一种低微气泡半导体级合成石英坩埚及其制备方法及单晶硅生长方法与流程

本发明属于单晶硅制备领域，涉及一种低微气泡半导体级合成石英坩埚及其制备方法及单晶硅生长方法。

背景技术：

1、作为大多数半导体电子元件制造的起始材料的单晶硅通常通过所谓的直拉法(“cz”）制备。使用cz方法，晶体的生长最通常在拉晶炉中进行，其中将多晶硅(“多晶硅”）装入坩埚中并通过围绕坩埚侧壁的外表面的加热器熔化。 使晶种与熔融硅接触，并通过拉晶机提取生长单晶锭。

2、常规拉晶中使用的坩埚通常由石英构成，因为其纯度、温度稳定性和耐化学性。一种用于制造石英坩埚的方法公开于美国专利no.4416680，其中将石英原料引入旋转的中空模具中。在引入原料之后，将诸如电弧的热源引入模具中，这导致石英熔化。在加热的同时，在持续旋转期间向模具的外部施加真空以抽出任何间隙气体，目的是使空隙塌陷。 在熔化和旋转期间保持真空。此后，可以通过在模具外部用压缩空气代替真空来排出成品坩埚。在该过程中，残余气体如碳、羟基等可能导致在石英玻璃中形成不希望的气泡。

3、在晶体生长过程中，坩埚内侧壁长时间暴露于高温硅熔体导致硅熔体与石英坩埚反应，并导致坩埚侧壁内表面的溶解。这使坩埚侧壁中的气泡暴露于熔融硅。结果，硅熔体继续溶解到坩埚的壁中，并因此溶解到气泡的壁中。在某一时刻，气泡的壁被破坏并且壁可能会凹陷，同时气体从气泡内部释放并且石英颗粒从坩埚和/或气泡侧壁释放到熔体中。在这样做时，颗粒可能破坏单晶结构，从而限制晶体生长单晶产量。此外，沿着坩埚内表面的气泡腔或气泡空隙的存在可能是气体成核的部位。当气体成核并生长成小气泡时，这些气泡可能进入生长的硅中，导致晶体具有空隙，不符合规格。坩埚中气泡的减少或消除将确保晶体中的空隙最小化，以获得规格内可接受的晶体性能。

4、改善透明层微气泡的石英坩埚制备工艺法：美国专利申请no.20020166341教导了使用快速扩散气体（例如氦气或氢气）通过石英砂来置换存在于由石英砂限定的空隙中的残余气体专利申请no.epo 693461a1公开了一种不同的方法，通过将sio2进料中铜、铬和镍的量控制在0.5 ppb或更少，铁控制在120ppb或更少，钠控制在20ppb或更少，来制造不含细小气泡聚集体和高纯度的石英坩埚。

5、之前的技术方法：石英坩埚真空电弧法制备合成石英坩埚时，由于石英坩埚透明层间隙中的气泡未能被完全抽走，所以间隙中仍然存在一定微气泡。这些微气泡在拉晶过程中会受热膨胀破裂，破裂时微小的石英颗粒掉入硅液中，使得单晶硅的纯度受到一定的降低。石英坩埚内表面微气泡的破裂也极大的造成了拉晶时液面波动变大，从而导致拉晶困难，容易断线。并且破裂地方更容易诱导析晶，析晶部分的脱落也会影响到单晶硅的纯度。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种低微气泡半导体级合成石英坩埚及其制备方法及单晶硅生长方法，该石英坩埚制备方法有效提高了石英坩埚的品质，减少石英坩埚制备过程中所带来的污染，提高单晶硅产品的质量。

2、为达到上述技术效果，本发明采用以下技术方案：

3、本发明目的之一在于提供一种低微气泡半导体级合成石英坩埚制备方法，该制备方法包括：

4、对石英砂成型后的石英坩埚依次进行排气处理、封皮处理、透明层熔制、气泡层熔制和冷却；

5、封皮处理中，石墨电极起弧后通入高压空气助燃。

6、作为本发明优选的技术方案，高压空气的压力为0.08~0.3mpa，如0.08 mpa、0.1mpa、0.15 mpa、0.2 mpa、0.25 mpa或0.3 mpa等，但并不仅限于所列举的数值，优选为0.08~0.1mpa。

