单晶硅生长过程中粘壁硅的去除方法技术

本发明专利技术提供一种直拉法硅单晶生长工艺中石英坩埚内壁的多晶硅的去除方法，为去除多晶硅熔化过程中粘结在石英坩埚内壁的多晶硅，采用激光束垂直照射多晶硅粘结块与石英坩埚内壁的结合点，熔化结合点处的多晶硅，使多晶硅粘结块整体熔化或部分熔化，未熔化的多晶硅块落入熔融液；为去除单晶硅生长过程中石英坩埚内壁上凝固的多晶硅，采用多台激光束平行照射凝固多晶硅与石英坩埚内壁的结合线，熔化多晶硅凝固块或将凝固薄片切割掉，进入熔融液熔化，从而消除凝固块。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种直拉法单晶硅工艺过程中坩埚壁上粘接硅的去除方法，特别涉及多晶硅原料熔化过程和单晶硅生长过程中，坩埚壁上粘接硅的去除方法。尤其是采用激光技术加热熔化硅技术。
技术介绍
在半导体单晶硅的制造工艺中，最常使用的是直拉法（Czochralski，缩写CZ），在直拉法中，多晶硅是填充在石英玻璃坩埚（也称石英坩埚）中，然后加热熔融形成硅熔液，在硅熔液中浸入籽晶后向上旋转提拉，硅在籽晶与熔溶液的界面处凝固结晶，形成单晶硅锭。在提拉法生长单晶硅工艺技术中，多晶硅作为原材料放入在石英坩埚中，并在石英坩埚四周石墨加热器的加热下熔化成熔融态硅熔液。由于熔化是从石英坩埚的底部开始的，所以在熔化过程的最后阶段，可能会出现没有熔化的多晶硅块粘接在石英坩埚内壁的情况。有些时候会还可能出现直径大到几厘米的未熔化多晶硅块，牢固地粘接在石英坩埚内壁的极端情况。这些粘接在石英坩埚内壁的多晶硅块，对于提拉生长单晶硅，是一个非常严重的问题。因为这样巨大的未熔化多晶硅块会导致两个方面潜在问题，第一、石英坩埚在高温下发生弯曲，严重的会导致坩埚破损。第二、多晶硅块也可能在单晶硅生长过程中发生剥落，掉落到熔体中，使熔体发生飞溅。在单晶硅生长过程中，如果发现这种粘接在坩埚内壁的多晶硅块体，我们尽可能增加石墨加热器输出功率，提高坩埚壁的温度，或者调整石英坩埚与加热器的位置来尽可能消除这些粘接块，但通常情况下这些方法没有作用。也有采用坩埚升降法来消除这些粘接块，将多晶硅粘接位置调整到热场的最高温度区域，但由于这些粘接块形成在熔体的上方，导热不均匀，同时散热较快，消除效果不理想。而且即使能够消除，但消耗的时间也非常长，严重影响生产效率和产品质量。在晶体生长过程中，有时也会在石英坩埚内壁上出现另一种形式的硅粘接物。这是由于在晶体生长过程中，硅熔融液总量随着晶体的生长而逐渐减少，硅熔融液的散热速率增加。在这种情况下，需要加大加热器输出功率，来保证熔体处于熔融温度以上。但是加热器的调整具有一定的滞后现象，如果加热器输出功率不足或滞后时间较长，硅会在石英坩埚内壁表面凝固，形成粘接物。如果出现这种情况，传统的工艺中，不能加大加热器输出功率，提高硅熔融液的温度来消除这些粘结物。因为如果再提高硅熔融液的温度，会对单晶硅的等径生长产生较大的影响，也可能引入缺陷影响单晶硅的质量。因此，通常情况下只好中止晶体生长，重新熔化晶体，完全再从头重新开始。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种直拉法单晶硅制备工艺中，多晶硅熔化过程中粘结在石英坩埚内壁多晶硅的去除方法；以及硅单晶生长过程中，在石英坩埚内壁上发生凝固的多晶硅的去除方法。为了达到以上的目的，本专利技术技术通过以下方法实现：多晶硅熔化过程粘结在石英坩埚内壁多晶硅的去除方法，采用激光束垂直照射多晶硅粘结块与石英坩埚内壁的结合点，熔化结合点处的多晶硅，使多晶硅粘结块整体熔化或部分熔化，未熔化的多晶硅块落入熔融液。