用于生长单晶硅锭的方法以及设备

技术领域

实施方式涉及单晶硅锭的生长，更具体地，涉及用于生长单晶硅锭的方法以及设备，其能够防止在单晶硅锭生长期间由于硅熔体中的氩(Ar)原子溶解而在单晶硅锭生长后所制造的晶片中产生针孔。

背景技术

通常，通过包括如下的工艺制造硅晶片：用于生产锭的单晶生长工艺、用于对锭进行切片来获得具有薄圆盘形状的晶片的切片工艺、用于去除由于切片而残留在晶片中的由机械加工引起的损坏的研磨工艺、用于对晶片进行镜面抛光的抛光工艺以及用于对经抛光晶片进行镜面抛光并去除附着在晶片上的磨料和异物的清洁工艺。

在上述工艺中，用于生长硅单晶的工艺可以通过如下进行：加热其中填装有高纯度硅熔体的生长坩埚，从而使原料熔化，并通过丘克拉斯基法(Czochralski method)(以下称为“CZ法”)等来使硅单晶生长。本公开中要实施的方法可以应用于CZ法，其中，将晶种放置在硅熔体上，由此生长单晶。

CZ法使用由石英制成的高纯度坩埚，因为需要以高产量制造高纯度单晶硅锭，并且当单晶硅锭具有大直径时需要长时间升高单晶硅锭。

然而，常规单晶硅锭生长设备具有以下问题。

为了获得硅熔体(Si熔体)，将多晶硅(poly-Si)供应到坩埚中，然后对坩埚进行加热以熔化多晶硅。在这种情况下，将惰性气体如氩(Ar)供应到腔室内部，但是氩原子可能附着到多晶硅的表面，并且因此可以与熔化的多晶硅一起包含在硅熔体中。

如上所述的包含在硅熔体中的氩原子可以包含在由硅熔体所生长的单晶硅锭中，并且因此可以形成空隙。此外，在通过上述工艺制造的晶片中，空隙可以形成针孔，由此导致晶片故障。

发明内容

技术问题

实施方式提供用于生长单晶硅锭的方法和设备，其能够防止由此制造的晶片(wafer)中形成针孔。

技术方案

本公开的目的可以通过提供一种生长单晶硅锭的方法来实现，所述方法包括如下步骤：(a)在腔室内的坩埚中填装多晶硅；(b)使坩埚中的多晶硅熔化，由此形成硅熔体；(c)测量多晶硅的熔化程度；和(d)在预定部分多晶硅已经熔化之后，增加供应到腔室的惰性气体的供应量，同时降低腔室的内部压力。

所述方法还可包括如下步骤：(e)在多晶硅熔化完成之后，在坩埚中额外填装多晶硅。步骤(e)中腔室的内部压力可以调节为等于步骤(d)中腔室的内部压力。

在步骤(e)中可以减少供应至腔室的惰性气体的供应量。

所述方法还可以包括如下步骤：(f)在步骤(e)中填装的预定部分多晶硅已经熔化之后，增加供应到腔室的惰性气体的供应量。

步骤(f)中腔室的内部压力可以调节为等于步骤(e)中腔室的内部压力。

多晶硅的熔化程度的测量可以基于通过测量硅熔体表面所获得的坩埚中硅熔体表面的低温部分和高温部分之间的比率来确定。

低温部分的温度可以为800℃至900℃，并且高温部分的温度可以为1000℃或更高。

腔室的内部压力可以通过设置在腔室下方的排气单元来调节。

所述方法还可以包括如下步骤：(g)在步骤(f)之后使坩埚沿预定方向或相反方向旋转。

步骤(g)中供应至腔室的惰性气体量和腔室的内部压力可以调整至等于步骤(f)中供应至腔室的惰性气体量和腔室的内部压力。

坩埚的旋转速度可以为5rpm或更快，并且坩埚的旋转时间可以为1小时或更久。

在本公开的另一方面中，本文提供了一种用于生长单晶硅锭的设备，其包括：腔室；坩埚，其设置在腔室内部并且构造成容纳硅熔体；加热器，其设置在腔室内部并围绕坩埚放置；设置在坩埚上部部分处的隔热屏；惰性气体供应器，其构造为向腔室内部区域供应惰性气体；

