CN112853477B - 降低单晶晶棒气孔率的直拉拉晶方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种降低单晶晶棒气孔率的直拉拉晶方法，属于单晶硅生产技术领域。在熔料工序结束后，增加消泡工序，通过将坩埚锅位提高至80mm～150mm，控制硅熔液液面温度为1480℃～1550℃，控制硅熔液液面上方气氛压力为0～1000pa的手段，提高硅熔液轴向温度梯度，加强硅熔液自然对流，并在此状态下，保持0.5h～2h后，进入稳定化工序。通过增加消泡工序，所拉制的单晶晶棒切片的次品率降低，尤其地，当采用热涂层的坩埚时，所拉制的单晶晶棒切片的次品率由0.5%降低至0.2%，效果显著。

Description

降低单晶晶棒气孔率的直拉拉晶方法
技术领域
本发明属于单晶硅生产技术领域，具体涉及一种降低单晶晶棒气孔率的直 拉拉晶方法。
背景技术
目前，采用直拉拉晶工艺拉制单晶硅晶棒的主要过程包括装料、抽空、熔 料(化料)、稳定化、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等环节。在熔料过程中， 硅料溶化后，熔硅中会夹杂大量的气泡，受熔硅粘度及硅熔液内部压力影响， 气泡不易排除。而在拉晶过程中，这些气泡可能会进入晶棒中，在晶棒内部形 成气孔，导致单晶硅切片次品率较高。
现有技术中，降低直拉单晶晶棒气孔率(或切片次品率)的主要方法之一 是在低压力(200～500pa)、低氩气流量(10～15L/min)下进行熔料，但是这 种方法导致SiO气体无法被及时排除，单晶硅硅棒氧含量较高，难以满足现阶 段单晶硅晶棒的品质要求。
降低单晶晶棒的又一常用方法为通过在熔料过程中旋转坩埚，例如，专利 号为202010752964.7的中国发明专利公开了一种减少直拉单晶硅内部气孔的方 法，方法主要包括在坩埚的内壁涂覆氢氧化钡涂料；装料；在压力为5～15torr (约665pa～2000pa)、氩气流量为50～60L/min及第一预设转速的条件下进行 熔料；在第二预设转速、压力为15～20torr(约2000pa～2670pa)及氩气流量 为30～40L/min稳定化1～1.2h后，进入引晶。然而，实践证明，该方法能够 一定程度降低使用氢氧化钡冷涂坩埚生产的单晶硅硅棒的气孔率，但当采用热 涂层石英坩埚时，单晶硅硅棒的气孔率不降反升。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种降低单晶晶棒气孔率的直拉拉晶方法，以解决 现有技术中存在的单晶晶棒气孔率较高的技术问题，尤其是采用热涂层石英坩 埚生产的单晶晶棒气孔率较高的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种降低单晶晶棒气孔率的直拉拉晶方法，包括装料工序、熔料工序、消 泡工序、稳定化工序、引晶工序、放肩工序、转肩工序、等径工序及收尾工序； 所述消泡工序包括以下步骤：
将坩埚锅位提高至80mm～150mm；
控制硅熔液液面温度为1480℃～1550℃；
控制硅熔液液面上方气氛压力为0～1000pa；
在上述条件下，保持0.5h～2h后，调整参数为引晶工序参数，进行稳定化 工序。
优选地，所述消泡工序还包括以下步骤：控制氩气流量为40L/min～60 L/min。
优选地，所述引晶工序参数为：坩埚埚位0～30mm，硅熔液液面温度1400 ℃～1450℃，硅熔液液面上方气氛压力1000pa～3000pa。
优选地，所述坩埚为热涂坩埚或冷涂坩埚。
优选地，所述坩埚的涂层为氢氧化钡涂层。
优选地，所述氢氧化钡涂层的浓度为25ug/cm2～50ug/cm2。
优选地，所述坩埚的内径为20英寸。
优选地，所述等径工序中，等径直径为155mm～173mm。
