大直徑直拉單晶硅片退火前后工藝的研究

薛佳勇

【摘 要】光學透鏡所需單晶硅片直徑大、厚度也較厚、電阻率高、光的透過率要求也較高。大直徑硅片均采用直拉法生產的單晶硅，在生產過程中如何保證硅片的加工質量，特別是如何有效的控制才能把單晶硅的真實的電阻率表現出來，達到其透過率要求，這些都是難點，因此利用高溫退火來解決直拉單晶硅這些問題是一個最佳的選擇方案。

【關鍵詞】高溫退火;空洞缺陷;殘余應力;空位;空穴;缺陷

引言

大直徑的直拉單晶硅高溫退火，在國外，一般采取的方式是在拉直單晶硅后不出單晶爐，直接進行高溫退火，這就是所謂的爐內高溫退火的直拉大直徑單晶硅;而在國內，對待大直徑的直拉單晶硅采取的方式均以單晶硅片的形式來進行高溫退火。一般直徑超過300mm，厚度超過50mm的直拉單晶硅片對高溫退火要求是相當嚴格的，在高溫退火過程中極容易出現炸裂的現象，同時也會有顯示不出來真實的電阻率值的現象。本文只針對大直徑直拉單晶硅片，在高溫退火過程中提出最基本的工藝要求。

1大直徑直拉單晶硅高溫退火前準備工作

1.1硅片選擇

隨著光電科學技術的突飛猛進，紅外光學透鏡在我國的軍工領域和遠體天文方面得到了廣泛和長足的發展，鏡頭要求的直徑也越來越大，厚度也逐漸增加，而且對單晶硅的內在指標的要求也越來越高，電阻率大都超過30?.m，其透過率要求超過52%，甚至更高。這就要求在大直徑直拉單晶硅片選擇時，質量必須達到這些超高的標準，才可以制作出合格的光學透鏡，所以這些高品質的光學透鏡所使用的大直徑單晶硅片必須要進行嚴格的帥選，物料一定不能存在多晶、位錯、裂痕、暗紋等嚴重的缺陷，這些都會在退火過程中出現炸裂的現象，致使高溫退火失敗。所以一定在高溫退火前，將大直徑直拉單晶硅片選擇好。

1.2外形處理

大直徑直拉單晶硅片在退火前必須做好整形處理工作，外形處理首先就是要用外圓磨床對單晶硅片進行滾磨，砂輪至少要達到200目以上，這樣才能得到一個良好的單晶硅片柱面;其次單晶硅片的表面應也是至關重要的，一般都要將硅片的表面進行平磨處理，使硅片的表面達到平整性好、一致性高，磨過的硅片的等厚差一般不超過20um;另外，硅片還需要進行倒角作為硅片的保護，能倒成45O的角為最好，一般達到0.5-0.7mm為宜;還有整個硅片上不應有褶皺、鋸紋、線痕、崩邊、凹陷等嚴重的幾何缺陷。這樣在高溫處理的過程中直拉單晶硅片的內在應力才能平穩均衡的進行釋放，不至于集中在某個點上進行應力釋放發生單晶硅片炸裂的嚴重后果。

1.3表面清洗

紅外光學鏡頭的直拉單晶硅片純度一般均在99.99999%以上，所以在高溫退火的過程中一定不要有其他雜質擴散到單晶硅片中去，尤其是銅、鐵、鋁等金屬離子，這些離子在高溫狀態活躍性更強，擴散的速度更快。因為單晶硅片高溫退火的過程中，不但要釋放其內在的應力，而且硅片在高溫快速熱處理中引入空位、填隙原子并控制空位的分布，進而會形成了具有較強內吸雜能力的區域，此時更不能有其他雜質來進行空穴填充，否則會造成的污染，嚴重影響單晶硅的純度，因此單晶硅片的清洗至關重要。一般有條件的單位可以利用超聲波對單晶硅片進行清洗;如果不具備超聲波，也可以用清水進行清洗，然后用酒精進行擦拭表面;還可以使用酸堿進行腐蝕，但要再次的徹底清洗干凈。總之，單晶硅片的清洗必須做到徹底清洗干凈為目的。

