CN1051207A - 制造硅单晶设备 - Google Patents

Abstract

在一种连续装入原料类型的硅单晶制造设备中， 设有一个隔件将石英坩埚内的熔体分成单晶生长区 和材料熔化区，还有一个将该材料熔化区上方遮盖起 来的金属持热板。该金属持热板用来防止隔件内侧 上硅熔体凝固，并防止硅单晶过冷。金属持热板厚度 为3mm或更薄，而其材料为钽或钼。再者，该持热 板包括具有多个开孔的直体部位，用来调节单晶温 度。

Description

本发明涉及引上法制造硅单晶的设备。

在大规模集成电路LSIs领域中。一直存在着逐年增大单晶直径的要求。近来，绝大多数的现代装置使用直径6英寸的晶体。据信不久的将来需要直径为10英寸或更大如12英寸的晶体。

引上法（CZ法），就制备晶体而言包括两种设计思想，第一种是该方法中坩埚是旋转的，第二种是该方法中坩埚不旋转。目前所有用于大规模集成电路的CZ晶体制备时，皆让坩埚逆着晶体转动方向来旋转，且坩埚主要由其侧面的电阻加热器来加热。尽管作了许多努力，然而直至目前，尚未用不转动坩埚或者用其他非上述的加热方式制出直径超过5英寸的晶体，而且用上述方式将来也制不出来。原因在于，坩埚不转动;或用其他非上述的加热方式例如电磁感应加热方式或者施于坩埚底部的电阻加热方式，对晶体生长而言，不可能获得完全集中的温度分布。晶体生长对温度极为敏感。

旋转坩埚的CZ法中（此后称为常规CZ法），坩埚的旋转和侧面电阻加热引起硅熔体的强烈对流，并使熔体被令人满意地搅动。因此，该方法对大直径的单晶生长是合乎需要的。换言之，这就能够得到均匀的、但对晶体又是完全集中的熔体表面温度分布。所以，本发明是建立在常规CZ法基础上的。如前所述，常规CZ法和其他CZ法之间的硅熔体流动有着显著不同。这种不同又导致两种方法间晶体生长条件的不同。随之，这两种方法使得单晶炉中部件的功能方面明显不一样。这两种方法就其对晶体生长的基本设计思想来说，全然不同。

在采用常规CZ法的情况下，坩埚中硅熔体的量随着晶体生长而减少。这样一来，晶体生长时，晶体内掺杂物的浓度增高而氧浓度下降。换言之，晶体的性能沿其生长方向而改变。鉴于对LSIs的密度和对硅单晶的质量要求同步增长的趋势变得一年比一年更迫切的实际情况，这个问题必须加以解决。

作为解决此问题的手段，可从老方法中获得，老方法中，按照常规CZ法，在石英坩埚内部用一个园筒型的石英隔件分开，该隔件上有一个或多个通孔以使硅熔体能借以穿过来供料，并且使园柱型硅单晶得以在该隔件内侧生长，而使硅原料加在该隔件外侧（如日本专利公开JP40-10184，第1页20-35行）。正如在待批的JP62-241889第2页12-16行指出的，该方法的主要问题是在隔件上向其内侧方向会发生硅熔体凝固30的倾向（见图7）。这是由下列因素引起的。例如，从用于光导纤维的石英应用中可看出，石英隔件可通过辐射方式有效地传导热。硅熔体中的热以光的形式向上穿过隔件而被传导出去，且从隔件部位散失的热来自于暴露的硅熔体表面。

因此，在该隔件附近的熔体温度明显降低。还有，按常规CZ法，由于强烈的熔体搅动，熔体表面温度不仅均匀而且还恰恰略高于该熔体的凝固温度。将这些因素综合起来，与隔件相接触的熔体表面就处于非常倾向产生凝固体30的状态。为克服这一缺点，待批的JP62-241899提出了一种不用隔件的方法。然而因材料熔化区所限，从而使熔化材料的能力变得极低，该方法一直未付诸实际应用。

按前述常规技术，当控制单晶而同时又连续将硅颗粒馈入坩埚时，会遇到下列问题：

（1）在将坩埚分为硅粒熔化区和单晶拉制区的情况下，自隔件内侧产生熔体凝固的倾向。那么，一旦发生凝固，它就会持续生长，以致阻凝正常的单晶生长。

（2）为解决前一段所述问题，如果将隔件和材料熔化区用一块确保大量的热在其表面内传递的持热板遮盖起来，则欲被拉制的单晶本身就被该持热板冷却。结果，晶体的温度梯度就会偏离使晶体能进行生长的温度区，如此也就危及了正常的晶体生长。

（3）在硅单晶拉制期间，熔体温度非常接近硅的熔点，此外，如将温度接近室温的硅粒连续加入，则硅粒并未全熔，因而以固态浮在熔体表面，从而使熔体凝固，并且以硅粒为核来生长。

