CN109576778A - 一种降低cz法制备单晶的杂质含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低CZ法制备单晶的杂质含量的方法，在一个坩埚中同时生长多于一颗单晶，一般可同时生长2‑4颗单晶，各个单晶到坩埚轴心距离相同，均匀分布在坩埚同心圆轨道上，坩埚旋转方向与各个单晶自转方向相反，使得多个单晶能够均匀稳定的成晶，并保持一致的均一质地。本发明的有益效果是：拉制单晶时成晶界面的氧化物挥发的更加充分，单晶体内杂质含量会更低，产品品质更好；每个坩埚同时能生长2‑4颗单晶，产能更高，成本更低。

Description

一种降低CZ法制备单晶的杂质含量的方法

技术领域

本发明属于单晶硅棒生产技术领域，尤其是涉及一种降低CZ法制备单晶的杂质含量的方法。

背景技术

直拉单晶制造法(Czochralski，CZ法)是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将一根直径只有10mm的棒状晶种(称籽晶)浸入融液中，在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。目前CZ直拉法生产单晶均采用的是同心拉晶法，即拉制单晶时单晶始终处于溶液的正中心，该方法每个坩埚同时只能生长1颗单晶，由于单晶始终在液面中心，固液界面的杂质不能很好的挥发，导致生产单晶体内的杂质(氧、碳等)较高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种降低CZ法制备单晶的杂质含量的方法。

本发明采用的技术方案是：一种降低CZ法制备单晶的杂质含量的方法，在一个坩埚中同时生长多于一颗单晶。

优选地，在一个坩埚中同时生长2-4颗单晶。

优选地，各个单晶到坩埚轴心距离相同。

优选地，各个单晶均匀分布在坩埚同心圆轨道上。

优选地，坩埚旋转方向与各个单晶自转方向相反。

优选地，在等径阶段和收尾阶段全程通入氮气作为保护气。

优选地，在等径阶段和收尾阶段全程通入氮气-氩气混合气作为保护气，氮气与氩气混合比例为1-3.5:1。

本发明具有的优点和积极效果是：拉制单晶时成晶界面的氧化物挥发的更加充分，单晶体内杂质含量会更低，产品品质更好；每个坩埚同时能生长2-4颗单晶，产能更高，成本更低。

附图说明

图1是本发明一个实施例结构示意图；

图2是同心生长方式中杂质流转模拟图；

图3是偏心生长方式中杂质流转模拟图。

图中：

1、坩埚 2、单晶

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例做出说明。

如图1所示，本发明涉及一种降低CZ法制备单晶的杂质含量的方法，在一个坩埚1中同时生长多于一颗单晶2，一般可同时生长2-4颗单晶2。当各个单晶2处在坩埚同心圆轨道上，并均匀分布，这样的分布能够保证同时生产的硅棒能够达到统一的制备条件，方便调整单晶尺寸，使其均匀分布和转动，保证熔硅液面杂质能够快速均匀的挥发，保证硅棒质地均一。各个单晶处于坩埚同心圆轨道，避免硅棒在转动过程碰到坩埚壁，造成断裂，或影响硅棒品质。成晶时，坩埚转动方向与各个单晶自转方向相反，能够更好保证硅棒品质，也有利于熔硅中杂质的流动，使其快速挥发。杂质在熔硅内部会按照一定的路线进行流转，当杂质流转到液面部分的时候会蒸发到液面上方，挥发后达到排出杂质的目的，如图1所示，如果单晶一致保持在坩埚的中心，单晶生长区域的杂质就不能及时挥发到溶液外面，而是随着单晶的生长进入到了单晶体内，造成单晶内部杂质含量的上升，如图2所示，二采用偏心生长方式，随着坩埚的旋转，单晶生长界面的杂质不断挥发出去，进入到单晶内部的杂质含量低于原有单晶生长方式。

在等径阶段和收尾阶段全程通入氮气作为保护气，或在等径阶段和收尾阶段全程通入氮气-氩气混合气作为保护气，氮气与氩气混合比例为1-3.5:1，在等径状态通入氮气既能保证氮气和单晶硅棒反应，也能保证进入液态硅里的氮化硅杂质较少，以免氮化硅杂质较多，导致单晶断苞；在等径阶段和收尾阶段全程通入氮气，利用低成本的高纯度氮气替代高纯度氩气作为保护气，能有效降低单晶硅棒的生产成本，在反应过程中，晶体的表面和氮气基本不反应，没有氮元素的引入，不影响单晶的晶体质量。

