CN102534755A - 再装填原料多晶硅的方法 - Google Patents

Abstract

为了提供再装填原料多晶硅的方法，所述方法能够再装填大块多晶硅，同时防止坩埚被损坏、破裂以及限制所生长的锭的无位错率和质量的下降。当再装填多晶硅块时，首先引入缓冲层形成多晶硅块Sb，其为小尺寸多晶硅块S1或中尺寸多晶硅块S2。所述缓冲层形成多晶硅块Sb沉积在坩埚20中的硅熔体40的表面41上，并且形成缓冲层50。由于接下来将大尺寸多晶硅块S3引入到所述缓冲层50上，所述缓冲层50缓冲由于大尺寸多晶硅块S3落下而引起的冲击。

Description

再装填原料多晶硅的方法

本发明涉及再装填原料多晶硅的方法，尤其是在使用切克劳斯基法(Czochralski method，下文称为“CZ法”)制备硅单晶锭(下文称为“锭”)的方法中，用来向坩埚中再供应原料多晶硅块的再装填原料多晶硅的方法。

用于制备半导体装置的半导体衬底由单晶硅片制成，并且所述CZ法广泛用于生长硅单晶锭。在所述CZ法中，坩埚装有多晶硅，并且将这种多晶硅熔化以获得硅熔体。然后，使晶种与所述硅熔体接触，并且通过提拉所述晶种而生长锭。

难以再次使用已用过的坩埚。因此，为了降低制备锭的成本，通常使用多段拉晶技术，其中向所述坩埚再供应作为原料的多晶硅，以补足由于提拉锭而减少的硅熔体，并且反复提拉所述锭而不更换坩埚。

例如，WO 02/068732中公开了借助于圆柱形再装填管再装填多晶硅的方法。这种再装填管包括圆柱形管和在所述再装填管下端的可拆开的圆锥形阀。在使用这种再装填管的再装填方法中，在所述管被所述圆锥形阀封闭的情况下，将固态多晶硅装入所述管中，在移除所述锭后将所述再装填管置于所述坩埚上方，拆开所述圆锥形阀以打开所述管的下端，并且将多晶硅从所述管的下端供给至所述坩埚中。

根据这种常规再装填方法，所述多晶硅从所述再装填管落入所述坩埚中的硅熔体中，因此，所述坩埚中的硅熔体飞溅。如果所述硅熔体飞溅出坩埚，则对锭制备设备造成损坏，必须停止锭的生长过程，并且对锭的生长过程造成严重损害。此外，将预定百分比的杂质混入所述硅熔体中，所述硅熔体的飞溅改变了坩埚中的硅熔体的杂质浓度。因此，生长了不具备理想质量的锭，引起质量下降。

因此，常规地已公开了在再装填的时候，防止坩埚中的硅熔体飞溅的方法。

例如，WO 02/068732中公开了以下方法。在多晶硅落下前，降低加热器的输出，以固化坩埚中的硅熔体表面。其后，提高加热器的输出，并且原料固态多晶硅从再装填管落下。

但是，在常规的再装填方法中，当大块多晶硅落下时，不能缓冲落下的多晶硅的冲击。然后，落下的多晶硅冲破固化的硅熔体的表面，并且所述坩埚中的硅熔体可能会飞溅，可能停止锭的制备。为此，在常规再装填方法中，不能落下大块的多晶硅。大块原料多晶硅具有可以以低成本制备的优点，因此可以降低制备成本。此外，在使用大块原料多晶硅的情况下，相同重量的原料多晶硅的总表面积小于在使用小块多晶硅的情况下原料多晶硅的总表面积。因此，可以减少所述多晶硅表面上的SiO₂、杂质如金属以及混入大气气体等。因而，在使用大块原料多晶硅的情况中，在生长的锭中，可以限制由于杂质污染、针孔形成等引起的无位错率(dislocation freerate)和质量的下降。

