CN1046972C - 抑制长的大直径单晶硅生长条纹的直拉生长方法及装置 - Google Patents

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Abstract

在一种丘克拉斯基单晶硅生长装置中，其在生长炉(1)中通过提线(7)上拉晶种(Z)来生长硅单晶(Y)，一个磁环(12)被安装在硅单晶上，一个电磁体(8)被固定于生长炉上以便上拉磁环。

Description

抑制长的大直径单晶硅生长条纹的直拉生长方法及装置
本发明是关于丘克拉斯基(CZ)单晶硅生长装置，尤其是抑制长的大直径单晶硅的生长条纹的CZ单晶硅生长装置。
在CZ单晶硅生长装置中，籽晶被浸入石英坩埚内的熔融硅中以生长出一个“籽晶颈”，该籽晶颈由一个具有固定籽晶颈的夹头的线，以恒定的拉晶速率渐渐向上拉，如此得到单晶硅棒。籽晶颈承受了单晶硅棒的重量，是机械上的最弱点。因此，单晶硅棒的最大重量受制于籽晶颈的机械强度(见K.M.Kim et al.,″Maximum Length of Large DiametersCzochralski Silicon single Crystals at Fracture Stress Limit ofSpeed″,Journal of Crystal Growth 100,PP.527-528,1990)。
如果单晶硅超过了最大重量，单晶硅会落入熔融硅中。在现有技术的CZ单晶硅生长装置中，为避免单晶硅落入熔融硅中，在单晶硅棒上形成了一个肩状部位，即较宽的部件，当单晶硅棒被拉起时，一个安全环立刻移至肩状部位底下的位置上(见JP-A-63-252991)。所以，如果籽晶颈断裂，单晶硅也不会落入熔融硅中，因为其肩状部位悬于安全环上。
在如上所述现有技术的CZ单晶硅生长装置中，应注意其安全环并没作为提拉单晶硅棒的装置。
然而甚至是在上述现有技术的CZ单晶硅生长装置中，当单晶硅相对重时，既使单晶硅棒没有断裂，提线的张力很大以致于提线会拉伸，此外其提线的拉伸会变动；而且提线也会受生长装置内温度的影响而拉伸，因此单晶硅棒的上拉速率不可能是恒定的。换句话说，单晶硅棒的上拉速率是波动的。特别是当单晶硅棒直径大于31.72厘米(12英寸)，长度大于1米时，单晶硅棒的上拉速率是波动的。并且单晶硅棒的上拉速率也由于提线牵引装置的振动而波动。
单晶硅上拉速率的波动引起其中杂质非均匀的分布。杂质非均匀的分布产生了生长条纹，此生长条纹会导致由单晶硅棒形成的硅片中的晶体缺陷。
本发明的目的是提供能抑制生长条纹并生长长的大直径单晶硅的CZ生长方法及装置。
根据本发明，在CZ单晶硅生长装置中，在生长炉中通过提线上拉籽晶而生长硅单晶，一个磁环被安装于硅单晶上，一个电磁体被安装于生长炉上以上拉磁环。该电磁体会含有多个在垂直方向上排列的电磁元件。因此，当电磁元件由较低端至较高端顺序被通电时，磁环能被电磁体以恒定上拉速率渐渐拉起。
通过下面的描述，并参照附图，可以更清楚地理解本发明。
图1是根据本发明的CZ单晶硅生长装置的一个实施例的剖面图。
图2A是图1中磁环的平面图。
图2B是图1中磁环的侧面图。
图3A、3B、3C、3D和3E是采用图1装置生长单晶硅棒的方法示意图。
图4是图2A和2B的磁环的改进例的平面图。
图1显示了本发明的一实施例，其中标号1表示生长炉。位于生长炉1的下部1a中的是石英坩埚2和与石英坩埚2组合的碳坩埚3。石英坩埚2和碳坩埚3被环绕它们的加热器4加热，标为X的硅被放入石英坩埚2中，并被加热器4加热成熔融液体。
热屏蔽板5覆盖了石英坩埚2、碳坩埚3和加热器4以防止热量影响生长炉1的上部1b。在此情况下，热屏蔽板5有一个开口供单晶硅棒Y的上拉。
生长炉1的上部1b是圆筒状。牵引装置6位于上部1b的顶端上，用以上拉由金属制成的提线7。由多个圆柱状电磁元件8a相对于炉1垂直方向排列形成的电磁体8位于上部1b的内圆周表面上。石英管9覆盖于电磁体8上，以防止炉1的内部被电磁体8所污染。电磁元件8a由控制器10分别控制。
晶种Z被连接在提线7上。因此当提线7由牵引装置6上拉时，单晶硅棒Y开始自熔融硅X中生长出。
磁环12是被连在单晶硅棒Y的圆周凹进部分上。磁环12由图2A和图2B所示。磁环12是由铁或镍制成的半圆形铁磁性元件121a和121b组成。铁磁性元件121a和121b均各自被石英玻璃元件122a和122b覆盖。石英玻璃元件122a的一端有一个钩123a，另一端有一个钩形凹进部分124a。石英玻璃元件122b的一端有一个钩123b，另一端有一钩形凹进部分124b。因此，将钩123a和123b分别与钩形凹进部分124b和124a吻合，即得磁环12。例如，如果单晶硅棒Y是31.72厘米(12英寸)长，磁环12的直径约为25.6厘米(10英寸)。
下面将参照图3A、3B、3C、3D和3E，解释使用图1的生长装置制造硅单晶的方法。
首先，参照图3A，晶种Z被通过提线7浸入熔融硅X中，然后晶种Z被提线7渐渐上拉，以生长单晶硅棒Y。
其次，参照图3B，当单晶硅棒Y的直径达到Y1所示的预定直径D0时，晶种Z被提线7上拉的速率升到足够高，熔融硅X的温度也提高，结果是单晶硅棒Y的直径减少百分之二十，如Y2所示，即单晶硅棒Y的直径D1约为0.8×D0。在此状态下，提线7，亦即晶种Z被上拉约2厘米。然后晶种Z被提线7上拉的速率下降，熔融硅X的温度也降低。因此单晶硅棒Y的直径增加回到D0(如Y3所示)。由此在单晶硅棒Y上形成了圆周凹进部分。
再者，参照图3C，当单晶硅棒y的圆周凹进部分接近热屏蔽板5的高位时，通过将钩123a和123b分别与钩形凹进部分124b和124a吻合(如图3D所示)，把磁环12连在单晶硅棒y的圆周凹进部分上。
最后，参照图3E，当磁环12接近每个电磁元件8a时，电磁元件8a被控制器10顺序通电。结果磁感应力被施加于磁环12上，致使磁环12被磁力上拉，磁环又上拉着单晶硅棒Y。因此提线7的张力被松驰了。在此情形下，通过控制器10控制电磁元件8a的通电与磁环12的移动同步，即与单晶硅棒Y的移动是同步的。
由此即使当单晶硅棒Y重量增加时，由于磁环12和电磁体8的上拉运动提线7的张力被松驰，其结果是提线7的拉伸被抑制了。此外，由于单晶棒Y的上拉速率被磁环12的运动所调节，既使炉1中的温度或者装置6的振动会引起提线7位伸的波动，单晶硅棒Y的上拉速率可以恒定。因而抑制了单晶硅棒Y的生长条纹。
图4显示了图2A和2B的磁环12的改进实例，其中磁环12是由铁磁性元件121和石英玻璃元件122形成的C-型环。在此情形下，图4的磁环12被使用C-型环12的弹性力连在单晶硅棒Y上。
根据发明人的实验，用图1生长装置制造的长1.5米，直径为30.48厘米(12英寸)的单晶硅棒；长1.5米，直径为35.56厘米(14英寸)的单晶硅棒；长1.2米，直径为40.64厘米(16英寸)的单晶硅棒和长1.0米，直径为45.72厘米(18英寸)的单晶硅棒中均未发现生长条纹。另一方面用已有技术的生长装置制造的长1米，直径为30.48厘米(12英寸)的单晶硅棒；长0.7米，直径为35.56厘米(14英寸)的单晶硅棒；长0.5米，直径为40.64厘米(16英寸)的单晶硅棒和长0.4米，直径为45.72厘米(18英寸)的单晶硅棒中均发现了生长条纹。
如上所述，根据本发明，因为单晶硅棒中没有出现生长条纹，由单晶硅棒制得的硅片中的晶体缺陷也受到了抑制。