由上述技术方案可知，本发明提供了一种降低单晶晶棒气孔率的直拉拉晶 方法，其有益效果是：在熔料工序结束后，增加消泡工序，通过将坩埚锅位提 高至80mm～150mm，控制硅熔液液面温度为1480℃～1550℃，控制硅熔液液面 上方气氛压力为0～1000pa的手段，提高硅熔液轴向温度梯度，加强硅熔液自 然对流，并在此状态下，保持0.5h～2h后，进入稳定化工序。通过增加消泡工 序，所拉制的单晶晶棒切片的次品率降低，尤其地，当采用热涂层的坩埚时， 所拉制的单晶晶棒切片的次品率由0.5％降低至0.2％，效果显著。
具体实施方式
以下对本发明的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。
一具体实施方式中，一种降低单晶晶棒气孔率的直拉拉晶方法，包括装料 工序、熔料工序、消泡工序、稳定化工序、引晶工序、放肩工序、转肩工序、 等径工序及收尾工序；所述消泡工序包括以下步骤：
将坩埚锅位提高至80mm～150mm；
控制硅熔液液面温度为1480℃～1550℃；
控制硅熔液液面上方气氛压力为0～1000pa；
在上述条件下，保持0.5h～2h后，调整参数为引晶工序参数，进行稳定化 工序。
作为优选，所述消泡工序中，将坩埚锅位提高至100mm，控制硅熔液液面温 度为1500℃，控制硅熔液液面上方气氛压力为500pa，并在此状态下，保持1h 后，调整参数为引晶工序参数，进行稳定化操作。
值得说明的是，上述装料工序、熔料工序、稳定化工序、引晶工序、放肩 工序、转肩工序、等径工序及收尾工序均采用直拉法生产单晶硅工艺的传统工 艺。例如，熔料工序中，单晶炉内压力为665pa～2000pa，氩气流量为40L/min～60L/min，坩埚转速为0.5rpm/min～1.2rpm/min。引晶工序开始前(即稳定 化工序)的各指标为：坩埚埚位0～30mm，硅熔液液面温度1400℃～1450℃， 硅熔液液面上方气氛压力1000pa～3000pa，坩埚转速为6rpm/min～8rpm/min。 引晶工序后续工序原则上不对单晶晶棒的气孔率产生实质性影响。
作为优选，所述消泡工序还包括以下步骤：控制氩气流量为40L/min～60 L/min，以进一步加强硅熔液自然对流，降低单晶晶棒气孔率。
值得说明的是，本发明提供的降低单晶晶棒气孔率的直拉拉晶方法不仅适 用于冷涂坩埚(即在装料前在坩埚内壁刷涂涂层的坩埚)，更为重要的是，其 能够适用于热涂坩埚(即在坩埚成型前，将涂层材料添加进入石英熔液中，所 形成的坩埚)。上述涂层可以是氮化硅涂层、氯化钡涂层、氢氧化钡涂层或复 合涂层中的一种。作为优选，所述涂层为氢氧化钡涂层。
当涂层为氢氧化钡涂层时，所述氢氧化钡涂层的浓度为25ug/cm2～50 ug/cm2。
再者，本发明提供的方法更适合在紧凑型热场中使用，坩埚内径不易超过 20英寸，单晶晶棒直径即所述等径工序中的等径直径为155mm～173mm。
以下通过具体实施例，进一步说明本发明的技术方案及技术效果。值得说 明的是，下述各实施例均采用紧凑型单晶炉，坩埚底部未设置或受条件影响， 不能设置底部加热器。
对比例一
采用冷涂坩埚，坩埚内径为20英寸，装料前，向坩埚内壁刷涂质量浓度为 1.5％的氢氧化钡(Ba(OH)2)溶液。
依次进行装料工序、装料工序、熔料工序、稳定化工序、引晶工序、放肩 工序、等径工序及收尾工序。
其中，熔料工序中，控制单晶炉内压力为2000pa，氩气流量为50L/min， 石英坩埚转速为0.7rpm/min，热场功率为80kW。
稳定化工序或引晶工序开始前，采用如表1所示的参数稳定化后，进入引 晶工序、放肩工序、等径工序及收尾工序，得到3组单晶晶棒，对单晶晶棒进 行切片，统计气孔片的比率，即次品率。
表1对比例一稳定化工序参数及结果
Figure BDA0002879580750000051
实验例一
