本发明专利技术提供了一种大直径单晶炉，用于生长大尺寸半导体单晶硅棒，所述单晶炉包括炉体、石英坩埚、加热器、超导磁场、坩埚旋转升降机构、籽晶提拉旋转机构。本发明专利技术采用超导磁场辅助的大直径单晶炉，可以生长出12英寸以上的半导体单晶硅，满足半导体行业发展的需求，同时超导磁场的强度连续可调，晶棒的轴向、径向均匀性得到改善，单晶硅棒中的氧含量也得到有效控制。相对于现有技术的电磁场，本发明专利技术既能有效提高所需磁场强度，又能大幅降低长晶环节的能耗。能耗。能耗。
【技术实现步骤摘要】
一种大直径半导体硅单晶的生长方法及单晶炉
[0001]本专利技术涉及半导体单晶硅材料
，具体涉及一种直拉法生长大直径 半导体硅单晶的方法及单晶炉。
技术介绍
[0002]单晶硅也称硅单晶，是电子信息材料中基础性的原材料，属半导体材料类， 是信息社会的物质基础。在摩尔定律的影响下，集成电路技术快速发展，从小 规模集成电路发展到大规模集成电路，再到超大规模集成电路的进步，推动了 更大尺寸单晶硅的发展。晶圆尺寸从20世纪60年代开始时的1英寸直径逐渐 发展到8英寸和12英寸。目前集成电路产业已广泛采用12英寸硅晶圆，并逐 步朝着16英寸、18英寸发展。
[0003]随着集成单路芯片特征尺寸的不断减小，芯片集成度的不断提高，器件制 造商对单晶硅材料提出了更严格的要求。硅单晶材料也向着高纯度、高完整性、 高均匀性和大直径的方向发展。
[0004]直拉法，也叫切克劳斯基(Czochralski)法(简称CZ法)，是制造单晶硅 的重要方法。在直拉法生长硅单晶时，由于温度梯度、重力、坩埚和晶棒转动 等，坩埚内硅熔体存在着复杂的对流，这些不稳定的热对流会严重影响硅单晶 的完整性、均匀性和氧含量等指标，使得单晶硅棒中氧含量分布不均匀甚至出 现缺陷，降低产品良率。在大直径单晶炉中，随着坩埚直径和热场尺寸的增大 以及投料量的相应增多，这种对流更加强烈，对硅单晶产品品质构成严峻的挑 战。
[0005]为了抑制熔体内的热流动，利用熔硅的导电性，在生长过程中引入外加磁 场。熔体的流动引起感应电流，在磁场作用下，产生与熔体运动方向相反的洛 伦兹力，相当于增加了熔硅的粘滞性。在磁场的作用下，熔体的对流得到了抑 制，固液界面处的氧、点缺陷及其它杂质也可得到改善，进而提高单晶质量。 这种通过向熔体内施加磁场的方法被称为磁场直拉法(Magnetic Field appliedCzochralski Method，简称MCZ法)。例如CN1904147B公开了一种用柴氏长晶 法、以高生产率生产高质量硅单晶结晶快的技术，采用CUSP磁场，通过控制氧 溶出区域处的磁场强度为100-400G，使其不同于固液界面区域处的磁场强度 0-150G，从而将氧含量控制为所需值，例如9-15ppma。JP1989038078B2公开了 一种单晶半导体的制造方法，将200-1000高斯的磁场施加到坩埚中的熔融半导 体上，并揭示小于200G不能充分抑制熔融半导体材料的振荡温度的波动，难以 大直径生长半导体单晶。同样，大于1000G熔融的半导体材料在晶体生长界面 附近变得不均匀的温度分布，不能获得高质量的单晶半导体。
[0006]目前使用的电磁场，是用绝缘铜线或铝线绕在铁芯上制成的磁体，它在产 生强磁场时，需要在线圈中通入很大的电流。由于磁体电阻和磁路损耗，大量 电能因转化为热能而被浪费。要得到较强磁场，就必须利用导磁率高的磁性铁 芯，或是增大线圈匝数和加大电流。然而磁性铁芯的磁化特性有饱和极限且磁 性铁芯过重，难以在大范围内产生稳定的强磁场，且增加线圈匝数则会增大体 积和重量，同时亦无法在限定的空间范围内，高效地
形成强磁场。由于上述原 因，目前的电磁场难以满足大尺寸单晶硅棒生长的要求，并且随着单晶硅棒尺 寸的增大，这个技术问题会愈发突出。
[0007]在这一技术背景下，超导磁场的概念呼之欲出。专利申请CN110957099A公 开了一种用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体及其方法，具有提高单 晶硅的纯度和品质，摆脱液氦资源短缺的困境，大大降低成本和节省资源的特 点。CN110136915A公开了一种超导磁体和磁控直拉单晶设备，该超导磁体，包 括超导开关、超导线圈、线圈骨架和低温恒温器，所述超导线圈固定于所述线 圈骨架上，多个所述超导线圈相互串联。所述超导开关与所述超导线圈并联， 并固定于所述线圈骨架上。所述线圈骨架置于所述低温恒温器中，所述低温恒 温器带有制冷机。通过设置所述超导开关断开和闭合，实现了各超导线圈和超 导开关之间电流的闭合导通，以便撤走励磁电源。
