[发明专利]用多晶硅原料制备熔硅的方法

说明书

本发明一般涉及单晶硅的生产，具体涉及用多晶硅制备熔硅的方法。本发明的优选实施方式尤其涉及用块状多晶硅和粒状多晶硅的混合原料制备熔硅的方法。

用来制造微电子电路的大多数单晶硅都是用切克拉斯基法(CZ)制备的。用这种制备方法时，单晶硅锭是这样制成的：在坩埚中使多晶硅熔化，把籽晶浸入熔硅中，以一种足以获得所需直径的晶锭及以这个直径生长单晶的方法提拉籽晶。

用于生成熔硅的多晶硅一般是用Siemens方法制成的不规则形状的块状多晶硅，或任选地是用相对比较简单却有更有效的沸腾床反应方法制成的可以自由流动的通常是球形的粒状多晶硅。粒状多晶硅的直径一般约1-5mm，它的装料密度通常比块状多晶硅高约20％。在F.Shimura的Semiconductor silicon Crystal Technology的书中116-121页，Academic出版社(San diego CA，1989)及其中引用的参考文献中进一步详述了块状多晶硅和粒状多晶硅的制备及其特性。

CZ坩埚初始一般全部装填块状多晶硅。然而这样装料会给后续的单晶硅锭的制造带来一些问题。例如，在满装料的情况下，块状晶体的边缘可能会刮伤或凿伤坩埚壁，尤其是在坩埚的底部，造成坩埚的损伤，并使坩埚的颗粒飘浮在熔硅上或悬浮在熔硅中。这些杂质显著增加了单晶硅中产生位错的可能性，减少了无位错单晶的生产成品率及生产能力。而且，在熔化过程中，块状多晶硅原料可能会移动，或者下层的块状多晶硅可能会熔化而生成在熔硅上方、粘在坩埚壁上的未熔化材料形成的“悬钩”，或生成跨在熔硅上方、架在坩埚对立面间的未熔化材料形成的“桥”。当原料移动时，或者当悬钩或桥崩塌时，可能会使熔硅溅出及/或对坩埚造成机械应力损伤。此外，由于这种块状材料的装料密度低，因此初始装入100％块状多晶硅限制了能装入材料的体积。体积限制直接影响单晶的生产能力。

虽然在制备和装料密度方面，和块状多晶硅相比，粒状多晶硅有些优点，但是在坩埚内装满粒状多晶硅并使之熔化也能在单晶硅锭中引入不希望有的杂质和缺陷。因此，粒状多晶硅一直主要作为给已熔化的熔硅的补充填料，klingshirn等和Koziol等分别在美国专利号5,242,531和5,242,667中有叙述。

因此本发明的目的是通过减少对坩埚的机械应力和热应力，以及使初始装入的多晶硅体积最大来制备用于生产无位错生长及高生产能力的单晶硅锭的熔硅。本发明的目的也在于制备用于生产无位错生长及高生产能力的单晶锭的熔硅而不使方法开销、设备或时间显著增加。

因此，本发明主要致力于用于制备用来由切克拉斯基法生产单晶硅的多晶硅熔硅方法。该方法包括向坩埚中装入粒状多晶硅和块状多晶硅，块状多晶硅装在粒状多晶硅的上面。然后将粒状多晶硅和块状多晶硅熔化以形成熔硅。

也可以用包括将粒状多晶硅和块状多晶硅装入坩埚的方法制备熔硅，该坩埚具有内表面，内表面中包括内壁。内壁的上半壁分包括内壁表面积的50％左右。将粒状多晶硅这样装入：使得在装完后，粒状多晶硅和内壁的上半部分不接触。然后将粒状多晶硅和块状多晶硅熔化形成熔硅。

用于制备熔硅的另一个方法包括向坩埚中装入粒状多晶硅和块状多晶硅，并使粒状多晶硅和块状多晶硅熔化以形成熔硅。在块状多晶硅的主要部分熔化前，粒状多晶硅的主要部分先熔化。

用于制备熔硅的另一个方法包括向坩埚中装入粒状多晶硅和块状多晶硅，并将粒状多晶硅和块状多晶硅暴露于清洗气体中。块状多晶硅热保护粒状多晶硅不受清洗气体冷却作用的影响。将粒状多晶硅和块状多晶硅熔化形成熔硅。

在另外一个制备熔硅的方法中，将粒状多晶硅和块状多晶硅装入坩埚中，坩埚具有中心线及包括底和内壁的内表面。内壁的上半部分包括内壁表面积的50％左右。粒状多晶硅装在坩埚底上，装完后，粒状多晶硅和内壁的上半部分不接触。此外，坩埚的中心线及其附近处的粒状多晶硅的高度高于内壁及其附近装入的粒状多晶硅的高度。在粒状多晶硅上面装入块状多晶硅，加热多晶硅，并使块状多晶硅的主要部分熔化前，粒状多晶硅的主要部分先熔化。加热时，粒状多晶硅和块状多晶硅暴露于清洗气体中，块状多晶硅热保护粒状多晶硅使其不受清洗气体冷却作用的影响。熔化所有未熔化的粒状多晶硅和块状多晶硅形成熔硅。