o i s f ( o x i d a t i o ni n d u c e ds t a c k i n gf a u l t s ) 。同理b 型带是由自间隙原子 向外扩散和同空位复合而生成的。在p 型和v i 边界之间，仍然有一定的空位 浓度，在这个区域发现增强了氧沉淀生成。同时这也说明空位型缺陷随着空位 浓度的变化，将会生成不同的缺陷。利用这一现象，m e m c 发明了空位浓度控制 氧沉淀的m d z 技术。 然而，晶体的瞬时轴向温度梯度与晶体的径向位置是有关系的，通常其分 布如图1 6 所示： 2 0 第一章文献综述 茹 誊 墨 枣 ! 霉 肇 _ 譬 ：距离晶制蹲丙矗2 韵径f 自罩巨离r 图1 6 轴向温度梯度径向分布图 g 是晶体瞬时轴向温度梯度，r 是晶体半径，凡是晶体空穴内核半径 由图1 6 可以发现，如果晶体的瞬时轴向温度梯度在晶体中心与边缘处相 差很大时，就会出现晶体的中心处的点缺陷为空位，而在靠近边缘处的点缺陷 为间隙原予的情况。随着晶体的冷却，在晶体中心会出现与空位相关的微缺 陷，例如c o p 、f p d 等；在靠近边缘处，则会出现与间隙原子相关的微缺陷， 如漩涡缺陷：在二者之间出现氧的微沉淀形核，从而引发诱生堆垛层错。 为了很好地控制晶体生长中的微缺陷我们采用了施加热屏和控制氩气流 速与流向的方法。 1 4 5 热屏和氩气流对晶体生长条件的影响 人们采用在直拉单晶炉内旃加热屏和控制氢气流的方法，来调整单晶炉内的温 度分布，尤其控制晶体j 瞎体界面处的温度梯度。 热屏在炉室内的装置示意图如图1 7 所示 2 1 第一章文献综述 图l7 单晶炉热场示意图 在炉室内安装热屏以后，改变了整个炉室内热系统的分布。热屏主要对炉室内 的辐射传热产生重要影响。主要是为了阻止自由表面和生长晶体表面之间的辐射热 转移，通过调整热屏的形状及其放置的位置，可以很好地控制晶体生长时的界面形 状、界面处的温度梯度以及晶体内的温度分布。同时，通过改变热屏的形状，使得 氲气的流向发生变化，氩气流动产生的传热对炉室内的温度分布也有一定的影响。 还有不同的氩气流速以及压力对单晶炉内的温度分布都有相应的影响，同时通过控 制氩气的流速以及流向等，能够很好地控制晶体中的氧含量。 2 2 第二章实验部分 第二章实验部分 2 1 实验方案 单晶炉内的温度分布对晶体生长起着至关重要的作用，因此如果我们能够很好 地掌握最体和熔体的温度分布就交得越来越重要，所以本实验的主要分为两个部 分：一是晶体表面的温度测量，另一令是坩埚内熔体的自由表恧的径向湿度测量。 2 1 1 熔体自由表面径向温度的测量 由前面的文献综述可以得出：坩埚内熔体自由表面的径向温度分布对于大直径 晶体生长是有很大影响的。随着晶体直径的增大，生长晶体所需要的坩埚的直径也 在增大，以保证晶体表面与坩埚壁之间的距离。采用更大直径的坩埚生长晶体，只 有增加装料量才能保证单晶的等径部分更长，从而提高晶体的生产效率。 坩埚直径的增大以及装料量的增多，对晶体生长产生了很大的影响，例如坩埚 中熔体的对流增强，坩埚中熔体自由表面的最大径向温差增大等。 1 ) 熔体对流的增强 由于熔体内部的温度梯度产生的浮力驱动引起的自然对流是熔体中最主要的对 流形式。该对流的驱动力可以用无量纲的g r a s h o f 数西：g a s t l 3 砜一不- 。 玎 式中 g 为重力加速度9 8 0 c m s 2 口为熔硅的热膨胀系数，约为1 1 4 1 0 1 ； a t 为熔硅的最大径向温差，单位为； l 为熔硅的特征长度( 坩埚半径r 或熔体深度h ) ，单位为c m ； ，7 为熔硅的动力学粘滞系数，约为4 3 1 0 - 3 c m 2 s 。 g r 越小，相应的热对流就越小，熔体就越稳定。由于