CN108495955A - 用于由富氧半导体材料结晶晶锭的炉子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于由半导体材料结晶晶锭(14)的炉子，该炉子包括：具有对称轴线(z)并且旨在容纳半导体材料的熔体(10)的坩埚(11)；用于沿与坩埚(11)的对称轴线(z)共线的方向从半导体材料的熔体中拉制晶锭的系统(36)；由含氧材料形成的零件(12)，所述零件(12)包括具有与坩埚(11)的对称轴线(z)共线的轴线的至少一个环段，坩埚(11)和零件(12)被安装成能够执行平行于坩埚的对称轴线(z)的相对平移运动；以及围绕坩埚(11)的对称轴线(z)定位并安装成能够借助于平移系统平行于坩埚的对称轴线平移的隔热护罩(38)。零件(12)固定在隔热护罩(38)的平移系统上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于由富氧半导体材料制造晶锭的方法和用于形成这种晶锭的结晶炉。
背景技术
切克劳斯基法(Czochralski)是一种常用于形成单晶硅锭的技术。它包括在坩埚中熔化一定量的称为炉料或炉块(mass)的硅，并从单晶籽晶中结晶硅。首先将以待形成的晶体的晶轴取向的籽晶浸入硅熔体中。然后旋转并缓慢向上拉动。因此，固体硅锭通过从熔体进料而逐渐生长。
硅熔体含有大量的氧。这种氧可能来自坩埚，通常由石英或二氧化硅制成，因为由于温度的影响和/或来自硅炉料(即处于其固态的硅)部分溶解在熔体中。在晶锭结晶过程中，熔体中含有的大部分氧(约99％)通过惰性气体的流动来搅拌逸入结晶炉的气氛中。一小部分(大约1％)的氧被结合到晶锭中。结合到晶锭中的氧的量取决于拉制方法的许多参数，特别是取决于晶锭被拉制的速度、坩埚和籽晶的转速以及炉壳中的压力。
尽管掺入到晶锭中的氧含量低，但氧通常是由Cz型硅(1017至2.1018个原子/cm3之间)制成的晶锭中具有最高浓度的杂质。氧以间隙形式存在，即氧原子占据硅晶格中的间隙位置。尽管间隙氧不具有第一级的电或机械活性，但其仍具有高度的反应性并可能形成明显影响硅的电和机械性能的缺陷。举例来说，在350℃和500℃之间的温度下，间隙氧形成被称为热双施主(TDD)的附聚物，其通过产生自由电子来改变硅的电阻率。在较高的温度下，间隙氧参与形成用于捕集硅中存在的金属杂质的二氧化硅沉淀物。因此可以获得吸气效应。
这些基于氧的缺陷的形成与硅中氧的浓度密切相关。因此，为了充分利用这些缺陷或者另一方面限制它们在半导体器件中的影响，有必要控制硅中的氧浓度。
为了实现这一点，已经开发了用于控制晶锭中的氧浓度的方法。这些方法中的大多数涉及通过作用于拉制方法的参数(在炉壳中的惰性气体压力和流动，坩埚和籽晶的旋转速度等)来加重或限制氧掺入晶锭中的现象。然而，这些方法以相同的方式改变硅中其他杂质的掺入比例，特别是源自硅炉料的金属杂质。因此，当晶锭中的氧浓度增加时，金属杂质的浓度也增加。高浓度的金属杂质可能会损害半导体器件的运行。这些方法而且是经验性的，并且在优化之前需要大量的试验。
专利US4545849描述了一种用于增加晶锭的氧浓度的方法，目的是使该浓度沿着晶锭保持均匀。环形的二氧化硅零件(SiO2)固定在坩埚的底部并浸入硅熔体中。由于温度的影响，此零件溶解并释放其所含的氧。
然而，该方法不能控制在晶锭结晶过程中氧浓度的增加，因为二氧化硅零件的溶解取决于熔体的温度和二氧化硅零件的形状，这两者都是固定的。
发明内容
本发明的目的是控制由半导体材料制成的晶锭在结晶过程中氧的富集。
根据本发明的第一方面，该目的通过提供一种用于制造晶锭的方法来实现，其包括以下步骤：
-在具有对称轴线的坩埚中制备半导体材料的熔体；
-将籽晶浸入半导体材料的熔体中；
-通过沿与坩埚的对称轴线共线的方向拉动籽晶从半导体材料熔体中结晶晶锭；
并且在晶锭结晶步骤期间进行以下操作：
-将由含氧材料制成的零件的至少一部分浸入半导体材料的熔体中，该零件包括具有与坩埚的对称轴线共线的轴的至少一个环段。
