本發(fā)明涉及單晶硅技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種單晶硅的制備方法。
背景技術(shù)：
直拉法是單晶硅的主要生產(chǎn)方法，而石英坩堝是直拉法所必不可少的輔助器具。石英坩堝在拉晶的高溫下，具有變成二氧化硅晶體的趨向，此過程稱為析晶。析晶通常發(fā)生在石英坩堝的表層。
嚴(yán)重的析晶會對拉晶造成影響。例如，析晶將減薄石英坩堝原有的厚度，降低了石英坩堝的強度，從而容易引起石英坩堝變形。特別是，近年來隨著投料量的增大，拉晶時間也相應(yīng)延長；隨著拉晶時間的延長，還有可能導(dǎo)致漏料的發(fā)生。另外，石英坩堝內(nèi)壁發(fā)生析晶時有可能破壞坩堝內(nèi)壁原有的涂層，這將導(dǎo)致涂層下面的氣泡層和熔硅發(fā)生反應(yīng)，造成部分顆粒狀氧化硅進(jìn)入熔硅內(nèi)，使得正在生長中的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變異而無法正常長晶。并且石英坩堝表面如果附帶極其微小的雜質(zhì)，析晶也將導(dǎo)致單晶在生長過程中斷棱，影響成品率。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
基于此，有必要提供一種有效抑制石英坩堝析晶的單晶硅的制備方法。
一種單晶硅的制備方法，包括如下步驟：
在石英坩堝的內(nèi)壁底部覆蓋碳酸鋇層；然后裝入硅料進(jìn)行直拉單晶操作。
上述單晶硅的制備方法，由于在裝硅料直拉單晶之前，在石英坩堝的內(nèi)壁底部事先覆蓋碳酸鋇層；當(dāng)融硅時，碳酸鋇會分解形成氧化鋇，而氧化鋇會與石英坩堝反應(yīng)形成硅酸鋇basio3，由于硅酸鋇basio3的存在，從而在石英坩堝的內(nèi)壁上形成一層致密微小的釉層。隨著硅液面的上升，最終在石英坩堝內(nèi)壁與硅液接觸的地方均形成這種釉層。由于形成致密微小的釉層的保護(hù)層，有效抑制了析晶，因此可以大幅度的改善石英坩堝的使用壽命及長晶良率。這種致密微小的釉層的保護(hù)層很難使硅液滲入而剝落。另外，形成的致密微小的釉層保護(hù)層可以增加石英坩堝的強度，從而減少高溫軟化現(xiàn)象。碳酸鋇的碳酸根會變成二氧化碳而逸出，不會與硅料中殘留的堿金屬離子、堿土金屬離子結(jié)合成強堿，腐蝕石英坩堝。還有，鋇在硅中的平衡偏析系數(shù)非常小，從而使得鋇在硅晶棒中的濃度小于2.5×10-9/cm3；故而不會影響到硅晶棒的品質(zhì)。
另外，采用本發(fā)明的方法，不用在石英坩堝的側(cè)壁形成涂層，隨著硅液面的上升，最終在石英坩堝內(nèi)壁與硅液接觸的地方均形成這種釉層；簡化了操作，更有利于工業(yè)化實施。
在其中一個實施例中，所述碳酸鋇層通過將碳酸鋇粉撒在石英坩堝的內(nèi)壁底部形成。
在其中一個實施例中，所述碳酸鋇粉的質(zhì)量為4.2g～7g。
在其中一個實施例中，在裝入硅料之前，還包括在所述石英坩堝的上沿形成氫氧化鋇層。
在其中一個實施例中，所述氫氧化鋇層通過噴涂形成。
在其中一個實施例中，所述噴涂的噴涂液中水與氫氧化鋇的質(zhì)量比為48～54：1。
在其中一個實施例中，所述噴涂的厚度為0.2mm～0.6mm。
在其中一個實施例中，所述噴涂的寬度為100mm～150mm。
在其中一個實施例中，所述方法還包括在拉晶過程中，在提蓋子中加入碳酸鋇粉。
在其中一個實施例中，在提蓋子中加入的碳酸鋇粉的質(zhì)量為3.4g～4g。
附圖說明
圖1為本發(fā)明一實施方式的石英坩堝組件沿軸向的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施方式，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施方式僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個或多個相關(guān)的所列項目的任意的和所有的組合。
一種單晶硅的制備方法，包括如下步驟：
在石英坩堝的內(nèi)壁底部覆蓋碳酸鋇層；然后裝入硅料進(jìn)行直拉單晶操作。
優(yōu)選地，碳酸鋇層通過將碳酸鋇粉撒在石英坩堝的內(nèi)壁底部形成。在本實施方式中，石英坩堝的連接圓角處以及整個石英坩堝的底壁均撒上碳酸鋇粉。
在本實施方式中，碳酸鋇粉的純度大于99.85％。這樣可以提高拉晶效果。
更優(yōu)選地，碳酸鋇粉可以商購，也可以通過自己制備獲得。具體碳酸鋇粉的制備方法如下：在氮氣保護(hù)氣氛下，在氫氧化鋇溶液中通入純的二氧化碳?xì)怏w生成碳酸鋇。
優(yōu)選地，碳酸鋇層的重量為4.2～7g。這樣進(jìn)一步提高拉晶效果。更優(yōu)選地，碳酸鋇層的重量為4.6～6.5g，這樣更適應(yīng)目前主要使用的26寸石英坩堝。
為了進(jìn)一步保護(hù)石英坩堝，優(yōu)選地，在裝入硅料之前，還包括在石英坩堝的上沿形成氫氧化鋇層。也就是說，參見圖1，氫氧化鋇層300位于石英坩堝100的上沿處。
