CN104903496A - 用于改善的连续直拉法的热屏障 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过直拉法生长晶锭的设备。该晶锭在由晶体进料予以补充的一定量的熔融硅中从熔体/晶体界面被拉出。该设备包括构造成保持熔融硅的坩埚和支承在坩埚中的窑坎。该窑坎构造成将熔融硅从构造为接纳晶体进料的外部区分离到内部生长区中。该窑坎包括竖直延伸的侧壁和顶壁。环形热屏障设置在窑坎的顶壁上，并且覆盖外部区的至少约70％。

Description

用于改善的连续直拉法的热屏障
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年11月29日提交的美国专利申请No.13/688,969的优先权，该申请的全部内容通过全文引用结合在本文中。
技术领域
本文公开的内容的技术领域总地涉及通过直拉法生长晶体半导体材料。更具体地，本文公开的内容的技术领域涉及应用环形热屏障的连续直拉法，其用于改善晶体拉伸速率和坩埚使用寿命。
背景技术
在连续直拉(CZ)晶体生长工艺中，随着晶体生长而补充或再充填熔体。这与批量再充填形成对比，在该批量再充填中，在通过完成晶体生长法而耗尽熔体之后才会再充填熔体。在任一情况下，都能够以固体进料或熔融进料来补充熔体。
与批量再充填相比，用于生长硅晶锭的连续直拉法具有一些优点。熔体高度保持基本不变，因此能够更一致地保持熔体-晶体界面处的生长条件，以实现最佳的晶体生长。由于熔体条件不会由于增加了大量进料而突然改变，所以周期时间还可以减少。
传统的连续晶体生长坩埚中的传统的窑坎(weir)布置在图1中示出。在传统的直拉法系统中，坩埚100保持一定量的熔融硅102，在该熔融硅中，单晶锭104生长并且沿箭头105指示的竖直方向从晶体/熔体界面106处被拉伸。通常成形为圆柱形的窑坎108定位在坩埚100的底部上，并且如图所示在熔体上方竖直延伸。窑坎108限定了内部生长区110和外部熔体补充区112。液面下方的通路114连接第一或熔体补充区112和内部生长区110。
热屏障116为圆锥形，并且以一定角度向下延伸以形成围绕生长的晶体或晶锭104设置的环形开口，以允许生长的晶锭辐射其潜在的凝固热和来自熔体的热通量。热屏障116的顶部具有第一直径，该第一直径远大于形成围绕晶锭104的环形开口的直径。热屏障116的顶部由绝热盖或绝热包可支承地保持。为了简明起见，附图中省略了绝热盖。通常沿生长晶体的长度提供惰性气体流，例如氩气，如117所指示的。
进给供应源118向坩埚100的熔体补充区112提供一定量的硅进料。该硅进料可以是固体块状的硅进料形式，其被直接提供给熔体区112。在任一情况下，向熔体区添加进料通常都伴随着由窑坎108顶部上方的空气静力输送的粉尘颗粒。粉尘或未熔解的硅颗粒会污染生长区110，并且可能附着到生长的晶锭上，从而使生长的晶锭失去其单晶硅结构。
各个区，即生长区110和熔体补充区112会经受向外部大气的辐射和对流热损失。在硅处理温度下，通过石英坩埚的溶解形成的硅氧化物从熔体中蒸发，并且在热区的稍冷区域上冷凝，从而形成可能成为严重的维护难题的粉末或粉尘。当该粉末或粉尘落回到硅熔体中时，它可能影响正在生长的单晶体结构，产生位错缺陷。晶锭产量和生长的经济性遭受严重影响。此外，辐射和对流热损失需要添加额外的热量以保持硅被熔化。该额外热量增加了系统设计的复杂性和成本。
虽然这种传统布置可能足以限制未熔化的硅颗粒从熔体补充区传送到晶体生长区，但是这种传统的窑坎布置不能解决向外部大气的辐射和对流热损失的问题。
发明内容
一方面，本申请公开了一种用于通过直拉法生长晶锭的设备。该晶锭在由晶体进料予以补充的一定量的熔融硅中从熔体/晶体界面拉出。该设备包括构造成保持熔融硅的坩埚，和支承在坩埚中的窑坎，该窑坎构造成将熔融硅从构造为接纳晶体进料的外部区分离到围绕晶体/熔体界面的内部生长区中。该窑坎包括至少一个竖直延伸的侧壁和顶壁。环形热屏障设置在窑坎的顶壁上，该环形热屏障覆盖外部区的至少约70％。
另一方面，本申请公开了用于通过直拉法生长晶锭的另一种设备。该晶锭在由晶体进料予以补充的一定量的熔融硅中从熔体/晶体界面拉出。该设备包括构造成保持熔融硅的坩埚，和用于供应晶体进料的进给供应源。至少两个窑坎被支承在坩埚中，并且构造成将熔融硅分离到围绕晶体/熔体界面的内部生长区、构造成接纳晶体进料的外部区和位于内部生长区和外部区之间的中间区中。每个窑坎都包括至少一个竖直延伸的侧壁。环形热屏障设置在至少其中一个窑坎的顶部上。该环形热屏障覆盖外部区或中间区中的一个的至少一部分。
