本发明专利技术公开了一种用于高掺杂硅单晶生长的气体导引装置，该气体导引装置具有锥形结构，其顶端具有一通孔，该通孔直径为籽晶夹持器外径的1.05‑1.15倍；其下端直径为目标晶体直径0.9‑1.2倍；该气体导引装置设置在熔体上方，通过被籽晶夹持器穿过通孔而位于籽晶夹持器的周围。采用本发明专利技术的气体导引装置，在NECK＞＞BODY阶段即使用较小的氩气流量，也能促使熔体上方的气流改善；较小的氩气流量，能够减少熔体上方气流刷新速度，减少了熔体内掺杂剂流失量，获得高掺杂的硅单晶。
A Gas Guidance Device for Growth of High Doped Silicon Single Crystals
The invention discloses a gas guiding device for the growth of highly doped silicon single crystal, which has a conical structure with a through hole at the top, the diameter of which is 1.05 1.15 times of the outer diameter of the seed gripper, the diameter of the lower end of which is 0.9 1.2 times of the target crystal diameter, and the gas guiding device is located above the melt through the through hole by the seed gripper. Around the seed crystal clamp. In the NECK > BODY stage, the gas flow above the melt can be improved even if a smaller argon flow rate is used; a smaller argon flow rate can reduce the gas flow refresh speed above the melt, reduce the loss of dopant in the melt, and obtain highly doped silicon single crystal.
【技术实现步骤摘要】
一种用于高掺杂硅单晶生长的气体导引装置
本专利技术涉及一种用于高掺杂硅单晶生长的气体导引装置。
技术介绍
在半导体硅单晶中掺入一定量的掺杂剂以满足对其电性能的要求，对以电子为载流子的硅单晶，常见的掺杂剂有：磷(Phosphor)、砷(As)、锑(Sb)。相对硅的熔点而言，均为低熔点、磷、砷和锑均为低熔点、易升华挥发的元素。专利文献CN01136694.X公开了一种用于直拉单晶制备中的掺杂方法及其装置。在原料多晶硅熔化后形成的熔体上方，装载有掺杂剂的料斗降到熔体正上方，硅熔体的辐射热能使料斗中掺杂元素(磷、砷)升华，掺杂元素升华形成蒸汽吹向硅熔体表面，汽态磷、汽态砷扩散进入到硅的熔体，硅的熔体对流作用将磷、砷带到熔体内部，完成熔体掺杂。对于常规掺杂浓度(熔体砷浓度(4.0-8.0)E19atoms/cm3)的熔体晶体生长，掺杂完成后单晶炉内很干净，无位错晶体生长成功率高，得到了广泛的应用。随着对于掺杂量的增加，达到高掺杂浓度(例如，熔体砷浓度达到(10.0-12.0)E19atoms/cm3)，掺入量较常规增加80％～120％达到以上，一方面由于硅熔体表面吸收掺杂元素速度的制约，有一部分的气态砷(As)将从熔体上方逃逸损失；另一方面硅熔体近表层吸收掺杂元素形成高浓度区，高浓度的掺杂元素显著地增加了形成位错的风险，无位错生长晶体有很大几率失去晶体结构(无位错生长失败)，必须再重复晶体生长流程，已溶入熔体中的掺杂元素有部分从熔体中挥发出来。在相同的炉室压力下，当熔体中的掺杂元素挥发量达到一定量时，此时熔体中的掺杂元素浓度低于8.0E19atoms/cm3，即使拉晶尝试成功，生长出无位错的晶体其电阻率也将超出规范要求而成为废品；为了避免这种情况，当熔体中的掺杂元素挥发量达到一定量时，操作人员必须进行补掺杂，再继续进行拉晶尝试，但这样尝试需要付出很高的成本，并且可能尝试次数是有限的，例如受熔化石英坩埚在熔硅中使用寿命的限制，将不可能拉成无缺陷单晶；高掺杂单晶硅生产效率低，制造成本高。为了减少“引晶(Neck)→放肩(Crown)→转肩(Shoulder)→等径(Body)”(NECK＞＞BODY)阶段，熔体内掺杂剂的挥发损失，用足够低的惰性气体流量维持较高的炉室压力。现有技术将炉室压力设定在100torr条件下，利用足够低的惰性气体流量(不超过2000升/小时＝33.3SLPM)，炉室压力设定100torr，惰性气流不能将气相内所含掺杂剂及SiO异物排除，含掺杂剂及SiO气相在单晶炉室内壁沉积，弄脏单晶炉，失去拉晶条件。另一方面，利用足够高的惰性气体流量(超过6000升/小时＝100SLPM)，炉室压力设定100torr，惰性气流能够及时将气相内所含掺杂剂及SiO异物排除，单晶炉保持干净，但惰性气流对熔体上方刷新速度太快，熔体中掺杂剂流失速度快，不能获得高掺杂的单晶。
技术实现思路
