生长系统对区熔硅单晶径向电阻率的影响-扬州晶格半导体有限公司

生长系统对区熔硅单晶径向电阻率的影响

时间：2025-07-14 发布人：admin 点击数：0

本文通过对比国产 L4375-ZE 区熔炉与德国进口 CFG/1400P 区熔炉的单晶生长性能，研究了生长系统参数对高阻区熔硅单晶径向电阻率均匀性的影响。实验表明，在加热线圈结构、生长速率及晶轴旋转配置相同的条件下，炉膛尺寸与充气压力差异导致的生长界面温度梯度变化，是造成单晶电阻率径向分布差异的关键因素。L4375-ZE 区熔炉因较小的炉膛尺寸和较低的充气压力，表现出更优的电阻率径向均匀性。

区熔法（FZ）是制备高纯度硅单晶的重要工艺，其径向电阻率均匀性直接影响半导体器件的性能一致性。生长系统的物理参数（如炉膛尺寸、气体环境）会通过改变热场分布和杂质分凝行为，对单晶质量产生显著影响。本文基于两种典型区熔炉的对比实验，揭示生长系统与电阻率径向分布的内在关联。

实验方法

区熔炉：L4375-ZE（国产，炉膛内径 0.4m，氩气压力 0.11~0.12MPa）；CFG/1400P（德国进口，炉膛内径 0.65m，氩气压力 0.15~0.16MPa）。
材料：美国进口区熔级多晶硅（直径 100mm，基硼电阻率≥1×10⁴Ω・cm，基磷电阻率≥1000Ω・cm）。

工艺流程

区熔整形：在 CFG/1400P 炉中，于氩气气氛下将多晶硅拉细至 50mm。
多晶提纯：通过 L4375-ZE 炉多次真空区熔，使 P 型多晶电阻率达≥1×10⁴Ω・cm。
单晶生长：两炉均采用相同工艺参数：生长速率 4.0mm/min，上晶轴转速 5r/min，下晶轴转速 8r/min，生长 <111> 晶向、直径 53mm 的单晶。

实验结果

1、电阻率径向分布特征

P 型单晶（1.0~5.0×10⁴Ω・cm）：

CFG/1400P 炉生长的单晶径向电阻率变化范围为 11.5%~53%，中心电阻率高于边缘。L4375-ZE 炉生长的单晶径向电阻率变化仅 0.7%~11.5%，均匀性显著优于前者（见表 1）。

N 型单晶（1.5~4.5×10³Ω・cm）：

CFG/1400P 炉样品径向电阻率变化达 16.5%~65.7%，边缘电阻率高于中心。L4375-ZE 炉样品变化为 3.4%~20.9%，均匀性优势明显。

2、生长系统影响机制

热场分布差异：CFG/1400P 炉较大的炉膛尺寸（0.65m 内径）和较高充气压力（0.15~0.16MPa）增强了气体的热传导与对流，导致生长界面径向温度梯度增大。温度梯度越大，晶体生长界面弯曲度越高，加剧了杂质分凝的不均匀性。
杂质分凝效应：磷（分凝系数 0.35）和硼（分凝系数 0.9）的分凝行为受界面弯曲影响显著。P 型单晶中硼为主导杂质，中心磷杂质富集导致电阻率偏高；N 型单晶中磷主导，边缘磷浓度更高，形成 “中心低、边缘高” 的分布。L4375-ZE 炉因温度梯度较小，界面弯曲度低，杂质分布更均匀。
导电类型差异：P 型单晶经多次提纯后磷杂质浓度低，径向均匀性普遍优于 N 型单晶，表明杂质总含量对分凝效应有调制作用。

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