專利名稱：硅紅外濾光片的熱處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種旨在降低直拉硅單晶氧含量，提高硅紅外濾光片透過率的硅片熱處理工藝，屬于半導(dǎo)體濾光片的加工方法。
用半導(dǎo)體硅材料制造的7-14μm紅外帶通濾光片是很多紅外儀器，例如紅外報(bào)警器、紅外探測(cè)器、紅外傳感器等所必需的元件。這種濾光片要求在上述紅外光波段有高的透過率。一般用區(qū)熔硅單晶制造。這是因?yàn)橹崩鑶尉У暮趿扛?，?μm附近，有一強(qiáng)的氧吸收峰，導(dǎo)致該波段的透過率減小。美國(guó)BalzersOpticalCorporation在其出版的“Balzers”的技術(shù)信息欄中指出，由于直拉硅單晶的氧含量高，使得在9μm處，有鍍層(抗反射鍍層)的厚0.5mm的直拉硅單晶濾光片的透過率為66%，而同樣條件的區(qū)熔硅單晶濾光片的透過率可達(dá)75%。二者相比，直拉硅單晶濾光片在9μm波段的透過率約低9%。但是，區(qū)熔硅單晶的價(jià)格要比直拉硅單晶高得多，導(dǎo)致用區(qū)熔硅單晶制造的硅濾光片的成本遠(yuǎn)高于用直拉硅單晶制造的濾光片。這在我國(guó)尤為明顯。另外，直拉硅單晶在用于制造半導(dǎo)體集成電路及其它半導(dǎo)體器件時(shí)，單晶錠的頭、尾部分常因其雜質(zhì)含量高而棄之不用，這部分廢料重新回爐直拉的硅單晶錠在本申請(qǐng)中稱為廉價(jià)的直拉硅單晶。如果通過適當(dāng)?shù)奶幚?，能用廉價(jià)的直拉硅單晶制造紅外濾光片，將大大降低硅紅外濾光片的生產(chǎn)成本，使紅外儀器產(chǎn)品能以有利條件參與國(guó)際技術(shù)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。
本發(fā)明的目的在于通過對(duì)廉價(jià)的直拉硅單晶片進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，使之?μm處的紅外透過率接近或達(dá)到區(qū)熔硅單晶的水平，以致可用廉價(jià)的直拉硅單晶代替區(qū)熔硅單晶制造7-14μm帶通紅外濾光片，從而大大降低硅紅外濾光片的生產(chǎn)成本。
本發(fā)明是在對(duì)直拉硅單晶中氧行為研究的基礎(chǔ)上提出的。直拉硅單晶的制造要使用石英坩堝，熔融的硅與石英坩堝接觸。在拉制過程中帶入二氧化硅，使直拉硅單晶的氧含量高達(dá)1×1018Cm-3，比區(qū)熔硅單晶的氧含量1×1016Cm-3高二個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，直拉硅單晶在9μm附近出現(xiàn)Si-O-Si的明顯吸收峰。

圖1是氧在硅中的固溶度曲線(Semiconductor Silicon，V.81-5，PP 266，1981)。研究表明，9μm處的吸收峰是由硅中固溶的間隙氧引起的，固溶的氧含量越高，該吸收峰就越強(qiáng)。圖1表明，隨著溫度的降低，氧在硅中固溶度也隨之下降。因此，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，可以降低硅中固溶氧的含量。但由于氧在硅中的擴(kuò)散速度低，一般經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的恒溫處理，高氧含量的硅單晶中過飽和的氧仍遠(yuǎn)大于該溫度下的飽和固溶度，使得通過熱處理降低硅片中氧含量的工作變得相當(dāng)困難。本發(fā)明根據(jù)對(duì)硅中氧沉淀的動(dòng)力學(xué)研究，掌握了不同溫度階段氧沉淀成核生長(zhǎng)的規(guī)律，建立了一套硅片熱處理工藝，使在適當(dāng)?shù)奶幚頃r(shí)間內(nèi)，大大降低直拉硅單晶中的固溶氧含量，使之接近區(qū)熔硅單晶的氧含量水平，從而成功地使廉價(jià)直拉硅單晶片在9μm附近的紅外透過率接近或達(dá)到區(qū)熔硅單晶的水平。
