一种直拉单晶初始复投工艺的制作方法

1.本发明属于半导体直拉单晶制造技术领域，尤其是涉及一种直拉单晶初始复投工艺。

背景技术：

2.在单晶拉制中，目前均采用预装料工艺，即前期先将石英坩埚用多晶硅原料块装满，再将装满硅原料的石英坩埚放入单晶炉内化料，待石英坩埚内的硅原料完全塌陷后直接进行初始复投，直至达到石英坩埚最大装料量。
3.还有，现有为降低初始复投的原料重量和节约复投时间，一般是在初始装料时使初始装料重量最大化，导致在初始复投时石英坩埚内的熔硅液面靠近石英坩埚的上沿，如图1所示，从初始装料化料到初始复投装料，熔硅液面始终处于高位的石英坩埚内，导致石英坩埚上沿内壁在拉晶过程中无法充分高温析晶，或析晶不充分，致使在首颗单晶拉制时靠近固液界面的石英坩埚内壁表面容易出现气泡破裂，甚至出现石英脱落的现象，严重影响首颗单晶的成晶质量。
4.还有，现有改善石英坩埚内壁特性都是在石英坩埚内壁涂覆一层现有提高石英坩埚强度的方式是在内侧的透明层的内部涂覆两层涂层，在靠近透明层一侧为碳酸钡涂层、在碳酸钡涂层远离透明层一侧为硅酸钡涂层，并在复投阶段加入碳酸钡粉末，如中国公开专利cn109267148a提出一种石英坩埚及其石英坩埚多次涂层的工艺方法；或在内侧的透明层的内部和外侧的气泡层外部都涂覆一层氢氧化钡涂层，如中国公开专利cn211367806u提出一种新型石英坩埚；或在外侧的气泡层的外部涂覆一层氢氧化钡涂层，如中国公开专利cn211367805u提出的一种石英坩埚。这些方法不仅工作流程复杂，而且会增加硅液中钡元素的含量，导致晶体中杂质较多，往往需要扩断一次后再成晶或发生短断苞，致使头颗单晶拉制成功的成晶率较低。

