消除区熔硅单晶生长中“硅刺”的研究

刘 燕

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津300220)

无位错区熔硅单晶生长过程中，如果采用的工艺不适合，或者操作不当，在多晶硅棒的固液交界面的边缘容易留下不熔化的小柱状体，通常称为“硅刺”，如图1 所示。硅刺一旦形成，由于其吸热慢，散热快，便不容易熔化，随着区熔过程的进行，迅速长大，无法再熔化，直至触到加热线圈，导致中途停炉。特别是生长75 mm(3 英寸)以上直径的单晶，如果不采取有效措施，几乎难以正常生长单晶。本文就通过对FZ 硅单晶生长过程中，经常出现的“硅刺”现象进行研究，着重分析了“硅刺”产生的原因，并采用了有效防止“硅刺”产生的措施。

图1 多晶边缘出现硅刺

1 “硅刺”形成的原因

(1)多晶表面加工不规则，棱突较大的位置容易形成“硅刺”。生长单晶时为了顺利成晶，避免生成“硅刺”，通常要将多晶硅棒表面加工成规则光滑的表面，但往往由于经济方面的原因，加工程序简化，加工后经常留下明显的不规则棱和麻坑，如图2 所示。在多晶熔化过程中，多晶料的棱突出的位置，所接受的电磁也弱，吸热少，而散热却比较快，很快便形成“硅刺”。

(2)多晶棒装料不正，也容易形成硅刺。由于所使用的多晶棒制备的原因，往往有一定的弯曲，因此装料时不容易装的很正，生长过程中多晶旋转时，相对于磁场中心偏远的部分容易生长成“硅刺”。

图2 多晶表面的棱突和麻坑

(3)操作不当时也易生成“硅刺”。生长单晶时，使用的加热功率不准确，偏高或偏低，使得多晶硅的熔化界面不适合磁场的要求，不能均匀流畅的使多晶熔化，在不均匀的部位，极易留下不化的硅晶体，这种小晶体受磁面积小不容易产生热，而且会增加散热，因此也易形成“硅刺”。

(4)加热线圈几何形状设计不标准，也是形成“硅刺”的重要原因。单晶生长要求有一个大面积、均匀、对称的热场，线圈的厚度、内径、外径及上、下面倾斜角度的不同，会使线圈产生的热场分布不同。热场的圆周分布不均匀，或立体形状的角度与多晶硅棒熔化界面不匹配，多晶棒的边缘处所接受的热场不准确极易产生“硅刺”。

2 使用不同台阶的加热线圈实验及结果

2.1 使用不同直径台阶的高频线圈实验

高频线圈是产生准确热场的关键部分，因此也是单晶生长的重要部分。线圈的形状和几何尺寸若设计的合适，不仅可以顺利地使多晶生长成单晶，而且可以使得多晶均匀顺利地熔化。为了减少拉晶过程中出现硅刺的机会，并且一旦出现了硅刺，可以加强硅刺的熔化，在设计加热线圈时，于线圈朝向多晶的一面上，除了设计成倾斜的坡面外，设计多个向内的圆周台阶，如图3 所示。

图3 带圆周台阶的线圈示意图

本文对线圈台阶的尺寸及形状进行了实验。认为线圈的台阶对硅刺的消除，起到了非常重要的作用，并且台阶的直径与所使用的多晶直径呈对应关系。

2.1.1 使用无台阶线圈生长单晶

使用没有台阶的线圈生长单晶的时候，如图4 所示，无论使用的功率偏高或是偏低，采用细腰法或粗腰法，在单晶生长过程中，都很难避免出现硅刺，并且硅刺一旦出现，便不容易消除。因此，使用无台阶的加热线圈生长直径稍大一点的单晶，几乎不能生长完整的单晶。

图4 无台阶线圈生长单晶

2.1.2 使用台阶直径大于多晶直径的线圈生长单晶

使用台阶直径大于多晶直径的线圈生长单晶（本文设计使用线圈台阶为三级台阶），当使用偏低功率的时候，硅刺会有较多出现的机会，并且不容易消除；如果使用的功率较高，熔硅的腰稍细的时候，出现硅刺的机会有所减少，但是仍然经常出现硅刺。

2.1.3 使用台阶直径接近于多晶直径的线圈生长单晶

当使用台阶直径接近于多晶直径的线圈拉晶的时候，如图5 所示，无论使用的功率偏高或是偏低，出现硅刺的几率都大为减少，如果出现硅刺也比较易消除。

图5 台阶接近于多晶直径的线圈生长单晶

2.2 结果分析

（1）综上的试验结果我们可以看出，在其它准备工作如：多晶棒的外形加工，装料的对中度，操作的准确性同样的情况下，加热线圈形状的设计对消除硅刺显得很重要，特别是加热线圈靠近多晶一面上的台阶，是消除硅刺的关键。

