專利名稱：制備用于硅晶體生長的硅粉熔體的方法
制備用于硅晶體生長的硅粉熔體的方法
背景技術(shù)：
概括而言，本發(fā)明的領(lǐng)域涉及用于使硅錠生長的硅粉熔體的制備，特別涉及用于生產(chǎn)單晶或多晶硅錠的硅粉熔體的制備。用于微電子電路制造的大多數(shù)單晶硅是通過丘克拉斯基法(Czochralski法， “Cz”法)制備的。在這種方法中，在坩鍋中使多晶硅熔融，將晶種浸入該熔融硅，以足以實現(xiàn)該錠塊所需的直徑的方式提拉晶種并以該直徑使單晶生長，由此制造單晶硅錠。被熔融以形成熔融硅的多晶硅通常是通過Siemens法制成的塊狀多晶硅或通過流化床反應(yīng)法制成的粒狀多晶硅。塊狀多晶硅的形狀通常不規(guī)則，具有尖銳的鋸齒狀邊緣， 因為它是通過將多晶硅桿弄碎成通常大約2厘米至大約10厘米長和大約4厘米至大約6厘米寬的較小碎片來制備的。粒狀多晶硅比塊狀小得多，并通常具有可用于形成熔體的均勻球形。粒狀多晶硅的直徑通常為大約0.5至大約5毫米。塊狀和粒狀多晶硅的制備和特征都在 F. Shimura, Semiconductor Silicon Crystal Technology,第 116-121 頁，Academic Press (San Diego Calif, 1989)和其中引用的參考資料中進(jìn)一步詳述，其出于各種相關(guān)和相容目的經(jīng)此引用并入本文。由于光伏電池(即太陽能電池)的需求量增長，多晶硅供應(yīng)不足，因此更希望最大程度地利用硅源(例如使用塊狀多晶硅和粒狀多晶硅之外的原料)生產(chǎn)單晶硅和多晶硅。 因此，需要使用非常規(guī)硅原料并認(rèn)識到和克服由于使用這樣的非常規(guī)原料而面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)的生產(chǎn)方法。硅粉是粒狀硅流化床法的副產(chǎn)物，通常用于價值較低的工業(yè)用途，例如作為鋼生產(chǎn)中的添加劑。因此，硅粉與粒狀和塊狀多晶硅相比以更大的折扣出售。需要能利用硅粉作為原料生產(chǎn)更高價值的產(chǎn)品(例如單晶或多晶硅)的生產(chǎn)方法。
發(fā)明概要本發(fā)明的一個方面涉及制備用于根據(jù)丘克拉斯基法使單晶或多晶硅錠生長的硅粉熔體的方法。將硅粉裝載到坩鍋中，以形成包含至少大約20重量％的硅粉的硅裝料。該硅粉包括在其表面具有一定量的氧化硅的硅粉粒子。將該坩堝置于提拉硅錠所用的拉晶機(jī)的外殼內(nèi)。將該硅裝料加熱到從大約1100°C至大約低于硅裝料的熔融溫度的溫度達(dá)至少大約30分鐘，以從該裝料中除去氧化硅。將該硅裝料加熱至高于該裝料的熔融溫度的溫度以形成硅熔體。本發(fā)明的另一方面涉及制備用于根據(jù)丘克拉斯基法使單晶或多晶硅錠生長的硅粉熔體的方法。將硅粉裝載到坩鍋中以形成硅裝料。將該坩堝置于提拉硅錠所用的拉晶機(jī)的外殼內(nèi)。該外殼包括環(huán)境氣氛。除去一部分環(huán)境氣氛以在該外殼中產(chǎn)生真空?？刂瞥キh(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在環(huán)境氣氛中。將該硅裝料加熱至高于該裝料的熔融溫度的溫度以形成硅熔體。在制備用于根據(jù)丘克拉斯基法使單晶或多晶硅錠生長的硅粉熔體的方法的另一方面中，將硅粉裝載到坩鍋中以形成硅裝料。將該坩堝置于提拉硅錠所用的拉晶機(jī)的外殼內(nèi)。該拉晶機(jī)具有與坩堝熱連通的加熱器，用于將坩堝加熱至足以使硅裝料熔融的溫度。該加熱器具有限定加熱器長度的頂部和底部以及在加熱器頂部和底部中間的軸向中點。該坩堝能沿拉晶機(jī)的中心縱軸在外殼內(nèi)上升和下降。所述裝料具有在裝料表面與裝料底部中間的軸向中點。加熱該坩堝容納的硅裝料以形成具有表面的硅熔體，同時使坩堝保持在第一軸向位置，其中該裝料的軸向中點與該加熱器的軸向中點之間的距離小于加熱器長度的大約15%。將坩堝置于第二軸向位置，其中熔體表面與所述加熱器的軸向中點之間的距離小于加熱器長度的大約15%。在第二軸向位置使硅熔體的溫度保持高于所述裝料的熔融溫度達(dá)至少大約30分鐘。本發(fā)明的另一方面涉及制備用于根據(jù)丘克拉斯基法使單晶或多晶硅錠生長的硅粉熔體的方法。該硅熔體在包含底部和具有內(nèi)表面的側(cè)壁的坩堝中制備。沿坩堝側(cè)壁的內(nèi)表面插入可移除的隔離物。該隔離物具有頂部和底部。將硅粉裝載到坩堝中以形成硅裝料。 從坩堝中移除該可移除的隔離物，以在坩堝側(cè)壁與硅裝料之間制造間隙。將該硅裝料加熱至高于該裝料的熔融溫度的溫度以形成硅熔體。在制備用于根據(jù)丘克拉斯基法使單晶或多晶硅錠生長的硅粉熔體的另一方面中， 將硅粉裝載到包含底部和具有內(nèi)表面的側(cè)壁的坩堝中以形成硅裝料。該硅粉包括在其表面具有一定量氧化硅的硅粉粒子。沿坩堝側(cè)壁的內(nèi)表面插入可移除的隔離物。該隔離物具有頂部和底部。從坩堝中移除該可移除的隔離物以在坩堝側(cè)壁與硅裝料之間制造間隙。將該坩堝置于提拉硅錠所用的拉晶機(jī)的外殼內(nèi)。該外殼包括環(huán)境氣氛。該拉晶機(jī)具有與坩堝熱連通的加熱器，用于將坩堝加熱至足以使硅裝料熔融的溫度。該加熱器具有限定加熱器長度的頂部和底部以及在加熱器頂部和底部中間的軸向中點。該坩堝能沿拉晶機(jī)的中心縱軸在外殼內(nèi)上升和下降。所述裝料具有在裝料表面與裝料底部中間的軸向中點。除去一部分環(huán)境氣氛以在該外殼中產(chǎn)生真空?？刂瞥キh(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在環(huán)境氣氛中。將該硅裝料加熱到從大約1100°C至大約低于硅裝料的熔融溫度的溫度達(dá)至少大約30 分鐘，以從該裝料中除去氧化硅。將該硅裝料加熱至高于該裝料的熔融溫度的溫度以形成具有表面的硅熔體，同時使坩堝保持在第一軸向位置，其中該裝料的軸向中點與該加熱器的軸向中點之間的距離小于加熱器長度的大約15%。將坩堝置于第二軸向位置，其中熔體表面與該加熱器的軸向中點之間的距離小于加熱器長度的大約15%。在第二軸向位置使硅熔體的溫度保持高于該裝料的熔融溫度達(dá)至少大約30分鐘。聯(lián)系本發(fā)明上述方面所述的特征存在各種細(xì)化。在本發(fā)明的上述方面中還可能包括其它特征。這些細(xì)化和附加特征可以獨立存在或以任何組合存在。例如，下面聯(lián)系本發(fā)明的任何示例性實施方案論述的各種特征可以單獨地或以任何組合合并到本發(fā)明的任何上述方面中。附圖簡述

圖1是裝在拉晶裝置中的坩堝內(nèi)的硅粉裝料的截面圖；圖2是在相對于加熱器的第一軸向位置的坩堝內(nèi)的硅粉裝料的截面圖；圖3是在相對于加熱器的第二軸向位置的坩堝內(nèi)的硅熔體的截面圖；圖4是在相對于加熱器的第三軸向位置的坩堝內(nèi)的硅熔體的截面圖；圖5是在拉晶裝置中由硅熔體提拉的硅錠的截面圖；相應(yīng)的標(biāo)號在附圖的幾個若干視圖中表示相應(yīng)的部件。
發(fā)明詳述本發(fā)明的方法涉及用于晶體生長的硅粉熔體的制備。這些方法包括從粉末中除去氧化硅；施加真空以除去空氣和其它氧化氣體；在裝料熔融過程中控制該裝料相對于加熱器的位置，以更有效地熔融該裝料，和在使該裝料保持高于其熔融溫度達(dá)到能使氧化物溶解的時間的同時控制該裝料相對于加熱器的位置；和在坩堝側(cè)壁與硅粉裝料之間使用可移除的隔離物。硅粉傳統(tǒng)上被認(rèn)為是粒狀多晶硅生產(chǎn)的低價值副產(chǎn)物。粒狀多晶硅可以在流化床反應(yīng)器中通過化學(xué)氣相沉積機(jī)制制造。將含有可熱分解的化合物(例如硅烷或鹵化硅烷) 的流化氣體引入流化床反應(yīng)器的反應(yīng)室，以使硅粒子懸浮在該反應(yīng)室中。硅在反應(yīng)室中由可熱分解的硅化合物沉積到硅粒子上。硅粒子的尺寸連續(xù)增長，直至它們作為多晶硅產(chǎn)物 (即“粒狀”多晶硅)從該反應(yīng)器中移出。在粒狀多晶硅生產(chǎn)過程中可能在反應(yīng)室中發(fā)生各種反應(yīng)。在硅烷系統(tǒng)中，硅烷不均勻沉積到生長中的晶粒上，并且也可能分解產(chǎn)生硅蒸氣。硅蒸氣可均勻成核以形成不合意的硅粉(同義稱作硅“塵”)。在硅由硅烷沉積到生長中的硅粒子上時，由硅烷分子釋放
