消除區熔硅單晶生長中“硅刺”的研究

劉 燕

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津300220)

無位錯區熔硅單晶生長過程中，如果采用的工藝不適合，或者操作不當，在多晶硅棒的固液交界面的邊緣容易留下不熔化的小柱狀體，通常稱為“硅刺”，如圖1 所示。硅刺一旦形成，由于其吸熱慢，散熱快，便不容易熔化，隨著區熔過程的進行，迅速長大，無法再熔化，直至觸到加熱線圈，導致中途停爐。特別是生長75 mm(3 英寸)以上直徑的單晶，如果不采取有效措施，幾乎難以正常生長單晶。本文就通過對FZ 硅單晶生長過程中，經常出現的“硅刺”現象進行研究，著重分析了“硅刺”產生的原因，并采用了有效防止“硅刺”產生的措施。

圖1 多晶邊緣出現硅刺

1 “硅刺”形成的原因

(1)多晶表面加工不規則，棱突較大的位置容易形成“硅刺”。生長單晶時為了順利成晶，避免生成“硅刺”，通常要將多晶硅棒表面加工成規則光滑的表面，但往往由于經濟方面的原因，加工程序簡化，加工后經常留下明顯的不規則棱和麻坑，如圖2 所示。在多晶熔化過程中，多晶料的棱突出的位置，所接受的電磁也弱，吸熱少，而散熱卻比較快，很快便形成“硅刺”。

(2)多晶棒裝料不正，也容易形成硅刺。由于所使用的多晶棒制備的原因，往往有一定的彎曲，因此裝料時不容易裝的很正，生長過程中多晶旋轉時，相對于磁場中心偏遠的部分容易生長成“硅刺”。

圖2 多晶表面的棱突和麻坑

(3)操作不當時也易生成“硅刺”。生長單晶時，使用的加熱功率不準確，偏高或偏低，使得多晶硅的熔化界面不適合磁場的要求，不能均勻流暢的使多晶熔化，在不均勻的部位，極易留下不化的硅晶體，這種小晶體受磁面積小不容易產生熱，而且會增加散熱，因此也易形成“硅刺”。

(4)加熱線圈幾何形狀設計不標準，也是形成“硅刺”的重要原因。單晶生長要求有一個大面積、均勻、對稱的熱場，線圈的厚度、內徑、外徑及上、下面傾斜角度的不同，會使線圈產生的熱場分布不同。熱場的圓周分布不均勻，或立體形狀的角度與多晶硅棒熔化界面不匹配，多晶棒的邊緣處所接受的熱場不準確極易產生“硅刺”。

2 使用不同臺階的加熱線圈實驗及結果

2.1 使用不同直徑臺階的高頻線圈實驗

高頻線圈是產生準確熱場的關鍵部分，因此也是單晶生長的重要部分。線圈的形狀和幾何尺寸若設計的合適，不僅可以順利地使多晶生長成單晶，而且可以使得多晶均勻順利地熔化。為了減少拉晶過程中出現硅刺的機會，并且一旦出現了硅刺，可以加強硅刺的熔化，在設計加熱線圈時，于線圈朝向多晶的一面上，除了設計成傾斜的坡面外，設計多個向內的圓周臺階，如圖3 所示。

圖3 帶圓周臺階的線圈示意圖

本文對線圈臺階的尺寸及形狀進行了實驗。認為線圈的臺階對硅刺的消除，起到了非常重要的作用，并且臺階的直徑與所使用的多晶直徑呈對應關系。

2.1.1 使用無臺階線圈生長單晶

使用沒有臺階的線圈生長單晶的時候，如圖4 所示，無論使用的功率偏高或是偏低，采用細腰法或粗腰法，在單晶生長過程中，都很難避免出現硅刺，并且硅刺一旦出現，便不容易消除。因此，使用無臺階的加熱線圈生長直徑稍大一點的單晶，幾乎不能生長完整的單晶。

圖4 無臺階線圈生長單晶

2.1.2 使用臺階直徑大于多晶直徑的線圈生長單晶

使用臺階直徑大于多晶直徑的線圈生長單晶（本文設計使用線圈臺階為三級臺階），當使用偏低功率的時候，硅刺會有較多出現的機會，并且不容易消除；如果使用的功率較高，熔硅的腰稍細的時候，出現硅刺的機會有所減少，但是仍然經常出現硅刺。

2.1.3 使用臺階直徑接近于多晶直徑的線圈生長單晶

當使用臺階直徑接近于多晶直徑的線圈拉晶的時候，如圖5 所示，無論使用的功率偏高或是偏低，出現硅刺的幾率都大為減少，如果出現硅刺也比較易消除。

圖5 臺階接近于多晶直徑的線圈生長單晶

2.2 結果分析

（1）綜上的試驗結果我們可以看出，在其它準備工作如：多晶棒的外形加工，裝料的對中度，操作的準確性同樣的情況下，加熱線圈形狀的設計對消除硅刺顯得很重要，特別是加熱線圈靠近多晶一面上的臺階，是消除硅刺的關鍵。

