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CN116145238A - 一种晶体生长方法、装置及rf-soi基材 - Google Patents

一种晶体生长方法、装置及rf-soi基材 Download PDF

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CN116145238A
CN116145238A CN202211734788.XA CN202211734788A CN116145238A CN 116145238 A CN116145238 A CN 116145238A CN 202211734788 A CN202211734788 A CN 202211734788A CN 116145238 A CN116145238 A CN 116145238A
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CN202211734788.XA
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魏星
刘文凯
薛忠营
刘赟
戴荣旺
李名浩
俞跃辉
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Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Zing Semiconductor Corp
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Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Zing Semiconductor Corp
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Abstract

本申请提供一种晶体生长方法、装置及RF‑SOI基材，应用于晶体生长技术领域，其中晶体生长方法包括：控制第一超导线圈产生第一电流，以及控制第二超导线圈产生第二电流，其中第一电流的数值与第二电流的数值不相等，第一超导线圈和第二超导线圈为相对设置地分布于坩埚外且用于在坩埚内部产生磁场的超导线圈；基于所述第一电流和所述第二电流在所述坩埚内产生的非对称磁场进行单晶直拉生长。通过调整线圈电流比为1:n来获得非对称水平磁场，进而可以通过采用非对称水平磁场来抑制熔体流动，进而基于非对称水平磁场对熔体不同抑制作用可获得非对称对流结构，能够显著降低直拉法单晶硅晶体中的氧含量。

Description

一种晶体生长方法、装置及RF-SOI基材
技术领域
本申请涉及晶体生长技术领域，具体涉及一种晶体生长方法、装置及RF-SOI基材。
背景技术
RF-SOI是一种具有独特三层结构(即硅/绝缘层/硅)的硅基半导体工艺材料，它通过绝缘埋层(通常为SiO2)实现了器件和衬底的全介质隔离。因此，在5G射频芯片衬底材料中，因其具有低损耗、高线性度、高击穿电压、高热导率、高集成能力及相对较低的成本等优点，而成为核心的衬底材料。
目前，RF-SOI需要一层高阻的硅单晶衬底，但由于硅单晶中的氧会产生热施主(thermal donor)，造成电阻降低。因此，该层高阻衬底还要求较低的氧含量。
为了降低硅单晶中的氧含量，传统8英寸高阻衬底均采用无坩埚的区熔法(又称FZ法，即悬浮区熔法)生长，而当晶体尺寸发展到12英寸后，坩埚尺寸、熔体体积均随之扩大，硅熔体的表面张力不足以支撑其重力，无法使用区熔法生长，只能使用直拉法，比如柴可拉斯基法(Czochralski)。
在针对12英寸晶体时，在现有直拉法中虽然可以施加特定磁场(如水平磁场、勾型磁场等)来获得一定程度的改善，但仍然无法有效抑制熔体流动问题，以及无法解决直拉法硅单晶晶体氧含量高的问题。
发明内容
有鉴于此，本说明书实施例提供一种晶体生长方法、装置及RF-SOI基材，基于电流比形成非对称磁场进行直拉法单晶硅晶体生长。
本说明书实施例提供以下技术方案：
本说明书实施例提供一种晶体生长方法，包括：
控制第一超导线圈产生第一电流，以及控制第二超导线圈产生第二电流，其中第一电流的数值与第二电流的数值不相等，第一超导线圈和第二超导线圈为相对设置地分布于坩埚外且用于在坩埚内部产生磁场的超导线圈；
基于所述第一电流和所述第二电流在所述坩埚内产生的非对称磁场进行单晶直拉生长。
