專利名稱：用多晶硅爐料制備硅熔體的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及從熔融的硅熔體中制取單晶硅，尤其涉及從塊狀和粒狀多晶硅的混合料中制備熔融的硅熔體的方法，其中，先加入塊狀多晶硅形成碗狀，其上再加上粒狀多晶硅。
大多數(shù)用于制造微電子線路的單晶硅是采用丘克拉斯基(Czochralski)法(“CZ”法)制備的。在該法中，單晶硅錠的制備過程為在坩堝內(nèi)熔融多晶硅(“多晶硅”)，將籽晶浸入熔融硅中，然后用足以獲得錠所需直徑的方式上拉籽晶，長(zhǎng)成所需直徑的單晶硅。
熔融后形成硅熔體的多晶硅是典型的由Siemens方法制成的塊狀多晶硅。塊狀多晶硅的形狀一般不規(guī)則，有鋒利的鋸齒形的邊，這是由于塊狀多晶硅是通過將多晶硅棒碎裂成典型的長(zhǎng)為大約2-10cm、寬大約為4-6cm的小塊來制備的。另一種形式的可用于形成熔融體的多晶硅——粒狀多晶硅，比塊狀多晶硅小許多，一般為均勻的球狀。粒狀多晶硅的典型制法是相對(duì)較簡(jiǎn)單高效的流化床反應(yīng)法。粒狀多晶硅的直徑典型為大約1-5mm，堆積密度一般比塊狀多晶硅高大約20％。塊狀多晶硅和粒狀多晶硅的制備及特性都在F.Shimura，半導(dǎo)體硅晶體技術(shù)，第116-121頁，Academic Press(San Diego CA，1989)及該書所引的參考文獻(xiàn)中有更詳細(xì)的描述。
按照典型的CZ方法，坩堝首先全部填入或裝入塊狀多晶硅。但是，以這種方式裝入坩堝會(huì)給單晶硅錠的后續(xù)制備帶來問題。例如，塊狀多晶硅帶有典型的鋒利的、鋸齒形的邊。因此，全部爐料的重力會(huì)使晶塊劃傷或掛傷坩堝壁，尤其是坩堝底部。這些劃痕和掛痕會(huì)損害坩堝，使得坩堝的小粒子事實(shí)上脫離坩堝表面，隨后懸浮在硅熔體中，最終會(huì)引入正在長(zhǎng)大的晶體中。因此，小粒子顯著的增加了單晶中出現(xiàn)位錯(cuò)的可能性，從而降低了無位錯(cuò)單晶的產(chǎn)量和生產(chǎn)能力。
隨著多晶硅爐料繼續(xù)熔融，較低部分的多晶塊被熔化，使其未熔部分形成“懸臂”粘附在熔體上方的坩堝壁上。另一種情形是，未熔部分在熔體上方的坩堝對(duì)壁之間形成“橋”。如果懸臂或橋倒塌，則可能使熔融硅飛濺出來，或者使坩堝產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力而損壞。相似的情形也可能僅僅由于熔融過程中塊狀多晶硅爐料的移動(dòng)而出現(xiàn)。
一開始就在坩堝中加入100％的塊狀多晶硅，除了可能損壞坩堝外，還會(huì)由于塊狀材料的堆積密度低而限制可加入的爐料體積。體積受限也直接影響了無位錯(cuò)單晶的產(chǎn)量和生產(chǎn)能力。
雖然就制備工藝和堆積密度而言，粒狀多晶硅比塊狀多晶硅優(yōu)越，但是全部在坩堝裝入粒狀多晶硅和其熔融也會(huì)在單晶中引入不需要的雜質(zhì)和缺陷。例如，為了熔融熱傳導(dǎo)率低的粒狀多晶硅，需要大量的能量。當(dāng)考慮到目前拉晶裝置中常采用的清洗氣系統(tǒng)的冷卻效應(yīng)時(shí)，這個(gè)問題則更加突出。坩堝暴露在如此高的熔化能量中會(huì)誘發(fā)熱應(yīng)力，產(chǎn)生扭曲，導(dǎo)致坩堝壁上的粒子引入熔體并最終引入單晶中。和機(jī)械應(yīng)力一樣，這些熱應(yīng)力也會(huì)降低無位錯(cuò)晶體的產(chǎn)量和生產(chǎn)能力。
Kim等在申請(qǐng)序列號(hào)為08/595,075的美國(guó)專利申請(qǐng)中提出，在粒狀多晶硅上面加入塊狀多晶硅，以對(duì)粒狀單晶硅進(jìn)行熱屏蔽，使其不受清洗氣的冷卻效應(yīng)的影響。這種方法通過降低熔融爐料所需的加熱器的功率等級(jí)來有利地降低坩堝產(chǎn)生熱應(yīng)力的可能性。但是，從該方法制備的熔體中長(zhǎng)出的單晶形成空洞的可能性增加了。
無論坩堝中初始加入塊狀多晶硅還是粒狀多晶硅，在許多方法中，需用進(jìn)料系統(tǒng)或計(jì)量系統(tǒng)向熔體中續(xù)加多晶硅，以增加熔融硅的量?！袄m(xù)加”這種附加多晶硅的作法稱為批量、半連續(xù)或連續(xù)工藝系統(tǒng)。例如，在批量系統(tǒng)中，由于初始加入的多晶硅熔融后體積減少，可在已形成的熔體中再加入附加硅以使坩堝達(dá)到滿容量。實(shí)例如日本實(shí)用新型申請(qǐng)50-11788(1975)。在半連續(xù)和連續(xù)丘克拉斯基系統(tǒng)中，向硅熔體中續(xù)加的多晶硅是用以補(bǔ)償單晶硅長(zhǎng)大時(shí)帶走的部分。請(qǐng)參閱F.shimura的半導(dǎo)體硅晶體技術(shù)，第175-83頁，Academic Press(SanDiego CA，1989)。
