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一种异形尺寸的直拉单晶 硅及其生长方法

阅读：106发布：2023-02-16

专利汇可以提供一种异形尺寸的直拉单晶硅及其生长方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种异形尺寸的直拉单晶硅及其生长方法，该直拉单晶硅具有至少两个等直径尺寸部，该直拉单晶硅前端设有细颈部，后端设有具有锥度的尾部，等直径尺寸部之间设有直径过渡部。本发明根据单晶硅电阻率分布及单晶尺寸进行搭配生产，采用引晶、放肩、转肩、等径一部过程、直径过渡、等径二部过程、收尾步骤工艺进行生长，得到一根异形尺寸晶棒，尺寸及长度可按照任务单预先估算，本发明将不同直径的单晶硅结合在同一根晶棒上进行生长，可有效提高任务单搭配及电阻率对档性，有效降低生产成本，生产调配灵活度大。，下面是一种异形尺寸的直拉单晶硅及其生长方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种异形尺寸的直拉单晶硅，其特征在于：该直拉单晶硅具有至少两个等直径尺寸部，该直拉单晶硅前端设有细颈部，后端设有具有锥度的尾部，等直径尺寸部之间设有直径过渡部。
2.根据权利要求1所述的一种异形尺寸的直拉单晶硅，其特征在于：该直拉单晶硅具有两个等直径尺寸部且分别为等径一部和等径二部，所述等径一部前端设有细颈部，细颈部与等径一部间设有具有锥度的肩部作为过渡，所述等径一部与等径二部间设有具有锥度的直径过渡部，所述等径二部后端设有具有锥度的尾部。
3.根据权利要求2所述的一种异形尺寸的直拉单晶硅，其特征在于：所述等径一部的直径和等径二部的直径相差0.9～1.1英寸，且所述等径一部的直径大于等径二部的直径。
4.根据权利要求3所述的一种异形尺寸的直拉单晶硅，其特征在于：每个等径尺寸部的长度不小于200mm，所述直径过渡部长度为100～200mm。
5.一种权利要求1至4任意一项所述的异形尺寸的直拉单晶硅生长方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）根据生产需要计算所需单晶硅尺寸及电阻率的晶锭长度、多晶硅料、掺杂剂，并进行备料准备；
（2）将多晶硅，掺杂剂放入待用石英坩埚中，封闭热场，抽真空，开启保护气体；
（3）确认真空及其他检查项正常后，开启加热电源进行多晶硅熔化；
（4）待多晶硅完全熔化后进行熔体温度稳定；
（5）待熔体温度稳定后开始引晶、放肩；
（6）当单晶肩部生长到等径一部环节所需要直径后进行快速转肩；
（7）稳定单晶直径，进行等径一部环节晶体生长；
（8）待单晶等径一部环节生长到预计长度后进行直径过渡生长；
（9）待单晶直径过渡生长直径达到等径二部环节所需要直径后，稳定晶体生长，开始等径二部环节晶体生长；
（10）待等径二部环节长度达到预计长度，开始进行单晶收尾生长。
6.根据权利要求5所述的一种异形尺寸的直拉单晶硅生长方法，其特征在于：单晶生长过程选用高纯氩气作为保护气体，其流量为20～120slpm；整个晶体生长过程保持晶体转速不变，为10～25rpm。
7.根据权利要求6所述的一种异形尺寸的直拉单晶硅生长方法，其特征在于：步骤（5）引晶环节籽晶下降采用逐步下降法，每30min下降0.9m、放肩旋转提拉速度为25～70mm/h。
8.根据权利要求6所述的一种异形尺寸的直拉单晶硅生长方法，其特征在于：步骤（8）中采用提高单晶提拉速度10～30%；逐步降低石英坩埚旋转速度10～40%，增加熔体温度
0.1～1%的方法减少熔体过冷度，缓慢改变熔体对流，实现单晶直径逐步变小，完成直径过渡。
9.根据权利要求1所述的一种异形尺寸的直拉单晶硅生长方法，其特征在于：步骤（6）涉及的转肩提拉速度为150～180mm/h，步骤（10）中收尾速度为80～300mm/h。

说明书全文

一种异形尺寸的直拉单晶硅及其生长方法

技术领域

[0001] 本发明涉及单晶硅生长制造领域，特别涉及一种异形尺寸的直拉单晶硅及其生长方法。

背景技术

[0002] 直拉单晶硅生长方法又称Czochralski法，简称CZ法，是把高纯度的多晶硅放在石英坩埚内，高温加热使其熔化，再利用籽晶及旋转提拉方法，通过引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤将单晶硅逐步生长出来。其中等径生长是指等同直径生长，通过旋转提拉方法生长出直径相同的单晶，待晶体生长到需要长度后进行收尾。同时，由于单晶硅的主要掺杂剂为元素P和元素B，在熔硅中的分凝系数分别为0.35和0.8，因此单晶硅电阻表现为头高尾低，逐步下降分布。由于以上原因，传统直拉单晶硅其直径是统一的，电阻率表现为逐步下降分布，如图1所示为18寸热场，投料30kg，头部目标电阻率48欧姆厘米N<111>4寸单晶电阻率分布。此外电阻率下降趋势随着投料量的减少，下降得越快。

