CN1034400A - 单晶硅的制造方法和设备 - Google Patents

Abstract

按照本发明，用一个隔板环将放有熔化原料的坩 埚的内部隔开，从而使被提拉的单晶被包围并且使熔 化原料可以流动，颗粒状硅加到隔板环的外侧，从而 使外侧的熔化液体成为一个颗粒状硅的可溶区域，以 保持隔板环内侧的熔化液面几乎保持恒定，并且用一 块保温板复盖隔板环及其外侧的熔化液面，使隔板环 外侧的熔化液体温度至少比其内部的温度高出 10℃，或更高些。

Description

本发明涉及使用佐科拉斯基方法（Czochralski    method）的一种单晶硅制造方法和设备。

在此之前，一直使用佐科拉斯方法制造单晶硅，这种方法被公认为几乎是完美的技术。

众所周知，按照这种技术，熔化的硅原料放入石英坩埚中，在一个晶种与此熔化的表面相接触的期间一边转动所说晶种，一边逐渐提拉所说的晶种，随着接触表面固化进行晶体生长，从而即得到了一根柱状的单晶硅。

在这种情况下，为了按要求制造P型或N型的半导体，要将适当数量的诸如硼、锑和磷之类的掺杂物质混合到熔化的原料中。但是，这些掺杂物质加入到单晶硅中的方法却不是固定的，并且越到下部，杂质浓度越高。

另外，除了如上述有意地加入单晶硅中的掺杂物质外，在生产中不可避免地要混入的诸如氧和碳等杂质也有很大影响。即，通过控制进入单晶硅的氧有可能改善半导体的特性和产额。因此，期望自单晶硅的上部至其下部氧的分布很均匀，但一般来说上部氧浓度较大。因此，在制造单晶硅时以具有低掺杂浓度和高氧浓度的上部作为基准。

但是，随着拉伸单晶硅的进程，坩埚中熔化的原料的液面不断降低，该熔化液体表面的温度也有所变化。因此，坩埚内熔化的原料中的掺杂物质浓度升高而氧气浓度降低了。因而，提拉生长的单晶硅中的掺杂物质逐渐增多，氧逐渐减少，使制造出来的单晶硅的质量沿提拉方向不均匀。

由于掺杂物质和氧这种不合理的分布，使得可以利用的晶片产额低达50%，如果对元件的技术要求很严格，该晶片产额还要更低些。

作为有效地解决这样一个问题的方法，即通过连续地或间断地给坩埚添加硅原料来保持熔化的原料的液面不变的方法是众所周知的。在一边连续地或间断地添加硅原料的同时，一边提拉硅单晶的这些方法中间，已经公开了一些发明，例如，临时出版物第84397/81号和临时出版物第164097/81号。

第一个发明涉及制造单晶硅的方法，在制造过程中插入一个原料结晶块，其形状和从熔化的液体要拉出的单晶的形状相同，其组分和这种熔化的液体的组分相同，该发明的目的在于使原料晶块以一个恒定的速度进入坩埚内的原料熔化液体中去。

第二个发明涉及一个单晶硅拉伸设备，其中将一个粉末样品供料模从一个保温模的外部插入该保温模中，粉末样品就被放在粉末样品供料模的这一点上并被熔化，并且提供了一种间断地供应熔化液体至坩埚中的熔化液体的添料器。但是由于存在着技术方面的问题，它们当中的任何一个至今尚未付诸实用。

最近，制造高质量的颗粒状的多晶硅已经成为可能，并且认为，像在临时出版物第172289/83号中公开的那样连续地并且以固定的数量将这样的颗粒状的硅加到熔化的原料中是比较容易的。但是，当颗粒状硅滴落在熔化原料的液面上时，以此颗粒状硅为开始点就开始了固化过程。因此，从理论上讲不可能通过这种方法以连续添加颗粒状硅的方式来生长单晶硅。在滴下的颗粒状硅处开始固化的原因是：a）从原理上看很明显的是，在提拉单晶硅时的液体温度刚好高于熔点，b）由于固态形式的硅的比重比液态形式的硅的比重轻些，所以颗粒状硅漂浮在液面之上，以及c）固态形式的硅的热辐射系数大于液态形式。这就是说，颗粒状硅漂浮在温度刚刚高于固化点的熔态硅液面之上，热量迅速地从液面以辐射热的形式辐射出去，这样就进一步加速了围绕漂浮的颗粒状硅的固化过程。况且，在滴下颗粒状硅时产生的一个波纹也会引起问题。

