一种直拉法生长低电阻率单晶硅用掺杂装置及掺杂方法
【专利摘要】一种直拉法生长低电阻率单晶硅用掺杂装置，包括固定支架、盛料杯、导流管、卸料杯、锥形底托及连接杆，固定支架上开设有通孔；盛料杯穿过该通孔并由其外壁上的凸缘搭载在固定支架上，盛料杯的下端连接导流管；卸料杯呈两端开口的筒状，其外壁上设有凸缘，该卸料杯套设在该盛料杯内，并可以沿盛料杯的内壁上下移动；锥形底托的下端恰与卸料杯的内壁接触，并可沿卸料杯的内壁上下移动；连接杆的上端连接单晶炉的籽晶提拉轴，并通过连接件连接固定支架，连接杆的下端连接锥形底托的上端。掺杂剂经锥形底托与卸料杯间形成的缝隙流入盛料杯，并通过导流管流进硅熔体中，能避免气态掺杂元素逃逸损失，生长出低电阻率、高掺杂的单晶硅。
【专利说明】一种直拉法生长低电阻率单晶硅用掺杂装置及掺杂方法
【技术领域】
[0001]本发明提供一种直拉法生长单晶硅用掺杂装置及掺杂方法，尤其涉及一种将掺杂剂掺杂到硅熔体中的掺杂装置，以及在直拉法生长低电阻率单晶硅过程中采用该掺杂装置对硅熔体进行掺杂的方法。
【背景技术】
[0002]通过直拉法(Czochralski method)生长单晶娃时,需要根据单晶娃的规格、目的，在晶体生长时控制其导电的类型及电阻率。其中，导电类型是由掺杂的元素外层电子的数量决定的，而电阻率(比电阻)的控制是通过控制在单晶硅生长时硅熔体中所含有掺杂元素的浓度来实现的。
[0003]硅的外层电子有4个，当掺入的原子外层电子只有3个时，与硅化学键结合时形成“空穴”。而当掺杂的原子外层有5个电子时，与硅化学键结合时将富余的“电子”。形成“空穴”导电的掺杂剂通常使用硼⑶，硼⑶的熔点比较高，容易控制电阻；而形成“电子”导电的通常选择位于元素周期表V族的磷⑵、铺(Sb)、砷(As)作为掺杂剂。磷⑵、铺(Sb)、砷(As)熔点都低于硅(Si)的熔点。磷在硅中的固溶度高，可以获得很低电阻率的单晶硅，但挥发在炉内的磷，在清炉时由于接触空气而有氧化着火、甚至有火灾的危险。因此，为了实现单晶硅的低电阻化，磷掺杂时使用量存在限度。锑对硅的固溶度低、在单晶硅的低电阻化方面是有限度的。因此为了得到低电阻的单晶硅，常常使用砷作为掺杂剂。
[0004]以砷作为掺杂剂，当单晶娃直径达到200mm时,要求每炉(run)娃原料装料量达到120~150kg甚至更大，同时单晶硅的低电阻化方面要求更高的掺杂浓度，这两个因素决定每炉(run)砷的掺入量比直径为150mm的单晶硅的掺入量增加了 3~6倍。
[0005]目前可以实现单晶硅 掺杂的技术很多。众所周知的对于掺硼(B)或轻掺磷(P)常采用制成母合金后与硅原料一起装填在石英坩埚内，加热后含硼(B)或磷(P)的母合金一起熔化(共熔法)。采用一只坩埚拉制两支或两支以上单晶的技术，或者需要对第二支晶体的电阻率进行调整，可以将母合金投入硅熔体或将母合金混在小块的硅原料中投入石英坩埚内(投入法)。这是业内人士经常采用的掺杂方法，适合挥发性差的掺硼或母合金。硼或母合金的掺入很少量的，一般情况下掺杂剂的质量在0.10~IOg范围。
[0006]对于磷(P)、锑(Sb)、砷(As)低熔点元素，如果采用与硅原料一起装填在石英坩埚内一起熔化(共熔法)，则在硅还未熔化为液相前低熔点的掺杂元素将汽化挥发，随即被氩气气流带走；熔化后的硅熔体中掺杂剂浓度不能达到预期的浓度要求。如果采用投入法掺杂，当掺杂元素料块接触硅熔体的瞬间，掺杂剂急速汽化的使硅熔体产生喷溅，石英坩埚壁、热场部件沾上娃，造成其损坏。
