区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置及方法与流程

本发明涉及硅单晶制备技术领域，特别涉及一种区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置及方法。

背景技术：

硅单晶作为一种半导体材料被广泛应用于半导体器件领域，因此需求量极大，而采用区熔法生长硅单晶是获取单晶硅的一种重要方法。

区熔法又称fz法，即悬浮区熔法。是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。区熔法制备硅单晶具有如下优点：1、不使用坩埚，单晶生长过程不会被坩埚材料污染；2、由于杂质分凝和蒸发效应，可以生长出高电阻率硅单晶。

采用区熔法能够生长高纯度低缺陷的硅单晶，区熔法可以得到低至10¹¹cm^-3的载流子浓度。区熔法生长技术的基本特点是样品的熔化部分是完全由固体部分支撑的，不需要坩埚，可以大大降低氧和碳及其它金属离子的沾污。柱状的高纯多晶材料固定于卡盘，一个金属线圈沿多晶长度方向缓慢移动并通过柱状多晶，在金属线圈中通过高功率的射频电流，射频功率电磁场将在多晶柱中引起涡流，产生焦耳热，通过调整线圈功率，可以使得多晶柱紧邻线圈的部分熔化，线圈移过后，熔料结晶为单晶，其晶向与籽晶的相同。另一种使晶柱局部熔化的方法是使用聚焦电子束。整个区熔生长装置可置于真空系统中，或者有保护气氛的封闭腔室内。

区熔法制备单晶硅掺杂技术一般有：

(1)气相掺杂法(gasdopingmethod)：n型掺磷、p型掺硼；

(2)中子嬗变掺杂(ntd)硅单晶：成本太高；

(3)填装掺杂法(pilldopingmethod)：一般只适合用于偏析系数低及挥发 性低的掺杂物，如镓(ga)及铟(in)；

(4)核心掺杂法(coredopingmethod)：比较不容易控制晶棒之轴向电阻之均匀性，掺杂物一般只适合用于偏析系数较大的硼(b)。

工业界普遍采用气体掺杂法应用于区熔法生长硅单晶。这种掺杂技术是将易挥发的ph4(n型掺杂)或b2h6(p型掺杂)气体藉着氩气(ar)稀释后直接吹入熔融区进行掺杂。其优点是制造商不需要再存储不同电阻率的多晶硅原料棒。但是，掺杂气源的发射口一般均设在炉壁上，因此气相掺杂硅单晶的电阻率普遍存在均匀性差、掺杂不够精确等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置及方法，解决现有技术中以气相掺杂方式生长的硅单晶的电阻率均匀性差，掺杂不够精确的问题。

本发明的技术方案是一种区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置，包括气体喷射器与射频加热线圈，所述气体喷射器与所述射频加热线圈形状相同，共同环绕原料棒，且所述气体喷射器与所述射频加热线圈固定连接；所述气体喷射器包括一环形管，所述环形管上开设有数个气孔。

进一步的，所述气体喷射器与所述射频加热线圈通过销钉或螺丝固定连接。

进一步的，所述气体喷射器与所述射频加热线圈通过焊接方式固定连接。

进一步的，所述环形管的材质为陶瓷。

进一步的，所述环形管上的数个气孔为等间距均匀分布。

进一步的，所述环形管上的数个气孔为不均匀分布。

进一步的，所述气孔的形状为圆形、椭圆形、方形或不规则形状。

进一步的，还包括一气体混合箱，所述气体混合箱具有冷却装置，且所述气体混合箱的出气口与所述环形管相连。

进一步的，还包括一质量流量控制器，所述质量流量控制器与所述气体混合箱的进气口连接，用于控制通入所述气体混合箱的气体。

相应的，本发明还提供一种区熔法气相掺杂生长硅单晶的方法，采用上述 的区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置进行硅单晶生长，所述方法包括：将所述区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置环绕原料棒，从原料棒的一端向另一端缓慢移动，同时在射频加热线圈中通过高功率的射频电流，使得原料棒紧邻线圈的部分熔化，形成熔区，并且所述气体喷射器向所述熔区喷射掺杂气体，从而使得所述原料棒结晶为单晶棒。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过将气体喷射器与射频加热线圈固定连接，在气体喷射器的环形管上开设有数个气孔，使得从气体喷射器喷出的掺杂气体对掺杂气流分布有明显改善，掺杂气流能够更加均匀的分布在熔区周围，使得熔区对掺杂气体的吸收率大大增加，从而提高了气相掺杂硅单晶的电阻均匀性，同时节约了掺杂源。

附图说明

图1为本发明一实施例中区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置形成硅单晶的示意图。

图2为本发明一实施例中环形管的结构示意图。

图3为本发明一实施例中环形管与气体混合箱的连接示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容做进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应对此作为本发明的限定。

