CN113862783B - 一种单晶硅制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及单晶硅技术领域，具体公开了一种单晶硅制备方法，包括以下步骤：对拆炉后的热场进行清扫和首次除杂；安装首次除杂后的热场；对安装后的热场进行二次除杂；将硅料装填到单晶炉内，然后加热融化形成硅熔体；将籽晶预热，待硅熔体达到引颈温度后将籽晶浸入硅熔体中并提拉籽晶进行引颈生长；待引颈生长结束后进行放肩和转肩，然后进入等径生长；待等径生长结束后进行收尾；待收尾结束后提断，冷却后取出单晶硅棒。通过对热场进行二次除杂，避免了热场安装后的二次污染，提升了拉制首棒(第一棒)一次成晶率。

Description

一种单晶硅制备方法

技术领域

本申请涉及单晶硅技术领域，更具体地说，它涉及一种单晶硅制备方法。

背景技术

近年来，随着国内半导体行业的快速发展，单晶硅作为应用最广的半导体材料，因其良好的性能而备受关注。随着众多行业对单晶硅半导体材料需求量的增大，生产企业也开始将研究重点集中在提升产能方面。

常见的相关技术为采用一埚多棒技术，即一埚硅料熔化后，多次拉晶提升单晶的生产效率以满足市场需求。在一埚硅料拉晶结束后对单晶炉进行热场维护，以便进行下一次熔料拉晶。采用一埚多棒技术降低了拉晶功率，提高了单晶产量，推动了单晶制备产业的技术发展。

上述相关技术存在以下缺陷：由于拉制多棒运行时间在300小时以上，一炉拉制完毕后，需要清扫热场挥发物，比如一氧化硅、碳化硅等，进行热场维护，热场维护后，仍然存在热场氧化、二次污染的情况，导致再次熔料拉制时首棒(第一棒)一次成晶较差，明显低于后几棒的成晶情况。

发明内容

为了提升单晶硅拉制首棒(第一棒)一次成晶率，本申请提供一种单晶硅制备方法以解决上述技术问题。

本申请提供的一种单晶硅制备方法采用如下的技术方案：

一种单晶硅制备方法，包括以下步骤：

对拆炉后的热场进行首次除杂；

安装首次除杂后的热场；

对安装后的热场进行二次除杂；

将硅料装填到单晶炉内，然后加热融化形成硅熔体；

将籽晶预热，待硅熔体达到引颈温度后将籽晶浸入硅熔体中并提拉籽晶进行引颈生长；

待引颈生长结束后进行放肩和转肩，然后进行等径生长；

待等径生长结束后进行收尾；

待收尾结束后提断，冷却后取出单晶硅棒。

优选的，对安装后的热场进行二次除杂包括：对安装后的热场抽真空和煅烧。

优选的，对安装后的热场先抽真空后煅烧、对安装后的热场同时抽真空和煅烧或者对安装后的热场先煅烧后抽真空。

优选的，对安装后的热场抽真空至炉内压强小于或等于10Pa。

优选的，对安装后的热场进行煅烧的温度为大于或等于400℃，煅烧时间为大于或等于10分钟。

优选的，将硅料装填到单晶炉内包括：将碳酸钡悬浮液喷洒到硅料上形成混合硅料，再将混合硅料装填至单晶炉内，其中所述碳酸钡悬浮液由碳酸钡粉末与挥发性化学试剂均匀混合而形成。

优选的，所述挥发性化学试剂为乙醇、乙腈、乙醚、二甲醚中的一种或多种混合。

优选的，所述单晶硅制备方法还包括：在取出所述单晶硅棒之后，等待至少1小时再对热场中的软毡进行拆炉操作。

优选的，热场中的软毡根据不同的受热部位具有不同的更换周期。

优选的，所述软毡对应导流筒部位的更换周期为至少3个月，所述软毡对应组合炉底部位的更换周期为至少4个月，所述软毡对应保温筒部位的更换周期为至少6个月。

本申请具有以下有益效果：

本申请提供的单晶硅制备方法，在上一炉单晶硅制备完成后，对拆炉后的热场进行常规维护并安装后，对安装后的热场进行二次除杂，避免安装后的热场二次氧化和二次污染，从而提高单晶硅拉制过程中，首棒(第一棒)的成晶率，提高单晶硅的整体质量，降低成本消耗。