[0007]对这类掺杂元素通常采用在硅熔体上方汽化后再吹入熔体(挥发法)，中国专利ZL 01136694.X “一种用于直拉单晶制备中的掺杂方法及其装置”提供了这种技术。该技术避免了硅的喷溅，掺杂后单晶炉内很干净，有利于晶体生长，得到了广泛的应用。如果每炉(run)砷(As)的掺入量达到600~1200g, —方面由于娃熔体表面吸收掺杂兀素速度的制约，有一部分的气态砷(As)将从熔体上方逃逸损失；另一方面娃熔体近表层吸收掺杂兀素形成高浓度区，高浓度的掺杂元素使无位错生长晶体失去晶体结构而回熔，再重复晶体生长流程，已经溶入熔体中的掺杂元素还有部分挥发。当挥发量达到一定量时，即使生长出无位错的晶体，其电阻率也将超出规范要求而失去利用价值；为了避免这种情况，当挥发量达到一定量时需要进行补掺杂，难以获得有理想电阻率的高掺杂单晶硅。
【发明内容】
[0008]针对现有技术中“投入法”掺杂低熔点元素容易产生喷溅、“挥发法”掺杂虽然能避免喷溅但有气态元素逃逸损失等缺陷，本发明的目的在于提供一种直拉法生长低电阻率单晶娃用掺杂装置。
[0009]本发明的另一目的在于提供一种采用上述掺杂装置的掺杂方法，通过使流体状态的掺杂原料靠近熔体慢速跌入硅熔体中而实现掺杂。
[0010]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0011]一种直拉法生长低电阻率单晶硅用掺杂装置，包括固定支架、盛料杯、导流管、卸料杯、锥形底托及连接杆，
[0012]该固定支架包括支脚和支撑面，该支撑面上开设有通孔；该通孔周围的支撑面上对称分布数个连接孔；
[0013]该盛料杯两端开口，其上端外壁上设有凸缘，下端呈漏斗形，该盛料杯穿过固定支架的通孔并由其外壁上的凸缘搭载在固定支架上，该盛料杯的下端连接导流管；
[0014]该卸料杯呈两端开口的筒状，其外壁上设有凸缘，该卸料杯套设在该盛料杯内，并可以沿盛料杯的内壁上下移动；
[0015]该锥形底托套设在卸料杯内，其下端恰与卸料杯的内壁接触，并可沿卸料杯的内壁上下移动；
[0016]该连接杆的上端连接单晶炉的籽晶提拉轴，并通过数个连接件分别连接固定支架上的数个连接孔，该连接杆的下端连接锥形底托的上端。
[0017]所述卸料杯的凸缘距离所述盛料杯的凸缘1.0~3.0cm0
[0018]所述导流管的上端呈漏斗形，与所述盛料杯的下端内壁相匹配，该导流管由透明石英玻璃制成。
[0019]所述导流管的下端呈直径逐渐缩小的圆台状。
[0020]所述连接件为3~4根耐热不锈钢材质的钢丝绳。
[0021]一种采用上述掺杂装置生长低电阻率单晶硅的掺杂方法，包括以下步骤:
[0022](I)将掺杂剂置于掺杂装置的卸料杯中，将掺杂装置悬挂在单晶炉内，籽晶转速为O ;进行抽真空、检漏、压力化、加热操作步骤；
[0023](2)待原 料多晶硅熔化以后，将工艺条件设置为:加热功率为引晶功率+3KW ;?甘埚转速为I~3rpm ;炉室压力为20~80torr ;稳定时间为I~2h ;
[0024](3)使用单晶炉的籽晶提拉轴快速将掺杂装置降下，固定支架靠近单晶炉隔离阀时，转为点动控制，使固定支架的支脚与单晶炉隔离阀座平稳接触，导流管的出料口距离硅熔体表面上方0.5~1.5cm ；；
[0025](4)继续点动控制下降籽晶提拉轴，卸料杯逐渐靠近盛料杯并落在盛料杯上，使锥形底托脱离卸料杯形成缝隙，使掺杂剂平稳跌入硅熔体中；
[0026](5)掺杂完毕后，使用单晶炉的籽晶提拉轴快速向上将掺杂装置提到副室，关闭单晶炉隔离阀，副室充气后取出掺杂装置，安装籽晶，进行晶体生长程序。
[0027]本发明的优点在于:
