專利名稱：一種控制直拉硅單晶頭部電阻率的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及硅單晶的生產方法，特別涉及一種控制直拉硅單晶頭部電阻率的方法。
背景技術：
控制硅單晶電阻率的傳統(tǒng)方法是對原料配制這一過程進行控制，進而根據(jù)硅單晶目標電阻率、單爐次投料量、多晶原料電阻率、合金電阻率、制備工藝等參數(shù)，計算出多晶原料和合金的配比量(首次摻雜)，然后進行原料裝爐、加熱熔化、單晶拉制，是一種典型的裝爐前控制方法。但在隨后硅單晶制備過程中，無法對硅單晶電阻率進行精確控制，且受原料、合金電阻率測試準確度及操作偏差等影響，往往使成品硅單晶電阻率與硅單晶目標電阻率出現(xiàn)嚴重偏差(8 15 Ω. cm)，導致成品硅單晶電阻率達不到目標要求，合格率低、成本高。

發(fā)明內容
為了解決上述問題，進一步精確控制硅單晶裝爐后的電阻率，本發(fā)明研發(fā)一種控制直拉硅單晶頭部電阻率的方法。該方法是在制備硅單晶樣品過程中，根據(jù)樣品電阻率測試進行二次或多次摻雜的方法。根據(jù)現(xiàn)有擴散和凝固理論可知，摻雜劑呈一定的規(guī)律分布于整個硅晶棒中，在制備工藝不變的情況下，摻雜劑分布也不會變，而摻雜劑濃度的大小直接反應電阻率的大小，這也就是說，硅單晶各部分電阻率分布與摻雜劑的分布一一對應，也呈相同的規(guī)律進行分布，因此，如果已知硅單晶初步生長階段的電阻率(頭部電阻率)，就可以根據(jù)此電阻率推算出整體硅單晶電阻率分布，從而達到控制硅單晶整體電阻率的目的。本發(fā)明依據(jù)上述分析結果，在硅原料完全熔化后，首先制備小直徑、短長度單晶的測試樣品，并對其進行電阻率測試，從而得到硅單晶的頭部電阻率，以此頭部電阻率進行計算摻雜合金質量，隨后進行二次或多次摻雜操作，達到精確控制硅單晶頭部電阻率的目的， 進而形成對硅單晶整體電阻率的完全控制。本發(fā)明所采取的技術方案是一種控制直拉硅單晶頭部電阻率的方法，其特征是包括如下步驟
步驟一.原料全部熔化完畢后，進行測試硅單晶的拉制；
步驟二 .測試硅單晶拉制完畢后，取出測試硅單晶，將測試硅單晶圓柱面部分加工成平面，得到測試樣品；
步驟三.之后，用四探針電阻率測試儀對測試樣品的平面部分進行電阻率測量，并記錄電阻率測試值；
步驟四.比較測試樣品的電阻率測試值與硅單晶目標電阻率值，計算測試樣品的電阻率測試值與硅單晶目標電阻率的差值，如果測試樣品的電阻率測試值比硅單晶目標電阻率值> 5 Ω . cm,則進行以下步驟的操作，否則測試樣品的電阻率測試值滿足硅單晶目標電阻率要求，直接進行正常拉晶操作；
3步驟五.根據(jù)測試樣品的電阻率測試值與硅單晶目標電阻率值的差值，計算所需摻雜合金質量；
步驟六.將計算出一定質量的摻雜合金摻入硅熔體中；
步驟七.摻雜合金完全熔化混合均勻后，重復進行步驟一至步驟三，并再次計算測試樣品的電阻率測試值與硅單晶目標電阻率值的差值；
步驟八.如果第二次計算所得測試樣品的電阻率測試值比硅單晶目標電阻率值 > 5 Ω . cm，則重復進行步驟五至步驟七，直至測試樣品的電阻率測試值比硅單晶目標電阻率值<5 Ω. cm，則停止摻雜，測試樣品的電阻率滿足硅單晶目標電阻率要求，即完成硅單晶頭部電阻率的控制。本發(fā)明的有益效果是通過實施該方法，可精確控制成品硅單晶電阻率，使成品硅單晶電阻率與目標電阻率偏差控制在1-3 Ω . cm范圍內，成品硅單晶合格率提高8%，成本降低約20%。