另一方面，诸如在临时出版物第88896/81号和临时出版物第36997/83号中公开的那些氧化物半导体领域也有一些发明。按照这些发明，由于被拉制晶体的直径小，所以可以使用小尺寸的双层坩埚，从而可以通过感应加热直接加热双层坩埚，就能在坩埚之间防止熔化液体的固化。但是在单晶硅情况下，被拉制的单晶硅直径较大并且很昂贵，还容易引起污染。因此不能使用金属坩埚，通常使用的是高质量石英坩埚。这样就不能使用感应加热系统。

还有，按照在临时出版物第130195/83中公开的发明，使用了具有双重结构的石英坩埚，在熔化的原料部分的抗固化方面初看起来似乎没有问题。但是正如在下面将要描述的出版物中所指示的那样（见临时出版物第241889/82号、第2页12至16行“本发明所要解决的问题”），至今仍未解决由内坩埚与熔化的液面的接触部分产生的固化问题。然而可以推测，按照该发明的一个双层结构坩埚，内坩埚外侧的熔化液体与外坩埚接触的面积占整个熔化液体与外坩埚相接触的面积的接近90%，因此来自加热器的大部分热量都直接进入内坩埚外部的熔化液体中。所以，在拉制大直径单晶硅时就很难提高内坩埚的温度。为了把该温度强制地提高到晶体培养温度，并且为了避免上述的从内坩埚与熔液面的接触部分所开始的固化，就需要更大量的热量、即需要更大的加热器电功率，而这是不实际的。再有，在这个发明中，由于硅原料的添料管是插在内坩埚和外坩埚之间的，因此硅原料是通过浸入内坩埚外部的熔化液体中的添料管添料的。但是用这样一种添料方法不能使在该熔融液体表面上的硅原料在短时间内熔化。因此，虽然该原料达到了高温，但却象一种固体一样被堆积在供料管内。一旦发生积累，就在原料之间、以及在原料和添料管的内壁之间产生了烧结状态，此后就不可能再添加原料了。由于这样一些原因，使该发明至今尚未付诸实用。

在实用新型临时出版物第141578/84号和临时出版物第241889/87号〔它们是和上述发明（临时出版物第130195/83号）类似的发明〕中公开了这些发明。在前一个发明中（实用新型临时出版物第141578/84号），让一个环状体漂浮在熔态液体上。但是按照这个设备，在单晶硅提拉伸部分和颗粒状原料添料部分之间的熔化液体存在对流，并且漂浮环外侧的温度刚好超过熔点，该熔点在理论上几乎等于单晶硅提拉部分的熔点。因此，还是没有根本上解决由漂浮在液面上的颗粒状硅产生的固化不断扩展的基本问题。况且没有解决在后一个专利中指出的（临时出版物第241889/87号第2页12-16行“本发明所要解决的问题”）由漂浮环开始的固化扩展问题，只解决了波纹问题。

另一方面，在后一个发明中（临时出版物第241889/87号），沿坩埚的外表面提供了一个垂直的通道，以便经过设置在坩埚上的一个通孔将硅原料添入坩埚内。但是该垂直通道的原材料熔化部分的容量很小。因此当连续供给具有极大的最终熔化热量的硅原料时，就不可能完全熔化该原料。还有，由于该通孔靠近熔化的硅的水平高度，所以具有不同密度的熔化液体都借助于这种对流直接移动到单晶的界面，这样就很容易产生浓度涨落并且阻碍高质量晶体的生长。此外，对于这个发明，需要极昂贵的石英坩埚处理过程，从而提高了成本。