雖然粒狀多晶硅由于易流動(dòng)而通常被選作批量、半連續(xù)或連續(xù)丘克拉斯基工藝系統(tǒng)的補(bǔ)償材料，但也不是沒有缺點(diǎn)。正如Kajimoto等在美國(guó)專利第5,037,503號(hào)中指出的那樣，硅烷法制取的粒狀多晶硅中含有氫，且氫量足以使硅粒浸入熔融硅時(shí)發(fā)生崩裂或爆炸。多晶硅粒的崩裂和爆炸使熔融硅的液滴四處飛濺，濺出的液滴積累在坩堝表面或拉晶裝置的其它組件上，以后又可能落回到熔融的硅熔體中干擾晶體的長(zhǎng)大。
Kajimoto等提出以降低粒狀多晶硅的氫含量作為解決此問題的方案，用一套單獨(dú)的加熱裝置在惰性氣氛中預(yù)熱粒狀多晶硅，直到其H2的含量降到7.5PPM重量比(210ppma)或以下。盡管此方法有助于減少引起晶粒爆炸的力，但并不能消除爆炸。實(shí)際上，在氫含量小于1ppm重量比(28ppma)的粒狀多晶硅中，仍發(fā)生過崩裂現(xiàn)象。
美國(guó)專利第5,588,993中提出了另一種解決方案，其中，塊狀多晶硅部分熔融，然后在露在外面的未熔部分上加入粒狀多晶硅。粒狀多晶硅的加入速率應(yīng)使得其溫度能達(dá)到約1200℃以上，并可在熔融前在此溫度保持大約30秒。以這種方法加熱粒狀多晶硅，可使得其在浸入已熔融的硅熔體之前除氫。
這種方法的問題在于，為了避免氫崩裂帶來的影響，粒狀多晶硅的添加速率必須慢得足以在熔融發(fā)生前脫氫。這就會(huì)使制備100千克熔融硅熔體的時(shí)間達(dá)到10小時(shí)左右，因此降低了拉晶爐的生產(chǎn)能力，尤其在加入的粒狀多晶硅原料的平均氫含量超過大約10ppma時(shí)。
當(dāng)使用的是有復(fù)雜熱區(qū)結(jié)構(gòu)的拉晶裝置時(shí)，和粒狀多晶硅崩裂相關(guān)的問題以及由該問題產(chǎn)生的熔融硅的飛濺，就變得更加突出。這種結(jié)構(gòu)中采用了清洗氣系統(tǒng)，且在坩堝上有石墨罩，可以制取性能優(yōu)異的晶體，所以在單晶制備中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但是，由于熔體上方有更多的表面，飛濺的硅粒子會(huì)在表面上積累并最終落回熔體中，所以這種結(jié)構(gòu)增加了在生長(zhǎng)的晶體中引入缺陷的機(jī)會(huì)。
因此，繼續(xù)存在著對(duì)某種方法的需求，即在這種方法中，硅熔體可在有熱區(qū)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中以能防止硅粒子飛濺的方式制備，同時(shí)能提高從該熔體中制取無位錯(cuò)單晶硅錠的產(chǎn)量和生產(chǎn)能力。
發(fā)明概述所以，本發(fā)明的目的之一是提供一種制備熔融硅熔體的方法，該硅熔體適用于提高無位錯(cuò)單晶硅錠的產(chǎn)量和生產(chǎn)能力。這是通過以下方法實(shí)現(xiàn)的降低了坩堝的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，使熔體中的氫含量最小，使單晶中由于坩堝底部有氬而形成的空洞最少，最大程度地增加了初始裝入的多晶硅的體積，避免了粒狀多晶硅的加入過程中氫裂效應(yīng)。其它目的包括提供制備熔融硅熔體的方法，該硅熔體適于制取高生長(zhǎng)速率和高生產(chǎn)能力的無位錯(cuò)單晶硅塊，而無需明顯增大的附加工藝成本、裝備和時(shí)間。當(dāng)然，本發(fā)明的另一目的是滿足在復(fù)雜結(jié)構(gòu)熱區(qū)的拉晶裝置中實(shí)現(xiàn)上述各項(xiàng)。
因此，簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明涉及制備用以生長(zhǎng)單晶硅錠的硅熔體的方法。該單晶硅錠按照丘克拉斯基方法制備，所用的坩堝具有底、側(cè)壁周邊結(jié)構(gòu)，中心線，該中心線基本上平行于側(cè)壁并穿過底面的幾何中心點(diǎn)，和從中心線到側(cè)壁周邊的半徑。本方法的特征在于坩堝中裝進(jìn)塊狀多晶硅形成碗狀的爐料，其中，爐料通常先沿徑向從中心線向上向外朝著側(cè)壁方向傾斜至坡頂處，然后一般從坡頂向下向外傾斜至側(cè)壁。碗狀的塊狀多晶硅爐料受熱部分熔融，再在部分熔融爐料上加入粒狀多晶硅，形成塊狀和粒狀多晶硅的混合料?；旌狭线M(jìn)一步加熱成硅熔體。
本方法的進(jìn)一步特征在于部分粒狀多晶硅穿過未熔的多晶硅塊間的空洞，到達(dá)熔融的硅熔體的表面。和硅熔體接觸的粒狀多晶硅快速熔化，使得氫被快速釋放。在熔體上方的未熔塊狀多晶硅，可偏轉(zhuǎn)可能飛濺的熔融硅。