7、作为本发明优选的技术方案，排气处理通入单质气体和氧气的混合气体并抽真空，单质气体的密度小于空气。

8、优选地，所述混合气体中单质气体的体积分数为80~90%，氧气的体积分数为10~20%。其中，单质气体的体积分数可以是80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%或90%等，氧气的体积分数可以是10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%或20%等，但并不仅限于所列举的数值，上述各数值范围内其他未列举的数值同样适用。

9、优选地，所述单质气体包括氦气、氩气或氮气中的任意一种或至少两种的组合。但并不限于上述气体，其他惰性气体或在石英坩埚制备条件下反应性较差的单质气体均可适用于本申请。

10、作为本发明优选的技术方案，封皮处理中，石墨电极的起弧功率为10~15 kw，如10kw、11 kw、12 kw、13 kw、14 kw或15 kw等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

11、优选地，所述封皮处理中，保持混合气体通入以及抽真空。

12、作为本发明优选的技术方案，透明层熔制中，石墨电极的功率为25~30 kw，如25kw、26 kw、27 kw、28 kw、29 kw或30 kw等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

13、优选地，透明层熔制中，保持混合气体通入、高压空气助燃以及抽真空。

14、作为本发明优选的技术方案，气泡层熔制中，所述石墨电极的功率为16~20 kw，如16 kw、17 kw、18 kw、19 kw或20 kw等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

15、优选地，气泡层熔制中，保持高压空气助燃，停止混合气体通入以及抽真空。

16、作为本发明优选的技术方案，冷却为氮气冷却。

17、本发明目的之二在于提供一种半导体级合成石英坩埚，该半导体级合成石英坩埚由目的之一提供的低微气泡半导体级合成石英坩埚制备方法制备得到。

18、本发明目的之三在于体用一种半导体级单晶硅生长方法，该半导体级单晶硅生长方法使用目的之二提供的半导体级合成石英坩埚。

19、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

20、（1）本发明提供一种低微气泡半导体级合成石英坩埚制备方法，该制备方法采用高压空气助燃，有效解决大尺寸石英坩埚热量不足，从而导致在制备32英寸合成坩埚过程中内表面微气泡无法有效在高温下烧蚀的问题，降低了合成大尺寸石英坩埚的制造难度；

21、（2）本发明提供一种低微气泡半导体级合成石英坩埚制备方法，该制备方法采用单质气体和空气的混合气进行排气处理，大大减少了石英砂间隙中的空气引入，对于去除透明层内部的气泡的效果有着显著提升；

22、（3）本发明提供一种半导体级单晶硅生长方法，使用本发明制备得到的半导体级合成石英坩埚，有效提高单晶硅产品的质量。

技术特征：

1.一种低微气泡半导体级合成石英坩埚制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高压空气的压力为0.08~0.3mpa，优选为0.08~0.1mpa。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述排气处理通入单质气体和氧气的混合气体并抽真空，所述单质气体的密度小于空气；

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述混合气体的通入速率为0.25~0.5mpa/min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述封皮处理中，所述石墨电极的起弧功率为10~15 kw；

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述透明层熔制中，所述石墨电极的功率为25~30 kw；

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述气泡层熔制中，所述石墨电极的功率为16~20 kw；

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷却为氮气冷却。

9.一种半导体级合成石英坩埚，其特征在于，所述半导体级合成石英坩埚由权利要求1-8任一项所述的低微气泡半导体级合成石英坩埚制备方法制备得到。

10.一种半导体级单晶硅生长方法，其特征在于，所述半导体级单晶硅生长方法使用权利要求9所述的半导体级合成石英坩埚。

技术总结本发明提供一种低微气泡半导体级合成石英坩埚及其制备方法及单晶硅生长方法，该制备方法包括：对石英砂成型后的石英坩埚依次进行排气处理、封皮处理、透明层熔制、气泡层熔制和冷却；封皮处理中，石墨电极起弧后通入高压空气助燃。该合成石英坩埚制备方法有效提高了石英坩埚的品质，减少石英坩埚制备过程中所带来的污染，提高单晶硅产品的质量。技术研发人员：宁志新,陶飞,王杨柳,周勇,吴伟华受保护的技术使用者：浙江美晶新材料股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/18