[发明专利]一种MEMS用低氧硅单晶材料的制备方法及其热系统

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，特别涉及一种MEMS用低氧硅单晶材料的制备方法及其热系统。

背景技术

低氧含量和低缺陷的直拉硅单晶是制作体硅结构MEMS器件的理想材料。低的氧含量，可以减少硅单晶中的氧致缺陷尺寸和密度，能够大幅度减少MEMS器件各向异性腐蚀工艺中硅基体表面的腐蚀缺陷，显著提升MEMS器件的性能和质量。

为了降低直拉硅单晶中的氧致缺陷密度，需大幅度降低硅单晶的初始氧含量，一般要较常规直拉硅单晶材料下降30%－40%。低氧直拉硅单晶通常采用磁场拉晶法进行制备，为了降低氧含量，需要使用较高的磁场强度，高磁场强度在抑制熔体热对流，避免氧杂质熔入的同时，也会显著降低熔体的径向温度梯度，造成单晶生长过程中坩埚和晶体边缘的过冷，严重影响单晶的生长控制和生长稳定性。另外过低的氧含量会造成硅单晶的机械强度不足，在后续加工过程中，易出现晶体损伤和碎裂，影响加工成品率。

为了保证高磁场强度低氧单晶拉制的稳定性和加工成品率，需要设计改进一整套工艺技术方法用于该类材料的制备。

发明内容

本发明的目的是为了解决MEMS器件用低氧硅单晶材料在高磁场强度下，晶体拉制以产生过冷生长和晶体机械强度不足的问题，以获得各方面能够满足高端MEMS器件制作的低氧硅单晶材料，同时针对低氧硅单晶拉制需求，需要重新设计新的非等厚度加热器和非等厚度保温层热系统结构，因此，特别提供一种MEMS用低氧硅单晶材料的制备方法及其热系统。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种MEMS用低氧硅单晶材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：

一、采用上保温层层数多于下保温层层数的热系统进行拉晶，同时将热系统中加热器的壁厚设为非等厚度，即加热器上端壁厚大于下端壁厚，用于调节整个热系统的径向和纵向温度梯度。

二.使用高磁场强度拉晶，抑制熔硅热对流，磁场强度参数设定为： 1600-1800Gs，用于控制晶体的氧碳杂质含量，以减少后期单晶中氧沉淀及相关缺陷的生成。

三. 在多晶硅原料中掺入一定量的电中性锗元素，掺杂量占多晶硅原料重量比的0.1-0.5﹪，以起到增强硅单晶机械强度的作用。

所述在拉晶过程中，引晶速度稳定在180-360mm/h，放肩速度稳定在45mm/h，等径阶段速率为50-70mm/h。

所述热系统设有上、下保温层，上保温层的碳毡层数为10-12层，下保温层的碳毡层数8-10层；所述热系统中的加热器壁厚设为非等厚度，加热器对应上保温层的上部分壁厚为28-32mm；对应下保温层的下部分壁厚为21-24mm。

本发明主要从以下几个方面解决现有工艺中存在的技术问题。

①参照图1和图2，通过热系统改进，创新性使用14英寸非等厚度加热器和非等厚度保温层的热系统结构，用以调节高磁场强度下硅熔体的径向和纵向温度梯度，在保证单晶生长具有足够的驱动力的同时，缓解因熔体热对流减弱造成的熔体径向温度梯度降低而产生的熔体和晶体边缘过冷，坩埚和晶体边缘长刺等影响晶体生长稳定性的问题。同时降低晶体生长过程的热功率，起到减低单晶拉制成本的作用。

②高磁场强度拉晶，利用高磁场强度，抑制熔硅热对流，显著降低熔硅与石英坩埚的反应，降低氧杂质的熔入；同时改善熔硅表面的马兰戈尼对流，加快氧在熔硅表面的蒸发，在生长界面处形成低氧层，以减小晶体中的氧杂质含量。晶体中初始氧含量的显著减小，可降低后期因高温处理形成的氧沉淀及其相关缺陷的密度。磁场强度参数设定为1600-1800Gs，并在晶体生长过程中，随着熔体的逐渐减少而适当增加，以确保磁场对于熔体热对流的抑制效果。通常在硅熔体进入石英坩埚球状弧部位时，开始提高磁场强度，由1600Gs升至1800Gs。

③在多晶硅原料中掺入一定量的电中性锗元素，掺杂量控制在0.1-0.5﹪（重量比），锗原子较大，可以形成一定的应力场，阻止硅晶格的位移，起到缺陷抑制和增强机械强度的作用。

④在常规单晶拉制基础上大幅改进拉晶工艺参数：（1）借助磁场作用，熔体温度波动大幅减小，单晶引晶和放肩速度提升，引晶速度稳定在180-360mm/h，放肩速度稳定在45mm/h，引晶和放肩时间相较常规单晶减少15﹪。（2）6英寸单晶等径阶段速率由常规的30-56mm/h提升至50-70mm/h。（3）单晶等径拉晶功率降低至40-45kw，较常规单晶下降5kw。