本实例的工作过程：

单晶硅棒的生产步骤包括：装料和融化阶段，引晶阶段，缩颈阶段，放肩阶段，等径阶段和收尾阶段。

一、装料和融化阶段

将高纯多晶硅料粉碎至适当的大小，在硝酸和氢氟酸的混合溶液中清洗外表面，以除去可能的金属等杂质，然后放入高纯的石英坩埚内；在装料完成后，将坩埚放入单晶炉中的石墨坩埚中，然后将单晶炉抽真空使之维持在一定的压力范围之内，再充入一定流量和压力的保护气，保护气的流量和压力根据实际生产需要设定，例如充入流量为110L/min的氩气，加热温度超过硅材料的熔点1412℃，使其充分熔化形成熔硅。

二、引晶阶段

选取尺寸为6×80mm的籽晶，对其进行化学抛光，可去除表面损伤，避免表面损伤层中的位错延伸到生长的直拉单晶硅中，化学抛光也可以减少由籽晶带来的金属污染；在硅晶体生长时，首先将2-4个定向籽晶固定在旋转的籽晶座上的籽晶杆上，然后将籽晶座缓缓下降；将籽晶轻轻浸入熔硅，然后和熔硅形成固液界面；在籽晶座的带动下籽晶逐步旋转上升，与籽晶相连并离开固液界面的硅温度降低，形成单晶硅。

三、缩颈阶段

引晶完成后，籽晶快速向上提拉，晶体生长速度加快，新结晶的单晶硅直径将比籽晶的直径小，其长度约为此时晶体直径的6-10倍，旋转速率为2-10rpm，去除了表面机械损伤的无位错籽晶，虽然本身不会在新生长的晶体硅中引入位错，但是在籽晶刚碰到液面时，由于热振动可能在晶体中产生位错，这些位错甚至能够延伸到整个晶体，而缩颈可以减少位错的产生。

四、放肩阶段

在缩颈完成后，晶体的生长速度大大放慢，此时晶体硅的直径急速增加，从籽晶的直径增大到所需的直径，形成一个近180°的夹角。放肩的形状与角度将会影响晶体头部的固液面形状及晶体品质。

五、等径阶段

当放肩达到预定晶体直径时，晶体生长速度加快，并保持几乎固定的速度，使晶体保持固定的直径生长，等径状态时液态硅液面温度1450℃，使得晶体的最大拉速随着晶体长度而减小，在等径初始阶段，保护气氩气逐渐变为氮气，氮气罐刚进入炉体时的压力是0.2-1MPa，整个炉体的压力要求为15Torr，整个等径阶段全程通入氮气作为保护气，通入氮气的流量为150L/min，氮气作为保护气，以保护单晶硅棒的生长，既避免现有技术中全程通入高纯氩气作为保护气，导致消耗的高纯氩气过多，增加生产成本的问题，又避免通入氩气与氮气的混合气，实际生产难以控制，增加生产负担的问题。通过控制程序控制质量流量计中保护气体流量的大小，通过三通管实现保护气体的通入，其中，三通中的两通分别三通中两通分别连接氮气管路、氩气管路，另一通是连接到炉体，等径状态全程通入氮气即能保证氮气和单晶硅棒反应，也能保证进入液态硅里的氮化硅杂质较少，以免氮化硅杂质较多，导致单晶断苞。

六、收尾阶段

在晶体生长接近尾声时，生长速度再次加快，通过升高硅熔体的温度使得晶体的直径缩小，形成一个圆锥形，最终晶体离开液面，单晶硅生长完成，在收尾阶段全程通入流量为150L/min的高纯氮气作为保护气。根据需求，也可在收尾阶段通入氮气和氩气按照1-3.5:1比例混合气作为保护气。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种降低CZ法制备单晶的杂质含量的方法，其特征在于：在一个坩埚中同时生长多于一颗单晶。

2.根据权利要求1所述的降低CZ法制备单晶的杂质含量的方法，其特征在于：在一个坩埚中同时生长2-4颗单晶。

3.根据权利要求2所述的降低CZ法制备单晶的杂质含量的方法，其特征在于：各个单晶到所述坩埚轴心距离相同。

4.根据权利要求3所述的降低CZ法制备单晶的杂质含量的方法，其特征在于：各个单晶均匀分布在所述坩埚同心圆轨道上。

5.根据权利要求4所述的降低CZ法制备单晶的杂质含量的方法，其特征在于：所述坩埚旋转方向与各个单晶自转方向相反。

6.根据权利要求1-5中任一所述的降低CZ法制备单晶的杂质含量的方法，其特征在于：在等径阶段和收尾阶段全程通入氮气作为保护气。

7.根据权利要求1-5中任一所述的降低CZ法制备单晶的杂质含量的方法，其特征在于：在等径阶段和收尾阶段全程通入氮气-氩气混合气作为保护气，氮气与氩气混合比例为1-3.5:1。