[0028]本发明的掺杂装置通过使流体状态掺杂原料慢速跌入硅熔体中而实现掺杂，进一步防止了硅熔体的喷溅。采用该掺杂装置能避免气态掺杂元素逃逸损失，从而生长出低电阻率、高掺杂的单晶硅。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为本发明掺杂装置的分解状态示意图。
[0030]图2为本发明掺杂装置组装后的结构示意图。
[0031]图3为本发明掺杂装置的单晶炉结构(悬挂)的剖面示意图。
[0032]图4为本发明掺杂装置的单晶炉结构(掺杂)的剖面示意图。
【具体实施方式】
[0033]以下通过【具体实施方式】及实施例对本发明做进一步说明。
[0034]如图1、2所示，本发明的直拉法生长低电阻率单晶硅用掺杂装置，包括固定支架1、盛料杯2、导流管3、卸料杯4、锥形底托5及连接杆6，固定支架I包括支脚7和支撑面8，该支撑面8上开设有通孔9 ;该通孔9周围的支撑面上对称分布数个连接孔；盛料杯2两端开口，其上端外壁上设有凸缘10·，下端呈漏斗形，盛料杯2穿过固定支架的通孔9并由其外壁上的凸缘10搭载在固定支架I上，盛料杯2的下端连接导流管3 ;卸料杯4呈两端开口的筒状，其外壁上设有凸缘11，卸料杯4套设在盛料杯2内，并可以沿盛料杯2的内壁上下移动；锥形底托5套设在卸料杯4内，其下端恰与卸料杯的内壁接触，并可沿卸料杯4的内壁上下移动；连接杆6的上端连接单晶炉的籽晶提拉轴，并通过数个连接件12分别连接固定支架上的数个连接孔，该连接件为3~4根耐热不锈钢材质的钢丝绳，连接杆6的下端连接锥形底托5的上端。
[0035]如图3所示，该掺杂装置通过连接杆6与单晶炉的籽晶提拉轴连接，悬挂在单晶炉内。用于向硅熔体掺杂的固体掺杂剂13放置在锥形底托5与卸料杯4构成的空间内。此时，卸料杯的凸缘11与盛料杯的凸缘10的距离为1.0~3.0cm，掺杂剂13、锥形底托5和卸料杯4的重量通过连接杆6分担，而固定支架1、盛料杯2和导流管3的重量由连接件12来承担。
[0036]该掺杂装置可以通过单晶炉的籽晶提拉轴进行上升或下降运动，下降到一定程度时固定支架的支脚7与单晶炉的隔离阀座8接触，固定支架1、盛料杯2和导流管3的三个部件重量之和AW1(AW1 =Wam通过固定支架的支脚7传递给单晶炉，连接件12不再负重，籽晶提拉轴的重量减少了 AWl时，表明本掺杂装置通过隔离阀座与单晶炉完成对接。
[0037]单晶炉的籽晶提拉轴继续下降时，卸料杯4逐渐靠近盛料杯2并落在盛料杯2上，卸料杯的凸缘11与盛料杯的凸缘10的距离H将逐渐缩短到零，即卸料杯4落在盛料杯2上，此时掺杂剂13、锥形底托5的重量仍然由连接杆6来负担。[0038]在前述条件下继续下降单晶炉的籽晶提拉轴，此时掺杂装置中只有锥形底托5可以向下运动，锥形底托5与卸料杯4之间将相互分离，并出现环形空隙，由于重力作用掺杂剂13将从该环形空隙泄漏出来，落在盛料杯2内，通过单晶炉的籽晶提拉轴的位置调节空隙的大小，间接控制了掺杂剂13的泄料速度。
[0039]实施例1
[0040]将600g金属砷(纯度为6N)装入石英料杯中，该石英料杯底部放置I块厚度为2mm的硅片，该硅片可以阻挡部分熔体的热辐射，减缓砷的蒸发速度；将装有金属砷石英料杯悬挂在一个上端封闭石英钟罩内，石英料杯底部平面与石英钟罩底面的距离保持在6”~12” ;在将有金属砷的石英钟罩悬挂在单晶炉的籽晶提拉轴上，内有金属砷的石英钟罩下降到温度高于硅熔点的120kg熔体上方，石英钟罩底面与硅熔体的距离保持0.5”~1.0”，炉室压力维持在40~IOOtorr,金属砷受热后汽化为As蒸汽,在5~IOmin内As全部汽化而掺入硅熔体。
