一、引言
近年来，半导体硅工艺中，出现了一种令人注目的新工艺—外加磁场直拉(MCZ)法〔l〕。它给硅材料工业带来一大变革。
半导体工业所用的硅单晶，几乎90%是用cZ法生长的。常规cZ法生长的晶体中，氧主要来自石英钳锅，其浓度变化范围介于4.0 x 10'0与2.0 x 10`8原子/厘米”之间〔3,4)，随晶体生长的各种参数而变，其浓度上限接近于硅熔点时的饱和浓度。氧在硅晶体内的分布是不均匀的:沿晶体轴向，头部浓度最高，尾部浓度最低;沿晶体径向，中间浓度高，边缘浓度低。直拉‘硅单晶中氧起着有益的和有害的两种作用。’从有益方面来说，由于钉扎位错，增强了硅晶格，滑移得以延迟。通过沉淀氧化物和伴生位错网络，氧原子间接吸除易动性杂质;‘从有害方面来说，如果氧化物沉淀起因于初始氧浓度高的话，则通过硅一氧复合体产生施主，形成堆垛层错，并使片子翘曲。要是保持氧浓度小于38PPma;就可减少这种有害作用。 在CZ晶体的生长期间，由于熔体存在着热对流，使微量杂质分布不均匀，形成生长条纹。 因此，在拉晶过程中，如何抑制熔体的热对流和温度波动，一直是单晶生产厂家棘手的问题。为了抑制熔体的热对VrL以降低熔硅与石英柑祸的反应速率，并使氧可控，从而生长出高质量的单晶，采用Mcz法是行之有效的。
二、原理
众所周知，用CZ法拉制单晶时会发生如图1所示的热对流。这种热对流的驱动力可用无量纲瑞利数NRa来表示，加热器热对流氧硅熔体石英坩埚。
图1 CZ法中熔体的热对流与氧的分布
式中，a为熔体的热膨胀系数，g为重力加速度，al为熔体中两个极端位置间的温度差，D为熔体的直径(或高度)，为动粘滞度，k为热导系数。当装料量为4.5~50公斤时，可算出瑞利数约为10的7次方。无磁场时，临界瑞利数约为2 x10的3次方。在实际估算的瑞利数大大超过临界值的情况下，熔体中发生紊乱的热对流，根据磁流体力学可知，在磁场中运动的导电流体会受到电磁作用力，使流体运动受到阻碍，相当于流体粘滞度增大，因而临界瑞利数增高。若取决于磁场强度的临界瑞利数超过10的7次方，则热对流就会显著减少。
NRa与无量纲哈脱曼数M有关，近似于下列方程:
式中，P为熔硅为磁导率，H为磁场强度，0为电导率，P为硅熔体的密度。也就是说，磁场强度增大时，哈脱曼数增大，相应的临界瑞利数亦增大。在磁场强度为1500高斯时(熔硅的动粘滞度为3 x 10-3gcm2 sec-1,导电率为128609/欧.厘米，可估算出NRa约为10的7次方。由此可见，在磁场的作用下，动粘滞度增大，这对减小热对流的驱动力是有效的。外加磁场时CZ法的原理如图2所示。如果在外层空间中进行晶体生长，由于g等于零，当然就不存在热对流的问题了。
图2MCZ法的原理图
三、沿革
MCZ的历史与沿革NTD硅的历史有相似之处。
很早以前就知道磁场能抑制导电流体的热对流o .1937年，Hartmann用水银研究了导电流体与磁场的关系。到四十年代，在天体物理学中，用电磁流体力学来研究天体中等离子体的运动。进人五十年代，电磁流体力学在热核理论等领域得到进一步的发展和应用。1966年，Chedzey等人〔to〕和Utech等人指出，用水平法生长晶体时，可用磁场来获得高质量的InSb晶体。1970年，Witt等人提出横向磁场中生长直拉InSb晶体的报告。尔后，熔体的温度波动和设备的机械振动等问题难于解决，人们对MCZ法是否具有实用意义提出疑问。因此，一直看不到有关外加磁场生长晶体的实验报告，好像使人觉得这方面的研究工作已处于停顿状态。从1980年开始，MCZ法开始复活，
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从应用于InSti晶体的生长推广到应用于硅晶体的生长，并获得令人满意的结果。据麻省理工学院的H.C.Gatos教授来华讲学说，日本索尼公司就是用了他所研究的成果。这样，1981年在明尼阿波利斯召开的国际第四届半导体硅会议上，横向磁场中生长直拉硅晶体的工艺，以新的面目出现在半导体硅工业中，显现其独特的优点。1982年，Keigo Hoshikawa在轴对称垂直磁场中，生长了无条纹的CZ硅单晶。目前有几个公司正在研究和
