本發明涉及半導體材料制備，尤其涉及一種用于硅部件的環形硅棒生長方法。

背景技術：

1、隨著科技的高速發展與半導體產業的持續進步，半導體設備技術不斷迭代更新，從早期的基礎刻蝕工藝逐步演進為復雜精密的等離子體刻蝕等先進制程。每一次關鍵技術的突破，都為半導體硅部件的應用拓展了新的空間，推動其向更高性能、更高可靠性的方向發展。與此同時，工藝節點持續向更細微尺度推進，從早期的較大制程逐步過渡到當前的7nm、5nm乃至更先進節點，對半導體硅部件的性能、純度與質量提出了前所未有的嚴苛要求。

2、在這一技術演進過程中，高純單晶硅材料憑借其獨特的物理與化學特性，逐漸成為先進刻蝕工藝中的關鍵材料。相較于其他材料，高純單晶硅部件在刻蝕過程中對集成電路的污染極小，工藝穩定性高，因此在7nm、5nm等先進制程的刻蝕設備中得到了廣泛應用，成為高端芯片制造中不可或缺的一環。但是，采用直拉法拉制單晶，雖然純度高，但是成本極高，工藝復雜；另外直徑越大，應力也越大，易出現炸棒或加工過程蹦裂的問題；此外，直徑越大后，徑向電阻率偏差＞10%，影響后續芯片質量。

3、另外，在中低端市場上，為了降本，行業內普遍采用的制造工藝相對簡單的定向凝固鑄錠法，該方法是使用方形或圓形坩堝，通過一次性投料生長出一整塊多晶硅錠，再借助掏棒機等設備將其加工為環形硅部件。然而，該工藝存在多方面的局限性：首先，方形或圓形坩堝單次投料量較大，導致單批次生產周期長，影響整體產出效率；其次，長晶與加工過程能耗較高，不利于綠色制造與可持續發展；此外，掏棒過程中產生的大量邊角料與硅屑難以實現高效回收與二次利用，不僅造成原材料浪費，也進一步推高了硅材料的綜合使用成本；最后，采用定向凝固鑄錠法，難以避免氮化硅涂層粉體進入硅錠中，導致硬質雜質點增多，會對后續芯片質量帶來影響。

4、因此，針對上述提出的問題，本發明提出一種用于硅部件的環形硅棒生長方法。

技術實現思路

1、為了克服現有技術的投料量較大、生產周期較長、能耗高、成本高、碳氮雜質高且易出現炸棒或加工過程蹦裂的問題，本發明提出一種用于硅部件的環形硅棒生長方法。

2、本發明的技術方案為：一種用于硅部件的環形硅棒生長方法，本方法采用預設尺寸的環形大塊籽晶在單晶爐內通過直拉法直接生長出環形結構的硅棒，從而省去傳統直拉法中的引晶、放肩和轉肩工序，包括有以下步驟：

3、s1，在單晶爐的石英坩堝中裝入預設重量的硅原料和摻雜劑，進行抽空并加熱，直至硅原料完全熔化形成熔融硅液；

4、s2，將環形籽晶通過固定裝置固定安裝于提拉頭下方的籽晶繩上，然后下降環形籽晶，使其下端面與熔融硅液面接觸，進行穩溫和熔接，以形成穩固的晶體連接，所述環形籽晶的材質為單晶硅或多晶硅；

5、s3，待環形籽晶與熔融硅熔接穩固后，降低加熱器3kw至20kw的功率并控制提拉速度為每小時0.5cm至10cm，進行環形硅棒的等徑生長；

6、s4，當環形硅棒等徑生長至預設長度后，將其從熔融硅液中提離，并通過所述副室隔離并取出；

7、s5，在單次爐役內，更換一個新的環形籽晶，重復步驟s2至s4，拉制第二根環形硅棒，或先通過加料器向石英坩堝內補充硅料、待其熔化后，再更換新的環形籽晶重復步驟s2至s4，如此循環，可拉制第2至n根環形硅棒，直至石英坩堝達到使用壽命后停爐。

8、作為優選，所述環形籽晶的外徑為400-600mm，內徑為100-400mm，厚度為5mm至60mm，其中環形籽晶加工了四個通孔，直徑5-20mm，通孔兩兩連接，可構成十字形，該特定的內外徑比例構成了一個具有足夠機械強度和散熱面積的環形結構，是實現穩定生長和避免應力集中的關鍵。

9、作為優選，所述步驟s1中，裝料為一次性裝入全部硅料，或者采用初裝部分硅料、待其熔化后再通過加料器復投剩余硅料的分步裝料方式。

10、作為優選，所述分步裝料方式包括：在32英寸石英坩堝中初裝300-400kg硅料，待其熔化后復投200-350kg硅料，或在36英寸石英坩堝中初裝400-500kg硅料，待其熔化后復投400-500kg硅料。