圖1是本發(fā)明測試硅單晶示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步說明本發(fā)明是如何實現(xiàn)的。實施例1 硅單晶制備所用設備為Kayex CG6000直拉爐，16寸熱場，35千克投料量。其具體步驟如下
1.原料配制配制多晶硅原料M$s=3^g，并根據(jù)多晶硅原料原始電阻率和所制備硅單晶目標電阻率計算出所摻雜合金(摻雜劑與硅的合金)質量M^it5此實施例中多晶硅原料基磷電阻率為P多晶=1000Q.cm，成品硅單晶的目標電阻率ρ目標=50Q.cm， 摻雜劑合金(P-Si)電阻率P合金=0·04Ω·αιι，根據(jù)編號為GB/T 13389-92《摻硼摻磷硅單晶電阻率與摻雜劑濃度換算規(guī)程》國家標準可計算得到上述多晶硅原料中磷元素含量ω多晶=4.2X1012atOmS/cm3，目標電阻率為5O Ω · cm的硅單晶中磷元素含量ω目標 =8. 64X1013atoms/cm3，摻雜劑合金磷元素含量ω合金=3· 53 X 1017atoms/cm3。因此，所需摻雜劑合金質量可由下式(1)得到
(M多晶+ M合金)X ω目標一M多晶X ω多晶=M合金X ω合金-----------(1)
由于摻雜劑合金質量非常小，相對于多晶原料質量％胃可忽略不計，因此最終所得硅單晶質量可簡化為多晶原料質量(Mi^a=Mgs+ M^^^ M$s)，將上述數(shù)值代入(1)式，計算得到本實施例配料過程中應加入摻雜劑合金質量M^i= 8. 17g (即首次摻雜合金質量)。2.將配制好的原料投入到Kayex CG6000型直拉爐中，加熱進行化料，化料完畢后，將加熱功率調整到引晶功率(此實施例引晶功率為^kw),設定引晶溫度點(此實施例引晶溫度點為1450 SP)，在此溫度下，穩(wěn)定硅熔液10分鐘。3.測試硅單晶的拉制將籽晶降至與硅液面接觸，手動調整拉速，進行引晶操作， 為完全排出位錯，應使引晶細頸長度不小于測試硅單晶直徑的1.2倍，此實施例中引晶細頸長度為4cm，引晶細頸直徑為3. 5mm ；引晶完畢后進行放肩和轉肩操作，放肩速度應盡量緩慢，避免過快而產生位錯，同時也為后面轉肩的方便操作做好準備；當肩部直徑達到一定程度時，要提前進行轉肩操作，保證轉肩后的直徑達到等徑直徑的要求，等徑直徑應控制在 2cm-3cm之間，不應小于2cm，否則由于直徑太小，放轉肩速度過快(熱場決定)，造成因實際操作困難而出現(xiàn)位錯斷苞現(xiàn)象；同時等徑直徑也不應超過3cm，否則造成過多原料和工時的浪費，最終導致成本上升。本實施例中測試硅單晶等徑直徑為2. 8cm (最佳直徑為3cm); 轉肩后進入等徑保持過程，保持等徑長度應> 4cm,以保證測試硅單晶能順利加工成測試樣品，本實施例中等徑長度為4. 2cm ；最后進行收尾操作，收尾過程應緩慢進行，控制拉速，使尾部成錐狀，尾部末端成尖形，進而避免產生位錯致使測試硅單晶拉制失敗。4.測試樣品的加工將測試硅單晶取出，冷卻完畢后，用油石對表面進行加工，選取測試硅單晶等徑部分的圓弧面(最好是棱與棱之間的部分)，將其磨制成平面，平面的大小以適合四探針電阻率測試儀測試為宜，一般為5mmX5mm大小，然后將測試硅單晶旋轉適宜角度，磨制下一個測試平面，如此磨制測試平面2-3個，以提供更多的測試點數(shù)據(jù)，本實施例中共磨制平面3個，磨制平面過程中應盡量用力均勻，磨制方向沿一個方向進行，避免相向交叉磨制，盡量減小磨制損傷層，以增加電阻率測量的準確性。