（2）线圈面上台阶直径的大小，与消除硅刺的效果有直接的关系，只有台阶的直径接近于使用的多晶棒直径的时候，生长单晶时消除硅刺的作用才明显。

2.3 原因分析

区熔硅单晶生长过程是通过高频电磁感应加热的方式实现的，当线圈内通以高频交流电流时，在线圈内部及其周围就会产生交变磁场，置于强大的高频磁场中的多晶硅，感应到交变的磁场后，在硅棒内产生强大的涡流，使其迅速被加热熔化。感应加热过程是电磁感应过程和热传导的综合过程。多晶熔化过程中，一边从电磁中感应到热能，使其自身熔化，一边向环境中辐射热能，同时还向多晶棒的端部传递热能，此过程中要求多晶棒的圆周各方向得到的热能相对平衡均匀，尤其是多晶的边缘各点熔化同步均匀，否则边缘部分不能及时熔化，或者边缘由于熔化不均匀，固液交界面起伏不平，拐点处很容易留下小的不熔体而形成硅刺。多晶熔化时的热平衡式为：

Q吸＝Q辐＋Q传

（1）单晶正常生长过程中，多晶棒随着熔区的移动过程能够均匀的熔化。不仅沿轴向，而且沿径向也要均匀的熔化，才能保证晶体顺利生长。但是由于种种因素，如多晶表面加工不规则有明显突起的棱，或多晶棒为椭圆，也可能料装的不正等情况，造成多晶的所有部位不能轴中心对称，熔化时远离中心的部位不能及时熔化，遗留下小刺。这种小刺出现以后，由于是突起截面积很小，因此吸热慢，但是散热却很快，越长越大，很容易最终不能熔化，成为硅刺，影响单晶的生长。这种硅刺作为小局部则独自形成小的热模式。其热模式是：

Q吸i＜Q辐i

硅刺向其它部位的传热可以被忽略掉，但是辐射散热仍然大于吸收的热量，而且随着硅刺的不断长大，热不平衡也越来越严重，最后严重妨碍单晶的生长。

（2）硅刺的出现主要在多晶棒熔化界面的边缘，内部不会出现硅刺，因此采用改变线圈的几何形状的方法，加强靠近多晶边缘部位的磁场强度，改变多晶边缘的熔化状态，使其边缘所有的点都能均匀充分地熔化，不留下不熔的小多晶固体，是消除硅刺的关键。此时，多晶边缘任意一点的热平衡模式应是：线圈的上面由于有固定的坡度，因此磁场从中心到外沿的分布，呈沿着坡面平滑均匀的分布，为了加强多晶边缘的磁场强度，在线圈的上边靠近多晶的面上，加2 至3 级台阶。加台阶后，磁力线在台阶地方突然加强，使多晶的边缘熔化加强，改变了多晶边缘熔化的角度，产生了如图6 所示的熔化角，使固液交界面边缘形成圆弧角，可以大幅降低硅刺出现的几率，即使出现了硅刺，也比较容易消除。

Q吸i≥Q辐i

图6 多晶边缘形成了熔化角

（3）通过实验表明，线圈面上台阶的直径越接近多晶的直径，多晶熔化时的熔化角形状越理想，消除硅刺的效果越明显，这是因为平滑的磁场在台阶处突然形成突起的峰，磁场在台阶处高度集中，且垂直于多晶的边缘，增加多晶边缘的熔化，改变了多晶边缘熔化的斜率，使多晶棒边缘不容易形成硅刺，即使出现了硅刺，也还有熔掉的机会。

（4）如果台阶的直径偏大，大于多晶直径较多，则台阶处峰起的磁场对多晶的边缘起不到作用，如果多晶边缘的某处存在不规则的突起，则容易形成硅刺。此时如采用相对偏高的功率，使得多晶棒的固液交界面斜率整体增大，向上翘起，台阶对多晶边缘能起到一定的作用，可以减少硅刺的出现。

3 结 语

FZ 单晶生长过程中，硅刺的出现会严重妨碍单晶的正常生长。为了防止出现硅刺，除了加强多晶的表面加工，生长单晶时进行准确的操作外，设计加工线圈时，在线圈的多晶一面制作相应的台阶，是有效的防止或消除硅刺的措施。

线圈上台阶的设计，应根据多晶的直径，设计接近多晶直径的台阶，由于多晶的直径不尽相同，则应设计系列的不同台阶直径的线圈，以保证适应不同直径的多晶，可以取得较好的成晶效果。