CN105887185A

CN105887185A - 一种多重提拉单晶硅的制造方法

Info

Publication number: CN105887185A
Application number: CN201610364057.9A
Authority: CN
Inventors: 沈思情; 刘浦锋; 宋洪伟; 陈猛
Original assignee: SHANGHAI ADVANCED SILICON TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI ADVANCED SILICON TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2016-08-24

Abstract

本发明提供了一种多重提拉单晶硅的制造方法，包括：采用CZ法拉制单晶硅棒，拉制完一根晶体后进行再加料继续拉制下一根，再加料时，使用高纯石英管输送原料，通过激光二极管阵列照射石英坩埚内中间的多晶硅块料，使之熔化时间加快，减少熔体内原料在高温下的熔化时间。所采用的激光二极管阵列安装在拉晶炉主腔体的窗口上，激光二极管的功率为5‑50瓦，波长在600‑900nm范围内。该制造方法可有效降低生产成本、提高生产效率和晶体品质。

Description

一种多重提拉单晶硅的制造方法

技术领域

本发明涉及一种单晶硅的制造方法，具体涉及一种采用CZ法在同一坩埚中提拉多根单晶硅棒的方法。

背景技术

当前制备单晶硅生长的技术方法主要有区熔法（FZ）和直拉法（CZ法），FZ法主要应用于大功率器件方面，市场占有率低；而CZ法制备单晶硅主要应用于集成电路和太阳能方向，占据市场的绝大多数。与FZ法相比， CZ法拉制单晶硅的成本相对较低，机械强度较高，易于制备大直径的单晶。

传统的直拉单晶硅工艺是在拉制完一根晶体后就关闭加热器后进行清料、拆炉等工作，关闭加热器就意味着坩埚破裂了，而石英坩埚的成本较高，这大大地降低了坩埚的使用率和生产效率。为了提高晶体质量、降低生产成本和提高生产效率，在传统的直拉单晶硅工艺上派生出了多重提拉单晶硅工艺。

所谓的多重提拉法，是指采用正常的CZ法从石英坩埚中拉出一个晶体后，在不打开炉体和关闭加热器的情况下，在同一石英坩埚中额外地将多晶硅材料投入及熔化在剩余的原料熔体中再拉制下一根晶体，从而使用同一坩埚提拉多根单晶硅棒。这样可节省停炉冷却、擦炉、装料、抽真空、化料等步骤所需的时间，大幅提高了生产效率，提高石英坩埚的利用率，有效降低成本。

目前，关于多重提拉单晶硅的工艺已经比较成熟，但还是存在一些问题，比如：再加料时需分多次加入，在每次完成加料后，还需花几个小时来熔化，时间较长；由于操作时间长使得坩埚长时间暴露于高温下，影响坩埚涂层的效果，在晶体生长过程中容易产生位错；多次长时间的熔化，会使得原材料中有些易挥发元素的挥发过多，导致掺杂浓度的不可控。

为了解决多重提拉单晶硅工艺中存在的问题，已有一些文献做出报道，如专利CN1032318C和CN104011271，分别从解决原料纯度、加料设备和坩埚涂层方面做出了详细的报道。

本发明主要针对现有技术问题存在的再加料时间长及其因再加料时间较长导致的问题，提供了一种有效的原料局部加热方法，其结构简单，可有效地降低生产时间，提高晶体品质。

发明内容

本发明的目的是提供一种多重提拉单晶硅的方法，使用激光辐射石英坩埚内中间的多晶硅原料，加快原料的熔化，从而缩短制造时间、提高生产效率和提高晶体品质。

具体地，本发明提供一种多重提拉单晶硅的方法，包括：采用CZ法拉制单晶硅棒，拉制完第一根晶体后进行再加料继续拉制下一根，再加料时，使用高纯石英管输送原料，通过激光二极管阵列照射石英坩埚内中间的多晶硅块料，使之熔化时间加快，减少熔体内原料在高温下的熔化时间。

采用CZ法拉制单晶硅棒时，是在石英坩埚中使用多晶硅熔化，把籽晶浸入熔硅中进行晶体生长。用于单晶硅生长的多晶硅一般采用Simens方法制成的不规则形状的块状多晶硅，或球形的粒状多晶硅。只装块状多晶硅时，其装料密度低，体积限制直接影响单晶的生产能力；虽然粒状多晶硅在装料密度方面有明显的优点，但是在坩埚内全部装粒状多晶硅并使之熔化也会在单晶硅中引入杂质和缺陷；综合以上两种多晶硅特点，本发明选择粒状多晶硅作为块状多晶硅的补充填料，可减少对坩埚的机械应力和热应力，且能增加装料密度。

本发明再加料过程中，采用高纯石英管将多晶硅料输送至剩余的熔体中，具体步骤为：将称好的多晶硅料放入高纯石英管内，石英管的底部设置有阀门，再将石英管放入单晶炉中，最后打开石英管的阀门将多晶硅料送入到石英坩埚中，由于受石英管尺寸的限制，需要分多次才能把足量的多晶硅料加入。

