TW554090B - Process of stacking and melting polycrystalline silicon of high quality single crystal production - Google Patents

Description

554090 ________ 五、發明說明（1) 發明背景 個 本發明大致有關製造單晶矽晶棒，特別是，有關在 坩堝中堆疊並熔融多晶矽原材料之方法，作為 C ζ 〇 c h r a 1 s k i法一部分，以製造品質經改良之結晶塊。 用於電子裝置之大多數半導體晶片係使用Czochralski 法自單晶石夕製得。該方法中，藉由溶融堆疊於一個石英掛 堝内之多晶矽原材料、將該坩堝與原熔體穩定至一均衡溫 度、將一種晶種浸入該原熔體、當該原溶體結晶於該晶種 上時取出该晶種，形成一個早晶梦晶棒，並隨著其生長抵 引該塊，如此製造一種單晶矽晶棒。在一個低壓惰性氣體 環境下，溫度高於1 420 °C時發生熔融作用。當該結晶生長 時’該掛堝以一個大致呈垂直之軸繼續旋轉。選擇自該原 熔體拉引該塊之速率，形成一個具有所需直徑之塊。Λ '、 以Czochralski法製造單晶石夕晶棒的實質考量之一係· 必須避免形成錯位、孔隙或晶格結構中之其他里瑕疵/可外 由一或多個各種可能原因造成錯位，包括熱 = ，械性衝擊、區域冷卻速率差異所致之内部應1、熔體二 位於結晶生長界面處之固體顆粒、被困在該 从及表面張力影響。一旦發生錯位，其會 度降低，ϋ會附著雜質。該結晶内之孔=特性之均句 擾亂該材料之連續性。 Ba内之孔隙或空氣穴同樣地 使該問題進一步惡化的是該結晶中廣八 :瑕疯或是錯…且通常使該產物無法； 結構中形成第-錯位，…加並產生擴2該

554090 五 發明說明（2) 無數錯位。因此，若無錯位生長結晶在某一點被擾亂時、， 已生長結晶的整個橫斷面與相當大部分可能會充滿錯位。 因此’使生長中之結晶保持完全無錯位狀態相當重要。否 則1產率與產出會大體上會降級。 最初將多晶矽原材料堆疊或是裝入一坩堝以及其熔融作 用都必須小心進行，否則該結晶會被破壞。常見方式係裝 填與溶融期間經由損壞將瑕疵不慎地導入該坩堝、熔融石夕 賤出，以及被困空氣穴。 當固 坩堝具 如此可 不規則 始在該 挖到該 塊上其 時尤甚 落入該 在矽熔 地提高 進行 溶融， 對熱分 下黏在 連該熔 悲矽撞擊或 有襯有石英 避免導入雜 形狀塊形式 掛瑪_裝填 石英壁。當^ 可能刮傷或 。石英粒子 石夕原材料中 體上或是附 該結晶内形 溶融時，可 然後是上層 佈不均勻， 該掛瑪壁之 體上方相對 是刮傷 之壁， 質。多 供應， 塊多晶 該坩堝 割傷該 通常會 。此等 著在該 成錯位 能會發 或是落 該塊多 熔體上 坩堝壁 甜竭壁時’該掛瑪會發生損壞ζ 其最小化與該熔融矽槽之反應： 晶矽原材料通常係以各種大小白 其邊緣可能平滑、鈍或銳利。厚 梦時’銳利或尖銳的邊緣可能^ 裝滿時，載重落在位於底部壁$ 壁’於載重下移動或是去除該与 自受損坩堝壁粉碎或是破裂，立 粒子變成熔融氧化矽雜質，其g 液態/固態結晶生長界面，大幅 之可能性。 生錢出現象。沿著底部之塊最另 入該溶體中之塊。若是該坩堝中 晶矽下半部分可能會熔掉，並留 未熔融材料的π懸掛物”，或是捐 之間的未熔融材料”橋U。當該