技术实现要素：

5.本发明提供一种直拉单晶初始复投工艺，解决了现有技术中石英坩埚在拉晶过程中无法充分高温析晶，或析晶不充分，导致石英坩埚内壁表面容易出现气泡破裂，甚至出现石英脱落的现象，严重影响成晶的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
7.一种直拉单晶初始复投工艺，步骤包括：
8.载有熔硅原料的石英坩埚的上端面至熔硅液面具有一定高度；
9.使具有所述一定高度的所述石英坩埚的内侧环壁面产生析晶相变，获得一层α-方石英结构的石英体；
10.向析晶后的所述石英坩埚进行复投硅原料。
11.进一步的，所述一定高度不小于100mm且不大于300mm；
12.优选地，所述一定高度为150-250mm。
13.进一步的，所述熔硅原料为装入所述石英坩埚的初始硅原料。
14.进一步的，所述熔硅原料为所述初始硅原料的整料量。
15.进一步的，在所述石英坩埚析晶前步骤包括：
16.使所述初始硅原料完全化料并至熔融状态，形成所述熔硅硅液；
17.所述熔硅硅液在熔融温度下保持一段时间，以使所述一定高度的所述石英坩埚内壁面覆盖一层为所述α-方石英结构石英体的析晶层。
18.进一步的，所述熔融温度为1450-1500℃。
19.进一步的，所述熔硅硅液在所述熔融温度下至少保持0.5h；
20.优选地，所述熔硅硅液在所述熔融温度下保持时间为0.5-1h。
21.进一步的，所述熔硅硅液在熔融后降温至其结晶温度；
22.优选地，所述熔硅硅液的结晶温度为1400-1450℃。
23.进一步的，再在结晶后的设定时间内向所述石英坩埚进行初次复投装料，并使复投硅料与所述初始硅料完全混合熔融；
24.复投后所述石英坩埚内的熔硅液面低于所述石英坩埚上端面；
25.优选地，向所述石英坩埚初次复投装料在结晶后的0.5h内进行操作。
26.进一步的，复投后所述石英坩埚内的熔硅液面至所述石英坩埚上端面的高度不小于40mm且不大于100mm；
27.优选地，复投后所述石英坩埚内的熔硅液面至所述石英坩埚上端面的高度不小于40mm且不大于70mm。
28.采用本发明设计的一种直拉单晶初始复投工艺，在不影响石英坩埚总的装料量前提下，可使石英坩埚上沿靠近固液界面的内侧壁被高温充分烘烤，使石英坩埚内壁完全析晶，获得一层致密且稳定的α-方石英结构的保护层，且耐腐蚀度高，使得在首颗单晶拉制过程中，石英坩埚内壁不易出现气泡破裂或石英脱落问题，从而可减少拉晶过程中杂质的含量，进而改善成晶效果、提高硅单晶产出。与现有初始复投工艺相比，本发明提出的初始复投工艺，可使初始拉制硅棒的成晶率提高15％以上。
附图说明
29.图1是现有初始装料熔融后的结构示意图；
30.图2是本发明一实施例的初始装料熔融后的结构示意图；
31.图3是本发明一实施例的初始复投熔融后的结构示意图。
32.图中：
33.10、石英坩埚
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
35.本实施例提出一种直拉单晶初始复投工艺，如图2和图3所示，步骤包括：
36.先将载有熔硅原料的石英坩埚10的上端面至熔硅液面具有一定高度h1；并使具有一定高度h1的石英坩埚10的内侧环壁面上产生析晶相变，获得一层α-方石英结构的石英体；然后再向析晶后的石英坩埚10进行复投硅原料。这一工艺可使石英坩埚裸漏的上沿内
壁上的二氧化硅在高温状态下，受热发生析晶反应，并在随后的高温复投及拉晶过程中一直持续析晶，使得在首颗单晶拉制的固液界面附件的石英坩埚内壁上获得一层致密且稳定的面心立方结构的α-方石英，具有耐腐蚀度，从而可防止石英坩埚在首颗单晶拉制时靠近固液截面的内壁表面出现气泡破裂、甚至出现石英脱落的问题，亦降低石英坩埚剥离金属离子的几率，进而可提高首颗单晶的成晶率。
37.具体地，熔硅原料为装入石英坩埚10中的初始硅原料，且为初始硅原料的整料量。即先向石英坩埚10进行初始装料，并使完全化料后的初始熔硅液面a至石英坩埚10上端面的距离为h1。并使初始硅原料完全化料并至熔融状态，形成初始熔硅硅液；初始熔硅硅液在熔融温度下保持一段时间后，以使一定高度h1的石英坩埚内壁面覆盖一层为α-方石英结构石英体的析晶层。
38.向石英坩埚10初始装料，并使初始装入的硅原料的高度超出石英坩埚10上端面，优选地，初始装入硅原料的高度超出石英坩埚10上端面的高度为50-100mm。这一高度可使初始硅原料完全熔融后获得的初始熔硅液面a至石英坩埚10的上端面具有一定距离h1。高度为h1的石英坩埚10裸露在高温区外，且该位置的温度较常规工艺高，从而可使该位置的石英坩埚10的内壁面充分相变，以获得一层致密且稳定的析晶层，从而可达到改善首颗单晶拉制的成晶效果。
39.进一步的，初始硅原料熔融后初始熔硅液面a至石英坩埚10上端面的环形裸壁面的高度h1不小于100mm且不大于300mm。这是由于若高度h1的高度小于100mm，使得熔硅液面较高，即受高温烘烤的高度较小，析晶层所覆盖的面积较少，无法满足首颗单晶拉制时高度需求。若高度h1的高度大于300mm时，则石英坩埚10内的初始硅原料太少，若想达到既定的拉制单晶硅棒所需的重量，则需要更多地复投投料量，进而增加复投时间，从而导致环形裸壁面因在高温受热环境中过长使其析晶层软化，进而影响石英坩埚的寿命，同时会增加石英脱落的风险。