[0041]掺杂完毕后，使用单晶炉的籽晶提拉轴快速向上将石英钟罩提到副室，关闭单晶炉隔离阀，副室充气后取出石英钟罩。安装籽晶，进入标准的晶体生长程序，拉制一支直径8”、生长方向为〈100〉、长度约1250mm的高掺杂硅晶体I。
[0042]实施例2
[0043]1、将本发明的掺杂装置(如图2所示)，悬挂在单晶炉的籽晶提拉轴上，所选掺杂剂为直径为I~10mm、纯度为6N的颗粒状金属砷，将600g掺杂剂均匀的放置在卸料杯与锥形底托构成的底部封闭的空间内，保持掺杂装置平衡，导流管下端开口垂直指向硅熔体。
[0044]2、待120kg原料多晶硅熔化以后，将硅熔体按以下工艺条件稳定:
[0045](I)热器功 率(KW)=引晶功率(KW)+3KW ；
[0046](2) i甘祸转速(CR) = I ~3rpm ；
[0047](3)炉室压力(FT) = 20 ~80torr ；
[0048](4)稳定时间(hours):l_2h ；
[0049]3、使用单晶炉的籽晶提拉轴快速将掺杂装置降下，固定支架靠近单晶炉隔离阀时，转为点动控制:
[0050](I)确认固定支架与单晶炉隔离阀座是否平稳接触，否则，向上提升掺杂装置10~30cm,稳定后再次操作；导流管的出料口距离娃熔体表面上方0.5~1.5cm。
[0051](2)继续点动控制下降籽晶提拉轴，此时籽晶提拉轴的重量减少了 AWl ;卸料杯逐渐靠近盛料杯并落在上面；
[0052](3)继续点动控制下降籽晶提拉轴，使锥形底托与卸料杯脱离，形成环形空隙，在5~15min内将600g掺杂剂平稳加入硅熔体中；
[0053]4、掺杂完毕后，使用单晶炉的籽晶提拉轴快速向上将掺杂装置提到副室，关闭单晶炉隔离阀，副室充气后取出掺杂装置。安装籽晶，进入标准的晶体生长程序，拉制一支直径8”、生长方向为〈100〉、长度约1250mm的高掺杂硅晶体2。
[0054]实施例3
[0055]1、将本发明的掺杂装置(如图2所示)，悬挂在单晶炉的籽晶提拉轴上，所选掺杂剂为直径I~10mm、纯度为6N的颗粒状金属砷，将600g掺杂剂和1000g颗粒硅混合后，均匀的放置在卸料杯与锥形底托构成的底部封闭的空间内，保持掺杂装置平衡，导流管的下端开口垂直指向硅熔体。
[0056]2、待119kg原料多晶硅熔化以后，将硅熔体按以下工艺条件稳定:
[0057](I)热器功率(KW)=引晶功率(KW)+3KW ；
[0058](2)坩埚转速(CR) = I ~3rpm ；
[0059](3)炉室压力(FT) = 2O ~8Otorr ；
[0060](4)稳定时间(hours):l_2h ；
[0061]3、使用单晶炉的籽晶提拉轴快速将掺杂装置降下，固定支架靠近单晶炉隔离阀时，转为点动控制，
[0062](I)确认固定支架与单晶炉隔离阀座是否平稳接触，否则，向上提升掺杂装置10~30cm,稳定后再次操作；导流管的出料口端距离娃熔体表面上方0.5~1.5cm。
[0063](2)继续点动控制下降籽晶提拉轴，此时籽晶提拉轴的重量减少了 AWl ;卸料杯逐渐靠近盛料杯并落在上面；
[0064](3)继续点动控制下降籽晶提拉轴，，使锥形底托与卸料杯脱离，形成环形空隙，在10~20min内将600g掺杂剂和1000g颗粒硅混合平稳加入硅熔体中；
[0065]4、掺杂完毕后，使用单晶炉的籽晶提拉轴快速向上将掺杂装置提到副室，关闭单晶炉隔离阀，副室充气后取出掺杂装置。安装籽晶，进入标准的晶体生长程序，拉制一支直径8”、生长方向为〈100〉、长度约1250mm的高掺杂硅晶体3。
