专利名称：一种高阻硅单晶的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高阻硅单晶的制备方法。
背景技术：
区熔技术是利用多晶锭分区熔化和结晶来生长单晶体的方法，该法在原料头部放 置一小块单晶即籽晶，并在籽晶和原料晶锭相连区域建立熔区，移动晶锭或加热器使熔区 朝晶锭长度方向不断移动，使整个晶锭的其余部分依次熔化后又结晶，单晶不断长大。这种 技术可用于生产纯度高达99. 999%的半导体、金属、合金、无机和有机化合物晶体。真空区熔技术是利用真空下杂质的蒸发和分凝效应而得到高纯度硅单晶的一种 方法，在真空环境下提纯并生长硅单晶，可以使材料达到并保持更高的纯度，利用该法可制 备纯度IlN的高纯硅单晶。高纯度硅单晶是制作各种辐射探测器和光电探测器不可缺少的重要材料。但是由 于晶体生长条件的改变，导致杂质的挥发与返回使单晶极易断棱，并且由于真空中缺少气 氛托浮力使单晶直径很难做大，所以在真空中生长区熔硅单晶要比在氩气气氛中生长单晶 困难许多。近年来，对于制备高阻硅单晶的工艺出现了很多有意义的探索和研究成果 如申请号为200910301603. 4的发明申请公开了一种真空区熔高阻硅单晶的制备方
法，但该公开专利是用来制备电阻率为(1-2) Χ104Ω · cm的真空高阻区熔硅单晶，而本发 明是制备电阻率为(2 7)Χ103Ω 的真空高阻区熔硅单晶，此为两种不同规格的产品， 用途不一样。申请号为200610013497. 6的发明申请公开了一种气相掺杂区熔硅单晶的生产方 法，但该公开专利中，掺杂后多晶并未经过真空提纯，产品纯度低。已有的制备电阻率为(2 7) Χ103Ω · cm的真空高阻区熔硅单晶的掺杂法为涂 抹法，该方法存在的问题是晶体内掺杂剂不容易分布均勻，不同晶体的径向电阻率分布存 在差异，并且配置掺杂剂的工序比较麻烦。这些问题的根源是使用该掺杂方法无法避免的 缺陷，即掺杂人员个体差异和掺杂量无法精确控制造成的。而本专利所用掺杂方法为气相 掺杂法，掺杂气体从喷嘴中吹向熔区，一定程度上增加了掺杂气体与熔区的接触面积，有利 于轴向和径向的均勻掺杂；另外，为了进一步提高掺杂的均勻性，我们在熔区一周都设计了 掺杂孔，从而更利于不均勻性的降低；而掺杂量及掺杂时间也可通过计算机精确控制，达到 了掺杂均勻，消除个体差异并精确控制掺杂量的目的。
发明内容
本发明的目的在于针对以上现有技术中存在的问题，提供一种制备电阻率为 (2 7) Χ103Ω · cm的高纯度的高阻区熔硅单晶的生产工艺。现有的硅单晶的生产过程中，已经有加入掺杂这一工艺步骤，本发明和现有的掺 杂的区别在于原有的气相掺杂技术为掺杂后便在氩气气氛下成晶，而本发明将气相掺杂与真空区熔技术相结合，利用气氛区熔中气相掺杂工艺对高纯多晶硅原料进行掺杂，增加 其中的有益杂质含量，然后再通过真空提纯来去除有害杂质提高晶体的纯度，最后在真空 状态下成晶。为了达到上述发明目的，本发明实施如下的技术方案
一种高阻硅单晶的制备方法，包括多晶硅区熔掺杂、真空提纯、真空成晶三大工艺，其 步骤如下
(1)多晶硅区熔掺杂
a、清炉、装炉清理整个炉室，调整多晶料、籽晶、加热线圈及上轴、下轴使它们的中心 在一条直线上；
b、抽气、充气、预热打开真空泵及抽气管道阀门，对炉室进行抽真空，真空度达到 0. IPa以下时，关闭抽气管道阀门及真空泵，向炉膛内快速充入氩气；充气完毕后，对多晶 硅棒进行预热；
C、化料、引晶预热结束后，进行化料；多晶料熔化后，将籽晶与熔硅进行熔接，熔接 后弓I晶；
d、缩细颈进行细颈的生长，细颈直径2-6mm，长度30_60mm；
e、开掺杂气体打开触摸屏上的掺杂开关，使掺杂气体进入炉膛，所述掺杂气体为 磷烷与氩气的混合气体、或者硼烷与氩气的混合气体，其中磷烷、硼烷所占的浓度比为 0.0001%-100% ；
f、放肩、转肩、等径细颈生长结束后，进行放肩，放肩过程中减少下移速至l-8mm/ min ；在放肩直径与所需晶体直径相差10-20mm时，进行转肩，直至晶体达到所需直径，转肩 后晶体等径生长；
g、收尾、停掺杂气体、停炉当晶体拉至尾部，开始进行收尾并停掺杂气体，当熔区直径 为10-20mm时将熔区拉开，上轴上升，下轴下降；
