专利名称：一种直拉法制备单晶硅所使用的硅籽晶的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种直拉法制备硅单晶所用的硅籽晶。
背景技术：
当前制备单晶硅主要由两种技术，根据晶体生长方式不同，可以分为区熔单晶硅 和直拉单晶硅。区熔单晶硅是利用悬浮区域熔炼(float zone)的方法制备的，所以又称为 FZ单晶硅。直拉单晶硅是利用切氏法(czochralski)制备，称为CZ单晶硅。这两种单晶硅 具有不同的特性和不同的器件应用领域，区熔单晶硅主要应用于大功率器件方面，只占市 场很小的一部分，而直拉单晶硅主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面，是单晶硅 的主体。直拉法是运用熔体的冷凝结晶驱动原理，在固液界面处，藉由熔体温度下降，将产 生由液体转换成固态的相变化。为了生长质量合格(硅单晶电阻率、氧含量及氧浓度分布、 碳含量、金属杂质含量、缺陷等)的单晶硅棒，在采用直拉法生长时，必须考虑以下问题。首 先是根据技术要求，选择使用合适的单晶生长设备，其次是要掌握一整套单晶硅的制备工 艺、技术，包括(1)单晶硅系统内的热场设计，确保晶体生长有合理稳定的温度梯度；(2) 单晶硅生长1系统内的氩气气体系统设计；(3)单晶硅挟持技术系统的设计；(4)为了提高 生产效率的连续加料系统的设计；(5)单晶硅制备工艺的过程控制。由于直拉单晶硅的制造成本相对较低，机械强度较高，易于制备大直径单晶，因此 大部分的半导体硅单晶体采用直拉法制造。在直拉法制造的硅单晶生长方法中，硅晶体在 生长室内生长，生长室包括不锈钢筒、保温筒、石墨发热体、石英坩埚、石墨制的石英坩埚支 持器等，硅晶体在生长时用惰性气体氩气做保护气体，一般采用如下制造方法多晶硅被装 进石英坩埚内，加热熔化，然后，将熔硅略做降温，给予一定的过冷度，把一支特定晶向的硅 单晶体(称做籽晶)装入籽晶夹持器中，籽晶夹持器的上端通过连接件与籽晶轴连接，籽晶 固定于夹持器下端，并且使籽晶与硅熔体接触，通过调整熔体的温度和籽晶向上的提升速 度，使籽晶体长大，当硅晶体的直径接近目标直径时，提高提升速度，使单晶体近恒直径生 长。在生长过程的尾期，石英坩埚内的硅熔体尚未完全消失，通过增加晶体的提升速度和调 整石英埚内的供给热量，使晶体渐渐减小，从而形成一个尾形锥体，当锥体的尖足够小时， 晶体就会与熔体脱离，从而完成晶体的生长过程。在直拉硅单晶制造过程中，需要一种有特定晶向的硅单晶体，通常称为籽晶。它是 由一定晶向的硅单晶切割或钻取而成。籽晶一般为圆柱体或长方体，它上面有一个或多个 缺口，用销子或金属丝把籽晶固定在称做籽晶夹持器的工件中。目前国内籽晶一般采用长 方体，在长方体的上端一侧开有多个缺口，籽晶夹持器下端的形状与长方体籽晶相配合，籽 晶半嵌于夹持器的下端，用金属钼丝将二者固定在一起，钼丝正好进入籽晶的缺口中，起到 固定籽晶的作用。国内籽晶与籽晶夹持器示意图见附图1。此种晶体的设计方法适合制造 小直径的硅晶体，一般只能制造直径小于160毫米，重量不超过60Kg的硅晶体。当籽晶用 于制造大于此范围的晶体时，就容易在籽晶的缺口部位断裂，降低使用次数，增加成本。同时由于金属钼与硅的膨胀系数不同，在多次使用后容易造成钼丝松动，使籽晶落入熔体中， 导致制备过程失败。美国专利文献6，139，632 (公告日2000.10.31)公开了一种用于拉制单晶用的籽
晶，它由一个大直径部分、中直径部分、小直径部分组成，由中直径部分连接小直径部分和 大直径部分，它们的横截面均为圆形，籽晶夹持器应与其相适应。在单晶的拉制过程中产生 磨损，使籽晶与夹持器之间产生间隙而降低其使用寿命。目前半导体硅材料的发展非常迅速，晶体逐渐向大直径、高重量的方向发展，直径 已增加到450毫米，重量也超过250Kg。在这种情况下，目前现有的籽晶及其夹持装置已 不能满足要求，也不安全，籽晶容易发生断裂，为了减少这种情形，一般采用每支籽晶只用 1 5个晶体生长，这样就增加了制造成本。为了满足并促进硅材料的发展，需要设计出一 种适合于制备大直径晶体并能多次使用的籽晶。