5.采用SDY-4四探針測試儀對加工完畢的測試樣品進行電阻率測試，測試部位為上述加工的平面，每個平面測試三次，取三次測試數(shù)據(jù)的平均值并記錄，本實施例中所測三個平面的平均電阻率數(shù)據(jù)如下62. 1 Ω . cm、63. 6 Ω . cm、62. 7 Ω . cm,再取上述三個數(shù)據(jù)的平均值62. 8 Ω . cm作為測試樣品的電阻率值。6.由以上測試可知，測試樣品的電阻率值62.8 Ω. cm比硅單晶的目標電阻率值50 Ω. cm大12.8 Ω. cm (差值)，達不到產品參數(shù)要求，需要進行第二次摻雜。已知所制備測試樣品中磷元素的含量與現(xiàn)有硅熔體中磷元素的含量相等，因此由測試樣品的電阻率值可得出硅熔體中磷元素的含量，同樣按照配制原料步驟中的方法，根據(jù)編號為GB/T 13389-92《摻硼摻磷硅單晶電阻率與摻雜劑濃度換算規(guī)程》國家標準可計算得到此時硅熔體中磷元素的含量ο烙體=6. 83X1013atomS/Cm3，其次可知所摻雜合金中磷元素含量ω合金 =3. 53X1017atoms/cm3,目標熔體中磷元素含量ω目標=8· MX 1013atoms/cm3，熔體質量可約等于配料質量，即M格體 M多晶+M合金=35kg，所以由下式(M多晶+M合金)X ω目標ω恪體=M二次合金X ω合金計算可得到Μ二次合金=1. 79go7.調整硅液溫度，進行硅碗拉制，硅碗制備完畢后，關閉爐中板閥，對上爐室充氣， 打開爐門，將稱量好的摻雜合金1.79g放到硅碗中，關閉爐門進行置換操作，置換完畢后， 將攜帶摻雜合金的硅碗浸入硅液中，完成第二次摻雜。8. 二次摻雜完畢后，再次進行穩(wěn)溫操作，設定引晶溫度點(此實施例引晶溫度點為 1450 SP )，在此溫度下，穩(wěn)定硅液溫度10分鐘。9.之后，根據(jù)上述第1 5步驟再次進行測試硅單晶的拉制，測試樣品的加工，測試樣品的電阻率測量，最終得到二次摻雜后的測試樣品的電阻率值為51. 8Ω. cm，比硅單晶目標電阻率值50 Ω . cm大1. 8 Ω . cm(差值)，相差值< 5 Ω . cm，滿足硅單晶目標電阻率要求。10.根據(jù)以上二次摻雜后的測試樣品電阻率值51. 8 Ω . cm，可知此時熔體中P元素含量為8. 3X1013atOmS/Cm3，并由此可判斷摻雜后的熔體滿足拉制成品硅單晶電阻率的要求，所以之后的操作可按照常規(guī)的直拉硅單晶制備工藝制備出電阻率滿足要求的成品硅單
曰
曰曰ο實施例2 硅單晶制備所用設備為Kayex CG6000直拉爐，18寸熱場，55千克投料
5量。其具體步驟如下
1.原料配制配制多晶硅原料M$s=5^g，其基磷電阻率為P多帛=1200 Ω. cm，預期成品硅單晶的目標電阻率P s標= Ω .cm，摻雜劑合金(P-Si)電阻率P合金=0.04 Ω .cm， 根據(jù)編號為GB/T 13389-92《摻硼摻磷硅單晶電阻率與摻雜劑濃度換算規(guī)程》國家標準可計算得到上述多晶硅中磷元素含量ω多晶=3.5X1012atOmS/cm3，目標電阻率為 cm的硅單晶中磷元素含量ω目標=1.56X1014atOmS/cm3，摻雜劑合金磷元素含量ω合金 =3. 