一種改善直拉法生長單晶硅質(zhì)量的方法以及加熱器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及直拉法單晶硅生長技術(shù)，特別涉及一種改善直拉法生長單晶硅質(zhì)量的方法以及加熱器。
【背景技術(shù)】
[0002]直拉法單晶生長技術(shù)(Czochralski，CZ法)是把原料硅放入石英坩禍中，在單晶爐中加熱融化，再將棒狀晶種(籽晶)浸入熔液中。在合適的溫度下，熔液中的硅原子會順著晶種的硅原子排列結(jié)構(gòu)在固液交界面上形成規(guī)則的結(jié)晶，成為單晶體。把晶種微微的旋轉(zhuǎn)向上提升，熔液中的硅原子會在前面形成的單晶體上繼續(xù)結(jié)晶，并延續(xù)其規(guī)則的原子排列結(jié)構(gòu)。若整個結(jié)晶環(huán)境穩(wěn)定，就可以周而復(fù)始的形成結(jié)晶，最后形成一根圓柱形的原子排列整齊的單晶硅晶體，即單晶硅錠。
[0003]直拉法單晶生長廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體單晶硅和太陽能單晶硅，隨著直拉法單晶生長向大直徑大裝料方向發(fā)展，現(xiàn)有技術(shù)中直拉法單晶硅生產(chǎn)中加熱器用于熔化原料硅和拉晶過程中保溫，現(xiàn)有技術(shù)中一般采用高純石墨材料，目前也有用到C-C復(fù)合材料。普通的石墨加熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，加熱器包括筒狀的發(fā)熱本體I和固定在發(fā)熱本體上的電極腳2和備用腳板3，發(fā)熱本體I上開設(shè)有沿周向交替布置的上開槽11和下開槽12，上開槽和下開槽將發(fā)熱本體分成多根依次串聯(lián)的加熱條13，加熱器是在圓柱狀或圓桶狀石墨胚體上加工而成，通過均勻開槽，形成寬度、厚度一致且來回彎曲的縱向石墨加熱條，由于各石墨加熱條電阻率相同，截面積相同，加熱條上下發(fā)熱均勻，
[0004]拉晶過程中，盛料的石英坩禍被置于上述加熱器內(nèi)部，坩禍上部是敞開系統(tǒng)，沒有保溫或保溫效果差，且保護(hù)氣的流動帶走大量熱量，而加熱器側(cè)面和底部保溫效果好，因此，石英坩禍中熔體的溫度隨熔體的深度加深越來越高，從而形成較大的溫度梯度，溫度曲線如圖2中的a所示，熔體的溫度隨熔體的深度加深不斷升高，從而使溫度梯度引起的熱對流加劇，進(jìn)而導(dǎo)致晶體中缺陷密度急劇加大；另外硅熔體侵蝕石英坩禍導(dǎo)致坩禍中的雜質(zhì)氧隨對流增加進(jìn)入晶體的機(jī)會也大幅增加。
[0005]V(r)/G(r)是拉晶過程中的一個重要參數(shù)，V為拉速，G為跨過固液生長界面的溫度梯度，r為晶體半徑，表明V、G隨r而變化，V/G比值的大小決定了生長出的晶體中的晶格缺陷的類型和密度大小，V/G很大時形成空位型缺陷的單晶硅，V/G很小時形成間隙型缺陷的單晶硅，從間隙型單晶硅到空位型單晶硅，V/G有一個中間的臨界值_(V/G) ，V/G正好在這個臨界值附近時，空位和自間隙硅的缺陷密度都很低，單晶近乎完美，但要實際控制到這樣的條件很難，如果要保證整個生長界面上都能控制到這樣的條件那幾乎是不可能，因此，在單晶硅的實際生產(chǎn)中并不尋求完美單晶，而是要控制缺陷的危害程度。
[0006]在整個生長界面上，由于單晶表面的冷卻速度更快，所以，G(r)隨單晶中心到邊緣有增大趨勢，V/G隨中心到邊緣有變小趨勢，因此，單晶中心位置更容易形成空位型缺陷，邊緣更容易形成間隙型缺陷，如果拉晶參數(shù)控制不好，使得V/G處于臨界值附近，這時拉出的單晶就會形成中心空位型、邊緣間隙型缺陷的單晶，空位和間隙型缺陷的交界處的單晶容易形成OISF環(huán)，它使半導(dǎo)體單晶硅因這種大尺寸的缺陷而導(dǎo)致器件失效。
[0007]另一方面，在高溫區(qū)域的石英坩禍的內(nèi)壁被熔硅侵蝕，內(nèi)壁的Si02進(jìn)入熔硅中，進(jìn)入熔體中的O隨熔體的對流被帶到熔體表面，并以S1的形式揮發(fā)進(jìn)入保護(hù)氣中被真空泵抽走，只有1%左右的氧隨熔體的流動被輸送到生長界面附近進(jìn)而進(jìn)入單晶硅中，熔體的溫度梯度越大，坩禍底部的富氧的熔體越容易被帶到生長界面附近，制備的硅中的氧含量就越尚。
[0008]雖然在半導(dǎo)體單晶硅中適量的氧在器件加工過程中形成的氧沉淀具有內(nèi)吸雜作用，從而能改善器件的性能，但過高的氧含量形成的大量氧沉淀及誘生的二次缺陷達(dá)到一定的尺寸，將嚴(yán)重影響器件的性能，高的缺陷密度和高氧的同時存在情況下，更容易形成肉眼就能觀察到的漩渦缺陷和OISF環(huán)，導(dǎo)致器件的報廢，因此需要降低單晶硅內(nèi)的含氧量。而在太陽單晶硅中，電池的加工盡管溫度不高，時間也不長，氧沉淀的量不大，但氧沉淀的初期對材料的少子壽命影響巨大，高密度的缺陷及高氧的結(jié)合，引起少子壽命的大幅下降，產(chǎn)生黑心低效現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了一種改善直拉法生長單晶硅質(zhì)量的方法，通過改善單晶爐的熱場設(shè)計以及對拉晶工藝的優(yōu)化，實現(xiàn)低缺陷、超低氧、高少子壽命的單晶硅的制造。