为消除石英坩埚内壁上凝固的多晶硅，采用多台激光束平行照射凝固多晶硅，熔化多晶硅凝固块或将凝固薄片切割掉，进入熔融液熔化，从而消除凝固块。为去除多晶硅熔化过程中粘结在石英坩埚内壁的多晶硅，在主腔体上方安装一个半导体激光器陈列，见图1所示，激光束通过窗口进入主腔体，激光束焦点在石英坩埚的内壁上。激光束的焦点可以在石英坩埚的内壁上调节，调节范围为从坩埚壁上端到上端以下50cm。在熔化过程中，石英坩埚以1 rpm的速度旋转，多晶硅熔化过程中粘结在石英坩埚内壁的多晶硅，有时块体尺寸较大，可以是几厘米的量级。为消除这种粘结多晶硅块，首先转动石英坩埚使其停在半导体激光束可见的位置上，然后停止坩埚的旋转，通过上下升降调整石英坩埚的位置，将粘结多晶硅块调整到热场的最高温度区域。加大激光器输出功率，使多晶硅粘结块的温度接近熔融的温度。为去除多晶硅熔化过程中粘结在石英坩埚内壁的多晶硅，半导体激光阵列的输出波长为800nm-900nm。激光的波长超过900nm会因为硅表面的反射而使吸收率下降。见图2所示。本专利技术选择的激光波长随着粘结块尺寸的增大而减小。对于粘结多晶硅块直径<10mm，优选850nm波长；对于粘结多晶硅块直径≥10mm，优选808nm波长。短波长激光可以提高吸收系数，缩短消除粘结物的时间，提高生产效率。为去除多晶硅熔化过程中粘结在石英坩埚内壁的多晶硅，半导体激光阵列的输出功率范围为10-50W，最佳的输出功率范围为15-50W。选择的激光功率随着粘结块与石英坩埚内壁结合界面长度的增大而增加。对于结合界面长度<10mm，优选15W；对于结合界面长度≥10mm，优选50W。高功率激光可以提高粘结硅的熔化速度，缩短消除粘结物的时间，提高生产效率。但高功率的激光价格高，提高了生产成本。激光束通过透镜聚焦在石英坩埚内壁上，其光斑形状为10mm×4mm。见图3所示。为去除多晶硅熔化过程中粘结在石英坩埚内壁的多晶硅，激光斑点长边（10mm）方向垂直于石英坩埚内壁，1/3照射在石英坩埚上，2/3照射在多晶硅粘结块上，保证熔化后的硅熔融液可以沿坩埚壁流入熔体中。见图5。激光束从粘结块的一侧开始照射，当粘结块照射区域熔化后，调节激光束方向和转动坩埚，照射邻近的区域，直到粘结块与石英坩埚内壁的结合区域全部熔化。对于熔化过程中出现的多晶硅粘结块，主要的机理是熔化。配合切割及重力因素，综合消除粘结硅。为去除单晶硅生长过程中，石英坩埚内壁上出现的凝固多晶硅，采用至少四台以上的半导体激光阵列，均匀分布在单晶炉上部主腔体四周，形成一个均匀的热场，不影响单晶硅棒的质量，也特殊调节拉晶工艺参数。因为对于这种单晶硅生长过程中出现的硅粘结物，如果采用非均匀加热技术，会因为加热的不均匀而导致单晶硅棒的变形。为去除石英坩埚内壁上凝固的多晶硅，均匀排布的半导体激光阵列的输出波长为600nm-800nm。波长小于600nm的高能激光束吸收率虽然较高，但是这种高能激光器的激光束控制难度大，同时在市场上也难以买到高功率高能半导体激光器。选择的激光波长随着粘结块尺寸的增大而减小。对于粘结多晶硅块直径<10mm，优选793nm波长；对于粘结多晶硅块直径≥10mm，优选635nm波长。短波长激光可以提高吸收系数，缩短消除粘结物的时间，提高生产效率。半导体激光阵列的输出功率为1-15W，最佳的输出功率范围为1-5W。多台高功率激光加热，可能会引起硅熔液的温度变化，影响硅棒质量，增加工艺难度。因此，采用高吸收系数和低功率方法，消除凝固硅块，同时不影响工艺制度。选择的激光功率随着粘结块与石英坩埚内壁结合界面长度的增加而增大。对于结合界面长度≤10mm，优选1W；对于结合界面长度>10mm，优选5W。高功率激光可以提高粘结硅的熔化速度，缩短消除粘结物的时间，提高生产效率。