具体实施方式

实施例1

本发明提供一种单晶硅制备方法，包括以下步骤：

S101，对拆炉后的热场进行清扫和首次除杂；

S102，安装首次除杂后的热场；

S103，对安装后的热场进行二次除杂；

S104，将硅料装填到单晶炉内，然后加热融化形成硅熔体；

S105，将籽晶预热，待硅熔体达到引颈温度后将籽晶浸入硅熔体中并提拉籽晶进行引颈生长；

S106，待引颈生长结束后进行放肩和转肩，然后进入等径生长；

S107，待等径生长结束后进行收尾；

S108，待收尾结束后提断，冷却后取出单晶硅棒。

在步骤S101中，对于上一炉拉制完成的单晶炉进行拆炉，对拆炉后的热场进行清扫和首次除杂，以去除上一炉单晶硅拉制过程中产生的挥发物和粉尘。具体地，可以采用打磨、擦拭或吸除的方法进行清扫。

在步骤S102中，将拆炉后的热场进行清扫和首次除杂后进行安装，以进行下一炉单晶硅拉制生产。

在步骤S103中,对安装后的热场进行二次除杂步骤，这是因为安装后的热场可能会被二次氧化和二次污染，从而对首棒的质量产生影响。因此，在热场安装后对热场进行二次除杂步骤，以提高热场的清洁，提高首棒的拉制质量。

具体地，对安装后的热场进行二次除杂包括对安装后的热场抽真空和煅烧。例如，可以对安装后的热场先进行抽真空，然后再进行煅烧；或者也可以对安装后的热场同时进行抽真空和煅烧；或者也可以对安装后的热场先煅烧处理，再进行抽真空处理。

其中，对安装后的热场抽真空至单晶炉内压强达到10Pa以下。对安装后的热场进行煅烧的温度为大于或等于400℃，煅烧时间为大于或等于10分钟。例如，对安装后的热场进行煅烧的温度为500-600℃。

本申请中的热场指单晶炉内的坩埚及坩埚四周的加热器。

采用抽真空和高温煅烧的方式进行热场二次除杂，高温能够使炉内不稳定性杂质发生热分解挥发到气相中，再通过抽真空将气相中的挥发性杂质去除，提高炉内洁净度，减少了安装热场后被二次污染和二次氧化产生的挥发性杂质，从而提高首棒成晶率。

在步骤S104中,将碳酸钡与硅料按0.002g/kg的质量配比进行混合,再将混合后的硅料装填到单晶炉的坩埚内，加热融化，形成硅熔体。在步骤S105中,将欧陆表切入自动模式，保持30分钟，之后将籽晶降至水冷导流筒中部保持10分钟，再降至水冷导流筒下沿保持10分钟，再进一步将籽晶降至液面上部保持10分钟并进行充分预热；待硅熔体达到引颈温度后将籽晶浸入硅熔体中，确定硅熔体是否达到引颈温度可以通过控制籽晶与硅熔体接触进行试温，引颈温度的特征为：籽晶和硅熔体接触后，籽晶周围逐渐出现光圈，最后光圈变圆。在试温过程中，根据不同的单晶硅型号进行温度的调整。

将籽晶以一定的拉速提拉以进行引颈生长。具体地，待籽晶四个棱线开始生长后，控制引颈拉速，以一定的拉速开始提拉籽晶进行引颈生长，最终得到细径单晶。具体可选择手动引颈或自动引颈。若选择手动引颈：视生长情况，缓慢提高拉速，保持拉速波动平缓，在引颈过程中将细晶直径控制在5mm左右，引颈长度100-120mm；若选择自动引颈：将欧陆表切入至自动引颈状态，引颈期间可基于拉速情况适当调整直径参数，引颈长度为150mm左右。

在步骤S106中，引颈生长结束后，降低拉速，使细径单晶生长成为预定直径的单晶硅棒，即进行放肩和转肩，然后进入等径生长。

在放肩步骤中，引颈生长步骤结束后将拉速逐步降至0.9±0.1mm/min；放肩高度控制在130-160mm；以一定的埚升速度升高坩埚，保持硅熔体内的单晶硅棒端部与硅熔体表面距离为20-30mm，其中埚升速度指坩埚升高的速度，以使单晶硅棒的直径逐渐变大。如果放肩失败，则打开欧陆表进行升温回熔操作，待温度上升后调节欧陆表重新进行引颈生长。

