CN103173848A - 单晶体的制造方法和设备 - Google Patents

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Abstract

用于通过浮区法生产单晶体的方法和装置，其中该单晶体在电感加热线圈的支持下在结晶边界的熔化区下方结晶，并且结晶热的散发由围绕该单晶体的反射器阻碍，其特征是，该单晶体在结晶边界的外侧边缘区域中由加热装置在第一区中进行加热，其中结晶边界的外侧边缘的外侧三相点Ta与结晶边界的中心Z之间的距离受到影响。

Description

单晶体的制造方法和设备
技术领域
本发明涉及用于通过浮区法制造单晶体的方法以及适于采用该方法的设备。
背景技术
浮区法/逐区精炼法（Zonenziehen）在工业规模上特别用来制造由硅组成的单晶体。为此，多晶硅采用感应方式被熔化并且在单晶晶种上结晶。多晶硅通常以进料棒的形式设置，该进料棒从其下端开始通过感应线圈被逐渐熔化，其中由熔化的硅组成的熔化区用于单晶体的生长。这种方法以下称为FZ法。
FZ法的一个改型方法（其此后称为GFZ法）采用多晶颗粒硅代替进料棒。尽管FZ法采用一个感应加热线圈使得进料棒熔化并使得单晶体的受控结晶，但是GFZ法采用两个电感加热线圈。多晶颗粒在一板上借助于第一感应加热线圈被熔化并且随后穿过该板的中心孔流至正在生长的单晶体并形成熔化区。单晶体的结晶借助于第二感应加热线圈被控制，其中所述第二感应加热线圈在第一感应加热线圈下方设置。有关GFZ法的其它详细内容例如在专利公开文献US2011/0095018中记载。
专利公开文献DE3007377A1描述了FZ法和适用于实施该方法的设备，其中该专利公开文献致力于防止产生热应力的问题。为了解决该问题，该专利公开文献提出通过围绕单晶体的反射保护罩的热辐射重新加热单晶体。A.Muiznieks等人的公开文献（Journal of CrystalGrowth(晶体生长学报)230(2001),305-313）证实了保护罩（其被称为反射器）的用于减小热应力的功效。模拟计算也表明热应力在结晶边界的中心为最高并且热应力的影响随单晶体的直径而增加。另外，得到表明的是热应力特别在结晶边界中心处越高，则结晶边界向单晶体弯曲的程度就越大，并且这种弯曲随单晶体的结晶速度而增加。
因此，需要一些措施来用于在不必限制结晶速度的情况下防止结晶边界的弯曲以及适于在不损失生产率的情况下避免热应力和错位形成的随后危险性。
因为围绕单晶体的反射器阻碍经由单晶体侧表面的热传递，所以更少的热量必须经由感应加热线圈被供应至熔化区，以便确保晶体生长所需的熔化区的高度。这是与反射器的使用有关的另一优点。
随着单晶体的直径增大和结晶速度增加，结晶边界的弯曲增加。这加剧了热应力导致的问题。反射器的使用不再足以作为一种应对措施。
发明内容
因此，本发明的目的是以更有利的方式抵消结晶边界的弯曲以及由热应力造成的单晶体的负荷。
该目的通过一种用于以浮区法制造单晶体的方法实现，其中单晶体在感应加热线圈的支持下在结晶边界处的熔化区下方结晶，结晶热的散发由围绕该单晶体的反射器阻碍，其特征在于，单晶体在结晶边界的外边缘区域中由第一区中的加热装置进行加热，其中结晶边界的外边缘处的外三相点Ta与结晶边界中心Z之间的距离Δ受到影响。
该目的同样通过一种用于以浮区法生产单晶体的设备实现，该设备包含围绕该单晶体的反射器以及用于在该单晶体的结晶边界的外边缘的区域中加热该单晶体的加热装置。
本发明旨在追求的目标是从侧部增加单晶体上端区域中的温度，以此影响在单晶体周边的结晶边界的轴向位置，准确地说，以此方式限制结晶边界的弯曲，即限制中心与结晶边界之间的垂直距离。
本发明不论所结晶的是硅还是其它半导体材料并且不论按照FZ法还是GFZ法进行结晶均可以应用。
根据本发明的一个优选实施例，单晶体通过在生长的单晶体的上端周围布置的辐射式加热系统被加热。辐射式加热系统例如可以发出IR（红外）射线或光学射线。特别优选采用卤素辐射式加热系统。
作为替代，为了替代辐射式加热系统，还可以采用感应式加热系统或电阻式加热系统或一些其他加热装置，由此，热量可以传入到结晶边界的外边缘的区域中。
附图说明
以下参照附图对本发明进行更详细的描述。
图1是说明现有技术的剖视图，并且该图示出按照浮区法制造的单晶体的纵向区段的一半。除该单晶体外，该图还示出用于控制该单晶体结晶的电感加热线圈以及围绕该单晶体的反射器，所述反射器反射由单晶体发出的热辐射。
