CN104955991B - 用于改进连续Czochralski方法中的晶体生长的堰 - Google Patents

用于改进连续Czochralski方法中的晶体生长的堰 Download PDF

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Abstract

用于通过Czochralski方法生长锭的设备包含：限定配置用于使吹扫气体围绕生长锭循环的腔的生长室，和在生长室中提供且配置用于保持熔融硅的坩埚。堰支撑于坩埚中并配置用于将熔融硅分离成围绕熔体/晶体界面的内部生长区与配置用于接收结晶原料的外部区域。堰包含至少一个竖直延伸的侧壁和基本垂直于侧壁延伸的帽。

Description

用于改进连续Czochralski方法中的晶体生长的堰
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.13/689,189的优先权，通过引用将其全部公开内容全部并入本文中。
领域
本公开内容的领域一般性地涉及通过Czochralski方法生长单晶半导体材料。特别地，本公开内容的领域涉及使用帽堰(cap weir)的连续Czochralski方法。配置帽堰用于改进气体的流量和压力，这降低堰的腐蚀速率。
背景
在连续Czochralski(CZ)晶体生长方法中，熔体在晶体生长时补充或补给。这与其中熔体由于晶体生长方法完成而消耗以后补给熔体的分批补给相反。在每种情况下，熔体可用固体原料或熔融原料补充。
与分批补给相反，连续Czochralski方法对生长结晶硅锭而言存在优点。熔体高度保持基本恒定，因此熔体-晶体界面的生长条件可保持更加均匀用于最佳的晶体生长。循环时间也可降低，因为熔体条件不会由于加入大量原料而突然改变。
常规连续晶体生长坩埚中的常规堰排列显示于图1中。在常规Czochralski系统中，坩埚100保持一些熔融硅102，单晶锭104在其中生长并以箭头105所示竖直方向从晶体/熔体界面106拉引。通常成型为圆柱体的堰108置于坩埚100的底部并在所示熔体以上竖直延伸。堰108限定内部生长区110和外部熔体补充区112。表面下通路114将第一或熔体补充区112与内部生长区110连接。
挡热板116的形状为圆锥形并以产生置于生长晶体或锭104周围的环形开口的角度向下延伸以容许生长锭辐射其固化潜热和来自熔体的热流。挡热板116的顶部具有比形成围绕锭104的环形开口的直径宽得多的第一直径。挡热板116的顶部由绝缘盖或绝缘包装可支持地保持。为了简化，图中省略了绝缘盖。惰性气体如氩气流通常沿着如117所示生长晶体的长度提供。
进料供应118将一些硅原料供入坩埚100的熔体补充区112中。硅原料可以为直接供入熔体区112中的硅原料固体块的形式。在每种情况下，将原料加入熔体区中通常伴随由气体动力在堰108上传输的粉尘颗粒。粉尘或未熔融的硅颗粒污染生长区110并且可能变得附着在生长锭104上，由此导致它失去其单硅结构。
尽管图1中的常规堰108排列可借助从熔体补充区流入晶体生长区的熔体帮助限制粉尘和未熔融硅颗粒的传送，但是它未解决堰的高腐蚀速率的问题。如图5所示，常规石英堰108遭遇一氧化硅和氩气。将氩气泵送通过液态硅以除去一氧化硅气体并降低结合在生长晶体中的氧气的浓度。氩气和一氧化硅气体由流线500指示。气流的副作用是堰在熔体-气体接触管线119处由于表面动力而经历快速腐蚀，最终被一定程度地切穿使得它不再充当对固体多晶硅而言的充分屏障。该腐蚀引起问题，因为它需要时常置换堰，导致停工期和提高的置换成本。
尽管该常规堰108排列可能足以防止未熔融的硅从熔体补充区到达晶体生长区，但是该排列未解决堰的快速腐蚀问题。该快速腐蚀可提高方法的成本并且可通过导致停工期以置换堰而降低生产量。