本方法的更進(jìn)一步特征在于粒狀多晶硅的加入是連續(xù)的，直至形成粒狀多晶硅帽罩住未熔的塊狀多晶硅。當(dāng)該帽下面的混合多晶硅爐料熔融時(shí)，該帽可偏轉(zhuǎn)可能飛濺的熔融硅。另外，構(gòu)成帽的粒狀多晶硅被加熱到某一溫度區(qū)間并保持一段時(shí)間，這樣足以使其在未和熔融的硅熔體接觸之前有效的去氫。
本方法的其它目的和特征部分將在下面闡明，部分將在下面指出。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是丘克拉斯基空坩堝的剖面圖。
圖2是丘克拉斯基坩堝的剖面圖，描述初始裝入塊狀多晶硅。
圖3是丘克拉斯基坩堝的剖面圖，描述塊狀多晶硅被排列以形成碗形爐料。
圖4是丘克拉斯基坩堝的剖面圖，描述部分熔融爐料的形成。
圖5是丘克拉斯基坩堝的剖面圖，描述加入粒狀多晶硅的初始階段。
圖6是丘克拉斯基坩堝的剖面圖，描述繼續(xù)加入粒狀多晶硅以及粒狀多晶硅穿過塊狀多晶硅間存在的空洞。
圖7是丘克拉斯基坩堝的剖面圖，描述隨著粒狀多晶硅的繼續(xù)添加，塊狀多晶硅之間的空洞被填滿，形成了粒狀多晶硅帽。
圖8是丘克拉斯基坩堝的剖面圖，描述粒狀多晶硅添加完畢并且形成粒狀多晶硅帽。
圖9是丘克拉斯基坩堝的剖面圖，描述粒狀多晶硅和塊狀多晶硅的繼續(xù)熔融。
圖10是丘克拉斯基坩堝的剖面圖，描述粒狀多晶硅帽進(jìn)入熔融的硅熔體中。
發(fā)明詳述按照本發(fā)明的方法，塊狀多晶硅首先裝入丘克拉斯基坩堝，熔融成部分熔融的爐料，該爐料包括有熔融硅又有未熔的塊狀硅。盡管坩堝的幾何形狀沒有嚴(yán)格的特殊要求，但通常應(yīng)有內(nèi)外表面，以界定出至少部分開口的結(jié)構(gòu)，能容納或者說是保存液體，如熔融硅?，F(xiàn)在參見圖1，實(shí)例二氧化硅坩堝10通常有內(nèi)表面12，外表面14，中心線16和頂邊18。內(nèi)表面12界定了一開口空腔以加入塊狀多晶硅。坩堝10包含有鍋底部分22，邊角部分24和側(cè)壁結(jié)構(gòu)26，下面分別稱作坩堝的底22，角24和側(cè)壁26。坩堝的半徑R，是從中心線16沿徑向向外至側(cè)壁26的內(nèi)表面的測(cè)量值。坩堝10被用于熔化爐料的圓柱狀的側(cè)加熱器28a和底部加熱器29包圍，側(cè)加熱器有頂邊28b。
在所述的實(shí)施例中，側(cè)壁26通常是垂直的，界定出基本垂直的圓柱形區(qū)域，包括頂部部分26(a)和底部部分26(b)。頂部部分26(a)和底部部分26(b)，每部分占有側(cè)壁的50％左右的總表面積。頂部和底部的近似劃分通常用線30標(biāo)明。底22通常是拋物面的，有斜坡，該斜坡的水平向量基本上大于垂直向量。角24是在側(cè)壁26和底22的交叉處附近的一塊彎曲的環(huán)形分界區(qū)。角24的彎曲部分在和側(cè)壁26交叉處截止，通常用線32來表示。角24分上下兩半，每一半包含整個(gè)角表面積的一半，其中上半部分靠近側(cè)壁26，下半部分靠近底22。坩堝10的中心線16基本上平行于側(cè)壁26，并穿過底22的幾何中心點(diǎn)。
本發(fā)明的方法最適于在有復(fù)雜熱區(qū)結(jié)構(gòu)的拉晶裝置中使用，例如，該結(jié)構(gòu)中，絕熱體、氣體清洗管和/或熱反射器都安裝在坩堝上方，以保證拉晶溫度保持在優(yōu)選的范圍內(nèi)。有如此復(fù)雜結(jié)構(gòu)的熱區(qū)的一個(gè)實(shí)例在圖1中示出，其中熱反射器40安裝在坩堝10的上方。需要指出的是，熱區(qū)的結(jié)構(gòu)以及該結(jié)構(gòu)所用的材料，可能和此處描述的不同，但仍在本發(fā)明的方法的范圍以內(nèi)。
就初始加載坩堝而言，形狀不規(guī)則的塊狀多晶硅比尺寸較小、分布較均勻的粒狀多晶硅更佳。這是由于首先用粒狀多晶硅會(huì)使得產(chǎn)量相對(duì)較低，而且單晶硅錠中形成大的空洞缺陷的機(jī)率增加。不受限于任何特殊理論，據(jù)信是粒狀多晶硅在坩堝底部封閉了諸如氬氣和氫氣的氣體，這些氣體隨后在晶粒生長(zhǎng)中以氣泡形式釋放到硅熔體中。一些氣泡附著在生長(zhǎng)界面處的晶體上，從而形成了空洞缺陷。用塊狀多晶硅作為初始爐料能避免這些缺陷，通常提高了產(chǎn)量。
現(xiàn)在參見圖2，考慮到單晶硅錠的質(zhì)量和生產(chǎn)能力，初始裝入坩堝的決狀多晶硅42的量一般要進(jìn)行優(yōu)化。例如，如上所述，若加入了太多的塊狀多晶硅，坩堝的機(jī)械應(yīng)力就增加。另外，爐料滑移或者形成橋或懸臂的可能性也增加了。所以，為了減少由于爐料滑移而損壞坩堝的可能性，初始加入的塊狀多晶硅最好在坩堝中排列使得塊狀多晶硅的平邊44靠近坩堝的底22和/或側(cè)壁26。優(yōu)選這種排列是為了降低多晶硅塊發(fā)生滑移時(shí)，塊的尖點(diǎn)和坩堝的側(cè)壁以及底相碰并損壞坩堝的可能性。