优选地，第一电流的数值与第二电流的数值之比为1:n，n为不等于1的数值。
优选地，所述第一超导线圈的形状为圆形、椭圆形或马鞍形；和/或所述第二超导线圈的形状为圆形、椭圆形或马鞍形。
优选地，所述第一超导线圈的数量是一个或多个；和/或所述第二超导线圈的数量是一个或多个。
优选地，通过第一控制器控制第一超导线圈产生第一电流，以及通过第二控制器控制第二超导线圈产生第二电流。
本说明书实施例还提供一种晶体生长装置，包括：
坩埚；
第一超导线圈和第二超导线圈，其中第一超导线圈和第二超导线圈为相对设置分布于所述坩埚外且用于在坩埚内部产生磁场的超导线圈；
控制器，用于控制第一超导线圈产生第一电流和控制第二超导线圈产生第二电流，其中第一电流的数值与第二电流的数值不相等；
直拉机构，用于基于所述第一电流和所述第二电流在所述坩埚内产生的非对称磁场进行单晶直拉生长。
优选地，控制器包括第一控制单元和第二控制单元，其中第一控制单元用于控制第一超导线圈产生第一电流，第二控制单元用于控制第二超导线圈产生第二电流。
优选地，所述第一超导线圈的形状为圆形、椭圆形或马鞍形；和/或所述第二超导线圈的形状为圆形、椭圆形或马鞍形。
优选地，所述第一超导线圈的数量是一个或多个；和/或所述第二超导线圈的数量是一个或多个。
本说明书实施例还提供一种RF-SOI基材，所述RF-SOI基材为基于本说明书中任一项所述晶体生长方法进行直拉生长得到的基材，或者所述RF-SOI基材为使用本说明书中任一项所述晶体生长装置进行单晶直拉生长得到的基材。
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：
通过调整线圈电流比为1：n，使得电流比不再为产生水平对称磁场的1:1，从而获得非对称水平磁场，进而可以通过采用非对称水平磁场来抑制熔体流动，进而基于非对称水平磁场对熔体不同抑制作用可获得非对称对流结构，加强氧在自由液面挥发，能够显著降低直拉法单晶硅晶体中的氧含量，使得晶体氧含量能够满足RF-SOI要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是电流比1:1形成的水平对称磁场分布示意图；
图2是电流比1:n形成的非对称磁场分布示意图；
图3是不同电流比下熔体流动的结构示意图；
图4是电流比1:1的云图示意图；
图5是电流比1:n的云图示意图；
图6是晶体生长方法的流程图；
图7是晶体生长装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践。
硅单晶中的氧主要来源于石英坩埚的溶解，溶解的氧会随熔体流动而运动。氧在自由液面会和硅原子结合，形成SiO挥发。目前，在直拉法中施加相应特定磁场，可以在一定程度上改善单晶硅生长。
例如，现有专利文献JP6601420B2提供了一种单晶制造方法及单晶提拉装置，通过在直拉法硅单晶生长的不同阶段，改变水平磁场与熔体的相对位置，从而降低晶体中的氧含量。但是，一方面该现有技术只能获得最低氧含
量为2.2×1017(原子/立方厘米)左右缺氧硅单晶，即硅单晶氧含量的数量级5仍为1E18左右，远远无法满足RF-SOI使用要求。
例如，现有专利文献JP6601420B2提供了一种单晶制造方法及单晶拉拔装置，即使用一可变磁场以控制一生长硅晶体之熔体-固液界面形状，使用勾形(cusp)磁场，通过可变电源及控制器，形成了大体对称、水平为主、横
向为主的三种勾型磁场组态。通过在晶体生长的不同阶段，按需求控制磁场0的组态，进而控制固液界面形状。但是，当晶体尺寸发展到12英寸，坩埚尺寸、熔体体积均随之扩大，同样熔体中湍流强度随之增强，而且勾型磁场由于其中心处较弱的磁场强度，在抑制熔体流动时存在较大困难，因而目前12英寸半导体硅单晶生长大多只能采用水平磁场。
有鉴于此，在对直拉法及其施加磁场的技术方案进行深入研究及改进探5索中发现：如图1所示，现有直拉法中所施加的水平磁场，大多由左右两侧的超导线圈产生，通常控制器控制两侧的超导线圈产生相等电流，从而在坩埚内产生近乎对称的磁感应强度，即坩埚内产生水平对称磁场分布；如图2所示，在分别控制两侧超导线圈产生不同电流时，使得两侧的超导线圈电流
不再相等，即两侧超导线圈的电流比为1:n而不再为1:1后，此时坩埚内将产0生非对称的磁感应强度，其中颜色越深的区域，磁场强度越大，箭头表示磁力线方向。
