超導(dǎo)橫向磁場(chǎng)在大尺寸半導(dǎo)體級(jí)單晶硅長(zhǎng)晶中的應(yīng)用

穆 童

（南京晶升能源設(shè)備制造有限公司，江蘇 南京210000）

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，半導(dǎo)體晶片的市場(chǎng)需求，從8 英寸（1 英寸=2.54 厘米，下同）逐漸向12 英寸擴(kuò)展，由于單晶硅生長(zhǎng)的基本性質(zhì)，晶體頭尾部分難以有效利用，坩堝尺寸在24 寸級(jí)以下的半導(dǎo)體級(jí)單晶硅長(zhǎng)晶爐，由于其坩堝尺寸小，單爐投料量少等原因，生長(zhǎng)12 英寸及以上半導(dǎo)體晶棒時(shí)，晶棒有效長(zhǎng)度非常短，越來(lái)越難以適用于大尺寸半導(dǎo)體級(jí)單晶硅的生長(zhǎng)。因此，大尺寸單晶硅生長(zhǎng)，需要坩堝尺寸隨之增大，目前坩堝尺寸已逐漸向28 英寸和32 英寸發(fā)展。

傳統(tǒng)的Cusp 磁場(chǎng)（勾型磁場(chǎng)）通常采用的兩組反向的多層線圈，通入冷卻水進(jìn)行冷卻，但是由于其采用的銅線圈，磁場(chǎng)電流增大時(shí)，根據(jù)焦耳定律，將產(chǎn)生大量的熱，造成大量的電能浪費(fèi)。即便更換超導(dǎo)材料，由于其線圈排布，其磁場(chǎng)強(qiáng)度仍維持在一個(gè)很低的水平，通常小于1000GS，難以適用于大尺寸坩堝的長(zhǎng)晶需求。而此時(shí)，超導(dǎo)橫向磁場(chǎng)，由于其采用超導(dǎo)材料，在低溫下，磁場(chǎng)線圈電阻為0，即使磁場(chǎng)電流增大也不會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱，能到產(chǎn)生非常強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度（＞4000GS），能夠有效抑制硅液的縱向流動(dòng)，對(duì)提高長(zhǎng)晶的成功率，降低晶體的氧含量，有著顯著的作用。因此，超導(dǎo)橫向磁場(chǎng)，將會(huì)是目前大尺寸半導(dǎo)體級(jí)單晶硅長(zhǎng)晶的最優(yōu)選擇。

1 理論依據(jù)

MCZ 硅單晶生長(zhǎng)（Magnetic Field Applied Czochralski Method），是一種在傳統(tǒng)CZ 硅單晶生長(zhǎng)基礎(chǔ)上，外加磁場(chǎng)，從而抑制晶體生長(zhǎng)中產(chǎn)生的熱對(duì)流。在單晶硅長(zhǎng)晶過(guò)程中，熔液里的熱對(duì)流對(duì)晶棒的品質(zhì)影響非常大，特別是不穩(wěn)定的熱對(duì)流，很容易造成長(zhǎng)晶固液界面的不穩(wěn)定和摻雜的微觀偏析現(xiàn)象。由于硅熔體具有導(dǎo)電性，因此在適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)之下，可以有效的抑制熔體的自然對(duì)流，避免紊流的產(chǎn)生。

在單晶硅生長(zhǎng)中，熱場(chǎng)中的熱量主要由側(cè)面加熱器產(chǎn)生，通過(guò)石墨坩堝傳遞給石英坩堝，再傳導(dǎo)給熔體，熔體通過(guò)液面和晶體向上散熱。通過(guò)熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，形成了坩堝內(nèi)部外熱內(nèi)冷，下熱上冷的情況，由于物體熱脹冷縮的基本性質(zhì)，下部溫度高的熔體由于體積膨脹密度小會(huì)上浮，上方溫度低的熔體密度大下沉，這種宏觀區(qū)域的下沉上浮造成了熔體的流動(dòng)現(xiàn)象。在坩堝內(nèi)，熔體的自然對(duì)流是沿著熔體沿著坩堝壁向上流動(dòng)，到了液面開(kāi)始向中心流動(dòng)。自然對(duì)流的程度可以用無(wú)量綱的格拉斯霍夫數(shù)Gr或者瑞利數(shù)Ra 來(lái)表示：

