大直径硅单晶及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，特别是涉及一种大直径硅单晶及其制造方法。

背景技术

直拉单晶制造法（Czochralski，CZ法）是具代表性的硅单晶生长工艺，为了容纳硅熔液，使用了石英坩埚。在石英坩埚中填充多晶硅原料，用加热器加热熔化后，在硅熔液中使籽晶进行浸渍，并逐渐上升，从而可以生长大直径硅单晶。CZ法包括熔融固体原料的熔融（Melting）工艺；为消除籽粒生长时产生的位错，在单晶生长初期细长地生长单晶的引晶（Necking）工艺；将单晶直径扩大到目标直径的放肩（Shouldering）工艺；将单晶保持在目标直径的同时，将单晶生长到目标长度的等径（Body）工艺以及逐渐减少单晶直径的同时，将单晶与熔液分离的收尾（Tailing）工艺。根据CZ法成长的单晶，通常在等径工艺中成长的等径部分被产品化成半导体晶片或刻蚀工程零件、太阳能用基板等。这些产品的质量不仅会受到等径工艺的影响，还会受到多晶原料熔融工艺及后续工艺的影响。特别是，由于熔融工艺的特性，无法避免的会在硅熔液中形成气泡，如果这种硅熔液中的气泡没有充分去除，则气泡会流入生长的单晶中，导致单晶硅棒中针孔发生率较高，从而导致生长的大直径硅单晶的质量大幅下降，不利于产品应用。

发明内容

基于此，有必要针对如何降低针孔发生率的问题，提供一种大直径硅单晶及其制造方法。

一种大直径硅单晶的制造方法，依次包括硅料熔融工艺、引晶工艺、等径工艺和收尾工艺，在所述硅料熔融工艺与所述引晶工艺之间还设有浸泡工艺，所述浸泡工艺中的加热功率为所述引晶工艺中的加热功率的105%~130%。

经过试验验证，应用本发明技术方案的大直径硅单晶的制造方法，能够有效去除在坩埚的内壁上形成的气泡，避免残留的气泡流入生长的单晶中，从而有效降低针孔发生率，改善大直径硅单晶的质量，有利于应用。

在一个可行的实现方式中，所述浸泡工艺中的加热功率为所述引晶工艺中的加热功率的115%~130%。经过试验验证，当浸泡工艺中的加热功率为引晶工艺中的加热功率的115%~130%时，能够明显去除在坩埚的内壁上形成的气泡，避免残留的气泡流入生长的单晶中，从而有效降低针孔发生率，显著改善大直径硅单晶的质量；同时能够避免发生石英坩埚损伤等工艺事故。

在一个可行的实现方式中，所述浸泡工艺中的加热功率为所述引晶工艺中的加热功率的120%~130%。经过试验验证，当浸泡工艺中的加热功率为引晶工艺中的加热功率的120%~130%时，能够显著去除在坩埚的内壁上形成的气泡，避免残留的气泡流入生长的单晶中，从而有效降低针孔发生率，显著改善大直径硅单晶的质量；同时能够避免发生石英坩埚损伤等工艺事故。

在一个可行的实现方式中，所述浸泡工艺的处理时间不少于30min。这样能够使得气泡内的气体尽可能排出。

在一个可行的实现方式中，所述浸泡工艺的处理时间为30min~120min。这样能够使得气泡内的气体尽可能排出，同时兼顾了生产效率。

在一个可行的实现方式中，所述浸泡工艺中的压力为所述引晶工艺中压力的50%~110%。

在一个可行的实现方式中，所述浸泡工艺中，坩埚的转速为0.1rpm~10rpm，惰性气体的流量为80lpm~200lpm。

在一个可行的实现方式中，所述硅料熔融工艺之后，硅熔液的液面位置低于加热器顶部50mm~300mm。

在一个可行的实现方式中，所述硅料熔融工艺之后，硅熔液的液面位置低于加热器顶部100mm~200mm。

一种大直径硅单晶，采用上述任一的大直径硅单晶的制造方法制造得到。

经过试验验证，采用上述大直径硅单晶的制造方法制造得到的大直径硅单晶中针孔发生率较低，大直径硅单晶的质量较高，有利于应用。

附图说明

图1为本发明部分实施例和对比例的大直径硅单晶的制造方法中浸泡工艺中的加热功率与针孔发生率的关系图。

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。

本发明的发明人经过研究发现，以往的发明误解了熔液中的气泡受SiO气体形成的影响。但是通过数十次实验结果推论的话，完全不是这样。如果SiO气体的发生成为直接原因，那么加热功率越高，针孔的发生率就越高。因为，如果加热功率提高，过度加热产生的SiO气体就会更加活跃。但实际实验结果却相反。其理由可以如下说明。即使通过过度加热增加SiO气体，由于硅熔液的对流现象，最终到达硅熔液的表面，并被气氛气体氩气的流动去除，因此完全没有问题。此外，过度加热可能发生的SiO气体仅以相当小的大小存在。