[0066]实施例1是采用挥发法掺杂，拉制的晶体作为对照组晶体，编号为“晶体I” ；实施例2是采用本发明掺杂装置将颗粒状金属砷投入到硅熔体中进行掺杂，拉制的晶体编号为“晶体2” ；实施例3是采用本发明掺杂装置将颗粒状金属砷和颗粒硅的混合物投入到硅熔体中进行掺杂，拉制的编号为“晶体3”。三支晶体都是在120kg熔体掺入600g高纯度砷，在相同的单晶炉采用标准的晶体生长程序生长的，即除了掺杂方式不相同以外，其它条件是一样的。
[0067]这三支晶体截断去除头尾，从头到尾每段大致按400mm分成A、B、C三段。分别在A、B、C段头部及C段尾部切取厚度2_样片、样片处理后用四探针测试圆片中心位置的电阻率，电阻率测试的数据见表1。
[0068]表1实施例1~3所获得高掺杂晶体的电阻率
[0069]
【权利要求】
1.一种直拉法生长低电阻率单晶硅用掺杂装置，其特征在于，包括固定支架、盛料杯、导流管、卸料杯、锥形底托及连接杆， 该固定支架包括支脚和支撑面，该支撑面上开设有通孔；该通孔周围的支撑面上对称分布数个连接孔； 该盛料杯两端开口，其上端外壁上设有凸缘，下端呈漏斗形，该盛料杯穿过固定支架的通孔并由其外壁上的凸缘搭载在固定支架上，该盛料杯的下端连接导流管； 该卸料杯呈两端开口的筒状，其外壁上设有凸缘，该卸料杯套设在该盛料杯内，并可以沿盛料杯的内壁上下移动； 该锥形底托套设在卸料杯内，其下端恰与卸料杯的内壁接触，并可沿卸料杯的内壁上下移动； 该连接杆的上端连接单晶炉的籽晶提拉轴，并通过数个连接件分别连接固定支架上的数个连接孔，该连接杆的下端连接锥形底托的上端。
2.根据权利要求1所述的直拉法生长低电阻率单晶硅用掺杂装置，其特征在于，所述卸料杯的凸缘距离所述盛料杯的凸缘1.0~3.0cm0
3.根据权利要求1所述的直拉法生长低电阻率单晶硅用掺杂装置，其特征在于，所述导流管的上端呈漏斗形，与所述盛料杯的下端内壁相匹配。
4.根据权利要求1所述的直拉法生长低电阻率单晶硅用掺杂装置，其特征在于，所述导流管由透明石英玻璃制成。
5.根据 权利要求1所述的直拉法生长低电阻率单晶硅用掺杂装置，其特征在于，所述导流管的下端呈直径逐渐缩小的圆台状。
6.根据权利要求1所述的直拉法生长低电阻率单晶硅用掺杂装置，其特征在于，所述连接件为3~4根耐热不锈钢材质的钢丝绳。
7.一种采用权利要求1所述的掺杂装置生长低电阻率单晶硅的掺杂方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将掺杂剂置于掺杂装置的卸料杯中，将掺杂装置悬挂在单晶炉内，籽晶转速为O;进行抽真空、检漏、压力化、加热操作步骤； (2)待原料多晶硅熔化以后，将工艺条件设置为:加热功率为引晶功率+3KW;坩埚转速为I~3rpm ;炉室压力为20~80torr ;稳定时间为I~2h ; (3)使用单晶炉的籽晶提拉轴快速将掺杂装置降下，固定支架靠近单晶炉隔离阀时，转为点动控制，使固定支架的支脚与单晶炉隔离阀座平稳接触，导流管的出料口距离硅熔体表面上方0.5~1.5cm ； (4)继续点动控制下降籽晶提拉轴，卸料杯逐渐靠近盛料杯并落在盛料杯上，使锥形底托脱离卸料杯形成缝隙，使掺杂剂平稳跌入硅熔体中； (5)掺杂完毕后，使用单晶炉的籽晶提拉轴快速向上将掺杂装置提到副室，关闭单晶炉隔离阀，副室充气后取出掺杂装置，安装籽晶，进行晶体生长程序。
【文档编号】C30B29/06GK103849927SQ201210505550
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年11月30日 优先权日:2012年11月30日
【发明者】王学锋, 邓德辉, 高朝阳, 曾泽红, 郑沉, 方峰 申请人:有研半导体材料股份有限公司, 国泰半导体材料有限公司