[0003] 随着分立器件的发展和需求细化，器件制造厂家对硅片的电阻率档位要求越来越高，电阻率范围越来越集中，对单晶电阻率对档性的要求也越来越高；此外，各器件厂因工艺、产线能力、终端产品不同，对硅片的尺寸和电阻率需求也不同。对于单晶硅生长和硅片制造厂家而言，如何根据客户订单合理搭配单晶生产将直接影响生产成本和生产效率。比如某厂家需要电阻率为40～30欧姆厘米4寸晶锭600mm，另一厂家需要30～15欧姆厘米3英寸硅片700mm，此时必须分别生长一根4寸单晶和一根3寸单晶，同时由于分凝系数物理规律性，电阻率分布逐步下降，必然有阻值超差的单晶硅剩余，造成生产浪费或效率低下。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题就是提供异形尺寸的直拉单晶硅及其生长方法，最终可以得到一根异形尺寸晶棒，尺寸及长度可按照任务单预先估算，可有效提高任务单搭配及电阻率对档性，有效降低生产成本，生产调配灵活度大。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种异形尺寸的直拉单晶硅，该直拉单晶硅具有至少两个等直径尺寸部，该直拉单晶硅前端设有细颈部，后端设有具有锥度的尾部，等直径尺寸部之间设有直径过渡部。

[0006] 优选的，该直拉单晶硅具有两个等直径尺寸部且分别为等径一部和等径二部，所述等径一部前端设有细颈部，细颈部与等径一部间设有具有锥度的肩部作为过渡，所述等径一部与等径二部间设有具有锥度的直径过渡部，所述等径二部后端设有具有锥度的尾部。

[0007] 优选的，所述等径一部的直径和等径二部的直径相差0.9～1.1英寸，且所述等径一部的直径大于等径二部的直径。

[0008] 优选的，每个等径尺寸部的长度不小于200mm，所述直径过渡部长度为100～200mm。

[0009] 上述的异形尺寸的直拉单晶硅生长方法包括如下步骤：

[0010] （1）根据生产需要计算所需单晶硅尺寸及电阻率的晶锭长度、多晶硅料、掺杂剂，并进行备料准备；

[0011] （2）将多晶硅，掺杂剂放入待用石英坩埚中，封闭热场，抽真空，开启保护气体； [0012] （3）确认真空及其他检查项正常后，开启加热电源进行多晶硅熔化； [0013] （4）待多晶硅完全熔化后进行熔体温度稳定；

[0014] （5）待熔体温度稳定后开始引晶、放肩；

[0015] （6）当单晶肩部生长到等径一部环节所需要直径后进行快速转肩； [0016] （7）稳定单晶直径，进行等径一部环节晶体生长；

[0017] （8）待单晶等径一部环节生长到预计长度后进行直径过渡生长； [0018] （9）待单晶直径过渡生长直径达到等径二部环节所需要直径后，稳定晶体生长，开始等径二部环节晶体生长；

[0019] （10）待等径二部环节长度达到预计长度，开始进行单晶收尾生长。 [0020] 优选的，单晶生长过程选用高纯氩气作为保护气体，其流量为20～120slpm；整个晶体生长过程保持晶体转速不变，为10～25rpm。

[0021] 优选的，步骤（5）引晶环节籽晶下降采用逐步下降法，每30min下降0.9m、放肩旋转提拉速度为25～70mm/h。

[0022] 优选的，步骤（8）中采用提高单晶提拉速度10～30%；逐步降低石英坩埚旋转速度10～40%，增加熔体温度0.1～1%的方法减少熔体过冷度，缓慢改变熔体对流，实现单晶直径逐步变小，完成直径过渡。

[0023] 优选的，步骤（6）涉及的转肩提拉速度为150～180mm/h，步骤（10）中收尾速度为80～300mm/h。

[0024] 本发明根据单晶硅电阻率分布及单晶尺寸进行搭配生产，采用引晶、放肩、转肩、等径一部过程、直径过渡、等径二部过程、收尾步骤工艺进行生长，得到一根异形尺寸晶棒，尺寸及长度可按照任务单预先估算。本发明将不同直径的单晶硅结合在同一根晶棒上进行生长，可有效提高任务单搭配及电阻率对档性，有效降低生产成本，生产调配灵活度大。 [0025] 综上所述，本发明的优点为：