（2）線圈面上臺階直徑的大小，與消除硅刺的效果有直接的關系，只有臺階的直徑接近于使用的多晶棒直徑的時候，生長單晶時消除硅刺的作用才明顯。

2.3 原因分析

區熔硅單晶生長過程是通過高頻電磁感應加熱的方式實現的，當線圈內通以高頻交流電流時，在線圈內部及其周圍就會產生交變磁場，置于強大的高頻磁場中的多晶硅，感應到交變的磁場后，在硅棒內產生強大的渦流，使其迅速被加熱熔化。感應加熱過程是電磁感應過程和熱傳導的綜合過程。多晶熔化過程中，一邊從電磁中感應到熱能，使其自身熔化，一邊向環境中輻射熱能，同時還向多晶棒的端部傳遞熱能，此過程中要求多晶棒的圓周各方向得到的熱能相對平衡均勻，尤其是多晶的邊緣各點熔化同步均勻，否則邊緣部分不能及時熔化，或者邊緣由于熔化不均勻，固液交界面起伏不平，拐點處很容易留下小的不熔體而形成硅刺。多晶熔化時的熱平衡式為：

Q吸＝Q輻＋Q傳

（1）單晶正常生長過程中，多晶棒隨著熔區的移動過程能夠均勻的熔化。不僅沿軸向，而且沿徑向也要均勻的熔化，才能保證晶體順利生長。但是由于種種因素，如多晶表面加工不規則有明顯突起的棱，或多晶棒為橢圓，也可能料裝的不正等情況，造成多晶的所有部位不能軸中心對稱，熔化時遠離中心的部位不能及時熔化，遺留下小刺。這種小刺出現以后，由于是突起截面積很小，因此吸熱慢，但是散熱卻很快，越長越大，很容易最終不能熔化，成為硅刺，影響單晶的生長。這種硅刺作為小局部則獨自形成小的熱模式。其熱模式是：

Q吸i＜Q輻i

硅刺向其它部位的傳熱可以被忽略掉，但是輻射散熱仍然大于吸收的熱量，而且隨著硅刺的不斷長大，熱不平衡也越來越嚴重，最后嚴重妨礙單晶的生長。

（2）硅刺的出現主要在多晶棒熔化界面的邊緣，內部不會出現硅刺，因此采用改變線圈的幾何形狀的方法，加強靠近多晶邊緣部位的磁場強度，改變多晶邊緣的熔化狀態，使其邊緣所有的點都能均勻充分地熔化，不留下不熔的小多晶固體，是消除硅刺的關鍵。此時，多晶邊緣任意一點的熱平衡模式應是：線圈的上面由于有固定的坡度，因此磁場從中心到外沿的分布，呈沿著坡面平滑均勻的分布，為了加強多晶邊緣的磁場強度，在線圈的上邊靠近多晶的面上，加2 至3 級臺階。加臺階后，磁力線在臺階地方突然加強，使多晶的邊緣熔化加強，改變了多晶邊緣熔化的角度，產生了如圖6 所示的熔化角，使固液交界面邊緣形成圓弧角，可以大幅降低硅刺出現的幾率，即使出現了硅刺，也比較容易消除。

Q吸i≥Q輻i

圖6 多晶邊緣形成了熔化角

（3）通過實驗表明，線圈面上臺階的直徑越接近多晶的直徑，多晶熔化時的熔化角形狀越理想，消除硅刺的效果越明顯，這是因為平滑的磁場在臺階處突然形成突起的峰，磁場在臺階處高度集中，且垂直于多晶的邊緣，增加多晶邊緣的熔化，改變了多晶邊緣熔化的斜率，使多晶棒邊緣不容易形成硅刺，即使出現了硅刺，也還有熔掉的機會。

（4）如果臺階的直徑偏大，大于多晶直徑較多，則臺階處峰起的磁場對多晶的邊緣起不到作用，如果多晶邊緣的某處存在不規則的突起，則容易形成硅刺。此時如采用相對偏高的功率，使得多晶棒的固液交界面斜率整體增大，向上翹起，臺階對多晶邊緣能起到一定的作用，可以減少硅刺的出現。

3 結 語

FZ 單晶生長過程中，硅刺的出現會嚴重妨礙單晶的正常生長。為了防止出現硅刺，除了加強多晶的表面加工，生長單晶時進行準確的操作外，設計加工線圈時，在線圈的多晶一面制作相應的臺階，是有效的防止或消除硅刺的措施。

線圈上臺階的設計，應根據多晶的直徑，設計接近多晶直徑的臺階，由于多晶的直徑不盡相同，則應設計系列的不同臺階直徑的線圈，以保證適應不同直徑的多晶，可以取得較好的成晶效果。