CN1018001B - 制造单晶硅的设备 - Google Patents

Abstract

在本发明的单晶硅制造设备中，有一热辐射屏在单晶生长区上方，以屏蔽和调节来自单晶生长区中熔融硅表面的热辐射，而降低坩埚温度从而降低单晶中的氧浓度以减少熔融硅中的氧量。该热辐射屏包括一用金属板覆盖的耐火纤维材料，一多层金属薄板组合件或一电阻加热元件。此外，坩埚内部还被一加工成许多小孔的隔离部件隔开，或一石英管沿该隔离件的圆周方向延伸安装在其内侧，使熔融硅从物料熔化区流畅地流向单晶生长区并从而提供有效的措施。

Description

本发明涉及利用引上法（chochralcki法）制造单晶硅的设备。

早已知道利用引上法连续装入硅料（以下简称CC-CZ法）制造单晶硅的方法（例如日本专利公开40-10184，第一页，第20-35行）。图8示出该方法的示意结构。

在该图中数字1表示石英坩埚，4表示熔融硅，5表示硅单晶，6表示加热器，11表示隔离件，12表示穿过隔件11形成的小孔，16表示粒状硅料。A是物料熔化区，B是单晶硅生长区。

这种CC-CZ法的优点在于由石英坩埚1熔解的氧量始终是恒定的。原因是相同重量的粒状硅料16随着正在被拉出单晶硅5的重量增加被连续送入熔融硅中，以致石英坩埚1中的熔体数量始终保持恒定。因此，沿单晶硅5长度方向的氧浓度在任何部位始终保持恒定。这时单晶硅中掺杂物的浓度也是一样。也就是说，如果相同数量的掺杂物作为进入正被拉制的单晶硅5的掺杂物量被连续加入熔融硅中时，则单晶硅中的掺杂物浓度沿其长度方向可保持恒定。与传统的引上法（以下简称CZ法）相比，可以制造出高质量和高产量的单晶硅。

如上所述，在图8中所示基本结构的CC-CZ法优于传统的CZ法。尤其是它能前所未有地制造出沿整个长度方向相同氧浓度的单晶硅。

但是，氧浓度水平与传统引上法生产的单晶硅中的氧浓度水平相比是相当高的。其原因尚不清楚，而且降低氧浓度水平已成难题。

硅中的氧浓度是控制ICs质量的重量因素。它对于将氧浓度水平至少降低到利用传统的CZ法达到的水平是必要的，而且直到现在尚未提出作为降低氧浓度的这种技术。

本发明人已经指出，由于下列原因利用CC-CZ方法生长的单晶中的氧浓度是相当高的。

熔融硅中的氧是由石英坩埚溶解所提供的。氧浓度受石英坩埚的溶解量所控制。坩埚溶解量受熔体和坩埚之间的接触面积及坩埚表面温度所控制，在普通的CZ法和在石英坩埚中使用含有一个石英隔件类型的双坩埚结构的CC-CZ法之间存在下列差别。

首先，使用双坩埚结构显著增加熔融硅和石英之间的接触面积。因此，随接触面积增加，溶解的氧量也增加。此外，石英坩埚溶解氧情况随温度升高而显著提高。例如，如果石英坩埚温度从约1460℃增加10℃，则每单位面积的石英坩埚的熔解度增加约20%。而且使用双坩埚结构需要一个比普通单结构坩埚大得多的坩埚，以便提供一个附 加的物料熔化区，用于加热和熔化连续加入的硅料。

于是，炉体尺寸增加，并且坩埚上方的开口加宽。因此，与传统的CZ法相比，来自单晶体生长区中的熔体表面的、直接与单晶中氧浓度有关的热扩散量增大。即使熔融硅的温度与普通的CZ法相同，与普通的CZ法相比，必须增加输入熔融硅中的热量。必然需提高作为主要热源的石英坩埚的温度。还有，在使用双坩埚结构的CC-CZ方法情况下，石英坩埚的表面温度提高并且生成氧源的石英坩埚的溶解比普通的CZ法更剧烈。

其次，公知方法中的物料熔化区上方安装一个圆环形盖板和一个加热元件，以便迅速熔化连续输入的硅料（日本专利申请公开成平1-96087）。但是，如果使用该方法，物料熔化区中的熔融硅的温度显著高于单晶生长区温度。这意味着，在物料熔化区中的每单位面积石英坩埚的熔解度显著高于单晶生长区。因此，如果让物料熔化区中的熔融硅大量流入单晶生长区，则单晶生长区中的氧浓度就大大增加。此外，这种方法还顾及隔热和物料熔化区的加热，所以它没有防止来自单晶生长区中的熔融硅表面热辐射的作用。还要想到和普通的CZ法相比，单晶生长区周围的石英坩埚的温度要增高。

由于上述原因，虽然按照连续供料的，使用现有双坩埚结构的CZ法生产的单晶硅，沿长度方向上的氧浓度是恒定的，但氧浓度水平高。

以解决由于上述认定的原因造成的问题为目的，本发明业已完成，本发明的目的是提供制造单晶硅的设备，该设备是如此设计的，即它利用CC-CZ法的优点，且降低熔融硅中的氧量，以便降低沿单晶硅长度方向上的氧浓度水平。