温度测量器，其构造成测量硅熔体的表面温度；排气单元，其构造为调节腔室的内部压力；坩埚旋转器，其构造成支撑坩埚并使之旋转；和控制器，其构造成控制排气单元、惰性气体供应器、温度测量器和坩埚旋转器的运行。

在最初填装在坩埚中的预定部分多晶硅熔化之后，控制器控制惰性气体供应器和排气单元以增加供应到腔室的惰性气体的供应量并降低腔室的内部压力。

在初始填装到坩埚中的多晶硅熔化完成后，可以将多晶硅额外填装到坩埚中，并且在进行额外多晶硅填装时，控制器可以控制惰性气体供应器和排气单元，以使腔室的内部压力保持恒定并减少惰性气体的供应量。

在坩埚中额外填装的多晶硅熔化完成之后，控制器可以控制坩埚旋转器，从而使坩埚以预定速度沿预定方向或相反方向旋转。

有益效果

在根据实施方式的硅单晶锭生长方法和设备中，通过调节填装和熔化多晶硅的步骤中的腔室的内部压力和氩气的供应量，可以降低由所制造晶片中产生针孔引起的故障率。

附图说明

图1是显示根据本公开一个实施方式的单晶硅锭生长设备的图。

图2是显示图1设备中各构造运行的图。

图3是显示根据本公开一个实施方式的单晶硅锭生长方法的图。

图4至7是显示图3方法中多晶硅供应和熔化的图。

图8A至8C是显示根据本公开实施方式的单晶硅锭生长方法中氩供应量和腔室内部压力的图。

图9A至9C是显示根据本公开实施方式的单晶硅锭生长方法中坩埚旋转的图。

图10和11是显示根据本公开实施方式的单晶硅锭生长方法和设备的效果的图。

具体实施方式

下文中，为了详细描述本公开，将结合实施方式对本公开进行描述。为了更好理解本公开，将结合附图对本公开进行详细描述。

但是，本公开的实施方式可以以许多不同的形式实施并且不应被解读成限于本文中提出的实施方式。相反，提供这些实施方式使得说明完备和完整，能够向本领域技术人员完全地展示本文的范围。

此外，可以理解，下文中使用的关系术语如“第一”、“第二”、“在……上”和“在……下”可以仅解释为将一个元素/元件与另一个元素/元件区分开来，而不必要求或涉及元素/元件之间的特定物理或逻辑关系或顺序。

图1是显示根据本公开一个实施方式的单晶硅锭生长设备的图。在下文中，将会参照图1对根据本公开实施方式的单晶硅锭生长设备进行描述。

根据本公开一个实施方式的单晶硅锭生长设备1000可以包括：其中形成有空间的腔室100，在该空间中从硅熔体(Si熔体)生长硅单晶锭；坩埚200-250，其构造成容纳硅熔体；加热器400，其构造成对坩埚200-250进行加热；坩埚旋转器300，其构造成使坩埚200-250旋转并升高；隔热屏600，其设置在坩埚200-250的上部部分处以阻隔加热器400向着单晶硅锭的热量；冷却剂管道500，其设置在腔室100内部中腔室100的上部部分处，并且构造成使得升高的热单晶硅锭冷却；惰性气体供应器(未示出)，其构造为向腔室100内部区域供应惰性气体；和温度测量器800，其构造成测量硅熔体的表面温度。

腔室100提供了空间，在该空间中实施由硅熔体(Si熔体)形成单晶硅锭的预定工艺。

坩埚200-250可以设置在腔室100内部，从而容纳硅熔体(Si熔体)。坩埚200-250可以由直接接触硅熔体的第一坩埚200和支撑第一坩埚200、同时包围第一坩埚200外表面的第二坩埚250构成。第一坩埚200可以由石英制成，第二坩埚250可以由石墨制成。