此外，在常规再装填方法中，坩埚中的硅熔体表面固化。因此，所述硅熔体表面的体积膨胀，并且产生挤压坩埚内壁的力。这种力有可能使所述坩埚破裂。

本发明的目的是提供再装填原料多晶硅的方法，其能够再装填大块多晶硅，同时防止坩埚被损坏或破裂，以及限制生长的锭的无位错率和质量的下降。

为了实现上述目的，再装填原料多晶硅的方法如下所述。所述方法是在制备硅单晶锭的方法中再装填原料多晶硅的方法，所述再装填方法包括将原料多晶硅装入坩埚中的装入步骤，熔化所述坩埚中装入的多晶硅以形成硅熔体的熔化步骤，以及使晶种接触所述硅熔体并且提拉所述晶种，从而生长硅单晶锭的提拉步骤；其中，在所述熔化步骤和提拉步骤后，向所述坩埚进一步供应原料多晶硅；其中，通过将小尺寸的小多晶硅块引入到所述坩埚中的硅熔体的表面而形成缓冲区(cushioning region)，并且将尺寸大于所述小多晶硅块的大多晶硅块供给至所述缓冲区上。

在根据本发明的再装填原料多晶硅的方法中，所述小多晶硅块的尺寸为5mm至50mm。

在根据本发明的再装填原料多晶硅的方法中，所述小多晶硅块的尺寸为5mm至小于20mm。

在根据本发明的再装填原料多晶硅的方法中，所述小多晶硅块的尺寸为20mm至50mm。

在根据本发明的再装填原料多晶硅的方法中，使用再装填装置将原料多晶硅供给至所述坩埚中的硅熔体，所述再装填装置包括具有通道的主体和使所述主体的一端打开或闭合的盖体，所述通道贯穿所述主体。

在根据本发明的再装填原料多晶硅的方法中，大多晶硅块的尺寸允许所述大多晶硅块通过所述主体的通道，并且大于50mm。

在根据本发明的再装填原料多晶硅的方法中，通过所述盖体闭合所述再装填装置的主体的一端，将所述小多晶硅块装入所述主体中，将所述大多晶硅块装在已装入所述主体中的小多晶硅块上，并且打开所述盖体以将所述原料多晶硅供给至所述坩埚中的硅熔体。

发明效果

依照根据本发明的再装填原料多晶硅的方法，即使当再装填所述大块原料多晶硅时，在所述坩埚中的硅熔体表面上形成的缓冲区起到冲击缓冲构件的作用，由此能够防止所述坩埚中的硅熔体飞溅，并且防止所述坩埚被损坏或破裂。此外，可以在所述硅熔体不飞溅的情况下再装填所述大块多晶硅，这可以防止所生长的锭的无位错率和质量的下降。而且，由于可以以低成本制备所述大块原料多晶硅，可获得可以降低锭制备成本的优点。

图1的截面图显示用于实施根据本发明的实施方案的再装填原料多晶硅的方法的再装填装置。

图2显示根据本发明第一实施方案的再装填原料多晶硅的方法。

图3显示所述再装填装置的主体的布置的一个实例。

图4显示作为原料的多晶硅块的类型。

下面将参照显示优选实施方案的附图说明本发明。

图1的截面图显示用于实施根据本发明实施方案的再装填原料多晶硅的方法的再装填装置。

如图1所示，再装填装置10放置在坩埚20的上方，所述坩埚20设置在图中未显示的锭制备设备内部。在所述锭制备设备中实施所述CZ法。在CZ方法中，将作为原料的多晶硅装入坩埚中，并且在惰性气体(如氩气)的气氛中将装入所述坩埚中的多晶硅熔化，以形成硅熔体。使晶种与所述硅熔体接触，并且通过提拉所述晶种而生长锭。如图1所示，所述坩埚20在其外周被加热器30包围。所述加热器30用于加热所述坩埚20的内部，并熔化多晶硅的块(下文也称为“多晶硅块”)。所述坩埚20例如为由石英制成的石英坩埚，所述加热器30例如为石墨加热器。

所述再装填装置10具有中空圆柱形主体1和能够使所述主体一端打开和闭合的盖体2，所述中空圆柱形主体1具有通道(through passageway)，所述通道的两端1a和1b在外部打开。所述主体1例如由石英制成。所述盖体2为具有圆锥形表面2a的圆锥形状，所述圆锥形表面可以与所述端1a的周边紧密接触。线(wire)3与所述盖体2相连，并且所述线3从所述端1a至所述端1b贯穿所述主体1的内部，以与所述再装填装置10的未显示的打开/闭合装置相连。应当注意，主体1的形状不限于圆柱形，也可以采用其他形状如柱形。相似地，对于所述盖体2的形状，也可以采用其他形状如金字塔形。

