磁场中直拉硅单晶的生长(一)

     一、引言

    近年来，半导体硅工艺中，出现了一种令人注目的新工艺—外加磁场直拉(MCZ)法〔l〕。它给硅材料工业带来一大变革。

    半导体工业所用的硅单晶，几乎90%是用cZ法生长的。常规cZ法生长的晶体中，氧主要来自石英钳锅，其浓度变化范围介于4.0 x 10'0与2.0 x 10`8原子/厘米”之间〔3,4)，随晶体生长的各种参数而变，其浓度上限接近于硅熔点时的饱和浓度。氧在硅晶体内的分布是不均匀的:沿晶体轴向，头部浓度最高，尾部浓度最低;沿晶体径向，中间浓度高，边缘浓度低。直拉‘硅单晶中氧起着有益的和有害的两种作用。’从有益方面来说，由于钉扎位错，增强了硅晶格，滑移得以延迟。通过沉淀氧化物和伴生位错网络，氧原子间接吸除易动性杂质;‘从有害方面来说，如果氧化物沉淀起因于初始氧浓度高的话，则通过硅一氧复合体产生施主，形成堆垛层错，并使片子翘曲。要是保持氧浓度小于38PPma;就可减少这种有害作用。

    在CZ晶体的生长期间，由于熔体存在着热对流，使微量杂质分布不均匀，形成生长条纹。因此，在拉晶过程中，如何抑制熔体的热对流和温度波动，一直是单晶生产厂家棘手的问题。为了抑制熔体的热对VrL以降低熔硅与石英柑祸的反应速率，并使氧可控，从而生长出高质量的单晶，采用Mcz法是行之有效的。

    二、原理

    众所周知，用CZ法拉制单晶时会发生如图1所示的热对流。这种热对流的驱动力可用无量纲瑞利数NRa来表示，加热器热对流氧硅熔体石英坩埚。

      
   图1 CZ法中熔体的热对流与氧的分布

    式中，a为熔体的热膨胀系数，g为重力加速度，al为熔体中两个极端位置间的温度差，D为熔体的直径(或高度)，为动粘滞度，k为热导系数。当装料量为4.5~50公斤时，可算出瑞利数约为10的7次方。无磁场时，临界瑞利数约为2 x10的3次方。在实际估算的瑞利数大大超过临界值的情况下，熔体中发生紊乱的热对流，根据磁流体力学可知，在磁场中运动的导电流体会受到电磁作用力，使流体运动受到阻碍，相当于流体粘滞度增大，因而临界瑞利数增高。若取决于磁场强度的临界瑞利数超过10的7次方，则热对流就会显著减少。

    式中，P为熔硅为磁导率，H为磁场强度，0为电导率，P为硅熔体的密度。也就是说，磁场强度增大时，哈脱曼数增大，相应的临界瑞利数亦增大。在磁场强度为1500高斯时(熔硅的动粘滞度为3 x 10-3gcm2 sec-1,导电率为128609/欧.厘米，可估算出NRa约为10的7次方。由此可见，在磁场的作用下，动粘滞度增大，这对减小热对流的驱动力是有效的。外加磁场时CZ法的原理如图2所示。如果在外层空间中进行晶体生长，由于g等于零，当然就不存在热对流的问题了。

图2MCZ法的原理图