通常，在CZ直拉法系统里，热源是由坩埚侧面的石墨加热器提供，因为石墨加热器都是环绕在坩埚外围，靠外的功率较高而中间功率较低，造成熔体的外侧温度比中心轴高，熔体的底端比液面温度高，而且坩埚内中间区域存在开放区域使得热量容易散失。因此，多晶硅料的熔化从外开始，原料从外向内形成堆状结构，直至中间原料熔化完全需要相当长的时间。如果在中间加一个石墨加热器，它需要非常复杂的布线和复杂的操作，不利于生产。

本发明采用激光二极管阵列照射坩埚内中间的多晶硅料，具体方式为：激光二极管阵列安装在拉晶炉主腔体的窗口上，如图1所示；加料完成后开始对原料加热，开启激光器工作，激光二极管的功率为5-50瓦，激光二极管阵列的波长在600-900nm范围内，激光器激发的激光束光斑聚焦在石英坩埚内中间区域的多晶硅料堆尖上，局部熔化。

为了加快再加多晶硅料的熔化，激光二极管的输出功率范围为5-50瓦，最佳的输出功率范围为15-45W。选择的激光功率随着石英坩埚内中间区域内多晶硅堆料的减少而降低。对于刚开始加热时的多晶硅料较多，优选45W；当多晶硅堆料明显减少时，优选15W。高功率激光可以提高多晶硅料的熔化速度，缩短原料熔化时间，提高生产效率。但高功率的激光价格高，提高了生产成本，而且功率太高的话，会由于激光提供的能量太高而使得中间原料熔化温度过高，影响整个热场，不利于籽晶的浸入，从而影响单晶硅的生长。

激光二极管阵列的波长在600-900nm的范围内：当激光波长大于900nm时，吸收率会因激光束在硅表面的反射而急剧减小，如图2所示。当激光波长小于600nm时，短波长会提高激光束的能量和吸收率，缩短多晶硅料的熔化时间，提高生产效率。但是这种高能激光束控制难度大，而且市场上也很难买到如此高功率高能的激光器。选择的激光波长随着石英坩埚内中间区域内多晶硅堆料的减少而增大。

本发明之所以需要使用激光照射坩埚内中间区域多晶硅料加快它的熔化，主要原因如下：

（1）加快原料的熔化，节约熔料时间，提高生产效率。一般情况下，全部的原料完成至少需要1小时，而用激光照射后，只需要半小时以内，具体时间取决于所用的激光功率和波长。

（2）原料的熔化时间缩短的话，可以减少石英坩埚涂层在高温下的时间，提高石英坩埚的使用率。

（3）一般CZ系统里，热源是由坩埚侧面的石墨加热器提供，造成熔体的外侧温度比中心轴高，熔体的底端比液面温度高。我们知道密度是随着温度的增加而降低，于是在底部的熔体会由于浮力而往上流动，这种对流方式，称为“自然对流”。自然对流的程度大小可由格拉斯霍夫常数来判定：

…… (1)

其中a是熔体的热膨胀系数，d是坩埚的内径或熔体深度，△T是熔体内的最大温差，v_k是动力粘滞系数，对应硅而言，α=1.43×10^-4℃-1，V_k=3 ×10^-3cm²/sec

…… (2)

Gr的大小决定了对流的程度大小，由于坩埚内中间区域的熔体温度提高，趋近于外围和底部温度，所以△T减小，Gr也变小，熔体变得更稳定，利于籽晶浸入及后续的晶体生长。

（4）在单晶硅直拉工艺引入的众多杂质中，氧对材料和器件的性能影响最大，为了抑制晶体生长过程中缺陷的形成和半导体器件工艺过程中电阻率的变化，尤其是功率器件，在直拉法制造单晶硅过程中按要求需降低氧含量。氧杂质的来源主要是由石英坩埚的溶解进入硅熔体，石英坩埚和硅熔体反应，产生大量SiO。SiO通过硅熔体的对流和扩散传输到晶体/熔体界面（固液界面）或自由表面，到达硅熔体自由表面的SiO以气体的形式挥发，只有极小部分（约1%）由于硅熔体的对流和扩散而进入到熔硅中，使晶体的氧含量提高。由于激光束的辐射，缩短了原料的熔化时间，自然也就减少了石英坩埚与硅溶液的反应，减少了SiO气体的产生，从而降低了硅熔体中SiO的含量，也就降低了SiO进入到晶体中的量，从而降低了晶体中的氧含量。

（5）在直拉单晶过程中，杂质元素的挥发往往会造成熔体中杂质量的变化，这是掺杂过程中应加以考虑的因素。挥发效应会使杂质不断地从熔体逸出，最后熔体内杂质将随时间而变化。多晶硅的熔化过程中，蒸发系数大的杂质会不断地从硅熔体表面蒸发，会直接影响到直拉单晶硅的掺杂溶度，从而影响单晶硅产品的电阻率。如果缩短了原料的熔化时间，可以大大减少易蒸发杂质的挥发，从而利于控制单晶硅中的杂质浓度。