53X1017atoms/cm3o因此，所需摻雜劑合金質量可由上式(1)得到，M^i= 23. 8g (即首次摻雜合金質量)。2.將配制好的原料投入到Kayex CG6000型直拉爐中，加熱進行化料，化料完畢后，將加熱功率調整到引晶功率(此實施例引晶功率為^kw),設定引晶溫度點(此實施例引晶溫度點為1450 SP)，在此溫度下，穩(wěn)定硅熔液10分鐘。3.測試單晶的拉制按照實施例1中的方法進行測試單晶的拉制，此實施例中引晶細頸長度為3. 8cm,引晶細頸直徑為3. 3mm，測試硅單晶等徑直徑為3cm (最佳直徑為 3cm)，等徑長度為4. 5cm，最后進行收尾操作，收尾過程應緩慢進行，使尾部成錐狀，尾部末端成尖形。4.測試樣品的加工將測試硅單晶取出，冷卻完畢后，用油石對表面進行加工，選取測試單晶等徑部分的圓弧面將其磨制成平面，平面的大小以適合四探針電阻率測試儀測試為宜，一般為5mmX 5mm大小，然后將測試單晶旋轉適宜角度，磨制下一個測試平面，如此磨制測試平面2-3個，本實施例中共磨制平面3個。5.對加工完畢的測試樣品進行電阻率測試，測試部位為上述加工的平面，每個平面測試三次，取三次平面測試數(shù)據(jù)的平均值并記錄，本實施例中所測三個平面的平均電阻率數(shù)據(jù)如下44 Ω . cm、43. 8 Ω . cm、43. 8 Ω . cm,再取上述三個數(shù)據(jù)的平均值43. 9 Ω . cm作為本次測試樣品的電阻率值。6.由以上測試可知，測試樣品電阻率值43.9 Ω. cm與目標電阻率值觀0. cm相差15.9Ω.cm，相差值> 5Ω.cm，達不到產品參數(shù)要求，需要進行第二次摻雜。已知所制備測試樣品中磷元素的含量與現(xiàn)有硅熔體中磷元素的含量相等，因此由測試樣品的電阻率值可得出硅熔體中磷元素的含量，同樣按照配制原料步驟中的方法，根據(jù)編號為GB/T 13389-92《摻硼摻磷硅單晶電阻率與摻雜劑濃度換算規(guī)程》國家標準可計算得到此時硅熔體中磷元素的含量83X1013atOmS/Cm3，其次可知所摻雜合金中磷元素含量ω合金 =3. 53X1017atoms/cm3,目標熔體中磷元素含量ω目標=1. 56 X 1014atoms/cm3，熔體質量可約等于配料質量，即％體 M多晶+M合金=55kg，所以由下式(M多晶+M合金)X ω目標-Ms^X ω碰 =M二次合金X ω合金計算可得到Μ二次合金=8· "g。7.調整硅液溫度，進行硅碗拉制，硅碗制備完畢后，關閉爐中板閥，對上爐室充氣， 打開爐門，將稱量好的摻雜合金8. 99g放到硅碗中，關閉爐門進行置換操作，置換完畢后， 將攜帶摻雜合金的硅碗浸入硅液中，完成第二次摻雜。8. 二次摻雜完畢后，再次進行穩(wěn)溫操作，設定引晶溫度點(此實施例引晶溫度點為 1450 SP )，在此溫度下，穩(wěn)定硅液溫度10分鐘。9.之后，根據(jù)上述第1 5步驟再次進行測試硅單晶的拉制，測試樣品的加工，測試樣品的電阻率測量，最終得到二次摻雜后的測試樣品的電阻率值為33. 2Ω. cm，與硅單晶目標電阻率值觀Ω . cm相差5. 2 Ω . cm，相差值> 5 Ω . cm，不滿足硅單晶目標電阻率要求。10.由于上述電阻率差值不滿足要求，所以要進行第三次摻雜，同樣按照上述的計算方法，對第三次摻雜合金質量進行計算得到74g。