[0026] 1、本发明能够有效提高晶体利用率和对档率，降低生产成本；

[0027] 2、本发明因减少了单晶收尾次数，能够有效提高单晶成晶率；

[0028] 3、本发明能够有效减少因尺寸不匹配时将大尺寸晶锭加工成小尺寸晶锭的加工损耗，有利于降低生产损耗；

[0029] 4、本发明具有良好的生产可操作性。附图说明

[0030] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

[0031] 图1为头部目标电阻率48欧姆厘米N<111>4寸单晶电阻率分布示意图； [0032] 图2为本发明涉及的异形尺寸单晶硅各部位示意图；

[0033] 图3为本发明实施实例中电阻率样片取样位置。

具体实施方式

[0034] 下面结合具体生产过程对本发明做出具体说明。

[0035] 现生产任务如下：电阻率为35-20欧姆厘米的N型<111>4寸单晶锭约500mm；电阻率18-8欧姆厘米的N型<111>3寸单晶锭约500mm。

[0036] 如图2所示，预加工成的异形尺寸的直拉单晶硅，具有两个等直径尺寸部且分别为等径一部3和等径二部5，所述等径一部前端设有细颈部1，细颈部与等径一部间设有具有锥度的肩部2作为过渡，所述等径一部与等径二部间设有具有锥度的直径过渡部4，所述等径二部后端设有具有锥度的尾部6。所述等径一部的直径和等径二部的直径相差0.9～1.1英寸，且所述等径一部的直径大于等径二部的直径。每个等径尺寸部的长度不小于
200mm，所述直径过渡部长度为100～200mm。

[0037] 对比实例1：

[0038] 采用本发明生长方案如下：采用CG3000型单晶炉，14寸热场，多晶投料 25kg，拉制单晶头部目标电阻率35欧姆厘米，N型<111>3寸（等径二部）、4寸（等径一部）混合尺寸异形单晶。其中4寸等径长度约为550mm，直径过度约为120mm，3寸等径长度650mm。步骤如下：

[0039] （1）根据生产需要计算所需进行多晶硅料、掺杂剂准备。

[0040] （2）将多晶硅，掺杂剂放入待用石英坩埚中，封闭热场，进行设备真空点检； [0041] （3）确认真空及其他检查项正常后，开启加热电源进行多晶硅熔化； [0042] （4）待多晶硅完全熔化后进行熔体温度稳定；

[0043] （5）待熔体温度稳定后以0.45m/h下降籽晶，开始引晶生长，引晶生长平均速度为140mm/h、细颈直径3～5mm、细颈长度约8cm，此时坩埚转速8rpm，晶体旋转速度13rpm； [0044] （6）开始进行放肩生长，放肩提拉速度约为45mm/h，待肩部直径达到110mm时，快速提升晶体提拉速度至170mm/h，进行转肩生长；

[0045] （7）转肩结束后可观察到明显直径光圈，并稳定晶体直径约110mm左右，此时晶体提拉速度基本稳定在50～60mm/h；

[0046] （8）待单晶生长至550mm时，以2rpm/h速率下调坩埚转速，直至坩埚转速稳定在5rpm、根据单晶炉内生长情况将晶体提拉速度增加5～10mm/h、以12hsp/h速度匀速增加至直径过渡结束，将晶体直径逐步缩小，并稳定在83mm左右，直径过渡区长度约为130mm； [0047] （9）待单晶以83mm左右直径生长至指定长度后进行收尾。

[0048] （10）收尾结束后，停止加热功率，待单晶冷却后取出。

[0049] （11）在单晶硅进行样片截取，并测试电阻率等参数，取样位置如图3所示。 [0050] （12）测试得到测试数据如下：

[0051]样片编号电阻率测试值
样片1 33.8
样片2 21.2
样片3 17.8
样片4 6.8

[0052]

[0053] 去除样片后得到4寸晶锭563mm，3寸晶锭为523mm。

[0054] 根据电阻率分布，得到有效的符合要求晶锭为电阻率为35-20欧姆厘米的N型<111>4寸单晶锭约563mm；电阻率18-8欧姆厘米的N型<111>3寸单晶锭约486mm。 [0055] 对比实例2：

[0056] 采用传统单晶生长最优方案：采用CG3000型单晶炉，14寸热场，多晶投料23kg，拉制单晶头部目标电阻率35欧姆厘米，

[0057] 采用CG3000型单晶炉，12寸热场，多晶投料10kg，生长N型<111>3寸，头部电阻率18欧姆厘米。

[0058] 分别按照传统引晶、放肩、转肩、等径、收尾工艺进行生长，并分别取头尾样片，经测试电阻率如下：

[0059]样片编号电阻率测试值
4寸头部样片 34.3
4寸尾部样片 20.6
3寸头部样片 18.1
3寸尾部样片 6.0

[0060] 去除样片后得到4寸晶锭923mm，3寸晶锭为666mm。得到有效的符合要求晶锭为电阻率为35-20欧姆厘米的N型<111>4寸单晶锭约559mm；电阻率18-8欧姆厘米的N型<111>3寸单晶锭约491mm。

[0061] 从以上对比试验得到对比数据如下：

[0062]

[0063] 从对比情况看，本发明提供的异形尺寸的直拉单晶硅及其生长方法能够有效降低生产成本，提高生产效率。

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