用于固结粒状硅并测量非金属含量的方法和装置的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请要求2014年2月11日提交的美国申请No. 14/178, 103的权益，通过参考 将所述申请全文并入本文中。
技术领域
[0003] 本公开涉及用于固结粒状硅并测定所固结的硅的非金属含量的装置和方法。
【背景技术】
[0004] 粒状硅被用于例如制造硅锭，其随后被切成硅片。所述粒状硅需要具有非常高的 纯度。然而，粒状硅在其材料特性的表征中呈现技术挑战。这些挑战增加了表征成本，这反 过来又增加了生产成本。例如，当处理非常高纯度的材料如电子级硅时，测定产品可变性特 别具有挑战性。目前表征粒状材料的方法可能不产生有意义的结果和/或可能是非常昂贵 的。因此，需要一种可靠的、相对快速的、经济有效的表征粒状硅的方法。
【发明内容】
[0005] 本公开涉及一种用于固结粒状硅并测定所固结的硅中的微量元素水平的装置和 方法。所述粒状硅是较大批次的粒状硅的代表性样品。用于固结粒状硅的方法的实施方案 包括将一定体积的硅颗粒置于容器如金属舟中，所述容器拥有具有前端和尾端的向上开口 空腔。所述娃颗粒可具有小于10mm的平均直径。所述体积的娃颗粒可具有10~40g的质 量。已知纯度的硅坯块至少部分地包埋在所述体积的硅颗粒中并接近前端，并且所述容器 被定位以穿过感应加热器的感应线圈。
[0006] 所述容器可以被置于屏蔽装置内。在一个实施方案中，所述屏蔽装置被构建为水 平延伸穿过所述感应线圈。在另一个实施方案中，所述屏蔽装置围绕所述容器和所述感应 线圈。
[0007] 所述硅坯块用预热器如传导性碳化硅预热器加热至足以使所述硅坯块与所述感 应加热器结合的温度，然后感应加热至足以使所述坯块的至少一部分熔化并形成硅熔体的 温度。在一些实施方案中，娃还块具有至少8mm的直径和/或0. 6~5g的质量。有利的 是，硅坯块具有的的最小尺寸大于硅颗粒的平均直径。所述坯块可被预热到至少l〇〇〇°C的 温度，从而使所述坯块能够结合至感应线圈。
[0008] -旦硅坯块已经至少部分熔化，则一般地水平移动容器或感应线圈以使得所述容 器穿过所述感应线圈以从容器的前端至尾端将所述体积的硅颗粒的区域连续感应加热并 熔化，其中每一区域随着熔融硅离开感应线圈而固化以得到多晶硅锭。
[0009] 用于测定多晶硅锭中的微量元素浓度的方法的实施方案包括从容器中移出多晶 硅锭，将所述多晶硅锭切成片，以及例如通过低温傅里叶变换红外光谱测定所述片中的微 量元素水平。在一些实施方案中，所述微量元素包括硼、磷、碳、铝和氧中的一种或多种。所 测定的微量元素水平可以数学方式校正以补偿硅坯块内的微量元素并确定硅颗粒中的微 量元素的校正水平。
[0010] 颗粒固结装置的实施方案包括具有界定向上开口空腔的表面的容器、包含界定轴 向延伸的通道（所述通道具有的尺寸使得所述容器能穿过所述通道）的感应线圈的感应加 热器，和预热器。在一些实施方案中，所述容器和所述感应线圈中的一个被构建为相对于另 一个组件轴向移动。所述预热器可被构建为相对于所述感应线圈轴向移动。
[0011] 所述容器的向上开口空腔可具有< 500cm3的容积。在一些实施方案中，所述向上 开口空腔具有至少l〇cm、例如10cm至25cm的长度，和/或5mm至15mm的最大宽度。在一 些实施方案中，所述容器进一步包括入口、出口，以及与所述空腔不连续并与所述入口和所 述出口连通的内部流体通道。有利的是，所述容器由铜、银或金构建。
[0012] 所述预热器可具有界定轴向延伸通道的环配置，所述轴向延伸通道具有的尺寸使 得所述容器能穿过所述通道。在一些实施方案中，所述预热器为碳化硅预热器。有利的是， 可提供绝缘层以围绕所述预热器的外表面。
[0013] 在一些实施方案中，所述颗粒固结装置进一步包括被构建为围绕所述容器或者围 绕所述容器与所述感应线圈的屏蔽装置。有利的是，由所述感应线圈界定的通道具有的尺 寸使得所述容器和任选地所述屏蔽装置能穿过所述通道。如果所述预热器具有环配置，则 由所述预热器界定的通道也具有的尺寸使得所述容器和任选地所述屏蔽装置能穿过所述 通道。
[0014] 根据以下详细描述，本发明的前述和其他特征和优点将变得更显而易见，所述详 细描述参照附图进行。
【附图说明】
[0015] 图1是趋肤深度相对于临界频率的曲线图，其示出了预热温度对于给定尺寸的熔 化硅颗粒的临界频率的影响。
