CN115652412A

CN115652412A - 拉制单晶硅棒前的除杂工艺

Info

Publication number: CN115652412A
Application number: CN202211661032.7A
Authority: CN
Inventors: 请求不公布姓名
Original assignee: New Meguiar Suzhou Semiconductor Technology Co ltd
Current assignee: New Meguiar Suzhou Semiconductor Technology Co ltd
Priority date: 2022-12-23
Filing date: 2022-12-23
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2042-12-23
Also published as: CN115652412B

Abstract

本发明涉及一种拉制单晶硅棒前的除杂工艺。拉制单晶硅棒前的除杂工艺包括如下步骤：步骤一、将硅料放入坩埚内，加热使硅料熔融，得到硅熔体；步骤二、调整坩埚内的热场温度至引颈温度，待硅熔体的液面稳定之后依次进行引晶步骤和放肩步骤，之后将肩部与硅熔体的液面分离；步骤三、调整坩埚内的热场和/或调整坩埚的转速，使硅熔体内部的杂质富集于液面位置；步骤四、将肩部放入硅熔体中，使肩部的部分位于液面以下，静置使杂质富集于肩部上，之后将富集杂质的肩部与液面分离；以及步骤五、提出富集杂质的肩部。上述拉制单晶硅棒前的除杂工艺的工艺简单，通过调整坩埚内的热场和/或调整坩埚的转速，能够让杂质向硅熔体表面富集，易于除去杂质。

Description

拉制单晶硅棒前的除杂工艺

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，特别是涉及一种拉制单晶硅棒前的除杂工艺。

背景技术

单晶硅棒直拉法是当今生长单晶硅的主流技术，主要流程是在石英坩埚中放入多晶硅，加热使之熔融，然后夹住一块单晶硅的籽晶，将它悬浮在坩埚之上，直拉时，一端插入熔体直到融化，然后再缓慢旋转并向上提拉。这样在液体与固体的界面就会经过逐渐冷凝形成单晶。由于整个过程可以看作是复制籽晶的过程，所以生成的硅晶体是单晶硅。

减压拉晶工艺是直拉法生产硅单晶常采用的工艺。减压工艺是在整个拉晶过程中，连续地向单晶炉炉膛内通入惰性气体，同时真空泵不断地从炉膛向外抽气，保持炉膛内真空度稳定，炉膛内保持负压。在硅单晶生长过程中，采用这种工艺保持惰性气体从炉体自顶向底地贯穿整个硅单晶生长的设备内，不仅有利于氧的蒸发，还能及时地带走由于高温而产生出来的部分硅氧化物、杂质挥发物、蒸发的氧等杂质，保持单晶炉膛内真空度稳定，减少外界因素对单晶炉膛内真空度的影响，确保硅单晶的品质。

直拉硅单晶中的氧主要来自晶体生长时石英坩埚的污染，当多晶硅熔化成液体时，液体硅在高温下会严重侵蚀石英坩埚，其反应方程式为：

Si+SiO₂=2SiO；

上述反应得到的部分SiO杂质从熔体表面挥发，其中一部分会在硅熔体中分解，反应方程式为：

2SiO=2Si+O₂；

上述反应分解的氧成为硅中氧杂质的主要来源，进入硅晶体，含量过高则会影响单晶硅棒的品质。

上述反应中产生的部分SiO、SiO₂会分散到硅熔体中，成为有害杂质存在。

另外由于惰性气体的吹拂，也会把热屏（导流筒）表面的杂质带入到硅熔体的表面。导流筒（热屏）在高温下长时间工作，自身会老化，表层也会有老化的碳基材料脱落，随着惰性气体的流动而掉落到硅熔体中，成为有害杂质。

上述有害杂质构成异向晶核，在拉制半导体单晶硅棒的过程中，就会有一定的概率可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，直观显示为单晶硅棒的棱线消失，也就是断棱，直拉单晶硅棒就会失败。单晶硅棒在某一位置断棱，就需要反切一个直径长度，造成损失，尤其对于半导体大直径技术领域，比如拉制18英寸（直径455mm）的单晶硅棒损失巨大，这是由于石英坩埚装载硅料的容量固定，一般这种直径总的身体长度也就1米左右，如果在中部断棱，损失可想而知。

