[发明专利]用于硅晶体生长拉制方法的惰性气体回收和再循环

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于回收和纯化在通过晶体拉制方法的硅晶体生长中采用的惰性气体的方法。 

背景技术

单晶硅通常为用于制造半导体电子元件和太阳能电池的起始物质。单晶硅通常通过提拉法（Czochralski process）制备，该方法涉及将多晶硅装填入晶体拉制腔室内所含石英坩埚中。熔化多晶硅以产生Si熔体。随后将籽晶浸没入熔化硅中，并且通过从该熔体中缓慢提取锭逐渐生长单晶硅锭。 

在晶体生长期间，一般产生显著量的含硅杂质（例如气体一氧化硅SiO(g)和硅蒸气Si(g)）并且释放到拉制腔室内的气氛中。由于氧从石英坩埚中溶解并且与Si熔体反应，以及坩埚与石墨感受器支撑体的相互作用，产生一氧化硅SiO(g)。因为一氧化硅SiO(g)是不稳定的，其可容易与坩埚溶解产生的SiO(g)的其他分子反应以产生二氧化硅SiO₂(s)和单质硅Si(s)。另外，因为腔室中存在有限量的氧，一些SiO(g)部分氧化形成固体SiO_x(s)颗粒，其中x小于2。 

SiO_x(s)、SiO₂(s)和单质硅Si(s)的固体颗粒的形成是晶体拉制工业的主要问题。所述颗粒往往发粘并且变得连接到拉制设备和废气系统的许多部分。固体颗粒也可沉积到Si熔体上，如果它们不被移除，从而阻止成功的单晶生长。因此，惰性气体常常被引入生长腔室以从生长腔室中将含硅杂质吹扫到废气中。一般采用氩气气体作为惰性吹扫气体，因为其是目前最丰富且最廉价的稀有气体。 

然而，虽然氩气为最廉价稀有气体，但其必须以高纯度水平供应到晶体生长腔室以避免污染该硅熔体。高纯度氩气一般在空气分离厂中通过低温蒸馏方法产生，该方法为相对能量密集型且昂贵的方法。因此，对晶体拉制方法中高纯度氩气的要求增加硅晶体拉制方法的总体操作成本。在从晶体拉制机内吹扫杂质期间需要惰性气体的高流速，这导致晶体拉制设备中大量的氩气消耗，进一步增加操作成本。 

为抵消此成本，已尝试再循环晶体拉制中所用氩气气体。然而，未证明氩气的再循环是节省成本的，因为Si晶体拉制机的氩气流出物含有杂质，例如氧化碳(CO/CO₂)、氮气(N₂)、氧气(O₂)、氢气(H₂)和挥发性烃，并且移除这些杂质的分离方法仍然相对昂贵。特别地，氮气和烃的移除需要使用低温蒸馏，因为在被再引入生长腔室用于下一次循环之前，必须将氮气的浓度降低至再循环惰性气体中单位数ppm水平。另外，氮气可与硅熔体反应以形成氮化硅，该氮化硅被视为杂质。 

如果在锭生长之后，晶体生长腔室和废气系统对大气环境开放，固体SiO_x(s)不稳定并且可以放热反应迅速与氧气反应而产生显著热量，这是安全隐患，其可能由于迅速压力增加和热量释放的潜在性而引起系统损坏和/或人员损伤。为克服此危险，所述工业通常采用后氧化步骤，其涉及用空气以缓慢流速回填抽空的晶体拉制机。空气中的氧气以受控方式缓慢反应并且将SiO_x完全氧化为SiO₂，从而降低过压的风险并且释放显著量的热量。然而，后氧化步骤可能要花24小时实现，从而在新循环开始之前增加相当多时间来完成硅晶体拉制循环。这样的滞后时间显著降低硅锭产量。 

减少后氧化阶段并同时降低与从生长腔室中吹扫杂质相关的操作和生产成本而不有意增加氩气流出物中的杂质的能力是理想的。本发明的其他方面将在浏览说明书、附图和随附权利要求书之后变得对本领域普通技术人员显然。 

发明内容

本发明利用一种用于为硅晶体拉制设备提供氧化源气体混合物的流的特定规定。将氧化源的流引入用于清扫在硅晶体生长工艺期间产生的杂质的吹扫气体的流。该杂质包含氧化硅杂质，其基本上完全氧化为二氧化硅颗粒。调节氧化源气体以确保氮水平低于用于硅晶体生长工艺所需吹扫气体规范。含有来自晶体拉制机的吹扫气体的来自晶体拉制机的吹扫气体流以及来自氧化源气体混合物的未反应气体可被纯化并且再循环至晶体拉制机。