图2是说明本发明的剖视图。
图3是说明本发明且示出附加优选特征的另一剖视图。
具体实施方式
单晶体1在该单晶体与由熔化的材料组成的熔化区3之间的结晶边界2处生长，并且在该过程中下降（图1）。熔化的材料优选来源于由多晶硅构成的进料棒或来源于由多晶硅构成的颗粒。熔化区3借助于射频感应加热线圈（RF电感器）4被加热。在单晶体生长过程中出现的结晶热经过单晶体传导，并且特别经由单晶体的侧向表面5发出。这种传热递造成的后果是特别在结晶边界2的区域中出现非均匀温度场，其中这种非均匀温度场是结晶边界2朝向单晶体的弯曲（Durchbiegung）的原因。结晶边界的弯曲（程度）定义为在结晶边界的外边缘的外三相点/三态点Ta与结晶边界2的中心Z之间的轴向距离Δ。
借助于围绕单晶体的反射器8，尤其结晶边界2的中心Z在几何轴线A上的位置受到影响，其中所述反射器反射由单晶体1发出的热辐射。
本发明还设置成借助于加热装置6在结晶边界的外边缘的区域中加热单晶体，并以此影响结晶边界的外边缘处的外三相点Ta与结晶边界2的中心Z之间的距离Δ（图2）。
加热装置6紧邻单晶体布置，并且单晶体通过加热装置6被直接加热。
在加热装置6的帮助下，向单晶体供应能量，该能量的电功率优选不小于2kW并不大于12kW，特别优选不小于4kW并不大于10kW。该范围的上限是相对于直径为150mm的单晶体而言的。如果打算制造直径更大的单晶体，则该范围的上限提高与直径之比相对应的因数。
单晶体优选借助于加热装置被加热，以使得结晶边界的外边缘的外三相点Ta与结晶边界2的中心Z之间的距离Δ不大于距离Δ′的90%，并且特别优选不大于距离Δ′的80%。距离Δ′是在省却加热装置6时外三相点Ta与中心Z之间的距离。
优选的是，以根据单晶体的长度的方式控制加热装置6的电功率。为此，设置影响加热装置电功率的控制器7，例如设置随单晶体长度的增大而降低加热装置的电功率的控制器。
进一步优选的是，调节电感加热线圈的电功率并如果合适附加地调节在该方法的过程中单晶体的降低速度，从而使得熔化区中的距离H的选定的绝对值不变，例如这是通过结晶边界的外边缘与射频感应加热线圈之间的距离1保持尽可能恒定而实现的。熔化区中的距离H对应于熔化区的上端处的内三相点T1与结晶边界的外边缘处的外三相点Ta之间的距离。
单晶体的借助于加热装置6所加热的区域对应于第一区，其中所述第一区沿单晶体的纵向具有一长度L。从外三相点Ta出发、与单晶体的几何轴线A（纵向轴线）平行延伸的长度L不应长于距离Δ，并且优选不应长于距离Δ/2。距离Δ是在采用本发明时出现的、结晶边界的外边缘处的外三相点Ta与结晶边界的中心Z之间的距离。如果加热装置6还加热了上述区域下方的区域，则尽管能够以此减小热应力，但弯曲将会增大。另外，由加热装置6造成对来自单晶体的热量耗散的过度阻碍会成为对经济的结晶速度的障碍。出于同样理由，优选限制反射器8的轴向长度。反射器的尺寸应设成反射器在第二区中阻碍结晶热的散发，从而使得在该反射器影响的区域中，单晶体内的径向温度分布变得更均匀。第二区与第一区相邻。该第二区沿单晶体的纵向具有一长度S，其中长度S和长度L之和优选等于单晶体的直径D大小的0.5至1.5倍。反射器的朝向单晶体的内壁的反射率优选不小于80%。反射器8优选完全由银构成或者至少具有由银构成的内壁。内壁优选经过抛光。
加热装置6优选直接在反射器8上方设置。然而，加热装置也可以集成到反射器8的上端中。如果情况并非如此，则加热装置6和反射器8可以布置成它们通过机械的方式彼此相连或分离。后者的结果是，可以高效限制反射器的热传导。加热装置6由具有高反射率的耐高温材料制成，并且优选设置为辐射式加热系统。特别优选的是，辐射式加热系统包括一个或多个卤素灯，特别地，辐射加热系统由一圈卤素灯环形成，其中这圈卤素灯环在结晶边界的外边缘的区域中围绕单晶体。
如图3所示的根据本发明的设备与如图2所示的设备的不同之处基本在于附加的特征、即围绕单晶体并且吸收热辐射的本体9。该本体可以是被动式热沉（散热片）或者主动式冷却装置。该本体在紧随着第二区的第三区中有助于经单晶体的结晶热散发。第三区具有长度W并且自距外三相点Ta一距离处起始，该距离至少为单晶体直径D的大小。第三区的长度W优选不短于单晶体的直径的一半。本体9的反射率优选不大于20%。该本体优选通过绝热桥连接至反射器8或者以不接触该反射器的方式安装。