浸入半导体材料熔体中的零件部分的高度在晶锭结晶期间变化，从而在晶锭的每个部分中达到目标氧浓度。
因此，如在专利US4545849的方法中那样，将环形零件浸入半导体材料的熔体中以提供氧的补充添加。这零件是由一种包围氧原子的材料制成的，如石英或二氧化硅。
与现有技术的方法不同，根据本发明的制造方法允许通过增加或减少熔体和含氧零件之间的接触表面来控制熔体的氧的富集以及因此晶锭的氧的富集。由于可浸入熔体的零件的深度可以改变，因此实现了表面积的这种变化。零件的浸入部分的高度，换句话说，零件浸入熔体的深度取决于希望在正在进行结晶的晶锭的部分中获得的氧的浓度。
该环的内径优选为坩埚内径的70％至95％。换句话说，该零件布置在坩埚的周边处，其对称轴线对应于晶锭的拉制轴线。因此，该零件对坩埚中心处的熔融硅的对流的影响有限，并因此对晶锭的结晶产生有限的影响。
有利的是，该零件包括围绕晶锭以环形方式(不连续的环)布置的多个环段，或者由完整的环(即连续的环)形成。这种环(连续的或不连续的)围绕所形成的晶锭同轴地布置的事实保持了半导体材料的熔体的均匀性并确保氧浓度在晶锭的直径上是对称的。
在制造方法的优选实施方式中，该零件的横截面具有以平行于坩埚的对称轴线的方向上指向坩埚底部的尖端。这种特定的几何形状允许当零件插入熔体时减少半导体材料的熔体中的扰动，并且允许熔体中的附加的氧逐渐变化。因此对晶锭中的氧浓度的控制更精确。
根据本发明第一方面的发展，该制造方法还包括以下步骤：
-根据零件浸入熔体的深度确定给出零件和半导体材料的熔体之间的接触表面积的关系；
-给定晶锭的基本氧浓度，对于晶锭的每个部分计算要达到目标氧浓度的氧浓度的增量；以及
-根据给出接触表面积和从坩埚和半导体材料熔体之间的接触表面积的关系，确定在晶锭的每个部分结晶过程中该零件被浸入其中的深度与对应于所述部分的氧浓度的增量之间的关系。
进行富集氧的晶锭的基本氧浓度有利地通过结晶参考晶锭并通过测量沿参考晶锭的氧浓度来确定。
根据本发明的制造方法还可以具有下面的一个或多个特征，单独考虑或者以所有技术上可能的组合：
-在结晶步骤期间，以相同的旋转方向和相同的旋转速度下使坩埚和零件旋转；
-坩埚和零件由相同的含氧材料制成；
-晶锭的直径在坩埚内径的20％和45％之间。
本发明的第二方面涉及一种结晶炉，该结晶炉允许半导体材料的晶锭在其制造过程中的氧浓度得到控制。
该炉子包括以下元件：
-具有对称轴线并且旨在容纳半导体材料的熔体的坩埚；以及
-用于沿与坩埚的对称轴线共线的方向上从半导体材料的熔体拉制晶锭的系统；以及
-由含氧材料制成的零件，所述零件包括具有与坩埚的对称轴线共线的轴线的至少一个环段。
坩埚和零件进一步安装成能够执行平行于坩埚的对称轴线的相对平移运动。
该环的内径优选为坩埚内径的70％至95％。
在结晶炉的一个优选实施方式中，该零件被安装成平行于坩埚的对称轴线平移。
有利的是，该零件还被安装成围绕坩埚的对称轴线旋转。
最后，炉子还可以包括围绕坩埚的对称轴线布置并且被安装成借助于平移系统平行于坩埚的对称轴线平移的隔热护罩。然后环形零件有利地固定在隔热护罩的平移系统上。
附图说明
本发明的其它特征和优点将从以下给出的描述中变得清楚，所述描述通过举例且非限制性的方式参照附图给出，其中：
-图1A和1B示出了根据本发明的第一方面的使用富氧零件的晶锭制造方法；
-图2示出了在制造方法的优选实施方式中使用的富氧零件的具体几何形状；
-图3是根据本发明第二方面的结晶炉的横截面图；
-图4和5示出根据本发明的第二方面的允许富氧零件在结晶炉中移动的平移系统的实施方式；
-图6至9示出根据本发明的制造方法使用富氧零件控制氧浓度的示例性实施方式。
为了更清楚起见，在所有附图中相同或相似的元件由相同的附图标记标识。
具体实施方式
图1A和1B示意性地表示用于制造由半导体材料制成的富氧晶锭的方法的步骤。这些图更具体地示出了对晶锭中的氧浓度进行控制的方式。