因此，从图1示意的磁场分布情况来看，当电流比为1:1时，将产生对称分布的磁感应强度分布，其磁感应强度分布呈对称的水平磁场，而从图2示意的磁场分布情况来看，当电流比调整为其他比例(比如1:n，n不等于1)5时，将产生不对称分布的磁感应强度分布，其磁感应强度分布呈非对称的水平磁场。
在改变电流比后继续的探索中，进一步还发现：如图3所示，在对称磁场作用下，对称磁感应强度对坩埚两侧熔体的抑制作用相同，这时熔体流动也呈对称分布(如图3的左图示意)，导致熔体中湍流强度较强；而非对称磁感应强度对坩埚两侧熔体的抑制作用不一致，其中电流较弱的一侧，熔体受抑制较弱(如图3的右图示意)，另外由于热浮力引起的自然对流更强，该侧自然对流会占据更多的空间，其从坩埚壁升起的富氧熔体经过自由液面充分挥发后，氧含量显著降低，含氧量低的熔体再达到结晶界面，能够显著降低晶体的氧含量浓度。
仔细分析电流比对应的云图还发现：图4和图5是不同电流比下的云图示意图，从图4示意的云图可以看出，当电流比为1:1时，结晶界面氧含量在15ppma左右，从图5示意的云图可以看出，当电流比为1:n(比如1:2)时，结晶界面氧含量在4ppma左右。
因此，通过调整坩埚外侧超导线圈的电流比，可以向坩埚提供非对称水平磁场，从而在该非对称磁场作用下，可以在直拉法中形成非对称的对流结构，不仅有利于降低熔体中湍流强度，也能够显著地降低晶体中的氧含量，使得直拉法生长得到的晶体能够用作RF-SOI基材。
下面进行示例说明：
如图6所示，本说明书实施例提供一种晶体生长方法，包括：
步骤S602、控制第一超导线圈产生第一电流，以及控制第二超导线圈产生第二电流，其中第一电流的数值与第二电流的数值不相等，第一超导线圈和第二超导线圈为相对设置地分布于坩埚外且用于在坩埚内部产生磁场的超导线圈。
正如前述分析，当坩埚外超导线圈的电流比不再为1:1时，超导线圈在坩埚内将产生非对称磁场，该非对称磁场既可以为直拉法晶体生长提供不对称水平磁场分布，又可以通过非对称磁场组态下为坩埚两侧熔体的流动提供不同抑制作用，其中电流较弱的一侧，熔体受抑制较弱，由于热浮力引起的自然对流更强，该侧自然对流会占据更多的空间，而鉴于硅单晶中的氧主要来源于石英坩埚的溶解，溶解的氧会随熔体流动而运动，以及氧在自由液面会和硅原子结合形成SiO挥发，因而在非对称磁场作用下，从坩埚壁升起的富氧熔体经过自由液面充分挥发后，含氧量低的熔体再达到结晶界面，氧含量显著降低。
步骤S604、基于所述第一电流和所述第二电流在所述坩埚内产生的非对称磁场进行单晶直拉生长。
通过调整电流比后，坩埚内形成能够用于直拉法晶体生长的不对称水平磁场分布，以及基于非对称磁场对熔体抑制作用不同，使得熔体能够形成一种不对称的对流结构，从而能够显著地降低单晶直拉生长中的含氧量，最终能够为制造RF_SOI基材提供一种氧含量浓度显著降低的单晶直拉生长基础。
需要说明的是，单晶直拉生长方法可以是现有的直拉法，这里不作限定。
在一种示例中，可以根据单晶直拉生长工艺所需，进而控制超导线圈产生相应电流，其中第一电流的数值与第二电流的数值之比为1:n，n为不等于1的数值。需要说明的是，n可以是大于1的数值，也可以是小于1的数值，还可以是大于1的整数值，这里不作具体限定。
在一种示例中，非对称磁场可以由一对或多对超导线圈组成，线圈的形状可以是圆形。因此，所述第一超导线圈的形状为圆形；和/或所述第二超导线圈的形状为圆形。需要说明的是，超导线圈还可以是其他形状，并不限于圆形，例如椭圆形或马鞍形等，从而通过线圈形状的设置，便于在坩埚内产生非对称磁场分布和对坩埚内熔体进行非对称抑制后形成熔体非对称的对流结构。另外，第一超导线圈和第二超导线圈可以形状可以相同，也可以不同，这里不对形状及大小作具体限定。
在一种示例中，线圈的数量也可以为一个或多个，从而通过超导线圈组态在坩埚内部形成所需的非对称磁场分布和非对称的对流结构。因此，所述第一超导线圈的数量可以为一个或多个；和/或所述第二超导线圈的数量可以为一个或多个，从而基于多对超导线圈及其各自的电流比形成非对称磁场。
在一种示例中，通过对水平的磁场组件经过改进设计，使得流经超导线圈的电流可以单独控制，即通过第一控制器控制第一超导线圈产生第一电流，以及通过第二控制器控制第二超导线圈产生第二电流。例如，前述图2示意的一种非对称水平磁场组态的控制方案，线圈由分立的第一控制器和第二控制器分别控制，从而通过单独控制非常方便实现1:n线圈电流比。
基于相同发明构思，本说明实施例还提供与前述方法对应的晶体生长装置。
如图7所示，一种晶体生长装置，包括：
坩埚701；
第一超导线圈702和第二超导线圈703，其中第一超导线圈和第二超导线圈为相对设置分布于所述坩埚外且用于在坩埚内部产生磁场的超导线圈；