在转肩步骤中，待单晶硅棒直径达到目标直径后，提高拉速并降低温度，以控制单晶硅锭直径。

具体为，在单晶硅棒的直径距目标直径还差10mm左右时，将拉速控制在1.8-2.2mm/min进行转肩操作；转肩结束后进入等径生长阶段。

在步骤S107中，待单晶硅棒直径和长度达到预定值时，退出自动生长控制程序、停止埚升，适当升高温校或功率进行收尾；收尾长度＞130mm，收尾断面直径≤80mm。

在步骤S108中，收尾完成后，使坩埚下降10mm进而使单晶硅棒与液面分离，进行单晶硅棒提断操作。然后冷却后取出单晶硅棒。

取出单晶硅棒步骤包括三步，第一步：将拉速设定为4mm/min,时间设定为30min；第二步：将拉速设定为6mm/min，时间为60min；第三步：将单晶硅棒升至副室炉筒内，打开氩气通道，缓慢盖住翻板，使氩气充至副室中至副室内相对压强达到-0.5Mpa时关闭氩气，负压状态下保持30min后充氩气至常压取出单晶硅棒。

本发明提供的单晶硅棒的制备方法还包括，在取出单晶硅棒后，等待1小时以上再进行对热场中的软毡进行拆炉操作。软毡为黏胶基碳纤维软毡。

在单晶拉制完成后，延长软毡的拆炉时间，待炉内环境趋于稳定再进行拆炉，能够将软毡挥发物清扫得更加干净，减少了软毡挥发物影响下一炉首棒成晶率的可能。

进一步地，软毡根据不同的受热部位具有不同的更换周期。具体为，软毡对应导流筒部位至少3个月更换一次，软毡对应组合炉底部位至少4个月更换一次，软毡对应保温筒部位至少6个月更换一次。软毡的受热部位长期在高温环境中容易受热分解出挥发物，定期更换软毡能够减少挥发物的生成，从而降低挥发物对首棒成晶的影响，进一步提高首棒成晶率。

实施例2

在本发明的另一个方面，提供一种单晶硅制备方法，本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤二填料步骤中，将碳酸钡悬浮液喷洒到硅料上形成混合硅料，再将混合硅料装填至单晶炉内，其中碳酸钡悬浮液为将碳酸钡粉末与挥发性化学试剂混合均匀形成的悬浮液。

具体为，将25g碳酸钡粉末与500ml浓度为99.9％的乙醇混合均匀形成悬浮液，再将悬浮液与硅料按体积：质量为4％ml/kg的配比喷到硅料与硅料混合。

在本申请其他实施方式中乙醇可等效替换为乙腈、乙醚、二甲醚中的一种或是乙醇、乙腈、乙醚、二甲醚中的几种混合，只要在单晶炉中完全挥发且不留杂质即可。此处选择乙醇因乙醇容易保存。

本申请中提供的碳酸钡粉末的悬浮液能够更加有利于将碳酸钡加入到硅料中，同时也能够使碳酸钡在硅料中分布得更加均匀，更加有利于形成保护膜，提升首棒成晶率，高温环境中挥发性化学试剂也能够被完全蒸发并被抽走，不会变为杂质影响成晶率。

对比例

对比例的单晶硅制备方法，与实施例1的不同之处在于，对比例1的单晶硅制备方法不包括实施例1中的步骤一热场除杂步骤、步骤八延长拆炉时间步骤和软毡热场受热部位定期更换步骤。

试验方法

统计一年按照实施例1-2和对比例的制备方法拉制单晶的首棒成晶率，以对比例作为基准，实施例1和2在对比例基础上首棒成晶率的提升值数据结果如表1所示。

表1

	首棒成晶率提升值
		实施例1	17％
实施例2	25％

结合实施例1-2和对比例并结合表1可以看出，实施例1的首棒成晶率相较于对比例提升17％，提升效果明显。这是由于在单晶拉制结束热场维护后，采用抽真空和高温煅烧的方式进行热场二次除杂，高温能够使炉内不稳定性杂质发生热分解挥发到气相中，再通过抽真空将气相中的挥发性杂质去除，提高炉内洁净度，减少了挥发性杂质对首棒成晶的影响；同时，在单晶拉制完成后，延长软毡的拆炉时间，待炉内环境趋于稳定再进行拆炉，能够将软毡挥发物清扫得更加干净，减少了热场挥发物对下一炉首棒成晶率的影响，提升了首棒成晶率；软毡的受热部位长期在高温环境中容易受热分解出挥发物，定期更换软毡能够减少挥发物的生成，从而降低挥发物对首棒成晶的影响，进一步提高首棒成晶率。