在保持对比例一的实验过程不变的情况下，熔料工序后，增加消泡工序， 消泡工序的具体控制参数如表2所示。采用上述工艺共得到组单晶晶棒，对单 晶晶棒进行切片，统计气孔片的比率，即次品率。
表2对实验一消泡工序参数及结果
Figure BDA0002879580750000052
Figure BDA0002879580750000061
由上述实验例一及表2可以看出，当坩埚为冷涂坩埚时，采用本发明所提 供的方法，在熔料工序后增加消泡工序，有利于降低单晶晶棒的气孔率。进一 步分析上表，在保持其他条件不变的情况下，参看表2序号1-4，在消泡工序， 通过提高坩埚的锅位，有利于降低单晶晶棒的气孔率，降幅约为25％，其可能原 因是坩埚位置上升，导致硅液中部及下部受热，提高了坩埚中的硅液的温度梯 度，从而有利于气泡的排出。而在消泡时，参看表2序号5-7，提高硅液表面温 度，有利于降低单晶晶棒的气孔率，降幅约为12％，其可能原因是由于高温降低 了硅液的粘滞系数，从而使气泡更容易排出。参看表2序号8-9，降低单晶炉内压力有利于降低单晶晶棒的气孔率，降幅约为28％，其可能原因是低压促进了硅 液中气泡的挥发。参看表2序号10-13，提高氩气流量及延长停留时间均有利于 降低单晶晶棒的气孔率。
对比例二
保持对比例一中的各工序条件不变，将冷涂坩埚换成热涂坩埚。得到3组 单晶晶棒，对单晶晶棒进行切片，统计气孔片的比率，即次品率，如表3。
表3对比例一稳定化工序参数及结果
Figure BDA0002879580750000062
实验例二
保持实验例一中的各工序条件不变，将冷涂坩埚换成热涂坩埚，涂层为氢 氧化钡。所述消泡工序中，将坩埚锅位提高至100mm，控制硅熔液液面温度为 1500℃，控制硅熔液液面上方气氛压力为500pa，并在此状态下，保持1h后， 调整参数为引晶工序参数，进行稳定化操作。在相同条件下，重复10组，对单 晶晶棒进行切片，统计气孔片的比率，即次品率，次品率为0.17％～0.25％，中 值为0.2％。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之 权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程， 并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种降低单晶晶棒气孔率的直拉拉晶方法，其特征在于，包括装料工序、熔料工序、消泡工序、稳定化工序、引晶工序、放肩工序、转肩工序、等径工序及收尾工序；所述消泡工序包括以下步骤：
将坩埚锅位提高至80mm～150mm；
控制硅熔液液面温度为1480℃～1550℃；
控制硅熔液液面上方气氛压力为0～1000pa；
提高硅熔液轴向温度梯度，加强硅熔液自然对流，所述坩埚的涂层为氢氧化钡涂层；
在上述条件下，保持0.5h～2h后，调整参数为引晶工序参数，进行稳定化工序。
2.如权利要求1所述的降低单晶晶棒气孔率的直拉拉晶方法，其特征在于，所述消泡工序还包括以下步骤：
控制氩气流量为40L/min～60L/min。
3.如权利要求1所述的降低单晶晶棒气孔率的直拉拉晶方法，其特征在于，所述引晶工序参数为：坩埚埚位0～30mm，硅熔液液面温度1400℃～1450℃，硅熔液液面上方气氛压力1000pa～3000pa。
4.如权利要求1所述的降低单晶晶棒气孔率的直拉拉晶方法，其特征在于，所述氢氧化钡涂层的浓度为25ug/cm2～50ug/cm2。
5.如权利要求1所述的降低单晶晶棒气孔率的直拉拉晶方法，其特征在于，所述坩埚的内径为20英寸。
6.如权利要求1所述的降低单晶晶棒气孔率的直拉拉晶方法，其特征在于，所述等径工序中，等径直径为155mm～173mm。
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