Μ,ο硅粉隨離開反應(yīng)器的氫氣和未反應(yīng)的硅烷以及通常與硅烷一起添加到反應(yīng)器中的載氣(統(tǒng)稱為“廢氣”)被帶出反應(yīng)器。通過例如袋過濾、旋風(fēng)分離或液體洗滌器將硅粉與離開反應(yīng)器的廢氣分離。通常，硅粉粒子的平均標(biāo)稱直徑小于大約50微米。本發(fā)明的實施方案的方法能夠利用硅粉作為單晶硅或多晶硅錠塊(與“棒”同義) 的生產(chǎn)原料?？蛇M(jìn)一步加工多晶硅錠以制造單晶硅或多晶硅。使用硅粉作為原料時遇到的困難使用硅粉作為單晶硅或多晶硅生長用的硅源具有許多挑戰(zhàn)。例如，由于硅粉的小粒度，在坩堝內(nèi)形成以構(gòu)成硅裝料的硅粉含有大量空隙，該空隙通常被空氣填充?？諝鈨?nèi)的氧會在硅粉熔融時反應(yīng)形成氧化硅。氧化硅會合并到生長中的硅錠內(nèi)，導(dǎo)致在硅錠內(nèi)形成結(jié)構(gòu)缺陷(例如夾雜物和位錯)。在通過化學(xué)氣相沉積流化床法制造粒狀多晶硅后，與流化氣體分離的粒狀硅和硅粉都暴露在空氣下，以致在該粒狀多晶硅和硅粉粒子的表面上形成氧化硅薄層。粒子表面的這種氧化硅薄層可以為大約20微米至大約40微米厚。由于硅粉的粒度小，該粉末表面的氧化硅占該硅粉粒子的質(zhì)量百分比高于粒狀多晶硅粒子的質(zhì)量百分比，其中氧化硅的量高達(dá)硅粉的大約1重量％。一旦硅粉裝料開始熔融，這些氧化物可能附聚成在熔體表面下方和熔體表面處的固體構(gòu)造。這些固體構(gòu)造會在錠塊生長過程中干擾固體-熔體界面，并造成生長中的錠塊內(nèi)的單晶結(jié)構(gòu)損失?；蛘?，氧化硅會截留在熔體內(nèi)并合并到錠塊中，以造成所得半導(dǎo)體晶片中的結(jié)構(gòu)缺陷和電缺陷(例如夾雜物和位錯)。由于由硅粉形成的大部分硅裝料含有空隙，熔融硅的體積小于初始硅粉裝料的體積。這導(dǎo)致硅熔融過程中的復(fù)雜情況。例如，在熔融過程中，靠近硅加熱器的裝料下部的硅粉(即接觸坩堝側(cè)壁的粉末)從加熱器向內(nèi)熔融，在坩堝中心形成粉末柱。將近熔融后期， 該粉末裝料具有蘑菇形，帶有粉末柱和厚重上蓋。液態(tài)硅流入該粉末裝料的較冷區(qū)并再固化。顯著量的液體芯被吸到上蓋中并再固化。一旦上蓋被固化液體飽和，就在坩堝底部形成熔體池。這種熔體池使所述柱變?nèi)?，并最終造成該柱和上蓋劇烈坍塌(在本文中稱作“硬墜落”，“hard-drop”)，可能造成坩堝的昂貴破裂的事件。在沒有上部熱屏蔽的拉晶機(jī)(例如，如美國專利No. 6，797，062中所示和所述，該專利出于各種相關(guān)和相容的目的并入本文)中熔融的過程中，粉末裝料的下部會熔化掉， 并在熔體上方留下粘到坩堝壁上的未熔融材料的“掛壁物”?；蛘?，會形成在坩堝壁的相對側(cè)之間和在熔體上方延伸的未熔融材料“橋”。在更多熔融硅被毛細(xì)吸收到該橋中后，該橋變重并會造成坩堝的熱機(jī)械屈曲。如果掛壁物或橋坍塌，其可能導(dǎo)致熔融硅濺潑或?qū)釄逶斐蓹C(jī)械應(yīng)力破壞。此外，由于掛壁物或橋與熔融硅之間的熱接觸較差，需要較長時間熔化整個硅裝料。盡管上部熱屏蔽的存在可減輕這兩種情況，但它也限制該裝料內(nèi)的粉末總體積，并可能導(dǎo)致更多粉末夾帶到工藝氣流中。硅粉原料 在本發(fā)明的一個實施方案中，用于制備硅粉裝料的硅粉原料包含從用于由可熱分解的化合物化學(xué)氣相沉積硅的流化床反應(yīng)器中收集的粉末。在另一實施方案中，硅粉原料和所得裝料包含標(biāo)稱直徑小于大約50微米的硅粉粒子。除硅粉外，所述硅粉裝料還可含有一定量的粒狀或塊狀多晶硅。在本發(fā)明的一個實施方案中，該硅粉裝料包括至少大約20重量％的硅粉。在另一些實施方案中，該裝料含有至少大約35重量％的硅粉，根據(jù)另一些實施方案，至少大約50重量％的硅粉或甚至大約 75重量％的硅粉。在一個實施方案中，該硅裝料包括至少大約90重量％的硅粉或甚至99 重量％的硅粉。在又一實施方案中，該硅裝料基本由硅粉構(gòu)成。硅粉裝料的制備在涉及使用粒狀或塊狀多晶硅的晶體硅生產(chǎn)方法中，將塊狀或粒狀硅加載到坩堝中，且該塊狀或粒狀粒子直接接觸坩堝側(cè)壁。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在以相同方式將硅粉裝載到坩堝中時，常常造成硬墜落、掛壁物和橋。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在坩堝側(cè)壁與一部分硅粉裝料之間形成間隙，以防止出現(xiàn)硬墜落并防止形成掛壁物和橋。該間隙是通過將可移除的隔離物挨著坩堝側(cè)壁插入坩堝中而形成的。一旦將硅粉裝載到坩堝中，就移除隔離物以在硅粉與坩堝側(cè)壁之間產(chǎn)生間隙。該可移除的隔離物可以由多種材料構(gòu)成，在一個實施方案中，由在將硅粉裝載到坩堝中時在硅粉重量下保持其形狀、但足夠柔韌以順合彎曲的坩堝側(cè)壁的材料構(gòu)成。合適的材料包括可形變的材料，例如聚氨酯或聚乙烯泡沫，或硬材料，例如各種熱塑性塑料。該隔離物可以是矩形的，或隔離物兩端可連接形成環(huán)。在一個實施方案中，該隔離物的長度至少約為坩堝內(nèi)周的長度。或者，可以使用多個隔離物，其中隔離物總長度至少為坩堝內(nèi)周的長度。在一個實施方案中，隔離物從坩堝底部至少延伸至硅粉裝料的頂部。該隔離物的厚度可有效地在從坩堝中移除隔離物后防止硅粉裝料的頂部接觸坩堝側(cè)壁。在一個實施方案中，該隔離物為至少大約10毫米厚，在另一實施方案中，至少大約 20毫米厚?？梢砸匀魏畏绞讲迦牒蛷嫩釄逯幸瞥摳綦x物，只要在裝料表面處在硅粉裝料與坩堝側(cè)壁之間形成間隙即可。在一個實施方案中，隔離物頂部在已將全部硅粉裝料加入坩堝后仍然暴露，以便容易移除該隔離物，即，在從坩堝中移除隔離物之前的時刻，硅粉在側(cè)壁處的高度不大于隔離物頂部的高度。在一個實施方案中，在沿坩堝側(cè)壁插入隔離物之前將硅粉部分加載到坩堝中以形成部分硅裝料。在插入可移除的隔離物后，將剩余硅粉裝載到坩堝中以形成完整的硅裝料。 如下文更充分描述，可以在移除隔離物之前壓實該硅粉。適合根據(jù)本發(fā)明使用的坩堝可以由許多常規(guī)材料構(gòu)成，包括熔凝或燒結(jié)的石英。 該坩堝也可以如美國專利No. 5，976，247中公開的那樣經(jīng)過表面處理，該專利的整個內(nèi)容出于各種相關(guān)和相容的目的經(jīng)此引用并入本文。在一個實施方案中，該坩堝包含底部和具有內(nèi)表面的側(cè)壁，將隔離物沿側(cè)壁的內(nèi)表面插入坩堝中。一旦將硅粉添加到坩堝中，可以通過壓實來減小硅粉體積。或者，可以在將硅粉添加到坩堝中之前將其壓實。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過抽吸粉末中的真空和然后施加壓實壓力，可以將硅粉體積減小大約40%。在這種方法下，可以將粉末密度從大約0. 7至大約0. 9克/立方厘米提高到大約1. 2至大約1. 6克/立方厘米。壓實壓力可以通過超聲、振動或氣壓產(chǎn)生。在一個實施方案中，對粉末施加大約70托至大約1毫托的絕對壓力(即施加真空)。在這方面，需要注意，除非另行指明，在本公開中提到的所有壓力或真空量是指施加的絕對壓力。然后通過例如經(jīng)圓盤擋板對粉末施加突發(fā)正壓來對該粉末施加壓實力。圓盤擋板使該突發(fā)壓力偏移以免直接沖擊粉末。壓力通過驅(qū)使硅粉微粒進(jìn)入脫除了空氣或其它之前截留的氣體的空隙中來壓縮該粉末?？