(2)真空提纯
将掺杂后的多晶硅在真空状态下进行提纯，制备纯度为ION以上的高纯度多晶硅棒；
(3)真空成晶
将上述步骤得到的高纯度多晶硅棒，在真空气氛下进行单晶硅成晶工序。本发明目的通过如下优选方式来进一步实施 作为优选，所述的真空提纯工艺进一步包括如下步骤
(1)清炉、装炉工序
a、用去离子水清洗真空区熔单晶炉炉室的内壁、加热线圈、石英叉、上轴、下轴，擦干与 抽除室内水汽，检测尘埃含量，使炉室内清洁度达到万级，即直径在0.5μπι以上的尘埃粒 子数彡105/m3 ；
b、将籽晶装到籽晶座上，然后将其安装到下轴顶端；
C、将作为物料的掺杂后的多晶硅棒垂直装在上轴上，使其下端的头部处于水平设置的 加热线圈的中心上面位置；将内装石墨的水平石英叉置于加热线圈之上且使其叉头水平靠 近多晶硅棒的头部；关闭炉门，拧紧各紧固螺栓；
(2)抽空、预热工序
d、启动机械泵，对真空区熔单晶炉抽真空，当炉室内的真空度达到10_2Pa时，开启分子泵，将炉室内的真空度抽至10_3-10_6Pa ；
用石英叉对多晶硅棒进行间接辐射预热，预热时间为20 30分钟，待多晶硅棒变红后 移去石英叉，开启上轴转速至0. l-3rpm/min，下轴反向转速至0. l-6rpm/min，使多晶硅棒 均勻受热；
(3)化料、熔接工序
预热结束后进行化料，将下轴转速增加到5 20rpm/min，同时将下轴上移使籽晶与多 晶硅棒上的熔硅进行熔接；
(4)生长细颈工序
当籽晶与多晶硅棒熔接时，将上、下轴同时下移进行细颈生长过程，其上轴移速为 l-2mm/min，下轴移速为5-20mm/min，使细颈生长至直径为2 5mm、长度为40_60mm ； (5)放肩工序在细颈生长结束后，进行放肩，即缓慢降低下轴移速至l-5mm/min；改变 上轴移速至l-3mm/min，使头部直径缓慢生长至等直径；
(6)转肩工序、等径及收尾工序当放肩直径与提纯该次多晶硅棒的目标直径相差5 8mm时，将放肩速度减慢至2 士 lmm/min进行转肩，直至达到所需直径；然后保持等径过程， 使之直径保持在20 100mm，多晶硅生长速度在2 4mm/min ；当多晶硅棒拉至尾部时，降 低加热功率进行收尾，至直径达到10 30mm，再进行下次提纯；
(7)重复工序按触摸屏上的快速移动按钮，将多晶硅棒升至多晶料头部放肩位置，与 加热线圈齐平，重复上述步骤(3)-步骤(6) 2-20次，从而得到纯度为ION以上的高纯度多 晶硅棒。 作为优选，所述的在真空气氛下进行的单晶硅成晶工序进一步包括如下步骤
(1)清炉、装炉工序
a、用去离子水清洗真空区熔单晶炉炉室的内壁、加热线圈、石英叉、上轴、下轴，擦干与 抽除室内水汽，检测尘埃含量，使炉室内清洁度达到万级，即直径在0.5μπι以上的尘埃粒 子数彡105/m3 ；
b、将籽晶装到籽晶座上，然后将其安装到下轴顶端；
c、将在真空气氛下进行提纯得到的纯度为ION以上的高纯度多晶硅棒垂直装在上轴 上，使其下端的头部处于水平设置的加热线圈的中心上面位置；将内装石墨的水平石英叉 置于加热线圈之上且使其叉头水平靠近多晶硅棒的头部；
d、关闭炉门，拧紧各紧固螺栓；
(2)抽空、预热工序
e、启动机械泵，对真空区熔单晶炉抽真空，当炉室内的真空度达到ICT2Pa时，开启分子 泵；将炉室内的真空度抽至10_3-10_6Pa ；
用石英叉对多晶硅棒进行间接辐射预热，预热时间为20 30分钟，待多晶硅棒变红后 移去石英叉，开启上轴转速至0. l-3rpm/min，下轴反向转速至0. l-6rpm/min，使多晶硅棒 均勻受热；
(3)化料、熔接工序
预热结束后进行化料，将下轴转速增加到5 20rpm/min，同时将下轴上移使籽晶与多 晶硅棒上的熔硅进行熔接；
(4)引晶工序将籽晶与熔硅进行熔接，熔接后启动上下轴转速，上轴转速至l-2rpm/min，下轴转速至2 15rpm/min，调整下轴移速到2 lOmm/min，进行细颈生长，使细颈直 径达到2 5mm，长度到30 60mm ；
(5)放肩、转肩工序在细颈生长结束后，进入放大过程；缓慢降低下轴移速至2-4mm/ min,并相应增加阳极电压至3-7KV，同时增加上轴下移速度至5-8mm/min进行放肩过程，在 放肩直径与单晶直径相差5 8mm时，将放肩速度减慢至3 5mm/min进行转肩；