在所述再装填装置10中，利用放出或卷绕所述线3的未显示的打开/闭合装置，从而垂直地移动所述盖体2，进行所述主体1的端1a的打开和闭合。

下面将说明根据本发明第一实施方案使用上述再装填装置的再装填原料多晶硅的方法。图2(a)至(f)显示根据本发明第一实施方案的再装填原料多晶硅的方法。

在锭的生长期间，在熔化所述多晶硅块步骤或提拉所述锭步骤后进行再装填。首先，所述再装填装置10的主体1的端1a被所述盖体2闭合。然后，将原材料多晶硅装入所述主体1中。当装入原材料多晶硅时，所述再装填装置10采取这样的姿势，例如使所述主体1的轴向在垂直方向上定向。此外，如图3所示，所述再装填装置10可以借助于例如支持体4而采取这样的姿势，使所述主体1可以倾斜，这样所述主体1的轴向相对于垂直方向具有预定的角度如45度。

这里，取决于多晶硅块的尺寸，将作为原料多晶硅的多晶硅块分成三类：小尺寸多晶硅块S1、中尺寸多晶硅块S2和大尺寸多晶硅块S3。如图4所示，所述小尺寸多晶硅块S1是具有小块尺寸的多晶硅块，所述中尺寸多晶硅块S2是具有中块尺寸的多晶硅块，所述大尺寸多晶硅块S3是具有大块尺寸的多晶硅块。所述块尺寸由所述块的最大宽度h定义。最大宽度h小于20mm的多晶硅块为小尺寸多晶硅块S1。最大宽度h为20mm至50mm的多晶硅块为中尺寸多晶硅块S2。最大宽度h大于50mm的多晶硅块为大尺寸多晶硅块S3。

如图2(b)所示，将原料多晶硅填充入主体1中开始时用缓冲层形成多晶硅块(cushioning layer formation polycrystalline silicon chunks)Sb形成后面描述的缓冲层(cushioning layer)。使用所述小尺寸多晶硅块S1或所述中尺寸多晶硅块S2作为所述缓冲层形成多晶硅块Sb。也就是说，将所述小尺寸多晶硅块S1或所述中尺寸多晶硅块S2装入还未装有原料多晶硅的所述主体1中。将要装入的所述缓冲层形成多晶硅块Sb的量基于所述坩埚20的直径等，并且所述坩埚20中硅熔体40的表面41完全被所述缓冲层形成多晶硅块Sb覆盖。在本实施方案中，所述中尺寸多晶硅块S2用作所述缓冲层形成多晶硅块Sb。

接下来，如图2(c)所示，将尺寸大于所述中尺寸多晶硅块S2的多晶硅块，即所述大尺寸多晶硅块S3装入所述主体1中。因此，所述中尺寸多晶硅块S2从下端1a沉积在所述主体1内，随后，所述大尺寸多晶硅块S3沉积在所述中尺寸多晶硅块S2上，所述块S3的尺寸大于所述块S2的尺寸。

当如上所述将所述多晶硅块装入所述主体1中时，所述主体1可以如图3所示相对于垂直方向以预定角度倾斜。按这种方式，当将所述多晶硅块装入所述主体1中时，可以缓冲多晶硅块对所述主体1的冲击。特别是当装入所述大尺寸多晶硅块S3时，预先沉积在所述主体1底部的所述中尺寸多晶硅块S2作为缓冲构件缓冲由于所述大尺寸多晶硅块S3落下而引起的冲击。

在将多晶硅块S装入所述主体1后，将所述再装填装置10置于所述坩埚20上方的预定位置。如图2(a)所示，将要放置所述再装填装置10的所述位置在所述坩埚20的上方，其中所述主体1的轴向与垂直方向一致。