梢詫⒐璺墼谯釄逯谢蛟谔砑拥桔釄逯兄皦簩崱?如果在坩堝中將硅粉壓實，可以在壓實前將可移除的隔離物插入坩堝中。任選地，可以添加額外的硅粉，然后再壓實，以使裝入坩堝中的硅粉量最大化。在最終壓實完成后，可以移除隔離物以在硅粉與坩堝側(cè)壁之間形成間隙。在一個實施方案中，在壓實之前將硅粉成型成圓頂狀，以使裝入坩堝的粉末量最大化。但是，如下述實施例5中所示，與壓實前成型成圓頂狀的粉末相比，在沒有先成型成圓頂狀的情況下被壓實的粉末在坩堝中較高和較平。在一些實施方案中，在該裝料內(nèi)形成一個或多個孔，所述孔延伸至少一部分從裝料表面到坩堝底部的距離，在一個實施方案中延伸整個該距離。所述孔通過將棒或銷釘插入粉末并從該粉末中移除該棒或銷釘來形成。這些孔有助于氧化硅在氧化硅脫除步驟(下文更充分地描述)中從該裝料中逸出?？讛?shù)、孔直徑和孔從裝料表面向坩堝延伸的距離可以改變，而不偏離本發(fā)明的保護(hù)范圍。這些孔可以用粒狀多晶硅回填，或可以保持開放。在坩堝中制備硅粉裝料后，將該坩堝裝載到硅錠拉晶機(jī)上并密封該拉晶機(jī)。在轉(zhuǎn)移過程中可以用塑料覆蓋該坩堝，或可以使用配套坩堝蓋，以防止粉末釋放到環(huán)境氣氛中， 以使人員盡可能少地接觸氣載粉末?，F(xiàn)在參照附圖，特別參照圖1，根據(jù)用于根據(jù)丘克拉斯基法使單晶或多晶硅錠生長的類型的本發(fā)明方法使用的拉晶機(jī)用標(biāo)號23表示。拉晶機(jī)23包括界定晶體生長室16和拉晶室20的外殼25，拉晶室20的橫向尺寸小于該生長室。生長室16具有大致圓頂形的上壁45，上壁45從生長室16過渡到變窄的拉晶室20。拉晶機(jī)23包括入口 7和出口 11，它們可用于在晶體生長過程中將選擇性環(huán)境氣氛引入外殼25和從外殼25中除去選擇性環(huán)境氣氛。拉晶機(jī)23內(nèi)的坩堝22裝有硅裝料14?？梢钥闯?，硅裝料14在坩堝22側(cè)壁處具有間隙?，F(xiàn)在參照圖5，將硅裝料熔融以形成硅熔體44，由其生長單晶或多晶硅錠12。將坩堝22安裝在轉(zhuǎn)臺四上，以使坩堝可圍繞拉晶機(jī)23的中心縱軸X旋轉(zhuǎn)。坩堝22還能在生長室16內(nèi)升高，以在錠塊12生長時使熔體表面44保持在大致恒定的水平面。電阻加熱器39包圍坩堝22以熔化坩堝中的硅粉裝料14。通過外部控制系統(tǒng)(未顯示)控制加熱器 39，以在整個拉晶過程中精確控制熔體44的溫度。包圍加熱器39的絕緣材料(未顯示) 可以降低經(jīng)外殼25損失的熱量。拉晶機(jī)23還可以如美國專利No. 6，797，062 (其整個內(nèi)容出于各種相關(guān)和相容的目的經(jīng)此引用并入本文)中更充分描述的那樣包括在熔體表面上方的熱屏蔽組裝件(未顯示)，以屏蔽錠塊12免受坩堝22的熱，從而提高固體-熔體界面處的軸向溫度梯度。將拉晶機(jī)構(gòu)(未顯示)與從該機(jī)構(gòu)向下延伸的拉晶線M連接。該機(jī)構(gòu)能夠提升和降低拉晶線M。根據(jù)拉晶機(jī)的類型，拉晶機(jī)23可能具有拉晶軸而非拉晶線。拉晶線M 在晶種卡盤32中終止，晶種卡盤32固定用于生長單晶或多晶錠12的晶種18。在使錠12 生長時，拉晶機(jī)構(gòu)降低晶種18直至其接觸熔融硅44的表面M(圖4)。一旦晶種18開始熔融，該拉晶機(jī)構(gòu)將晶種緩慢向上提升經(jīng)過生長室16和拉晶室20，以使單晶或多晶錠12生長 (圖5)。通過外部控制系統(tǒng)控制該拉晶機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)晶種12的速度和該拉晶機(jī)構(gòu)提升晶種的速度(即拉晶速度V)。提供上述拉晶機(jī)構(gòu)是出于示例性用途，其描述了一種類型的丘克拉斯基型晶體生長器。在本發(fā)明的一個或多個實施方案中可以使用其它類型的丘克拉斯基拉晶機(jī)，或甚至其它類型的晶體生長，例如，如美國專利No. 6，378，835中描述的用于制備直接固化多晶的那些。從裝料中除去空氣或其它氧化劑一旦將硅粉裝料14和坩堝22裝載到單晶硅錠拉晶機(jī)23中并密封該拉晶機(jī)，可以除去該裝料內(nèi)的任何空氣和/或其它氧化氣體，并置換成惰性氣體，例如氬氣。如果不除去空氣或其它氧化氣體，氧化硅會合并到硅熔體內(nèi)并因此合并到生長的硅錠中，以致在錠塊內(nèi)形成結(jié)構(gòu)缺陷。另外或或者，如果大的氧化物附著到錠塊外，錠塊移出或自動化直徑控制可能變難。可通過對該外殼施加真空來除去拉晶機(jī)23的外殼25內(nèi)的環(huán)境氣氛?？梢酝ㄟ^密封入口 7和對出口 11施加真空來施加真空?？梢酝ㄟ^本領(lǐng)域中的任何公知方法施加真空， 包括例如使用真空泵。真空泵將硅粉裝料14內(nèi)的環(huán)境氣氛從該裝料抽吸至泵。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一旦在外殼中施加真空，硅粉裝料14中的硅粉會夾帶在從該裝料中抽吸出的環(huán)境氣氛中。夾帶的硅粉流經(jīng)氣體出口 11并且會破壞真空泵和堵塞工藝管道。此外，真空會導(dǎo)致硅裝料散開。根據(jù)本發(fā)明的一種方法，控制除去外殼25內(nèi)的環(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在環(huán)境氣氛中。在一個實施方案中，除去一部分環(huán)境氣氛以在外殼25中產(chǎn)生小于大約300托絕對壓力的真空，其中控制除去環(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在環(huán)境氣氛中。在另一實施方案中，除去一部分環(huán)境氣氛以在外殼中產(chǎn)生小于大約250托絕對壓力的真空，其中控制除去環(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在環(huán)境氣氛中。例如，如果在施加真空之前外殼25內(nèi)的壓力約為大氣壓，可以控制環(huán)境氣氛的除去，以使外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約300托的時間為至少大約60秒。可以通過本領(lǐng)域中已知的任何方法控制外殼25內(nèi)的環(huán)境氣氛的除去，例如使用控制真空泵生成的真空量的控制器，或使用控制位于真空源與外殼25之間的閥的位置的控制器。或者，可以手動控制閥輸出。在一個實施方案中，利用節(jié)流工藝管調(diào)節(jié)對外殼25施加的真空的控制，節(jié)流工藝管的直徑足夠小，足以在逸出的環(huán)境氣氛與該管之間產(chǎn)生顯著曳力，以逐漸實現(xiàn)所需的真空壓力。在一些實施方案中，控制環(huán)境氣氛的除去以使外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約300托的時間為至少大約90秒，在一些實施方案中為至少大約120秒。在一個實施方案中，在外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約300托的時間內(nèi)，控制真空施加速率為小于大約4托/秒，在另一些實施方案中小于大約3托/秒，甚至小于大約2托/秒。在一個實施方案中，控制環(huán)境氣氛的除去以使外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約250托的時間為至少大約60秒，在另一實施方案中至少大約90秒和甚至至少大約120 秒。在一個實施方案中，在外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約250托的時間內(nèi)，可以控制真空施加速率為小于大約4托/秒，在另一些實施方案中小于大約3托/秒，甚至小于大約 2托/秒。