在图1A所示的第一步骤中，首先制备半导体材料的熔体10。将半导体的固体炉料，例如硅，放入坩埚11中，然后熔化。坩埚11的整体形状为一端由底座封闭的圆柱体，并具有垂直对称轴线z。
坩埚11相对于硅熔体10构成第一氧源，因为它通常由二氧化硅(SiO2)或石英制成。石英是一种主要含有二氧化硅的材料，含有痕量的各种元素或化合物，如Al、Li、B、Fe、Mg、Ca、Ti、Rb、Na和OH。由于温度的影响，坩埚11以1μg/cm2/s的量级缓慢溶入硅熔体10中。因此，硅熔体10结合氧和包含在坩埚11的材料中的任何其他杂质。硅的固体炉料还可以包含包括金属和氧的杂质。
在图1B的步骤中，在硅炉料完全熔化之后，将籽晶13浸入坩埚11中心处的熔体10中。该操作具有启动从熔融硅中结晶晶锭14的效果。然后，如图1B所示，通过使籽晶13沿着z轴的方向远离坩埚11移动而继续晶锭14的结晶。因此，坩埚的对称轴线z也对应于晶锭14的拉制轴线。
该制造方法设想在结晶步骤期间使用第二氧源以增加硅熔体10中的氧浓度。该第二源优选地由呈环形的零件12组成，如图1B所示。可替代地，零件12可以仅包括环的一部分或一段，或者甚至可以包括围绕z轴布置的同一环的几个段。因此，当多个环形段环形地布置时，零件12可以呈连续(图1B)或不连续(未示出)环的形式。坩埚11和零件12是同轴的，也就是说，环的轴线与坩埚的对称轴z重合。
零件12浸入硅熔体10中的深度h在结晶过程中是变化，这取决于在晶锭的每个区或部分中希望达到的氧浓度。零件12浸入熔体10中的深度越深，零件与熔体之间的接触表面积越大，并且加入到熔体10中的氧的量越大。由于熔体10的氧然后被结合到晶锭14中，后者将含有更多的氧。换句话说，改变深度h可以调节晶锭中氧浓度的增加。
取决于氧需求，零件12可以部分或完全浸入。深度h代表硅熔体10的表面与位于熔体表面下面的零件12的下端之间的距离。直到零件12的上端也被浸入，深度h等于零件浸入部分的高度。术语“高度”用于平行于坩埚的对称轴线z测量的尺寸。零件12的上端优选不下降到熔体10的表面下方。
零件12有利地由与坩埚11相同的材料形成并且优选由二氧化硅或石英形成。这些材料是优选的，因为它们含有低水平的不需要的杂质(即除氧以外)。金属杂质的浓度例如在石英的坩埚中约为10ppm(百万分之几)。浸入熔体中的零件的表面积与坩埚和液体熔体之间存在的接触表面积相比更小。因此，由零件12添加的除氧以外的杂质的浓度可忽略不计。
尽管它位于熔体10的表面，但由于环的内径有利地在坩埚11内径的70％和95％之间，所以零件12不显著干扰晶锭14的结晶。零件12在坩埚11的周边处远离晶锭14定位。通过比较，晶锭14的直径在坩埚内径的20％和45％之间。例如，坩埚11的外径为508mm(即20")，坩埚11的内径为488mm，环的内径为360mm，并且可以在这个坩埚结晶的晶锭的直径在152.4mm和228.6mm(6"-9")之间。
零件12的(连续或不连续的)环形允许保持硅熔体的均匀性，特别是相对于氧浓度。因此，晶锭14的直径上的氧浓度分布是对称的。该形状还允许零件12围绕z轴旋转而不会在熔体中产生过多的湍流。
零件12有利地表现出相对于z轴的旋转对称性。因此其横截面积在环的整个圆周上是恒定的。在图1A和1B的例子中，该横截面是矩形的，因为该环是直的空心圆柱体。正方形或圆形(即环形)横截面环也是可能的。
图2示出在制造方法的优选实施方式中使用的零件12的另一特别有利的几何形状。这里该环具有在由z轴分隔的每个半平面中呈现尖端20的横截面。该尖端20沿着平行于z轴的方向21指向坩埚的底部。由于该尖端，零件12在进入硅熔体时引起很小的湍流。随着尖端被进一步插入熔体中，这也允许氧的浓度逐渐增加。所添加的氧量因此可以覆盖当尖端即将进入熔体时的0和当零件12完全浸入熔体中时的最大值之间的整个值范围。
零件12的横截面还可以包括指向坩埚底部的几个尖端，例如锯齿形式。
