CN112553684A - 超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法及单晶硅棒 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法及单晶硅棒，涉及单晶硅加工技术领域，本发明提供的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法，包括以下步骤：加热单晶硅原料的底部，待单晶硅原料的底部熔化时向上拉制熔化的单晶硅原料；随着单晶硅原料被拉升，减小对熔化的单晶硅原料的拉升速度。本发明提供的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法，可以在单晶硅棒的放肩部位形成弧形曲面，且可降低产生断线的几率。

Description

超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法及单晶硅棒
技术领域
本发明涉及单晶硅加工技术领域，尤其是涉及一种超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法及单晶硅棒。
背景技术
直拉单晶硅加工过程中的单晶生长(又称拉晶)包括：融化、缩颈、放肩、等径生长和收尾等步骤，当细颈达到规定长度后，通过立刻降温、降拉速，并使细颈逐渐长大到规定的直径，此过程称为放肩，放肩分为慢放肩和放平肩两种方法。
参见图1，慢放肩主要调整熔硅温度，缓慢降温，细颈逐渐长大，晶体将要长到规定直径时开始升温，缓慢提高拉速，使单晶平滑缓慢达到规定直径，进入等直径生长。
参见图2，平放肩拉速很慢，拉速可以是零，当单晶将要长大到规定直径时升温，一旦单晶长到规定直径，突然提高拉晶速度进行转肩，使肩近似直角，进入等直径生长。
然而，由于直径的增加，熔硅温度的起伏和单晶生长速率的起伏，可以引起结晶界面上原子振动的变化，使原子排列偏离点阵，产生晶格畸变，形成位错，直径的增加加剧了位错的产生几率，因此拉制大直径硅棒的难度也越来越高。单晶硅拉制过程中会呈现出棱线，如果产生错位棱线消失单晶硅会变成多晶硅，这一过程称为断线。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法及单晶硅棒，可以降低现有技术中放肩断线的几率。
第一方面，本发明提供的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法，包括以下步骤：
加热单晶硅原料的底部，待所述单晶硅原料的底部熔化时向上拉制熔化的所述单晶硅原料；
随着所述单晶硅原料被拉升，减小对熔化的所述单晶硅原料的拉升速度。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述拉升速度为0.3mm/min～0.6mm/min。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述向上拉制熔化的所述单晶硅原料的步骤包括：
分段拉制熔化的所述单晶硅原料，拉制过程分为：第一拉制段、第二拉制段、第三拉制段、第四拉制段、第五拉制段和第六拉制段；
所述第一拉制段、所述第二拉制段、所述第三拉制段、所述第四拉制段、所述第五拉制段和所述第六拉制段的拉升速度依次递减。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述第一拉制段的拉升速度为0.7mm/min～0.9mm/min；
所述第二拉制段的拉升速度为0.6mm/min；
所述第三拉制段的拉升速度为0.55mm/min；
所述第四拉制段的拉升速度为0.45mm/min～0.55mm/min；
所述第五拉制段的拉升速度为0.45mm/min；
所述第六拉制段的拉升速度为0.3mm/min。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，在拉制熔化的所述单晶硅原料的过程中施加磁场。
结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述磁场强度为2000高斯～4000G高斯。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，在拉制熔化的所述单晶硅原料的过程中通入氩气。
结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述氩气纯度大于99.999999％，且所述氩气的流量为150L/min～200L/min。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述加热单晶硅原料的底部包括：
使用石英坩埚加热单晶硅原料，并使所述石英坩埚和所述单晶硅原料绕同一竖向轴线旋转；
所述石英坩埚的转速小于等于1r/min，所述单晶硅原料的转速为4r/min。
第二方面，本发明提供的单晶硅棒采用超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法加工形成，且所述单晶硅的放肩部位形成弧形曲面。
