[发明专利]直拉法生长单晶硅中利用氮-氩混合气体除杂

说明书

技术领域

本发明屈于半导体分离技术领域，特别是涉及生产、分离单晶硅时的一种利用氮-氩混合气体除杂技术. 

背景技术

目前我国单晶硅棒(碇)的生产办法基本上还是用传统的单晶炉直拉式来生产单晶硅棒(碇)的，用单晶炉直拉式生产单晶硅棒(碇)过程中会存有多种杂质，这当中就有氧、碳、氮、氢和一些金屈元素杂质，其中氧是直拉法生长单晶硅中的主要杂质，在晶体生长过程中氧杂质主要是硅熔体与石英坩埚作用生成的，其机理为：在硅的熔点附近，高温的硅熔体(1420℃)和石英坩埚反应，其反应方程式如下： 

Si+SiO₂→2SiO 

生成的SiO进入到硅熔体中，在单晶的拉制过程中，晶转和埚转会对熔体的对流产生很大影响，再加上熔体本身的热对流，因此，进入硅熔体中的SiO会被输送到熔体的表面，此时大部分的SiO(99％)会在熔体表面，到达硅熔体表面的SiO以气体形式挥发，然后被拉制单晶过程中加入的惰性气体带走，剩余的SiO(1％)会在硅熔体中分解，以氧原子形式存在于熔体中，如下所示： 

SiO→Si+O 

分解后所产生的氧在随后的生长拉仲过程中进入硅单晶，最终以间隙原子状态存在，形成Si-O-Ri键。同时氧还会与硅晶体上的空位结合，使氧与硅晶体上的空位结合形成位错、点缺陷、层错等微缺陷；因此在单晶炉直拉式生产单晶硅棒(碇)的过程中人们大多采用在真空、低压的环境中加入惰性气体，使之整个单晶生长过程处在真空、低压的环境和加入惰性气体这样的氛围下进行拉晶的。 

通常在加入惰性气体时，有的是采用氮气作为保护气体的，用氮气作保护气体时，在过程中生成的氮化硅能钉杂位错，可以提高金屈硅的机械强度，并能降低单晶硅的一些微缺陷；但氮气在1000℃以上时，能与硅结合生成氮化硅。其反应过程： 

3Si+2N₂＝Si₃N₄

反应过程中生成的Si₃N₄颗粒存在于晶体的晶界上，或者产生于固液界面上，由于氮化硅颗粒的介电常数和硅基体不同，这样就会影响到成品单晶材料的电学性能。如果氮化硅颗粒在固液界面上形成，还会导致细晶的产生，增加晶界数目和总面积，最终也会影响到成品单晶材料的电学性能。 

另一种是在拉晶过程中加入惰性气体氩，过程中将氩气以一定速度吹入反应炉，并迅速抽走，这些气体可以携带走炉内反应所产生的气体，从而加速SiO的蒸发，随着SiO的蒸发量增大使之降低硅熔体中的氧含量，但是用这种办法也无法根本上消除溶解氧对硅晶体的影响；所以加入以上两种惰性气体的办法都存有一定的不足之处。 

发明内容

本发明的目的为了提高直拉法生长单晶硅中的除杂效果、提高硅单晶的品质，达到高质量的单晶的生长，本发明采用在高纯度的氩气中加入微量的氮气，用它们的混合气体来作保护气体，克服了以单一氩气或单一氮气作保护气体的不足之处，以去除直拉法生长单晶硅中的主要杂质氧，达到高质量的单晶的生长，提高了硅单晶的品质。 

因为微量的氮在晶体硅中主要以氮对形式存在。这种氮对有两个未配对电子，和相邻的两个硅原子以共价键结合，形成中性的氮对，对晶体硅不提供电子，在硅中不呈施主特性，通常也不引入电中心。 

氮还能与硅熔体中的氧起作用，生成氮氧复合体，减少硅熔体中氧含量。氮氧复合体是一种浅热施主，是一种单电施主，可以为晶体提供电子；但是，在硅中氮氧复合体浓度不高，一般低于(2～5)×10^-14，而且可以消除。 

微量的氮在1000℃以上的高温时很容易与硅起反应，反应生成的氮化硅能钉杂位错，而且不致使位错沿滑移面移动或延仲，同时还能增强金屈硅的机械强度；因此掺氮作保护气体的关键是控制氮的含量和用量。 

氮-氩混合气体使炉内保持低压、惰性气氛；混合气体以一定速度吹入反应炉，并迅速抽走，促使SiO的蒸发，随着SiO的蒸发量增大而降低硅熔体中的氧含量；加大混合气体的流速，能使反应气体、反应粉末和反应液体迅速排出单晶炉。