通過控制施加在拉晶機(jī)23外殼25的真空量，可以防止硅粉在除去環(huán)境氣氛時夾帶到環(huán)境氣氛中。在一個實施方案中，大約300托或大約250托的絕對壓力是中等真空，并在達(dá)到中等真空后施加進(jìn)一步真空。一旦達(dá)到大約300托或大約250托絕對壓力的中等真空，可以施加小于大約5托絕對壓力的最終真空。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在從大約中等真空過渡到大約 5托絕對壓力的最終真空的過程中，硅粉不會夾帶在離開外殼25的環(huán)境空氣中，因此，不必控制小于大約5托絕對壓力的最終真空的施加速率。一旦施加大約300托絕對壓力的中等真空，已從硅粉裝料中除去足量的空氣或其它氧化氣體，并可以將惰性氣體(例如氬氣)引入外殼25。在一些實施方案中，對該外殼施加小于大約1托的最終絕對壓力?？梢允褂闷渌栊詺怏w，包括例如氫氣，代替氬氣或與氬氣一起使用。在施加真空的同時可以旋轉(zhuǎn)坩堝和硅裝料，以在整個裝料中建立均勻真空。氧化硅的除去已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)除去硅粉粒子表面上的氧化硅以防止氧化硅附聚和在錠塊生長過程中干擾固體-熔體界面。根據(jù)本發(fā)明的一種方法，通過將硅裝料加熱到從大約1100°c至低于硅裝料的熔融溫度的溫度至少大約30分鐘、至少大約1小時或甚至至少大約2小時來除去氧化硅。用于除去氧化硅的熱處理的持續(xù)時間可以根據(jù)所存在的氧化物的量和將該硅粉加熱到的溫度改變。在該熔體基于從用于由可熱分解的化合物化學(xué)氣相沉積硅的流化床反應(yīng)器中收集的硅粉的情況下，在將裝料加熱大約30分鐘后從該裝料中充分除去氧化硅。在加熱硅裝料的同時旋轉(zhuǎn)坩堝和硅裝料，以建立均勻熱場。通過將該裝料預(yù)加熱，可以從該裝料中除去粉末粒子表面處的一定量的氧化硅， 并形成脫氧化物的硅裝料。在此步驟中，可以將氫氣、惰性氣體(例如氬氣)或其混合物經(jīng)入口 7引入外殼27，并經(jīng)出口 11取出氣體。如果使用氬氣或另一惰性氣體，硅粉粒子表面的一些氧化硅升華，并作為一氧化硅氣體除去。如果使用氫氣，則氫氣與氧化硅反應(yīng)形成水蒸氣，其可從出口 11除去。在一個實施方案中，使用氫氣作為除氧化物氣體，因為其容易與氧化物反應(yīng)，由此與氬氣相比快速從該裝料中除去氧化物。但是，由于其可燃性質(zhì)，氫氣可能在許多晶體生長設(shè)施中造成安全風(fēng)險，可以合適地使用惰性氣體?？梢詫錃饣蚨栊詺怏w以各種速率引入外殼，但是，在一個實施方案中，以至少大約20標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的速率引入。在除去氧化物的同時，外殼25內(nèi)的壓力可以保持在大約30托至大約1托絕對壓力的真空。在一些實施方案中，使外殼25內(nèi)的壓力循環(huán)以助于用惰性氣體或氫氣置換該裝料內(nèi)的升華氧化物。通過使外殼25中的真空量循環(huán)，氧化物從粉末裝料中抽吸出，而非保持在裝料的冷上表面處。在一些實施方案中，外殼內(nèi)的壓力在氧化物脫除過程中基本恒定。在一些實施方案中，從該硅裝料中除去至少大約95%的氧化物，在另一些實施方案中，從該硅裝料中除去至少大約98%、在一些實施方案中甚至至少大約99%的氧化物。 在制備脫氧化物的硅裝料后，可以將該脫氧化物的硅裝料加熱至高于該裝料的熔融溫度的溫度以制備熔體。硅粉裝料的熔融可以通過將硅粉加熱至高于該裝料的熔融溫度的溫度，通常加熱至至少大約 1412°C，以使該硅裝料熔融。不應(yīng)將該裝料加熱至可能損壞坩堝的溫度，即通常將該裝料加熱到從大約1412°C至大約1575°C的溫度?，F(xiàn)在參照圖1，用于熔融裝料14的加熱器39與坩堝22熱連通，以便可以將坩堝加熱至足以使該硅裝料熔融的溫度。加熱器14具有限定加熱器長度的頂部和底部以及在加熱器頂部和底部中間的軸向中點。本文所用的加熱器長度通常是大部分粉末受到輻射的加熱器部分。在常規(guī)加熱器中，大部分粉末受到輻射的加熱器部分是蛇形管部分。含蛇形管部分的加熱器的一個實例顯示在美國專利No. 6，093，913中，其整個內(nèi)容出于各種相關(guān)和相容的目的經(jīng)此引用并入本文。在一些實施方案中，該加熱器的長度為至少大約300毫米， 在另一些實施方案中至少大約400毫米。裝料14具有表面、底部和在該裝料的表面與底部中間的軸向中點C?，F(xiàn)在參照圖2，在熔融過程中，使坩堝22保持在第一軸向位置，其中裝料14的軸向中點C與加熱器39的軸向中點H之間的距離可以小于加熱器長度的大約15%。這能使出自加熱器39的熱集中在裝料14的中心。在此位置，使足量的熱朝裝料頂部集中，以致熔融的裝料不會形成可能坍塌或破壞坩堝的硅粉柱和蓋。相反，剩余的未熔融硅裝料逐漸下沉或滑入其下方的熔體中。此外，通過使坩堝22保持在使裝料14的軸向中點C與加熱器39 的軸向中點H之間的距離小于加熱器長度的大約15%的位置，該裝料的頂部充當(dāng)絕緣體并防止過度熱損失，因為過量的熱不朝該裝料的頂部集中。根據(jù)裝料14的量和初始溫度以及電阻加熱器39的功率輸出，使該裝料熔融可能需要至少大約2小時。可以控制電阻加熱器的輸出，以使該裝料不在少于大約2小時內(nèi)熔融，在一個實施方案中不在少于大約4小時內(nèi)熔融，以提供更多時間確保粉末中的任何殘留氧化物溶解和/或從該熔體中蒸發(fā)。在加熱硅裝料的同時可以旋轉(zhuǎn)坩堝22和熔融的硅裝料14，以建立均勻熱場和建立均勻熔體?，F(xiàn)在參照圖3，一旦裝料14已熔融，將坩堝置于第二軸向位置，其中熔體44的表面M與加熱器39的軸向中點H之間的距離小于加熱器長度的大約15%，在第二軸向位置使硅熔體的溫度保持高于該裝料的熔融溫度達(dá)至少大約30分鐘。這一步驟能使已作為固體附聚的大部分氧化硅溶解到液體中并蒸發(fā)。在一些實施方案中，熔體44的表面M與加熱器39的軸向中點H之間的距離小于加熱器長度的大約15%，與此同時，在第二軸向位置使硅熔體的溫度保持高于該裝料的熔融溫度達(dá)至少大約1小時，在一些實施方案中達(dá)至少大約2小時或更久。通常，在第二軸向位置使該硅熔體保持不高于大約1575°C以防止坩堝熱損壞。由于硅粉裝料中的硅粉粒子之間的空隙，硅熔體44的體積通常小于用于制備該熔體的硅粉裝料14的體積。在一些實施方案中，硅熔體44的體積比用于制備該熔體的硅裝料14的體積小大約25%，在一些實施方案中，小大約40%和甚至小大約50%。相應(yīng)地， 熔體44的表面M相對于坩堝22的位置低于硅粉裝料14的表面相對于坩堝的位置。在一些實施方案中，熔體44的表面M相對于坩堝22的位置接近在裝料熔融之前裝料14的軸向中點C相對于坩堝22的位置。相應(yīng)地，在一些實施方案中，坩堝不必從第一軸向位置下降以使該坩堝位于第二軸向位置。在一些實施方案中，第一軸向位置和第二軸向位置之間的位置差小于加熱器長度的大約5%，在一些實施方案中，第一軸向位置和第二軸向位置基本相同。一旦熔體44已在第二軸向位置在高于該裝料熔融溫度的溫度保持至少大約30分鐘，可以將該坩堝升高至適合開始拉晶工藝的第三軸向位置。在一個實施方案中，拉晶工藝開始過程中坩堝的第三軸向位置與熔融過程的第一軸向位置基本相同。在一個實施方案中和如圖4中所示，在拉晶工藝開始過程中，熔體44的表面M比加熱器39的頂部T低該加熱器長度的大約2. 5%至大約25%。這種熔體位置有助于確保熔體表面暴露在加熱器的輻射熱下，以防止熔體表面處的硅固化。一旦將坩堝22置于第三軸向位置，就將拉晶機(jī)構(gòu)的晶種18下降至熔體表面M并提升，以由硅熔體提拉錠塊。硅錠拉晶 本發(fā)明的各種特征可以單獨地使用或以任何組合使用，即，例如，在坩堝側(cè)壁和硅粉裝料之間使用可移除的隔離物；施加真空以除去空氣和其它氧化氣體；加熱粉末以除去氧化物；在熔融之中和之后控制裝料相對于加熱器的位置。