本發(fā)明的工藝在對(duì)廉價(jià)直拉硅單晶錠進(jìn)行常規(guī)的切片、研磨、拋光后，用通常方法腐蝕、清洗硅片，將硅片裝入先經(jīng)HCl處理過的石英爐管，本發(fā)明的特征在于在400-1000℃分四段溫區(qū)逐步升溫，其中在400-550℃和700-800℃分別保溫10-30小時(shí)，在800-900℃和900-1000℃分別保溫2-5小時(shí)，然后自然冷卻至850℃以下時(shí)取出熱處理好的硅片。
用本發(fā)明的工藝處理的廉價(jià)直拉硅單晶片在紅外分光光度計(jì)上測(cè)定其透射光譜，測(cè)得結(jié)果表明，處理后的直拉硅單晶片在9μm處的透過率接近或達(dá)到了區(qū)熔硅單晶片的水平。圖2是厚度為1mm的廉價(jià)直拉硅單晶片的紅外透射光譜，由圖可見，在9μm(1106Cm)附近的透過率達(dá)到75.5%。圖3是熱處理前后廉價(jià)直拉硅單晶片(未經(jīng)防反射鍍層處理)的透射光譜，可明顯看出經(jīng)本發(fā)明的工藝處理后9μm附近透過率的提高。
本發(fā)明的具體工藝如下1.將廉價(jià)直拉硅單晶錠切片、研磨、拋光后，用1＃洗液(H2O∶H2O2∶NH4OH＝5∶2∶1)煮沸三分鐘，用去離子水沖洗，然后用稀氫氟酸溶液(HF∶H2O＝1∶20)漂去硅片表面自然氧化層，用去離子水沖洗五分鐘，再用2＃洗液(H2O∶H2O2∶HCl＝7∶2∶1)煮沸10分鐘，去離子水沖洗10分鐘，烘干。
2.將熱處理用石英爐管在1000-1150℃下，在含3-5%HCl的氧氣氣氛下處理2-6小時(shí)后，在爐溫降至400℃以下時(shí)，裝入硅片。
3.將爐溫升至400-550℃，保溫10-30小時(shí)，然后升溫至700-800℃，保溫10-30小時(shí)，再升溫至800-900℃，保溫2-5小時(shí)，最后將爐溫升至900-1000℃，保溫2-5小時(shí)。
4.待爐溫降至850℃以下時(shí)，取出硅片。
用本發(fā)明的工藝，先后對(duì)不同廠(如上海冶煉廠，739廠等)生產(chǎn)的不同直徑，不同厚度的廉價(jià)直拉硅單晶片共六萬多片進(jìn)行處理，均得到接近或達(dá)到區(qū)熔硅單晶片同樣滿意的結(jié)果。實(shí)踐表明，用本發(fā)明的工藝處理的廉價(jià)直拉硅單晶片完全可代替區(qū)熔硅單晶制造紅外濾光片。據(jù)初步估算，每公斤硅片可節(jié)省成本3000元，大大降低了硅紅外濾光片的成本。用本發(fā)明的工藝制造的硅紅外濾光片完全能滿足紅外報(bào)警器、紅外檢測(cè)器、紅外傳感等紅外儀表、元件的生產(chǎn)、使用和出口的要求。
權(quán)利要求
一種硅紅外濾光片的熱處理工藝，包括硅片的切、磨、拋光和腐蝕清洗及熱處理用石英爐管的HCl處理，本發(fā)明的特征在于1.在爐溫低于400℃時(shí)，裝入硅片，
2.將爐溫升至400-550℃，保溫10-30小時(shí)；然后升溫至700-800℃，保溫10-30小時(shí)，再升溫至800-900℃，保溫2-5小時(shí)，最后升溫至900-1000℃，保溫2-5小時(shí)，
3.在爐溫降至850℃以下時(shí)，取出硅片。
全文摘要
一種旨在降低直拉硅單晶氧含量，提高硅紅外濾光片透過率的硅片熱處理工藝，其特征是將硅片在400-1000℃溫度間的四段溫區(qū)逐步升溫并保溫適當(dāng)時(shí)間并在硅片冷卻至850℃以下時(shí)取出，處理后的直拉硅單晶片在9μm處的透過率接近或達(dá)到區(qū)熔硅單晶的水平，用熱處理后的廉價(jià)直拉硅單晶片制造的紅外濾光片，可滿足紅外儀器設(shè)備所需紅外濾光片的要求，大大降低了濾光片的成本。
文檔編號(hào)G02B1/02GK1069299SQ9110746
公開日1993年2月24日 申請(qǐng)日期1991年8月6日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月6日
發(fā)明者譚淞生, 朱建生, 李月珍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所