本发明实施例带来了以下有益效果：采用加热单晶硅原料的底部，待单晶硅原料的底部熔化时向上拉制熔化的单晶硅原料，随着单晶硅原料被拉升，减小对熔化的单晶硅原料的拉升速度，从而可以在单晶硅的放肩部位形成弧形曲面，且可降低产生断线的几率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为慢放肩所形成的单晶硅示意图；
图2为平放肩所形成的单晶硅示意图；
图3为本发明实施例提供的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法所加工形成的单晶硅的示意图；
图4为本发明实施例提供的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法所加工形成的单晶硅的高度和直径尺寸关系示意图。
图标：100－放肩部位；110－弧形曲面。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。公式中的物理量，如无单独标注，应理解为国际单位制基本单位的基本量，或者，由基本量通过乘、除、微分或积分等数学运算导出的导出量。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1和图2，在慢放肩方式和平放肩方式拉晶过程中，直径的增加加剧了位错的产生几率，因此拉制大直径硅棒的难度越来越高，极易出现断线的技术问题。
实施例一
如图3和图4所示，本发明实施例提供的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法，包括以下步骤：
加热单晶硅原料的底部，待单晶硅原料的底部熔化时向上拉制熔化的单晶硅原料；
随着单晶硅原料被拉升，减小对熔化的单晶硅原料的拉升速度。
本实施例提供的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法尤为适用于拉制18寸半导体级大直径硅棒，可在缩颈以后顺利放肩。在拉晶过程中，减小对熔化的单晶硅原料的拉升速度，从而实现渐变式控制高度和直径的变化。
需要说明的是，由于在直径突变的时候，特别是在固体和液体界面交界处，直径突变的时候晶体的弹性应力较为集中，本实施例提供的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法可以减少直径突变带来的影响。
在本发明实施例中，拉升速度为0.3mm/min～0.6mm/min。
具体的，超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法采用慢速晶体生长速度，晶体提升速度设为0.3mm/min、0.4mm/min、0.5mm/min或0.6mm/min。
进一步的，向上拉制熔化的单晶硅原料的步骤包括：
分段拉制熔化的单晶硅原料，拉制过程分为：第一拉制段、第二拉制段、第三拉制段、第四拉制段、第五拉制段和第六拉制段；
第一拉制段、第二拉制段、第三拉制段、第四拉制段、第五拉制段和第六拉制段的拉升速度依次递减。
具体的，向上拉制熔化的单晶硅原料分为六段拉制，拉晶过程中提拉速度递减，从而可在放肩部位100的侧面形成弧形曲面110。
进一步的，第一拉制段的拉升速度为0.7mm/min～0.9mm/min；
第二拉制段的拉升速度为0.6mm/min；
第三拉制段的拉升速度为0.55mm/min；
第四拉制段的拉升速度为0.45mm/min～0.55mm/min；
第五拉制段的拉升速度为0.45mm/min；
第六拉制段的拉升速度为0.3mm/min。
如图3和图4所示，第一拉制段拉晶过程中侧边加热器功率为110kw～130kw，晶体直径从6mm生长到50mm，晶体目标高度生长为65mm～70mm；第二拉制段拉晶过程中侧边加热器功率为109kw～129.5kw，晶体直径从50mm生长到70mm，晶体目标高度生长至70～75mm；第三拉制段拉晶过程中侧边加热器功率为110kw～129.5kw，晶体直径从70mm生长到110mm，晶体目标高度生长至95mm～99mm；第四拉制段拉晶过程中侧边加热器功率为108kw～129kw，晶体直径从110mm生长到200mm，体目标高度生长至110mm～115mm；第五拉制段拉晶过程中侧边加热器功率为107kw～128kw，晶体直径从200mm生长到300mm，晶体目标高度生长至125～130mm；第六拉制段拉晶过程中侧边加热器功率为106kw～126kw，晶体直径从300mm生长到450mm，晶体目标高度生长至145mm～165mm。
进一步的，在拉制熔化的单晶硅原料的过程中施加磁场。
具体的，磁场可抑制热对流，在磁场条件下，熔融状态的硅流动性减弱，进而可保证放肩速度平稳。
进一步的，磁场强度为2000高斯～4000G高斯。
具体的，磁场强度可配置为2500高斯、3000高斯或者3500高斯，随着单晶棒直径的增加，需要硅熔体的重量也要相应的增加，熔体数量增多，坩埚的对流也会更加强烈，为了保证放肩速度的平稳，需要通过磁场抑制热对流。
