由多晶硅炉料制备熔硅熔料的方法技术

公开了一种用多晶硅制备熔硅熔料的工艺，该熔硅熔料用于通过切克劳斯基方法生产单晶硅。初始向坩埚中填充多晶硅并加以熔化，形成包含熔硅和未熔化多晶硅的特殊熔化炉料。熔硅具有一个上表面，未熔化多晶硅部分暴露于该上表面之上。以一种方式向暴露的未熔化多晶硅上添加颗粒状多晶硅，该方法足以使颗粒状多晶硅在停留于暴露的未熔化多晶硅的表面期间和在逐渐沉入熔硅之前实现脱氢。然后颗粒状多晶硅和未熔化的多晶硅全部熔化形成熔硅熔料。该方法使生产单晶硅晶锭时的零缺陷成品率、产量和平均热循环时间均得到改善。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及单晶硅的生产，具体涉及由多晶硅制备熔硅熔料的工艺。本专利技术的优选实施方案特别涉及一项由块状和颗粒状多晶硅混合炉料制备熔硅熔料的工艺。大多数用于制造微电子电路的单晶硅是由切克劳斯基(Czochralski)工艺制备而成的。在这种工艺中，一个单晶硅晶锭是通过下述方法制造的在坩锅中将多晶硅熔化，将一颗籽晶浸入熔硅中，将该籽晶以足够使其达到晶锭所要求的直径的方式进行拉晶并使单晶体以该直径生长。被熔化成为熔硅的多晶硅，一般是由西门子(Siemens)工艺制备而成的不规则形状多晶硅块，或者是自由流动的、通常为球形的颗粒状多晶硅，它们一般由流化床反应工艺制备而成。块状和颗粒状多晶硅的制备与特性在F.Shimura所著《半导体硅晶体技术》一书第116～121页及其所引用的参考文献中有详细描述，该书由学术出版社出版(圣地亚哥，加州，1989)。块状多晶硅初始填充到坩锅中并在其中熔化会将不希望有的杂质和缺陷带入单晶硅晶锭中。例如，当坩锅中初始全部填充块状多晶硅时，块料的棱边会在全部炉料的负荷下，刮伤和凿伤坩锅的壁，导致坩锅损伤，并且使坩锅的微粒浮在硅熔料上或悬浮于硅熔料中。这些杂质大大提高了在单晶体中形成位错的可能性，并且降低了无位错单晶体的成品率和产量。在初始填充时精心排列块状多晶硅可以减小热应力。然而当进行熔化时，炉料会移位或块状多晶硅的下层部分会熔化掉，而留下另外一部分，该部分或者是一个由附着在坩埚壁上的未熔化材料在熔料之上形成的“悬架”，或者是一个在熔料之上由未熔化材料在坩埚的相对两壁之间架起的“桥”。当炉料移位或所谓的悬架或桥坍塌时，会将熔硅溅起，并且/或者引起对坩埚的机械应力损伤。此外，初始填充100％的块状多晶硅限制了可被装入材料的容量，这是因为这种块状材料的填充密度较小。容量的限制直接影响着单晶体的产量。当切克劳斯基坩埚中初始全部填充颗粒状多晶硅时，问题同样存在。由于颗粒状多晶体的热传导率低，所以熔化它们就需要大量的能量。坩埚由于暴露在如此高的熔化功率之中而产生热应力，导致坩埚变形，而且坩埚的微粒会松脱开并悬浮于熔料中。就象机械应力一样，这些热应力也导致零缺陷晶体成品率与产量的降低。其它与初始填充100％颗粒状多晶硅有关的问题将在下面的叙述中对照本专利技术揭示出来。最后，尽管初始填充颗粒状多晶硅比填充100％块状多晶硅在容量上要大，但一般并不能使总产量提高，因为坩埚上热应力的程度随着初始填充物料的增加而增加。无论坩埚中初始填充的是块状还是颗粒状多晶硅，在许多工艺中需用一个送料/计量系统向熔料中添加多晶硅以提高熔硅的数量，众所周知，这种额外添加多晶硅的方法应用在成批、半连续或连续工艺系统中。例如在成批系统中，在已有的熔料中可根据初始多晶硅炉料熔化后体积的减小添加额外的硅，以达到整个坩埚的容积。日本技术申请第50-11788号(1975)是该方法的典型例。在半连续和连续切克劳斯基系统中，在硅熔料中要加入额外的多晶硅，以补充已成为单晶体而被拉走的硅。见F.Shimura所著《半导体硅晶体技术》一书，175-183页，学术出版社出版(圣地亚哥，加州，1989)。尽管颗粒状多晶硅由于它的自由流动形态，通常被成批、半连续和连续切克劳斯基系统选用为补充材料，但它不是没有缺点。正如娓本(Kajimoto)等人在美国专利第5037503号中揭示的那样，由硅烷工艺制备的颗粒状多晶硅含有一定数量的氢气，当它们沉入熔硅中时，这些氢气足以引起硅颗粒的爆裂或爆炸。多晶硅颗粒的爆裂或爆炸致使所刮产生出的硅熔滴聚积在坩埚的表面以及拉晶机的其它元件的表面，而使该元件沉入熔硅，以妨碍晶体生长。