如图2所示，该环的横截面优选是一个等腰三角形，其主顶点形成了零件12的下端。因此等腰三角形的底面构成零件12的上表面。角度α在三角形的主顶点决定了当零件12浸入熔体中时熔体的氧浓度增加的速率。实际上，角度α越大，零件12和硅熔体之间的接触表面积随h增加而增加越快。它有利地包括在10°与150°之间。例如，如果环R1的平均直径等于21.5cm并且环R2的内径等于18cm，那么每增加1厘米高度h，接触表面积的增加对于角度α为10°为542cm2，并且对于角度α为150°为2087cm2。
三角形几何形状使深度为h的熔体的氧浓度增加为线性(至第一近似值)。实际上，被结晶的晶锭部分中加入的氧量与零件和熔体之间的接触表面积成比例，其本身与零件12的浸入部分的高度h成比例。最后，三角形形状允许大范围的被扫过的接触表面区域，并且因此允许在单零件熔体中实现高浓度的氧浓度。
图3示出了配置用于执行图1A和1B的制造方法的结晶炉30的横截面图。
该结晶炉30在被称为“罐”的外壳31中包含，被设计成保持硅炉料的坩埚11和允许该硅炉料熔化以形成硅熔体10的加热装置32。坩埚11固定在可以绕z轴旋转的支撑件33上，例如以8rpm的速度旋转。反向坩埚34可以布置在坩埚11与其支撑件33之间。加热装置32可以特别地包括面向坩埚11的侧面和底部定位的多个加热元件。
外壳31的内壁可以用绝热材料35覆盖，以便减少朝向炉子30外部的热量散失。
炉子30通常包括用于从熔融硅炉料中拉制晶锭的系统36。该拉制系统36，其在图3中仅示出了一部分，允许籽晶13与硅熔体10接触并且允许该籽晶沿z轴拉动以便提取来自熔体的硅结晶的晶锭14。拉制系统36可以进一步使籽晶13和晶锭14围绕z轴旋转，例如以10rpm的速度旋转。
炉子30还包括呈环形或环形片段形式的零件12。如关于图1A和1B所描述的，零件12围绕z轴布置在坩埚11中并且旨在用氧富集硅熔体10。坩埚11和零件12沿着z轴相对于彼此平移移动。
在炉子的优选实施方式中，零件12安装成平行于z轴平移。因此它可以相对于炉子30的外壳31移动。坩埚11也可以移动并安装成平行于z轴平移，以便补偿熔体10表面的下降。以这种方式，晶锭的结晶总是在熔体温度完全受控的区域内在炉子30中的相同高度处发生。
移动零件12被固定在占据炉子上部的平移系统37上。该平移系统37包括例如石墨棒，所述石墨棒例如通过螺旋杆以垂直运动来驱动。石墨棒延伸到坩埚11并且具有一端紧固到零件12。
结晶炉30可以配备隔热护罩38以形成屏障，以抵抗硅熔体10发射的热辐射。该护罩38通常安装成平行于坩埚11的对称轴线z相对于炉子的外壳31平移。
在炉子的一个实施方式中，环形件12有利地固定在隔热护罩38的平移系统上。因此，通过该相同的系统使零件12移动。因此可以在专门为零件12提供的平移系统37上进行储存。
图4和5示出了平移系统40的两个实施方式，该平移系统40允许隔热护罩38和零件12都浸入硅熔体中以移动。该系统40优选地被设计成不仅能够同时(竖直地)平移隔热护罩38和零件12，和还能够独立于隔热护罩38移动(竖直地)零件12。
平移系统40有利地展现出相对于z轴的对称性。为了简化起见，平移系统40因此仅在穿过对称轴z的横截面半平面的图4和5中示出。
在图4的横截面图中，平移系统40包括水平布置的第一支撑结构410，护罩38固定在第一支撑结构410上。在称为“护罩支撑件”的第一结构410的延伸中，平移系统40包括支撑延伸部420。该支撑延伸部420优选地呈现“U”形横截面。它依次包括第一水平部分421、第二部分422和第三水平部分423；护罩支撑件410固定在第一水平部分421上，第二部分422竖直延伸，即平行于对称轴线z延伸。护罩38，护罩支撑件410和支撑延伸部420以固定的方式安装在一起，即，使得它们不相对于彼此移动的方式。