接下来，如图2(d)所示，所述线3由未显示的打开/闭合装置放出并延伸，这样所述盖体2向下移动以打开所述主体1的端1a。按这种方式，首先，将沉积在所述主体1下部的所述中尺寸多晶硅块S2供给至所述坩埚20中的硅熔体40上。由于所述中尺寸多晶硅块S2尺寸小，所以它们漂浮在所述硅熔体40的表面41上。因此，所述中尺寸多晶硅块S2沉积在所述硅熔体40的表面41上，并且覆盖所述表面41。然后，如图2(e)所示，将尺寸大于所述中尺寸多晶硅块S2的大尺寸多晶硅块S3供给至所述坩埚20中的多晶硅熔体40上。此时，为了使所述主体1的端1a的开口宽度更大，可以进一步下降所述盖体2。因为此时所述硅熔体40的表面41被所述中尺寸多晶硅S2覆盖，并且所述大尺寸多晶硅块S3落在漂浮在所述硅熔体40的表面41上的所述中尺寸多晶硅块S2的层上，所以所述漂浮的中尺寸多晶硅块S2的层缓冲由于所述大尺寸多晶硅块S3落下而引起的冲击。也就是说，首先供给至所述坩埚20中的所述中尺寸多晶硅块S2沉积在所述多晶硅熔体40的表面41上，并且形成作为缓冲区的缓冲层50。然后，如图2(f)所示，将装入再装填装置10的所述主体1内的所有多晶硅块供给至所述坩埚20中，结束再装填。

再装填的多晶硅块由于被加热器30加热而熔化，并且变成硅熔体。按这种方式，将所需量的硅熔体供给至所述坩埚20中。

下面说明根据本发明第二实施方案的再装填原料多晶硅的方法。

根据本发明第二实施方案的再装填原料多晶硅的方法与根据上述第一实施方案的再装填原料多晶硅的方法的区别仅在于，作为所述缓冲层形成多晶硅块Sb，使用小尺寸多晶硅块S1而不是所述中尺寸多晶硅块S2。也就是说，在根据本发明第二实施方案的再装填方法中，所述小尺寸多晶硅块S1在所述坩埚20中硅熔体40的表面41上形成缓冲层50，并且将所述大尺寸多晶硅块S3供给至所述缓冲层50上。根据本发明第二实施方案的再装填方法与根据本发明第一实施方案的再装填方法的区别仅在于，所述小尺寸多晶硅块S1用作所述缓冲层形成多晶硅块Sb。由于这两种方法的其余过程相同，将省略对它们的详细说明。

下面说明在本发明第一和第二实施方案中将原料多晶硅从所述主体1供给至所述坩埚20的方法。优选地，通过调节所述线3的长度，首先将所述缓冲层形成多晶硅块Sb(其为所述小尺寸多晶硅块S1或中尺寸多晶硅块S2)供给至所述坩埚20中；然后，将所有缓冲层形成多晶硅块Sb供给至所述坩埚20中，这样由所述缓冲层形成多晶硅块Sb组成的缓冲层50形成在所述硅熔体40的表面41上；然后，将所述大尺寸多晶硅块S3引入到缓冲层50上。例如，当将所述多晶硅块从所述主体1供给至所述坩埚20时，首先下降所述盖体2以使所述主体1的端1a打开一定宽度，所述宽度允许所述缓冲层形成多晶硅块Sb通过并且防止所述大尺寸多晶硅块S3通过，然后，将所有所述缓冲层形成多晶硅块Sb填充入所述坩埚20中后，进一步下降所述盖体2以使所述大尺寸多晶硅块S3通过。

关于装入所述再装填装置10的主体1中的多晶硅块的量，优选地，所述缓冲层形成多晶硅块Sb和所述大尺寸多晶硅块S3的总量相当于将待再装填的多晶硅的理想的量。

如上所述，当在根据本发明实施方案的再装填方法中再装填所述多晶硅块时，首先引入所述小尺寸多晶硅块S1或所述中尺寸多晶硅块S2；然后，所述小尺寸多晶硅块S1或所述中尺寸多晶硅块S2沉积在所述坩埚20中的硅熔体40的表面41上，从而形成所述缓冲层50。由于接下来将具有大尺寸的所述大尺寸多晶硅块S3引入到所述缓冲层50上，所述缓冲层50缓冲由于所述大尺寸多晶硅块S3落下而引起的冲击。这可以防止所述坩埚20中的硅熔体40由于所述大多晶硅块落下的冲击而飞溅。