为此，本发明的目的就是提供一种改进的硅单晶制造设备，其中将隔件及位于隔件外侧的材料熔化区用一块厚度小于3mm的金属持热板盖住。

钽和钼是用作金属持热板的材料。并且在其直体部位上有多个开口。

这种结构具有下列防止作用：

（1）在将坩埚分成材料熔化区和单晶生长区的场合下，防止熔体自隔件的内侧壁上凝固。

（2）在隔件及材料熔化区被一块能使大量的在其板表面内进行热传递的热板盖住的情况下防止对正常晶体生长的阻碍。

（3）防止熔硅在材料熔化区中凝固。

例如，作为一种方式，防止（1）材料熔化区的硅熔体凝固和防止（2）隔件内侧熔体的凝固，在将坩埚分成材料熔化区和单晶生长区的情况中，用一块持热板将隔成材料熔化区和单晶生长区的隔件以及材料熔化区的上方遮盖起来，这是可以想象到的。由于通常将碳质材料用于硅单晶生产的热区结构元件，所以首先考虑将它用作持热板的材料。

然而，在此情况下，从强度考虑此材料厚度至少为5mm。结果，在该板表面内的热传递增大。换言之，增大了自熔体上方持热板的高温区向保持在低温的上部持热板所传递的热量，该低温是由水冷炉壁和持热板上表面的辐射所致。换句话说，紧靠着熔体上方持板的热量因在该板中的热传递而迅速散失，而这热量对于晶体生长至关重要，结果，这部位的温度最多只能达到约1000℃。

因此，在持热板预防结构对隔件及材料熔化区具有持热作用的同时，它也具有对晶体的强致冷却作用。

按照本发明，用作持热板的材料是一种金属，并且其厚度在3.0mm或更薄的范围内选择。换言之，使用金属，可使持热板的厚度小于3.0mm。结果，与碳质材料相比，持热板的板表面内传递的热量大大减少。这样，熔体上方该板的温度可超过1300℃，并且上述的因该板所引起对晶体冷却的作用也降低了。与不采用持热板的情况相比，根据不同情况，在固一液界面的晶体温度梯度可有所下降。计算机模拟表明，与不用持热板的情况相比，在该板的厚度减至1.5mm以下，并以钽为制板材料时，固一液界面的晶体温度梯度可被减小。

还有，提高熔体上方的持热板的温度，就能增强对隔件及材料熔化区中硅熔体的持热作用。换言之，就能更好地实现设置持热板的第一个目的，即，防止（1），在材料熔化区和单晶生长区互被分隔的情况下，防止熔体自隔件的内侧凝固;防止（2）材料熔化区中熔硅的凝固。

钽或钼作为制造持热板的金属材料是特别合适的。原因是在1400℃以上的高温时其强度很高，而且与其他金属相比，在温度超过1400℃时它们与SiO的反应性很低。由于在晶体生长炉中存在着高温的SiO气体，所以钽或钼与SiO的低反应性是将其用作热区结构元件的合适的条件。

再有，在金属持热板直体部位上的开口具有调节冷却晶体速度的能力，并且创造一个使晶体生长的适宜环境。

图1是示意地展示本发明的一种实施方案的纵剖面图。

图2是沿Ⅰ-Ⅰ线所作的剖面图。

图3是隔件实施方案的侧视图。

图4是金属持热板实施方案的侧视图。

图5是展示粒状硅的熔化时间与偏离硅熔点的温度之间的关系曲线。

图6（A）和6（B）分别是金属持热板的另一种实施方式的透视图和侧视图。

图7是表示硅在隔件上凝固的示意图。

图1示意地展示本发明实施方案的剖面图，而图2是沿图1中的Ⅰ-Ⅰ线取的剖面图。在这些图中，1是装在石墨坩埚2中的石英坩埚。石墨坩埚2可垂直移动还可转动，支撑在支架3上。4是盛在坩埚1中的熔融原料，生长成圆柱形的单晶5从熔体被旋转提拉出来。6是环绕石墨坩埚2的电阻加热器，而7是环绕加热器6的热区绝热装置。这些元部件都装在室8中。上述结构基本上与按照引上法构成的常规硅单晶制造设备的结构相同。

11是用高纯度石英制成的，并设置在坩埚1中心部的隔件。如按照用图3实施例所示，沿该件11的高度方向，基本上低于其中线部位，开有一个或多个小孔。这样，在隔件11外侧（此后称为材料熔化区B）的熔硅仅能通过小孔12流畅地流到隔板件11的内侧（此后称为单晶生长区A）。

9是开在室8中的开口，它位于材料熔化区B的上方。牢固地插在开口9中的是一台输入粒状或块状硅（此后称作粒状硅）的给料器13，给料器13的下端位于材料熔化区B中熔硅表面的上方。给料器13连续地将粒状硅输在材料熔化区B上。