40.优选地，初始硅原料熔融后初始熔硅液面a至石英坩埚10上端面的环形裸壁面的高度h1为150-250mm。不仅可满足石英坩埚10总的装料量的前提，而且可使石英坩埚10的上沿环形裸壁面靠近首颗单晶拉制时的固液界面，且可被高温充分烘烤，使石英坩埚10的上沿环形裸壁面完全充分析晶，获得一层致密且稳定的α-方石英结构的保护层，提高石英坩埚10内壁的耐腐蚀度，进而可提高首颗单晶拉制的成晶率。
41.完成初始装料后，再对石英坩埚10内的初始硅原料进行化料，化料温度及时间与常规工艺相同，在此省略。观察初始硅原料，当硅原料坍塌后不立即进行初始复投，待石英坩埚10内的初始硅原料完全熔融形成熔硅硅液后再准备进行复投。这是由于初始硅原料化料中坍塌时硅原料并未完全熔化，其所在热场的温度还达不到二氧化硅析晶的温度，无法发生相变，故需要等初始硅原料化料后再进一步加热至1450-1500℃的熔融温度，熔硅硅液在1450-1500℃的熔融温度下至少保持0.5h；优选地，熔硅硅液在熔融温度下保持时间为0.5-1h，也即是使初始熔硅硅液在该熔融温度下保持0.5-1h，方可将准备初始复投，目的是为了完全是初始硅原料完全熔化并在0.5h之后才使石英坩埚10的内壁完全在加热的状态下析晶完全。
42.进一步的，在初始复投之前，需要将初始熔硅硅液在熔融后再降温至其结晶温度，以使初始熔硅硅液结晶，结晶温度为1400-1450℃；结晶后复投有利于防止复投时硅原料落
入初始熔硅液内出现溅硅。
43.进一步的，再在结晶后的设定时间内向石英坩埚10内进行初次复投装料，并使复投硅料与初始硅料完全混合熔融，优选地，向石英坩埚10中初次复投装料在结晶后的0.5h内进行操作。也即是将热场温度逐步升温至熔融温度1450-1500℃，以使复投后的硅原料完全熔化，再进行后续拉晶工艺；且复投后的石英坩埚内的熔硅液面低于石英坩埚10的上端面。
44.进一步的，复投后石英坩埚内的复投熔硅液面至石英坩埚10上端面的高度h2不小于40mm且不大于100mm。若高度h2小于40mm，则有溢硅风险；若大于100mm，则石英坩埚10装料量未达到其限度，利用率太低。
45.优选地，复投后石英坩埚10内的复投熔硅液面至石英坩埚10上端面的高度不小于40mm且不大于70mm。
46.采用上述工艺，对不同石英坩埚拉制的硅棒进行拉制，具体实施如下：
47.实施例一：
48.石英坩埚10直径为28寸时，其它工艺不变。
49.具体地，初始硅原料装入石英坩埚10后，其硅原料高度超出石英坩埚10上端面的高度为100mm。
50.初始硅料先化料再在熔硅温度1450℃下熔融，初始熔硅液面至石英坩埚10上端面的高度h1为150mm。
51.在熔硅温度下持续1h后再进行降温，以使热场温度降至1400℃，以使初始熔硅进行结晶，并在结晶0.5h后开始进行初始复投硅原料。
52.再对复投硅原料进行化料并完全熔融至初始熔硅硅液内，复投熔硅的温度与初始装料的熔硅温度相同，复投熔硅液面至石英坩埚10上端面的高度h2为50mm。
53.采用本实施例工艺与如图1所示的现有拉晶工艺相比，获得的首颗硅棒的拉晶率如表1所示，由表1可知，每种工艺均拉制10组且其它工艺均相同，采用本实施例工艺获得首颗单晶的拉制成晶率为83.3％，而采用现有拉晶工艺获得的首颗单晶的拉制成晶率为67.3％。
54.表1石英坩埚为28寸初始复投后的首颗单晶拉制结果
[0055][0056]
实施例二：
[0057]
石英坩埚10直径为32寸时，其它工艺不变。
[0058]
具体地，初始硅原料装入石英坩埚10后，其硅原料高度超出石英坩埚10上端面的高度为50mm。
[0059]
初始硅料先化料再在熔硅温度1500℃下熔融，初始熔硅液面至石英坩埚10上端面的高度h1为200mm。
[0060]
在熔硅温度下持续1h后再进行降温，以使热场温度降至1400℃，以使初始熔硅进
行结晶，并在结晶0.5h后开始进行初始复投硅原料。
[0061]
再对复投硅原料进行化料并完全熔融至初始熔硅硅液内，复投熔硅的温度与初始装料的熔硅温度相同，复投熔硅液面至石英坩埚10上端面的高度h2为70mm。
[0062]
采用本实施例工艺与如图2所示的现有拉晶工艺相比，获得的首颗硅棒的拉晶率如表2所示，由表2可知，每种工艺均拉制10组且其它工艺均相同，采用本实施例工艺获得首颗单晶的拉制成晶率为85.5％，而采用现有拉晶工艺获得的首颗单晶的拉制成晶率为69.8％。
[0063]
表2石英坩埚为32寸初始复投后的首颗单晶拉制结果
[0064][0065]
采用本发明设计的一种直拉单晶初始复投工艺，在不影响石英坩埚总的装料量前提下，可使石英坩埚上沿靠近固液界面的内侧壁被高温充分烘烤，使石英坩埚内壁完全析晶，获得一层致密且稳定的α-方石英结构的保护层，且耐腐蚀度高，使得在首颗单晶拉制过程中，石英坩埚内壁不易出现气泡破裂或石英脱落问题，从而可减少拉晶过程中杂质的含量，进而改善成晶效果、提高硅单晶产出。与现有初始复投工艺相比，本发明提出的初始复投工艺，可使初始拉制硅棒的成晶率提高15％以上。
[0066]
以上对本发明的实施例进行了详细说明，所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