例如，在坩堝中使用可移除的隔離物可以與施加真空和/或通過加熱除去氧化物和/或在熔融之中和之后控制坩堝位置結(jié)合；施加真空可以與使用可移除的隔離物和/或通過加熱除去氧化物和/或在熔融之中和之后控制坩堝位置結(jié)合；通過加熱除去氧化物可以與使用可移除的隔離物和/或施加真空和/或在熔融之中和之后控制坩堝位置結(jié)合；和在熔融之中和之后控制坩堝位置可以與使用可移除的隔離物和/或施加真空和/或通過加熱除去氧化物結(jié)合。通過一個或多個上述方法制成的熔體適合用在拉晶機(jī)23中，以通過丘克拉斯基法制備單晶硅錠或多晶硅錠。用于制造單晶硅或多晶硅的晶體生長條件是常規(guī)的和本領(lǐng)域公知的。在拉晶的同時旋轉(zhuǎn)坩堝22、硅熔體44和生長中的硅錠12，以建立熔體和生長中的硅錠內(nèi)的均勻熱場。如果需要單晶硅，重要的是除去裝料中的大部分氧化物，以在硅錠拉晶過程中保持單晶生長條件。在一些實施方案中，在單晶硅生長之前除去至少大約95 %的氧化物，在另一些實施方案中，在單晶硅生長之前除去至少大約98%、在一些實施方案中甚至至少大約 99%的氧化物。如果從該硅熔體中有意或無意拉出多晶硅錠，可以將多晶硅錠打碎成小碎片或塊?？梢詫⒍嗑K引入直接固化爐以制造多晶硅，或引入坩堝并在拉晶機(jī)內(nèi)熔融以制造單晶娃淀。
實施例^MM 1 由硅粉熔體禾Π再循環(huán)晶片泡丨備硅鍵此實施例演示在單晶硅拉晶機(jī)中施加逐漸真空，和演示在熔融之前需要除去氧化物。
在拉晶機(jī)(加熱器長度為大約355毫米的Hamco CG2000R/C-30)上安裝新的閥以限制施加真空的速率，從而限制粉末損失。借助幾乎關(guān)閉的真空閥和輕微氬氣流( 5SCFM)，在前10磅真空( 1/3大氣壓)中將抽空速率限制為1. 5分鐘。下調(diào)氬氣流以實現(xiàn)連續(xù)抽空，并通過完全打開真空閥和停止氬氣流來最終達(dá)到低壓(50毫托)。在完全抽空后，關(guān)閉泵電磁閥和手工節(jié)流閥，并打開過濾器罐放氣閥以回填和氧化該過濾器。取出過濾器以證實在抽空過程中沒有從坩堝中移出粉末，并安裝另一新的過濾器。在兩個GE (Momentive)熔凝坩堝中裝入各大約17千克粉末，頂部是大約1千克 P-再循環(huán)晶片作為熱反射體。各裝料的總重量為26千克，從晶片頂部到坩堝頂部的距離在一種情況下為0.5"，在另一情況下為1"。在裝料后將塑料蓋和橡膠帶重置于坩堝頂部， 以限制粉末暴露。為了將坩堝安裝到拉晶機(jī)中，將該坩堝放入一個接受器半部(susc印torhalf) 中，傾斜，然后在坩堝下方滑入另一接受器半部。用寬塑料帶將這兩個接受器半部夾緊，然后一起提升到爐中。在安裝后，要注意，由于加熱器變形(104次運行)，加熱器與接受器之間的間隙小(接近1/8")。控制坩堝和接受器之間的對準(zhǔn)，以降低向加熱器打火的危險。即使密切檢查，在整個抽空階段中也沒有觀察到粉末移動跡象。此外，當(dāng)取出抽空過濾器時，其看起來相當(dāng)干凈，表面上沒有明顯的硅粉。熔融程序顯示在下表1中?！佰釄逦恢谩币源怪币苿拥挠⒋缬?，0是指坩堝頂部與加熱器頂部齊平的位置。表1 實施例1的硅粉裝料熔融過程中使用的拉晶機(jī)參數(shù)時間 (分鐘)加熱器功率 (KW)拉晶機(jī)壓力 (托)氬氣流速 (SCFM)坩堝位置 (英寸)觀察01021640-502.5加熱器點火497.72.11粉末穩(wěn)定且看起來34亮光和粉末下移1/8’’4497.71.87在坩堝邊緣出現(xiàn)小火花且粉末下移1/4";在粉末表面出現(xiàn)裂紋;粉末在坩堝壁處呈珠狀6097.50.98下移1”；硬皮表面看似熱； 粉末表面高于加熱器頂部大約1/2”6997.50.55硬皮頂部非常亮；在高于粉末的壁上形成氧化物環(huán)；晶片看似熱8597.32460-0.36粉末下移5";顯箸的氧化物冒煙9193.7-0.59最初液體可見；中心島開始傾覆；氧化物碎片從坩堝壁落到熔體中9397.3-0.69晶片在it體中10397.31840-1.23氧化物冒煙134熔融完成；氧化物形成杯形并附著到坩堝底部在熔融后，提升坩堝以加熱坩堝底部，從而從坩堝底部釋放氧化物。將這些浮起的氧化物凍結(jié)成晶種并除去。在錠生長過程中，氧化物粒子繼續(xù)浮出表面并碰撞晶種和生長出錐。在整個冠部和主體中，氧化物碎片浮出表面并碰撞晶體。由于低的熱梯度和可用的氧化物成核點，硅在坩堝壁處固化，且晶體突然從熔體中出現(xiàn)。晶體直徑非常接近6"(測得值為6.07")；但是，在大的氧化物突出處，半徑提高0.67"。這種平突出部具有7. 41" 的等效晶體直徑，并被認(rèn)為在提升晶體時卡在喉管中，以致晶種破裂。短晶體以垂直取向落到凍結(jié)的熔體表面上?？紤]到過度氧化物形成，在熔融之前顯著存在氧化物的情況下，應(yīng)在硅粉熔融之前除去氧化物，例如通過將該裝料加熱到從大約1100°c到硅裝料熔融溫度的溫度。實施例2 由硅粉熔體制備硅鍵
此實施例顯示快速抽空可能如何使硅粉夾帶在逸出的氣體中，并顯示需要防止形成跨過坩堝的粉末橋的程序。在GE(Momentive)熔凝坩堝中裝入大約17千克粉末，并安裝到接受器中。通過從中心和四個象限位置除去粉末，形成孔，并使用700克粒狀多晶硅回填這些孔。將粒狀多晶硅填實就位數(shù)次。相信粒狀多晶硅充當(dāng)排氣口以供氧化物在熔融過程中逸出。粉末在裝料之后和在施加真空之前比坩堝頂部低1/2"。對拉晶機(jī)快速施加真空以測試需要實施例1中所用的手動閥。坩堝在快速抽空過程中開始溢流，因為粉末粒子之間的空隙中的氣體的膨脹比氣體逸出該空間的速度快。整個裝料均勻升高，停止抽空以防止繼續(xù)溢流。在初始快速抽空過程中，粒狀多晶硅在若干孔中降至粉末表面下方數(shù)英寸，這表明開孔能有效地使氧化物排出。在清理后，進(jìn)行如實施例1中的逐漸抽空。坩堝不溢流。熔融程序顯示在下表2中。在此實施例中，在初始加熱過程中數(shù)次改變壓力，改變用氬氣流的抽空，以更有效地將氧化氣體與拉晶機(jī)環(huán)境氣體交換。表2 實施例2的硅粉裝料熔融過程中使用的拉晶機(jī)參數(shù)
權(quán)利要求
1.制備用于根據(jù)丘克拉斯基法使單晶或多晶硅錠生長的硅粉熔體的方法，將硅粉裝載到坩鍋中以形成包含至少大約20重量％的硅粉的硅裝料，該硅粉包含硅粉粒子，硅粉粒子在其表面具有一定量的氧化硅，將該坩堝置于提拉硅錠所用的拉晶機(jī)的外殼內(nèi)，所述方法包括將所述硅裝料加熱到從大約1100°C至大約低于硅裝料的熔融溫度的溫度達(dá)至少大約 30分鐘，以制備脫氧化物的硅裝料；和將所述脫氧化物的硅裝料加熱至高于該裝料的熔融溫度的溫度，以形成硅熔體。
2.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中將所述硅裝料加熱到從大約1100°C至大約低于硅裝料的熔融溫度的溫度達(dá)至少大約1小時，以制備脫氧化物的硅裝料。
3.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中將所述硅裝料加熱到從大約1100°C至大約低于硅裝料的熔融溫度的溫度達(dá)至少大約2小時，以制備脫氧化物的硅裝料。
4.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中在包含氬氣的環(huán)境氣氛中將所述硅裝料加熱到從大約1100°C至大約低于硅裝料的熔融溫度的溫度達(dá)至少大約30分鐘，以制備脫氧化物的硅裝料。
5.如權(quán)利要求4中所述的方法，其中將氬氣送入所述外殼，以使氧化硅升華并產(chǎn)生一氧化硅氣體，并從該外殼中取出氬氣和一氧化硅氣體。
6.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中在包含氫氣的環(huán)境氣氛中將所述硅裝料加熱到從大約1100°C至大約低于硅裝料的熔融溫度的溫度達(dá)至少大約30分鐘，以制備脫氧化物的硅裝料。