应用这个方面。据报道，索尼公司应用MCZ法生长硅单晶，已进入实用阶段。
利用磁场进行晶体生长研究的历史如表1所示。
四、设备
近年来出现的MCZ法是一种很有前途的方法。
MCZ法又可细分为外加横向磁场直拉(TMCZ)法和外加垂直磁场直拉(VMCZ)法两种。.据H.C.Gatos说，只要对硅熔体施加磁场，就起到增大粘滞度的目的，从而抑制了对流，使生长条纹有所减少。而且，TMCZ和VMCZ的效果一样。
大学生新闻联播 图3和图4分别为TMCZ上海市劳动合同条例与VMCZ生长设备示意图。
TMCZ和VMCZ的差别是:
1.前者用电磁铁产生强磁场，后者用圆筒形螺线管产生磁场;
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2.前者磁力线比较分散，后者磁力线比较集中;
3.前者放置在炉膛周围，后者既可放在炉膛周围，又可放在炉膛内部;
4.前者设备庞大，造价高，后者造价较低，容易制造。
TMCZ的优点是磁场强度大，特别适用于大容量CZ硅晶体的生长。另一方面，常规TMCZ法中，对于生长设备和晶体质量，还有几个问题有待解决。设备问题是:要有一套体积大而笨重的电磁铁来产生强磁场，要有能经受住所加磁场而不发生任何破裂的加热器结构，即加热器电流方向也必须是水平方向，否则由于电磁作用力，会使加热元件发生胀裂;晶体质量问题是:由于热磁效应使生长界面处产生轴向热的不对称性，它给生长过程晶体形状的控制带来困难，并在晶体生长时产生周期性的旋转条纹。VMCZ法解决了TMCZ法所存在的问题，与TMCZ比，它有如下特点:
1.尺寸小、重量轻的螺线管可产生强而均匀的磁场;
2.不需要调整常规CZ炉的热区，就经得住所加的强磁场。这是由于磁场方向与加热电流方向平行所致;
3. 1000高斯的磁场强度就能有效地抑制热对流，相当于TMCZ磁场强度的三分之一;
4.晶体乳增祸的旋转条件可自由选择，以实现生长界面的热对称和控制氧浓度。
外加磁场的直拉设备，基本上是在直拉炉上附加磁场装置，只是要对设备的构造和材料作新的考虑而已，即炉体各部件不应使用导磁材料。多数情况下是把常规CZdietmp3炉稍加改造，加上磁场即可。
图5三种CZ法代表性的轴向氧分布
五.、工艺
MCZ法有许多优越性:
1.磁致粘滞性控制了流体的运动，大大地减少了机械振动等原因造成的熔硅掖面的抖·动，也减少了熔体的温度波动;
2.控制了溶硅与石英柑祸壁的反应速率，增大氧官集层的厚度，以达到控制含氧量的目的。与常规CZ单晶相比，最低氧浓度可降低一个数量级;
3.有效地咸少或消除杂质的微分凝效应，使各种杂质分布均匀，减少生长条纹;
4.减少了由氧引起的各种缺陷;
5.由于含氧量可控，晶体的屈服强度可控制在某一范月内，.从而减小了片子的翘曲;
6.尤其是硼等杂质沽污少，可使直拉硅单晶的电阻率得到大幅度的提高；
7.氧分布均匀，满足了LSI和VLSI的要求。
A.C.Bonora采用MCZ设备，从10公斤的装料中，成功地生长了无缺陷的100毫米直径的晶体。图5把得自常规CZ法和磁场CZ法的轴向氧分布作了比较。很明显，MCZ晶体中的轴向氧浓度降低了一半。这种浓度的降低是现今任何氧控制技术无法达到的。
日本索尼公司铃木等人采用TMCZ装置，从4.5公斤的熔体中，以15微米/秒的拉速生长了直径76毫米的无位错硅单晶。掺杂剂分别为硼、磷和锑。晶体的生长方向为<100>和(<111>。他们发现，施加至少1500高斯的磁场，就能显著地抑制熔融硅的热对流和温度波动。用Dash法腐蚀硅片表明，外加磁场减少了由热对流引起的生长条纹，用本方法生长的晶体，氧浓度为1x10"原子/厘米”，比常规 CZ硅的氧浓度降低了一个数量级。高阻MCZ硅
创价学会单晶的径向电阻率不均匀性比FZ硅单晶的低。例如:70欧姆厘米的MCZ晶体，其电阻率不均匀性小于10%，而相同电阻率的FZ晶体，其电阻率不均匀性为20%。据Gatos说，索尼公司的MCZ硅单晶，其径向电阻率不均匀性小于1% 。由此可知，就径向电阻率不均匀性来说，MCZ硅可与NTD硅媲美。
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