李春龙
中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津市 300220
摘要：随着半导体技术的发展，大直径硅单晶是不可避免的，但是生长6英寸或更大直径的区熔硅单晶极为困难。而且该技术国外对我国进行了严格的技术封锁，为打破这种局面，国内的大直径区熔硅单晶的自主研发势在必行。
关键词：大直径；硅单晶；制备研究
1.硅单晶的基本性质
1.1硅单晶的晶体结构
硅单晶的原子通过共价键键合，Si-Si的键合强度为326.8±10.0KJ/mol。硅单晶的晶体结构为菱形，晶格常数a为0.543nm，是各向异性材料，其闭合平面为{111}平面，闭合方向为<110>晶体取向，滑移系统为{111}[110]，如图1所示[3]。
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图1：硅晶体结构示意图
1.2硅单晶的力学性能
晶体硅片的维氏硬度通常为9-14GPa。另外，由于硅单晶是各向异性的材料，因此{001}面，{110}面和{111}面的维氏硬度依次降低。硅单晶的脆性塑性转变温度约为540-545℃。当温度高于硅的脆性塑性转变温度时，单晶硅具有良好的可塑性，并且即使当温度低于脆性塑料转变温度时，硅单晶膜的断裂韧性也随着温度的升高而极大地变化。单晶硅在常温常压下是一种脆性材料，当接触载荷较高时，各种特性裂纹，局部缺陷（例如局部接触载荷）可能导致接触损伤[6]。
2.大直径区熔硅单晶制备的关键技术与难点
在区域熔化的硅单晶的生长过程中，使用高频感应加热产生浮动区域熔化。借助于表面张力和电磁浮力，实现了非接触生长，从而确保了更大面积的区融硅单晶的纯度。但是，此过程是典型的非保守系统。系统分析困难，生长方向与重力方向相同，机械稳定性差，抗干扰能力很弱。单晶硅的直径越大，熔化区的深度越大，熔融温度梯度急剧上升，局部表面温度升高，从而在大直径硅单晶中产生很大的热应力，并且应力随着直径的增加呈指数增长（图2），甚至导致晶体缺陷的产生和传播。当应力超过临界应力时，硅单晶产生位错，甚至导致单晶破裂，这对于区熔硅单晶的大直径生长造成很大困难。
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图2：区熔硅单晶的熔区和热应力随单晶直径的变化
在加热多晶硅棒期间，由于材料的不均匀受热，经常会出现“硅刺”。一些小的硅刺可以融化，但是大的硅刺很难融化，随着硅晶体的生长逐渐变大，直到与加热线圈发生摩擦打火。由于加热线圈的主要材料是氧化铜，因此在摩擦过程中会生成金属铜离子，这大大缩短了单晶硅的寿命，并在设备中发出警告致使机器停止运行导致硅单晶生长失败。
3.大直径区熔硅单晶生长难点解决方案
由于高频线圈具有非轴对称结构，并且由于硅单晶的中心与表面之间的散热率的差异，温度场分布不均匀，从而导致区熔硅单晶区域中的热应力。高频线圈是区域熔化系统中的主要热源。当前，最常见的线圈是具有主接缝的单匝线圈。由于线圈主接缝的磁场强度高，高频感应会产生相对更多的热量，从而导致温度场发生变化。另一方面，该系统通过结晶潜热产生热量，并以热辐射和热传导的形式损失热量。由于结晶的潜热与硅单晶直径的平方成正比，而辐射热与硅单晶直径成正比，因此发热量高于耗散率，并且在硅单晶中心的散热很慢，因此热量积聚在生长界面的中心。单晶硅的直径越大，在界面中心收集的热量就越多，热应力也会增加[2]。
简而言之，单晶开裂的根本原因是由于晶体中温度的过度变化而在远离生长平面的塑性变形区域中发生开裂（图3）[3]。硅单晶的开裂会导致熔流迅速终止并影响硅单晶的生长，因此会产生严重后果，应尽可能避免。
硅单晶的热应力与生长界面的曲率密切相关，随着界面曲率的增加，硅单晶破裂的可能性显著增加，因此，通过减小界面曲率，可以减少硅单晶的破裂。通过优化加热线圈（如加热线圈和保温桶）以及合理设置生长参数（如生长速率和晶体旋转速率），避免了硅单晶的错位和裂纹。
