本發(fā)明涉及半導(dǎo)體硅部件鑄造，特別涉及一種降低硅部件晶錠裂紋率的鑄造方法及鑄造爐。

背景技術(shù)：

1、半導(dǎo)體晶圓制造用硅材料中包含了刻蝕用硅部件，目前全球刻蝕用硅部件市場(chǎng)規(guī)模約1500噸-1800噸。

2、刻蝕用硅部件尺寸必須大于晶圓尺寸。目前世界范圍內(nèi)先進(jìn)制程集成電路主要應(yīng)用12英寸晶圓，所對(duì)應(yīng)刻蝕用硅部件的尺寸一般大于14英寸，最大可達(dá)19英寸。直拉法硅材料比較難達(dá)到大尺寸的拉晶，通過(guò)定向凝固的方式生長(zhǎng)出的硅錠最大尺寸可達(dá)1000mm。

3、但因?yàn)楣璨考?dǎo)電的功能需求在加工過(guò)程中重?fù)脚?，?dǎo)致晶錠生產(chǎn)過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力高，在初胚和后續(xù)深加工過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋，限制鑄造法硅部件的發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)通過(guò)提供一種降低硅部件晶錠裂紋率的鑄造方法及鑄造爐，解決了現(xiàn)有技術(shù)中晶錠生產(chǎn)過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了降低硅部件晶錠內(nèi)應(yīng)力高導(dǎo)致的裂紋的效果，提高產(chǎn)出率。

2、本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種降低硅部件晶錠裂紋率的鑄造方法，包括以下步驟：

3、s1：在坩堝底部刷涂一層由20目至40目硅顆粒組成的硅顆粒形核層，并對(duì)坩堝內(nèi)壁進(jìn)行氮化硅涂層制備；

4、s2：將改良西門(mén)子法或流化床法生產(chǎn)的8n多晶硅裝填到制備好所述氮化硅涂層的所述坩堝中；

5、s3：在鑄造爐中通過(guò)定向凝固的方法生長(zhǎng)成晶錠，依次進(jìn)行加熱、熔化、長(zhǎng)晶、退火和冷卻階段，期間控制溫度、進(jìn)氣流量、爐壓和散熱通道開(kāi)度；其中，在所述長(zhǎng)晶階段，爐內(nèi)上部溫度和下部溫度分別控制，且溫度差不超過(guò)200℃，在所述退火階段，爐內(nèi)所述上部溫度和所述下部溫度一致降低，當(dāng)溫度降低到750-850℃時(shí)維持3.5-4.5小時(shí)。

6、上述實(shí)施例的有益效果在于：在硅部件晶錠鑄錠過(guò)程中，由于上部和下部冷卻凝固存在先后順序，因此收縮也有先后，不同部位相互牽制從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。該鑄造方法，在長(zhǎng)晶階段的溫度控制，旨在通過(guò)降低長(zhǎng)晶階段固液界面的溫度梯度來(lái)降低內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，在退火階段，在高溫下，晶體內(nèi)部的位錯(cuò)不僅會(huì)沿著滑移面滑移，還會(huì)垂直于滑移面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)位錯(cuò)發(fā)生碰撞后可相互抵消，從而消除其內(nèi)應(yīng)力，提高晶錠的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

7、在上述實(shí)施例基礎(chǔ)上，本申請(qǐng)可進(jìn)一步改進(jìn)，具體如下：

8、在本申請(qǐng)其中一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟s1具體為：

9、s1.1：精選石英坩堝，確保所述坩堝內(nèi)層石英砂的純度達(dá)到7n以上；

10、s1.2：在所述坩堝底部刷涂一層硅溶膠，挑選20目至40目的硅顆粒均勻分布在所述坩堝底部；

11、s1.3：采用先進(jìn)的噴涂機(jī)器人對(duì)坩堝內(nèi)壁進(jìn)行氮化硅涂層制備。

12、在本申請(qǐng)其中一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟s2中，在裝填過(guò)程中，大塊料堆放在中間，小塊料填充四周。

13、在本申請(qǐng)其中一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟s3中，使用ar作為保護(hù)氣體，在所述加熱階段，將所述進(jìn)氣流量設(shè)置為75-85l/min，在所述熔化階段將所述進(jìn)氣流量設(shè)置為155-165l/min，在所述長(zhǎng)晶階段將所述進(jìn)氣流量降低到95-105l/min，在所述退火和冷卻階段將進(jìn)氣流量降低到45-55l/min。

14、在本申請(qǐng)其中一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟s3中，通過(guò)加熱器控制爐內(nèi)溫度，在所述加熱和冷卻階段采用功率控制模式控制所述加熱器，在所述熔化、長(zhǎng)晶和退火階段采用溫度控制模式控制所述加熱器。

15、在本申請(qǐng)其中一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟s3中，在所述熔化階段，將爐內(nèi)所述上部溫度提升至1545-1555℃，待硅液完全熔化后維持1-2小時(shí)。