也要指出的是，多晶硅塊的初始裝入量可以隨著坩堝結(jié)構(gòu)、熱區(qū)結(jié)構(gòu)、制取的晶體制品類型的不同而不同。例如，使用22英寸坩堝、總加入量為100千克時(shí)，初始裝入50-65千克的塊狀多晶硅為佳，55千克左右最佳。作為對(duì)照，對(duì)于24英寸坩堝且總加入量為120千克時(shí)，初始裝入50-70千克的塊狀多晶硅為佳，55千克左右為最佳。所以，如圖2所示，對(duì)于給定的坩堝、熱區(qū)或晶體制品，塊狀多晶硅42的初始裝入量典型為，爐料的高度不超過硅熔體制備結(jié)束后的總高度，通常用線45表示。就此需要指出的是，由于塊狀多晶硅的形狀不規(guī)則，爐料的高度通常定義為坩堝10的底22到塊狀多晶硅爐料的最高點(diǎn)的距離。
以這種方式加入塊狀多晶硅是為了降低形成懸臂或橋的可能性。因此，塊狀多晶硅的排列應(yīng)使得爐料的高度大約為總硅熔體高度的大約0.6-1倍，優(yōu)選的塊狀多晶硅排列是爐料的高度大約為總硅熔體高度的0.7-0.8。
現(xiàn)在參見圖3，當(dāng)爐料在坩堝10中排好后，將多晶硅塊從爐料的中心移開，堆向坩堝10的側(cè)壁26處，使得爐料成碗狀或穴狀。換而言之，初始的爐料塊狀多晶硅42被從中心線16處移向坩鍋側(cè)壁26，使得其通常排列成沿徑向向上向外傾斜至坡頂，爐料一般再在坡頂處沿徑向向下向外傾斜。爐料先上斜的傾斜角以及隨后的下斜傾斜角，通常等于塊狀多晶硅的靜止角。碗形爐料的頂點(diǎn)形成一環(huán)形邊，通常如46所示。
需指出的是，爐料排列成碗形時(shí)，坩堝側(cè)壁26處的爐料高度最好不超過硅熔體制備結(jié)束后的最高點(diǎn)，通常用線45示出。優(yōu)選情形是，爐料在坩堝側(cè)壁處的高度不超過熔體的高度，以防在爐料熔化過程中形成懸臂或橋。
還需指出的是，由于塊狀多晶硅42的形狀不規(guī)則，所以爐料的表面不均衡，這就意味著爐料形成的坡形在爐料的不同具體位置會(huì)有所不同。因此，最近似線47即為對(duì)碗狀爐料坡形的整體近似。但是，爐料的確切坡形可能與此處線47一般描述的不同，但仍在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
碗形爐料的環(huán)形邊46的半徑為r，是沿徑向從中心線16向外至坩堝側(cè)壁26的距離，通常為坩堝半徑R的5/10-9/10左右。環(huán)形邊的半徑的優(yōu)選值為坩堝半徑的6/10-8/10左右。但是，由于塊狀多晶硅42的形狀不規(guī)則，環(huán)形邊46的實(shí)際半徑可能有些變化，這取決于環(huán)形邊上用作參考點(diǎn)的環(huán)形位置。所以，該半徑確定為沿徑向從中心線16向外到碗形爐料離中心線最遠(yuǎn)的坡頂點(diǎn)的距離。
通常，碗形爐料在環(huán)形邊46處的高度大于爐料在中心線16或其附近的高度。典型情況是，環(huán)形邊的高度和在中心線或附近的高度比值為約3.5∶1到約1.25∶1，優(yōu)選值為約3∶1到約2.5∶1。例如，對(duì)于22英寸直徑的坩堝以及100千克的爐料，在環(huán)形邊46處的碗形爐料高度當(dāng)從坩堝10的底22處測(cè)量時(shí)，為約18cm-25cm，優(yōu)選值為約22cm-25cm。在中心線16或其附近的爐料高度當(dāng)同樣從坩堝的底處測(cè)量時(shí)，為約8cm-16cm，優(yōu)選值為約8cm-10cm。除此之外，環(huán)形邊比中心線16或附近的爐料高出約6cm-12cm為佳，高出約10cm-12cm更佳。
需指出的是，爐料在環(huán)形邊處的高度和在中心線或附近的高度，可以隨著坩堝直徑、爐料量和熱區(qū)結(jié)構(gòu)的不同而不同。例如，當(dāng)坩堝的直徑增大時(shí)，碗形爐料的深度，即環(huán)形邊高出在中心線或附近的爐料的距離，只要沒有受到熱區(qū)結(jié)構(gòu)的限制，則也可能增加。因此可以理解，爐料在環(huán)形邊、中心線或附近的高度可能和此處描述的不同，但仍在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
也需指出的是，由于塊狀多晶硅42的形狀不規(guī)則，爐料在環(huán)形邊46和中心線16處的高度可能有些變化。因此，爐料在環(huán)形邊和中心線或附近處的高度定義為，在環(huán)形邊或中心線處或中心處附近外爐料的最高點(diǎn)到坩堝10的底22的距離。另外，環(huán)形邊比在中心線處爐料的高出的距離確定為，爐料在中心線或附近的最高點(diǎn)到爐料在環(huán)形邊處的最高點(diǎn)的距離。
