[其他]非線性磁場單晶硅拉制方法及其裝置

無效

• 申請號: 85100591
• 申請日: 1985-04-01
• 公開（公告）號: CN1003380B
• 公開（公告）日: 1989-02-22
• 發明（設計）人: 周士仁;孔慶茂;紀彥蜀;高元愷;王守雨;韓長林;付澤國
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 代理公司: 哈爾濱工業大學專利事務所
• 代理人: 黃錦陽

一種在磁場中拉制單晶的方法和單晶爐，該單晶爐的螺旋管分成內徑大小不同的兩組，螺旋管的銜鐵做成爐壁的形狀，同時作為整個爐體的爐壁，并與爐體的上下端蓋和磁環形成全封閉結構，螺旋管由升降器支撐，可以相對坩堝做上下運動，拉晶時，坩堝位于由螺旋管所產生磁場的上端或下端具有喇叭形狀的非線性區域，以獲得對熔硅熱對流的盡可能大的抑制效果，全封閉結構的爐壁兼作銜鐵，使得用較小的直流功率源獲得較大的磁場強度成為可能。

本發明屬于在磁場中拉制單晶硅的方法及所用裝置。

在微電子工業中應用的硅晶體，自從三十年前開創其生產技術以來，它的基本生產過程便沒有發生明顯的改變。然而，近幾年來，以集成電路為代表的微電子技術的迅速發展，對用于制造集成電路和其他半導體器件的硅晶體提出了越來越高的要求。晶體生長技術已成為工業應用研究的集中點，并已構成現代微電子工業的主要支柱之一。

在用直拉法生長硅晶體時，經常存在熱對流（參見J·R·Corruthers·Scmiconductor，Silicon，1977，P61）這種對流或是自然的或是被迫的。自然對流使凝固速率的變化難以控制，（參見AF·Witt，at al，J·Electroch·Soc，Vol122，NO.2）從而造成晶體一熔體界面附近擴散邊界層厚度的不均勻分布，這些變化導致晶體的周期性無序以及微觀和宏觀的不均勻性;對流的非均勻性，導致在熔硅中產生溫度振蕩，振蕩幅度隨溫度梯度的增加而增大。這些溫度變化與由于晶體中的雜質濃度分布不均勻而形成的條紋間距相關，如圖1所示。由于溫度不穩定性的存在，在晶體-熔體界面處導改局部生長和回熔。這種生長，凝固和回熔現象，同晶體中微缺陷的形成有關，圖2表示在制造Si時因材料的微缺陷而產生的旋渦紋。尤其是在硅中間隙氧的濃度和分布是造成層錯，位錯環和沉淀物等熱誘生缺陷的原因。因此，欲提高半導體器件的質量和成品率，需要對氧的濃度和分布進行精確控制。

適當的應用磁場能夠獲得對熱對流的有效監控，并使氧的濃度和分布趨于穩定。

1953年Thompson對導電流體與磁場間的相互作用，從理論上做了分析（參見W·B.Thompson phil，Mag，Ser7，Vol42，NO·335（1951））得出的結論認為，利用磁場來增加導電熔體有效運動的粘滯性，可方便地控制自由對流的強度。根據楞次定律：當導體切割磁力線運動時，在導體中產生感生電流，感生電流的磁場反抗導體的運動。同樣的原理可應用于磁場中硅熔體的對流運動。

磁場既可以改變硅熔體的對流作用，也就間接地控制了石英的熔解速率和在界面的輸運，據報導用磁場單晶爐能獲得2×10¹⁷/厘米³低氧濃度的晶體，可消除旋渦缺陷，層錯，氧化物沉淀以及產生熱施主等有關現象，從而可明顯提高材料的均勻性（參見崗村茂，公開特許公報（A）昭58-190891（1983），伊澤伸幸，公開特許公報（A）昭56-104791（1981），T，Suzuki，at al，UK Patent，Aplication GB 21029267A（1983）and2059932（A））

本說明書共有附圖11個。圖1表示直拉硅單晶中的雜質條紋。圖2表示在制造Si時因材料中的微缺陷而產生的旋渦紋。圖3表示硅片中氧含量與磁場強度的關系。圖4表示加磁場后硅單晶均勻性得到改善的情況。圖5是由空心馬鞍形線圈構成的橫向磁場單晶爐原理圖，圖中1為爐主體，2為電磁鐵，3為直流功率源。圖6是由鐵心加銜鐵構成的橫向磁場單晶爐原理圖，圖中1為Ar進口，2為硅單晶3為保溫罩，4為磁極，5為熔硅。

圖7是由兩組固定的空心線圈組成的垂直磁場單晶爐原理圖，圖中1為爐體，2為線圈，3為直流功率源。

圖8是由一組固定空心螺旋管組成的垂直磁場單晶爐原理圖，圖中1為晶體，2為螺旋管，3為加熱器，4為坩堝，5為熔硅。

圖9為坩堝中熔硅熱對流的示意圖。

圖10為在非線性磁場中拉制單晶硅的方法示意圖，圖中1為熔硅，2為坩堝，3為磁力線，4為晶錠，5為坩堝在磁場上端，6為坩堝在磁場下端。