本发明的核心思想是：通过将气体喷射器与射频加热线圈固定连接，在气体喷射器的环形管上开设有数个气孔，使得从气体喷射器喷出的掺杂气体对掺杂气流分布有明显改善，掺杂气流能够更加均匀的分布在熔区周围，使得熔区对掺杂气体的吸收率大大增加，从而提高了气相掺杂硅单晶的电阻均匀性，同时节约了掺杂源。

图1为本发明一实施例中区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装 置形成硅单晶的示意图，如图1所示，本发明提出一种区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置10，包括气体喷射器100与射频加热线圈200，所述气体喷射器100与所述射频加热线圈200形状相同，共同环绕原料棒，且所述气体喷射器100与所述射频加热线圈200固定连接；所述区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置10沿原料棒20的长度方向缓慢移动并通过所述原料棒20，在所述射频加热线圈200中通过高功率的射频电流，射频功率电磁场将在原料棒20中引起涡流，产生焦耳热，通过调整线圈功率，可以使得原料棒20紧邻线圈的部分熔化，形成熔区30，同时所述气体喷射器100向所述熔区30喷射掺杂气体；所述区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置10移过之后，原料棒20结晶为单晶棒40。

所述气体喷射器100包括一环形管101，请参考图2，其为本发明一实施例中环形管的结构示意图，所述环形管101上设置有进气端102，并且在所述环形管101上开设有数个气孔103，从而使得掺杂气流能够更加均匀的分布在熔区周围，使得熔区对掺杂气体的吸收率大大增加，从而提高了气相掺杂硅单晶的电阻均匀性，同时节约了掺杂源。

本实施例中，所述环形管101的材质为陶瓷，所述环形管101上的气孔103为等间距均匀分布，如图2所示。在其他实施例中，所述环形管101的材质可以为铜质镀银的金属，或不与掺杂气体发生反应的其他材质；所述环形管101上的气孔103也可为不均匀分布，例如在靠近所述进气端102的地方稀疏，在远离所述进气端102的地方密集；气孔102的数量根据不同的工艺条件而定。所述气孔102的形状为圆形、椭圆形、方形或不规则形状，也可以是本领域技术人员已知的其他形状。

所述气体喷射器100安装于所述射频加热线圈200的上方，所述气体喷射器100与所述射频加热线圈200可以通过销钉或螺丝固定连接，方便两者之间的固定与分离，从而可以单独对所述气体喷射器100或所述射频加热线圈200进行更换；也可以通过焊接方式进行固定连接，以防止所述气体喷射器100与所述射频加热线圈200的部分连接部位发生分离，保证掺杂气流能够均匀的分布在熔区周围。可以理解的是，所述气体喷射器100也可以安装于所述射频加热线圈200的下方，具体的安装位置根据实际的工艺条件及装置来决定，最终 保证掺杂气流能够均匀的分布在熔区周围。

所述区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置还包括一气体混合箱与一质量流量控制器，所述气体混合箱具有冷却装置，且所述气体混合箱的出气口与所述环形管相连，所述质量流量控制器与所述气体混合箱的进气口连接，用于控制通入所述气体混合箱的气体。请参考图3所示，其为本发明一实施例中环形管与气体混合箱的连接示意图，掺杂气体或者稀释混合气体经第一质量流量控制器401与第二质量流量控制器402通入至气体混合箱300进行混合后再传输至所述环形管101，然后喷射至熔区30进行长晶掺杂。所述冷却装置(图中未示出)用于冷却所述气体混合箱300内的气体。

相应的，本发明还提供一种区熔法气相掺杂生长硅单晶的方法，采用上述的区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置进行硅单晶生长。具体的，包括：将区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置环绕原料棒，从原料棒的一端向另一端缓慢移动，在所述区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置经过的地方，射频加热线圈中通过高功率的射频电流，射频功率电磁场将在原料棒中引起涡流，产生焦耳热，通过调整线圈功率，可以使得原料棒紧邻线圈的部分熔化，形成熔区，同时所述气体喷射器向所述熔区喷射掺杂气体，在所述区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置移过之后，所述原料棒结晶为单晶棒。

综上所述，本发明提供的区熔法生长硅单晶用气体喷射与射频加热一体装置及方法，通过将气体喷射器与射频加热线圈固定连接，在气体喷射器的环形管上开设有数个气孔，使得从气体喷射器喷出的掺杂气体对掺杂气流分布有明显改善，掺杂气流能够更加均匀的分布在熔区周围，使得熔区对掺杂气体的吸收率大大增加，从而提高了气相掺杂硅单晶的电阻均匀性，同时节约了掺杂源。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。