(6)等径、收尾、停炉工序转肩后，以2 4mm/min生长速度进行等径生长；当单晶硅 拉至尾部进行收尾，降低阳极电压和上轴移速，缩小单晶硅直径，直至熔区直径为5 8mm 时停止上轴移速，拉断熔区，保持下轴移速和转速不变，直到熔区收尖，停高频发生器电源 开关，停止下轴移速与转速，停分子泵、机械泵；即最终得到所需高阻硅单晶产品。本专利采用先掺杂后提纯的顺序，这样做的好处是在制备N型单晶时，先利用掺 杂工艺增加晶体中的P含量，然后通过提纯调整其含量直至晶体电阻率在目标范围之内， 并同时去除晶体中的有害杂质提高晶体的纯度；在制备P型单晶时，掺杂后多次提纯可以 去除有害杂质提高晶体的纯度，并提高掺入杂质在晶体中径向和纵向分布均勻性。采用本发明方法制备硅单晶，能够极大提高所得硅单晶的纯度，获得低的断面电 阻率不 均勻性和保持高的少子寿命，单晶电阻率达到2000 Ω . cm 7000 Ω . cm,其纯度达到 ION以上，其断面电阻率不均勻性小于15%，少子寿命大于1000 μ s，从而极大提高器件性 能和稳定性、安全性；同时可实现批量生产该规格的真空区熔高阻硅单晶。采用四探针电阻率测试仪测试样品的电阻率；采用少数载流子寿命测试仪测试样 品少子寿命值；对硅单晶样品缺陷的检测是用化学腐蚀法先将样品经过CP-4化学抛光液 处理后再进行ASTM腐蚀剂腐蚀，然后采用金相电子显微镜观察样品缺陷。结果显示，单晶 电阻率2000 Ω · cm-7000 Ω · cm，寿命大于1000 μ s，电阻率不均勻性小于15%，微缺陷小于 100/cm2即无微缺陷。
具体实施例方式实施例1制备Φ 40mm的高阻区熔硅单晶的制备方法
使用丹麦托普索公司生产的FZ-30型区熔单晶炉与北京京运通科技有限公司生产的 QR-400国产真空区熔单晶炉，用本发明方法生产Φ40πιπι的高阻硅单晶，其质量达到SEMI标 准。该高阻硅单晶的制备方法依序包括多晶硅区熔掺杂、真空提纯与真空成晶工艺， 按如下步骤操作
1多晶硅区熔掺杂
a、清炉、装炉清理整个炉室，调整多晶料、籽晶、加热线圈及上轴、下轴使它们的中心 在一条直线上；
b、抽气、充气、预热打开真空泵及抽气管道阀门，对炉室进行抽真空，真空度达到 0. IPa以下时，关闭抽气管道阀门及真空泵，向炉膛内快速充入氩气；充气完毕后，对多晶 硅棒进行预热；
C、化料、引晶预热结束后，进行化料；多晶料熔化后，将籽晶与熔硅进行熔接，熔接后 弓I晶；
d、缩细颈进行细颈的生长，细颈直径2mm，长度30mm ；e、开掺杂气体打开触摸屏上的掺杂开关，使掺杂气体进入炉膛，所述掺杂气体为磷烷 与氩气的混合气体、其中磷烷所占的浓度比为0. 0001% ；
f、放肩、转肩、等径细颈生长结束后，进行放肩，放肩过程中减少下移速至lmm/min； 在放肩直径与所需晶体直径相差IOmm时，进行转肩，直至晶体达到所需直径，转肩后晶体 等径生长；
g、收尾、停掺杂气体、停炉当晶体拉至尾部，开始进行收尾并停掺杂气体，当熔区直径 为IOmm时将熔区拉开，上轴上升，下轴下降。2真空提纯
将掺杂后的多晶硅在真空状态下进行提纯，制备纯度为ION以上的高纯度多晶硅棒；
(1)清炉、装炉工序
a、用去离子水清洗真空区熔单晶炉炉室的内壁、加热线圈、石英叉、上轴、下轴，擦干与 抽除室内水汽，检测尘埃含量，使炉室内清洁度达到万级，即直径在0.5μπι以上的尘埃粒 子数彡105/m3 ；
b、将籽晶装到籽晶座上，然后将其安装到下轴顶端；
C、将作为物料的掺杂后的多晶硅棒垂直装在上轴上，使其下端的头部处于水平设置的 加热线圈的中心上面位置；将内装石墨的水平石英叉置于加热线圈之上且使其叉头水平靠 近多晶硅棒的头部；关闭炉门，拧紧各紧固螺栓；
(2)抽空、预热工序
d、启动机械泵，对真空区熔单晶炉抽真空，当炉室内的真空度达到10_2Pa时，开启分子 泵，将炉室内的真空度抽至10_3Pa ；
用石英叉对多晶硅棒进行间接辐射预热，预热时间为20分钟，待多晶硅棒变红后移去 石英叉，开启上轴转速至0. lrpm/min，下轴反向转速至0. lrpm/min，使多晶硅棒均勻受热；