又一方面，本申请公开了一种用于连续直拉工艺晶体生长的方法。在该方法中，将一个或多个晶锭从限定在坩埚中的晶体/熔体界面拉到生长室内，该坩埚容纳由晶体进料予以补充的熔融晶体材料。该方法包括利用窑坎将熔融晶体材料分离到围绕晶体/熔体界面的内部生长区和用于接纳晶体进料的外部区中。将环形热屏障放置在外部区上方，以覆盖外部区的至少一部分。
附图说明
图1为示出传统的连续直拉晶体生长系统的示意图。
图2为本发明一实施例的连续直拉系统的示意图。
图3和4示出本发明一实施例的环形热屏障的俯视图和侧视图。
图5为本发明的连续直拉系统的另一实施例的示意图。
具体实施方式
图2示出了一种用于通过直拉法生长晶锭的设备的一个示例性实施例的示意图。在此实施例中，窑坎208设置在保持硅熔体202的坩埚200中。该窑坎208为大致圆柱形，具有支承在坩埚的底部的侧壁222，该侧壁向上延伸以便在硅熔体202中限定生长区210。该窑坎208将熔体分入两部分，即内部生长区210和外部熔体补充区212。也就是说，圆柱形窑坎使生长区210与第一区或外部熔体补充区212分开，以基本隔绝以及防止热和机械扰动影响生长区210内生长的晶体。窑坎208还限定了用于在外部熔体补充区212和生长区210之间提供受控的熔体流的通路214。进给供应源221向外部熔体补充区212供应固体硅进料源，例如块状或颗粒状多晶硅。
包含窑坎的坩埚200设置在直拉生长系统的生长室内。可以设置圆锥形热屏障216，其以一定角度向下延伸以形成围绕生长的晶体或晶锭204设置的环形开口205，以保护晶体/熔体界面206和晶锭204免受极端的热扰动。锥形热屏障216的顶部具有远大于形成围绕晶锭204的环形开口205的直径的第一直径。锥形热屏障216的顶部由绝热盖或绝热包(未示出)可支承地保持。锥形热屏障216的侧壁以一定角度从基部向下延伸，以使得热屏障的具有较小直径的远端限定中心环形开口205，该环形开口205足够大以便在单晶晶锭204如图所示被竖直拉伸时接纳生长的晶锭。热屏障216可以由具有可选的碳化硅或类似涂层的钼或石墨制成。
窑坎208包括支承在坩埚200的底部上的总体圆柱形的体部。环形热屏障224设置在窑坎208的顶壁207处。如图所示，环形热屏障224基本垂直于窑坎208的侧壁222，并且基本平行于晶体/熔体界面206的平面。环形热屏障224由内部部分226和外部部分228限定，以使得环形热屏障224基本覆盖外部熔体补充区212，从而支靠在窑坎208的顶壁207上。在一个实施例中，环形热屏障224覆盖外部熔体补充区212的70％到90％。
在一些实施例中，在窑坎208和环形热屏障224之间设置有密封件，以将环形热屏障224基本密封到窑坎208上。该密封件合适地为包括一层或多层的密封剂。
窑坎208的侧面基本竖直向上延伸，并且与环形热屏障224一起形成和限定具有熔体202的环形间隙215，以允许一定量的熔体气体或净化气体从中流过。环形间隙215可以适当地设定尺寸，以限制或控制由此通过的气流量。例如，环形空间或间隙215的尺寸可以选择为对于流出的净化氩气提供增强的流动路径。
环形热屏障224由硅石或其他合适的耐热材料制成。通过将热量限制在环形空间215内和防止热量从中流出，该环形热屏障224基本防止了辐射热损失。应该理解的是，可以改变环形热屏障224的材料和厚度400(图4)，以提供更大或更小的热屏蔽能力。在一个实施例中，在环形热屏障224的上或下表面设置热反射层，以便根据应用情况例如将热量反射回熔体202中或者使热量远离熔体202。
在一个实施例中，环形热屏障224包括在图3中最清楚示出的一个或多个开口230，以用于进料从中通过。开口230的尺寸设计成使得进料足以从中通过，但不会提供允许大量热量从中通过的太大的开口。
窑坎208的内径选择为在外部熔体补充区212中提供足够的熔体体积，以使得将固体进料加热至硅的熔融温度1412℃所必需的潜在的熔合热和热能不会使熔体区中的熔体冻结。多个共同控制或单独控制的底部加热器218设置在坩埚200的底部下方。在另一实施例中，包括侧面加热器219，以便在整个外部熔体补充区212提供额外的受控的温度分布。