第二坩埚250可以划分成两部分或三部分，以应对第一坩埚200因热量而膨胀。例如，当将第二坩埚250划分成两部分时，在两部分之间形成间隙，因此，即使第二坩埚250内的第一坩埚200膨胀时，第二坩埚250也可以不会损坏。

可以在腔室100内提供隔绝部，以防止加热器400的热量释放。尽管在该实施方式中仅显示了在坩埚200-250上部部分处的隔热屏600，但是隔绝部也可以分别设置在坩埚200-250侧表面处和坩埚200-250下方。

加热器400可以使供应至坩埚200-250内部的多晶硅熔化，从而产生硅熔体(Si熔体)。加热器400可以从设置在加热器400上方的电流供应棒(未示出)接收电流。

磁场发生器(未示出)可以设置在腔室100外侧，从而向坩埚200-250施加水平磁场。

坩埚旋转器300可以设置在坩埚200-250底表面的中心部分，以支撑坩埚200-250和使之旋转。当从设置在坩埚200-250上的晶种夹头10垂下的晶种(未示出)浸入硅熔体中，然后使硅熔体固化时，可以从晶种生长单晶硅锭。

在单晶硅锭生长工艺期间，可以将惰性气体如氩气(Ar)供应至腔室100的内部。在该实施方式中，可以由惰性气体供应器(未示出)供应氩。

惰性气体供应器可以设置在腔室100外侧，并且可以通过设置在腔室100上部区域中的开口将氩供应至腔室100的内部。在从硅熔体(Si熔体)蒸发之后，由惰性气体供应器供应的氩可以排出残留在腔室100内部的氧，但也可以以附着至多晶硅表面的状态渗入硅熔体。为了防止氩渗透硅熔体，单晶硅锭生长设备和方法可以具有以下构造。

温度测量器800可以是例如高温计。在该情况下，温度测量器800可以成对设置在腔室100上方，而不限于此。例如，当设置一对温度测量器800时，该温度测量器800对可以分别设置在相对于腔室100中心对称的位置处。温度测量器800可以测量硅熔体的表面温度。

透明区域110设置在腔室100的上部区域中。例如，透明构件可以设置在透明区域110中，并且各个温度测量器800可以通过透明区域110对来测量硅熔体(Si熔体)的表面温度。

图2是显示图1设备中各构造运行的图。

除了如图1所示坩埚旋转器300和温度测量器800之外，根据该实施方式的单晶硅锭生长设备1000还可以包括排气单元150和惰性气体供应器900。排气单元150、坩埚旋转器300、温度测量器800和惰性气体供应器900的运行可以通过控制器700进行控制。

图3是显示根据本公开一个实施方式的单晶硅锭生长方法的图。在下文中，使用图1和2的单晶硅锭生长设备生长单晶硅锭的方法将参考图3进行描述。

首先，在腔室内的坩埚中填装多晶硅(多晶Si)(S100)。

在该情况下，作为惰性气体，可以将氩供应至腔室。因此，氩原子可以吸附在坩埚200中的多晶硅表面上，如图4所示。

然后，可以通过加热构件等使坩埚温度升高，并且由此可以使坩埚中的多晶硅熔化，从而产生硅熔体(S110)。在该情况下，多晶硅可以根据其熔化来形成硅熔体(Si熔体)，并且尚未熔化的部分多晶硅可以漂浮在硅熔体的表面上，如图5所示。在该情况下，部分氩元素可以处于仍然吸附在未熔化多晶硅表面上的状态下。

然后，可以测量多晶硅的熔化程度(S120)。在该情况下，多晶硅的熔化程度的测量可以通过用上述温度测量器等确定硅熔体表面的低温部分和高温部分之间的比率来实现。由于固态多晶硅的温度大大低于液态硅熔体的温度，可以通过由温度测量器等测量坩埚中硅熔体的表面温度来测量低温多晶硅漂浮在高温硅熔体上的温度分布轮廓。