该背景部分意欲向读者介绍下文描述和/或主张的本公开内容各方面可能涉及的技术的各个方面。认为该讨论帮助提供给读者背景信息以便于对本公开内容的各个方面的更好理解。因此，应当理解这些陈述就这点而言阅读，且不是对现有技术的认可。
概述
一方面，公开了用于通过Czochralski方法生长锭的设备。锭在由结晶原料补充的一些熔融硅中从熔体/晶体界面生长。该设备包含限定配置用于使吹扫气体围绕生长锭循环的腔的生长室，和在生长室中提供且配置用于保持熔融硅的坩埚。堰安装在坩埚中并配置用于将熔融硅分离成围绕熔体/晶体界面的内部生长区与配置用于接收结晶原料的外部区域。堰包含至少一个竖直延伸的侧壁和基本垂直于侧壁延伸的帽。
另一方面，公开了连续Czochralski晶体生长。对于该方法，一个或多个晶体锭在生长室中从包含由原料补充的熔融结晶材料的坩埚中限定的熔体/晶体界面拉引。该方法包括使用堰将熔融结晶材料分离成围绕熔体/晶体界面的内部生长区和用于接收原料的外部区域。惰性气体与堰和熔体接触地流动使得从熔体释放的一氧化硅气体的分压在最大堰腐蚀点处提高。
又一方面，公开了通过Czochralski方法生长锭的系统。锭在由结晶原料补充的一些熔融硅中从熔体/晶体界面拉引。该设备包含限定配置用于使吹扫气体围绕生长锭循环的腔的生长室和在生长室中提供且配置用于保持熔融硅的坩埚。进料供应用于供应结晶原料。加热器加热结晶原料和熔融硅。堰支撑于坩埚中并配置用于将熔融硅分离成围绕熔体/晶体界面的内部生长区与配置用于接收结晶原料的外部区域。堰包含至少一个竖直延伸的侧壁和基本垂直于侧壁延伸的帽。
附图简述
图1为显示Czochralski晶体生长系统中具有外围加热器的常规坩埚的部分示意图。
图2为显示根据本公开内容的一个实施方案的Czochralski晶体生长系统中的帽堰的部分示意图。
图3为显示围绕帽堰的气流线的帽堰放大图。
图4为显示根据另一实施方案的Czochralski晶体生长系统中另一帽堰的示意图。
图5为显示气流线的图1的常规坩埚的放大图。
详述
参考图2，根据本公开内容的一个实施方案，帽堰208在坩埚200中提供。帽堰208通常具有圆柱形状，具有竖直延伸的侧壁222，安装在限定硅熔体202中的生长区的坩埚200底部。硅熔体202中的生长区210定义为由侧壁222包围的区域(即侧壁径向向内)。外部熔体补充区212定义为侧壁222外部的区域(即侧壁径向向外)。因而，帽堰208将生长区210与第一区或外部熔体补充区212分开，以分离和防止热和机械干扰影响生长区210中的生长晶体。
在一些实施方案中，通路214限定于侧壁222中以控制外部熔体补充区212与生长区210之间的熔体流。进料供应221将固体硅原料来源供入外部熔体补充区212中。可提供挡热板216以屏蔽熔体/晶体界面206和锭204以防热扰动。在示例实施方案中，挡热板的形状为圆锥形，且在下游方向上径向向内成角或渐缩，使得挡热板顶部比挡热板底部宽得多。圆锥形挡热板216的侧壁从底部并以一定角度向下悬垂，使得挡热板的较小直径末端限定足够大的中心环形开口205以在所示将单晶锭204竖直拉引时接收生长锭。在一些实施方案中，一个或多个底部加热器218和侧加热器219与坩埚200热连通以将热供给熔体202。除侧加热器219外，底部加热器可以为独立控制的环形加热器218，其以径向方式置于坩埚200的基底下面，这可提供在整个外部熔体补充区212更可控的温度分布。
帽堰208包括从侧壁222的上部伸出的帽207。在示例实施方案中，帽以径向向内方向和径向向外方向基本垂直于侧壁222延伸。在其它实施方案中，帽207可仅以径向向外方向从侧壁222伸出，或者仅以径向向内方向从侧壁222伸出。
帽堰208包含安装在坩埚200基底上的通常圆柱形体。帽堰208的侧壁222向上竖直延伸以形成并限定具有熔体202的改进流动区215。应当理解通过以使气体如一氧化硅气体的分压在最大堰腐蚀点230处局部提高的方式产生气体流动方式(图3)而使帽207下面与熔体202之间的改进流动区215最佳化以降低堰的腐蚀。