Claims (19)

1.一种用于通过浮区法制造单晶体的方法，其中单晶体在感应加热线圈的支持下在结晶边界的熔化区下方结晶，并且结晶热的散发通过围绕所述单晶体的反射器被阻碍，其特征在于，所述单晶体在结晶边界的外边缘区域中通过第一区中的加热装置被加热，其中所述结晶边界的外边缘处的外三相点Ta与所述结晶边界的中心Z之间的距离Δ受到影响。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单晶体借助于所述加热装置被加热，以使得所述结晶边界的外边缘处的外三相点Ta与所述结晶边界的中心Z之间的距离Δ不大于在省却所述加热装置的情况下所述外三相点Ta与所述中心Z之间出现的距离Δ′的90%。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述感应加热线圈的电功率被调节，以使得在所述熔化区上端处的内三相点Ti与所述结晶边界的外边缘处的外三相点Ta之间的熔化区中的距离H的选定绝对值不变。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述单晶体通过作为加热装置的辐射式加热系统被加热。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述单晶体通过作为加热装置的感应式加热系统被加热。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述加热装置的电功率以取决于所述单晶体长度的方式被控制。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，电功率不小于2kW的能量借助于所述加热装置被供至向所述单晶体。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述单晶体的借助于所述加热装置所加热的区域沿所述单晶体的纵向自所述外三相点Ta开始具有一长度L，其中所述长度L不大于所述距离Δ。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述反射器在第二区中阻碍结晶热的散发，所述第二区与所述第一区相邻并且在所述单晶体的纵向上具有一长度S，其中所述长度S与L之和等于所述单晶体的直径D的0.5至1.5倍。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，围绕所述单晶体且吸收热辐射的本体在第三区中有助于结晶热的散发，所述第三区紧随着所述第二区并且自距所述外三相点Ta一距离处起始，其中所述距离至少具有所述单晶体的直径的大小。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述熔化区通过由硅构成的多晶供料棒的连续熔化被形成。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述熔化区通过多晶颗粒硅的连续熔化被形成。
13.一种用于通过浮区法制造单晶体的设备，所述设备包括围绕所述单晶体的反射器以及用于在所述单晶体的结晶边界的外边缘区域内加热所述单晶体的加热装置。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述加热装置是辐射式加热系统。
15.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述加热装置是感应式加热系统。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的设备，其特征在于，所述加热装置在所述反射器中集成。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的设备，其特征在于，所述加热装置的尺寸设置成所述单晶体的由所述加热装置所加热的区域沿所述单晶体的纵向是第一区，其中所述第一区自所述外三相点Ta具有一长度L，其中所述长度L不大于在所述结晶边界的外边缘处的外三相点Ta与所述结晶边界的中心Z之间出现的距离Δ。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的设备，其特征在于，所述反射器在第二区中阻碍经所述单晶体的结晶热散发，所述第二区与所述第一区相邻并且沿所述单晶体的纵向具有一长度S，其中所述长度S与L之和等于所述单晶体的直径D的0.5至1.5倍。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括围绕所述单晶体并且吸收热辐射的本体，所述本体在第三区中促进经所述单晶体的结晶热散发，所述第三区紧随着所述第二区并且自距所述外三相点Ta一距离处起始，所述距离至少具有所述单晶体的直径D的大小。
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