(3)化料、熔接工序
预热结束后进行化料，将下轴转速增加到5rpm/min，同时将下轴上移使籽晶与多晶硅 棒上的熔硅进行熔接；
(4)生长细颈工序
当籽晶与多晶硅棒熔接时，将上、下轴同时下移进行细颈生长过程，其上轴移速为Imm/ min，下轴移速为5mm/min，使细颈生长至直径为2mm、长度为40mm ；
(5)放肩工序在细颈生长结束后，进行放肩，即缓慢降低下轴移速至lmm/min；改变上 轴移速至lmm/min，使头部直径缓慢生长至等直径；
(6)转肩工序、等径及收尾工序当放肩直径与提纯该次多晶硅棒的目标直径相差5mm 时，将放肩速度减慢至2mm/min进行转肩，直至达到所需直径；然后保持等径过程，使之直 径保持在20mm，多晶硅生长速度在2mm/min ；当多晶硅棒拉至尾部时，降低加热功率进行收 尾，至直径达到10mm，再进行下次提纯。(7)重复工序按触摸屏上的快速移动按钮，将多晶硅棒升至多晶料头部放肩位 置，与加热线圈齐平，重复上述步骤(3)-步骤(6)2次，从而得到纯度为ION以上的高纯度 多晶硅棒。3、真空成晶
(1)清炉、装炉工序a、用去离子水清洗真空区熔单晶炉炉室的内壁、加热线圈、石英叉、上轴、下轴，擦干与 抽除室内水汽，检测尘埃含量，使炉室内清洁度达到万级，即直径在0.5μπι以上的尘埃粒 子数彡105/m3 ；
b、将籽晶装到籽晶座上，然后将其安装到下轴顶端；
c、将在真空气氛下进行提纯得到的纯度为ION以上的高纯度多晶硅棒垂直装在上轴 上，使其下端的头部处于水平设置的加热线圈的中心上面位置；将内装石墨的水平石英叉 置于加热线圈之上且使其叉头水平靠近多晶硅棒的头部；
d、关闭炉门，拧紧各紧固螺栓；
(2)抽空、预热工序
e、启动机械泵，对真空区熔单晶炉抽真空，当炉室内的真空度达到ICT2Pa时，开启分子 泵；将炉室内的真空度抽至10_3Pa ；
用石英叉对多晶硅棒进行间接辐射预热，预热时间为20分钟，待多晶硅棒变红后移去 石英叉，开启上轴转速至0. lrpm/min，下轴反向转速至0. lrpm/min，使多晶硅棒均勻受热；
(3)化料、熔接工序
预热结束后进行化料，将下轴转速增加到5rpm/min，同时将下轴上移使籽晶与多晶硅 棒上的熔硅进行熔接；
(4)引晶工序将籽晶与熔硅进行熔接，熔接后启动上下轴转速，上轴转速至Irpm/ min，下轴转速至2rpm/min，调整下轴移速到2mm/min，进行细颈生长，使细颈直径达到2mm， 长度到30mm ；
(5)放肩、转肩工序在细颈生长结束后，进入放大过程；缓慢降低下轴移速至2mm/ min,并相应增加阳极电压至3KV，同时增加上轴下移速度至5mm/min进行放肩过程，在放肩 直径与单晶直径相差5mm时，将放肩速度减慢至3mm/min进行转肩；
(6)等径、收尾、停炉工序转肩后，以2mm/min生长速度进行等径生长；当单晶硅拉至 尾部进行收尾，降低阳极电压和上轴移速，缩小单晶硅直径，直至熔区直径为5mm时停止上 轴移速，拉断熔区，保持下轴移速和转速不变，直到熔区收尖，停高频发生器电源开关，停止 下轴移速与转速，停分子泵、机械泵；即最终得到所需高阻硅单晶产品。实施例2制备045mm的高阻区熔硅单晶的制备方法
使用丹麦托普索公司生产的FZ-30型区熔单晶炉与北京京运通科技有限公司生产的 QR-400国产真空区熔单晶炉，用本发明方法生产045mm的高阻硅单晶，其质量达到SEMI标 准。该高阻硅单晶的制备方法依序包括多晶硅区熔掺杂、真空提纯与真空成晶工艺， 按如下步骤操作
1多晶硅区熔掺杂
a、清炉、装炉清理整个炉室，调整多晶料、籽晶、加热线圈及上轴、下轴使它们的中心 在一条直线上；
b、抽气、充气、预热打开真空泵及抽气管道阀门，对炉室进行抽真空，真空度达到 0. IPa以下时，关闭抽气管道阀门及真空泵，向炉膛内快速充入氩气；充气完毕后，对多晶 硅棒进行预热；
C、化料、引晶预热结束后，进行化料；多晶料熔化后，将籽晶与熔硅进行熔接，熔接后弓I晶；
d、缩细颈进行细颈的生长，细颈直径6mm，长度60mm；
e、开掺杂气体打开触摸屏上的掺杂开关，使掺杂气体进入炉膛，所述掺杂气体为硼烷 与氩气的混合气体，其中硼烷所占的浓度比为0. 0001% ；