7.如權(quán)利要求6中所述的方法，其中將氫氣送入所述外殼以與氧化硅反應(yīng)并產(chǎn)生水蒸氣，且其中從該外殼中取出水蒸氣。
8.如權(quán)利要求1至7任一項中所述的方法，其中在將所述硅裝料加熱到從大約1100°C 至大約低于硅裝料的熔融溫度的溫度達(dá)至少大約30分鐘的同時在所述拉晶機(jī)外殼內(nèi)保持真空，以制備脫氧化物的硅裝料。
9.如權(quán)利要求8中所述的方法，其中控制所述真空以產(chǎn)生循環(huán)真空。
10.如權(quán)利要求1至9任一項中所述的方法，其中所述裝料的熔融溫度為大約1412°C。
11.如權(quán)利要求1至10任一項中所述的方法，其中將所述裝料加熱到從大約1412°C至大約1575°C的溫度，以使所述脫氧化物的硅裝料熔融。
12.如權(quán)利要求1至11任一項中所述的方法，其中將所述硅裝料加熱到從大約1100°C 至大約1412°C達(dá)至少大約30分鐘，以制備脫氧化物的硅裝料。
13.如權(quán)利要求1至12任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含從用于由可熱分解的化合物化學(xué)氣相沉積硅的流化床反應(yīng)器中排出的硅粉。
14.如權(quán)利要求1至13任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含平均標(biāo)稱直徑小于大約50微米的硅粉。
15.如權(quán)利要求1至14任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約35重量％ 的硅粉。
16.如權(quán)利要求1至14任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約50重量％ 的硅粉。
17.如權(quán)利要求1至14任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約75重量％的硅粉。
18.如權(quán)利要求1至14任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約90重量％ 的硅粉。
19.如權(quán)利要求1至14任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約99重量％ 的硅粉。
20.如權(quán)利要求1至14任一項中所述的方法，其中所述硅裝料基本由硅粉構(gòu)成。
21.如權(quán)利要求1至20任一項中所述的方法，其中在將所述硅裝料加熱到從大約 1100°C至大約低于硅的熔融溫度的溫度之前除去一部分環(huán)境氣氛以在該外殼中產(chǎn)生真空， 其中控制除去環(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在所述環(huán)境氣氛中。
22.如權(quán)利要求1至21任一項中所述的方法，其中所述坩堝包含側(cè)壁，且其中在將硅裝料加熱至高于該裝料的熔融溫度的溫度以形成硅熔體之前在一部分側(cè)壁與該裝料之間存在間隙。
23.制備用于根據(jù)丘克拉斯基法使單晶或多晶硅錠生長的硅粉熔體的方法，將硅粉裝載到坩鍋中以形成硅裝料，將該坩堝置于提拉硅錠所用的拉晶機(jī)的外殼內(nèi)，該外殼包含環(huán)境氣氛，所述方法包括除去一部分環(huán)境氣氛以在該外殼中產(chǎn)生真空，其中控制除去環(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在環(huán)境氣氛中；和將所述硅裝料加熱至高于該裝料的熔融溫度的溫度以形成硅熔體。
24.如權(quán)利要求23中所述的方法，其中除去一部分環(huán)境氣氛以在外殼中產(chǎn)生小于大約 300托絕對壓力的真空，其中控制除去環(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在環(huán)境氣氛中。
25.如權(quán)利要求23中所述的方法，其中除去一部分環(huán)境氣氛以在外殼中產(chǎn)生小于大約 250托絕對壓力的真空，其中控制除去環(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在環(huán)境氣氛中。
26.如權(quán)利要求23中所述的方法，其中在施加真空之前所述外殼內(nèi)的壓力約為大氣壓。
27.如權(quán)利要求沈中所述的方法，其中外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約300托的時間為至少大約60秒。
28.如權(quán)利要求沈中所述的方法，其中外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約300托的時間為至少大約90秒。
29.如權(quán)利要求沈中所述的方法，其中外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約300托的時間為至少大約120秒。
30.如權(quán)利要求沈中所述的方法，其中在外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約300托的同時控制除去環(huán)境氣氛的速率為小于大約4托/秒。
31.如權(quán)利要求沈中所述的方法，其中在外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約300托的同時控制除去環(huán)境氣氛的速率為小于大約3托/秒。
32.如權(quán)利要求沈中所述的方法，其中在外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約300托的同時控制除去環(huán)境氣氛的速率為小于大約2托/秒。
33.如權(quán)利要求沈中所述的方法，其中外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約250托的時間為至少大約60秒。
34.如權(quán)利要求沈中所述的方法，其中外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約250托的時間為至少大約90秒。
35.如權(quán)利要求沈中所述的方法，其中外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約250托的時間為至少大約120秒。
36.如權(quán)利要求沈中所述的方法，其中在外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約250托的同時控制除去環(huán)境氣氛的速率為小于大約4托/秒。
37.如權(quán)利要求沈中所述的方法，其中在外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約250托的同時控制除去環(huán)境氣氛的速率為小于大約3托/秒。
38.如權(quán)利要求沈中所述的方法，其中在外殼中的壓力從大約大氣壓變成大約250托的同時控制除去環(huán)境氣氛的速率為小于大約2托/秒。
39.如權(quán)利要求沈中所述的方法，其中除去一部分環(huán)境氣氛以在外殼中產(chǎn)生小于大約 300托絕對壓力的真空，其中控制除去環(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在環(huán)境氣氛中，并進(jìn)一步包括除去再一部分的環(huán)境氣氛以產(chǎn)生小于大約5托絕對壓力的真空。
