TW201704558A - 熔化固體矽的方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於熔化固體矽的方法，包含：使坩堝裝載固體矽，其中，至少其一部分是粒狀多晶矽；加熱坩堝以熔化坩堝中存在的固體矽；及在固體矽的熔化期間，阻止經由坩堝上部開口的熱輻射之發射；以及一旦固體矽已成為熔體，促進經由在坩堝上部開口的熱輻射之發射。

Description

熔化固體矽的方法
本發明係關於一種用於熔化固體矽的方法，其目的是提供用於根據CZ法製造矽單晶的熔體。
CZ法是一種晶體生長方法，其使用含有熔體的坩堝，該熔體被作為用於生長單晶的材料進料。生長單晶之前，坩堝裝載有固體矽，並被加熱直到形成熔體。藉由使在其上可生長單晶的晶種與熔體接觸，開始單晶的生長。
藉由具有圓形橫截面區域的上部開口，使得進入坩堝的內部成為可能。橫截面區域的直徑通常隨坩堝所要容納的熔體體積的增大而增大，並且取決於單晶的直徑。
坩堝裝載的固體矽一般是多晶矽。儘管如此，坩堝也可裝載單晶矽，例如裝載不適於生產半導體晶圓的單晶成分。多晶體矽，簡稱多晶矽，特別係以塊體形式所得到，該塊體由棒粉碎而成。該棒係藉由從氣相沉積矽而形成。
當坩堝裝載多晶矽塊體時，塊體之間保留較大體積的未使用空間。為了減少未使用的空間，可以完全或部分地將粒狀矽填充到坩堝內。粒狀矽藉由在流化床中從氣相沉積矽而形 成，並且同樣是多晶的。粒狀多晶體矽，簡稱粒狀多晶矽，含有從氣相沉積矽期間摻入的微量氣體，如氫氣及氯氣。
WO2014/051539 A1報導了在熔化粒狀多晶矽期間，當粒狀多晶矽中存在的微量氣體突然釋放時，可能發生熔體的飛濺。
來自熔體的飛濺物也可能在單晶之提拉期間導致問題，尤其是如果冷卻後，在固體狀態下，該等飛濺物在單晶生長期間落入熔體中。來自熔體的飛濺物可以，例如，黏附並冷卻在隔熱罩上，該隔熱罩使生長的單晶隔絕側向入射的熱輻射。
本發明的目的是可靠地減少這樣的問題。
該目的是藉由一種用於熔化固體矽的方法實現的，該方法包含：使坩堝裝載固體矽，其中，至少其一部分是粒狀多晶矽；加熱坩堝以熔化坩堝中存在的固體矽；及在固體矽熔化期間，阻止經由坩堝上部開口的熱輻射之發射；以及一旦固體矽已成為熔體，促進經由在坩堝上部開口的熱輻射之發射。
發明人已經研究了在坩堝中熔化粒狀多晶矽的情況，並推測，熔體中相對大的溫差及固有氧化物層(圍繞在粒狀多晶矽)扮演重要角色。該氧化物層是絕熱的，因此粒狀多晶矽 可以容易地進行過熱(熔體中溫差有助於過熱)。該過熱狀態導致粒狀多晶矽的自發熔化，從而導致氣體的突然釋放。
為了避免熔化期間的這一系列事件，因此建議在固體矽熔化期間阻止經由坩堝上部開口的熱輻射之發射。此措施的結果是在坩堝內部具有更均勻的溫度分佈，其產生了粒狀多晶矽緩慢且均勻熔化的條件。
本發明的一個較佳的實施態樣包含：在坩堝裝載固體矽之後，用代表熱輻射阻隔物的蓋覆蓋坩堝上部開口。一旦固體矽已熔化，則除去蓋以獲得用於生長單晶的熔體。
蓋被設置在固體矽上方，較佳由穿過坩堝中部的軸線以輻射狀向外延伸。該蓋覆蓋坩堝上部開口的面積較佳地對應至不小於35%之坩堝上部開口的橫截面面積。如果一隔熱罩被設置在圍繞穿過坩堝中部的軸線的坩堝之上，蓋的直徑較佳不小於85%之隔熱罩在其下端的內直徑，並且小於此內直徑。蓋較佳設置在坩堝上方的一高度處，其中，該蓋的高度及該坩堝的上部邊緣的高度之間的高度差較佳為不小於零。蓋及固體矽之間的最短距離較佳為不超過150毫米。
坩堝中裝載的固體矽包括一部分的粒狀多晶矽。重量分率較佳不小於10%。坩堝中的固體矽也可以完全是粒狀矽。坩堝中裝載的固體矽較佳是矽塊體及粒狀矽的混合物。
根據本發明的一個較佳的實施態樣，坩堝中固體矽的緩慢及均勻的熔化是藉由一種方法促進的，其中該坩堝處於氬 氣氣氛，並且此氣氛的壓力在熔化固體矽之期間中從一起始壓力升高到一末端壓力。壓力的增加較佳在經由反應器殼體中的氬氣的恆定流速下以線性進行。起始壓力較佳在1千帕至1.5千帕的範圍，末端壓力較佳在5千帕至6千帕的範圍。
1‧‧‧反應器殼體
2‧‧‧氣體入口
3‧‧‧氣體出口
4‧‧‧坩堝
5‧‧‧支承坩堝
6‧‧‧軸
7‧‧‧塊體
8‧‧‧粒狀多晶矽
9‧‧‧側加熱器
10‧‧‧底部加熱器
11‧‧‧上邊緣
12‧‧‧上部開口
13‧‧‧隔熱罩
14‧‧‧蓋
圖1是在坩堝中熔化固體矽之前根據CZ法提拉矽單晶的裝置的垂直剖面的側視圖。
圖2是沿坩堝的半徑R的熔體表面上的溫度T的曲線圖。
下文中提及的附圖示出了以下內容：圖1是在坩堝中熔化固體矽之前，根據CZ法提拉矽單晶的裝置的垂直剖面的側視圖。僅顯示了簡化闡釋本發明的特徵。該裝置包含具有氣體入口2及氣體出口3的反應器殼體1。在反應器殼體1中的氣氛實質上由氬氣構成，其通過氣體入口2被引入反應器殼體1，並通過氣體出口3從反應器殼體1排出。坩堝4由石英製成，且藉由一個支承坩堝5支撐，並放置在可升高的、可降低的也可旋轉的軸6上。坩堝4中裝載有塊體7及粒狀多晶矽8形式的固體矽。所示的裝置包含提供熔化固體矽所需熱能的二個加熱器，分別是側加熱器9及底部加熱器10。坩堝4具有上部開口12，其由上邊緣11分隔，並且使得能夠進入坩堝內部。坩堝4之上設置隔熱罩13，其用於使隨後的生長單晶免受由側加熱器9發射的熱輻 射。隔熱罩13圍繞以旋轉軸6延伸方向穿過坩堝4中部的軸線。在加熱坩堝4時，坩堝4中存在的熔化中及已熔化的矽也發射熱輻射。經由坩堝4中的上部開口12的熱輻射的發射藉由蓋14阻止，該蓋14在坩堝4裝載固體矽之後覆蓋坩堝4中的上部開口12。蓋14被設置在固體矽上方，並由穿過坩堝4中部的軸以輻射狀向外延伸。一旦在坩堝4中的固體矽已完全熔化，蓋14以向上方向被舉起遠離，這促進經由坩堝上部開口的熱輻射的發射。接著，代替蓋14，晶種朝熔化物下降，以便開始單晶的生長。
圖2示出，固體矽熔化後的熔體表面的溫度的曲線圖，其中一個情況是，在該固體矽熔化期間，省略了抑制經由坩堝上部開口的熱輻射的發射；以及一個情況是，沒有省略該抑制。由於抑制經由坩堝上部開口的熱輻射的發射，沿坩堝的半徑R的熔體表面上的溫度T的曲線(實線曲線)與未省略此措施相比顯著更均勻(虛線曲線)。
實施例
矽的單晶係根據CZ法製造，其產率以作為根據本發明方法應用的函數來比較。在固體矽熔化期間，藉由阻止通過坩堝上部開口的熱輻射之發射，增加了10%之產率。
1‧‧‧反應器殼體
2‧‧‧氣體入口
3‧‧‧氣體出口
4‧‧‧坩堝
5‧‧‧支承坩堝
6‧‧‧軸
7‧‧‧塊體
8‧‧‧粒狀多晶矽
9‧‧‧側加熱器
10‧‧‧底部加熱器
11‧‧‧上邊緣
12‧‧‧上部開口
13‧‧‧隔熱罩
14‧‧‧蓋