f、放肩、转肩、等径细颈生长结束后，进行放肩，放肩过程中减少下移速至Smm/min; 在放肩直径与所需晶体直径相差20mm时，进行转肩，直至晶体达到所需直径，转肩后晶体 等径生长；
g、收尾、停掺杂气体、停炉当晶体拉至尾部，开始进行收尾并停掺杂气体，当熔区直径 为20mm时将熔区拉开，上轴上升，下轴下降。2真空提纯
将掺杂后的多晶硅在真空状态下进行提纯，制备纯度为ION以上的高纯度多晶硅棒；
(1)清炉、装炉工序
a、用去离子水清洗真空区熔单晶炉炉室的内壁、加热线圈、石英叉、上轴、下轴，擦干与 抽除室内水汽，检测尘埃含量，使炉室内清洁度达到万级，即直径在0.5μπι以上的尘埃粒 子数彡105/m3 ；
b、将籽晶装到籽晶座上，然后将其安装到下轴顶端；
C、将作为物料的掺杂后的多晶硅棒垂直装在上轴上，使其下端的头部处于水平设置的 加热线圈的中心上面位置；将内装石墨的水平石英叉置于加热线圈之上且使其叉头水平靠 近多晶硅棒的头部；关闭炉门，拧紧各紧固螺栓；
(2)抽空、预热工序
d、启动机械泵，对真空区熔单晶炉抽真空，当炉室内的真空度达到10_2Pa时，开启分子 泵，将炉室内的真空度抽至10_6Pa ；
用石英叉对多晶硅棒进行间接辐射预热，预热时间为30分钟，待多晶硅棒变红后移去 石英叉，开启上轴转速至3rpm/min，下轴反向转速至6rpm/min，使多晶硅棒均勻受热；
(3)化料、熔接工序
预热结束后进行化料，将下轴转速增加到20rpm/min，同时将下轴上移使籽晶与多晶硅 棒上的熔硅进行熔接；
(4)生长细颈工序
当籽晶与多晶硅棒熔接时，将上、下轴同时下移进行细颈生长过程，其上轴移速为2mm/ min，下轴移速为20mm/min，使细颈生长至直径为5mm、长度为60mm ；
(5)放肩工序在细颈生长结束后，进行放肩，即缓慢降低下轴移速至5mm/min；改变上 轴移速至3mm/min，使头部直径缓慢生长至等直径；
(6)转肩工序、等径及收尾工序当放肩直径与提纯该次多晶硅棒的目标直径相差8mm 时，将放肩速度减慢至3mm/min进行转肩，直至达到所需直径；然后保持等径过程，使之直 径保持在100mm，多晶硅生长速度在4mm/min ；当多晶硅棒拉至尾部时，降低加热功率进行 收尾，至直径达到30mm，再进行下次提纯。(7)重复工序按触摸屏上的快速移动按钮，将多晶硅棒升至多晶料头部放肩位 置，与加热线圈齐平，重复上述步骤(3)-步骤(6) 20次，从而得到纯度为ION以上的高纯度 多晶硅棒。
3、真空成晶
(1)清炉、装炉工序
a、用去离子水清洗真空区熔单晶炉炉室的内壁、加热线圈、石英叉、上轴、下轴，擦干与 抽除室内水汽，检测尘埃含量，使炉室内清洁度达到万级，即直径在0.5μπι以上的尘埃粒 子数彡105/m3 ；
b、将籽晶装到籽晶座上，然后将其安装到下轴顶端；
c、将在真空气氛下进行提纯得到的纯度为ION以上的高纯度多晶硅棒垂直装在上轴 上，使其下端的头部处于水平设置的加热线圈的中心上面位置；将内装石墨的水平石英叉 置于加热线圈之上且使其叉头水平靠近多晶硅棒的头部；
d、关闭炉门，拧紧各紧固螺栓； (2)抽空、预热工序
e、启动机械泵，对真空区熔单晶炉抽真空，当炉室内的真空度达到ICT2Pa时，开启分 子泵；将炉室内的真空度抽至10_6Pa ；
用石英叉对多晶硅棒进行间接辐射预热，预热时间为30分钟，待多晶硅棒变红后移去 石英叉，开启上轴转速至3rpm/min，下轴反向转速至6rpm/min，使多晶硅棒均勻受热；
(3)化料、熔接工序
预热结束后进行化料，将下轴转速增加到20rpm/min，同时将下轴上移使籽晶与多晶硅 棒上的熔硅进行熔接；
(4)引晶工序将籽晶与熔硅进行熔接，熔接后启动上下轴转速，上轴转速至2rpm/ min，下轴转速至15rpm/min，调整下轴移速到lOmm/min，进行细颈生长，使细颈直径达到 5mm,长度至丨J 60mm ；
(5)放肩、转肩工序在细颈生长结束后，进入放大过程；缓慢降低下轴移速至4mm/ min,并相应增加阳极电压至5KV，同时增加上轴下移速度至Smm/min进行放肩过程，在放肩 直径与单晶直径相差8mm时，将放肩速度减慢至5mm/min进行转肩；