还有，按照在临时出版物第36197/86号中公开的发明，将一个绝热盖放在隔板（坝）外部的熔化的液面上，从而使颗粒状原材料迅速熔化。但是对于这个发明，正如在上述的临时出版物第241889/87号中所指出的那样，根据不可能控制从隔板发射出来的热辐射，并且至今也没有解决由挡板与熔化的液面的接触部分产生的固化问题。

当在上述常用的技术的基础上，一边连续地并且直接地将颗粒状硅添加到坩埚内，一边提拉单晶硅时，存在如下这样一些问题：

（1）在提拉单晶硅时，熔化的液体温度相当接近于硅的熔点，但如果在这种条件下连续添加接近室温温度的颗粒状硅，颗粒状硅不可能完全熔化，而是像固体状态似的漂浮在熔化的液面上，并且熔化的液体以该固体为核固化和生长。

（2）当将该熔化部分和该单晶提拉部分相互分开时，从这个分开部分也很容易产生固化，其原因在于，电加热中的所谓散热片效应和比熔化的硅溶液热辐射系数还要高的热辐射系数，并且如果一旦产生固化，固化的增长就要连续不断地进行，因此就妨碍了一个完美的单晶的生长。

（3）当通过连续滴落的方式将颗粒状硅加入到一个坩埚内以便提拉单晶时，就要在熔融液面上的滴落部分产生波纹，并且该波纹抵达单晶硅提拉部分，因此妨碍了一个完美的单晶硅的生长。

已被完成的用于解决上述问题的本发明的一个目的是提供一种方法和设备，该方法和设备能够肯定熔化所供给的颗粒状的和小块状的硅原料同时又不妨碍单晶硅的生长，并且能够以提拉单晶硅方法（按这个方法，将颗粒状和小块状原料添入包含熔化的原料在内的坩埚中）制造出在提拉方向的掺杂物质浓度和氧浓度基本恒定的单晶硅。

本发明已被完成以便通过解决上述问题来实现这一目的，并且本发明提供：

（1）一种单晶硅的制造方法，用于通过提拉被放在坩埚内的熔态原料来制造柱状的单晶硅，其中：将所说坩埚的内部分隔开，从而使所说的被提拉的单晶硅被包围在当中，并且所说的熔态原料可被流动;所说隔板内部的熔化液面和所说隔板外部的整个熔化液体表面被维持在几乎恒定的水平高度，而该隔板外部液面就是将颗粒状硅加到隔板的外部熔化的液面使颗粒状硅熔化的区域;用保温板盖住所说隔板和所说隔板外部的熔化的液面;所说隔板外部的熔化的液体的温度设定成使其至少比内部的熔化的液体的温度高10℃，或更高些;为了执行上述方法需进一步提供：

（2）一种单晶硅的制造设备，它包括：带有一些穿透到并没入所说坩埚内的小孔的一个隔板环，因此能包围所说被提拉的单晶硅;一个能盖住所说隔板环和该隔板环外部的熔化的原料的保温板;以及一个放置在所说隔板环外部的熔化的原材料上方的颗粒状硅添料装置。

（3）按照上述设备的一个单晶硅制造设备，其中，所述坩埚放一个石墨坩埚内，用低导热性耐热材料在隔离环的部位将其分割，并在所说石墨坩埚的下方设置一些绝热块。

（4）按照（2）中设备的一个单晶硅制造设备，其中，一个加热体放置在靠近所说隔板环外侧的熔化的液面的位置。

与提拉单晶硅的同时，一个原料添料器将颗粒状硅加到隔板环外部的熔化的液面上。在这种情况下，借助于隔板环就能防止在滴落颗粒状硅时产生的波动向内传播。另一方面，用绝热板盖住隔板环的外部，因此就能保持隔板环外部的温度高于其里面的温度。这样，就将所添加的颗粒状硅熔化并使其穿过一个在隔板环内的小孔向内流动，内部的熔态原料被保持在一个在固定液面高度，从而就可以获得在提拉方向上具有均匀质量的单晶硅。

此外，在第（3）项中及其以后各项中描述的发明中，可将隔板环的内部和外部的熔化的液体的温度控制在一个期望的数值上，而且能维持外部的熔化的液面的温度比其内部温度高10℃，或更高些。