554090 五、發明說明（4) 對壓力誘因使之膨脹或是移至該溶體表面以釋放出。在，與 原熔體上方環境氣體相等之壓力下，沿著底部壁以及懸^ 在該熔體中之二者氣泡會留在該原熔體内，並且僅有藉由 自然浮力才能促使其升至表面。因為該原炫：體具有黏彳生， 所以浮力不足以將許多氣泡牵引至該熔體表面，將之排 出。氣泡殘留在該熔體中，而且此等氣泡通常附著在#曰 生長界面，於此處造成孔隙。 ° 03 發明摘要 最小化陷於熔體中之氣泡的方法 法0 本發明數個目的與特性中，可注意到提出_種根據 Czochi:a 1 ski法自固體形成單晶矽晶棒之改良方法，其改 變多晶矽原材料之大小經分級塊；提出無結晶生長錯位以 及產出，改善之方法；提出有助於避免該塊中形成^晶錯 位與空氣八之方法，提出形成熔體時抑制掛瑪損壞之方 法；提出促使更均勻熔融並且抑制熔體飛濺之方法；提出 以及提出經濟操作之方 通常，本發明根據Czochralski法自固

據Czochralski 法，

置於該掛瑪中經預選μ & < ^ 中以高溫溶融該掛瑪 坩堝與原熔體之溫度 554090 五、發明說明（5) 、在其他方面’本發明方法包括於該坩堝之環境壓力大-於 進行溫度穩定化步驟之環境壓力時進行該堆積物熔融步 驟。 下文中’將會部分明白並且部分指出本發明其他目的與 特性。

圖1係裝有不同大小多晶矽原材料塊之坩堝的剖面圖， 此等塊以先前技藝常見方式排列； 圖2係一個已裝填坩堝之之橫斷面，根據本發明方法排 列並定向此等塊； 圖3係具有圓形邊緣形狀之兩個塊正面圖；以及 圖4係具有鈍頭形狀之兩個塊正面圖。 對應之參閱文字表示所有圖示中之對應部分。 t隹具體實例 現在參考圖式，特別是圖2，通常以丨〇表示一個含有根 據本發明方法排列並定向不同大小多晶矽原材料塊1 2之坩 堝。該Czochralski法開始時，將原材料多晶矽塊12置於 石英坩堝1 4内，於該坩堝内形成堆積物丨6。分類選擇坩堝 14内之塊12的定位與定向係本發明方法之關鍵，將於 描述之。 供應商所提供，用於Czochralski法中製造單晶矽晶济 之多晶矽原材料通常為不同大小與形狀之塊丨2。原材雨 常是供應商使用Si emen法製得之高純度矽。該方法' ^ 態多晶矽細棒或是幹材係藉由在一個細棒狀經加熱起動絲 554090 五、發明說明（6) 上局/jnL分解氣態石夕化合物-諸如石夕院或是氣石夕燒-而製得，。 該產物幹材可能大至6呎長，直徑三呎，通常使用錘子將 其手動折斷成塊1 2，以便於密封袋中送至使用者處。塊j 2 通常具有廣泛之各種大小與形狀，最大直徑自2至125毫 米’質量最高達65 0克，而且可能具有任意之鈍、銳利或 是尖端邊緣。

參考圖1 ’通常以表示一個含有以先前技藝常見方式 排列塊1 2之掛瑪。因為沒有分類堆疊平面或是排列，該排 列有點隨意。不過，操作者通常將較大塊2 0沿著坩堝1 4之 側壁22與底部24放置，如圖1所見，並毀較小塊26以及中 專大小塊2 8隨意裝在該掛瑪其他區域。所有不同大小之塊 (包括最小的細微塊3 〇 )置入該坩堝1 4中。此外，並未根據 形狀或是邊緣銳利度對任何形成進行特殊定向。