控制器704，用于控制第一超导线圈产生第一电流和控制第二超导线圈产生第二电流，其中第一电流的数值与第二电流的数值不相等，例如两电流之比为1:n(n为不等于1的数值)；
直拉机构705，用于基于所述第一电流和所述第二电流在所述坩埚内产生的非对称磁场进行单晶直拉生长。
需要说明的是，这里坩埚、直拉机构等可以是原设备中对应部分，这里是通过控制器调整超导线圈的电流比，使得在坩埚内产生磁场的超导线圈之间的电流比不再为1:1，进而通过1：n的电流比在坩埚内部形成非对称磁场，从而使得坩埚内的熔体也形成非对称对流结构。
在一种示例中，可对超导线圈进行单独控制，具体地控制器可以包括第一控制单元和第二控制单元，其中第一控制单元用于控制第一超导线圈产生第一电流，第二控制单元用于控制第二超导线圈产生第二电流。
在一种示例中，超导线圈的形状可为圆形但不限于圆形。具体地，所述第一超导线圈的形状为圆形、椭圆形或马鞍形；和/或所述第二超导线圈的形状为圆形、椭圆形或马鞍形。
在一种示例中，第一超导线圈和第二超导线圈都可以是一个或多个，实施中只需控制器控制两类超导线圈的电流不是相等，从而产生非对称磁场。
基于相同发明构思，本说明书实施例还提供含氧量低的基材，以用作RF-SOI基材。
具体地，所述RF-SOI基材为基于本说明书中任一项实施例所述晶体生长方法进行直拉生长得到的基材，或者所述RF-SOI基材为使用本说明书中任一项实施例所述晶体生长装置进行单晶直拉生长得到的基材。
本说明书中，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的产品实施例而言，由于其与方法是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种晶体生长方法，其特征在于，包括：
控制第一超导线圈产生第一电流，以及控制第二超导线圈产生第二电流，其中第一电流的数值与第二电流的数值不相等，第一超导线圈和第二超导线圈为相对设置地分布于坩埚外且用于在坩埚内部产生磁场的超导线圈；
基于所述第一电流和所述第二电流在所述坩埚内产生的非对称磁场进行单晶直拉生长。
2.根据权利要求1所述的晶体生长方法，其特征在于，第一电流的数值与第二电流的数值之比为1:n，n为不等于1的数值。
3.根据权利要求1所述的晶体生长方法，其特征在于，所述第一超导线圈的形状为圆形、椭圆形或马鞍形；和/或所述第二超导线圈的形状为圆形、椭圆形或马鞍形。
4.根据权利要求1所述的晶体生长方法，其特征在于，所述第一超导线圈的数量是一个或多个；和/或所述第二超导线圈的数量是一个或多个。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的晶体生长方法，其特征在于，通过第一控制器控制第一超导线圈产生第一电流，以及通过第二控制器控制第二超导线圈产生第二电流。
6.一种晶体生长装置，其特征在于，包括：
坩埚；
第一超导线圈和第二超导线圈，其中第一超导线圈和第二超导线圈为相对设置分布于所述坩埚外且用于在坩埚内部产生磁场的超导线圈；
控制器，用于控制第一超导线圈产生第一电流和控制第二超导线圈产生第二电流，其中第一电流的数值与第二电流的数值不相等；
直拉机构，用于基于所述第一电流和所述第二电流在所述坩埚内产生的非对称磁场进行单晶直拉生长。
7.根据权利要求6所述的晶体生长装置，其特征在于，控制器包括第一控制单元和第二控制单元，其中第一控制单元用于控制第一超导线圈产生第一电流，第二控制单元用于控制第二超导线圈产生第二电流。
8.根据权利要求6所述的晶体生长装置，其特征在于，所述第一超导线圈的形状为圆形、椭圆形或马鞍形；和/或所述第二超导线圈的形状为圆形、椭圆形或马鞍形。
9.根据权利要求6所述的晶体生长装置，其特征在于，所述第一超导线圈的数量是一个或多个；和/或所述第二超导线圈的数量是一个或多个。
10.一种RF-SOI基材，其特征在于，所述RF-SOI基材为基于权利要求1-5中任一项所述晶体生长方法进行直拉生长得到的基材，或者所述RF-SOI基材为使用权利要求6-9中任一项所述晶体生长装置进行单晶直拉生长得到的基材。
CN202211734788.XA 2022-12-31 2022-12-31 一种晶体生长方法、装置及rf-soi基材 Pending CN116145238A (zh)

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