專利名稱：永磁場直拉硅單晶的工藝及附屬設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直拉硅單晶的工藝及其附屬設(shè)備，具體涉及一種采用釹鐵硼永磁 體，向熔硅體所在空間引入橫向磁場的設(shè)備。
背景技術(shù)：
硅是地球上儲藏最豐富的材料之一，從19世紀科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了晶體硅的半導(dǎo)體 特性后，它幾乎改變了一切，甚至人類的思維。直到上世紀60年代開始，硅材料就取代了原 有鍺材料。硅材料——因其具有耐高溫和抗輻射性能較好，特別適宜制作大功率器件的特 性而成為應(yīng)用最多的一種半導(dǎo)體材料，目前的集成電路半導(dǎo)體器件大多數(shù)是用硅材料制造 的?，F(xiàn)在，我們的生活中處處可見“硅”的身影和作用，晶體硅太陽能電池是近15年來 形成產(chǎn)業(yè)化最快的。單晶硅也稱硅單晶，是電子信息材料中最基礎(chǔ)性材料，屬半導(dǎo)體材料類。單晶硅已 滲透到國民經(jīng)濟和國防科技中各個領(lǐng)域，當(dāng)今全球超過2000億美元的電子通信半導(dǎo)體市 場中95%以上的半導(dǎo)體器件及99%以上的集成電路用硅。在日常生活里，單晶硅可以說無 處不在，電視、電腦、冰箱、電話、手表、汽車，處處都離不開單晶硅材料，單晶硅作為科技應(yīng) 用普及材料之一，已經(jīng)滲透到人們生活中各個角落。人類在征服宇宙的征途上，所取得的每 一步進步，都有著單晶硅的身影。航天飛機、宇宙飛船、人造衛(wèi)星都要以單晶硅作為必不可 少的原材料。熔融的單質(zhì)硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許硅晶體，如果這些晶核長成 晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結(jié)合起來便結(jié)晶成單晶硅。單晶硅的制法通常是先 制得多晶硅或無定形硅，然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。單晶硅棒是生產(chǎn)單晶硅片的原材料，隨著國內(nèi)和國際市場對單晶硅片需求量的快 速增加，單晶硅棒的市場需求也呈快速增長的趨勢。單晶硅圓片按其直徑分為6英寸、8英寸、12英寸(300毫米)及18英寸(450毫 米)等。直徑越大的圓片，所能刻制的集成電路越多，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片 對材料和制備技術(shù)的要求也越高。單晶硅按晶體生長方法的不同，分為直拉法(CZ)、區(qū)熔 法(FZ)和外延法。直拉法、區(qū)熔法生長單晶硅棒材，外延法生長單晶硅薄膜。直拉法生長 的單晶硅主要用于半導(dǎo)體集成電路、二極管、外延片襯底、太陽能電池。目前晶體直徑可控 制在Φ3 12英寸。區(qū)熔法單晶主要用于高壓大功率可控整流器件，廣泛用于大功率輸變 電、電力機車、整流、變頻、機電一體化、節(jié)能燈、電視機等系列產(chǎn)品。由于成本和性能的原因，直拉法(CZ)單晶硅材料應(yīng)用最廣。在IC工業(yè)中所用的 材料主要是CZ拋光片和外延片。存儲器電路通常使用CZ拋光片，因成本較低。邏輯電路 一般使用價格較高的外延片，因其在IC制造中有更好的適用性并具有消除Latch-up的能 力。直拉單晶硅產(chǎn)品，主要用于集成電路級以及太陽能電池芯片制造。
區(qū)熔單晶硅可以用于二極管級、整流器件級和核探測器件。中國專利(CN99257515.X)公開了一種等效微重力晶體生長用徑向輻射式磁場可 調(diào)的永磁裝置，在爐底座上固裝著生長爐，在生長爐外圍圓周固裝著導(dǎo)柱，導(dǎo)柱內(nèi)通過軸承 架裝著絲杠，絲杠上固裝著傳動輪，傳動輪通過傳動帶與傳動機構(gòu)連接，生長爐外圍套裝著 永磁磁環(huán)，固裝在磁環(huán)上的套環(huán)套裝在導(dǎo)柱上，套環(huán)內(nèi)裝著電磁離合器。當(dāng)大直徑硅單晶，投料量超過60公斤，晶體直徑大于Φ6"時，必須向熔體所在空 間引入磁感應(yīng)強度，用以抑制熔體強烈熱對流，保證大直徑硅單晶穩(wěn)定生長。本發(fā)明設(shè)計人經(jīng)過長期實踐，發(fā)明了一種在永磁場中直拉單晶的設(shè)備，采用該設(shè) 備進行拉制單晶可以抑制熔體熱對流，保證了晶體完整性，提高了少子壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)名目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種永磁場直拉生長大直徑單晶的 工藝及其附屬設(shè)備。該附屬設(shè)備采用了釹鐵硼永磁材料構(gòu)成的“魔圈”結(jié)構(gòu)，即雙環(huán)狀永磁 體的結(jié)構(gòu)，向熔體空間引入磁場應(yīng)用在直拉硅單晶爐上，生長Φ6" Φ8"硅單晶，采用 該設(shè)備拉制單晶可以抑制熔體熱對流，保證了晶體完整性，提高了少子壽命。本發(fā)明一種永磁場直拉生長大直徑單晶的工藝包括向熔體空間引入可變磁感應(yīng) 強度磁場。優(yōu)選的，所述可變磁場的強度在為O 1500高斯范圍內(nèi)均勻連續(xù)可變。