[发明专利]低浓度钙杂质的石墨支撑容器及其在制造单晶硅中的应用

说明书

本发明一般涉及单晶硅的制造，特别涉及用于在直拉法生长单晶硅锭时支撑石英坩埚的新颖石墨托。本发明还涉及用新颖的石墨托制备单晶硅的方法。

微电子电路制造所用的单晶硅多数是由直拉(CZ)法制备的。按该方法，在坩埚内熔化多晶硅，并在熔硅中浸入籽晶，提拉籽晶开始单晶的生长，并生长成单晶硅锭，由此制备单晶硅锭。多晶硅一般熔于透明的石英(SiO₂)坩埚或其它石英系容器中。透明石英是非晶形态的石英，透明石英制的坩埚一般称作石英坩埚或熔凝石英坩埚。石英还以多种结晶态存在，包括α和β石英、鳞石英及方英石等。

然而，石英容器的特性在熔化多晶硅所需的高温下存在一些问题。例如，随着温度的升高透明石英的粘度变低，并变软，软得足以在超过约1815K的温度下在所受应力作用下流变。因此，石英容器的结构完整性易受损害，在生产单晶硅时易发生塌陷和/或其它形变。为此，一般用如托或坩埚等石墨支撑容器支撑多晶硅熔于其中的石英坩埚、衬套或其它容器。石墨支撑容器和/或石英容器与其接触的表面上可以涂敷例如SiC、TiC、NbC、TaC、或ZrC(JP7089789A)或涂敷玻璃化(glasseous)碳(授予Lewis等人的美国专利5,476,679)。另外，石英容器的内和/或外表面可以为均匀的结晶石英层(授予Pastor等人的美国专利4,429,009；授予Loxley等人的美国专利5053359)或涂敷反玻璃化促进剂以就地形成一种均匀的反玻璃化层(EP0753605A)。

有关石英容器高温特性的另一问题是透明石英局部转变成结晶态(例如β方英石)，这称作不均匀反玻璃化。形成于石英容器内表面上的方英石岛可以释放到硅熔体中，进而掺与生长晶体，因而导致晶体中产生缺陷。大范围的不均匀方英石生长还会损害石英容器的结构完整性，使石英容器的形状产生弯曲、膨胀和其它变形及形变。据称石英的不均匀反玻璃化受石英纯度和石英表面上的沾污程度的影响，表面沾污可以促进结晶石英(例如方英石)的成核，并用作使结晶石英转变成其它形态(例如从方英石转变为鳞石英)的助溶剂。Fused Quartz Product,General E1ectric CompanyGeneral Catalog 7700,PP.17-18,(1987年1月)。因此，使不均匀反玻璃化程度最小的方法有提高石英容器的纯度和表面清洁度。例如，日本Kokai的52/038873披露了用氙灯照射内坩埚表面以去除静电吸附在石英表面上的金属沾污。日本Kokai的60/137892描述了用电解法去除石英坩埚的碱金属的方法。

尽管使用了上述方法，但不均匀反玻璃化和其对石英容器结构完整性和零缺陷晶体生长的负作用仍然是个问题。因为局部不均匀反玻璃化的速率随温度的升高而增大，在该行业转向在更大容量的石英容器中用更大多晶硅装炉量生产更大直径的单晶硅时，该问题变得尤其严重。这种应用所需要的高温增加了严重不均匀反玻璃化的可能性，会引起石英容器形变，且最终会减少单晶硅锭的零缺陷生长。

因此，本发明的目的是制备质量更好的单晶硅，特别是由更大的装炉量制备单晶硅，同时减小石英容器的局部不均匀的反玻璃化程度，从而改善容器的结构完整性，增加硅晶体生长中的零缺陷生长。本发明的又一目的是以使对现有工业生产方法影响最小的有效方式获取这种质量提高了的单晶硅。

因而，简言之，本发明旨在提供一种由多晶硅生产单晶硅锭的方法，根据该方法，多晶硅置于石英容器中。石英容器可以为处理过或未处理过的石英容器。该容器由适于容纳石英容器的石墨支撑容器支撑，容纳的方式是该石英容器套在石墨支撑容器中，容器的外表面至少接触支撑容器的部分内表面。支撑容器内表面和石英容器外表面之间的接触区限定为界面区。石墨支撑容器更适于用在直拉单晶机中，并且可以是处理过的或未处理过的石墨支撑容器，例如处理过的或未处理过的石墨托。

根据该方法的一个实施例，石墨支撑容器中钙的浓度相当低，用以防止后续处理步骤中界面区处石英容器的严重不均匀反玻璃化。在优选实施例中，石墨支撑容器中钙的浓度按重量计不超过约1ppm。石墨支撑容器中钙的浓度一般为按重量计不超过约0.7ppm、较好为按重量计不超过约0.2ppm、最好为按重量计不超过约0.1ppm。

根据该方法另一实施例，石墨支撑容器中的碱土金属和碱金属的累计浓度按重量计不超过约1ppm。选自钙、镁、锶、锂、钠和钾的金属在石墨支撑容器中的累计浓度最好按重量计不超过约0.7ppm。本方法实施例的石墨支撑容器中钙的浓度最好按重量计不超过约0.2ppm。