[0016] 图2是通过感应熔化来固结硅颗粒的装置的一个实施方案的透视图。
[0017] 图3是与图2的装置一起使用的容器的一个实施方案的透视图。
[0018] 图4是图3的容器和图2的屏蔽装置的局部放大透视图，其中所述容器包含一定 体积的硅颗粒和坯块。
[0019] 图5和图6是通过所公开的固结方法的实施方案制备的示例性多晶硅锭的照片。
[0020] 图7是图5的锭的掺杂剂浓度相对于线性锭位置的曲线图，其示出了所述锭中硼 和磷的浓度随着沿所述锭的距离变化的函数；所述浓度是通过低温傅里叶变换红外光谱测 量的。
[0021] 图8是图5的锭的掺杂剂浓度相对于线性锭位置的曲线图，其示出了所述锭中碳 的浓度随着沿所述锭的距离变化的函数；所述浓度是通过低温傅里叶变换红外光谱测量 的。
[0022] 图9是图6的锭的掺杂剂浓度相对于线性锭位置的曲线图，其示出了所述锭中硼 和磷的所测量和预测浓度随着沿所述锭的距离变化的函数。
[0023]图10是图6的锭的掺杂剂浓度相对于线性锭位置的曲线图，其示出了所述锭中碳 的所测量和预测浓度随着沿所述锭的距离变化的函数。 具体实施方案
[0024] 本公开涉及用于以适于测定硅纯度的形式固结硅颗粒的方法和装置的实施方案。 使用舟分区方法将多晶硅颗粒熔化并固结成多晶锭。可以将所得多晶锭切成片并例如通过 低温傅里叶变换红外光谱进行分析以测定粒状硅中微量元素的水平。
[0025] I.术语和缩写
[0026] 除非另外说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普 通技术人员通常所理解相同的含义。虽然与本文所述类似或等效的方法和材料可以用于实 践或测试本公开，但下文描述合适的方法和材料。所述材料、方法和实施例仅具说明性而不 旨在进行限制。根据以下详细描述和权利要求，本公开的其他特征是显而易见的。
[0027] 除非另外说明，否则如本说明书或权利要求中所用的表示成分、百分比、温度、时 间等的量的所有数值应理解为被术语"约"修饰。因此，除非另外隐含地或明确地说明，否 则所阐述的数值参数是可取决于所寻求的所需性质和/或在标准测试条件/方法下的检测 限的近似值。当直接并明确地区分实施方案与所讨论的现有技术时，除非叙述词语"约"，否 则所述实施方案数值并非近似值。
[0028] 为了便于评述本公开的各种实施方案，提供具体术语和缩写的以下解释：
[0029] 舟分区：与浮动分区法类似，不同之处在于随着硅区域沿着容器长度熔化，所含的 硅与容器接触。
[0030] 舟分区器：舟分区装置。
[0031] FZ:浮动区
[0032] 感应加热：通过电磁感应加热传导性物体（典型地为金属或准金属物体）。感应 加热器包括交变电流所通过的电磁铁。磁场在物体内部感应出涡流，并且金属/准金属内 的电阻导致材料的加热。
[0033] 感应结合：当流过一个导体的电流通过电磁感应而感应出穿过另一个导体的电压 时，这两个导体是感应结合的。
[0034] 锭：如本文所用，术语"锭"是指通过熔化粒状硅并且然后固化熔融硅而形成的基 本上固体材料（即硅）块。所述锭具有适于后续分析的形式或几何形状。在一个实施方案 中，所述锭呈例如具有基本上圆形或椭圆形横截面的棒形式。在另一个实施方案中，所述锭 可为具有基本上矩形横截面的膜。应了解，锭可能具有不规则表面。
[0035] LTFTIR:低温傅里叶变换红外（光谱）
[0036]ppba:十亿分率，即每十亿个原子的原子数
[0037]ppma:百万分率，S卩每百万个原子的原子数
[0038] ppta:万亿分率，即每万亿个原子的原子数
[0039] RF:射频
[0040] 坯块：基本上固体材料的团块、圆盘、球体、立方体或圆柱体
[0041] II.粒状硅的固结
[0042] 粒状硅固结成固体锭形式有利于硅的后续表征。所述粒状硅可为来自较大批次的 硅的粒状硅的代表性样品。用于使粒状硅固结成锭的方法的实施方案包括感应熔化硅颗粒 和随后使硅熔体固化成多晶硅锭。
[0043] 感应熔化条件是被熔化的材料的物理、电学和磁学特性的函数。所述材料的厚度 /尺寸、电阻率、相对磁导率和所用的频率影响熔化过程。
[0044] 关于1300°C和1430Γ的临界频率与趋肤深度之间的关系图示于图1中。降低的 趋肤深度意指在物体中感应出的涡流集中在物体的表面附近，这有利于物体表面的感应加 热。关于硅，趋肤深度随着频率增加和/或随着物体的温度增加而降低。
[0045] 理论评价说明了硅颗粒