16、在本申請(qǐng)其中一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟s3中，在所述加熱、熔化和長(zhǎng)晶階段將所述爐壓設(shè)置為195-205mbar，在退火階段將爐壓緩慢增加到595-605mbar，在冷卻階段將爐壓緩慢增加到795-805mbar。

17、本申請(qǐng)實(shí)施例還提供了一種用于實(shí)施上述鑄造方法的鑄造爐，包括：

18、殼體，開(kāi)設(shè)有進(jìn)氣口及散熱通道；

19、平臺(tái)，通過(guò)多根立柱立于所述殼體內(nèi)，所述平臺(tái)四周采用石墨纖維硬氈作為保溫材料；

20、多個(gè)加熱器，環(huán)繞所述平臺(tái)六面設(shè)置，位于所述平臺(tái)的上面、下面和四周三個(gè)區(qū)域的若干所述加熱器的加熱功率分開(kāi)控制。

21、在本申請(qǐng)其中一個(gè)實(shí)施例中，所述鑄造爐采用ar作為保護(hù)氣體，最大進(jìn)氣流量達(dá)到200l/min。

22、在本申請(qǐng)其中一個(gè)實(shí)施例中，所述鑄造爐采用變頻干泵作為抽空系統(tǒng)，最大抽氣速度達(dá)到1200m3/h。

23、本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

24、1.該鑄造方法，通過(guò)溫度控制降低長(zhǎng)晶階段固液界面的溫度梯度來(lái)降低內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，在退火階段，保持高溫從而消除其內(nèi)應(yīng)力，提高晶錠的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

25、2.相較于常規(guī)鑄造方法，通過(guò)該鑄造方法鑄造的硅部件晶錠，裂紋率從20％降低到1％，大幅提高產(chǎn)出率。

技術(shù)特征：

1.一種降低硅部件晶錠裂紋率的鑄造方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造方法，其特征在于：所述步驟s1具體為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造方法，其特征在于：所述步驟s2中，在裝填過(guò)程中，大塊料堆放在中間，小塊料填充四周。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造方法，其特征在于：所述步驟s3中，使用ar作為保護(hù)氣體，在所述加熱階段，將所述進(jìn)氣流量設(shè)置為75-85l/min，在所述熔化階段將所述進(jìn)氣流量設(shè)置為155-165l/min，在所述長(zhǎng)晶階段將所述進(jìn)氣流量降低到95-105l/min，在所述退火和冷卻階段將所述進(jìn)氣流量降低到45-55l/min。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造方法，其特征在于：所述步驟s3中，通過(guò)加熱器控制爐內(nèi)溫度，在所述加熱和冷卻階段采用功率控制模式控制所述加熱器，在所述熔化、長(zhǎng)晶和退火階段采用溫度控制模式控制所述加熱器。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鑄造方法，其特征在于：所述步驟s3中，在所述熔化階段，將爐內(nèi)所述上部溫度提升至1545-1555℃，待硅液完全熔化后維持1-2小時(shí)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鑄造方法，其特征在于：所述步驟s3中，在所述加熱、熔化和長(zhǎng)晶階段將所述爐壓設(shè)置為195-205mbar，在退火階段將爐壓緩慢增加到595-605mbar，在冷卻階段將爐壓緩慢增加到795-805mbar。

8.一種用于實(shí)施權(quán)利要求1-7任一所述鑄造方法的鑄造爐，其特征在于，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鑄造爐，其特征在于：所述鑄造爐采用ar作為保護(hù)氣體，最大進(jìn)氣流量達(dá)到200l/min。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鑄造爐，其特征在于：所述鑄造爐采用變頻干泵作為抽空系統(tǒng)，最大抽氣速度達(dá)到1200m3/h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了半導(dǎo)體領(lǐng)域內(nèi)的一種降低硅部件晶錠裂紋率的鑄造方法及鑄造爐。該鑄造方法包括以下步驟：S1：在坩堝底部刷涂一層硅顆粒組成的硅顆粒形核層，并對(duì)坩堝內(nèi)壁進(jìn)行氮化硅涂層制備；S2：將多晶硅裝填到坩堝中；S3：在鑄造爐中通過(guò)定向凝固的方法生長(zhǎng)成晶錠，依次進(jìn)行加熱、熔化、長(zhǎng)晶、退火和冷卻階段；其中，在長(zhǎng)晶階段，爐內(nèi)上部溫度和下部溫度分別控制，且溫度差不超過(guò)200℃，在退火階段，爐內(nèi)上部溫度和下部溫度一致降低，當(dāng)溫度降低到750?850℃時(shí)維持3.5?4.5小時(shí)。該鑄造方法，通過(guò)溫度控制降低長(zhǎng)晶階段固液界面的溫度梯度來(lái)降低內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，在退火階段，保持高溫從而消除其內(nèi)應(yīng)力，提高晶錠的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：楊振幫,張振中,宦愛(ài)飛,鄒健
受保護(hù)的技術(shù)使用者：揚(yáng)州晶格半導(dǎo)體有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9