Claims (7)

  1. 一種用於熔化固體矽的方法，包含：使坩堝裝載固體矽，其中，至少其一部分是粒狀多晶矽；加熱坩堝以熔化坩堝中存在的固體矽；及在固體矽的熔化期間，阻止經由坩堝上部開口的熱輻射之發射；以及一旦固體矽已成為熔體，促進經由坩堝上部開口的熱輻射之發射。
  2. 如請求項1所述的方法，包含：在坩堝裝載固體矽之後，用代表熱輻射的阻隔物的蓋覆蓋坩堝上部開口；以及一旦固體矽已成為熔體，去除該蓋。
  3. 如請求項2所述的方法，其中該蓋被設置在固體矽上方，且由穿過坩堝中部的軸線以輻射狀向外延伸。
  4. 如請求項3所述的方法，其中該蓋覆蓋坩堝上部開口的面積對應至不小於35%之坩堝上部開口的橫截面面積。
  5. 如請求項2至4中任一項所述的方法，其中該蓋設置在距固體矽的一距離處，其中與固體矽的最短距離係不超過150毫米。
  6. 如請求項1至4中任一項所述的方法，其中該坩堝處於氬氣氣氛，其中此氣氛的壓力在熔化固體矽之期間從一起始壓力升高到一末端壓力。
  7. 如請求項5所述的方法，其中該坩堝處於氬氣氣氛，其中此氣氛的壓力在熔化固體矽之期間從一起始壓力升高到一末端壓力。
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