例如，低温部分(即，低温多晶硅)的温度可以为800℃至900℃，并且高温部分(即，硅熔体)的温度可以为1000℃或更高。

在预定部分多晶硅被测量为已经熔化时，可以增加供应到腔室的氩气的供应量，并且可以降低腔室的内部压力(S130)。

预定部分多晶硅被测量为已熔化的情况意味着坩埚200中的硅熔体表面处的低温多晶硅的表面积等于或小于预定值。实际上，难以测量多晶硅熔化部分的重量。为此，通过由温度测量器测量坩埚200的内部温度来确定坩埚200中硅熔体表面处的低温多晶硅的表面积是否等于或小于预定值。当坩埚200中硅熔体表面处的低温多晶硅的表面积等于或小于预定值时，可以预估多晶硅的预定部分已经熔化。例如，当坩埚200中硅熔体表面处的低温多晶硅的表面积等于或小于10％时，可以确定已建立了给定的条件。

当在大量多晶硅保留在坩埚200中的状态下供应氩气时，氩原子可能被吸附至多晶硅的表面上。因此，在该情况下，可以不增加氩气供应量。另一方面，当确定预定部分多晶硅已熔化时，由于氩被吸附或捕获在多晶硅表面上的可能性降低，可以增加氩气供应量。

在该情况下，如图6所示，通过增加氩气供应量或供应速度，可以将氩气从硅熔体表面或与其相邻的区域向外排出。此外，通过降低腔室的内部压力，可以有效地释放硅熔体表面处的氩原子和其它原子。此处，其它原子可以是碳或氧。例如，在碳的情况下，碳可以从腔室100中的多个部分引入到硅熔体中。在氧的情况下，氧可以从坩埚200中的石英引入到硅熔体中。引入硅熔体中的碳或氧可以根据晶种和坩埚200的旋转渗入单晶硅锭。为此，如上所述，碳或氧可以通过增加氩气供应量和降低腔室内部压力来向外排放。

通过图2的控制器700控制惰性气体供应器900和排气单元150的运行，可以实现氩供应量和腔室内部压力的调节。

通常，考虑到腔室和坩埚的尺寸，需要以两次或更多次将多晶硅填装到坩埚中，以制备单晶硅锭一次性生产所需的硅熔体。这是因为多晶硅供应装置的尺寸可能不足以一次填装非常大量的多晶硅。

如上所述，根据步骤S130的继续，在将氩原子等从坩埚中硅熔体表面向外排出预定时间之后、或者在多晶硅熔化完成之后，可以从上述多晶硅供应装置将多晶硅额外填装到坩埚中的硅熔体中(S140)。也就是说，如图7所示，多晶硅(多晶Si)可以额外供应到坩埚200中的硅熔体(Si熔体)。

在这种情况下，可以将腔室的内部压力调整为等于步骤S130的内部压力，并且可以减少惰性气体(即氩)的供应量。此外，减少的氩供应量可以等于步骤S120中的氩供应量。

此外，可以测量多晶硅的熔化程度，类似于步骤S120。在预定部分多晶硅被测量为已经熔化时，可以增加供应到腔室的氩气的供应量，并且可以将腔室的内部压力保持恒定(S150)。

也就是说，在步骤S140中，为了释放吸附在硅熔体和多晶硅表面上的氩原子，可以减少氩气的供应量。

在步骤S130和S150中增加氩供应量的原因是向外释放氩原子，因为当大部分多晶硅熔化时，腔室的内部温度和硅熔体的温度增加，从而导致氩原子的活性增加，并且因此，可以增加将氩原子捕获在硅熔体表面上的可能性。此外，当多晶硅大量保留而未被熔化时，氩气可能撞击多晶硅块，因此，其捕获的可能性可能增加。为此原因，不供应氩气或降低其供应量。

