李贺梅

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津300220）



横向磁场中直拉硅单晶生长

李贺梅

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津300220）

摘要：直拉法（CzochralskiTechnique）生长硅单晶是目前获得高质量大直径晶体的一种最常用工业化方法，在直拉法生长硅单晶过程中引入磁场可以有效抑制熔体对流，提高电阻率均匀性，控制氧含量、碳含量浓度，改善硅单晶微缺陷，从而获得高质量大直径硅单晶。主要介绍了熔体中的熔体对流、产生原因、磁场抑制熔体对流的原理，并以横向磁场为研究对象，分析了横向磁场的组成结构、工作原理。

关键词：单晶炉；横向磁场；等效微重力

硅单晶材料是最重要的半导体材料，是信息社会的物质基础。随着半导体产业的迅猛发展，对于高纯度、高均匀性、高完整性（三高）和大直径（一大）的硅单晶的需求大大增加。这就要求在硅单晶的生长中减少单晶材料的缺陷、杂质含量、提高氧、碳等杂质在晶体中分布的均匀性以及加大硅片的直径［1］。在直拉法晶体生长过程中，存在由熔体中温度梯度和重力引起的热对流、由表面张力降低引起的表面张力对流以及晶转和埚转引起的强迫对流，这些对流是产生缺陷、有害杂质非均匀分布的重要因素。因此，抑制熔体对流是提高晶体质量的重要途径［2］。目前在大直径硅单晶的生长中，在熔体空间中引入磁场是一种较为有效的方法。通过给熔体引入磁场可增加熔体的黏滞系数降低熔体对流，，减少晶体的杂质含量，提高杂质分布均匀性，进一步提高单晶的质量。熔体空间引入的磁场按磁力线可以分为：横向磁场、纵向磁场、勾形磁场三种。通常人们普遍给熔体引入一种磁力线水平分布的磁场——横向磁场。

1　熔体对流与磁场抑制

1.1熔体对流

在单晶生长过程中，由于不均匀热场、重力场、自由表面张力、晶赚、埚转等因素的影响导致熔体产生了多种对流。其中主要为三种对流：热对流、毛细对流、强迫对流。热对流：熔体表面与底部存在温度梯度，使熔体产生密度差，在重力场的作用下引起的自由对流。加热过程中由于坩埚壁温度高，熔体在埚壁受热，密度变小，在浮力作用下沿着坩埚壁侧面上升，在溶液便面进行热交换后温度变低、密度变大，然后在重力作用下下沉到坩埚底部，从而在坩埚壁处产生一个由温度梯度产生的浮力引起的顺时针反向流动的自然对流，其主要集中再靠近埚壁的熔体表面下方。毛细对流：从冷晶体边缘到热坩埚壁，由表面张力降低所驱动的沿着自由表面的表面张力对流。在半径方向坩埚边缘温度高，中心温度低，从而在熔体的水平面形成一个从中心到坩埚边缘的温度增加的温度场，这种温度梯度加上溶质浓度梯度引起的自由表面张力形成张力梯度［3］。表面张力梯度在自由表面产生向心运动的驱动力，形成熔体从埚壁流向中心的毛细对流。强迫对流：由单晶旋转和坩埚旋转产生离心力的作用引起的对流。由于拉晶时晶体与坩埚相对旋转，在晶体生长面下方产生离心力，形成顺时针的强迫对流，其流动方向与浮力产生的热对流方向一致，为顺时针涡流。并且该对流把热对流限制在坩埚壁附近。

1.2磁场抑制熔体对流原理

为了抑制熔体对流，人们进行了各种尝试，微重力环境生长技术和外加磁场生长技术是两种有效的方法，其中外加磁场是在地面上等效微重力环境生长单晶的有效方法。

熔融状态的硅具有导电性，在磁场作用下，熔体流动引起感生电流，根据电磁理论，通电导体在磁场中运动将会受到外力阻止，即洛伦兹力，在洛伦兹力作用下，熔体内的对流就会得到抑制，处于相对静态平衡状态。晶体与熔体界面处的氧、点缺陷及其他杂质也可以得到控制，进而得到大尺寸、高质量的单晶硅。

直拉法生长的单晶是在具有温度梯度的热场中进行的，因此要克服熔体的无规则热对流主要通过减小地球重力场的方法实现。研究表明在微重力环境下，重力驱动的热对流会大大减弱甚至消失，熔体中几乎无热对流，扩散支配熔体的质量输运过程，所以在直拉法生长单晶过程中可以通过模拟空间微重力环境来克服地球的重力场。研究表明，在生长过程中引入磁场可以实现此目的。熔融态的硅是导电体，当无规则的熔体对流切割外加磁场的磁力线时会产生洛伦兹力作用，使得对流运动受阻，等效于增加熔体的黏滞系数［4］。其中热对流是晶体生长过程中熔体的主要对流，大大影响单晶的质量，甚至破坏单晶的生长，是磁场拉晶过程中的主要控制对象。当引入的磁场强度达到某一临界值时，熔体对流基本被抑制，此时在晶体生长过程中，熔体的质量输运荣国扩散机理控制，有效地抑制了熔体的热对流运动。