現(xiàn)在參見圖4。放置坩堝10使得爐料通常位于圓柱形側(cè)加熱器28a的中心，以加熱塊狀多晶硅42。就此需要指出的是，坩堝的確切位置隨坩堝的結(jié)構(gòu)、使用的熱區(qū)以及初始裝入的塊狀多晶硅量的不同而不同。塊狀多晶硅受熱直到其開始熔融形成部分熔融的爐料，該部分熔融爐料包括一層熔融硅48和未熔塊狀多晶硅42，熔融硅48有上表面49，未熔硅露出在該熔融硅的上表面上。加熱速率受到控制，使得通過熔融4％-10％、優(yōu)選為6％-8％左右重量百分比的塊狀多晶硅，形成一層足以覆蓋住坩堝底22的熔融硅48。為了保證加熱爐料典型大約60-120分鐘，優(yōu)選為大約85-95分鐘就能形成所述部分硅熔體，要選擇側(cè)加熱器28a和底加熱器29的初始加熱功率。
現(xiàn)在參見圖5。一旦在坩堝10的底22形成了一層熔融硅48后，通過在露在外面的未熔塊狀多晶硅42上面加入粒狀多晶硅52來形成混合爐料，該粒狀多晶硅是通過安裝在熱反射器40的中心開口56上方的進(jìn)料管54加入的。進(jìn)料管的位置是活動(dòng)的，加入粒狀多晶硅之前和加入粒狀多晶硅過程中位于坩堝10中心的上方和正位于碗形爐料中心的上方。粒狀多晶硅通常加在坩堝10的中心線16附近的碗形塊狀多晶硅的中心或者底部。進(jìn)料管54有噴嘴55，其長(zhǎng)度通常選擇為保證粒狀多晶硅加料完畢后，噴嘴末端比形成的粒狀多晶硅輪廓的頂部高出大約1-2cm。噴嘴的典型長(zhǎng)度為大約8-12cm。噴嘴55和碗形爐料的壁共同作用，以減少加料時(shí)從碗形爐料的底部反彈出坩堝的粒狀多晶硅的量。
粒狀多晶硅加到爐料上的速率，取決于所用的坩堝直徑、多晶硅爐料(包括塊狀和粒狀)的總量而變化。例如，對(duì)于直徑為20英寸或22英寸的坩堝和大約75-100千克的爐料，粒狀多晶硅加料的典型速率為大約15-25千克/小時(shí)，優(yōu)選為大約19-21千克/小時(shí)。對(duì)于直徑為24英寸的坩堝和大約120-140千克的爐料，粒狀多晶硅加料的典型速率為大約20-30千克/小時(shí)，優(yōu)選為大約24-26千克/小時(shí)。對(duì)于直徑為32英寸的坩堝和大約150千克或更多的爐料，粒狀多晶硅加料的典型速率為大約40-60千克/小時(shí)。
初始裝入的塊狀多晶硅和加到未熔塊上的粒狀多晶硅的重量比大約為1∶2-2∶1，優(yōu)選值為大約2∶3-3∶2。例如，22英寸的坩堝、100千克的總爐料，基于上面討論的因素，塊狀多晶硅的裝入量最佳為大約55千克，總量的其余部分是粒狀多晶硅。
在加入粒狀多晶硅之前在坩堝底形成的一層熔融硅，用以防止坩堝底部的氬氣被封閉住。這是因?yàn)殚_始加熱時(shí)，氬氣可以通過坩堝中裝入的塊狀多晶硅之間的空洞或通道逸出來，空洞或通道通常如60所示。因此，在形成了一層熔融硅后再開始加入粒狀多晶硅是很重要的，因?yàn)榱疃嗑Ч钑?huì)填入空洞，封閉住氬氣，不讓其逸出。
在粒狀多晶硅的初始加入階段，拉晶裝置內(nèi)的壓力典型保持在1托左右。保持此壓力大約160-200分鐘，優(yōu)選值為大約170-190分鐘。拉晶裝置內(nèi)保持這種壓力是為了減少可能封閉在坩堝底部的氬氣量。允許氬氣逸出，可使單晶硅錠在生長(zhǎng)過程中不形成空洞。
現(xiàn)在參見圖6。在粒狀多晶硅和塊狀多晶硅形成混合料的初始階段，將粒狀多晶硅52加到碗形爐料的底部。然后，粒狀多晶硅通過或者說“細(xì)細(xì)流過”由于塊狀多晶硅的形狀不規(guī)則而在其之間存在的空洞，直到達(dá)到坩堝10底22的熔融硅48處。碗形爐料用以為粒狀多晶硅到達(dá)坩堝底部提供漏斗形通道，也用于防止塊狀多晶硅間的空洞在粒狀多晶硅到達(dá)底部之前被阻塞或填充。
如以前所述，當(dāng)粒狀多晶硅52加熱到熔點(diǎn)時(shí)，其所含的氫釋放出來。如果粒狀多晶硅和熔融硅過快接觸，粒狀多晶硅的溫度就會(huì)上升太快，使得所含的氫釋放太快。這種氫釋放太快會(huì)導(dǎo)致熔融硅的飛濺。如通常在圖6中的62處所示一樣，在熔融硅表面上方的未熔塊狀多晶硅，可偏轉(zhuǎn)濺起的熔融硅的液滴，這樣就避免了液滴飛出坩堝而附著在坩堝上方熱區(qū)的其它區(qū)域，如熱反射器40或進(jìn)料管54上。
現(xiàn)在參見圖7。隨著粒狀多晶硅52的持續(xù)進(jìn)料，最終有足夠的量填充坩堝10的底22處塊狀多晶硅間的空洞60。因此，粒狀多晶硅累積在混合多晶硅爐料的頂部，形成粒狀多晶硅帽64，該帽從中心線16沿徑向向外向下鋪展，以蓋住其下的塊狀和粒狀多晶硅。就此需指出的是，粒狀多晶硅形成的帽是指在線30或其上的部分，線30標(biāo)明側(cè)壁26的上部部分26(a)和下部部分26(b)的分界處。換而言之，粒狀多晶硅帽通常和側(cè)壁的上部部分相接觸。