由于硅料中加入的碳酸钡分量极少(0.002g/kg)，将极少量的碳酸钡粉末加入硅料后，填料时碳酸钡粉末可能会逸散到环境中造成质量损失，同时碳酸钡粉末也很难在硅料中分布均匀，不利于碳酸钡粉末成膜。实施例2在实施例1的基础上进一步优化碳酸钡的加入方式，使其首棒成晶率相较于对比例提升了25％，首棒成晶率高于实施例1。这是由于碳酸钡粉末的悬浮液能够使碳酸钡粉末在乙醇试剂内分散，当悬浮液喷出时，碳酸钡粉末也随之喷出，通过扩大乙醇试剂与碳酸钡粉末的配比，大体积配小质量，更容易控制碳酸钡的添加量；同时也能够使碳酸钡在硅料中分布得更加均匀，更加有利于形成保护膜，提升首棒成晶率，高温环境中挥发性化学试剂也能够被完全蒸发并被抽走，不会变为杂质影响成晶率。

综上所述，本申请提供的单晶硅制备方法至少可以实现以下技术效果：

1、采用抽真空和高温煅烧的方式进行热场二次除杂，高温能够使炉内不稳定性杂质发生热分解挥发到气相中，再通过抽真空将气相中的挥发性杂质去除，提高炉内洁净度，减少了挥发性杂质对首棒成晶的影响；同时，在单晶拉制完成后，延长软毡的拆炉时间，待炉内环境趋于稳定再进行拆炉，能够将软毡挥发物清扫得更加干净，减少了软毡挥发物影响下一炉首棒成晶率的可能，提高首棒成晶率；软毡的受热部位长期在高温环境中容易受热分解出挥发物，定期更换软毡能够减少挥发物的生成，从而降低挥发物对首棒成晶的影响，进一步提高首棒成晶率。

2、由于现有手段是将含钡离子的溶液涂布在单晶炉的坩埚内壁上，然后再将硅料放入坩埚中，然而钡离子处于硅料底层，在加热化料过程中不容易扩散至硅料中，导致其不容易形成保护膜；同时钡离子溶液中含有其他离子，会引入杂质，进而影响首棒成晶率。

直接将碳酸钡加入硅料时，由于硅料中加入的碳酸钡分量极少，将极少量的碳酸钡粉末加入硅料后，填料时碳酸钡粉末可能会逸散到环境中造成质量损失；同时粉末状的碳酸钡也很难在硅料中分布均匀。本申请中提供的碳酸钡粉末的悬浮液能够更加有利于将碳酸钡加入到硅料中，同时也能够使碳酸钡在硅料中分布得更加均匀，更加有利于形成保护膜，提升首棒成晶率，高温环境中挥发性化学试剂也能够被完全蒸发并被抽走，不会变为杂质影响成晶率。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种单晶硅制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

对拆炉后的热场进行首次除杂；

安装首次除杂后的热场；

对安装后的热场抽真空和煅烧，以除去安装所述热场后被污染和氧化所产生的挥发性杂质；所述煅烧的温度为大于或等于400℃，所述煅烧的时间为大于或等于10分钟；对安装后的热场抽真空至炉内压强小于或等于10Pa；

将硅料装填到单晶炉内，然后加热融化形成硅熔体；

将籽晶预热，待硅熔体达到引颈温度后将籽晶浸入硅熔体中并提拉籽晶进行引颈生长；

待引颈生长结束后进行放肩和转肩，然后进行等径生长；

待等径生长结束后进行收尾；

待收尾结束后提断，冷却后取出单晶硅棒。

2.根据权利要求1所述的单晶硅制备方法，其特征在于，对安装后的热场抽真空和煅烧包括：对安装后的热场先抽真空后煅烧、对安装后的热场同时抽真空和煅烧或者对安装后的热场先煅烧后抽真空。

3.根据权利要求1所述的单晶硅制备方法，其特征在于，将硅料装填到单晶炉内包括：将碳酸钡悬浮液喷洒到硅料上形成混合硅料，再将混合硅料装填至单晶炉内，其中所述碳酸钡悬浮液由碳酸钡粉末与挥发性化学试剂均匀混合而形成。

4.根据权利要求3所述的单晶硅制备方法，其特征在于，所述挥发性化学试剂为乙醇、乙腈、乙醚、二甲醚中的一种或多种混合。

5.根据权利要求1所述的单晶硅制备方法，其特征在于，还包括：在取出所述单晶硅棒之后，等待至少1小时再对热场中的软毡进行拆炉操作。

6.根据权利要求1所述的单晶硅制备方法，其特征在于，软毡不同的受热部位具有不同的更换周期。

7.根据权利要求6所述的单晶硅制备方法，其特征在于，所述软毡对应导流筒部位的更换周期为至少3个月，所述软毡对应组合炉底部位的更换周期为至少4个月，所述软毡对应保温筒部位的更换周期为至少6个月。