为了实现上述目的，按照本发明提供一种单晶硅制造设备，该设备装有一个安装在熔融硅上方的热辐射防护屏，以调整来自熔融硅表面的热辐射量，从而控制在单晶生长区内熔融中的氧浓度。热辐射屏可以是下述结构中的任一种：

（a）热辐射屏由一种耐火纤维材料构成，而且耐火材料的数量可以调节，以控制屏蔽热辐射的程度。此外，纤维耐火材料用一种金属板覆盖。

（b）热辐射屏由多层金属薄板组合件构成，各个金属薄板之间有一间距，而且金属薄板的数目可以调节，以控制屏蔽热辐射的程度。

（c）热辐射屏由一电阻加热元件构成，而且可以调节电流，以控制屏蔽热辐射的程度。

此外，该设备包括一个机械装置，利用它使熔融硅以所需要的量从物料熔化区流向单晶生长区，以保持物料熔化区和单晶生长区的熔融硅量彼此相等。

通过使用本发明的上述设备，利用双坩埚结构的设备从单晶生长区拉制硅单晶，可以产生下述作用。

首先，借助在坩埚上方安装热辐射屏，可以降低来自单晶生长区中的熔融硅表面和隔离件上部的热辐射。其次，单晶生长区周围的石英坩埚壁的温度变得均匀，而且其平均温度也降低。因此，单晶生长区周围的石英坩埚的熔解量降低。

此外，从物料熔化区向单晶硅生长区流动的熔融硅被迫使以一个方向和仅以所需要的量流畅地流动，这个需要的量是使物料熔化区和单晶生长区的熔融硅水平面保持恒定。当出现这种情况时，从物料熔化区进入单晶生长区的氧量，和由于单晶生长区周围的石英坩埚熔解而带入的氧量相比，只占百分几，而且可以忽略不计。也就是说，物料熔化区石英坩埚的溶解量对单晶生长区中熔融硅的氧浓度几乎没有影响。因此，只需考虑从环绕单晶生长区的石英坩埚表面带入的氧量。在这种情况下，作为产生氧源的石英坩埚的面积基本上等于普通CZ法使用的、载有相同数量熔融硅的石英坩埚面积。

附图的简要说明：

图1、2和3是示意表示本发明的一个实施例的剖面图。

图4是用来说明本发明效果的图。

图5、6和7表示本发明的其它实施例的局部剖面图。

图8是一个示意图，说明使用双坩埚结构的CC-CZ法制造单晶硅的设备。

优选的实施陈述：

图1是一个示意，表示按照本发明的一个实施例的单晶硅制造设备。在图1中，数字1表示放置在石墨坩埚2内的石英坩埚。石墨坩埚2支撑在支座3上，以使它垂直移动并转动。数字4表示容纳在坩埚1中的熔融硅。旋转并提拉硅单晶5，使其从熔融硅长成圆柱形。数字6表示环绕石墨坩埚2的加热器，而7表示围绕加热器6的高温区绝热材 料。这些部件与普通CZ法制造单晶体的设备的对应部件基本相同。

数字11表示由高纯石英制成的圆筒形隔离件（在坩埚内）。数字14表示热辐射屏。热辐射屏14的外圆边缘支撑在高温区绝热材料7上，并且它被安置来遮蔽熔融料4。数字13表示粒状原料输送器，15表示用作粒状硅料16进料道而制成的孔，而17表示圆形开口，它应制成不妨碍单晶提拉，但能调节热辐射量。

图2示出热辐射屏。图2（a）是一个剖视图，而图2（b）是一个平面图。该屏用一金属薄板包围的耐火纤维材料构成。该热辐射屏14安装在熔融硅上方，并且务必不使它成为污染源。可以想象，其使用期超过一定长的时间时，耐火纤维材料会剥落并成为熔融硅的污染源。因此，热辐射屏应用金属薄板覆盖，正如本实施例中那样。

图3示出隔离件11。该隔离件11被制成附有8个直径3-2mm的小孔12，并且这些小孔与坩埚中心匀称排列。物料熔化区A中的高温熔融原料通过小孔12流畅地流向单晶生长区B。

在如上所述构思的本发明中，热辐射屏14起到某种绝热作用。通过调节热辐射屏14的厚度或开口17的面积，能够任意减少和控制来自熔融硅4的热辐射量。

如果来自熔融硅的热辐射量被热辐射屏14所屏蔽，则可以降低加热器6的温度。结果，被加热器6所围绕的石英坩埚1的温度降低并减少石英坩埚向熔融硅的溶解量。因此，可以降低熔融硅中的氧浓度。

此外，物料熔化区与单晶生长区之间通过小孔的连通，对于从物料熔化区以最低需要量流入单晶生长区的熔融硅量具有限制作用。因此，从物料熔化区进入单晶生长区的氧量可减少到忽略不计的程度。也就是说，单晶生长区的氧量仅由单晶生长区中石英坩埚所围绕熔融硅的溶解量来决定。