2高溫退火控制

大直徑直拉單晶硅片在高溫退火時，一般都采用程序型的加熱方式進行升溫。因為程序型加熱方式是按照規定的時間，能夠均勻的將溫度升至所設定的溫度目標，升溫速度比較均勻，而不是在某一段區域急速升溫，其他區域則緩慢升溫，所以采取程序型加熱的方式能夠對大直徑直拉單晶硅片更加有效的進行保護。高溫退火的目標溫度一般根據產品的具體要求來確定，一般的在750℃左右，因為產品不同所要達到的目標也不盡相同。隨著溫度的升高，電子從熱震動的晶格中吸收能量，電子從低能態遷升到高能態，形成自由的導帶電子和價帶空穴，不斷產生載流子，這個過程即是升溫的結果。退火溫度達到目標溫度值后還要確定一個時間來做保溫處理，讓高溫快速熱處理中引入空位、填隙原子并控制空位的分布，使原子快速填充空穴重新進行排布，保溫時間設定仍然是要根據產品要求來具體確定。

3高溫退火后處理

3.1產品防護

直拉單晶硅片在750℃保溫的狀態下需要快速出爐，就要求我們有極好的防護措施，才不至于使其發生炸裂的現象發生，因此一定做好必要防護措施。首先，出爐前需準備較好的耐高溫手套，因為大直徑的單晶硅片一般都較沉重，每片重量基本均在8kg以上，出爐時只能戴高溫手套直接搬出來，切勿使用不銹鋼或鐵質的器具去觸碰或移動直拉單晶硅片，避免造成其沾污或炸裂;其次，出爐后單晶硅硅片絕對不可以直接放在不銹鋼或鐵質材料上，此時溫度較高，容易形成擴散，還會因為局部驟然變涼而造成炸裂，最好準備厚一點的石棉墊來放置剛出爐的大直徑單晶硅片，因為石棉墊既耐高溫又較松軟，正適合放置剛出爐的大單晶硅片;另外，在操作的過程中一定注意不要有任何的磕碰、剮蹭或大的震蕩，以免單晶硅片由于外力因素造成炸裂;同時操作人員自身也要做好防護工作，以免碰觸被爐墻、爐門或硅片而燙傷。

3.2快速降溫

出爐后的直拉硅片需要迅速降溫，當溫度在750℃左右降至450℃左右時，直拉單晶硅中的導帶電子和價帶空穴從高能態向低能態躍遷，同時釋放出一定能量，使漂移的載流子進行復合;同時直拉單晶硅中的氧會轉化為氧施主，這個迅速降溫的過程可以使氧施主返回到間隙氧的狀態，消除氧施主對電阻率測試的不良影響，對電阻率測量的正確性有著極其重要的作用，快速降溫是直拉單晶硅退火最重要的步驟之一。既然需要快速降溫，就應準備高風量的風機對直拉單晶硅片進行吹試，同時還應考慮將這些熱量快速的散發出去，那最好的選擇就是在通風櫥中進行操作，這樣才能達到迅速降溫的最佳效果。

3.3后處理

經過高溫退火的直拉大直徑單晶硅片的表面已得到部分氧化，另外表面還極有可能被雜質污染，所以經過高溫退火的直拉大直徑單晶硅片一定要進行表面處理。一般硅片表面的氧化層和沾污的處理采取平磨或進行酸腐蝕的方式來去除，去除量無需太大，正常去除在0.1mm即可達到檢測要求，這樣使用四探針電阻率測量儀來測量電阻率即可得到真實的數據，為確定其透過率提供依據。

結束語

從大直徑直拉單晶硅片高溫退火過程來看，既可使直拉單晶硅的真實電阻率值顯露出來，為紅外光學提供透過率參考數據;同時又還能消除張拉單晶硅片的殘余應力，在單晶硅片后續加工過中變得極其容易。從以上幾個維度來講，直拉單晶硅片的高溫退火工藝是硅加工行業必不可少的重要一步。

參考文獻：

[1]侯連武 硅片加工工藝 有色金屬工人技術理論教材 1986年

[2]尹建華 李志偉 半導體硅材料基礎 化學工業出版社 2013年

（作者單位：天津眾晶半導體材料有限公司）