11.第三次摻雜完畢后，根據(jù)上述第1 5步驟，再次進行穩(wěn)溫、測試單晶制備、測試樣品加工等操作，最終得到此次測試樣品電阻率為觀.8 Ω . cm，與硅單晶目標電阻率值 28 Ω . cm相差0. 8 Ω . cm,相差值< 5 Ω . cm，滿足硅單晶目標電阻率要求。12.根據(jù)以上二次摻雜后的測試樣品電阻率值觀.8 Ω . cm,可知此時熔體中P元素含量為1. 5X1014atOmS/Cm3，并由此可判斷摻雜后的熔體滿足拉制成品硅單晶電阻率的要求，所以之后的操作可按照常規(guī)的直拉硅單晶制備工藝制備出電阻率滿足要求的成品硅單
權利要求
1.一種控制直拉硅單晶頭部電阻率的方法，其特征是包括如下步驟步驟一.原料全部熔化完畢后，進行測試硅單晶的拉制；步驟二.測試硅單晶拉制完畢后，取出測試硅單晶，將測試硅單晶圓柱面部分加工成平面，得到測試樣品；步驟三.之后，用四探針電阻率測試儀對測試樣品的平面部分進行電阻率測量，并記錄電阻率測試值；步驟四.比較測試樣品的電阻率測試值與硅單晶目標電阻率值，計算測試樣品的電阻率測試值與硅單晶目標電阻率的差值，如果測試樣品的電阻率測試值比硅單晶目標電阻率值> 5Ω. cm，則進行以下步驟的操作，否則測試樣品的電阻率測試值滿足硅單晶目標電阻率要求，直接進行正常拉晶操作；步驟五.根據(jù)測試樣品的電阻率測試值與硅單晶目標電阻率值的差值，計算所需摻雜合金質量；步驟六.將計算出一定質量的摻雜合金摻入硅熔體中；步驟七.摻雜合金完全熔化混合均勻后，重復進行步驟一至步驟三，并再次計算測試樣品的電阻率測試值與硅單晶目標電阻率值的差值；步驟八.如果第二次計算所得測試樣品的電阻率測試值比硅單晶目標電阻率值 > 5 Ω . cm，則重復進行步驟五至步驟七，直至測試樣品的電阻率測試值比硅單晶目標電阻率值<5 Ω. cm，則停止摻雜，測試樣品的電阻率滿足硅單晶目標電阻率要求，即完成硅單晶頭部電阻率的控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種控制直拉硅單晶頭部電阻率的方法，其特征是所述測試硅單晶拉制的長度應> 6cm，測試硅單晶拉制的長度包括放肩部分、等徑部分和收尾部分，其中等徑部分直徑為2cm 3cm，等徑部分長度> 4cm0
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制直拉硅單晶頭部電阻率的方法，本發(fā)明技術方案的要點在于采用如下步驟(1)制備測試單晶；(2)將測試單晶加工成測試樣品，并對其進行電阻率測試；(3)如果樣品電阻率測試不滿足要求，則計算摻雜合金質量，進行二次摻雜；(4)摻雜完畢后，再次制備測試單晶，并對測試樣品進行電阻率測試，如不滿足要求，可進行三次或四次重復摻雜，直至電阻率滿足要求。通過實施該方法，可精確控制成品單晶電阻率，成品硅單晶電阻率與目標電阻率偏差控制在1-3Ω.cm范圍內，成品硅單晶合格率提高8%，成本降低約20%。
文檔編號C30B15/20GK102181919SQ20111009254
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月13日 優(yōu)先權日2011年4月13日
發(fā)明者張雪囡, 李建弘, 李翔, 沈浩平, 董兆清 申請人:天津市環(huán)歐半導體材料技術有限公司