[发明专利]一种直拉法制备高电阻硅单晶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及到单晶硅的制备领域，具体的说是一种直拉法制备高电阻硅单晶的方法。

背景技术

单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池等，直拉法占的市场份额在80%以上。

国内直拉硅单晶厂家生产出的单晶硅电阻率一般在20Ω/CM（P型）、10Ω/CM（N型）以内。直拉高阻硅单晶由于掺杂量少，直拉单晶炉中热场及石英坩埚的沾污，以及拉制N型单晶硅时磷的挥发，另外单晶棒电阻率样块的处理过程对电阻率测试影响较大，导致直拉高阻硅单晶稳定生产困难，每一炉次单晶硅棒头部实际电阻率偏差较大。

发明内容

为解决现有技术尚不能生产出高电阻率、高电阻率均匀性好的硅单晶的问题，本发明提供了一种直拉法制备高电阻硅单晶的方法，该方法通过精确控制每一小批次母合金的电阻率，提高母合金的掺杂量，减少母合金的计算和称量的误差，实现直拉高阻硅单晶的稳定生长，使P型单晶硅的电阻率能达到300Ω/CM，且电阻率径向均匀性在3%以内。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种直拉法制备高电阻硅单晶的方法，首先利用直拉法制备出母合金样片，然后再利用该母合金样片继续用直拉法制备出高电阻硅单晶，具体操作如下：

1）在单晶炉的石英坩埚内加入纯硼和多晶硅，并安装晶向为<100>的籽晶，然后按照直拉法的工艺步骤依次进行抽空、检漏、化料、熔接、细颈、放肩、转肩、等径和收尾从而得到晶棒，将晶棒去头尾后，从头部开始切样片若干，样片经酸洗和退火后测量其电阻率，从而得到电阻率在0.015~0.020Ω/CM的若干母合金样片；

其中，纯硼的加入量按照以下公式进行计算：

M=(C_S头*W*A)/(K₀*d*N₀)

式中：M为掺杂元素重量，C_S头为晶体头部电阻率对应杂质浓度，W为总共的投料量，d为硅的密度，A为掺杂元素原子量，N₀为阿伏伽德罗常数，K₀为掺杂元素分凝系数；

2）从步骤1）中选取已知电阻的母合金样片，然后将其与多晶硅放入单晶炉的石英坩埚内，并安装晶向为<100>的籽晶，然后按照直拉法的工艺步骤依次进行抽空、检漏、化料、熔接、细颈、放肩、转肩、等径和收尾从而得到晶棒，将晶棒去头尾后，从头部开始切样片若干，样片通过酸洗、退火、喷砂处理后测量其电阻率，从而得到符合要求的高电阻硅单晶；

其中，母合金样片的加入量符合以下公式：

（w+M）*C_s头=K₀*M*C_m

式中：w为总的投料量，M为应掺母合金的重量，C_s头为单晶头部电阻率对应的杂质浓度，K₀为杂质的分凝系数，C_m为母合金的杂质浓度。

所述步骤1）和步骤2）中抽空、检漏、化料、熔接的操作是指：将单晶炉抽空到极限真空0.01mbar以下，检漏，不超过漏气标准后开始加热化料，待坩埚中的熔体液面温度稳定在1420℃时，开始下降籽晶进行熔接。

所述步骤1）中细颈、放肩、转肩、等径和收尾的操作是指：当籽晶熔接0.9-1.1hr时，开始提高上轴速度进行细颈生长，最终使细颈直径维持在2.5-3.5mm，长度生长到145-155mm，降低上轴拉速和加热器温度，进行放肩生长，待放肩直径生长至95-105mm时，开始提高上轴拉速进行转肩，待晶体直径达到100-110mm时开始进行等径生长；当单晶棒拉制至坩埚中余料为3kg时开始进行收尾，收尾长度为115-125mm。

所述步骤2）中细颈、放肩、转肩、等径和收尾的操作是指：当籽晶熔接0.9-1.1hr时，开始提高上轴速度进行细颈生长，最终使细颈直径维持在2.5-3.5mm，长度生长到195-205mm，降低上轴拉速和加热器温度，进行放肩生长，待放肩直径生长至145-155mm时，开始提高上轴拉速进行转肩，待晶体直径达到150-160mm时开始进行等径生长，等径过程中上轴转速为15-20rpm，下轴转速为6-12rpm，当单晶棒拉制至坩埚中余料为4kg时开始进行收尾，收尾长度为175-185mm。