此外，在步骤S130之后，腔室的内部压力保持恒定的原因是平稳地排出氩气，因为腔室中已经存在足够量的氩气。

此外，当完成如上所述进行两次或更多次的多晶硅填装和熔化时，随后可以进行稳定化。例如，可以通过旋转坩埚来使坩埚中的硅熔体稳定(S160)。在该情况下，硅熔体中的温度或对流状态可以得以稳定。

此外，步骤S160中供应至腔室的惰性气体量和腔室的内部压力可以分别等于步骤S150中供应至腔室的惰性气体量和腔室的内部压力。具体来说，坩埚的旋转速度可以为5rpm或更快，坩埚的旋转时间可以为1小时或更久，坩埚的旋转方向可以为预定方向或相反方向。

图8A至8C是显示根据本公开实施方式的单晶硅锭生长方法中氩供应量和腔室内部压力的图。图9A至9C是显示根据本公开实施方式的单晶硅锭生长方法中坩埚旋转的图。

图8A和图9A显示了多晶硅的初次供应和熔化的步骤，图8B和9B显示了多晶硅的二次和三次供应以及熔化的步骤，并且图8C和9C显示稳定过程。在各图中，横轴和纵轴上的值可以是任选的，因此，应该注意其增加和降低关系。

参见图8A和图9A，在多晶硅的初次供应和熔化步骤中，坩埚并未旋转，在经过预定时间之后降低腔室的内部压力，并且在经过预定时间之后增加氩供应量。该时间可以是测量到大部分初次供应的多晶硅已熔化的时间。

图8B和图9B中，供应至腔室的氩的供应量重复增加和减少。在大部分多晶硅熔化完成之后额外供应多晶硅期间，氩气供应量再次减少。此外，在大部分额外供应的多晶硅熔化完成之后，氩供应量可以再次增加。可以看出，在图8A中多晶硅的初始填装之后，在图8B中额外供应两次多晶硅。此外，可以看出，图8B中的腔室的内部压力在初始填装的多晶硅熔化完成之后增加，并且因此在图8B中保持恒定。

此外，图9B中，可以看出，坩埚在多晶硅的额外供应和熔化步骤中缓慢旋转。然而，本公开并不限于上述情况，并且坩埚可以不旋转。

在图8C中，在多晶硅的初始和附加填装和熔化步骤完成之后，氩气的供应量可以等于图8A的后半部分中增加的氩气供应量，并且可以保持恒定。此外，在图8C中，腔室的内部压力可以保持恒定。

此外，可以看出，在图9C的稳定步骤中，坩埚以预定方向按预定速度旋转。

图10和11是显示根据本公开实施方式的单晶硅锭生长方法和设备的效果的图。

在图10中，横轴表示比较例(参考)和实施例，并且纵轴表示故障率。如图10所示，可以看出，与根据比较例调节压力和氩供应量的情况相比，当根据实施例调节压力P和氩供应量A时，所制造的晶片的故障率(即针孔产生程度)显著降低。

图11中，横轴表示锭的轴向长度，纵轴表示锭不同部分处的碳(C)浓度(ppma)。如图11所示，可以看出，与比较例中的相比，在该实施例中，锭各部分处(特别是锭轴向长度的后半部分处)碳、细颗粒和金属的浓度显著降低。由于在上述单晶硅锭生长方法和设备中，通过控制氩供应量和腔室内部压力，可以从硅熔体中排出氩元素和其他元素，所以可以获得这样的效果。

尽管主要结合限制性实施方式和附图对上述实施方式进行描述，但本公开不限于上述实施方式。本公开所属领域的技术人员可以理解，基于上文描述，各种修改和改变是可能的。

因此，本公开的范围不应被解释为受限于所描述的实施方式，而应由所附权利要求及其等同物来定义。

工业适用性

根据实施方式的设备和方法可应用于单晶硅锭的生长。