现在参考图5，连续CZ系统的一个实施例包括第二窑坎500。在此示例性实施例中，第二窑坎500限定了在外部熔体补充区212和生长区202之间的互连区502。第二窑坎500可以从窑坎208沿径向向内或沿径向向外设置。从进给供应源221添加到坩埚的外部熔体补充区212中的进料在其到达生长区210之前应该是完全熔化的。生长区210中的小颗粒——特别是未熔化的硅进料的氧化物——可能附着在生长的晶锭上并引起位错。此外，生长区210中的熔体应该没有能够引起生长的晶体204中的位错的大的局部温度波动。因此，通过使进料经过外部熔体补充区212、经过通路214以及经过互连区502，提供了用于进料熔化的额外时间。此外，第二窑坎500可以限定第二通路409，以便在互连区502和生长区210之间提供受控的熔体流。这样，可以使得生长区210中的熔体没有能够引起生长的晶体404中的位错的大的局部温度波动。在此实施例中，第二窑坎500选择为其高度低于窑坎208，然而在其它实施例中，第二窑坎500可以与窑坎208具有相同高度或高于窑坎208。
在该示例性实施例中，第二环形热屏障504设置在第二窑坎500的顶壁507上。如图所示，第二环形热屏障504基本垂直于窑坎208的侧壁222和第二窑坎500的侧壁506，这样，第二环形热屏障504基本平行于晶体/熔体界面206的平面。第二环形热屏障504由内部部分508和外部部分510限定，以使得第二环形热屏障504基本覆盖互连区502，并直接支靠在第二窑坎500的顶壁507和窑坎208的侧壁222上。在另一实施例中，在第二窑坎500和第二环形热屏障504之间设置有一层或多层密封剂，以使第二环形热屏障基本密封到第二窑坎508上。为了进行密封，还可以在第二环形热屏障504和窑坎208的侧壁222之间的界面处包括一层密封剂。第二窑坎500的侧面基本竖直向上延伸，并且与第二环形热屏障504一起形成和限定具有熔体202的第二环形间隙515，以允许一定量的熔体气体或净化气体从中流过。应该理解的是，第二环形间隙515可以适当地设定尺寸，以便限制或控制由此通过的气流量。例如，环形空间或间隙515的尺寸可以选择为对于流出的净化氩气提供增强的流动路径。
第二环形热屏障504由硅石或其他已知的耐热材料制成。通过将热量限制在环形空间515内并防止热量从中流出，该第二环形热屏障504基本防止了辐射热损失。应该理解的是，可以改变第二环形热屏障504的材料和厚度，以提供更大或更小的热屏蔽能力(例如，以与上文讨论的有关环形热屏障224类似的方式)。在一个实施例中，在第二环形热屏障504的上或下表面设置热反射层，以便根据应用情况例如将热量反射回熔体202中或者使热量远离熔体202。
在一个实施例中，第二环形热屏障504包括一个或多个用于进料或其他材料从中通过的开口530。开口530的尺寸设计成使得进料或其他材料足以从中经过，但是不会提供允许大量热量从中通过的太大的开口。
上文详细描述了用于改善连续直拉法中的晶体生长的设备、系统和方法的示例性实施例。该设备、系统和方法不限于本文描述的具体实施例，相反地，该系统和设备的组成部件和/或该方法的步骤可以独立于本文描述的其他组成部件和/或步骤单独使用。例如，该方法还可以与其他晶体形成系统、方法和设备一起使用，并不限于仅与本文描述的系统、方法和设备一起使用。相反地，可以结合许多其他应用来实施和利用这些示例性实施例。
虽然本发明的各种实施例的特定特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，一个附图中的任何特征可以结合任何其他附图中的任何特征进行参考和/或要求保护。
下面的表1示出了图5的连续CZ系统和没有环形热屏障的对比系统(例如，图1的系统)相比的示例性的性能结果。
原始设计 具有热屏障
氧气(ppma) 11.7 11.6
G(K/cm) 49.5 48.6
加热器功率(kW) 67 67
界面高度(cm) 10.1 9.15
供应区最小温度(K) 1699 1701
表1——热屏障性能结果
如表1所示，在具有等同参数的CZ法中，示例性的环形热屏障可以提供减小的界面高度和减小的参数G。如本文中所使用的，G的值是在熔体-晶体界面处的晶体内的轴向温度梯度的量度。如本领域技术人员已知的，G是热量可以多快地从晶体移出和/或晶体可以多快地冷却的量度。例如，对于给定的晶体冷却构型，较低的G值可以表明有额外的空间可以用于提高晶体的拉伸速率。对于给定的构型，界面高度是熔体-晶体界面的最高部分和熔体线之间的垂直距离的量度，并且可以用作晶体多热的直接量度。在一些情况中，较深的界面表明，由于较高的晶体温度，有较少的空间用于提高晶体拉伸速率。
当介绍本发明或其实施例的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”是指有一个或多个该元件。术语“包含”、“包括”和“具有”是包含性的，意味着除了列出的元件外还可以有额外的元件。