如上所述，可以通过热辐射屏控制石英坩埚的溶解量。因此，它能够生产出氧浓度比不用本发明的方法情况下得到的氧浓度低3-6ppm的单晶硅。利用传统的CC-CZ法还从未制造出如此低氧浓度的单晶硅。

图4是一个表示实施本发明情况下和氧浓度之间的关系图。在该图中，曲线（a）表示传统方法的情况，而曲线（b）表示本发明方法的情况，当方法是用日本专利申请公开成平1-96087所公开的设备进行时，结果基本上与曲线（a）相同，并可看出，传统方法对降低氧浓度起的作用不大。

图5示出热辐射抑制件14的另一实施例。利用隔片（23）将金属薄板（22）制成多层结构。为了提高热屏蔽作用，应考虑防止各个金属薄板彼此互相接触。金属薄板必须与其使用环境要相称。更确切地说，这些金属薄板必须具有这样的性能，如耐热性、耐化学反应性和高温强度。在本发明实施中，使用0.5mm厚的钼板。但是，当在增高的温度下钼板与碳接触时往往形成一种氧化物。因此，在热辐射屏14和高温区绝热材料7之间插入石英玻璃。

图6示出热辐射屏的另一实施例。图6（B）是一个平面图。图6（A）是一个沿热辐射屏（B）的A-A线的剖面图。按此实施例，热辐射屏14由一个电阻加热元件24构成。在这种结构中，加热元件24的温度可调节，以便控制来自熔融硅4的热辐射量。可以通过控制流经接线端子25的电流量来实现这种温度控制。与使用上述的耐火纤维材料20作热辐射屏相比，它能够实现更完善的抑制热辐射控制。必须注意的是，热辐射屏14是从上方通过接线端子25和支撑部件26进行固定并安装在适当位置，以使它不与高温区绝热材料7接触。

图7示出本发明的另一实施例，其中装有一根石英管33，该石英管沿隔离部件的圆周方向延伸布置。按照这种实施方式，一根内径10mm、长度10mm的石英管被安装在隔离部件的内侧。甚至靠这根石英管，就能实现熔融硅从物料熔化区向单晶生长区的单向流动。

由前述可知，按照本发明的制造单晶硅的设备包括一个容纳熔融硅的旋转石英坩埚、一个将石英坩埚内部分隔成内单晶生长区和外物料熔化区的石英隔离件（该部件上有多个小穿孔）、一个构成环绕石英坩埚外侧的加热器，以及向物料熔化区连续输送硅原料的装置。可以得到下述效果。

根据安装在熔融硅上方的热辐射屏蔽部件的材料和形状可以控制单晶生长区内的石英坩埚溶解量。

此外，可令熔融硅以一个方向从物料熔化区流 向单晶生长区，因此可以将物料熔化区带入单晶生长区的氧量降低到忽略不计的程度。也就是说，单晶生长区内的氧浓度仅取决于环绕单晶生长区的石英坩埚的溶解量。

所以，即使借助CC-CZ法也能生长出低氧浓度水平的单晶硅。本发明的工作具有重大意义。

Claims (5)

1、一种制造单晶硅的设备包括：

一个容纳熔融硅的可旋转石英坩埚；

一个将上述石英坩埚内部分隔成一个内侧单晶生长区和一个外侧物料熔化区的石英隔离件；

至少一个小孔被加工成可穿通上述石英隔离件；

一个环绕上述石英坩埚的结构加热器；

连续向上述物料熔化区输送硅料的装置；以及

一个热辐射屏，它包括用于屏蔽来自上述单晶硅生长区中熔融硅表面的热辐射部件，一个靠近上述屏蔽部件中心的、用来调节热辐射量的开口，该热辐射屏安装在上述单晶生长区上方，以减少和调节熔融硅中的氧量；其中所说的热辐射屏由耐火纤维材料构成，借助调节该耐之材料的数量来提供一个合适的热辐射量；且所说的耐火纤维材料用一块金属板覆盖。

2、根据权利要求1制造单晶硅的设备，其中所说的热辐射屏包括一个多层金属薄板组合件，在其各金属薄板之间有一个隔片，因而通过调节上述金属薄板数量可形成一个合适的热辐射量。

3、根据权利要求1制造单晶硅的设备，其中所说的热辐射屏包括一个电阻加热元件，借助控制电流量来调节热辐射量。

4、根据权利要求1制造单晶硅的设备，其中所说的多个小孔加工成穿通上述石英隔离件，这样就使上述熔融硅以所需要的量从上述物料熔化区流畅地流向上述单晶生长区，以保持上述物料熔化区和上述单晶生长区中的熔融硅在同一水平面。

5、根据权利要求1制造单晶硅的设备，其中一根石英管沿上述石英隔离件的圆周方向延伸安装在其中内侧，这样就使上述熔融硅以所需要的量从上述物料熔化区流畅地流向上述单晶生长区，所述的需要量是指上述物料熔化区和上述单晶生长区中的该熔融硅保持在相同水平面上。

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