本發(fā)明一種永磁場中大直拉硅單晶的附屬設(shè)備，其特征在于常規(guī)的直拉單晶爐1 外面套有環(huán)狀永磁體2。如圖所示，所述環(huán)狀永磁體2是具有兩層和/或兩層以上的結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)中，通過改 變環(huán)狀永磁體的相對位置，向熔體空間引入不同的磁場強度。優(yōu)選的，所述環(huán)狀永磁體2是具有兩層的結(jié)構(gòu)。所述可變磁場的強度為0 1500高斯連續(xù)可調(diào)，隨著晶體的生長，調(diào)節(jié)環(huán)狀永磁 體2不同磁體的相對位置，降低磁場強度。所述拉晶起始磁場強度為800高斯；當(dāng)晶體生長長度達到一半時，磁場強度降均 勻連續(xù)地低至600高斯；結(jié)束時為400 500高斯。所述磁場為采用釹鐵硼永磁材料制備的，可調(diào)節(jié)磁場強度的雙環(huán)狀永磁體的結(jié) 構(gòu)。本發(fā)明一種永磁場中大直徑直拉硅單晶的設(shè)備，采用橫向磁場，每分鐘0.5 Irpm的低堝轉(zhuǎn)以控制硅單晶氧濃度；采用每分鐘30rpm高晶轉(zhuǎn)，可以改善電阻率均勻性， Δ P = 3 5% ；400 800高斯以上磁感應(yīng)強度，保證硅熔體穩(wěn)定，拉晶操作方便并提高 產(chǎn)品成品率5%左右。具體的，將兩個釹鐵硼永磁體套在一起，形成為環(huán)狀永磁體2，所述環(huán)狀永磁體2 套在直拉單晶爐外側(cè)。實際生產(chǎn)中，通過兩個釹鐵硼永磁體內(nèi)外環(huán)的相對位置的轉(zhuǎn)動提供 了一種連續(xù)可調(diào)的磁場，磁場強度為0 1500高斯。該發(fā)明采用了釹鐵硼永磁材料構(gòu)成的可變磁場的結(jié)構(gòu)，向熔體空間，即直拉單晶 爐中引入500 1000高斯的可變磁感應(yīng)強度，生長Φ6" Φ8"硅單晶，采用該設(shè)備制備 進行直拉單晶可以抑制熔體熱對流，實現(xiàn)氧含量PPm級可控，保證了晶體完整性，提高了少 子壽命。


圖1為釹鐵硼永磁材料構(gòu)成的雙層磁場的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式實施例1將兩層永磁體2套在直拉單晶爐1的外面。實施例2硅單晶產(chǎn)品規(guī)格P型<100>;電阻率P = 0. 8 1. 5 Ω cm ；電阻率不均勻性Δ ρ彡5% ；
晶體直徑 Φ 6 〃 士 · 5mm ；氧含量5 7 X IO17CnT3碳含量彡5 X IO16CnT3少子壽命彡12 μ s拉晶工藝參數(shù)晶轉(zhuǎn)28 30rpm堝轉(zhuǎn)1 1.5rpm拉速1. 4 1. 5mm/min氬氣流量60毫升/分磁場強度500 800高斯投料量55Kg成品率85%實施例2硅單晶產(chǎn)品規(guī)格P 型 <100>，直徑 Φ8" 士 LOmm電阻率0· 8 1. 2 Ω cmΔ ρ ^ 5%氧含量7X IO17CnT3碳含量5X IO16CnT3少子壽命16 μ s拉晶工藝參數(shù)晶轉(zhuǎn)28 32rpm±罔轉(zhuǎn)l.Orpm拉速1. 4 1. 6mm/min氬氣流量80毫升/分磁場強度500 1000高斯投料量IOOKg成品率85%。
權(quán)利要求
一種直拉硅單晶的工藝，其特征在于向熔體空間引入可變磁感應(yīng)強度的磁場。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于所述可變磁場的強度在為0 1500高斯范圍 內(nèi)均勻連續(xù)可變。
3.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于所述可變磁場起始強度為800高斯；當(dāng)品體 生長長度達到一半時，磁場強度降均勻連續(xù)地低至600高斯；結(jié)束時為400 500高斯。
4.一種權(quán)利要求1所述工藝的附屬設(shè)備，其特征在于常規(guī)的直拉單晶爐(1)外面套有 環(huán)狀永磁體(2)。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于所述環(huán)狀永磁體(2)是具有兩層和/或兩層 以上的結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于所述環(huán)狀永磁體(2)是具有兩層的結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述永磁體(2)采用釹鐵硼永磁材料制備。全文摘要
本發(fā)明使用釹鐵硼永磁體向熔體空間引入磁場，用以抑制硅熔體熱對流。同時，磁場拉晶還可以控制硅單晶的氧濃度及均勻性，改善晶體電阻率均勻性，提高非平衡少數(shù)載流子壽命，并且由于硅熔體平穩(wěn)安靜，便于拉晶操作，成品率可提高5％左右。
文檔編號C30B15/00GK101906658SQ20091017661
公開日2010年12月8日 申請日期2009年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月8日
發(fā)明者劉彩池, 徐岳生, 李幼斌, 王海云, 王繼炎, 郎益謙, 顧勵生 申請人:天津希力斯新能源技術(shù)研發(fā)有限公司