图1是一个纵剖面图，典型地表示出本发明的一个实施例;

图2是一个沿图1的A-A线剖取的剖面图;

图3是一个侧视图，表示隔板环的一个实施例;

图4和图5是纵向剖面图，典型地表示出本发明的另一个实施例;

图6是一个侧视图，表示保温板的一个实施例;

图7是一个平面图，表示辅助加热器的一个实施例;

图8是一个纵剖面图，典型地表示出按照本发明的另一个实施例。

在附图中的参考标号代表：

1……坩埚;2……石墨坩埚;4……熔化的原料;5……单晶硅;6……加热器;8……拉单晶室;11……隔板环;12……小孔;13……原料添加器;14，15……温度检测器;16……颗粒状硅;17……耐热材料;18……绝热块;20……保温板;23……辅助加热器;24……感应线圈。

图1是一个剖面图，典型地表示按照本发明的一个实施例，图2是沿图1的A-A线剖切的剖面图。在这些图中，标号1代表一个石英坩埚，它被置于石墨坩埚2内。石墨坩埚2由支架3支撑可上、下移动和旋转。标号4代表放在坩埚1内的熔化的硅原料，从这里拉出一个被育成柱状的单晶硅5，6表示围绕石墨坩埚2的加热器，7表示包围该加热器6的热区绝热材料，它们都包含在拉单晶室8内。这样一种结构基本上和佐科拉斯基方法的单晶硅提拉设备相同。

标号11代表一个隔板环，它由高纯度石英制成并且和坩埚1同轴地安放。在沿高度方向的接近中心部分的下面的一个区域设置一个或多个小通孔12。这个隔板环11在添料时和硅原料一起被放置在坩埚1内并且也被安置在熔化的液体4内，因此在原料被熔化后它就环绕着单晶硅5，并且它的上部边缘露出一点，略高于熔态液面。还有，它的下部边缘呈现出几乎要烧结到坩埚1上的一种状态，所以决不会漂浮起来。因此，在隔板环外部的熔化的液体仅能穿过小孔12平静地向内流动。故可以将隔板环11的外部和内部完全隔离开来。

标号9是设置在拉单晶室8上的一个开口部分，它和隔板环11的外部的熔化的液面相对应。大团的和颗粒状硅（下面统称为颗粒状硅）的添料器13就插到并固定到这个开口部分9上，并且添料器13的尖端部分正对着隔板环11外部的熔态液面。这个添料器13和被设置在提拉室8外面的一个原料供料室（未示出）相连，连续地供应颗粒状原料。

标号14和15代表安置在拉单晶室8上部的温度检测器，如辐射温度计。一个温度检测器14测量隔板环11外部的熔化的液面温度，另一个温度检测器15测量隔板环11内部的熔化的液面温度。

标号20表示一个保温板，它包括一个凸缘部分20a和一个漏斗形的屏蔽部分20b，保温板20为高强度石墨板，用厚度为1毫米的高纯度石英板，或者用表面上涂敷了高纯度的SiC和Si₃N₄的防污染板料复盖该保温板的下表面或整个表面。凸缘部分20a由热区耐热材料7支撑，并被安装成能包围隔板环11和坩埚1的侧面。这个保温板20能防止由从隔板环11的熔化液面上露出的那一部分所产生的熔化液体发生固化，保温板20的底部（内边部分）也靠近熔化的液面安装（在本实施例中约为10毫米），目的在于提高隔板环11外部的熔化液面的保温效果。标号21表示一个孔，相当于温度检测器14视野，标号22表示一个孔，它是颗粒状硅16的加料通路。

在这样构成的本发明中，在没入坩埚1中的隔板环11的内部和外部都有熔化的原料4，并且两个熔化的表面都被维持在同一液面高度。在晶种和内部的熔化液面接触后，边转动晶种，边逐渐提拉晶种，这样就完成了晶体生长以及所接触的液面的固化，从而就获得了柱状单晶硅5。在这期间，颗粒状硅16从添料器13加到被保温板20热绝缘的隔板环11外部的熔化液面上，并且该颗粒状硅16被隔板环11外部的熔化的液体所熔化，并且穿过隔板环11的小孔12向内流动，这样就能保持熔化的原料4的液面高度总是恒定不变的。

