[发明专利]通过避免几乎不溶性气体引入熔体来减少硅晶体中的气穴

说明书

发明领域

本发明涉及降低由粒状多晶硅装料带入硅熔体中的不溶性气体的量的方法。

发明背景

在由Czochralski法生长的单晶硅锭的生产中，首先将粒状多晶硅、块状多晶硅或块状多晶硅与粒状多晶硅混合物形式的多晶硅熔化在石英坩锅中，并平衡至温度为约1500℃。由于块状多晶硅是通过将多晶硅棒分成较小块来制备，因此其是通常在形状上不规则、具有锐利锯齿边缘的多晶硅块。通常地，块状多晶硅的长度为约2厘米-约10厘米，并且宽度为约4厘米-约6厘米。多晶硅颗粒是不如块状多晶硅致密且通常特征为不规则表面、裂纹和空隙的粒子。通常地，多晶硅颗粒的直径为约0.2mm-约2毫米且通常填充密度比块状多晶硅高约20％。

在常规熔体制备中，当将多晶硅加热并熔化时，将惰性吹扫气如氩气连续引过坩埚和硅以从熔体区域除去在多晶硅熔化过程中在熔体中或熔体周围产生的不想要的污染物。在硅完全熔化并达到约1500℃的温度后，将晶种浸入熔体中随后提取，同时旋转坩埚以形成单晶硅锭。在熔化过程早期阶段，当多晶装料为完全固态或部分固态时，氩气吹扫气会截留在多晶硅装料中并会进入到硅熔体中，从而增加了被截留的氩气会作为气穴在生长的硅单晶锭中形成不同大小的气穴的风险。

在U.S.6,344,083中，Holder提出了一种解决氩气和其它不溶性气体进入硅熔体的问题的方案。Holder的方法涉及用包含大部分可溶性气体如氮气或氢气的环境吹扫拉晶设备(crystal pulling apparatus)。虽然有助于将不溶性气体从硅熔体中除去，但是以含氮气环境围绕熔体会令人讨厌地增加进入熔体和生长的晶锭中氮气的量。

发明概述

在本发明的不同方面中，注意到本发明提供控制且从而降低由粒状多晶硅装料带入硅熔体的不溶性气体的量的方法。用这样的粒状多晶硅装料制备的硅熔体具有低水平不溶性气体，这从而使得从其生长的单晶锭中缺陷如气穴减少。

简言之，本发明涉及控制由粒状多晶硅装料携带的不溶性气体的量的方法。该方法包括(i)将粒状多晶硅装料至进料容器，(ii)在进料容器中形成环境气氛，所述环境气氛具有摩尔分数为至少0.9的气体，所述气体在接近硅熔点的温度和约1巴(约100kPa)的压力下在熔融硅中的溶解度为至少约5×10¹³个原子/cm³，以及(iii)降低装料后的进料容器内部的压力。

本发明还涉及在拉晶设备的生长室中的坩埚中制备硅熔体的方法。该方法包括将多晶硅初始装料进料至位于拉晶设备(crystal puller apparatus)的生长室中的坩埚中，并熔化一部分初始装料，从而形成部分熔化的装料；随着初始装料被熔化，将粒状多晶硅保持在具有环境气氛的进料容器中，所述环境气氛具有摩尔分数为至少0.9的气体，所述气体在接近硅熔点的温度和约1巴(约100kPa)的压力下在熔融硅中的溶解度为至少约5×10¹³个原子/cm³；以及将保持的粒状多晶硅进料至坩埚中以补充初始装料，并使粒状多晶硅的补充装料熔化以在坩埚中形成硅熔体。

在下文中，其它目的和特征将部分显而易见以及部分指明。

附图简述

图1为颗粒抛光横截面的照片(1000×倍放大)。

图2为气泡半径与气泡中氩原子数的关系图。

图3为气泡末端速度与气泡半径的关系图。

图4为内部气泡压力与气泡半径的关系图。

图5为描述在限定的条件下用于硅熔体中氩气气泡的理论平衡条件图。

图6为描述在硅熔体中小氩气气泡的行为图。

图7为描述在硅熔体中小氩气气泡的行为图。

图8为描述在硅熔体中大氩气气泡的行为图。

图9为描述在硅熔体中中等氩气气泡的行为图。

图10为描述在SiO为10ppma的硅熔体中，在硅熔体中中等氩气气泡的行为图。

图11为描述在SiO为10ppma并且氢气为10ppma的硅熔体中，在硅熔体中中等氩气气泡的行为图。

图12为例示在定义的条件下，氮气和氩气与拉晶机(puller)环境的理论平衡浓度。

图13为例示用于将粒状多晶硅进料至拉晶设备中的坩埚的进料容器。

图14为描述特征为晶片缺陷的晶片总数的％的条形图。晶片由实例中所述方法生长的锭获得。

在整个附图中相应的参考字符示出相应部分。

发明实施方案的说明