作为该问题的一种解决方法，娓本(Kajimoto)等人建议在一个隔离的加热装置内，将颗粒状多晶硅在惰性气体环境中进行预加热，直到氢气浓度按重量计达到7.5ppm(210ppma)或更低，以减少颗粒状多晶硅中氢的含量。尽管这种方法可减小颗拉爆炸所产生的力，但并没有消除该现象，甚至当颗粒状多晶体中氢浓度按重量计低于1ppm(28ppma)时，爆裂现象依然可见。目前，能够得到的商业批量的颗粒状多晶硅的含氢浓度范围按重量计为约0.4ppm至约0.7ppm(11～20ppma)。因此，本专利技术的一个目的是制备一种熔硅熔料，该熔料适于生产零位错生长以及产量均得到改善的单晶硅晶锭，其途径为降低坩埚上的机械应力和热应力，将熔料中氢的浓度减至最低，使初始填充的多晶硅的容量达到最大，为补充材料的处理提供便利，并且在加入补充的多晶硅时避免氢爆裂效应。本专利技术的另一个目的是制备一种适于生产单晶硅晶锭并改善其零位错生长与产量的熔硅熔料，而无需额外增加显著的生产成本、设备或时间。因此简单地说，本专利技术旨在一种由多晶硅制备熔硅熔料的工艺，该熔硅熔料的用途是采用切克劳斯基法生产单晶硅。该工艺包括填充多晶硅到坩埚中并熔化这些多晶硅，直到形成局部熔化的炉料。该局部熔化的炉料包括具有上表面的熔硅和暴露在熔硅上表面之上的未熔化多晶硅。该工艺还包括以一种方式向暴露的未熔化多晶硅添加多晶硅，该方式足以使多晶硅在逐渐沉入熔硅之前脱氢，然后将未熔化多晶硅和向暴露的未熔化多晶硅上添加的多晶硅进行熔化，直到熔硅熔料形成为止。本专利技术的其它特征和目的，部分对于本领域技术人员来说是显而易见的，部分将在其后阐述。附图说明图1为切克劳斯基坩埚的剖面图，图示为初始填充块状多晶硅的情况；图2为开始添加颗粒状多晶硅时的剖面图；图3为继续添加颗粒状多晶硅并且形成一个固化硅体时的剖面图；图4为添加颗粒状多晶硅结束时的剖面图；图5为熔硅体的剖面图。在本专利技术中，初始向切克劳斯基坩埚中填入多晶硅并熔化形成为包含有熔硅和未熔化多晶硅的局部熔化炉料。熔硅有一个上表面，至少有一部分未熔化多晶硅暴露在该上表面之上。以一种方式向暴露的未熔化多晶硅添加颗粒状多晶硅，该方式足以使颗粒状多晶硅在停留于未熔化多晶硅表面时和在逐渐沉入熔硅之前实现脱氢。然后颗粒状多晶硅和初始填充的未熔化多晶硅全部熔化形成熔硅熔料。下面参照附图进一步详细说明本专利技术，在几张图中，相同的物品编号相同。现参照图1，将多晶硅10填充入标准切克劳斯基坩埚20中，尽管颗粒状多晶硅或块状多晶硅都可被用作初始填充物，但一般优先选用块状多晶硅。使用颗粒状多晶硅作为初始填充物会导致相对较差的成品率和在单晶硅晶锭中形成大空隙缺陷的高发生率。据信颗粒状多晶硅能将如氩或氢等气体封闭在坩埚20的底部24处，随后这些气体会在晶体生长期间以气泡的形式释放到硅熔料中。一些气泡在晶体生长界面处附着于晶体上，于是形成空隙缺陷。用块状多晶硅作为初始填充物避免了这些空隙缺陷的形成，并且一般可使成品率较高。初始填充到坩埚中的多晶硅的数量最好应根据单晶硅晶锭的质量和生产产量进行优化。如坩埚中填充太多的块状多晶硅，会出现较高的机械应力，并且炉料移位和形成桥或悬架的可能性也会提高。经济性、可供性或其它有利于颗粒状多晶硅的因素也促使减少初始填充块状多晶硅的量。然而如果填充的块状多晶硅太少，就需要相当大量的能量来熔化炉料。与使用如此高的功率相关的较高的壁温会导致坩埚的过早损坏。除这些因素外，初始填充量亦应随坩埚的设计、热区的设计和所要生产的晶体产品的类型而变化。例如，总计100公斤炉料，使用一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在坩埚中制备一熔池熔硅的工艺，该熔硅用于通过切克劳斯基法在其中生长单晶硅晶锭，该工艺包括： （ａ）在坩埚中形成一种部分熔化炉料，该部分熔化炉料包含具有上表面的熔硅和暴露在熔硅的上表面之上的未熔化多晶硅； （ｂ）向暴露的未熔化多晶硅上添加多晶硅，并且 （ｃ）将未熔化多晶硅和添加到暴露的未熔化多晶硅之上的多晶硅进行熔化，形成一熔池熔硅。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：约翰D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]