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种不易断裂，生产成本低，能 够反复利用的硅籽晶。为解决上述技术问题，本实用新型采用技术方案的基本构思是一种直拉法制备单晶硅所使用的硅籽晶，该硅籽晶包括相互连为一体的硅籽晶上 部、硅籽晶中部和硅籽晶下部，所述的硅籽晶上部为圆柱体，所述的硅籽晶中部为倒圆台结 构，硅籽晶下部为圆柱体，其中，所述的硅籽晶上部的横截面大于硅籽晶下部的横截面。所述的硅籽晶上部直径与硅籽晶下部直径的比值为16 15-3 1。所述的硅籽晶上部直径与硅籽晶下部直径的比值为13 8。所述的硅籽晶中部的倒圆台的侧边与硅籽晶下部侧边的夹角θ为10° -89°。所述的硅籽晶中部的倒圆台的侧边与硅籽晶下部侧边的夹角θ为15° -30°。所述的硅籽晶中部的倒圆台的侧边与硅籽晶下部侧边的夹角θ为20°。本实用新型所公开的硅籽晶包括相互连为一体的硅籽晶上部、硅籽晶中部和硅籽 晶下部，其中所述的硅籽晶上部和硅籽晶下部均为圆柱体，硅籽晶的中部为倒圆台结构，其 中，所述的硅籽晶上部的横截面大于硅籽晶下部的横截面。该所述的硅籽晶上部直径与硅 籽晶下部直径的比值为16 15-3 1。优选比值为13 8。硅籽晶中部的倒圆台的侧边与硅籽晶下部的侧边形成一夹角Θ，该θ为 10° -89°，优选 15° -30°，更优选 20°。制备单晶硅时，先将多晶硅装进石英坩埚内，加热熔化，然后，将熔硅略做降温，给 予一定的过冷度，将硅籽晶放置于与其结构相适应的籽晶挟持器内，籽晶夹持器的上端通 过连接件与籽晶轴连接，籽晶固定于夹持器下端，并且使籽晶与硅熔体接触，通过调整熔体 的温度和籽晶向上的提升速度，使籽晶体长大，当硅晶体的直径接近目标直径时，提高提升 速度，使单晶体近恒直径生长。在生长过程的尾期，石英坩埚内的硅熔体尚未完全消失，通 过增加晶体的提升速度和调整石英埚内的供给热量，使晶体渐渐减小，从而形成一个尾形 锥体，当锥体的尖足够小时，晶体就会与熔体脱离，从而完成晶体的生长过程。本实用新型所公开的硅籽晶克服了现有籽晶的不足，可以大大延长籽晶的使用寿 命，该籽晶结构简单，生产成本低，此外，籽晶能够反复多次利用，也降低了硅晶体的生产成本，有利于该硅籽晶的推广应用。
图1是现有籽晶和籽晶挟持器的示意图图2是本实用新型籽晶和籽晶挟持器的示意图图3是本实用新型籽晶立体图图4是图3的剖面图图中1为籽晶2为钼销子3为挟持器4为硅籽晶上部5为硅籽晶中部6为硅籽晶 下部7为挟持器8为挟持器
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型进行进一步详细的说明。实施例1如图3所示的硅籽晶，该硅籽晶包括相互连为一体的硅籽晶上部4、硅籽晶中部5 和硅籽晶下部6，其中所述的硅籽晶上部4为圆柱体或棱柱体其中的一种，所述的硅籽晶中 部5为倒圆台结构，硅籽晶下部6为圆柱体，其中，所述的硅籽晶上部4的横截面大于硅籽 晶下部6的横截面。如图4所示的硅籽晶，该硅籽晶上部4直径为7. 2mm,硅籽晶下部6直径为6mm。硅 籽晶中部5的倒圆台侧边与硅籽晶下部6侧边的夹角θ为20°。实施例2如图3所示的硅籽晶，该硅籽晶包括相互连为一体的硅籽晶上部4、硅籽晶中部5 和硅籽晶下部6，其中所述的硅籽晶上部4为圆柱体或棱柱体其中的一种，所述的硅籽晶中 部5为倒圆台结构，硅籽晶下部6为圆柱体，其中，所述的硅籽晶上部4的横截面大于硅籽 晶下部6的横截面。如图4所示的硅籽晶，该硅籽晶上部4直径为11mm，硅籽晶下部6直径为9mm。硅 籽晶中部5的倒圆台侧边与硅籽晶下部侧边的夹角θ为30°。实施例3如图3所示的硅籽晶，该硅籽晶包括相互连为一体的硅籽晶上部4、硅籽晶中部5 和硅籽晶下部6，其中所述的硅籽晶上部4为圆柱体或棱柱体其中的一种，所述的硅籽晶中 部5为倒圆台结构，硅籽晶下部6为圆柱体，其中，所述的硅籽晶上部4的横截面大于硅籽 晶下部6的横截面。如图4所示的硅籽晶，该硅籽晶上部4直径为13mm，硅籽晶下部6直径为8mm。硅 籽晶中部5的倒圆台侧边与硅籽晶下部6侧边的夹角θ为45°。