用多晶硅炉料制备硅熔体的方法技术

一种用多晶硅炉料制备硅熔体的方法，该硅熔体用于按照丘克拉斯基方法制取单晶硅锭。制备硅熔体所用的坩埚为底、侧壁结构，其中心线基本上平行于侧壁并截过底面几何中心点，半径为从中心线到侧壁的距离。本方法中，将块状多晶硅装入坩埚形成碗状炉料，其中炉料的初始形状是，通常沿径向从中心线向上向外朝着侧壁方向倾斜至坡顶，然后从坡顶向下向外倾斜至侧壁。加热碗形块状多晶硅炉料使之部分熔融，再在其上加入粒状多晶硅，形成块状和粒状多晶硅的混合料；继续加热混合多晶硅炉料使其形成硅熔体，而位于硅熔体表面上方的未熔块状多晶硅，在粒状多晶硅快速熔融并释放出氢时为可能飞溅的熔融硅导流。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术一般涉及从熔融的硅熔体中制取单晶硅，尤其涉及从块状和粒状多晶硅的混合料中制备熔融的硅熔体的方法，其中，先加入块状多晶硅形成碗状，其上再加上粒状多晶硅。大多数用于制造微电子线路的单晶硅是采用丘克拉斯基(Czochralski)法(“CZ”法)制备的。在该法中，单晶硅锭的制备过程为在坩埚内熔融多晶硅(“多晶硅”)，将籽晶浸入熔融硅中，然后用足以获得锭所需直径的方式上拉籽晶，长成所需直径的单晶硅。熔融后形成硅熔体的多晶硅是典型的由Siemens方法制成的块状多晶硅。块状多晶硅的形状一般不规则，有锋利的锯齿形的边，这是由于块状多晶硅是通过将多晶硅棒碎裂成典型的长为大约2-10cm、宽大约为4-6cm的小块来制备的。另一种形式的可用于形成熔融体的多晶硅——粒状多晶硅，比块状多晶硅小许多，一般为均匀的球状。粒状多晶硅的典型制法是相对较简单高效的流化床反应法。粒状多晶硅的直径典型为大约1-5mm，堆积密度一般比块状多晶硅高大约20％。块状多晶硅和粒状多晶硅的制备及特性都在F.Shimura，半导体硅晶体技术，第116-121页，Academic Press(San Diego CA，1989)及该书所引的参考文献中有更详细的描述。按照典型的CZ方法，坩埚首先全部填入或装入块状多晶硅。但是，以这种方式装入坩埚会给单晶硅锭的后续制备带来问题。例如，块状多晶硅带有典型的锋利的、锯齿形的边。因此，全部炉料的重力会使晶块划伤或挂伤坩埚壁，尤其是坩埚底部。这些划痕和挂痕会损害坩埚，使得坩埚的小粒子事实上脱离坩埚表面，随后悬浮在硅熔体中，最终会引入正在长大的晶体中。因此，小粒子显著的增加了单晶中出现位错的可能性，从而降低了无位错单晶的产量和生产能力。随着多晶硅炉料继续熔融，较低部分的多晶块被熔化，使其未熔部分形成“悬臂”粘附在熔体上方的坩埚壁上。另一种情形是，未熔部分在熔体上方的坩埚对壁之间形成“桥”。如果悬臂或桥倒塌，则可能使熔融硅飞溅出来，或者使坩埚产生机械应力而损坏。相似的情形也可能仅仅由于熔融过程中块状多晶硅炉料的移动而出现。一开始就在坩埚中加入100％的块状多晶硅，除了可能损坏坩埚外，还会由于块状材料的堆积密度低而限制可加入的炉料体积。体积受限也直接影响了无位错单晶的产量和生产能力。虽然就制备工艺和堆积密度而言，粒状多晶硅比块状多晶硅优越，但是全部在坩埚装入粒状多晶硅和其熔融也会在单晶中引入不需要的杂质和缺陷。例如，为了熔融热传导率低的粒状多晶硅，需要大量的能量。当考虑到目前拉晶装置中常采用的清洗气系统的冷却效应时，这个问题则更加突出。坩埚暴露在如此高的熔化能量中会诱发热应力，产生扭曲，导致坩埚壁上的粒子引入熔体并最终引入单晶中。和机械应力一样，这些热应力也会降低无位错晶体的产量和生产能力。Kim等在申请序列号为08/595,075的美国专利申请中提出，在粒状多晶硅上面加入块状多晶硅，以对粒状单晶硅进行热屏蔽，使其不受清洗气的冷却效应的影响。这种方法通过降低熔融炉料所需的加热器的功率等级来有利地降低坩埚产生热应力的可能性。但是，从该方法制备的熔体中长出的单晶形成空洞的可能性增加了。无论坩埚中初始加入块状多晶硅还是粒状多晶硅，在许多方法中，需用进料系统或计量系统向熔体中续加多晶硅，以增加熔融硅的量。“续加”这种附加多晶硅的作法称为批量、半连续或连续工艺系统。例如，在批量系统中，由于初始加入的多晶硅熔融后体积减少，可在已形成的熔体中再加入附加硅以使坩埚达到满容量。实例如日本技术申请50-11788(1975)。在半连续和连续丘克拉斯基系统中，向硅熔体中续加的多晶硅是用以补偿单晶硅长大时带走的部分。