[0008]上述现有技术虽然公开了一种超导磁体，但均只是概念性地提及可用于半导 体单晶生长，具有降氧等效果，但未涉及具体的长晶炉和超导磁场辅助长晶工 艺，本领域技术人员无法知晓具体应用何种的磁场强度大小以及在不同长晶阶 段如何调节磁场大小配合大直径单晶硅棒生长。目前，超导磁场在单晶炉的应 用也鲜有报道，意味着超导磁场的工业化应用仍存在很大的挑战。
[0009]因此，仍旧需要一种超导磁场辅助的大直径半导体硅单晶生长方法及用于该 工艺的单晶炉。
技术实现思路
[0010]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种大直径半导体硅单晶的生长方法， 借助超导磁场辅助，可以根据要求控制单晶硅棒中的氧含量，满足半导体行业 的质量要求，同时提高产品良率。
[0011]本专利技术的另一目的在于提供一种大直径单晶炉，用于生长12英寸以上的半 导体单晶硅棒。
[0012]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0013]一种大直径半导体硅单晶的生长方法，将电子级多晶硅料装入单晶炉石英 坩埚中，封闭炉体，通入惰性气体，设定好炉压，给加热器通电，升温持续加 热石英坩埚中的硅料，其特征在于，待多晶硅料完全熔化成液态后，给超导磁 场通电，对液态熔硅施加磁场，并经引晶、放肩、等径、收尾工序进行硅单晶 生长的步骤。
[0014]在一个具体的实施方案中，所述超导磁场的磁场强度在0-10000高斯(G)， 通过调节超导线圈中的电流大小来控制磁场强度连续可调。
[0015]在一个具体的实施方案中，在所述单晶硅生长的引晶、放肩阶段，对石英坩 埚内的硅熔体施加的磁场强度为5000-10000高斯；优选地，所述磁场强度降低 速率为300-600G/h。
[0016]在一个具体的实施方案中，在所述单晶硅生长的等径阶段，对石英坩埚内的 硅熔体施加的磁场强度为1000-5000高斯；优选地，所述磁场强度降低速率为 30-60G/h。
[0017]在一个具体的实施方案中，在所述单晶硅的收尾阶段，对石英坩埚内的硅熔 体施加的磁场强度为0-1000高斯；优选地，所述磁场强度降低速率为60-120G/h。
[0018]在一个具体的实施方案中，所述石英坩埚的尺寸为28-40英寸，可盛装 300-800kg
多晶硅料。
[0019]在一个具体的实施方案中，所述单晶硅生长地引晶、放肩、等径、收尾阶 段，坩埚旋转升降机构的旋转速度为0-20rpm，升降速度为0-4mm/min。
[0020]在一个具体的实施方案中，所述单晶硅生长地引晶、放肩、等径、收尾阶 段，籽晶提拉旋转机构的旋转速度为0-30rpm，升降速度为0-8mm/min。
[0021]本专利技术的另一方面，前述的大直径半导体硅单晶生长用的单晶炉，所述单 晶炉包括：
[0022]炉体，所述炉体内径至少为1200mm；
[0023]石英坩埚，所述石英坩埚放置于炉体中部，用于本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种大直径半导体硅单晶的生长方法，将电子级多晶硅料装入单晶炉石英坩埚中，封闭炉体，通入惰性气体，设定好炉压，给加热器通电，升温持续加热石英坩埚中的硅料，其特征在于，待多晶硅料完全熔化成液态后，给超导磁场通电，对液态熔硅施加磁场，并经引晶、放肩、等径、收尾工序进行硅单晶生长的步骤。2.根据权利要求1所述的大直径半导体硅单晶的生长方法，其特征在于，所述超导磁场的磁场强度在0-10000高斯，通过调节超导线圈中的电流大小来控制磁场强度连续可调。3.根据权利要求1所述的大直径半导体硅单晶的生长方法，其特征在于，在所述单晶硅生长的引晶、放肩阶段，对石英坩埚内的硅熔体施加的磁场强度为5000-10000高斯；优选地，所述磁场强度降低速率为300-600G/h。4.根据权利要求1所述的大直径半导体硅单晶的生长方法，其特征在于，在所述单晶硅生长的等径阶段，对石英坩埚内的硅熔体施加的磁场强度为1000-5000高斯；优选地，所述磁场强度降低速率为30-60G/h。5.根据权利要求1所述的大直径半导体硅单晶的生长方法，其特征在于，在所述单晶硅的收尾阶段，对石英坩埚内的硅熔体施加的磁场强度为0-1000高斯；优选地，所述磁场强度降低速率为60-120G/h。6.根据权利要求1-5任一项所述的大直径半导体硅单晶的生长方法，其特征在于，所述石...
【专利技术属性】
技术研发人员：代冰，胡碧波，冯帆，
申请(专利权)人：万华化学集团电子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。