優(yōu)選的情形是，在裝入爐料和形成硅熔體的過程中，坩堝10通常保持在使塊狀多晶硅爐料位于側(cè)加熱器28a中心的位置。但是，由于形成了粒狀多晶硅帽64，可能需要降低坩堝10來防止該帽和熱反射器40相接觸。如果坩堝10必須降低，則優(yōu)選的位置是坩堝的頂邊18保持在側(cè)加熱器28a的頂邊處或之上。就此需指出的是，坩堝是否需降低以及如果降低時(shí)所至的高度，都取決于坩堝的結(jié)構(gòu)、熱區(qū)結(jié)構(gòu)和爐料的量。所以，這些因素可能要求坩堝10的頂邊18應(yīng)該低于側(cè)加熱器28a的頂邊28b，以防止多晶硅帽64和熱反射器40接觸。如果這種情形發(fā)生，則應(yīng)在熔融足量的多晶硅爐料以防帽和熱反射器接觸后立刻升高坩堝。
現(xiàn)在參見圖8。繼續(xù)向坩堝中加入粒狀多晶硅，到達(dá)加夠爐料總量為止。例如，對(duì)于100千克的總爐料、初始加入的塊狀多晶硅大約為55千克，則繼續(xù)加入粒狀多晶硅到大約45千克的余量為止。余量的粒狀多晶硅累積在多晶硅混合料的頂部，形成一般常規(guī)尺寸、形狀和坡形的粒狀多晶硅帽64，該帽是由通常和側(cè)壁26的頂部部分26(a)相接觸并在線30以上的粒狀多晶硅構(gòu)成的。構(gòu)成帽的粒狀多晶硅的最終坡度通常等于加入的粒狀多晶硅的靜止角。隨著坩堝10底部22處的混合多晶硅爐料的繼續(xù)熔融，在熔融硅48上方的未熔的塊狀多晶硅42和粒狀多晶硅帽64都充當(dāng)屏蔽，以偏折可能由于氫的快速釋放而飛濺的所有熔融硅液滴，這樣防止液滴飛出坩堝。
粒狀多晶硅加入完畢后，要監(jiān)控加熱器的功率以控制粒狀多晶硅帽64熔化的速率?，F(xiàn)在參見圖9。加熱器功率的保持范圍應(yīng)確保，在帽64下方的塊狀42和粒狀52多晶硅的混合料，也即在線30或其下并通常和側(cè)壁26的下部部分26(b)接觸的多晶硅，以此某一速率熔化，此速率允許帽緩慢地進(jìn)入熔融硅熔體，以便能防止熔融硅濺到坩堝壁或懸在上方的熱區(qū)部件上。換而言之，保持加熱器功率是為了控制構(gòu)成帽的粒狀多晶硅，也即通常和側(cè)壁的上部部分接觸的粒狀多晶硅進(jìn)入硅熔體的速率。典型情形是，多晶硅以允許所述帽在大約60-120分鐘內(nèi)緩慢進(jìn)入硅熔體的速率熔化，優(yōu)選為大約75-105分鐘，最優(yōu)選為90分鐘左右。
參見圖10。控制加熱使得帽64緩慢落至上表面49以下而進(jìn)入熔融硅熔體48中，這樣可防止帽落入熔體中使熔融硅濺出坩堝。就此而論，本發(fā)明的方法尤其適用于有復(fù)雜結(jié)構(gòu)熱區(qū)的拉晶裝置。優(yōu)選復(fù)雜的熱區(qū)是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)更好地控制了粒狀多晶硅帽64的熔融，這樣限制了當(dāng)帽進(jìn)入熔體時(shí)熔融硅飛濺的可能性。
隨著在帽64下方的粒狀52和塊狀42多晶硅混合料的熔融，構(gòu)成帽的未熔多晶硅的溫度增加。通過控制帽64最終進(jìn)入熔融硅熔體的時(shí)間，使構(gòu)成帽的粒狀多晶硅持續(xù)處于某一范圍的溫度場(chǎng)中，該持續(xù)時(shí)間應(yīng)足以使其在浸入熔融硅之前脫氫。脫氫是指封閉的氫氣分子(H2)或者氫原子(H)通過多晶硅的晶體結(jié)構(gòu)擴(kuò)散。因此，影響脫氫的因素包括氫的溫度相關(guān)擴(kuò)散常數(shù)、氫擴(kuò)散出晶體結(jié)構(gòu)的必經(jīng)距離和時(shí)間。一般而言，對(duì)于特定尺寸的多晶硅塊和顆粒，溫度上升則擴(kuò)散常數(shù)變大，氫擴(kuò)散所需的時(shí)間縮短。
如果坩堝10在加入粒狀多晶硅時(shí)降低過，則當(dāng)多晶硅帽64一旦成功地進(jìn)入熔融硅48中后，就應(yīng)將坩堝返回原來的位置。再強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，坩堝優(yōu)選的位置是使多晶硅爐料位于側(cè)加熱器28a的中心。
需要指出的是，對(duì)于任意量的爐料和任意尺寸的坩堝，上述加熱器的功率等級(jí)和時(shí)間范圍都可以通過下述經(jīng)驗(yàn)規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化。這點(diǎn)很重要在帽下方的塊狀和粒狀多晶硅的混合料的熔融速率，應(yīng)使得帽緩慢地進(jìn)入熔體中。如果帽下的塊狀和粒狀多晶硅熔融太快，那么帽落入熔融硅熔體的必經(jīng)距離可能太大，這樣就使得熔融硅濺出坩堝。如果有上述情況，表明側(cè)加熱器的功率太高，當(dāng)制備下一鍋硅熔體時(shí)，不管是加入粒狀多晶硅還是加入完畢，都應(yīng)降低大約1-2kw。