请参阅F.shimura的半导体硅晶体技术，第175-83页，Academic Press(SanDiego CA，1989)。虽然粒状多晶硅由于易流动而通常被选作批量、半连续或连续丘克拉斯基工艺系统的补偿材料，但也不是没有缺点。正如Kajimoto等在美国专利第5,037,503号中指出的那样，硅烷法制取的粒状多晶硅中含有氢，且氢量足以使硅粒浸入熔融硅时发生崩裂或爆炸。多晶硅粒的崩裂和爆炸使熔融硅的液滴四处飞溅，溅出的液滴积累在坩埚表面或拉晶装置的其它组件上，以后又可能落回到熔融的硅熔体中干扰晶体的长大。Kajimoto等提出以降低粒状多晶硅的氢含量作为解决此问题的方案，用一套单独的加热装置在惰性气氛中预热粒状多晶硅，直到其H2的含量降到7.5PPM重量比(210ppma)或以下。尽管此方法有助于减少引起晶粒爆炸的力，但并不能消除爆炸。实际上，在氢含量小于1ppm重量比(28ppma)的粒状多晶硅中，仍发生过崩裂现象。美国专利第5,588,993中提出了另一种解决方案，其中，块状多晶硅部分熔融，然后在露在外面的未熔部分上加入粒状多晶硅。粒状多晶硅的加入速率应使得其温度能达到约1200℃以上，并可在熔融前在此温度保持大约30秒。以这种方法加热粒状多晶硅，可使得其在浸入已熔融的硅熔体之前除氢。这种方法的问题在于，为了避免氢崩裂带来的影响，粒状多晶硅的添加速率必须慢得足以在熔融发生前脱氢。这就会使制备100千克熔融硅熔体的时间达到10小时左右，因此降低了拉晶炉的生产能力，尤其在加入的粒状多晶硅原料的平均氢含量超过大约10ppma时。当使用的是有复杂热区结构的拉晶装置时，和粒状多晶硅崩裂相关的问题以及由该问题产生的熔融硅的飞溅，就变得更加突出。这种结构中采用了清洗气系统，且在坩埚上有石墨罩，可以制取性能优异的晶体，所以在单晶制备中应用相当广泛。但是，由于熔体上方有更多的表面，飞溅的硅粒子会在表面上积累并最终落回熔体中，所以这种结构增加了在生长的晶体中引入缺陷的机会。因此，继续存在着对某种方法的需求，即在这种方法中，硅熔体可在有热区的复杂结构中以能防止硅粒子飞溅的方式制备，同时能提高从该熔体中制取无位错单晶硅锭的产量和生产能力。专利技术概述所以，本专利技术的目的之一是提供一种制备熔融硅熔体的方法，该硅熔体适用于提高无位错单晶硅锭的产量和生产能力。这是通过以下方法实现的降低了坩埚的机械应力和热应力，使熔体中的氢含量最小，使单晶中由于坩埚底部有氩而形成的空洞最少，最大程度地增加了初始装入的多晶硅的体积，避免了粒状多晶硅的加入过程中氢裂效应。其它目的包括提供制备熔融硅熔体的方法，该硅熔体适于制取高生长速率和高生产能力的无位错单晶硅块，而无需明显增大的附加工艺成本、装备和时间。当然，本专利技术的另一目的是满足在复杂结构热区的拉晶装置中实现上述各项。因此，简而言之，本专利技术涉及制备用以生长单晶硅锭的硅熔体的方法。该单晶硅锭按照丘克拉斯基方法制备，所用的坩埚具有底、侧壁周边结构，中心线，该中心线基本上平行于侧壁并穿过底面的几何中心点，和从中心线到侧壁周边的半径。本方法的特征在于坩埚中装进块状多晶硅形成碗状的炉料，其中，炉料通常先沿径向从中心线向上向外朝着侧壁方向倾斜至坡顶处，然后一般从坡顶向下向外倾斜至侧壁。碗状的块状多晶硅炉料受热部分熔融，再在部分熔融炉料上加入粒状多晶硅，形成块状和粒状多晶硅的混合料。混合料进一步加热成硅熔体。本方法的进一步特征在于部分粒状多晶硅穿过未熔的多晶硅块间的空洞，到达熔融的硅熔体的表面。和硅熔体接触的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备用于按照丘克拉斯基方法生长单晶硅锭的硅熔体的方法，制备该硅熔体的坩埚具有底、侧壁、基本上平行于所述侧壁并截过底面几何中心点的中心线、和从中心线到侧壁间的半径，本方法包括：将块状多晶硅装入坩埚以形成碗状的炉料，其中炉料装载通常先沿径向从中心线向上向外朝着侧壁方向倾斜至坡顶，然后从该坡顶一般向下向外倾斜至侧壁；加热碗形的块状多晶硅炉料使之部分熔融；在碗状的部分熔融的炉料上加入粒状多晶硅，形成块状和粒状多晶硅的混合料；加热以及混合料形成硅熔体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JD霍尔德，
申请(专利权)人：MEMC电子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]