(6)等径、收尾、停炉工序转肩后，以4mm/min生长速度进行等径生长；当单晶硅拉至 尾部进行收尾，降低阳极电压和上轴移速，缩小单晶硅直径，直至熔区直径为8mm时停止上 轴移速，拉断熔区，保持下轴移速和转速不变，直到熔区收尖，停高频发生器电源开关，停止 下轴移速与转速，停分子泵、机械泵；即最终得到所需高阻硅单晶产品
实施例3制备050mm的真空区熔高阻硅单晶的制备方法
使用丹麦托普索公司生产的FZ-30型区熔单晶炉与北京京运通科技有限公司生产的 QR-400国产真空区熔单晶炉，用本发明方法生产c550mm的高阻硅单晶，其质量达到SEMI标 准。该高阻硅单晶的制备方法依序包括多晶硅区熔掺杂、真空提纯与真空成晶工艺， 按如下步骤操作
1多晶硅区熔掺杂
a、清炉、装炉清理整个炉室，调整多晶料、籽晶、加热线圈及上轴、下轴使它们的中心 在一条直线上；
b、抽气、充气、预热打开真空泵及抽气管道阀门，对炉室进行抽真空，真空度达到 0. IPa以下时，关闭抽气管道阀门及真空泵，向炉膛内快速充入氩气；充气完毕后，对多晶硅棒进行预热；
C、化料、引晶预热结束后，进行化料；多晶料熔化后，将籽晶与熔硅进行熔接，熔接后 弓I晶；
d、缩细颈进行细颈的生长，细颈直径4mm，长度45mm；
e、开掺杂气体打开触摸屏上的掺杂开关，使掺杂气体进入炉膛，所述掺杂气体为磷
烷；
f、放肩、转肩、等径细颈生长结束后，进行放肩，放肩过程中减少下移速至5mm/min; 在放肩直径与所需晶体直径相差15mm时，进行转肩，直至晶体达到所需直径，转肩后晶体 等径生长；
g、收尾、停掺杂气体、停炉当晶体拉至尾部，开始进行收尾并停掺杂气体，当熔区直径 为15mm时将熔区拉开，上轴上升，下轴下降。2真空提纯
将掺杂后的多晶硅在真空状态下进行提纯，制备纯度为ION以上的高纯度多晶硅棒；
(1)清炉、装炉工序
a、用去离子水清洗真空区熔单晶炉炉室的内壁、加热线圈、石英叉、上轴、下轴，擦干与 抽除室内水汽，检测尘埃含量，使炉室内清洁度达到万级，即直径在0.5μπι以上的尘埃粒 子数彡105/m3 ；
b、将籽晶装到籽晶座上，然后将其安装到下轴顶端；
C、将作为物料的掺杂后的多晶硅棒垂直装在上轴上，使其下端的头部处于水平设置的 加热线圈的中心上面位置；将内装石墨的水平石英叉置于加热线圈之上且使其叉头水平靠 近多晶硅棒的头部；关闭炉门，拧紧各紧固螺栓；
(2)抽空、预热工序
d、启动机械泵，对真空区熔单晶炉抽真空，当炉室内的真空度达到10_2Pa时，开启分子 泵，将炉室内的真空度抽至10_4Pa ；
用石英叉对多晶硅棒进行间接辐射预热，预热时间为25分钟，待多晶硅棒变红后移去 石英叉，开启上轴转速至2rpm/min，下轴反向转速至3rpm/min，使多晶硅棒均勻受热；
(3)化料、熔接工序
预热结束后进行化料，将下轴转速增加到12rpm/min，同时将下轴上移使籽晶与多晶硅 棒上的熔硅进行熔接；
(4)生长细颈工序
当籽晶与多晶硅棒熔接时，将上、下轴同时下移进行细颈生长过程，其上轴移速为 1. 5mm/min，下轴移速为12mm/min，使细颈生长至直径为3mm、长度为50mm ；
(5)放肩工序在细颈生长结束后，进行放肩，即缓慢降低下轴移速至3mm/min；改变上 轴移速至2mm/min，使头部直径缓慢生长至等直径；
(6)转肩工序、等径及收尾工序当放肩直径与提纯该次多晶硅棒的目标直径相差6mm 时，将放肩速度减慢至lmm/min进行转肩，直至达到所需直径；然后保持等径过程，使之直 径保持在60mm，多晶硅生长速度在3mm/min ；当多晶硅棒拉至尾部时，降低加热功率进行收 尾，至直径达到20mm，再进行下次提纯。(7)重复工序按触摸屏上的快速移动按钮，将多晶硅棒升至多晶料头部放肩位置，与加热线圈齐平，重复上述步骤(3)-步骤(6) 12次，从而得到纯度为ION以上的高纯度
多晶硅棒。 3、真空成晶 (1)清炉、装炉工序
a、用去离子水清洗真空区熔单晶炉炉室的内壁、加热线圈、石英叉、上轴、下轴，擦干与 抽除室内水汽，检测尘埃含量，使炉室内清洁度达到万级，即直径在0.5μπι以上的尘埃粒 子数彡105/m3 ；
b、将籽晶装到籽晶座上，然后将其安装到下轴顶端；