此外，将原料添加器13的下端定位在熔化液面之上从而使颗粒状硅滴落到熔化液面上的原因就在于，颗粒状硅是漂浮在隔板环11外部的整个面积的熔化液面上的，从而使其在这个整个面积上被熔化。如果添料器13被浸入到熔化液体内，则颗粒状硅的熔化区域就只能限制于添料管内。因此，自熔化液体至颗粒状硅的热传递就变得很不充分，不可能连续熔化颗粒状硅。

在上述的本发明中，当隔板环11完全沉入熔态原料4下时，对于防止在颗粒状硅滴落时产生熔态液体的波动没有任何实际的效果，并且在隔板环11在熔化溶面上露出过多时，由于过大的热辐射效应就使这一露出部分发生了熔化液体的固化现象。因此要求露出部分的大小能满足上述条件，在本实施例中露出部分的高度已被定为5毫米以内。

进而，通过考虑小孔12的数目，已经将在隔板环11上设置的小孔12的直径确定为5毫米以内，这样一来借助于熔化的颗粒状硅16的运动，就不会有任何突然的温度变化和任何突然的浓度变化加到隔板环11内部的熔化的液体上，并且还将小孔在深度方向的位置选在低于没入部分的中间部分的（以前曾描述过这点）使这些小孔远离单晶硅5的提拉部分。此外，期望隔板环11的直径D是被提拉单晶硅5的直径d的两倍或两倍以上。

再者，实验结果已经发现，为了使连续添加的颗粒状硅16不致产生熔态液体的固化以及不致围绕隔板环11产生固化，同时拉出一个完美的单晶硅5，必须使隔板环11外部的液面的温度高出隔板环11内部的液面温度10℃或10℃以上。因此，将隔板环11设计成对其外部的熔化液面是热绝缘的并且能控制加热器，从而通过温度检测器14和15检测这两个熔化液面的温度时，总是能得到10℃或10℃以上的温度差。

图4是一个纵向剖面图，典型地表示出另一个发明的实施例。在这个发明中，为了更加确保上述隔板环11的内部和外部的液化液面温度，在放置有坩埚1的石墨坩埚的相应于隔板环11那些位置，为了进行隔离，安置了诸如Si₃N₄这样的低导热性高纯度的耐热材料17，从而截断了靠近加热器6的石墨坩埚2的外围边向其内部的热传导。

还有，为了减少从石墨坩埚2的底部导入的热量，例如提供了一个由石墨制造的屏蔽块，它被放在石墨坩埚2的下面，从而减少了直接由加热器传来的热量。此外，如果将绝热块18作成中空的并且将例如一个碳加热器放入其间，则就可能会更加精确地控制石墨坩埚底部的温度。

因此，按照这样构成的本发明，就可能更加精确地控制隔板环11的内部和外部的熔化液面的温度，从而就可能保持期望的温度差。

图5是一个纵向剖面图，典型地表示出本发明的第三个实施例。图中的标号23代表一个一般成环形的辅助加热器，它的安装位置除了要在如图7所示的原料添加器13和温度检测器14和15的有效测量区域的正下方而外，还要放在由保温板20包围的隔板环11外侧的熔化液面之上。这个辅助加热器23包括一个例如碳加热元件，并且外包高纯石英，以防止被单晶硅5的杂质污染。此外，外包石英包围了加热元件的大部分，从而不能和加热元件接触并且尽量少地减少了软化现象。

按照本发明，辅助加热器23被安置在隔板环11外侧的熔化液面上，它的周围被保温板20包围。因此，不仅可将隔板环11的内部和外部的熔化液面温度维持在期望数值上，而且可以根据温度检测器14和15的测量结果来控制上述的温度。