技术特征：

1.一种直拉单晶初始复投工艺，其特征在于，步骤包括：载有熔硅原料的石英坩埚的上端面至熔硅液面具有一定高度；使具有所述一定高度的所述石英坩埚的内侧环壁面产生析晶相变，获得一层α-方石英结构的石英体；向析晶后的所述石英坩埚进行复投硅原料。2.根据权利要求1所述的一种直拉单晶初始复投工艺，其特征在于，所述一定高度不小于100mm且不大于300mm；优选地，所述一定高度为150-250mm。3.根据权利要求1或2所述的一种直拉单晶初始复投工艺，其特征在于，所述熔硅原料为装入所述石英坩埚的初始硅原料。4.根据权利要求3所述的一种直拉单晶初始复投工艺，其特征在于，所述熔硅原料为所述初始硅原料的整料量。5.根据权利要求1-2、4任一项所述的一种直拉单晶初始复投工艺，其特征在于，在所述石英坩埚析晶前步骤包括：使所述初始硅原料完全化料并至熔融状态，形成所述熔硅硅液；所述熔硅硅液在熔融温度下保持一段时间，以使所述一定高度的所述石英坩埚内壁面覆盖一层为所述α-方石英结构石英体的析晶层。6.根据权利要求5所述的一种直拉单晶初始复投工艺，其特征在于，所述熔融温度为1450-1500℃。7.根据权利要求6所述的一种直拉单晶初始复投工艺，其特征在于，所述熔硅硅液在所述熔融温度下至少保持0.5h；优选地，所述熔硅硅液在所述熔融温度下保持时间为0.5-1h。8.根据权利要求6或7所述的一种直拉单晶初始复投工艺，其特征在于，所述熔硅硅液在熔融后降温至其结晶温度；优选地，所述熔硅硅液的结晶温度为1400-1450℃。9.根据权利要求8所述的一种直拉单晶初始复投工艺，其特征在于，再在结晶后的设定时间内向所述石英坩埚进行初次复投装料，并使复投硅料与所述初始硅料完全混合熔融；复投后所述石英坩埚内的熔硅液面低于所述石英坩埚上端面；优选地，向所述石英坩埚初次复投装料在结晶后的0.5h内进行操作。10.根据权利要求9所述的一种直拉单晶初始复投工艺，其特征在于，复投后所述石英坩埚内的熔硅液面至所述石英坩埚上端面的高度不小于40mm且不大于100mm；优选地，复投后所述石英坩埚内的熔硅液面至所述石英坩埚上端面的高度不小于40mm且不大于70mm。

技术总结

一种直拉单晶初始复投工艺，步骤包括：载有熔硅原料的石英坩埚的上端面至熔硅液面具有一定高度；使具有所述一定高度的所述石英坩埚的内侧环壁面产生析晶相变，获得一层α-方石英结构的石英体；向析晶后的所述石英坩埚进行复投硅原料。本发明在不影响石英坩埚总的装料量前提下，可使石英坩埚靠近固液界面的上沿内壁被高温充分烘烤，使其逐步完全析晶获得一层致密且稳定的α-方石英结构的保护层，且耐腐蚀度高，使在首颗单晶拉制过程中，石英坩埚内壁不易出现气泡破裂或石英脱落问题，从而可减少拉晶过程中杂质的含量，进而改善成晶效果。与现有初始复投工艺相比，本发明提出的复投工艺，可使初始拉制硅棒的成晶率提高15％以上。上。上。