发明内容

基于此，有必要针对如何减少单晶硅棒中杂质的问题，提供一种拉制单晶硅棒前的除杂工艺。

一种拉制单晶硅棒前的除杂工艺，包括如下步骤：

步骤一、将硅料放入坩埚内，加热使所述硅料熔融，得到硅熔体；

步骤二、调整所述坩埚内的热场温度至引颈温度，待所述硅熔体的液面稳定之后依次进行引晶步骤和放肩步骤，之后将肩部与所述硅熔体的液面分离；

步骤三、调整所述坩埚内的热场和/或调整所述坩埚的转速，使所述硅熔体内部的杂质富集于液面位置；

步骤四、将所述肩部放入所述硅熔体中，使所述肩部的部分位于所述液面以下，静置使杂质富集于所述肩部上，之后将富集杂质的肩部与液面分离；

步骤五、提出所述富集杂质的肩部。

上述拉制单晶硅棒前的除杂工艺的工艺简单，通过调整坩埚内的热场和/或调整坩埚的转速，能够让杂质向硅熔体表面富集，利用成型的肩部吸附杂质，易于除去杂质，且提出过程安全可靠。经过试验验证，采用上述拉制单晶硅棒前的除杂工艺能够显著提升成晶率，降低碳含量和氧含量，有利于广泛应用。

在一个可行的实现方式中，步骤二中，所述放肩程序使肩部直径达到所述坩埚内径的70%~95%。

在一个可行的实现方式中，步骤四中，所述肩部放入所述硅熔体中的深度为所述液面覆盖所述肩部上表面的1/2~2/3，所述肩部在所述液面以下的静置时间为5s~15s。

在一个可行的实现方式中，步骤二中，将肩部与所述硅熔体的液面分离的距离不大于200mm。

在一个可行的实现方式中，步骤三中，调整所述坩埚内的热场的操作为：调整侧边加热器的功率使液面不结晶，调整底部加热器的功率大于所述侧边加热器的功率。

在一个可行的实现方式中，步骤三中，调整所述坩埚的转速的操作为：提高所述坩埚的转速大于步骤一和步骤二中所述坩埚的转速。

在一个可行的实现方式中，所述坩埚内通有惰性气体，步骤三中，增大惰性气体的流量至步骤二中惰性气体流量的1.1倍以上，以使导流筒上的杂质吹落至所述硅熔体内。

在一个可行的实现方式中，步骤四中，施加水平超导磁场，且维持所述超导磁场的最高水平强度位于液面位置。

在一个可行的实现方式中，循环步骤四至少两次，循环过程中所述肩部与所述液面的分离时间不少于3min。

在一个可行的实现方式中，步骤五中，提出所述富集杂质的肩部的操作为：第一次升起少于总提出高度的10%，放置3min~6min；之后升起剩余高度的20%~25%，放置8min~12min；之后升起剩余高度的35%~45%，放置8min~12min；之后升起剩余高度的35%~45%，放置8min~12min；之后全部提出。

附图说明

图1为本发明一实施方式的拉制单晶硅棒前的除杂工艺的流程图；

图2为本发明一实施方式的拉制单晶硅棒前的除杂过程中未富集杂质的肩部的示意图；

图3为本发明一实施方式的拉制单晶硅棒前的除杂过程中富集杂质后的肩部的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在半导体生产环节，对碳氧的控制要求比较高，同时成晶率的高低直接决定着生产成本，投入的硅料一定，成晶率高，意味着成本也会降低。本发明的发明人在单晶硅棒的实际生产中创造性的发现，硅熔体中的氧化物杂质、碳基材料等杂质可以通过本发明的技术手段向硅熔体表面富集。