如圖1 ’先前技藝實務之大致隨意可能導致形成結晶錯 位。堆疊時，置於石英坩堝侧壁22或是底部24旁之邊緣銳 利或尖銳的塊很容易損壞坩堝1 4。若熔融期間塊移動沿著 該石英側壁2 2或是底部2 4拖動任何銳利邊緣或尖端，可能 發生刮傷或是挖損現象。當該矽熔融時，液體流至坩堝i 4 2底部中央3 2。因為塊不會順應該坩堝外形之故，所以通 常呈平坦狀之大型塊20沿著底部定向，在塊平坦底部與坩 堝1^4，彎曲底痘24間留下間隙。當該液體上升時，促使困 住虱氣之間隙位於大型塊下方。此外，緩慢熔融最小之細 =矽塊3 0，其可能留在相鄰塊間，產生被氬氣佔據之間 隙’最後可能變成結晶中之孔隙。因為塊丨2隨意排列會導

554090 五、發明說明（7) 致熔融期間熱分佈不均句，可能形成未熔融材料之懸掛1 或是坩堝14相對兩侧間之橋，當該懸掛物或是橋斷裂並落 入該熔體時，可能造成飛濺現象。 相對地，圖2根據本發明方法装填坩堝1〇可以避免飛濺 現象、j#堝損壞以及被困氣體。 首先依大J刀類多晶石夕原材料塊1 2。有四種大小種類： 大型、中型、小型與細微型。大型塊2〇之特徵係最小尺寸 約88至125毫米。中型塊28最大尺寸自5〇至88毫米，而最 小塊26最大尺寸自6至5〇毫米。細微塊3〇包括矽之小粒 子，而且最大尺寸小於6毫米。手動測量每個塊之尺寸進 行分類，或者以一種具有影像分析能力以分析塊二維尺寸 影像之電子計算機系統進行分類。 丟棄被分類為，，細微”大小之所有塊與粒子3〇。如上述， 、、、田微大小塊與粒子會在其他塊間以及其他與坩堝壁間產生 間隙，其中可能會困住氣體。此外，細微塊3 〇比較大型塊 更難溶融’因此需要較大之能量開銷。 其次，將原材料塊1 2置於坩堝1 4中形成堆積物丨6。將塊 1 2置=根據塊大小分類而預選擇過之坩堝區域内。將一種 排列定義為提供大致均勻熱分佈以及穩定熔融流動特性， 以避免掛堝損壞或是飛濺現象。 以大型塊2 0排列第一區，其包括坩堝1 4之底部24與側壁 2^ °此等定位時，大型塊2〇是開始熔融之第一種塊，其不 月匕位於可能落入熔體中產生飛濺象現之位置。將小型塊2 6 大致放於第二區，該區係位於大型塊20上方之掛塌14中間

554090 五、發明說明（8) 部分，因為此 和中型塊同樣 塊2 6上方之間 2 8比該區域欲 近坩堝侧壁2 2 出之熔體線34 壁2 2定向頂部 之塊熔融時， 重側與較窄尖 堝側壁2 2。 種配置接受熔融小塊所 快。中型塊2 8通常置於 以及介於沿著該壁之大 裝填之空間多，將多餘 處，位於大型塊20上方 上方。以更小、更窄或 之中型塊28，但是不要 中型塊28會更輕柔地落 端側反向，而且該塊不 需熱能實 第三區， 型塊2 0間 之中型塊 ，位於裝 是尖端側 接觸該壁 入該熔體 會接觸或 質上與大-型 其位於小型 。若中基塊 置於頂部接 填物所計算 背向坩堝側 。曰其下方 中，使其較 是黏附於坩 將部分塊1 2置於根據塊大小分類以及根據邊緣形狀分類 而預選擇之坩堝14區域中。特別是，將具有大體為鈍頭36 之大型塊20排列於堆禍14底部24，而且具有大體為圓形邊 緣38之大型塊20排列於該坩堝之側壁。以肉眼進行狀分 類。現在參考圖3 ’塊40上之圓形邊緣通常為圓柱曲線形 狀，與該塊之整體大小相較，其具有相對較大半徑。參考 圖4 ’塊4 2上純頭3 6之一般特徵係去頂三角棱形。分類作 用需要判斷一個塊之形狀較接近一種去頂三角稜形（如圖4 塊42的鈍頭36)，或是圓柱之、彎曲表面，如圖3之塊40圓形 邊緣38。與具有圓形邊緣38之塊40相似的大型塊20容易將 氣體困在下方，因為該塊之局部曲度半徑大於坩堝底部24 之曲度半徑。因此，該塊很難順應底2 4之外形，並且可能 在兩個分開位置銜接該底部，在此二分開位置處之塊與底 部間形成間隙。相反地，類似塊4 2之鈍頭塊避免該塊鈍頭