通过形成所述缓冲层50，可以再装填所述大尺寸多晶硅块S3，所述大尺寸多晶硅S3的尺寸很大，以致于它们不能通过常规方法再装填而不使所述硅熔体40飞溅。

此外，所述缓冲层50由漂浮在所述硅熔体40上的所述小尺寸多晶硅块S1或所述中尺寸多晶硅块S2形成。所述缓冲层50的形成防止对所述坩埚20施力，因此所述坩埚20既不损坏也不破裂。

如上所述，根据本发明实施方案的再装填方法，在再装填大多晶硅块的情况下，具有可以以低成本制备所述大多晶硅块原料的优点。因此，可以降低制备锭的成本，并且原料多晶硅的总表面积变得更小，因而可以减少多晶硅表面上的SiO₂、杂质如金属以及混入的大气气体等。这样，在所生长的锭中，可以限制由于杂质污染、针孔形成等引起的无位错率和质量的下降。因此，将被再装填的多晶硅块优选为所述大尺寸多晶硅块，所述大尺寸多晶硅块的尺寸很大，以致于在常规再装填方法中，它们不能在不使所述硅熔体40飞溅的情况下再装填入所述坩埚中。

为了防止缺陷发生，例如在所述锭中形成针孔，优选地，作为上述缓冲层形成多晶硅块Sb的所述小尺寸多晶硅块S1的尺寸设置为至少5mm。

以这样的方式设置将引入到所述坩埚20中形成的缓冲层50上的所述大尺寸多晶硅块S3的最大尺寸，使所述块S3可以通过所述再装填装置10的主体1中的通道。例如，如果所述主体1的通道的直径为200mm，所述大尺寸多晶硅块S3的最大尺寸为200mm。然而，当将多晶硅块引入到所述主体1中时，优选考虑防止所述主体1由于冲击而被损坏，并且，同样优选地，所述大尺寸多晶硅块S3的尺寸最大为200mm。但是，考虑到防止对所述主体1的损坏，所述大尺寸多晶硅块S3的最大尺寸取决于所述主体1的材料和尺寸，并且不限于以上所述。

实施例

下面将说明本发明的实施例。

使用上述根据本发明第一实施方案的再装填原料多晶硅的方法再装填所述多晶硅块(实施例1-4)。

在实施例1中，使用最大宽度h为60mm的多晶硅块作为所述大尺寸多晶硅块S3。在实施例2中，使用最大宽度h为100mm的多晶硅块作为所述大尺寸多晶硅块S3。在实施例3中，使用最大宽度h为150mm的多晶硅块作为所述大尺寸多晶硅块S3。在实施例4中，使用最大宽度h为200mm的多晶硅块作为所述大尺寸多晶硅块S3。在实施例1-4的任一实施例中，使用最大宽度h为50mm的多晶硅块作为用作所述缓冲层形成多晶硅块Sb的中尺寸多晶硅块S2。在所述再装填装置10中，所述主体1中的通道的直径略大于200mm。

作为比较例，使用再装填原料多晶硅的常规方法再装填所述多晶硅块(比较例1-4)。所述常规再装填方法与根据本发明实施方案的再装填方法的区别在于，再装填所述多晶硅块而不形成所述缓冲层。换句话说，在每个实施例中将相同尺寸的多晶硅块从所述再装填装置10引入到所述坩埚20中。

在比较例1中，再装填最大宽度h为60mm的所述大尺寸多晶硅块S3。

在比较例2中，再装填最大宽度h为100mm的所述大尺寸多晶硅块S3。

在比较例3中，再装填最大宽度h为150mm的所述大尺寸多晶硅块S3。

在比较例4中，再装填最大宽度h为200mm的所述大尺寸多晶硅块S3。

作为参考例，使用再装填原料多晶硅的上述常规方法再装填最大宽度h为30mm的中尺寸多晶硅块S2(参考例1)和最大宽度h为50mm的中尺寸多晶硅块S2(参考例2)。

在实施例1-4、比较例1-4和参考例1、2中，观察了在引入所述多晶硅块时所述硅熔体飞溅的状态。下面显示观察结果。

(表1)