由于可以对上文所述内容进行各种改变而不会偏离本发明的范围，所以上述说明中包含的以及附图中示出的所有内容应被解释为示例性的而非限制性的。

Claims (18)

1.一种用于通过直拉法生长晶锭的设备，所述晶锭在由晶体进料予以补充的一定量的熔融硅中从熔体/晶体界面被拉出，所述设备包括：
构造成保持所述熔融硅的坩埚；
支承在所述坩埚中的窑坎，所述窑坎构造成将所述熔融硅从构造为接纳所述晶体进料的外部区分离到围绕所述晶体/熔体界面的内部生长区中，所述窑坎包括至少一个竖直延伸的侧壁，以及顶壁；和
设置在所述窑坎的所述顶壁上的环形热屏障，所述环形热屏障覆盖所述外部区的至少约70％。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述环形热屏障覆盖所述外部区的至少90％。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述环形热屏障由硅石制成。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热屏障基本是平面的。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热屏障为圆柱形。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热屏障包括用于进料从中通过的开口。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热屏障基本垂直于所述窑坎的侧壁延伸。
8.一种用于通过直拉法生长晶锭的设备，所述晶锭在由晶体进料予以补充的一定量的熔融硅中从熔体/晶体界面被拉出，所述设备包括：
构造成保持所述熔融硅的坩埚；
用于供应所述晶体进料的进给供应源；
至少两个窑坎，所述至少两个窑坎支承在所述坩埚中，并且构造成将所述熔融硅分离到围绕所述晶体/熔体界面的内部生长区、构造为接纳所述晶体进料的外部区以及位于所述内部生长区和所述外部区之间的中间区中，每个所述窑坎都包括至少一个竖直延伸的侧壁；
设置在至少其中一个窑坎的顶部上的环形热屏障，所述至少一个热屏障覆盖所述外部区或所述中间区中的一个的至少一部分。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统包括至少两个热屏障，其中一个热屏障覆盖所述中间区的至少一部分，另一个热屏障覆盖所述外部区的至少一部分。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，覆盖所述外部区的热屏障包括一个或多个用于所述进料从中通过的开口。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述至少两个窑坎基本是平面的。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少两个窑坎基本垂直于窑坎的侧壁延伸。
13.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述热屏障由硅石制成。
14.一种用于连续直拉晶体生长的方法，其中，将一个或多个晶锭从限定在坩埚中的晶体/熔体界面拉到生长室内，所述坩埚容纳由晶体进料予以补充的熔融晶体材料，所述方法包括：
利用窑坎将所述熔融晶体材料分离到围绕所述晶体/熔体界面的内部生长区和用于接纳所述晶体进料的外部区中；
将环形热屏障设置在所述外部区上方，以覆盖所述外部区的至少一部分。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括将第二窑坎设置在所述坩埚中，以便在所述内部生长区和所述外部区之间限定中间区。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括将环形热屏蔽设置在所述外部区上方，以使得所述热屏障垂直于所述窑坎。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括使进料通过限定在热屏障中的开口，以补充熔融硅。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括将第二窑坎设置在所述坩埚中，以便在所述内部生长区和所述外部区之间限定中间区；以及
设置至少两个热屏障，以使得其中一个热屏障覆盖所述中间区，并且另一个热屏障覆盖所述外部区。
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