针对现有技术难于兼顾惰性气体的低流量和保持炉室较高的压力，在NECK＞＞BODY阶段有较多的掺杂剂流失的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种用于高掺杂硅单晶生长的气体导引装置，减少熔体上方的气流刷新速度，获得高掺杂的硅单晶。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种用于高掺杂硅单晶生长的气体导引装置，该气体导引装置具有锥形结构，其顶端具有一通孔，该通孔直径为籽晶夹持器外径的1.05-1.15倍；其下端直径为目标晶体直径的0.9-1.2倍；该气体导引装置设置在熔体上方，通过被籽晶夹持器穿过通孔而位于籽晶夹持器的周围。优选地，所述气体导引装置的下端距离熔体表面150-400mm。优选地，所述气体导引装置的锥度为39-47度。优选地，所述气体导引装置的材质可以选择石英、石墨或硅等非金属耐热材料或高温金属钼、钨，优选石英、石墨或硅晶体。本专利技术的优点在于：采用本专利技术的气体导引装置，在NECK＞＞BODY阶段即使用较小的氩气流量，也能促使熔体上方的气流按图2所示A方向流动；较小的氩气流量，能够减少熔体上方气流刷新速度，减少了熔体内掺杂剂流失量，获得高掺杂的硅单晶。附图说明图1为本专利技术的气体导引装置的结构示意图。图2为带有本专利技术的气体导引装置的单晶生长装置的原理图。图3为现有单晶生长装置的原理图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明，但并不意味着对本专利技术保护范围的限制。如图1所示，为本专利技术的气体导引装置的结构示意图。本专利技术的气体导引装置1具有锥形结构，其顶端具有一通孔5，该通孔5的直径为籽晶夹持器2的外径的1.05-1.15倍；其下端6的直径为目标晶体直径的0.9-1.2倍；该气体导引装置1设置在被掺杂的硅熔体5上方，通过被籽晶夹持器2穿过其通孔而位于籽晶夹持器2的周围，籽晶3连接在籽晶夹持器2的下端。该气体导引装置1的下端距离熔体表面150-400mm。该气体导引装置1的锥度为39-47度。该气体导引装置1的材质可以选择石英、石墨或硅等非金属耐热材料或高温金属钼、钨，优选石英、石墨或硅晶体。如图2所示，为带有本专利技术的气体导引装置的单晶生长装置的原理图。由于气体导引装置为锥形，在其正下方形成氩气覆盖层，减少气流的刷新速度；锥形的气体导引装置1可迫使氩气在气体导引装置1和导流筒4之间向下移动，氩气流动方向如图2中箭头A所示，在相同的炉室压力条件下，氩气流量减少50％单晶炉壁仍然保持干净。实施例(一)熔体中砷的掺杂浓度为8.0E19atoms/cm3，设定单晶炉室压力100托，在氩气流量为40slpm、60slpm条件下生长单晶，结束后观察单晶炉壁挥发物情况。实施例1：采用图2所示的生长装置实施，氩气流动方式A。22英寸石英坩埚，装入110kg多晶硅；熔化阶段氩气流量为100slpm、炉室压力为20托；稳定时间为60min，稳定过程坩埚旋转速度为1r/min。氩气流量设定为40slpm，炉室压力设定为100托。进行“引晶-放肩-转肩-等径-收尾”过程，单晶生长完整。单晶生长结束后，单晶炉壁干净。实施例2：采用图3所示的生长装置实施，氩气流动方式B。22英寸石英坩埚，装入110kg多晶硅；熔化阶段氩气流量100slpm、炉室压力20托；稳定时间60min，稳定过程坩埚旋转速度1r/min。氩气流量设定为40slpm，炉室压力设定为100托。进行“引晶-放肩-转肩-等径-收尾”过程，单晶生长过程发生生长失败。单晶生长结束后，单晶炉壁沉积挥发较多。实施例3：采用图3所示的生长装置实施，氩气流动方式B。22英寸石英坩埚，装入110kg多晶硅；熔化阶段氩气流量100slpm、炉室压力20托；稳定时间60min，稳定过程坩埚旋转速度1r/min。氩气流量设定为60slpm，炉室压力设定为100托。进行“引晶-放肩-转肩-等径-收尾”过程，单晶生长完整。单晶生长结束后，单晶炉壁基本干净。表1砷的掺杂浓度8.0E19atoms/cm3，炉室压力100托序号气流方式熔体掺杂浓度氩气流量炉室压力单晶炉壁沉积物(atoa/cm3)(SLPM)(托)实例1A8.00E+1940100单晶炉壁干净，晶体完整。实例2B8.00E+1940100单晶炉壁沉积挥发物，晶体不完整。实例3B8.00E+1960100单晶炉壁基本干净，晶体完整。表1结果显示，以现有本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于高掺杂硅单晶生长的气体导引装置，其特征在于，该气体导引装置具有锥形结构，其顶端具有一通孔，该通孔直径为籽晶夹持器外径的1.05‑1.15倍；其下端直径为目标晶体直径的0.9‑1.2倍；该气体导引装置设置在熔体上方，通过被籽晶夹持器穿过通孔而位于籽晶夹持器的周围。
【技术特征摘要】
1.一种用于高掺杂硅单晶生长的气体导引装置，其特征在于，该气体导引装置具有锥形结构，其顶端具有一通孔，该通孔直径为籽晶夹持器外径的1.05-1.15倍；其下端直径为目标晶体直径的0.9-1.2倍；该气体导引装置设置在熔体上方，通过被籽晶夹持器穿过通孔而位于籽晶夹持器的周围。2.根据权利要求1所述的气体导引装置，其特征在于，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：方峰，王学锋，邓德辉，李超，
申请(专利权)人：有研半导体材料有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11
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