实施例4如图3所示的硅籽晶，该硅籽晶包括相互连为一体的硅籽晶上部4、硅籽晶中部5 和硅籽晶下部6，其中所述的硅籽晶上部4为圆柱体或棱柱体其中的一种，所述的硅籽晶中 部5为倒圆台结构，硅籽晶下部6为圆柱体，其中，所述的硅籽晶上部4的横截面大于硅籽 晶下部6的横截面。如图4所示的硅籽晶，该硅籽晶上部4直径为14mm，硅籽晶下部6直径为12mm。硅籽晶中部5的倒圆台侧边与硅籽晶下部6侧边的夹角θ为10°。实施例5如图3所示的硅籽晶，该硅籽晶包括相互连为一体的硅籽晶上部4、硅籽晶中部5 和硅籽晶下部6，其中所述的硅籽晶上部4为圆柱体或棱柱体其中的一种，所述的硅籽晶中 部5为倒圆台结构，硅籽晶下部6为圆柱体，其中，所述的硅籽晶上部4的横截面大于硅籽 晶下部6的横截面。如图4所示的硅籽晶，该硅籽晶上部4直径为14mm，硅籽晶下部6直径为7mm。硅 籽晶中部5的倒圆台侧边与硅籽晶下部6侧边的夹角θ为60°。实施例6如图3所示的硅籽晶，该硅籽晶包括相互连为一体的硅籽晶上部4、硅籽晶中部5 和硅籽晶下部6，其中所述的硅籽晶上部4为圆柱体或棱柱体其中的一种，所述的硅籽晶中 部5为倒圆台结构，硅籽晶下部6为圆柱体，其中，所述的硅籽晶上部4的横截面大于硅籽 晶下部6的横截面。如图4所示的硅籽晶，该硅籽晶上部4直径为8mm，硅籽晶下部6直径为7. 5mm。硅 籽晶中部5的倒圆台侧边与硅籽晶下部6侧边的夹角θ为20°。实施例7如图3所示的硅籽晶，该硅籽晶包括相互连为一体的硅籽晶上部4、硅籽晶中部5 和硅籽晶下部6，其中所述的硅籽晶上部4为圆柱体或棱柱体其中的一种，所述的硅籽晶中 部5为倒圆台结构，硅籽晶下部6为圆柱体，其中，所述的硅籽晶上部4的横截面大于硅籽 晶下部6的横截面。如图4所示的硅籽晶，该硅籽晶上部4直径为15mm，硅籽晶下部6直径为5mm。硅 籽晶中部5的倒圆台侧边与硅籽晶下部6侧边的夹角θ为89°。上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本实用新 型的优选实施例进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新 型设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变化和 改进，均属于本实用新型的保护范围。
权利要求一种直拉法制备单晶硅所使用的硅籽晶，其特征在于所述的硅籽晶包括相互连为一体的硅籽晶上部(4)、硅籽晶中部(5)和硅籽晶下部(6)，所述的硅籽晶上部(4)为圆柱体，所述的硅籽晶中部(5)为倒圆台结构，硅籽晶下部(6)为圆柱体，其中，所述的硅籽晶上部(4)的横截面大于硅籽晶下部(6)的横截面。
2.根据权利要求1所述的硅籽晶，其特征在于所述的硅籽晶上部(4)直径与硅籽晶 下部(6)直径的比值为16 15-3 1。
3.根据权利要求2所述的硅籽晶，其特征在于所述的硅籽晶上部(4)直径与硅籽晶 下部(6)直径的比值为13 8。
4.根据权利要求1所述的硅籽晶，其特征在于所述的硅籽晶中部(5)的倒圆台的侧 边与硅籽晶下部(6)侧边的夹角θ为10° -89°。
5.根据权利要求4所述的硅籽晶，其特征在于所述的硅籽晶中部(5)的倒圆台的侧 边与硅籽晶下部(6)侧边的夹角θ为15° -30°。
6.根据权利要求5所述的硅籽晶，其特征在于所述的硅籽晶中部(5)的倒圆台的侧 边与硅籽晶下部(6)侧边的夹角θ为20°。
专利摘要本实用新型公开了一种硅籽晶，该硅籽晶包括相互连为一体的硅籽晶上部、硅籽晶中部和硅籽晶下部，所述的硅籽晶上部和硅籽晶下部均为圆柱体，硅籽晶的中部为倒圆台结构，其中，所述的硅籽晶上部的横截面大于硅籽晶下部的横截面。该硅籽晶克服了现有籽晶的不足，可以大大延长籽晶的使用寿命，该籽晶结构简单，生产成本低，此外，籽晶能够反复多次利用，也降低了硅晶体的生产成本，有利于该硅籽晶的推广应用。
文档编号C30B15/36GK201627000SQ20102030182
公开日2010年11月10日 申请日期2010年1月28日 优先权日2010年1月28日
发明者周俭 申请人:上海杰姆斯电子材料有限公司