图8表示的是上述发明的另一个实施例，其中，辅助加热器是高频感应加热系统。在本实施例中，多个螺旋形的感应线圈24（蚊式线圈形状）被安置在隔板环11外侧的熔化液面上，并且给这些感应线圈24加上高频电流（在本实施例中为100千赫），直接加热熔化液面。在这种情况下，颗粒状硅16从原料添加器13经过感应线圈24的中间部分的间隙加入。此外，在上述这个实施例中，已对多个小尺寸的感应线圈24放置在熔化液面上的情况进行了描述，但是也可以代之以一只和隔板环11外部的尺寸相应的螺旋形感应线圈。

在上述的各实施例中，已经描述了向隔板环11外部的熔化液面添加颗粒状硅16的一台添料器13的情况，但是也可安装2台或多台添料器。

还有，已经分别描述了每一个实施例，但它们可以单独实施，也可适当组合起来实施。

此外，省去了有关拉单晶硅方法的说明，这是因该过程是必然要完成的，但是按照拉单晶过程中所须要杂质，在添加的原料16中就包含有一定数量的掺杂物质。因此，在隔板环外侧区域中的熔化液体的掺杂浓度就等于被提拉的单晶硅的掺杂浓度。还有，已经确定，即使从拉单晶室8的外部将一个磁场加到熔化的液体上也完全可以实施

本发明。

由上述可显然看出，本发明是按下述方式构成的：用一个隔板环将坩埚分成内侧和外侧，将颗粒状硅加到隔板环外侧的熔化液面，来防止波动传播到隔板环的内部，并且用一个保温板复盖隔板环和坩埚的侧壁面，被添加的原料熔化后向内流动，从而保持熔料液面处在一个恒定不变的水平高度，并且外侧的熔化液面温度高于内侧的熔化液面温度，这样就能拉出完美的单晶硅。因此，通过使提拉方向的质量均匀一致（在实施中这是极其有效的）就可实现产额的改善和生产率的改善。

Claims (8)

1、一种通过提拉坩埚内的熔料来制造柱状的单晶硅的方法，其特征在于：

所说坩埚的内部被分隔开，从而使所述被提拉的单晶硅被包围并且使所说熔化的原料可以流动；通过添加颗粒状硅至所说隔板外侧的熔化液面，使所说隔板内侧的熔化液面几乎被维持在一个恒定不变的水平高度上，所述隔板外侧的整个熔化的液面就是颗粒状硅的可溶化区域；用一块保温板复盖所说隔板和所说隔板外侧的熔化液面；使所说隔板外侧的熔化的液体温度至少高于内部的熔化的液体温度10℃或更高些。

2、一种单晶硅的制造设备，通过提拉放在一个坩埚内的熔化原料料来制造柱状单晶硅，包括：

一个设置有一些小通孔的隔板环，这些小孔设胨帝巅瞿冢虼舜司突啡谱潘当惶崂牡ゾЧ?

一个保温板，将它安置成能复盖所说隔板环和该隔板环外侧的熔化原料;以及

一个安放在所述隔板环外侧的熔化原料之上颗粒状硅添料设备。

3、一种如权利要求2所述的单晶硅制造设备，其特征在于：所说的隔板环由高纯度石英制成，并且在接近隔板环中间高度部分的下部的一个区域设置一个或多个小孔。

4、一种如权利要求2所述的单晶硅制造设备，其特征在于：所说的保温板包括一个凸缘部分和一个漏斗形屏蔽部分，用高纯度石英或表面涂有高纯度SiC和Si₃N₄的高强度石墨至少复盖高强度石墨保温板的下部。

5、一种如权利要求2所述的单晶硅制造设备，其特征在于所述坩埚放在一个石墨坩埚内，石墨坩埚在对应于隔板环的部位用低热导性的耐热材料隔开，并且在所说石墨坩埚的下方设置绝热块。

6、一种如权利要求2所述的单晶硅制造设备，其特征在于：在靠近所说隔板环外侧的熔化液面处安装一个加热元件。

7、一种如权利要求6所述的单晶硅制造设备，其特征在于：所说的加热元件是一个用高纯度石英复盖的近似环形的碳加热元件。

8、一种如权利要求6所述的单晶硅制造设备，其特征在于：所说的加热元件是一种螺旋形的高频感应线圈。

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