杂质挥发量与时间、熔体表面积、熔体中杂质浓度成正比。因此，熔体中因杂质挥发使杂质浓度的降低量dN可用下式表示：

…… (3)

式中E为蒸发常数，A_s为熔体表面积，C₀为熔体中杂质的初始浓度，d_t为杂质浓度降低d_N所需时间。从式(3)也可以明显地得到缩短原料熔化时间能有效地控制杂质浓度的下降。

附图说明

图1为本发明所采用的CZ单晶炉结构示意图。

图2为本发明采用的激光波长与硅的吸收系数之间的关系图。

具体实施方式

实施例1

在24英寸的石英坩埚内装入120kg的多晶硅料（含块料和填充的粒状料），采用CZ法拉制出8英寸的单晶硅棒，重量达100kg。晶体拉出来之后再加料，在不打开炉体和关闭加热器的情况下，使用高纯石英管将原料运输至石英坩埚，分4次加入，每次25kg。加料完成后，通过安装在主腔体窗口的激光二极管阵列，采用中心波长为808nm、功率为50W的激光束照射在多晶硅堆尖，多晶硅堆的熔化时间大大减少，小于15min。

晶体成功收获后对其进行评价，结果发现单晶硅棒中氧浓度为7x10¹⁷atoms/cm³，晶体无缺陷，晶体轴向电阻率范围在10%以内，晶体利用率可达100%。

对比例1

在24英寸的石英坩埚内装入120kg的多晶硅料（含块料和填充的粒状料），采用CZ法拉制出8英寸的单晶硅棒，重量达100kg。晶体拉出来之后再加料，在不打开炉体和关闭加热器的情况下，使用高纯石英管将原料运输至石英坩埚，分4次加入，每次25kg。加料完成后，开始加热熔融，多晶硅料的熔化时间至少需要1个小时才能完成熔化。

晶体成功收获后对其进行评价，结果发现单晶硅棒中氧浓度为1.9x10¹⁸atoms/cm³，晶体尾部出现位错，轴向电阻率范围较大，约17%，晶体利用率只有90%。

实施例2

在24英寸的石英坩埚内装入120kg的多晶硅料（含块料和填充的粒状料），采用CZ法拉制出8英寸的单晶硅棒，重量达100kg。晶体拉出来之后再加料，在不打开炉体和关闭加热器的情况下，使用高纯石英管将原料运输至石英坩埚，分4次加入，每次25kg。加料完成后，通过安装在主腔体窗口的激光二极管阵列，采用波长为808nm、功率为5W的激光束照射在多晶硅堆尖，多晶硅堆的熔化时间明显减少，约35min。

晶体成功收获后对其进行评价，发现晶体基本无缺陷，利用率可达93%。

实施例3

在24英寸的石英坩埚内装入120kg的多晶硅料（含块料和填充的粒状料），采用CZ法拉制出8英寸的单晶硅棒，重量达100kg。晶体拉出来之后再加料，在不打开炉体和关闭加热器的情况下，使用高纯石英管将原料运输至石英坩埚，分4次加入，每次25kg。加料完成后，通过安装在主腔体窗口的激光二极管阵列，采用波长为900nm、功率为50W的激光束照射在多晶硅堆尖，多晶硅堆的熔化时间约25min。

晶体成功收获后对其进行评价，发现晶体基本无缺陷，利用率可达95%。

实施例4

在24英寸的石英坩埚内装入120kg的多晶硅料（含块料和填充的粒状料），采用CZ法拉制出8英寸的单晶硅棒，重量达100kg。晶体拉出来之后再加料，在不打开炉体和关闭加热器的情况下，使用高纯石英管将原料运输至石英坩埚，分4次加入，每次25kg。加料完成后，通过安装在主腔体窗口的激光二极管阵列，采用波长为600nm、功率为50W的激光束照射在多晶硅堆尖，多晶硅堆的熔化时间约10min。

晶体成功收获后对其进行评价，发现晶体基本无缺陷，利用率可达98%。

Claims

1.一种多重提拉单晶硅的制造方法，采用CZ法在同一坩埚中提拉多根单晶硅棒，其特征在于对后续加入的多晶硅原料采取激光束辐射熔融，从而使用同一坩埚提拉多根单晶硅棒。

2.根据权利要求1所述的多重提拉单晶硅的制造方法，其特征在于所用的激光束是由装在硅单晶炉中的激光二极管阵列发射的。

3.根据权利要求2所述的多重提拉单晶硅的制造方法，其特征在于所述的激光二极管阵列的功率为5-50瓦。

4.根据权利要求2、3所述的多重提拉单晶硅的制造方法，其特征在于所述的激光二极管阵列的波长为600-900nm。