[0010]一種改善直拉法生長單晶硅質(zhì)量的方法，包括步驟:將原料硅投入晶體爐的坩禍內(nèi)；加熱器加熱坩禍融化禍內(nèi)的原料硅并保持熔體在熔融狀態(tài)；將棒狀籽晶浸入熔液中；通入惰性氣體至熔體液面，控制爐內(nèi)壓力；一邊旋轉(zhuǎn)坩禍，一邊提升相對坩禍反向旋轉(zhuǎn)的棒狀籽晶，得到圓柱形的單晶硅晶體；控制沿著坩禍深度方向的加熱量，使熔體自生長界面至坩禍底部的溫度梯度減小。
[0011]現(xiàn)有技術(shù)中，坩禍上部是敞開系統(tǒng)，沒有保溫或保溫效果差，且保護(hù)氣的流動帶走大量熱量，而加熱器側(cè)面和底部保溫效果好，因此，坩禍中熔體的溫度隨熔體的深度加深越來越高，從而在熔體內(nèi)部形成較大的溫度梯度，因此，通過本發(fā)明方法，控制沿著坩禍深度方向的加熱量，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中的上下溫差大的問題，使熔體自生長界面至坩禍底部的溫度梯度減小，從而減小生長界面的溫度梯度G(r)。
[0012]如圖2所示，溫度曲線a為現(xiàn)有技術(shù)下產(chǎn)生的溫度曲線，熔體的溫度隨熔體的深度加深不斷升高，沿著熔體的深度，溫度梯度一直較大，生長界面的溫度梯度G (r)較大，會形成中心空位型、邊緣間隙型缺陷的單晶，空位和間隙型缺陷的交界處的單晶容易形成OISF環(huán)，它使半導(dǎo)體單晶硅因這種大尺寸的缺陷而導(dǎo)致器件失效。
[0013]而按照本發(fā)明方法對熔體溫度進(jìn)行控制，呈現(xiàn)出如溫度曲線b和c在靠近生長界面的溫度梯度明顯降低，從而對應(yīng)的生長界面的溫度梯度G(r)明顯降低，在V保持不變的情況下，V/G變大，使V/G遠(yuǎn)離臨界點-(V/G)臨界，從而防止發(fā)生形成中心空位型、邊緣間隙型缺陷的單晶，避免空位和間隙型缺陷的交界處形成OISF環(huán)，提高少子壽命。
[0014]控制加熱量可以通過調(diào)整加熱器的加熱方式進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)選的，控制所述加熱器的加熱量，使加熱器的上部加熱量大于下部加熱量。
[0015]同時，由于下部的發(fā)熱量較低，使坩禍底部熔體溫度降低，極端的情況，坩禍底部溫度最低，溫度曲線如圖2的溫度曲線C，底部富氧的熔體不能產(chǎn)生熱對流而流向生長界面，這時生長出的硅單晶氧含量極低，極大降低單晶硅的含氧量。
[0016]使加熱器的上部加熱量大于下部加熱量可以通過分段加熱實現(xiàn)，即加大上部的加熱量，但是為了簡化改造，降低成本，最優(yōu)的情況是使用和現(xiàn)有技術(shù)中相同的一體式加熱器，但對其中的加熱條進(jìn)行技術(shù)改造。
[0017]為了實現(xiàn)本發(fā)明方法，本發(fā)明還提供了一種改善直拉法生長單晶硅質(zhì)量的加熱器，包括筒狀的發(fā)熱本體和固定在發(fā)熱本體上的電極腳，所述發(fā)熱本體上開設(shè)有沿周向交替布置的上開槽和下開槽，所述上開槽和下開槽將發(fā)熱本體分成多根依次串聯(lián)的加熱條，所述加熱條位于所述發(fā)熱本體上部產(chǎn)生的熱量大于位于下部產(chǎn)生的熱量。
[0018]所述的上開槽的開口向下，下開槽的開口向上。
[0019]現(xiàn)有的石墨加熱器的加熱條上下發(fā)熱均勻，又由于爐體上下的保溫情況不同，從而導(dǎo)致坩禍內(nèi)的熔體上下溫差大，使用時，難以將G(r)控制在較小的范圍，而將本發(fā)明的加熱器應(yīng)用到現(xiàn)有的晶體爐內(nèi)時，由于加熱器本身產(chǎn)生的熱能上多下少，正好與現(xiàn)有的晶體爐口部保溫措施不佳相對應(yīng)，從而使坩禍內(nèi)的熔體上下溫差減小，使溫度梯度下降，實現(xiàn)本發(fā)明方法中所述的，在拉晶過程中，控制沿著坩禍深度方向的加熱量，使熔體自生長界面至坩禍底部的溫度梯度減小。
[0020]根據(jù)發(fā)熱功率W = I2R, R= P *1/S，P為材料電阻率，I為電阻長度，S為電阻的截面積，為使這些串聯(lián)的加熱條在通電后，使上部產(chǎn)生的熱量大于下部產(chǎn)生的熱量方式主要有改變加熱條的截面積、長度和電阻率這三種方式。
[0021]截面積的變化可以通過改變加熱條的厚度和寬度來實現(xiàn)，其中，電流在串聯(lián)的加熱條中流動，包括各加熱條縱向電流以及加熱條之間的橫向