相反，如果在帽下方的塊狀和粒狀多晶硅熔得太慢，那么帽最終會(huì)形成橋脫離熔融硅熔體的表面，喪失其和熔體之間的熱傳導(dǎo)途徑。因此，如果粒狀多晶硅加料完畢后大約90-100分鐘之內(nèi)，帽還沒有落入熔體中，則應(yīng)將側(cè)加熱器的功率提高大約1kw。如果粒狀多晶硅加料完畢后大約120分鐘之后，帽還沒有落入熔體中，側(cè)加熱器的功率則應(yīng)提高大約2kw。如果粒狀多晶硅加料完畢后大約150分鐘之后，帽還沒有落入熔體中，側(cè)加熱器的功率應(yīng)再提高大約2kw。
如果粒狀多晶硅加料完畢后大約180分鐘之后，所述帽還沒有落入熔體中，則可能形成了橋。如果有這種情形，那么，由于帽和坩堝的結(jié)合變松而落入熔體，硅熔體發(fā)生大量飛濺的可能性就很大。這種情況有害，所以優(yōu)選做法為廢掉此爐料，制備新的熔體，其時(shí)側(cè)加熱器的總功率應(yīng)至少增加大約3-4kw。
按照本發(fā)明的方法，通常優(yōu)選粒狀多晶硅加入到碗形的塊狀多晶硅爐料中，因?yàn)榱畋葔K狀的流動(dòng)性更好。優(yōu)選情形是，粒狀多晶硅沒有起塵，而且大約90％重量比的粒子分布在大約400um-1400um之間。由于事實(shí)上塊狀多晶硅和粒狀多晶硅帽將飛濺限制在坩堝內(nèi)部，所以粒狀多晶硅中的氫含量不要求是很嚴(yán)格。粒狀多晶硅的氫含量不要求窄范圍的低，還因?yàn)闃?gòu)成帽的粒狀多晶硅能在浸入熔融硅熔體之前脫氫。所以本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)方法優(yōu)越之處在于，它提供了一種可采用較寬范圍的平均氫含量的粒狀多晶硅的方法，包括平均含氫量最高可達(dá)200ppma左右。但優(yōu)選情形為，粒狀多晶硅的平均含氫量小于大約50ppma，更優(yōu)的情況是小于20ppma。
本發(fā)明的方法提供了這種方法，采用該方法可以減少制備熔融硅熔體所需的時(shí)間，同時(shí)避免會(huì)在生長(zhǎng)的單晶硅錠中引進(jìn)缺陷的上述問題。這樣就提高了無位錯(cuò)單晶制品的綜合產(chǎn)量和生產(chǎn)能力。例如，在給定的有復(fù)雜結(jié)構(gòu)熱區(qū)的拉晶裝置中制備100千克的熔融硅熔體，全部所需時(shí)間為大約6.5-7.5小時(shí)。應(yīng)指出的是，如果帽在上述時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)入了熔體中，而完全熔融爐料的時(shí)間超過了7.5小時(shí)，則在準(zhǔn)備下一鍋熔體時(shí)，加熱器的功率等級(jí)在大約5.5小時(shí)后應(yīng)增加大約1kw。相反，如果完全熔融爐料的時(shí)間少于大約6.5小時(shí)，則加熱器的功率等級(jí)在大約5.5小時(shí)后應(yīng)降低大約1kw。
很重要的是，粒狀多晶硅加進(jìn)坩堝的速率應(yīng)該保持在上面給定的范圍。如果加料速率低于給定的下限，則可能在形成粒狀多晶硅帽之前過多的塊狀多晶硅已熔融了。如果這種情況發(fā)生，那么，由于沒有足夠的塊狀多晶硅在氫從正在熔融的粒狀多晶硅中逸出時(shí)偏轉(zhuǎn)熔融硅，熔融硅可能濺出坩堝。相反，如果加料速率超過給定的上限，為了熔融爐料可能需要增加加熱器的功率。而增加加熱器功率可能使帽下方的粒狀和塊狀多晶硅的混合爐料熔得太快，導(dǎo)致熔融硅在帽進(jìn)入熔體時(shí)飛濺。
權(quán)利要求
1.一種制備用于按照丘克拉斯基方法生長(zhǎng)單晶硅錠的硅熔體的方法，制備該硅熔體的坩堝具有底、側(cè)壁、基本上平行于所述側(cè)壁并截過底面幾何中心點(diǎn)的中心線、和從中心線到側(cè)壁間的半徑，本方法包括將塊狀多晶硅裝入坩堝以形成碗狀的爐料，其中爐料裝載通常先沿徑向從中心線向上向外朝著側(cè)壁方向傾斜至坡頂，然后從該坡頂一般向下向外傾斜至側(cè)壁；加熱碗形的塊狀多晶硅爐料使之部分熔融；在碗狀的部分熔融的爐料上加入粒狀多晶硅，形成塊狀和粒狀多晶硅的混合料；加熱以及混合料形成硅熔體。