本发明的发明人经过研究还发现，硅单晶生长过程中进入晶体的气泡来源是残留在石英坩埚内壁上的气泡，这是硅熔液与石英坩埚的边界。硅多晶原料装入时产生的空隙即使在熔融过程中发生气泡，也会因浮力差异而通过熔液表面释放，但部分会附着在石英坩埚的内壁上残存。最终，这样残存的气泡在硅单晶生长过程中，因熔液内的对流现象，通过晶体生长界面流入单晶，成为针孔缺陷。

硅原料熔融后，要想充分去除残留在坩埚内壁上的气泡，加热功率越高越有利。究其原因，随着温度的升高，气泡更加膨胀，熔液中温差引起的自然对流更加活跃。但是过高的加热功率会引起石英坩埚的变形，从而导致正常的硅单晶生长失败。因此，用不会发生石英坩埚变形的最大热功率进行稳定化处理非常重要。生长通道内的高压力会阻碍气泡的排出，因此最好保持低压力。

本发明的发明人经过研究还发现，在填充多晶原料的过程中，由于原料填充状态和不足的填充等，在坩埚的内壁上形成气泡。为了去除形成的气泡，必须在硅料熔融结束后对硅熔液进行稳定化处理。但是过度的稳定化或过度的熔融会导致含有硅熔液的石英坩埚的损伤，导致正常结晶成长失败。结果会引发相当大的损失费用，因此必须避免过度的熔融和稳定化。

为此，本发明提出一实施方式的大直径硅单晶的制造方法，依次包括硅料熔融（Melt）工艺、浸泡（Soaking）工艺、引晶（Necking）工艺、等径（Body）工艺和收尾（Tailing）工艺，其中，浸泡工艺中的加热功率（Soaking Power）为引晶工艺中的加热功率（Dip-Power，DP）的105%~130%。需要说明的是，本发明中的大直径硅单晶的直径不小于300mm。

其中，硅料熔融工艺指的是将硅料放置于单晶炉的坩埚内，之后启动加热器进行加热，温度升至硅料的熔融温度之后使硅料熔融，得到硅熔液。其中，浸泡工艺指的是在硅料熔化结束后，停留一段时间，这个停留的过程即稳定化。其中，引晶工艺能够消除籽粒生长时产生的位错，在单晶生长初期细长地生长单晶。

采用上述技术方案能够有效去除在坩埚的内壁上形成的气泡，避免残留的气泡流入生长的单晶中，从而有效降低针孔发生率，改善大直径硅单晶的质量。此外，采用上述技术方案还不会发生石英坩埚损伤等工艺事故，同时几乎不发生额外的费用。

在前述实施方式的基础上，浸泡工艺中的加热功率为引晶工艺中的加热功率的115%~130%。经过试验验证，当浸泡工艺中的加热功率为引晶工艺中的加热功率的115%~130%时，能够明显去除在坩埚的内壁上形成的气泡，避免残留的气泡流入生长的单晶中，从而有效降低针孔发生率，显著改善大直径硅单晶的质量；同时能够避免发生石英坩埚损伤等工艺事故。

在前述实施方式的基础上，浸泡工艺中的加热功率为引晶工艺中的加热功率的120%~130%。经过试验验证，当浸泡工艺中的加热功率为引晶工艺中的加热功率的120%~130%时，能够显著去除在坩埚的内壁上形成的气泡，避免残留的气泡流入生长的单晶中，从而有效降低针孔发生率，显著改善大直径硅单晶的质量；同时能够避免发生石英坩埚损伤等工艺事故。

在前述实施方式的基础上，浸泡工艺的处理时间不少于30min。这样能够使得气泡内的气体尽可能排出。

在前述实施方式的基础上，浸泡工艺的处理时间为30min~120min。这样能够使得气泡内的气体尽可能排出，同时兼顾了生产效率。

在前述实施方式的基础上，稳定化工艺中的压力为引晶工艺中压力的50%~110%。

浸泡工艺中的压力为5Torr~30Torr。此时有利于使硅熔液中存在的气泡顺畅地排出。

在前述实施方式的基础上，浸泡工艺中，坩埚的转速为0.1rpm~10rpm，惰性气体的流量为80lpm~200lpm。这样能够避免惰性气体的流量过低导致单晶炉内沉积大量氧化物而导致多晶化，同时能够避免惰性气体的流量过高导致去除相当多的氧化物而产生排气过滤器系统堵塞的副作用。

在前述实施方式的基础上，硅料熔融工艺之后，硅熔液的液面位置低于加热器顶部50mm~300mm。一方面，如果硅熔液位置过低，石英坩埚会因加热器热量过大而发生石英坩埚变形；另一方面，如果石英坩埚高度高，则无法从加热器充分接收热量，从而不符合本发明的目的。