在式中α 為熔體的熱膨脹系數(shù)，g 為重力加速度，ΔT 為硅熔體內(nèi)的最大溫差，D 為石英坩堝的內(nèi)徑或熔體高度νk為熔體的粘滯敘述，Ks為熔體的熱傳導(dǎo)系數(shù)。從公式可以看出，當(dāng)坩堝尺寸增大時(shí)，自然對(duì)流的程度呈三次方的程度向上增長(zhǎng)，對(duì)于一個(gè)D=0．5m，ΔT 為50K 的CZ 系統(tǒng)而言，當(dāng)沒(méi)有外加磁場(chǎng)的情況下，Ra值高達(dá)108，遠(yuǎn)高于產(chǎn)生紊流的103。當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，硅熔體相當(dāng)于一個(gè)離子化的導(dǎo)體，根據(jù)洛倫茲力定律，當(dāng)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)切割磁感線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流有會(huì)產(chǎn)生與熔體流動(dòng)方向相反的洛倫茲力，從而抑制熔體的對(duì)流。

目前，當(dāng)坩堝尺寸增加到28～32 英寸時(shí)，自然對(duì)流呈指數(shù)增大，現(xiàn)有的勾型磁場(chǎng)，由于磁場(chǎng)強(qiáng)度低，無(wú)法有效抑制熔體對(duì)流。由于晶體中的氧，主要是熔體流動(dòng)沖刷坩堝造成，無(wú)法抑制對(duì)流，則晶體中的氧含量根本無(wú)法得到有效控制，而超導(dǎo)橫向磁場(chǎng)，由于其使用的超導(dǎo)線圈，在低溫下電阻為0，根本不發(fā)熱，電流可以加到很高，磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的勾型磁場(chǎng)。本實(shí)驗(yàn)采用的超導(dǎo)橫向磁場(chǎng)，其最大磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)4000GS，是傳統(tǒng)的勾型磁場(chǎng)無(wú)法比擬的。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)采用32 英寸石英坩堝，裝料420kg，磁場(chǎng)強(qiáng)度4000GS，拉制12 英寸的半導(dǎo)體級(jí)的單晶硅晶棒。

晶體編號(hào) 邊緣氧含量E17atom/cc 15,87625．34536．089位置000中心氧含量E17atom/cc 6．4356．7565．349406．8975．767505．7894．676

通過(guò)拉速5 根長(zhǎng)度2000mm 晶棒，截取其肩部位中間和邊緣的試樣進(jìn)行氧含量檢測(cè)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)ASTMF121-83 太陽(yáng)能硅晶體氧含量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，得到以下數(shù)據(jù)：其氧含量完全符合半導(dǎo)體級(jí)單晶硅的質(zhì)量要求。根據(jù)結(jié)果，推斷超導(dǎo)橫向磁場(chǎng)抑制氧含量的原因?yàn)椋孩偻ㄟ^(guò)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度，抑制了熔體對(duì)流，減少了石英坩堝的溶解量。②由于橫向磁場(chǎng)僅抑制了熔體的縱向流動(dòng)，橫向流動(dòng)并未抑制，由于臨近液面的Marangoni flow 為主要的傳輸機(jī)制，是的SiO 的揮發(fā)速度增加。③抑制了石英坩堝底部的氧向上傳輸。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用超導(dǎo)橫向磁場(chǎng)，可以有效抑制大尺寸坩堝中硅熔體的不穩(wěn)定的熱對(duì)流，通過(guò)超導(dǎo)橫向磁場(chǎng)在大尺寸半導(dǎo)體長(zhǎng)晶中的應(yīng)用，可以有效提高長(zhǎng)晶成功率，降低晶體內(nèi)的氧含量，從而提高晶體質(zhì)量。隨著晶體尺寸和坩堝尺寸的不斷增大，超導(dǎo)橫向磁場(chǎng)將會(huì)起著更大的作用。