进一步的，在拉制熔化的单晶硅原料的过程中通入氩气。
其中，氩气纯度大于99.999999％，且氩气的流量为150L/min～200L/min。
通过对氩气进行加热到250－300度，对氩气进行脱水处理，然后经过吸附剂将氩气中的氧气、氮气、氢气等气体杂质进行吸附，达到净化的目的。采用超纯净的氩气，避免杂质气体对放肩生长产生影响，通过氩气不仅可以及时携带熔体中的挥发物经真空泵排出，而且可以及时带走晶体表面的热量，进而增大纵向温度梯度。在拉制熔化的单晶硅原料的过程中，中空度保持在10Torr～15Torr，流量在150L/min到200L/min之间。
进一步的，加热单晶硅原料的底部包括：
使用石英坩埚加热单晶硅原料，并使石英坩埚和单晶硅原料绕同一竖向轴线旋转；
进一步的，石英坩埚的转速小于等于1r/min，单晶硅原料的转速为4r/min。拉晶过程中，在直径目标在限制范围内，降低晶体的坩埚的自转速度，保证晶转的自转速度，同时降低晶体的提升速度，使得晶体能够充分的进行形核生产。
具体的，在缩颈长度达到300mm～350mm，直径4mm～6mm时，采用渐变式的方式来进行放肩。
实施例二
如图3和图4所示，本发明实施例提供的单晶硅棒采用超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法加工形成，且单晶硅的放肩部位100形成弧形曲面110。
具体地，单晶硅棒采用实施例一提供的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法加工形成，放肩部位100具有弧形曲面110，因此，本实施例提供的单晶硅棒具备上述超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法的技术效果，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
加热单晶硅原料的底部，待所述单晶硅原料的底部熔化时向上拉制熔化的所述单晶硅原料；
随着所述单晶硅原料被拉升，减小对熔化的所述单晶硅原料的拉升速度。
2.根据权利要求1所述的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法，其特征在于，所述拉升速度为0.3mm/min～0.6mm/min。
3.根据权利要求1所述的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法，其特征在于，所述向上拉制熔化的所述单晶硅原料的步骤包括：
分段拉制熔化的所述单晶硅原料，拉制过程分为：第一拉制段、第二拉制段、第三拉制段、第四拉制段、第五拉制段和第六拉制段；
所述第一拉制段、所述第二拉制段、所述第三拉制段、所述第四拉制段、所述第五拉制段和所述第六拉制段的拉升速度依次递减。
4.根据权利要求3所述的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法，其特征在于，所述第一拉制段的拉升速度为0.7mm/min～0.9mm/min；
所述第二拉制段的拉升速度为0.6mm/min；
所述第三拉制段的拉升速度为0.55mm/min；
所述第四拉制段的拉升速度为0.45mm/min～0.55mm/min；
所述第五拉制段的拉升速度为0.45mm/min；
所述第六拉制段的拉升速度为0.3mm/min。
5.根据权利要求1所述的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法，其特征在于，在拉制熔化的所述单晶硅原料的过程中施加磁场。
6.根据权利要求5所述的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法，其特征在于，所述磁场的强度为2000高斯～4000G高斯。
7.根据权利要求1所述的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法，其特征在于，在拉制熔化的所述单晶硅原料的过程中通入氩气。
8.根据权利要求7所述的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法，其特征在于，所述氩气纯度大于99.999999％，且所述氩气的流量为150L/min～200L/min。
9.根据权利要求1所述的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法，其特征在于，所述加热单晶硅原料的底部包括：
使用石英坩埚加热单晶硅原料，并使所述石英坩埚和所述单晶硅原料绕同一竖向轴线旋转；
所述石英坩埚的转速小于等于1r/min，所述单晶硅原料的转速为4r/min。
10.一种单晶硅棒，其特征在于，所述单晶硅采用权利要求1－9任一项所述的超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法加工形成，且所述单晶硅的放肩部位(100)形成弧形曲面(110)。
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