第13頁 554090 五、發明說明（9) 側之大型平坦表面困住氣體。鈍頭塊覆蓋之坩堝底部24，表 面小於圓形邊緣塊，而且其較能局部順應坩禍丨4底部之彎 曲外形。 如圖2所見，排於底部24與側壁22區之大型塊2〇進一步 細分成直徑為44且大體呈圓形之内部中央區域以及外部區 域。以縱軸大體上為垂直定向而且其鈍頭36朝下將大型塊 20置於中央區域。該定向作用排除進行熔融時在該塊下方 之任何受困氣體穴，避免坩堝壁受損。鈍頭36沿著底部24 覆蓋之掛禍壁實質上小於圖1先前技藝具有隨意銳利邊緣 之大型塊20，因此產生氣泡之表面減少。鈍頭36之接觸點 比其他形狀邊緣更能順應該層，而且不會造成損壞。將大 型塊20的鈍頭向下定位之中央區域擴展成直徑44之環形， 其為製造中結晶塊直徑之1· 5倍（即，就直徑2〇〇毫米結晶 而言，下方定位點之大型塊在直徑約3〇〇毫米中央 因為掛瑪14旋轉與溫度梯度二者之故，該原熔體内°產生對 流，此等流動用以擾動與混合該原材料為宜。實際 到，中央區域外之對流明顯比其中之流動強烈。、$ 外被困在大型塊下之氣體穴通常會被陷在該流 、自 該熔體排出。因為對流比中央區域弱夕从 ^ T ^ 1 n〜古又，莖直令 該處之塊，避免開始形成氣體穴。 σ 、 當塊12置於坩堝14内時，小心地將其輕柔 置’確實避免該石英壁任何衝擊損壞或是刮傷。、疋 塊1 2上之所有尖銳或是銳利邊緣，使复 小心放置 以避免熔化期間該塊位置移動時造成^傷。面朝坩堝壁，

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五、發明說明（10) 塊置入掛竭之放置作用完成時，通常根據先前技藝之-Czochra 1 ski法繼續該方法，如此於一種惰性環境下炼融 堆積物1 6，形成原熔體，將該溫度穩定至適於結晶生長之 均衡水準，以及自該原熔體拉引單晶矽晶棒。 曰 本發明其他方面係：熔融該堆積物之步驟—至少該溶體 ，蓋坩堝14底部時-係於該坩堝環境壓力大於進行溫度穩 定化步驟時之環境壓力下。較大壓力會消除被困於該原熔 體中之氣泡。 特別是，在約為穩定化期間四倍之環境壓力下進行熔化

步驟。例如，若溫度穩定化步驟計畫在2〇托耳下進行，該 熔融作用係於8 0托耳之環境壓力下進行。於8 〇托耳時，熔 融期間被困之任何氬氣仍然存在。於溫度穩定化步驟開始 時降低熔體上方之環境壓力，被困氣泡之相對較高壓力^ 生體積膨脹之誘因。較大氣泡較不穩定，而且浮力較大； 因此其更可能塌陷或是克服熔體中之黏力，並升至表而 排出該熔體。 _ 基於上述 有利結果。 可看出已達成本發明數個目的，並獲得其他 在不違背本發明範圍情況 述所有内容以及圖示者均視 ’上述中可製得各種改變 為說明，而不具限制意義 上