表1中，符号“○”表示硅熔体没有飞溅出坩埚的外面，符号“△”表示硅熔体飞溅出坩埚的外面，但是坩埚既未被损坏或破裂，符号“×”表示硅熔体飞溅出坩埚的外面，并且坩埚被损坏或破裂。

如表1所示，根据本发明实施方案的再装填方法，可以再装填尺寸大的所述大尺寸多晶硅块S3，而不使硅熔体飞溅。然而，在常规再装填方法中，如果再装填所述大尺寸多晶硅块S3，硅熔体飞溅。此外，如参考例所示，当再装填所述中尺寸多晶硅块S2时，即使在常规再装填方法的情况下也不发生所述硅熔体飞溅。

如上所述，根据本发明的再装填方法，即使当再装填大尺寸的所述大尺寸多晶硅块S3时，也不发生硅熔体飞溅。因此，可以再装填所述大尺寸多晶硅块S3，所述大尺寸多晶硅块的尺寸很大，以致于以前通常不能在不使所述硅熔体飞溅的情况下而将它们再装填。也可以防止所述坩埚由于再装填而损坏或破裂，并且进一步防止所生长的锭的无位错率和质量的下降。此外，具有可以以低成本制备所述大块原料多晶硅的优点，因此，可以降低锭的制备成本。

应当注意，在根据本发明实施方案的再装填原料多晶硅的方法中，使用所述再装填装置10将多晶硅块引入到坩埚20中。然而，引入所述多晶硅块的方法不限于此方法。作为引入所述多晶硅块的方法，可以使用任何方法，只要如上所述形成缓冲层。例如，可以使用不同形式的再装填装置，而且可以不使用再装填装置而引入所述多晶硅块。

在根据本发明实施方案的再装填原料多晶硅块的方法中，使用所述小尺寸多晶硅块S1或所述中尺寸多晶硅块S2作为所述缓冲层形成多晶硅块Sb。然而，也可以使用通过混合所述小尺寸多晶硅块S1和所述中尺寸多晶硅块S2而得到的多晶硅块作为所述缓冲层形成多晶硅块Sb。

此外，根据本发明实施方案的再装填原料多晶硅的方法可应用于CZ法。这种CZ法不限于以上所述，所以本发明可应用于例如使用磁场的MCZ法以及除硅以外的材料。

Claims (7)

1.再装填原料多晶硅的方法，所述原料多晶硅用于制备硅单晶锭，所述方法包括将原料多晶硅装入坩埚中的装入步骤，熔化所述坩埚中装入的多晶硅以形成硅熔体的熔化步骤，以及使晶种与所述硅熔体接触并且提拉所述晶种，从而生长硅单晶锭的提拉步骤；其中，在所述熔化步骤和提拉步骤后，向所述坩埚中进一步供给原料多晶硅；其中，通过将小尺寸的小多晶硅块引入到所述坩埚中的硅熔体的表面而形成缓冲区，并且将尺寸大于所述小多晶硅块的大多晶硅块供给至所述缓冲区上。

2.根据权利要求1所述的再装填原料多晶硅的方法，其中所述小多晶硅块的尺寸为5mm至50mm。

3.根据权利要求2所述的再装填原料多晶硅的方法，其中所述小多晶硅块的尺寸为5mm至小于20mm。

4.根据权利要求2所述的再装填原料多晶硅的方法，其中所述小多晶硅块的尺寸为20mm至50mm。

5.根据权利要求1-4之一所述的再装填原料多晶硅的方法，其中使用再装填装置将原料多晶硅供给至所述坩埚中的硅熔体，所述再装填装置包括具有通道的主体和使所述主体的一端打开或闭合的盖体，所述通道贯穿所述主体。

6.根据权利要求5所述的再装填原料多晶硅的方法，其中所述大多晶硅块的尺寸允许所述大多晶硅块通过所述主体的通道，并且大于50mm。

7.根据权利要求5或6所述的再装填原料多晶硅的方法，其中用所述盖体闭合所述再装填装置的主体的一端，将所述小多晶硅块装入所述主体中，将所述大多晶硅块装到已装入所述主体的小多晶硅块上，并且打开所述盖体以将所述原料多晶硅供给至所述坩埚中的硅熔体。

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