關鍵詞:直拉法；大直徑單晶；真空穩定性；氣流控制
1簡介
半導體技術的快速發展促使矽單晶生長技術向大直徑方向發展。目前，我國大直徑直拉單晶制造的規模化生產剛剛起步，很多技術還處於探索階段。無位錯大直徑單晶的生長需要高穩定性的生長環境。這使得壹些破壞單晶生長穩定性的因素對原來小直徑單晶生長的影響很小，但對大直徑單晶生長的負面影響日益顯現。
直拉單晶生長過程中，爐內氣流自上而下貫穿單晶生長區，及時帶走高溫產生的氧化矽和雜質揮發物。因此，在不受外界因素影響的情況下，保持單晶爐內真空值的穩定，同時使保護氣體具有合理的氣流方向並快速帶走雜質，已成為半導體材料制造業領域改進設備、提高晶化率的重要課題。
2真空度的穩定性控制
高純氬氣從單晶爐頂部註入，氣體由真空泵從底部抽出。爐內真空值保持動態平衡(壹般在20托左右)。但由於各種外界因素，這種平衡往往被破壞，使得真空值在很大範圍內變化，尤其是在大直徑單晶的生長中。
2.1影響真空度不穩定的因素
首先，在壹般設備中，氬氣的入口流量由轉子流量計控制。轉子流量計通過改變通氣孔的大小來控制氣體流量。它的缺點是空氣流量必然隨著入口壓力的變化而變化。在實際生產中，氣源壓力不可避免地會受到環境溫度和儲罐中氬氣存量的影響。
其次，真空泵是抽真空的動力設備。在拉晶過程中，由於爐內高溫揮發的雜質和氧化矽會被吸收到真空泵油中，並與泵油混合。隨著工作時間的增加，真空泵油的粘度會不斷增加，從而導致真空泵效率下降。在壹定程度上，真空泵必須定期更換泵油。此外，真空泵油的溫度也是影響真空泵效率的壹個因素。
2.2改進方案
針對上面提到的兩個問題，我們從氬氣進氣系統入手。為了保證恒定的入口速度，我們使用質量流量控制器(MFC)代替轉子流量計。質量流量控制器可以精確地測量和控制氣體流量，其測量技術基於壹項美國專利(美國專利號4464932和4679585)。質量流量控制器檢測氣體的“質量流量”，它只受氣體本身的三個特性(熱容、密度和分子結構)的影響。對於某種氣體，以上三個參數都是確定的。因此，MFC的測量精度不受氣體溫度、壓力等外界因素的影響，在20 ~ 20~200SLPM範圍內控制精度可高於65438±0.0%，響應時間小於2s。
其次，考慮抽真空速度的控制。我們在單晶爐和真空泵之間的管道上加了壹個步進蝶閥。采用階梯式蝶閥的目的是通過改變抽氣通道的孔徑來調節抽真空的速度。這是壹個閉環控制系統。通過數字真空表實時檢測爐內的真空壓力，並將真空值與設定的真空值進行比較。當爐內真空值較高時，逐步打開步進蝶閥，提高抽速，將真空值降至設定值。另壹方面，如果爐內真空值低，關小階梯蝶閥以降低抽氣速度。采用這樣的閉環系統，單晶爐內的真空值可以非常穩定，可以避免外界因素的幹擾。
3氣流的最佳控制
在單晶生長過程中，矽熔體、應時坩堝等爐內物體由於高溫會產生大量的氧化矽(主要由SiO組成，也有少量SiO _ 2，為黃煙)、雜質揮發物和揮發性氣體。這些氣體和塵埃顆粒漂浮在單晶生長界面周圍。當氬氣流量降低時，可以清楚地看到矽熔體上方有滾滾濃煙，俗稱“煙”。氬氣從上到下穿過單晶生長區，帶走氣體和灰塵雜質。有時，壹氧化矽顆粒可能會吸附在單晶的生長界面上，造成正在生長的單晶的原子晶向發生位錯，使單晶生長失敗，俗稱“碎芽”，降低結晶速率。
由於單晶直徑大，需要更大量的多晶矽，使用更大直徑的應時坩堝。自然，大直徑單晶生長時，會產生更多的氣體和塵埃雜質，增加位錯幾率。因此，大直徑單晶需要更快地去除氣體和灰塵雜質。
3.1進風口改造
為了盡快帶走揮發性氣體粉塵，氬氣流量必須足夠大。大直徑單晶的氬氣流量壹般為60-100SLPM。特別是對於難以結晶的重摻雜單晶，由於摻雜量大，揮發物多，需要較大的氬氣流量。值得註意的是，大氣流動會在爐頂進風口產生高速氣流，並在氣流周圍形成不規則的氣流渦流。在拉晶過程中，單晶以軟軸的形式懸掛在鋼索上，高速的氣流會爆發出旋風，使鋼索和單晶來回晃動，變得不穩定，大大增加了單晶生長錯位、斷芽的可能性。
為了避免這種情況，我們改進了氬氣入口的形狀。改進後的進氣口就像壹個環形的淋浴噴頭。從原來的進氣口，改為多個微孔進氣口，氣流方向向外發散。這樣進氣口的總孔徑不變，保證了較大的進氣量，使氣流相對緩和分散。
3.2合理的氣流方向
風量大並不代表帶走顆粒粉塵的效果好，合理的氣流方向才是更重要的因素。氬氣通過單晶生長區時，由於矽熔體液面低於應時坩堝的上邊緣，熔體表面凹入坩堝內，大部分氣流會直接從坩堝壁外側流向爐體下部，只有少量氣流會進入應時坩堝，因此帶走氣體、灰塵和雜質的效率自然降低。當坩堝中的熔體較淺時，這種情況更嚴重。為了避免這種情況，在拉制大直徑高質量單晶時，采用導氣罩技術，使氣體在爐體內合理流動，更有效地帶走雜質氣體粉塵。
使用導氣罩對於大直徑單晶的生長是非常重要的。導氣罩可以以氣流為導向，具有不同的形狀和設計以實現不同的功能。這是壹個基本的導氣罩。首先，氬氣向下進入單晶生長區，氣流由圓柱形導氣罩直接導入坩堝，導氣罩的下緣穿入坩堝，直接作用於單晶生長面附近的氣體和灰塵雜質。然後，由於坩堝內壁的導向作用，氣體在熔液表面擴散，隨坩堝內壁上升，最後從坩堝外側流向爐體下部。
4結論
在上面介紹的改進措施中，導氣罩的使用和設計對於大直徑單晶的生長至關重要，可以大大提高單晶生長的結晶速率。由於我國大直徑單晶的生產剛剛起步，對氣體導向罩的研究還處於起步階段。在國外，氣導罩已廣泛用於大直徑單晶的生長。壹套導氣罩的成熟需要半導體材料制造公司付出大量的時間和金錢進行反復的測試和改進。所以各大半導體公司對於氣導蓋技術的開發都有自己的專利技術，互相保密，壹般拒絕參觀交流。正因如此，本文僅對導風罩技術進行理論分析。
導氣罩的設計要考慮的因素很多，如導氣罩對單晶氧含量、碳含量等質量指標的影響；導氣罩與爐內物體之間的適當間隙；如何修復安裝；安裝後對主觀察窗和側觀察窗直徑檢測設備視野的影響；還與安裝在加熱器上方的導氣環配合使用，以達到更好的效果等等。隨著國內大直徑單晶生長技術的進步，研究和探索這些方面具有重要意義。