专利名称：硅红外滤光片的热处理工艺的制作方法
技术领域：
本发明是一种旨在降低直拉硅单晶氧含量，提高硅红外滤光片透过率的硅片热处理工艺，属于半导体滤光片的加工方法。
用半导体硅材料制造的7-14μm红外带通滤光片是很多红外仪器，例如红外报警器、红外探测器、红外传感器等所必需的元件。这种滤光片要求在上述红外光波段有高的透过率。一般用区熔硅单晶制造。这是因为直拉硅单晶的含氧量高，在9μm附近，有一强的氧吸收峰，导致该波段的透过率减小。美国BalzersOpticalCorporation在其出版的“Balzers”的技术信息栏中指出，由于直拉硅单晶的氧含量高，使得在9μm处，有镀层(抗反射镀层)的厚0.5mm的直拉硅单晶滤光片的透过率为66%，而同样条件的区熔硅单晶滤光片的透过率可达75%。二者相比，直拉硅单晶滤光片在9μm波段的透过率约低9%。但是，区熔硅单晶的价格要比直拉硅单晶高得多，导致用区熔硅单晶制造的硅滤光片的成本远高于用直拉硅单晶制造的滤光片。这在我国尤为明显。另外，直拉硅单晶在用于制造半导体集成电路及其它半导体器件时，单晶锭的头、尾部分常因其杂质含量高而弃之不用，这部分废料重新回炉直拉的硅单晶锭在本申请中称为廉价的直拉硅单晶。如果通过适当的处理，能用廉价的直拉硅单晶制造红外滤光片，将大大降低硅红外滤光片的生产成本，使红外仪器产品能以有利条件参与国际技术市场的竞争。
本发明的目的在于通过对廉价的直拉硅单晶片进行适当的热处理，使之在9μm处的红外透过率接近或达到区熔硅单晶的水平，以致可用廉价的直拉硅单晶代替区熔硅单晶制造7-14μm带通红外滤光片，从而大大降低硅红外滤光片的生产成本。
本发明是在对直拉硅单晶中氧行为研究的基础上提出的。直拉硅单晶的制造要使用石英坩埚，熔融的硅与石英坩埚接触。在拉制过程中带入二氧化硅，使直拉硅单晶的氧含量高达1×1018Cm-3，比区熔硅单晶的氧含量1×1016Cm-3高二个数量级。因此，直拉硅单晶在9μm附近出现Si-O-Si的明显吸收峰。
图1是氧在硅中的固溶度曲线(Semiconductor Silicon，V.81-5，PP 266，1981)。研究表明，9μm处的吸收峰是由硅中固溶的间隙氧引起的，固溶的氧含量越高，该吸收峰就越强。图1表明，随着温度的降低，氧在硅中固溶度也随之下降。因此，通过适当的热处理，可以降低硅中固溶氧的含量。但由于氧在硅中的扩散速度低，一般经长时间的恒温处理，高氧含量的硅单晶中过饱和的氧仍远大于该温度下的饱和固溶度，使得通过热处理降低硅片中氧含量的工作变得相当困难。本发明根据对硅中氧沉淀的动力学研究，掌握了不同温度阶段氧沉淀成核生长的规律，建立了一套硅片热处理工艺，使在适当的处理时间内，大大降低直拉硅单晶中的固溶氧含量，使之接近区熔硅单晶的氧含量水平，从而成功地使廉价直拉硅单晶片在9μm附近的红外透过率接近或达到区熔硅单晶的水平。
本发明的工艺在对廉价直拉硅单晶锭进行常规的切片、研磨、抛光后，用通常方法腐蚀、清洗硅片，将硅片装入先经HCl处理过的石英炉管，本发明的特征在于在400-1000℃分四段温区逐步升温，其中在400-550℃和700-800℃分别保温10-30小时，在800-900℃和900-1000℃分别保温2-5小时，然后自然冷却至850℃以下时取出热处理好的硅片。
用本发明的工艺处理的廉价直拉硅单晶片在红外分光光度计上测定其透射光谱，测得结果表明，处理后的直拉硅单晶片在9μm处的透过率接近或达到了区熔硅单晶片的水平。图2是厚度为1mm的廉价直拉硅单晶片的红外透射光谱，由图可见，在9μm(1106Cm)附近的透过率达到75.5%。图3是热处理前后廉价直拉硅单晶片(未经防反射镀层处理)的透射光谱，可明显看出经本发明的工艺处理后9μm附近透过率的提高。
本发明的具体工艺如下1.将廉价直拉硅单晶锭切片、研磨、抛光后，用1＃洗液(H2O∶H2O2∶NH4OH＝5∶2∶1)煮沸三分钟，用去离子水冲洗，然后用稀氢氟酸溶液(HF∶H2O＝1∶20)漂去硅片表面自然氧化层，用去离子水冲洗五分钟，再用2＃洗液(H2O∶H2O2∶HCl＝7∶2∶1)煮沸10分钟，去离子水冲洗10分钟，烘干。
2.将热处理用石英炉管在1000-1150℃下，在含3-5%HCl的氧气气氛下处理2-6小时后，在炉温降至400℃以下时，装入硅片。
3.将炉温升至400-550℃，保温10-30小时，然后升温至700-800℃，保温10-30小时，再升温至800-900℃，保温2-5小时，最后将炉温升至900-1000℃，保温2-5小时。
4.待炉温降至850℃以下时，取出硅片。
用本发明的工艺，先后对不同厂(如上海冶炼厂，739厂等)生产的不同直径，不同厚度的廉价直拉硅单晶片共六万多片进行处理，均得到接近或达到区熔硅单晶片同样满意的结果。实践表明，用本发明的工艺处理的廉价直拉硅单晶片完全可代替区熔硅单晶制造红外滤光片。据初步估算，每公斤硅片可节省成本3000元，大大降低了硅红外滤光片的成本。用本发明的工艺制造的硅红外滤光片完全能满足红外报警器、红外检测器、红外传感等红外仪表、元件的生产、使用和出口的要求。
权利要求
一种硅红外滤光片的热处理工艺，包括硅片的切、磨、抛光和腐蚀清洗及热处理用石英炉管的HCl处理，本发明的特征在于1.在炉温低于400℃时，装入硅片，
2.将炉温升至400-550℃，保温10-30小时；然后升温至700-800℃，保温10-30小时，再升温至800-900℃，保温2-5小时，最后升温至900-1000℃，保温2-5小时，
3.在炉温降至850℃以下时，取出硅片。
全文摘要
一种旨在降低直拉硅单晶氧含量，提高硅红外滤光片透过率的硅片热处理工艺，其特征是将硅片在400-1000℃温度间的四段温区逐步升温并保温适当时间并在硅片冷却至850℃以下时取出，处理后的直拉硅单晶片在9μm处的透过率接近或达到区熔硅单晶的水平，用热处理后的廉价直拉硅单晶片制造的红外滤光片，可满足红外仪器设备所需红外滤光片的要求，大大降低了滤光片的成本。
文档编号G02B1/02GK1069299SQ9110746
公开日1993年2月24日 申请日期1991年8月6日 优先权日1991年8月6日
发明者谭淞生, 朱建生, 李月珍 申请人:中国科学院上海冶金研究所