c、将在真空气氛下进行提纯得到的纯度为ION以上的高纯度多晶硅棒垂直装在上轴 上，使其下端的头部处于水平设置的加热线圈的中心上面位置；将内装石墨的水平石英叉 置于加热线圈之上且使其叉头水平靠近多晶硅棒的头部；
d、关闭炉门，拧紧各紧固螺栓；
(2)抽空、预热工序
e、启动机械泵，对真空区熔单晶炉抽真空，当炉室内的真空度达到ICT2Pa时，开启分子 泵；将炉室内的真空度抽至10_4Pa ；
用石英叉对多晶硅棒进行间接辐射预热，预热时间为25分钟，待多晶硅棒变红后移去 石英叉，开启上轴转速至2rpm/min，下轴反向转速至3rpm/min，使多晶硅棒均勻受热；
(3)化料、熔接工序
预热结束后进行化料，将下轴转速增加到12rpm/min，同时将下轴上移使籽晶与多晶硅 棒上的熔硅进行熔接；
(4)引晶工序将籽晶与熔硅进行熔接，熔接后启动上下轴转速，上轴转速至1.5rpm/ min，下轴转速至8rpm/min，调整下轴移速到6mm/min，进行细颈生长，使细颈直径达到4mm， 长度到45mm ；
(5)放肩、转肩工序在细颈生长结束后，进入放大过程；缓慢降低下轴移速至3mm/ min,并相应增加阳极电压至7KV，同时增加上轴下移速度至6mm/min进行放肩过程，在放肩 直径与单晶直径相差6mm时，将放肩速度减慢至4mm/min进行转肩；
(6)等径、收尾、停炉工序转肩后，以3mm/min生长速度进行等径生长；当单晶硅拉至 尾部进行收尾，降低阳极电压和上轴移速，缩小单晶硅直径，直至熔区直径为6mm时停止上 轴移速，拉断熔区，保持下轴移速和转速不变，直到熔区收尖，停高频发生器电源开关，停止 下轴移速与转速，停分子泵、机械泵；即最终得到所需高阻硅单晶产品。
权利要求
一种高阻硅单晶的制备方法，包括多晶硅区熔掺杂、真空提纯、真空成晶三大工艺，其步骤如下(1) 多晶硅区熔掺杂a、清炉、装炉清理整个炉室，调整多晶料、籽晶、加热线圈及上轴、下轴使它们的中心在一条直线上；b、抽气、充气、预热打开真空泵及抽气管道阀门，对炉室进行抽真空，真空度达到0.1Pa以下时，关闭抽气管道阀门及真空泵，向炉膛内快速充入氩气；充气完毕后，对多晶硅棒进行预热；c、化料、引晶预热结束后，进行化料；多晶料熔化后，将籽晶与熔硅进行熔接，熔接后引晶； d、缩细颈进行细颈的生长，细颈直径2-6mm，长度30-60mm；e、开掺杂气体打开触摸屏上的掺杂开关，使掺杂气体进入炉膛，所述掺杂气体为磷烷与氩气的混合气体、或者硼烷与氩气的混合气体，其中磷烷、硼烷所占的浓度比为0.0001%-100%；f、放肩、转肩、等径细颈生长结束后，进行放肩，放肩过程中减少下移速至1-8mm/min；在放肩直径与所需晶体直径相差10-20mm时，进行转肩，直至晶体达到所需直径，转肩后晶体等径生长； g、收尾、停掺杂气体、停炉当晶体拉至尾部，开始进行收尾并停掺杂气体，当熔区直径为10-20mm时将熔区拉开，上轴上升，下轴下降；(2) 真空提纯将掺杂后的多晶硅在真空状态下进行提纯，制备纯度为10N以上的高纯度多晶硅棒； (3)真空成晶将上述步骤得到的高纯度多晶硅棒，在真空气氛下进行单晶硅成晶工序。
2.根据权利要求1所述的高阻硅单晶的制备方法，其特征在于所述的真空提纯工艺 进一步包括如下步骤(1)清炉、装炉工序a、用去离子水清洗真空区熔单晶炉炉室的内壁、加热线圈、石英叉、上轴、下轴，擦干与 抽除室内水汽，检测尘埃含量，使炉室内清洁度达到万级，即直径在0. 5 μ m以上的尘埃粒 子数彡105/m3 ；b、将籽晶装到籽晶座上，然后将其安装到下轴顶端；C、将作为物料的掺杂后的多晶硅棒垂直装在上轴上，使其下端的头部处于水平设置的 加热线圈的中心上面位置；将内装石墨的水平石英叉置于加热线圈之上且使其叉头水平靠 近多晶硅棒的头部；关闭炉门，拧紧各紧固螺栓；(2)抽空、预热工序d、启动机械泵，对真空区熔单晶炉抽真空，当炉室内的真空度达到10_2Pa时，开启分子 泵，将炉室内的真空度抽至10_3-10_6Pa ；用石英叉对多晶硅棒进行间接辐射预热，预热时间为20 30分钟，待多晶硅棒变红后 移去石英叉，开启上轴转速至0. l-3rpm/min，下轴反向转速至0. l-6rpm/min，使多晶硅棒 