请参见图1，本发明一实施方式的拉制单晶硅棒前的除杂工艺，包括如下步骤：

S10、步骤一、将硅料放入坩埚内，加热使硅料熔融，得到硅熔体。

步骤S10中，可以通过对坩埚进行加热的方式使硅料熔融。

在一个可行的实现方式中，步骤一中，坩埚的转速不高于1r/min。具体的，坩埚的转速可以为0.5r/min~1r/min。此时，坩埚缓速均匀转动，能够促进硅料稳定熔融。

S20、步骤二、调整坩埚内的热场温度至引颈温度，待硅熔体的液面稳定之后依次进行引晶步骤和放肩步骤，之后将肩部与硅熔体的液面分离。

步骤S20中，硅熔体的液面稳定指的是硅熔体的液面平静，坩埚内没有烟雾或者液面沸腾的现象。

在一个可行的实现方式中，请一并参见图2和图3，步骤二中，引晶步骤和放肩步骤的操作为：拉制细颈部分，达到目标长度的细颈110之后，逐步降低温度，之后进行放肩程序，使肩部120直径达到坩埚内径的70%~95%。其中，细颈110的目标长度h优选为200mm~300mm，目的是消除内部的位错。其中，肩部120的直径d优选为200mm~500mm，更优选为350mm~400mm，肩部120的直径例如可以为350mm、360mm、370mm、380mm、390mm或者400mm。

需要说明的是，肩部的直径可以根据不同情况进行设置，例如导流筒的寿命不长，质量较好，可以减少肩部的直径，这样可以减少取出杂质的时间，而且损失的硅料较少。

在一个可行的实现方式中，步骤二中，将肩部与硅熔体的液面分离的距离不大于200mm。其中，肩部与硅熔体的液面分离的距离指的是肩部的最下方与硅熔体的液面之间的距离。例如，将肩部与硅熔体的液面分离的距离可以为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、80mm、100mm、110mm、120mm、130mm、140mm、150mm、160mm、170mm、180mm、190mm或者200mm。

S30、步骤三、调整坩埚内的热场和/或调整坩埚的转速，使硅熔体内部的杂质富集于液面位置。

步骤S30中，调整坩埚内的热场和/或调整坩埚的转速指的是，可以只调整坩埚内的热场，亦或只调整坩埚的转速，还可以同时调整坩埚内的热场和调整坩埚的转速，目的均是使硅熔体内部的杂质富集于液面位置。

在一个可行的实现方式中，步骤三中，调整坩埚内的热场的操作为：降低侧边加热器的功率至液面不结晶状态，增大底部加热器的功率促进杂质向液面富集。

在一个可行的实现方式中，步骤三中，调整坩埚的转速的操作为：提高坩埚的转速大于步骤一和步骤二中坩埚的转速。例如在步骤一和步骤二中，坩埚的转速为0.5r/min~1r/min，步骤三中，坩埚的转速为5r/min~15r/min。此时，坩埚的转速较高，因而能够加快硅熔体内部的杂质往液面处富集。

在一个可行的实现方式中，坩埚内通有惰性气体，步骤三中，增大惰性气体的流量至步骤二中惰性气体流量的1.3以上，以使导流筒上的杂质吹落至硅熔体内，例如将惰性气体的流量开到最大。其中，惰性气体可以为氩气等。

经过步骤S30，氧化物与碳基杂质等杂质会富集在硅熔体表面，时间维持在20min~30min。

S40、步骤四、将肩部放入硅熔体中，使肩部的部分位于液面以下，静置使杂质富集于肩部上，之后将富集杂质的肩部与液面分离。

在一个可行的实现方式中，步骤四中，肩部放入硅熔体中的深度为液面覆盖肩部上表面的1/2~2/3，肩部在液面以下的静置时间为5s~15s。这样可以尽可能多的打捞富集的杂质，并使杂质有效凝结在肩部，且避免静置时间过长而使肩部熔化。

在一个可行的实现方式中，步骤四中，对硅熔体施加水平超导磁场，调整超导磁场的最高水平强度位于液面位置。这样有利于减少硅熔体的流动性，增加硅熔体的粘滞性，防止提出过程中富集的杂质流动到其他位置。其中，超导磁场的强度例如为2000高斯~3000高斯。