40.如權(quán)利要求沈中所述的方法，其中除去一部分環(huán)境氣氛以在外殼中產(chǎn)生小于大約 250托絕對壓力的真空，其中控制除去環(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在環(huán)境氣氛中，并進(jìn)一步包括除去再一部分的環(huán)境氣氛以產(chǎn)生小于大約5托絕對壓力的真空。
41.如權(quán)利要求23至40任一項中所述的方法，其中所述裝料的熔融溫度為大約 1412°C。
42.如權(quán)利要求23至41任一項中所述的方法，其中將所述裝料加熱到從大約1412°C 至大約1575°C的溫度，以使該裝料熔融。
43.如權(quán)利要求23至42任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含從用于由可熱分解的化合物化學(xué)氣相沉積硅的流化床反應(yīng)器中排出的硅粉。
44.如權(quán)利要求23至43任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包括平均標(biāo)稱直徑小于大約50微米的硅粉粒子。
45.如權(quán)利要求23至44任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約20重量％的硅粉。
46.如權(quán)利要求23至44任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約35重量％的硅粉。
47.如權(quán)利要求23至44任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約50重量％的硅粉。
48.如權(quán)利要求23至44任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約75重量％的硅粉。
49.如權(quán)利要求23至44任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約90重量％的硅粉。
50.如權(quán)利要求23至44任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約99重量％的硅粉。
51.如權(quán)利要求23至44任一項中所述的方法，其中所述硅裝料基本由硅粉構(gòu)成。
52.制備用于根據(jù)丘克拉斯基法使單晶或多晶硅錠生長的硅粉熔體的方法，將硅粉裝載到坩鍋中以形成硅裝料，將該坩堝置于提拉硅錠所用的拉晶機(jī)的外殼內(nèi)，該拉晶機(jī)具有與坩堝熱連通的加熱器，用于將坩堝加熱至足以使硅裝料熔融的溫度，該加熱器具有限定加熱器長度的頂部和底部以及在加熱器頂部和底部中間的軸向中點，該坩堝能沿拉晶機(jī)的中心縱軸在外殼內(nèi)上升和下降，所述裝料具有在裝料表面與裝料底部中間的軸向中點，該方法包括加熱該坩堝容納的硅裝料以形成具有表面的硅熔體，將坩堝保持在第一軸向位置，其中所述裝料的軸向中點與所述加熱器的軸向中點之間的距離小于加熱器長度的大約15% ； 將坩堝置于第二軸向位置，其中熔體表面與所述加熱器的軸向中點之間的距離小于加熱器長度的大約15% ；和在第二軸向位置使硅熔體的溫度保持高于裝料的熔融溫度達(dá)至少大約30分鐘。
53.如權(quán)利要求52中所述的方法，其中第一軸向位置與第二軸向位置之間的位置差小于所述加熱器長度的大約5%。
54.如權(quán)利要求52中所述的方法，其中第一軸向位置和第二軸向位置基本相同。
55.如權(quán)利要求52至M任一項中所述的方法，其中在第二軸向位置使硅熔體的溫度保持高于裝料的熔融溫度達(dá)至少大約1小時。
56.如權(quán)利要求52至55任一項中所述的方法，其中在第二軸向位置使硅熔體的溫度保持在高于裝料的熔融溫度達(dá)至少大約2小時。
57.如權(quán)利要求52至56任一項中所述的方法，其中所述裝料的熔融溫度為大約 1412°C。
58.如權(quán)利要求57中所述的方法，其中在第二軸向位置使硅熔體的溫度保持大約 1412°C至大約1575°C達(dá)至少大約30分鐘。
59.如權(quán)利要求57中所述的方法，其中在第二軸向位置使硅熔體的溫度保持大約 1412°C至大約1575°C達(dá)至少大約1小時。
60.如權(quán)利要求57中所述的方法，其中在第二軸向位置使硅熔體的溫度保持大約 1412°C至大約1575°C達(dá)至少大約2小時。
61.如權(quán)利要求52至60任一項中所述的方法，進(jìn)一步包括將坩鍋升高至第三軸向位置，其中熔體表面比加熱器頂部低所述加熱器長度的大約2. 5%至大約25%。
62.如權(quán)利要求52至61任一項中所述的方法，其中所述加熱器的長度為至少大約300 毫米。
63.如權(quán)利要求52至61任一項中所述的方法，其中所述加熱器的長度為至少大約400毫米。
64.如權(quán)利要求52至63任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含從用于由可熱分解的化合物化學(xué)氣相沉積硅的流化床反應(yīng)器中排出的硅粉。
65.如權(quán)利要求52至64任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包括平均標(biāo)稱直徑小于大約50微米的硅粉粒子。
66.如權(quán)利要求52至65任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約20重量％的硅粉。
67.如權(quán)利要求52至65任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約35重量％的硅粉。
68.如權(quán)利要求52至65任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約50重量％的硅粉。
69.如權(quán)利要求52至65任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約75重量％的硅粉。
70.如權(quán)利要求52至65任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約90重量％的硅粉。
71.如權(quán)利要求52至65任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約99重量％的硅粉。
72.如權(quán)利要求52至65任一項中所述的方法，其中所述硅裝料基本由硅粉構(gòu)成。
73.如權(quán)利要求52至72任一項中所述的方法，其中在加熱硅裝料以形成硅熔體之前將該硅裝料加熱到從大約1100°C至大約低于硅裝料的熔融溫度的溫度達(dá)至少大約30分鐘， 以制備脫氧化物的硅裝料。
74.如權(quán)利要求73中所述的方法，其中在將所述硅裝料加熱到從大約1100°C至大約低于硅的熔融溫度的溫度之前除去一部分環(huán)境氣氛，以在所述外殼中產(chǎn)生真空，其中控制除去環(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在環(huán)境氣氛中。
75.如權(quán)利要求52至73任一項中所述的方法，其中在加熱所述硅裝料以形成硅熔體之前除去一部分環(huán)境氣氛以在該外殼中產(chǎn)生真空，其中控制除去環(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在環(huán)境氣氛中。
76.如權(quán)利要求52至75任一項中所述的方法，其中所述坩堝包含側(cè)壁，且其中在將硅裝料加熱至高于所述裝料的熔融溫度的溫度以形成硅熔體之前在一部分側(cè)壁與該裝料之間存在間隙。