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图3：区熔硅单晶开裂照片和生长等温曲线示意图
3.1热场优化
区域熔融硅单晶生长的热场主要包括加热系统（加热线圈）和保温系统（保温桶）。优化了热场设计，以减小径向和轴向温度梯度并提高热场的对称性。
3.1.1加热线圈
所使用的线圈是单匝盘形铜线圈，其基本结构如图(4a）所示。线圈形状的微小变化对焦耳热和温度场分布也有很大的影响。线圈主缝的内径和表面设计是影响硅单晶生长的重要因素。线圈孔边缘附近的电流密度非常高。热量集中在内径附近的熔化区域，因此硅单晶的中心和边缘之间存在一定的温差。对于生长4英寸或更小的小直径硅单晶，温度差很小，因此效果不大。随着硅单晶直径的增大，径向温度梯度迅速增大，一般结构的线圈不再能够满足大直径区域熔融硅单晶的生长要求。将三个辅助接缝添加到原始线圈中，与主接缝形成十字形结构（图4b）。它们分别称为接缝1，接缝2和接缝3。接缝1和主接缝在同一条直线上[4]。2和3垂直于主缝对称。根据电流按最小路径分布的原理，辅助缝隙将原始线圈的内径和集中在主缝隙中的磁场传输到辅助缝隙，削弱了线圈主缝隙的磁场强度，同时将附着在线圈内径上的磁场分散到外径。可以通过分散，减小内径的磁场强度，改善热场分布的对称性。
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图4：线圈结构示意图
（a）基本结构；（b）改进后结构
3.1.2硅单晶保温桶
保温桶是一种热反射装置，可以将辐射热反射回单晶硅表面，以增强单晶硅的保温性，降低径向和轴向温度梯度，并降低热应力。保温桶由导电铜或银材料制成，也可以由绝缘材料制成。就反射热效率而言，它们基本相同，但是通常使用绝缘材料来避免保温桶和线圈的耦合效应。
随着硅单晶从生长界面移开，温度逐渐降低，内部热应力通过变形释放。如果此时冷却太快，则由于过度的热应力会发生塑性变形，从而导致硅单晶破裂，所以必须加强单晶硅下部分的保温。使用截头圆锥形的保温桶（图5）。截锥角α和垂直高度h决定了硅单晶中热反射的轴向长度；如果a太大或h太小，则不会在辐射热硅单晶的底部起到反射作用；太小或h太大，反射热对硅单晶的位置作用太低。为了减少热损失，保温桶Φ1的顶部直径应尽可能小，以减小辐射热传递距离并提高利用率。保温桶的顶部与加热线圈底部之间的距离d是影响保温效果的另一个重要因素。d太小，径向和轴向温度梯度太小而无法满足单晶硅生长所需的过度冷却，从而难以结晶，d太大，保温桶可以反射的辐射热很少。不会增加升温效果。
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图5：保温桶示意图
4.结语
本章分析了大直径区融硅单晶生长中由热应力引起的单晶开裂及受热不均造成的硅刺等技术难题，并提出了相应的解决方案。通过十字形线圈结构以及截头圆锥形保温桶的热场设计，有效解决了单晶开裂以及硅刺等问题，使大直径区熔硅单晶的制备更进一步。
参考文献
[1]隋佳琦. 6-8英寸直拉区熔硅单晶生长工艺[C]. 天津市电视技术研究会.天津市电视技术研究会2016年年会论文集.天津市电视技术研究会:天津市电视技术研究会,2016:123-126.
[2]曲翔. 区熔单晶硅气相掺杂技术研究[D].北京有色金属研究总院,2013.
[3]赵志强. 真空高阻区熔硅单晶生长技术的研究[D].天津大学,2009.
[4]谭伟时,陈勇刚,孙华英,周旗钢.大直径〈100〉区熔硅单晶生长的特点[J].稀有金属,1997(05):73-75.
[5]R.L.Collins,彭本佳.生长大直径区熔硅单晶的工艺[J].有色冶炼,1984(11):34-35.
[6]曾世铭,王喜民.大直径区熔硅单晶生长工艺的初步探讨[J].稀有金属,1980(01):34-40.