在一个可行的实现方式中，重复步骤四至少两次，循环过程中肩部与液面的分离时间不少于3min。该循环过程为杂质凝结-提起-再凝结-再提起的过程，肩部与液面的分离时间不少于3min，能够使凝结的杂质进行冷却，防止再次浸入时回到硅熔体中，同时硅熔体中的杂质可以再次富集。

经过步骤S40，富集到硅熔体上层的杂质200就会被凝固到提起的肩部120上，如图3所示。

S50、步骤五、提出富集杂质的肩部。

步骤五中，提出富集杂质的肩部指的是，将富集杂质的肩部从坩埚中提出。

在一个可行的实现方式中，步骤五中，提出富集杂质的肩部的操作为：第一次升起少于总提出高度的10%，放置3min~6min；之后升起剩余高度的20%~25%，放置8min~12min；之后升起剩余高度的35%~45%，放置8min~12min；之后升起剩余高度的35%~45%，放置8min~12min；之后全部提出。本实施方式中，提出富集杂质的肩部过程为间歇提出，这样能够防止肩部骤冷引起断裂。当然，提出富集杂质的肩部过程还可以为缓慢匀速提出，只要不会导致肩部骤冷引起断裂即可。

上述拉制单晶硅棒前的除杂工艺的工艺简单，通过调整坩埚内的热场和/或调整坩埚的转速，能够让杂质向硅熔体表面富集，利用成型的肩部吸附杂质，易于除去杂质，且提出过程安全可靠，不会发生炸裂或掉落的危险。经过试验验证，采用上述拉制单晶硅棒前的除杂工艺能够显著提升成晶率，降低碳含量和氧含量，有利于广泛应用。

经过上述除杂工艺得到除杂后的硅熔体，之后采用MCZ法，在除杂后的硅熔体中放入籽晶，之后拉制得到单晶硅棒即可。

经过试验验证，采用上述工艺制备得到的单晶硅棒的成晶率较高，碳含量和氧含量较低，有利于广泛应用。

参照上述实施内容，为了使得本申请的技术方案更加具体清楚、易于理解，现对本申请技术方案进行举例，但是需要说明的是，本申请所要保护的内容不限于以下实施例1。

实施例1

本实施例提供一种拉制单晶硅棒前的除杂工艺，本实施例中，坩埚为内径780mm的石墨坩埚，整个过程中连续通入惰性气体，且惰性气体为氩气，步骤如下：

1）将硅料放入坩埚内，坩埚的转速为0.5r/min，加热使硅料熔融，硅料全部熔融后的深度为380mm，得到硅熔体；

2）之后稳定2小时，维持坩埚的转速为0.5r/min，待硅熔体的液面平静，坩埚内没有烟雾或者液面沸腾的现象，把温度降低至引颈温度，降低籽晶（精确定向的单晶，晶向100），并把坩埚升至引晶位置，把籽晶降低与硅熔体接触，使光圈包围籽晶，观察固液交界处的弯月面，弯月面形状合适，开始拉制细颈，直至细颈的长度拉至200mm；达到目标长度的细颈以后，逐步降低温度，同时降低拉速，开始放肩程序，目标是放出的肩部直径为300mm；待肩部的直径达到目标以后，立即将坩埚降低100mm，将肩部与硅熔体的液面分离；步骤2）中氩气的流量为110lpm；

3）调整坩埚底部加热器与侧边加热器的功率分别为40kw和95kw，将坩埚的转速调整到10r/min，将氩气的流量升到180lpm；通过本步骤中各手段的共同作用，氧化物与碳基杂质会富集在硅熔体表面，时间维持在30分钟；