11、作為優選，所述步驟s2中，環形籽晶通過固定裝置固定于籽晶繩上，該固定裝置能夠確保環形籽晶在提拉和生長過程中的穩定性，該固定裝置是用于將剛性環形籽晶可靠夾持或連接至柔性籽晶繩的專用夾具或連接機構，其確保了在提拉、旋轉和生長過程中，所述環形籽晶及后續生長的環形硅棒的姿態穩定性和同心度，其中固定方式采用在籽晶繩下方連接一個鉬重錘，重錘設置有4個通孔，直徑5-20mm，通孔兩兩連接，可構成十字形；將4根鉬棒穿過環形籽晶4個通孔進行固定連接籽晶。

12、作為優選，所述環形硅棒具有與環形籽晶相似的中空環形結構，用于直接加工制成半導體刻蝕工藝所需的硅部件。

13、本發明的有益效果：

14、1.本發明通過采用環形籽晶直接拉制出環形結構的硅棒，實現了硅部件的近凈成形生產，從而省去了傳統定向凝固鑄錠法后續所需的掏棒機加工環節，這不僅簡化了生產流程、縮短了制造周期，還提高了硅材料的利用率，避免了掏棒過程中產生大量難以回收的邊角料和硅屑，從而降低了原材料損耗和硅部件的綜合生產成本。

15、2.本發明將直拉法高純度生長與環形籽晶直接成型技術相結合，使得生產出的環形硅棒在純度上遠優于采用定向凝固鑄錠法（該方法難以避免氮化硅涂層粉體進入硅錠引入硬質雜質點）生產的多晶硅材料，同時在成本上又明顯低于傳統直拉法生長大尺寸實心單晶硅棒。

16、3.由于所生長的硅棒本身即為環形中空結構，其在生長過程中的熱量可以通過中間的空心部分更有效地散發，這種結構優勢使得晶體內部的溫度梯度更為均勻，能夠降低傳統大尺寸實心硅棒在生長和冷卻過程中因熱量積聚而產生的巨大熱應力，從而有效避免了晶棒出現“炸棒”或在后續加工中發生蹦裂的風險。

17、4.本發明通過優化工藝流程，在單次裝料（或初裝后復投料）后，可在一爐之內通過更換環形籽晶連續拉制多根環形硅棒，這種“一拉多根”的模式大幅提升了單晶爐的單爐產能和石英坩堝等核心部件的利用效率，縮短了單位產品的平均生產周期，降低了單位產品分攤的能耗與設備損耗。

18、5.本發明的生長方法省去了傳統直拉法中的引晶、放肩與轉肩等復雜階段，直接進入等徑生長，簡化了工藝控制難度，同時環形籽晶的采用使得生長出的硅棒形狀與尺寸預先確定，一致性好。

1.一種用于硅部件的環形硅棒生長方法，其特征在于，包括有以下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種用于硅部件的環形硅棒生長方法，其特征在于：所述環形籽晶的外徑為400-600mm，內徑為100-400mm，厚度為5mm至60mm，其中環形籽晶加工了四個通孔，直徑5-20mm，通孔兩兩連接，可構成十字形。

3.根據權利要求2所述的一種用于硅部件的環形硅棒生長方法，其特征在于：所述環形籽晶的材質為單晶硅或多晶硅。

4.根據權利要求1所述的一種用于硅部件的環形硅棒生長方法，其特征在于：所述步驟s1中，裝料為一次性裝入全部硅料，或者采用初裝部分硅料、待其熔化后再通過加料器復投剩余硅料的分步裝料方式。

5.根據權利要求4所述的一種用于硅部件的環形硅棒生長方法，其特征在于，所述分步裝料方式包括：在32英寸石英坩堝中初裝300-400kg硅料，待其熔化后復投200-350kg硅料，或在36英寸石英坩堝中初裝400-500kg硅料，待其熔化后復投400-500kg硅料。

6.根據權利要求1所述的一種用于硅部件的環形硅棒生長方法，其特征在于：所述步驟s3中，降低加熱器功率的幅度為3kw至20kw。

7.根據權利要求1所述的一種用于硅部件的環形硅棒生長方法，其特征在于：所述步驟s3中，控制提拉速度的范圍為每小時0.5cm至10cm。

8.根據權利要求1所述的一種用于硅部件的環形硅棒生長方法，其特征在于：所述步驟s2中，環形籽晶通過固定裝置固定于籽晶繩上，其中固定方式采用在籽晶繩下方連接一個鉬重錘，重錘設置有4個通孔，直徑5-20mm，通孔兩兩連接，可構成十字形；將4根鉬棒穿過環形籽晶4個通孔進行固定連接籽晶；該固定裝置能夠確保環形籽晶在提拉和生長過程中的穩定性。

9.根據權利要求1所述的一種用于硅部件的環形硅棒生長方法，其特征在于：所述步驟s5中，在單次爐役內拉制多根環形硅棒，直至石英坩堝達到使用壽命后停爐。

10.根據權利要求1-9中任一一項所述的一種用于硅部件的環形硅棒生長方法，其特征在于：所述環形硅棒具有與環形籽晶相似的中空環形結構，用于直接加工制成半導體刻蝕工藝所需的硅部件。