77.制備用于根據(jù)丘克拉斯基法使單晶或多晶硅錠生長的硅粉熔體的方法，該硅熔體在包含底部和具有內(nèi)表面的側(cè)壁的坩堝中制備，所述方法包括沿坩堝側(cè)壁的內(nèi)表面插入可移除的隔離物，該隔離物具有頂部和底部； 將硅粉裝載到坩堝中以形成硅裝料；從坩堝中移除所述可移除的隔離物，以在坩堝側(cè)壁與硅裝料之間制造間隙；和將該硅裝料加熱至高于該裝料的熔融溫度的溫度以形成硅熔體。
78.如權(quán)利要求77中所述的方法，其中在從坩堝中移除所述可移除的隔離物之前的時刻，硅粉在側(cè)壁處的高度不大于該隔離物頂部的高度。
79.如權(quán)利要求77或權(quán)利要求78中所述的方法，其中在插入可移除的隔離物之前將硅粉裝載到坩堝中以形成部分硅裝料，且其中在插入可移除的隔離物之后將硅粉裝載到坩堝中以形成完整的硅裝料。
80.如權(quán)利要求77至79任一項中所述的方法，其中所述隔離物是矩形的。
81.如權(quán)利要求77至80任一項中所述的方法，其中所述隔離物是環(huán)形的。
82.如權(quán)利要求77至81任一項中所述的方法，其中所述坩堝側(cè)壁是具有內(nèi)周的環(huán)面， 且其中隔離物長度至少約為該側(cè)壁內(nèi)周的長度。
83.如權(quán)利要求77至82任一項中所述的方法，其中將兩個可移除的隔離物插入坩鍋。
84.如權(quán)利要求77至83任一項中所述的方法，其中所述隔離物為至少大約20毫米厚。
85.如權(quán)利要求77至84任一項中所述的方法，其中所述裝料的熔融溫度為大約 1412°C。
86.如權(quán)利要求85中所述的方法，其中將所述裝料加熱到從大約1412°C至大約1575°C的溫度，以使該裝料熔融。
87.如權(quán)利要求77至86任一項中所述的方法，其中將從用于由可熱分解的化合物化學(xué)氣相沉積硅的流化床反應(yīng)器中排出的硅粉裝載到坩鍋中。
88.如權(quán)利要求77至87任一項中所述的方法，其中所述硅粉包含平均標(biāo)稱直徑小于大約50微米的硅粉粒子。
89.如權(quán)利要求77至88任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約20重量％的硅粉。
90.如權(quán)利要求77至88任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約35重量％的硅粉。
91.如權(quán)利要求77至88任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約50重量％的硅粉。
92.如權(quán)利要求77至88任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約75重量％的硅粉。
93.如權(quán)利要求77至88任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約90重量％的硅粉。
94.如權(quán)利要求77至88任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約99重量％的硅粉。
95.如權(quán)利要求77至88任一項中所述的方法，其中所述硅裝料基本由硅粉構(gòu)成。
96.如權(quán)利要求77至95任一項中所述的方法，其中在加熱硅裝料以形成硅熔體之前將該硅裝料加熱到從大約1100°c至大約低于硅裝料的熔融溫度的溫度達(dá)至少大約30分鐘以制備脫氧化物的硅裝料，且其中在將該硅裝料加熱到從大約1100°C至大約低于硅的熔融溫度的溫度之前除去一部分環(huán)境氣氛以在所述外殼中產(chǎn)生真空，其中控制除去環(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在環(huán)境氣氛中。
97.如權(quán)利要求77至95任一項中所述的方法，其中在加熱硅裝料以形成硅熔體之前除去一部分環(huán)境氣氛以在所述外殼中產(chǎn)生真空，其中控制除去環(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在環(huán)境氣氛中。
98.制備用于根據(jù)丘克拉斯基法使單晶或多晶硅錠生長的硅粉熔體的方法，該方法包括將硅粉裝載到包含底部和具有內(nèi)表面的側(cè)壁的坩堝中以形成硅裝料，該硅粉包含硅粉粒子，該硅粉粒子在其表面具有一定量的氧化硅；沿坩堝側(cè)壁的內(nèi)表面插入可移除的隔離物，該隔離物具有頂部和底部； 從坩堝中移除該可移除的隔離物，以在坩堝側(cè)壁與硅裝料之間制造間隙； 將該坩堝置于提拉硅錠所用的拉晶機(jī)的外殼內(nèi)，該外殼包含環(huán)境氣氛，該拉晶機(jī)具有與坩堝熱連通的加熱器，用于將坩堝加熱至足以使硅裝料熔融的溫度，該加熱器具有限定加熱器長度的頂部和底部以及在加熱器頂部和底部中間的軸向中點，所述坩堝能沿拉晶機(jī)的中心縱軸在外殼內(nèi)上升和下降，所述裝料具有在裝料表面與裝料底部中間的軸向中點；除去一部分環(huán)境氣氛以在所述外殼中產(chǎn)生真空，其中控制除去環(huán)境氣氛的速率以防止硅粉夾帶在環(huán)境氣氛中；將所述硅裝料加熱到從大約1100°C至大約低于硅裝料的熔融溫度的溫度達(dá)至少大約30分鐘，以制備脫氧化物的硅裝料；將該脫氧化物的硅裝料加熱至高于該裝料的熔融溫度的溫度，以形成具有表面的硅熔體，使坩堝保持在第一軸向位置，其中所述裝料的軸向中點與所述加熱器的軸向中點之間的距離小于加熱器長度的大約15% ；將坩堝置于第二軸向位置，其中熔體表面與加熱器的軸向中點之間的距離小于加熱器長度的大約15% ；和在第二軸向位置使硅熔體的溫度保持高于所述裝料的熔融溫度達(dá)至少大約30分鐘。
99.如權(quán)利要求98中所述的方法，其中所述硅裝料包含從用于由可熱分解的化合物化學(xué)氣相沉積硅的流化床反應(yīng)器中排出的硅粉。
100.如權(quán)利要求98或權(quán)利要求99中所述的方法，其中所述硅裝料包括平均標(biāo)稱直徑小于大約50微米的硅粉粒子。
101.如權(quán)利要求98至100任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約20重量％的硅粉。
102.如權(quán)利要求98至100任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約35重量％的硅粉。
103.如權(quán)利要求98至100任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約50重量％的硅粉。
104.如權(quán)利要求98至100任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約75重量％的硅粉。
105.如權(quán)利要求98至100任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約90重量％的硅粉。
106.如權(quán)利要求98至100任一項中所述的方法，其中所述硅裝料包含至少大約99重量％的硅粉。
107.如權(quán)利要求98至100任一項中所述的方法，其中所述硅裝料基本由硅粉構(gòu)成。
全文摘要
制備用于根據(jù)丘克拉斯基法使單晶或多晶硅錠生長的硅粉熔體的方法，包括從該粉末中除去氧化硅；施加真空以除去空氣和其它氧化氣體；在該粉末熔融之中和之后控制該裝料相對于加熱器的位置，并將該裝料保持高于其熔融溫度達(dá)能使氧化物溶解的時間；和在坩堝側(cè)壁與硅粉裝料之間使用可移除的隔離物，以減少氧化物和硅橋。
文檔編號C30B15/00GK102272360SQ200980153695
公開日2011年12月7日 申請日期2009年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月5日
發(fā)明者J·馬蘇德, S·L·金貝爾 申請人:Memc新加坡私人有限公司