4）手动降低吊着的肩部，重新放入到硅熔体中重新浸泡一下，肩部放入硅熔体中的深度为液面覆盖肩部上表面的2/3，肩部在液面以下的静置时间为15秒；

5）重复步骤4）三次：具体为降下肩部，浸泡进硅熔体中，肩部表面浸没的面积为三分之二，然后提出以使肩部与液面分离，且肩部与液面的分离时间为3分钟，重复以上动作，这样富集到硅熔体上层的杂质就会被凝固到提起的肩部上；

6）提出富集有害杂质的肩部，升起的时候不可快速升起，第一次升起10cm，放置5分钟；之后升起30cm，放置10分钟；之后升起50cm，放置10分钟；之后升起50cm，放置10分钟；之后全部提出，得到除杂后的硅熔体。

对比例1

本对比例是实施例1的对比例，提供一种未除杂的硅熔体，与实施例1的区别仅在于：未进行步骤2）~步骤6）。

性能测试：

采用MCZ法，将籽晶分别放入实施例1得到的除杂后的硅熔体中和对比例1的未除杂的硅熔体中，之后分别拉制18英寸、16英寸和14英寸的单晶硅棒，得到样品1~样品6。其中，每拉制一种尺寸的单晶硅棒时，拉制8根单晶硅棒，分别测试每根单晶硅棒的碳含量、氧含量和成晶率，各自取其平均值，得到数据如表1。

表1 样品1~6的性能测试数据

从表1可以看出，与采用未除杂直接进行拉制得到的单晶硅棒（即样品4~6）相比，采用本发明实施例1的除杂工艺再拉制得到的单晶硅棒（即样品1~3）的碳含量和氧含量明显降低，且成晶率明显提升。表明采用本发明技术方案的拉制单晶硅棒前的除杂工艺能够明显降低碳含量和氧含量，且能够提升成晶率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种拉制单晶硅棒前的除杂工艺，其特征在于，包括如下步骤：

步骤五、提出所述富集杂质的肩部。

2.根据权利要求1所述的拉制单晶硅棒前的除杂工艺，其特征在于，步骤二中，所述放肩程序使肩部直径达到所述坩埚内径的70%~95%。

3.根据权利要求1所述的拉制单晶硅棒前的除杂工艺，其特征在于，步骤四中，所述肩部放入所述硅熔体中的深度为所述液面覆盖所述肩部上表面的1/2~2/3，所述肩部在所述液面以下的静置时间为5s~15s。

4.根据权利要求1所述的拉制单晶硅棒前的除杂工艺，其特征在于，步骤二中，将肩部与所述硅熔体的液面分离的距离不大于200mm。

5.根据权利要求1所述的拉制单晶硅棒前的除杂工艺，其特征在于，步骤三中，调整所述坩埚内的热场的操作为：降低侧边加热器的功率至液面不结晶状态，增大底部加热器的功率促进杂质向液面富集。

6.根据权利要求1所述的拉制单晶硅棒前的除杂工艺，其特征在于，步骤三中，调整所述坩埚的转速的操作为：提高所述坩埚的转速大于步骤一和步骤二中所述坩埚的转速。

7.根据权利要求1所述的拉制单晶硅棒前的除杂工艺，其特征在于，所述坩埚内通有惰性气体，步骤三中，增大惰性气体的流量至步骤二中惰性气体流量的1.1倍以上，以使导流筒上的杂质吹落至所述硅熔体内。

8.根据权利要求1所述的拉制单晶硅棒前的除杂工艺，其特征在于，步骤四中，对所述硅熔体施加水平超导磁场，且维持所述超导磁场的最高水平强度位于液面位置。

9.根据权利要求1所述的拉制单晶硅棒前的除杂工艺，其特征在于，循环步骤四至少两次，循环过程中所述肩部与所述液面的分离时间不少于3min。

10.根据权利要求1所述的拉制单晶硅棒前的除杂工艺，其特征在于，步骤五中，提出所述富集杂质的肩部的操作为：第一次升起少于总提出高度的10%，放置3min~6min；之后升起剩余高度的20%~25%，放置8min~12min；之后升起剩余高度的35%~45%，放置8min~12min；之后升起剩余高度的35%~45%，放置8min~12min；之后全部提出。