但高功率的激光价格高，提高了生产成本。为去除石英坩埚内壁上凝固的多晶硅，均匀排布的半导体激光阵列的激光束通过透镜聚焦在石英坩埚内壁与凝固块的结合界面上，其光斑焦点形状为9mm×0.2mm。见图4所示。激光斑点长边（9mm）方向平行于石英坩埚内壁。见图6。均匀排布的半导体激光阵列见图7。为去除单晶硅生长过程中石英坩埚内壁上凝固的多晶硅，通过生长过程中石英坩埚的旋转，均匀排布的激光束本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直拉法单晶硅制备工艺中石英坩埚内壁的多晶硅的去除方法，其特征在于：为去除多晶硅熔化过程中粘结在石英坩埚内壁的多晶硅，采用激光束垂直照射多晶硅粘结块与石英坩埚内壁的结合点，熔化结合点处的多晶硅，使多晶硅粘结块整体熔化或部分熔化，未熔化的多晶硅块落入熔融液；为去除单晶硅生长过程中石英坩埚内壁上凝固的多晶硅，采用多台激光束平行照射凝固多晶硅与石英坩埚内壁的结合线，熔化多晶硅凝固块或将凝固薄片切割掉，进入熔融液熔化。

【技术特征摘要】
1.一种直拉法单晶硅制备工艺中石英坩埚内壁的多晶硅的去除方法，其特征在于：为去除多晶硅熔化过程中粘结在石英坩埚内壁的多晶硅，采用激光束垂直照射多晶硅粘结块与石英坩埚内壁的结合点，熔化结合点处的多晶硅，使多晶硅粘结块整体熔化或部分熔化，未熔化的多晶硅块落入熔融液；为去除单晶硅生长过程中石英坩埚内壁上凝固的多晶硅，采用多台激光束平行照射凝固多晶硅与石英坩埚内壁的结合线，熔化多晶硅凝固块或将凝固薄片切割掉，进入熔融液熔化。2.根据权利要求1所述的一种直拉法单晶硅制备工艺中石英坩埚内壁的多晶硅的去除方法，其特征在于：为去除多晶硅熔化过程中粘结在石英坩埚内壁的多晶硅，在主腔体上方安装一个半导体激光器陈列，激光束通过窗口进入主腔体，激光束焦点在石英坩埚的内壁上，激光束焦点可以在石英坩埚的内壁上调节，调节范围为从坩埚壁上端到上端以下50cm。3.根据权利要求1或2所述的一种直拉法单晶硅制备工艺中石英坩埚内壁的多晶硅的去除方法，其特征在于：为去除多晶硅熔化过程中粘结在石英坩埚内壁的多晶硅，首先转动石英坩埚使其停在半导体激光束可见的位置上，然后停止坩埚的旋转，通过上下升降调整石英坩埚的位置，将粘结多晶硅块调整到热场的最高温度区域；加大激光器输出功率，使多晶硅粘结块的温度接近熔融的温度。4.根据权利要求1或2所述的一种直拉法单晶硅制备工艺中石英坩埚内壁的多晶硅的去除方法，其特征在于：为去除多晶硅熔化过程中粘结在石英坩埚内壁的多晶硅，半导体激光阵列的输出波长为800nm-900nm；选择的激光波长随着粘结块尺寸的增大而减小；对于粘结多晶硅块直径<10mm，优选850nm波长；对于粘结多晶硅块直径≥10mm，优选808nm波长。5.根据权利要求1或2所述的一种直拉法单晶硅制备工艺中石英坩埚内壁的多晶硅的去除方法，其特征在于：为去除多晶硅熔化过程中粘结在石英坩埚内壁的多晶硅，半导体激光阵列的输出功率范围为10-50W，最佳的输出功率范围为15-50W，选择的激光功率随着粘结块与石英坩埚内壁结合界面长度的增大而增加；对于结合界面长度<10mm，优选15W；对于结合界面长度≥10mm，优选50W。6.根据权利要求1或2所述的一种直拉法单晶硅制备工艺中石英坩埚内壁的多晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊宝，刘浦锋，宋洪伟，陈猛，
申请(专利权)人：上海超硅半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31