氫氧化鋇層會與空氣中的二氧化碳反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為碳酸鋇，當(dāng)石英坩堝被加熱時，碳酸鋇分解產(chǎn)生氧化鋇，而氧化鋇會與石英坩堝反應(yīng)形成硅酸鋇basio3，由于硅酸鋇basio3的存在，從而在石英坩堝的上沿形成一層致密微小的釉層，從而保護(hù)石英坩堝的上沿。由于氫氧化鋇層位于石英坩堝的上沿，故而硅液不會接觸到氫氧化鋇，不會導(dǎo)致氫氧化鋇層起皮掉落在硅液中影響拉晶品質(zhì)。同時未完全反應(yīng)轉(zhuǎn)化的氫氧根，也不會與硅料中殘留的堿金屬離子、堿土金屬離子結(jié)合成強堿，腐蝕石英坩堝。
形成氫氧化鋇層與覆蓋碳酸鋇層的步驟，可以同時進(jìn)行，亦可以先形成氫氧化鋇層后覆蓋碳酸鋇層；還可以是先覆蓋碳酸鋇層后形成氫氧化鋇層。
更優(yōu)選地，氫氧化鋇層通過噴涂形成。在本實施方式中，以水與氫氧化鋇的質(zhì)量比為48～54：1配制成噴涂時使用的噴涂液；也就是說，噴涂的噴涂液中水與氫氧化鋇的質(zhì)量比為48～54：1。
在本實施方式中，噴涂的厚度為0.2mm～0.6mm。
在本實施方式中，噴涂的寬度為100mm～150mm。
在裝入硅料之前，如圖1所示，在石英坩堝100的內(nèi)壁底部上有碳酸鋇層200；在石英坩堝100的上沿有氫氧化鋇層300。
其中，裝入硅料進(jìn)行直拉單晶操作，是制備單晶硅的核心步驟。在本實施方式中，具體包括如下子步驟：
s1、加料：將硅料以及摻雜劑放入石英坩堝內(nèi)，摻雜劑的種類依n型或p型而定。摻雜劑有硼、磷、銻、砷等。
s2、熔化：在加料完畢后，關(guān)閉長晶爐并抽真空后，充入高純氬氣，然后加熱至熔化溫度以上，將硅料熔化。
s3、縮頸：當(dāng)硅液的溫度穩(wěn)定后，將籽晶慢慢浸入硅液中。由于籽晶與硅液場接觸時的熱應(yīng)力，會使籽晶產(chǎn)生位錯，這些位錯必須利用縮頸生長使之消失掉?？s頸生長是將籽晶快速向上提升，使長出的籽晶的直徑縮小到一定大小(一般4-6mm)。
s4、放肩：在縮頸完成之后，須降低溫度與拉速，使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。
s5、等徑生長：在放肩完成之后，調(diào)節(jié)拉速與溫度等參數(shù)，使晶棒直徑基本保持不變生長，一般保持晶棒直徑維持在正負(fù)2mm之間。
s6、收尾：在等徑生長之后，調(diào)節(jié)拉速與溫度等參數(shù)，使晶棒的直徑縮小并使晶棒脫離硅液。
當(dāng)然，可以理解的是，直拉單晶操作可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的操作，在此不再贅述。
為了進(jìn)一步確保拉晶效果，優(yōu)選地，在拉晶過程中，在提蓋子中加入碳酸鋇粉。
更優(yōu)選地，在提蓋子中加入的碳酸鋇粉的質(zhì)量為3.4g～4g。
更優(yōu)選地，在加熱后70～80h時，用提蓋子加入碳酸鋇粉。這樣更有助于未成晶爐臺便于拉晶。
上述單晶硅的制備方法，由于在裝硅料直拉單晶之前，在石英坩堝的內(nèi)壁底部事先覆蓋碳酸鋇層；當(dāng)融硅時，碳酸鋇會分解形成氧化鋇，而氧化鋇會與石英坩堝反應(yīng)形成硅酸鋇basio3，由于硅酸鋇basio3的存在，從而在石英坩堝的內(nèi)壁上形成一層致密微小的釉層。隨著硅液面的上升，最終在石英坩堝內(nèi)壁與硅液接觸的地方均形成這種釉層。由于形成致密微小的釉層的保護(hù)層，有效抑制了析晶，因此可以大幅度的改善石英坩堝的使用壽命及長晶良率；為多段拉晶提供支持。這種致密微小的釉層的保護(hù)層很難使硅液滲入而剝落。另外，形成的致密微小的釉層保護(hù)層可以增加石英坩堝的強度，從而減少高溫軟化現(xiàn)象。碳酸鋇的碳酸根會變成二氧化碳而逸出，不會與硅料中殘留的堿金屬離子、堿土金屬離子結(jié)合成強堿，腐蝕石英坩堝。還有，鋇在硅中的平衡偏析系數(shù)非常小，從而使得鋇在硅晶棒中的濃度小于2.5×10-9/cm3；故而不會影響到硅晶棒的品質(zhì)。
另外，采用本發(fā)明的方法，不用在石英坩堝的側(cè)壁形成涂層，隨著硅液面的上升，最終在石英坩堝內(nèi)壁與硅液接觸的地方均形成這種釉層；簡化了操作，更有利于工業(yè)化實施。
采用本發(fā)明所提供的方法，石英坩堝的使用壽命一般能延長至200h～250h。而若直接全部噴涂氫氧化鋇的石英坩堝，則在使用150h左右就會出現(xiàn)掉皮、析晶、變形嚴(yán)重等現(xiàn)象，對拉晶造成很大干擾。
以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。
以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。