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Claims (1)

1. 554野… \ .知年A月曰修正 ，， I -m L· ————.................... 六、申一請專利，範衝一^ 1 . 一種根據C ζ 〇 c h r a 1 s k i法自固體、不同尺寸之多晶石夕 原材料塊形成早晶碎晶棒之方法’包括· 依大小分類各個原材料塊，其中最大尺寸小於6毫米 之塊係被丟棄； 將原材料塊置入坩堝中，在該坩堝中形成一堆積物， 根據塊之大小分類，大體上將該塊置於該坩堝中經預選擇 之至少三個區域中，其中該三個區域係以為了提供大致上 均勻熱分佈及穩定溶融流動之方法排列； 於一種惰性環境中以高溫熔融該坩堝中之堆積物，形 成原熔體； 使該坩堝與原熔體之溫度穩定至適於結晶生長之平衡 水準；以及 根據C ζ 〇 c h r a 1 s k i法，自該原溶體拉引該單晶石夕晶 棒。 2 .根據申請專利範圍第1項之方法，其中將原材料塊置 入坩堝之步驟包括將至少某些塊置於坩堝區域中，此等區 域係根據塊大小分類以及塊邊緣形狀分類而預先選定。 3. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中將原材料塊置 入坩堝之步驟另外包括以塊形狀為基準，以適用於該坩堝 之定向放置至少部分塊。 4. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中依大小分類各 原材料塊之步驟另外包括將原料塊分成小型、中型以及大 型塊三類，其中小型塊之特徵係最大尺寸自約6至5 0毫 米，中型塊之最大尺寸自50至88毫米，大型塊最大尺寸自

   O:\61\61932-911231.ptc 第17頁 554090 _案號89100458 彳丨年（X月 曰 修正_' [ 六、申請專利範圍 8 8至1 2 5毫米。 5. 根據申請專利範圍第4項之方法，其中將原材料塊置 於坩堝之步驟另外包括大體上沿著坩堝底部與側壁之區域 内放置大型塊，小型塊通常位於沿著底部之大型塊上方的 坩堝中間部分區域内，以及中型塊位於小型塊上方的坩堝 中間部分區域中。 6. 根據申請專利範圍第3項之方法，其中將原材料塊置 於坩堝之步驟另外包括沿著該坩堝底部使任何塊之鈍頭向 下之定向放置該塊，並沿著坩堝側壁使任何塊尖銳邊緣背 向側壁之定向放置該塊。 7. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中於該坩堝之環 境壓力大於進行溫度穩定化步驟之環境壓力時進行該堆積 物熔融步驟。 8. —種根據Czochralski法自固體、不同尺寸之多晶石夕 原材料塊形成早晶砍晶棒之方法’包括· 依大小分類每一個原料塊，丟棄最小塊，並將剩餘塊 分成小型、中型以及大型塊三類； 將原材料置入一個坩堝内，於該坩堝中形成一個堆積 物，根據塊之大小分類，大體上將該塊置於該坩堝中經預 選擇之至少三個區域中； 於該坩堝内，在惰性環境下以高溫熔融該堆積物，形 成一種原熔體； 將該坩堝與原熔體溫度穩定至一種適於結晶生長之平 衡水準；以及

   O:\61\61932-911231.ptc 第18頁 554090 a_ _案號 89100458 六、申請專利範圍 根據C z o c h r a 1 s k i法自該原溶體拉引該單晶石夕晶棒， 其中於該坩堝環境壓力大於進行溫度穩定化步驟的環境壓 力之下進行該堆積物溶融作用。 9.根據申請專利範圍第8項之方法，其中將原材料塊置 於坩堝之步驟另外包括大體上沿著坩堝底部與側壁之區域 内放置大型塊，小型塊通常位於沿著底部之大型塊上方的 坩堝中間部分區域内，以及中型塊位於小型塊上方的坩堝 中間部分區域中。

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