均勻受热；(3)化料、熔接工序预热结束后进行化料，将下轴转速增加到5 20rpm/min，同时将下轴上移使籽晶与多晶硅棒上的熔硅进行熔接；(4)生长细颈工序当籽晶与多晶硅棒熔接时，将上、下轴同时下移进行细颈生长过程，其上轴移速为 l-2mm/min，下轴移速为5-20mm/min，使细颈生长至直径为2 5mm、长度为40_60mm ；(5)放肩工序在细颈生长结束后，进行放肩，即缓慢降低下轴移速至l-5mm/min；改变 上轴移速至l-3mm/min，使头部直径缓慢生长至等直径；(6)转肩工序、等径及收尾工序当放肩直径与提纯该次多晶硅棒的目标直径相差5 8mm时，将放肩速度减慢至2士 lmm/min进行转肩，直至达到所需直径；然后保持等径过程， 使之直径保持在20 100mm，多晶硅生长速度在2 4mm/min ；当多晶硅棒拉至尾部时，降 低加热功率进行收尾，至直径达到10 30mm，再进行下次提纯；(7)重复工序按触摸屏上的快速移动按钮，将多晶硅棒升至多晶料头部放肩位置，与 加热线圈齐平，重复上述步骤(3)-步骤(6) 2-20次，从而得到纯度为ION以上的高纯度多 晶硅棒。
3.根据权利要求1或2所述的高阻硅单晶的制备方法，其特征在于所述的真空成晶 工序进一步包括如下步骤(1)清炉、装炉工序a、用去离子水清洗真空区熔单晶炉炉室的内壁、加热线圈、石英叉、上轴、下轴，擦干与 抽除室内水汽，检测尘埃含量，使炉室内清洁度达到万级，即直径在0.5μπι以上的尘埃粒 子数彡105/m3 ；b、将籽晶装到籽晶座上，然后将其安装到下轴顶端；c、将权利要求1的步骤(2)中在真空气氛下进行提纯得到的纯度为ION以上的高纯度 多晶硅棒垂直装在上轴上，使其下端的头部处于水平设置的加热线圈的中心上面位置；将 内装石墨的水平石英叉置于加热线圈之上且使其叉头水平靠近多晶硅棒的头部；d、关闭炉门，拧紧各紧固螺栓；(2)抽空、预热工序e、启动机械泵，对真空区熔单晶炉抽真空，当炉室内的真空度达到ICT2Pa时，开启分子 泵；将炉室内的真空度抽至10_3-10_6Pa ；用石英叉对多晶硅棒进行间接辐射预热，预热时间为20 30分钟，待多晶硅棒变红后 移去石英叉，开启上轴转速至0. l-3rpm/min，下轴反向转速至0. l-6rpm/min，使多晶硅棒 均勻受热；(3)化料、熔接工序预热结束后进行化料，将下轴转速增加到5 20rpm/min，同时将下轴上移使籽晶与多 晶硅棒上的熔硅进行熔接；(4)引晶工序将籽晶与熔硅进行熔接，熔接后启动上下轴转速，上轴转速至l-2rpm/ min，下轴转速至2 15rpm/min，调整下轴移速到2 lOmm/min，进行细颈生长，使细颈直 径达到2 5mm，长度到30 60mm ；(5)放肩、转肩工序在细颈生长结束后，进入放大过程；缓慢降低下轴移速至2-4mm/min,并相应增加阳极电压至3-7KV，同时增加上轴下移速度至5-8mm/min进行放肩过程，在放肩直径与单晶直径相差5 8mm时，将放肩速度减慢至3 5mm/min进行转肩；(6)等径、收尾、停炉工序转肩后，以2 4mm/min生长速度进行等径生长；当单晶硅 拉至尾部进行收尾，降低阳极电压和上轴移速，缩小单晶硅直径，直至熔区直径为5 8mm 时停止上轴移速，拉断熔区，保持下轴移速和转速不变，直到熔区收尖，停高频发生器电源 开关，停止下轴移速与转速，停分子泵、机械泵；即最终得到所需高阻硅单晶产品。
全文摘要
本发明公开了一种高阻硅单晶的制备方法，包括多晶硅区熔掺杂、真空提纯、真空成晶三大工艺，采用本发明方法制备硅单晶，能够极大提高所得硅单晶的纯度，获得低的断面电阻率不均匀性和保持高的少子寿命，单晶电阻率达到2000Ω.cm～7000Ω.cm，其纯度达到10N以上，其断面电阻率不均匀性小于15％，少子寿命大于1000μs，从而极大提高器件性能和稳定性、安全性；同时可实现批量生产该规格的高阻硅单晶。
文档编号C30B29/06GK101845667SQ20101021387
公开日2010年9月29日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者程宇, 蒋娜, 邓良平 申请人:峨嵋半导体材料研究所