磁场中直拉硅单晶的生长(二)

来源：峨眉半导体发布时间：2007-06-12 22:54:48

三、沿革

MCZ的历史与沿革NTD硅的历史有相似之处。

很早以前就知道磁场能抑制导电流体的热对流o .1937年，Hartmann用水银研究了导电流体与磁场的关系。到四十年代，在天体物理学中，用电磁流体力学来研究天体中等离子体的运动。进人五十年代，电磁流体力学在热核理论等领域得到进一步的发展和应用。1966年，Chedzey等人〔to〕和Utech等人指出，用水平法生长晶体时，可用磁场来获得高质量的InSb晶体。1970年，Witt等人提出横向磁场中生长直拉InSb晶体的报告。尔后，熔体的温度波动和设备的机械振动等问题难于解决，人们对MCZ法是否具有实用意义提出疑问。因此，一直看不到有关外加磁场生长晶体的实验报告，好像使人觉得这方面的研究工作已处于停顿状态。从1980年开始，MCZ法开始复活，

从应用于InSti晶体的生长推广到应用于硅晶体的生长，并获得令人满意的结果。据麻省理工学院的H.C.Gatos教授来华讲学说，日本索尼公司就是用了他所研究的成果。这样，1981年在明尼阿波利斯召开的国际第四届半导体硅会议上，横向磁场中生长直拉硅晶体的工艺，以新的面目出现在半导体硅工业中，显现其独特的优点。1982年，Keigo Hoshikawa在轴对称垂直磁场中，生长了无条纹的CZ硅单晶。目前有几个公司正在研究和应用这个方面。据报道，索尼公司应用MCZ法生长硅单晶，已进入实用阶段。

利用磁场进行晶体生长研究的历史如表1所示。

四、设备

近年来出现的MCZ法是一种很有前途的方法。

MCZ法又可细分为外加横向磁场直拉(TMCZ)法和外加垂直磁场直拉(VMCZ)法两种。.据H.C.Gatos说，只要对硅熔体施加磁场，就起到增大粘滞度的目的，从而抑制了对流，使生长条纹有所减少。而且，TMCZ和VMCZ的效果一样。

图3和图4分别为TMCZ与VMCZ生长设备示意图。

TMCZ和VMCZ的差别是:

1.前者用电磁铁产生强磁场，后者用圆筒形螺线管产生磁场;

2.前者磁力线比较分散，后者磁力线比较集中;

3.前者放置在炉膛周围，后者既可放在炉膛周围，又可放在炉膛内部;

4.前者设备庞大，造价高，后者造价较低，容易制造。

TMCZ的优点是磁场强度大，特别适用于大容量CZ硅晶体的生长。另一方面，常规TMCZ法中，对于生长设备和晶体质量，还有几个问题有待解决。设备问题是:要有一套体积大而笨重的电磁铁来产生强磁场，要有能经受住所加磁场而不发生任何破裂的加热器结构，即加热器电流方向也必须是水平方向，否则由于电磁作用力，会使加热元件发生胀裂;晶体质量问题是:由于热磁效应使生长界面处产生轴向热的不对称性，它给生长过程晶体形状的控制带来困难，并在晶体生长时产生周期性的旋转条纹。VMCZ法解决了TMCZ法所存在的问题，与TMCZ比，它有如下特点:

1.尺寸小、重量轻的螺线管可产生强而均匀的磁场;

2.不需要调整常规CZ炉的热区，就经得住所加的强磁场。这是由于磁场方向与加热电流方向平行所致;

3. 1000高斯的磁场强度就能有效地抑制热对流，相当于TMCZ磁场强度的三分之一;

4.晶体乳增祸的旋转条件可自由选择，以实现生长界面的热对称和控制氧浓度。

外加磁场的直拉设备，基本上是在直拉炉上附加磁场装置，只是要对设备的构造和材料作新的考虑而已，即炉体各部件不应使用导磁材料。多数情况下是把常规CZ炉稍加改造，加上磁场即可。