2.一種在坩鍋中制備用于按照丘克拉斯基方法生長(zhǎng)單晶硅錠的硅熔體的方法，制備該硅熔體的坩堝具有底、側(cè)壁、基本上平行于所述側(cè)壁并截過底面幾何中心點(diǎn)的中心線、和從該中心線到側(cè)壁間的半徑，本方法包括將塊狀多晶硅裝入坩堝；加熱塊狀多晶硅形成部分熔融的爐料，該爐料包括有上表面的熔融硅和露在該熔融硅的該上表面上的未熔塊狀多晶硅；將粒狀多晶硅加到露在外面的未熔的塊狀多晶硅上，形成混合多晶硅爐料，一部分粒狀多晶硅穿過未熔塊狀多晶硅之間的空隙直到其和所述熔融的硅接觸；加熱混合多晶硅爐料以形成硅熔體，露在熔融硅上表面上方的未熔塊狀多晶硅起偏轉(zhuǎn)熔融硅的飛濺的作用，該飛濺是由于粒狀多晶硅與熔融硅接觸及熔化時(shí)氫逸出造成的。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，為了防止單晶硅錠中形成空洞缺陷，在加入粒狀多晶硅之前形成部分熔融的爐料。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，通過熔融大約6％-8％重量百分比的塊狀多晶硅形成所述部分熔融的爐料。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，塊狀多晶硅裝入坩堝形成碗狀的爐料，其中爐料裝載通常先沿徑向從中心線向上向外朝著側(cè)壁方向傾斜至坡頂，然后從坡頂向下向外傾斜至側(cè)壁。
6.如權(quán)利要求1或5所述的方法，其中，粒狀多晶硅加到碗形部分熔融的爐料的靠近中心線處。
7.如權(quán)利要求1或5所述的方法，其中，碗形塊狀多晶硅爐料在側(cè)壁處的高度，不大于混合多晶硅爐料熔融完畢后的硅熔體高度。
8.如權(quán)利要求1或5所述的方法，其中，所述坡頂通常形成碗形塊狀多晶硅爐料的環(huán)形邊。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述環(huán)形邊的半徑沿徑向從中心線向外至坩堝側(cè)壁的距離測(cè)量時(shí)，為坩堝半徑的6/10-8/10左右。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述環(huán)形邊的高度從坩堝底測(cè)量時(shí)為大約22-25cm。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述環(huán)形邊的高度和爐料在中心線附近的高度之比大約為3∶1-2.5∶1。
12.一種在坩鍋中制備用于按照丘克拉斯基方法生長(zhǎng)單晶硅錠的硅熔體的方法，制備該硅熔體的坩堝具有底、包括頂部和底部的側(cè)壁、基本上平行于所述側(cè)壁并截過底面幾何中心點(diǎn)的中心線、和從中心線到側(cè)壁的半徑，本方法包括將塊狀多晶硅裝入坩堝；加熱塊狀多晶硅形成部分熔融的爐料，該爐料包括具有上表面的熔融硅和露在該熔融硅該上表面上方的未熔塊狀多晶硅；將粒狀多晶硅加到露在外面的未熔的塊狀多晶硅上，形成混合多晶硅爐料，粒狀多晶硅累積在混合多晶硅爐料的頂部形成粒狀多晶硅帽；以及熔融混合的多晶硅爐料形成硅熔體。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，粒狀多晶硅加料完畢后，所述粒狀多晶硅帽一般和側(cè)壁的所述頂部接觸。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述粒狀多晶硅帽位于熔融硅的上表面的上方，并起偏轉(zhuǎn)熔融硅的飛濺的作用，該飛濺是由于粒狀多晶硅與熔融硅接觸和熔化時(shí)逸出氫造成的。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，混合多晶硅爐料的熔融速率應(yīng)使得，所述粒狀多晶硅帽在粒狀多晶硅添加完畢后大約75-105分鐘時(shí)進(jìn)入硅熔體。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，應(yīng)使得包括所述粒狀多晶硅帽的粒狀多晶硅在和硅熔體表面接觸之前脫氫。
全文摘要
一種用多晶硅爐料制備硅熔體的方法,該硅熔體用于按照丘克拉斯基方法制取單晶硅錠。制備硅熔體所用的坩堝為底、側(cè)壁結(jié)構(gòu),其中心線基本上平行于側(cè)壁并截過底面幾何中心點(diǎn),半徑為從中心線到側(cè)壁的距離。本方法中,將塊狀多晶硅裝入坩堝形成碗狀爐料,其中爐料的初始形狀是,通常沿徑向從中心線向上向外朝著側(cè)壁方向傾斜至坡頂,然后從坡頂向下向外傾斜至側(cè)壁。加熱碗形塊狀多晶硅爐料使之部分熔融,再在其上加入粒狀多晶硅,形成塊狀和粒狀多晶硅的混合料;繼續(xù)加熱混合多晶硅爐料使其形成硅熔體,而位于硅熔體表面上方的未熔塊狀多晶硅,在粒狀多晶硅快速熔融并釋放出氫時(shí)為可能飛濺的熔融硅導(dǎo)流。
文檔編號(hào)C30B15/02GK1276026SQ98810175
公開日2000年12月6日 申請(qǐng)日期1998年10月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月16日
發(fā)明者J·D·霍爾德 申請(qǐng)人:Memc電子材料有限公司