Claims (5)

1．一种丘克拉斯基单晶硅生长方法，包含以下步骤：
通过提线将晶种浸入熔融硅中；
通过所述提线上拉所述晶种，以生长单晶硅棒；
当所说单晶硅棒直径接近一预定值时增加通过提线上拉单晶硅棒的速率，提高所述熔融硅的温度；
当所述单晶硅棒长至预定长度后，降低所述提线上拉所述单晶硅棒的速率，降低所说熔融硅的温度；
其特征在于：将一磁环装在所述单晶硅棒的圆周凹进部位上；
通过控制沿所述单晶硅棒垂直方向排列的电磁体，上拉所述磁环，以便与所述提线上拉所述单晶硅的速率同步上拉所述单晶硅棒。
2．一种丘克拉斯基单晶硅生长装置，其包括有：
一个盛熔融硅(X)的坩埚(2,3)；
一个通过提线(7)上拉晶种(Z)以从所述熔融硅中生长单晶硅棒(Y)的装置(6)；其特征在于还包括：
一个装在所述单晶硅棒上的磁环(12)；和
一个上拉所述磁环的电磁体(8)；
其中所述的电磁体包括多个在垂直于所述装置的方向上排列的电磁元件(8a)和一个覆盖所述电磁元件的石英玻璃管(9)。
3．根据权利要求2所述的丘克拉斯基单晶硅生长装置，其特征在于所述的电磁体还包括有一个控制器(10)，以从低端至高端顺序控制所述电磁元件。
4．根据权利要求2所述的丘克拉斯基单晶硅生长装置，其特征在于所述的磁环包括两个半圆形铁磁性元件(121a,121b)和两个覆盖所述半圆形铁磁性元件的石英玻璃元件(122a,122b)。
5．根据权利要求2所述的丘克拉斯基单晶硅生长装置，其特征在于所述的磁环包括一个C型铁磁性元件(121)和一个覆盖所述C型铁磁性元件的石英玻璃元件(122)。
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