图3显示根据一个实施方案的改进流动区215中的示例改进气流线300，其具有界面高度304。选择帽207的尺寸使得帽堰208的伸出侧与相邻熔体202组合提供氩气吹扫气体从锭流出的改进流路，在图3中表示为流线300。在一个实施方案中，氩气吹扫气体和/或一氧化硅气体的流出通过改进室内的压力，例如通过使用真空泵220(图2)而补充。即改进流动区215借助帽部分207的分级而定尺寸，以提供外流吹扫气体的变窄聚焦流路，其具有相对于在改进流动区215外部的流动区302提高流出吹扫气体的压力的作用。气体压力的这一局部提高有利地降低侧壁222处堰的腐蚀，因此提高堰的可用寿命。选择帽堰208的直径以提供外部熔体补充区212中足够的熔体体积，使得保持保持硅在其熔点温度或熔点温度以上所需的熔化潜热和热能。
下表1显示帽堰与对比堰如图1的堰相比的示例性能结果。
对比堰 示例帽堰
氧气(ppma) 11.8 11.9
G(K/cm) 49.5 49.5
加热器功率(kW) 67 67
界面高度(cm) 10.1 10.1
进料区最小T(K) 1699 1699
内部腐蚀速率(mu m/hr) 21.9 18.8
表1—堰性能结果
如所示，在具有相同参数的CZ方法中，示例帽堰提供与典型的非帽堰相比降低的内部腐蚀速率。如本文所用，G的值为熔体-晶体界面上晶体中的轴向温度梯度的度量。如本领域技术人员所知，G为热如何快地通过晶体除去和/或晶体如何快地冷却的度量。例如，对于给定的晶体冷却配置，较低的G值可表示存在提高晶体的拉引速率的另外空间。对于给定的配置，界面高度为熔体线与熔体-晶体界面的最上部分之间的竖直距离的度量，并且可用作晶体如何热的直接度量。在一些情况下，较深的界面可表示由于较高的晶体温度，存在提高晶体拉引速率的较小空间。
如图4所示，包含帽堰208的坩埚200还可包括从帽堰208径向向外布置的第二堰408。尽管第二堰408显示为从帽堰208径向向外，在其它实施方案中，第二堰408可从帽堰径向向内布置。第二堰限定外部熔体补充区212与熔体202的生长区210之间的互连区411。
无论是固体还是液体形式，在221处加入坩埚的外部熔体补充区212中的原料应当在它达到中心生长区210中以前完全熔融，否则中心生长区210中的小颗粒，特别是未熔融的硅原料的氧化物可能本身附着在生长锭上并导致位错。因此，原料熔融的额外时间由通过外部熔体补充区212、通过通路414和互连区411的原料提供。另外，生长区210中的熔体不含大的局部温度波动，所述局部温度波动可能导致生长晶体204中的位错。在该实施方案中，选择第二堰408在基本不干扰改进流路215的高度处。第二堰408的高度可以为与帽堰208相同高度、更高或更短，在一些实施方案中，第二堰408包括类似于帽部分207的帽部分。类似地，帽堰以一定直径分级，使得第二堰基本不干扰改进流路215。
上文详细描述了用于连续Czochralski方法中改进的晶体生长的设备、系统和方法的示例实施方案。设备、系统和方法不限于本文所述的具体实施方案，而是，系统和设备的组件和/或方法的步骤可与本文所述其它组件和/或步骤独立且分开地使用。例如，方法还可与其它晶体形成系统、方法和设备组合使用，且不限于仅用本文所述系统、方法和设备实行。而是，示例实施方案可以与许多其它应用相关执行和使用。
当介绍本发明的元件或其实施方案时，冠词“一个/一种(a/an)”、“该”和“所述”意欲指存在一个或多个该元件。术语“包含”、“包括”和“具有”意欲为包括性的且意指可能存在不同于所列元件的其它元件。
由于可不偏离本发明的范围而做出上文的各种变化，意欲以上描述中包含和附图中显示的所有主题应当理解为说明性而不是限定性意义。