2　横向磁场结构与工作原理

2.1横向磁场结构

横向磁场是由高导磁率半封闭C形铁磁回路、高导磁率铁芯、结构完全相同的两个独立螺旋管圆形直流线圈、两个磁极、纵向调节机制、冷却水循环系统、大功率直流电源、控制柜及其他附件构成。左右两个线圈安装在两个铁芯上，线圈的电流流向、匝数、线圈半径、纵向和轴向层数以及绕制方法完全相同，线圈采用多路并行再通过铜带将各路线圈串联在一起，便于提供冷却水多路并联，这样可提高冷却效率，保证磁场在长时间运行的情况下不会温度过高，而且一旦线圈出现故障，可单独关闭、更换坏掉的线圈，便于维修。铁芯使用由矫顽力低、导磁率高、磁性稳定的DT4E型纯铁材料加工而成。铁芯的两端安装马蹄形磁极，磁极下面安装调节杆，用以调节磁极的相对位置以及两个磁极相对石英坩埚及坩埚内熔体液面的位置。C形铁磁回路也是用DT4E纯铁材料加工而成，其磁导率高，磁阻远远低于空气的磁阻，磁力线几乎全部通过高磁导率的磁回路并形成闭合回路，减少磁场不必要的损耗提高坩埚区域磁场强度，避免对单晶炉控制柜及工作人员身体的影响。磁场控制柜具有监控和报警的功能，可以时刻监控电流、电压的数值，若水循环出现异常也会及时报警，避免危险情况的发生。磁场结构如图1所示。

图1　横向磁场结构图

2.2横向磁场工作原理

单晶炉放在横向磁场的两个磁极之间，当给两个线圈通以大小相等、方向相同直流电流时，线圈内部会产生磁场，由于两个线圈的绕制方向完全相同，电流方向也相同，根据右手定律可知两个线圈相对的两端分别为磁极的N极和S极，另外两端分别为磁极的S极和N极，由于两个线圈通过C形高导磁回路相连，线圈内部的磁力线通过磁回路到另一线圈的一个磁极 （两个磁极的磁性相反）；线圈外部的磁力线通过两磁极间空气回到另一磁极，从而在二个磁极空间区域内形成一个磁力线为水平方向分布、磁场强度较均匀的横向磁场。炉体、石墨件、坩埚均为非磁性材料，故可将磁极见区域视为空气。

由于磁场结构的对称性，在两磁极之间空间区域内产生的磁场是以几何中心为对称的。如选取几何中心为坐标原点O，磁场分布和强度就以x、y和z三个坐标平面为对称，且磁场强度Bz分量在z方向上随着距中心O点距离增加而增大，当到达二磁极时达到最大；而在x和y方向上随着距中心O点距离增加Bz分量将减小［5］。因为安装磁场主要抑制熔体上下对流及晶转、埚转旋转产生的强迫对流，所以主要研究对象为磁场强度z轴分量Bz。磁场的磁力线剖面分布如图2所示，由图可看出强磁场区域主要集中在平行于z轴的横向区域内，即磁力线密集区。磁场对熔体对流的抑制效果主要取决于坩埚内壁处磁场分量Bz的强弱、均匀性、抑制熔体区域的大小和位置，在设计磁场参数时，应尽可能使这些关键参数最优，加宽Bz的工作区域，提高磁场的均匀性使得对流被抑制的同时保存部分毛细对流，控制SiO的蒸发，在熔体表面形成低氧层，减少从生长界面进入单晶的氧，从而改善单晶中氧浓度提高晶体质量。

图2　横向磁场磁力线剖面图

3结　论

横向磁场中直拉硅单晶生长能够增加对流的黏滞性、热稳定性，有效地抑制了熔体对流，大大地减少了机械振动等原因造成的熔硅掖面的抖动、熔体的温度波动，控制了熔硅与石英坩埚壁的反应速率，实现氧的可控性，有效地咸少或消除杂质的微分凝效应，使各种杂质分布均匀，降低晶体的缺陷，提高均匀性，可以生产出满足半导体器件和集成电路用的高纯度、高完整性、高均匀性的结构完美的大直径硅单晶。

参考文献：

［1］ 徐岳生.直拉硅单晶生长的现状与发展［J］.河北工业大学学报，2004，33（2）：52-58.

［2］ SabhapathyP，SalcudeanME.NumericalStudyofCzochralskiGrowthofSiliconinAxisymmetricField［J］.J.Crystal-Growth，1998，193：402-412.

［3］ XuYS.ProgressinCzochralskiSiliconGrowth［J］.JournalofHebeiUniversityofTechnology，2004，33（2）：52258.

［4］ 马海武，王丽黎，赵仙红，等.电磁场理论［M］.北京：北京邮电大学出版社，2004.

［5］ LiangX，JinWQ.ProgressofMagneticFieldApplicationin CrystalGrowth［J］.JournalofInorganicCmaterials，1999，14 （6）：8332839.

中图分类号：TN304.053

文献标识码：C

文章编号：1004-4507（2016）07-0047-04

作者简介：

李贺梅（1983-），女，天津人，助理工程师，大专，现就职于中国电子科技集团公司第四十六研究所，主要从事半导体材料的检测工作。

收稿日期：2016-05-23

Transverse Magnetic Czochralski Silicon Single Crystal Growth

LI Hemei

（The 46thResearch Institute of CETC，Tianjin 300220）

Abstract：CzochralskiTechnique growth of silicon single crystal is the most commonly used industrialization method to obtain high quality and large diameter crystal，The introduction of magnetic field in the process of the growth of silicon single crystal by CzochralskiTechnique can effectively restrain the convection of the melt，improve the uniformity of resistivity，controlle the content of oxygen and carbon content，and improve the micro defects of silicon single crystal，thus obtain high quality and large diameter silicon single crystal.This paper mainly introduces the melt convection，the cause of the production，the principle of the magnetic field to suppress the melt convection，and take the transverse magnetic field as the research object，analyzes the composition structure and working principle of the transverse magnetic field.

Keywords：Czochralski crystal furnace；Transverse magnetic field；Equivalent micro gravity