在前述实施方式的基础上，硅料熔融工艺之后，硅熔液的液面位置低于加热器顶部100mm~200mm。这样能够充分避免石英坩埚会因加热器热量过大而发生石英坩埚变形，同时使石英坩埚从加热器充分接收热量，从而实现本发明的目的。

此外需要说明的是，本发明的大直径硅单晶的制造方法还可以包括其他本领域常用的长晶步骤，例如还包括将单晶直径扩大到目标直径的肩（Shouldering）工艺；将单晶保持在目标直径的同时，将单晶生长到目标长度的等径（Body）工艺以及逐渐减少单晶直径的同时，将单晶与硅熔液分离的收尾（Tailing）工艺。

经过试验验证，应用本发明技术方案的大直径硅单晶的制造方法，能够有效去除在坩埚的内壁上形成的气泡，避免残留的气泡流入生长的单晶中，从而有效降低针孔发生率，改善大直径硅单晶的质量，有利于应用。

一实施方式的大直径硅单晶，上述任一的大直径硅单晶的制造方法制造得到。

经过试验验证，采用上述大直径硅单晶的制造方法制造得到的大直径硅单晶中针孔发生率较低，大直径硅单晶的质量较高，有利于应用。

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9。

实施例1

实施例1提供一种大直径硅单晶及其制造方法，其中，以生产高纯度18英寸单晶硅棒（晶向100、电阻率1欧姆厘米~4欧姆厘米）为例，坩埚的内径均为780mm。

实施例1的大直径硅单晶的制造方法如下：

（1）硅料熔融（Melt）工艺：将400kg硅原料加入坩埚内，设定加热器功率为130kW（为引晶工艺中加热器功率的130%），坩埚的旋转速度为1rpm，氩气流量为100lpm，炉内压力为15Torr，硅原料熔化后的硅熔液表面位置低于加热器顶部120mm。

（2）浸泡（Soaking）工艺：设定加热器功率为125kW（为引晶工艺中加热器功率的125%），坩埚旋转速度为0.5rpm，氩气流量为110lpm，炉内压力为15Torr，硅原料熔化后静置120min。

（3）引晶（Necking）工艺：设定加热器功率为100kW（作为基准100%），坩埚旋转速度为0.5rpm，氩气流量为110lpm，炉内压力为15Torr。

（4）放肩（Shouldering）工艺：设定加热器功率为100kW（作为基准100%），坩埚旋转速度为0.5rpm，氩气流量为110lpm，炉内压力为15Torr。将单晶直径扩大到18英寸。

（5）等径（Body）工艺：加热器功率具有从肩（Shouldering）最后水平开始并持续降低后再次增加的曲线。

（6）收尾（Tailing）工艺：持续增加加热功率以完成收尾形状。为了将晶体直径减小到期望的形状，调节晶体提升速度。结果，晶体生长界面最小化，并且没有问题地从熔融表面分离。

采用上述方法拉制10根单晶硅棒，统计针孔（Pin-hole）发生率为0.3%。实施例1中部分参数以及针孔发生率请见表1。

实施例2~实施例9

实施例2~实施例9分别提供一种大直径硅单晶及其制造方法，各实施例的制造过程与实施例1相同，区别在于，制造过程中的部分参数不同，不同参数以及针孔发生率请见表1。

对比例1~对比例5

对比例1~对比例5分别提供一种大直径硅单晶及其制造方法，各实施例的制造过程与实施例1相同，区别在于，制造过程中的部分参数不同，不同参数以及针孔发生率请见表1。

对比例6

对比例6提供一种大直径硅单晶及其制造方法，与实施例1的区别仅在于，无步骤（2）浸泡（Soaking）工艺。对比例6的大直径硅单晶的针孔发生率请见表1。

表1 实施例1~9和对比例1~6的大直径硅单晶的制造方法中的参数及性能

根据表1中实施例1、3、5~7和对比例1、4、5的大直径硅单晶的制造方法中浸泡工艺中的加热功率与针孔发生率的关系，绘制得到图1。结合表1和图1可以看出，在浸泡工艺中的加热功率不小于引晶工艺中的加热功率的105%时，针孔的发生率得到有效改善；在浸泡工艺中的加热功率大于引晶工艺中的加热功率的115%时，针孔的发生率得到更有效的改善；但当浸泡工艺中的加热功率超过引晶工艺中的加热功率的130%时，容易使坩埚变形。此外，对比例6中无浸泡工艺，针孔发生率高达85.8%。这表明采用本发明技术方案的大直径硅单晶的制造方法能够有效去除在坩埚的内壁上形成的气泡，避免残留的气泡流入生长的单晶中，从而有效降低针孔发生率，改善大直径硅单晶的质量；同时还不会发生石英坩埚损伤等工艺事故。

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。