Claims (21)

1.用于通过Czochralski方法生长锭的设备，其中锭在由结晶原料补充的一些熔融硅中从熔体/晶体界面生长，所述设备包含：
限定配置用于使吹扫气体围绕生长锭循环的腔的生长室；
在生长室中提供且配置用于保持熔融硅的坩埚；
安装在坩埚中并配置用于将熔融硅分离成围绕熔体/晶体界面的内部生长区与配置用于接收结晶原料的外部区域的堰，堰包含至少一个竖直延伸的侧壁和基本垂直于侧壁延伸的帽。
2.根据权利要求1的设备，其中帽从至少一个侧壁径向向内延伸。
3.根据权利要求1的设备，其中帽从至少一个侧壁径向向外延伸。
4.根据权利要求1的设备，其中帽从至少一个侧壁径向向内和径向向外延伸。
5.根据权利要求1的设备，其进一步包含具有至少一个竖直延伸的侧壁的第二堰，且第二堰从堰径向向外布置。
6.根据权利要求5的设备，其中堰具有比第二堰更低的高度。
7.根据权利要求1的设备，其进一步包含具有至少一个竖直延伸的侧壁的第二堰，且第二堰从堰径向向内布置。
8.根据权利要求1的设备，其中堰由石英制成。
9.根据权利要求1的设备，其进一步包含至少一个加热器以加热坩埚。
10.连续Czochralski晶体生长方法，其中一个或多个晶体锭在生长室中从包含由原料补充的熔融结晶材料的坩埚中限定的熔体/晶体界面拉引，所述方法包括：
使用堰将熔融结晶材料分离成围绕熔体/晶体界面的内部生长区和用于接收原料的外部区域，其中堰包括帽；
惰性气体与堰和熔体接触地流动使得从熔体释放的一氧化硅气体的分压在最大堰腐蚀点处提高，惰性气体以在帽下流动的方式引导。
11.根据权利要求10的方法，其中使惰性气体流动包括使氩气流动。
12.根据权利要求10的方法，其进一步包括使用接近坩埚的至少一个加热器加热坩埚。
13.根据权利要求10的方法，其进一步包括操纵室内的压力以将一氧化硅气体抽空。
14.根据权利要求13的方法，其中操纵压力包括使用真空装置。
15.根据权利要求10的方法，其中最大堰腐蚀点为沿着熔体/晶体界面的点。
16.用于通过Czochralski方法生长锭的系统，其中锭在由结晶原料补充的一些熔融硅中从熔体/晶体界面拉引，所述系统包含：
限定配置用于使吹扫气体围绕生长锭循环的腔的生长室；
在生长室中提供且配置用于保持熔融硅的坩埚；
用于提供结晶原料的进料供应；
用于加热结晶原料和熔融硅的加热器；和
支撑于坩埚中并配置用于将熔融硅分离成围绕熔体/晶体界面的内部生长区与配置用于接收结晶原料的外部区域的堰，所述堰包含至少一个竖直延伸的侧壁和基本垂直于侧壁延伸的帽。
17.根据权利要求16的系统，其中帽从至少一个侧壁径向向内延伸。
18.根据权利要求16的系统，其中帽从至少一个侧壁径向向内和径向向外延伸。
19.根据权利要求16的系统，其进一步包含具有至少一个竖直延伸的侧壁的第二堰，所述第二堰从堰径向向外布置。
20.根据权利要求19的系统，其中堰具有比第二堰更低的高度。
21.根据权利要求16的系统，其中堰包含石英。
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