如图4所示，17是由厚度为0.5mm钽板构成的金属持热板。金属持热板以其外园边缘部位支撑在热区绝热装置7上，并且这样的布置就封闭了隔件11和材料熔化区B。金属持热板17的底部（内缘部分）靠近熔体表面（在该实施方案中，此距离约为10mm）。这样作的目的是为防止在隔件11的内壁上的熔体产生凝固，并以此提高对材料熔化区B中熔硅的持热作用。

18是开在与温度探测器14相应部位的开口，19是硅粒的给料通道16的开孔。

结合上述结构，描述本实施方案的运行。熔硅4盛在坩埚1中隔件11的内侧和外侧，并且在其内、外侧上的熔硅表面处于同一水平。现在，籽晶浸在单晶生长区A中的熔体表面，然后随着旋转将它逐渐提拉。此时，随着固一液界面上的凝固进行晶体生长，得到园柱状硅单晶5。在这段时间内，硅粒16连续地从给料器13输到材料熔化区B中的熔硅表面上，以使硅粒16借助材料熔化区B中的熔硅而被熔化。熔硅穿过隔件11上的小孔12流畅地流到单晶生长区A中，借此一直保持熔硅4的恒定的水平面。同时，隔件11阻止了因将硅粒馈于材料熔化区B中的熔硅表面而引起的波动。这样，这些波动就不会扩散到单晶生长区A中。

注意将原料给料器的下端置于硅熔体表面上方而不是将其浸在硅熔体中，以使粒状硅16落在熔硅表面上，其理由是令硅粒16浮在熔化材料区B整个面积的硅熔体表面上，以使其在材料熔化区的整个面积上熔化。

另外，温度检测结果表明下列事实。为了提拉正常的硅单晶同时防止连续加入粒状硅引起熔硅的凝固，并且还防止该熔体自隔件的内侧发生凝固，材料熔化区B中硅熔体温度必须比硅熔点至少高出12℃（见图5）。通过设置金属持热板17，这些条件很容易达到。另外还有防止晶体的任何过冷以及确保正常的晶体生长的效果。

上述的实施方案展示了将单台给料器13用来把粒状硅16连续地加在材料熔化区B中熔硅表面上的情况。然而也可以设置两台或多台给料器13。

再者，除上述实施方案外，晶体和持热板的热输运模拟可通过数学计算得出。结果示出，在材料是钽而且持热板的厚度为3mm的情况下，固一液界面上的晶体温度梯度与不采用任何持热板的情况基本相同。因此，将可看到为使正常的晶体生长成为可能，则必选择3mm或更薄的持热板厚度，即使持热板是金属的，其厚度最好是0.05mm或稍厚。

现在参看图6A和6B，其中说明金属持热板的另一种实施方案的透视图及侧视图。在金属持热板17的直体部位上有多个开孔20。设置这些开孔为的是调节晶体的冷却程度。换言之，可使石墨坩埚2内壁的高温辐射通过开孔20直接到达晶体。结果，调节开孔的面积则导致对晶体冷却程度的调节。为调节晶体的冷却程度而改变开孔的面积，与变更持热板的厚度和材料是等效的，而这样作是很简单的。

按照这一实施方案，具有多个开孔20并且厚度为0.3mm的持热板（图6A和6B）被用于图1所示的硅单晶制造设备。若使用金属持热板17，开孔面积与直体部位的表面积之比为30%，且材料为钼。这样制造6英寸的硅单晶就可得以保证。

还有，在图6A和6B的实施方案中，开孔20为园形，但它们并不限于园形。此外，即使开孔20为设在金属持热板下端成切缝状也并非想不到。

本发明具有以下效果。

本发明具有持热板。其材料为金属而且其厚度选择为小于3mm，借此防止在隔件内侧面上的熔体于其上发生凝固。另外，还可将固化界面上的晶体的温度梯度降到与不用持热板的情况下大致相同的程度。还有，材料熔化区中硅溶体温度被保持在高于硅熔点12℃的温度，借此就防止了材料熔化区中硅熔体的凝固。结果则确保正常的硅单晶提拉。所以，本发明的工作具有使晶体沿拉制方向的质量均匀性得到保证，从而实现提高产量，增大产率等等。

还有就是，金属持热板上的开孔起到调节冷却晶体程度的作用，从而确保晶体处在适当的环境。

Claims (3)

1、一种硅单晶制造设备，包括：一种转动型的，盛有硅熔体的石英坩埚；

一个用于在所述石英坩埚侧面将其加热的电阻加热器；

一个用于在所述石英坩埚内的所述硅熔体分成单晶生长区和材料熔化区的石英隔件，在所述隔件上有至少一个开孔用于使硅熔体通过；

用于向所述材料熔化区连续馈入原料硅的原料给料装置，及：

厚度为3mm或更小，并用来遮盖在所述的隔件及所述隔件外侧的材料熔化区上方的金属持热板。

2、根据权利要求1的硅单晶制造设备，其中所述的金属持热板用钽或钼制成。

3、根据权利要求1或2的硅单晶制造设备，其中所说的金属持热板包括具有多个开口的直体部位。

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