平移系统40还包括称为“零件支撑件”的第二水平支撑结构440，竖直延伸的棒430和可平移移动的支撑构件450。零件12被固定在棒430的端部。零件支撑件440牢固地固定到棒430和可移动构件450。因此，一旦组装，零件12、棒430、零件支撑件440和可移动构件450之间不能相对移动。平移移动构件450具有突出部分451，突出部分451能够在支撑延伸部420的第三水平部分423内配合。
在对称构型中，护罩38、第一支撑结构410和第二支撑结构440优选为环形的(具有z轴)，其为零件12的形式。平移系统40还有利地包括两个支撑延伸部420，两个可移动支撑构件450和至少两个(优选四个)棒430，其相对于z轴对称地布置，换句话说，在炉子的每一侧上。
根据图4的平移系统40的操作如下。
最初，可移动构件450的突出部分451被装配到支撑延伸部420中。延伸部420的第三部分423在其自重下抵靠在可移动构件450的水平部分上。换句话说，可移动构件450承载支撑延伸部420。然后使可移动构件450沿坩埚方向向下平移，这具有同时降低零件支撑件440、支撑延伸部420和护罩支撑件410的效果。护罩38和零件12因此被降低，直到支撑件延伸件420的第一部分421抵靠在调节间隔件460上。该间隔件460允许护罩36与硅熔体保持预定距离。
通过继续平移运动，可移动构件450的突出部分451移出支撑延伸部420。可移动构件450沿着第二部分422在支撑延伸部420(其不可移动)滑动。这具有进一步降低零件支撑件440的效果，并且因此降低位于棒430的端部处的零件12。因此，一旦它没有延伸支撑件420，通过移动可移动构件450来独立于护罩38的高度来控制零件12在硅熔体中的浸入深度。
在晶锭结晶结束时，可移动构件450向上平移。这样，一旦突出部分451在延伸部分420的第三部分423上停止，则使得零件12首先单独地上升，然后与护罩38一起上升。
在根据本发明的第二方面的结晶炉中，调节间隔件460有利地抵抗在绝热材料35的水平部分上。该绝热材料35覆盖外壳31的内壁(参见图3)。因此间隔件460相对于炉子的外壳31固定。为了改变护罩38的下端和硅熔体表面之间的距离，可以设想不同高度处的几个调节间隔件。
在图5的实施方式中，平移系统的支撑延伸部420具有“L”形并且仅包括第一水平部分421和第二竖直部分422。可移动构件450进一步被配置为使得支撑延伸部的第二部分422可在可移动构件450内滑动。定位在可移动构件450内部的末端止动部470防止支撑延伸部420完全脱离可移动构件450。
平移系统40的该第二实施方式以与第一实施方式基本相同的方式操作。一旦护罩8已经下降并且延伸部的第一部分421与间隔件460接触，则可以继续可移动构件450的移动以进一步降低该零件12。可移动构件450然后围绕延伸部420的第二部分422滑动。
再次参照图3，在结晶期间使坩埚11和晶锭14在相反的方向上旋转。零件12也可以优选以与坩埚11相同的旋转方向和速度旋转。然后，坩埚11和零件12不再相对于彼此旋转。这使坩埚周边处的熔融硅的流动最小化，其中该流动可以到达坩埚的中心并且不利地影响晶锭14的结晶。
借助于零件12熔体10的富集是通过两种同时发生的机制实现的：一方面通过氧在零件12的材料内扩散，然后结合到硅熔体10中，另一方面通过零件12的材料溶解。然而，石英或二氧化硅中氧的扩散系数非常小(在玻璃状石英中每小时通常为0.2μm)，与溶解机制相比，扩散机制可忽略不计。
已经研究了通过溶解坩埚而在硅熔体中杂质(例如氧)富集。例如，文章["Theaccuracy of the standard resistivity–concentration conversion practiceestimated bymeasuring the segregation coefficient of boron and phosphorous inCz-Si",A.Giannattasioet al.,Phys.Status Solidi A,Volume 208,Issue 3,2011(“通过测量Cz-Si中硼和磷的偏析系数估算的标准电阻率-浓度转换实践的准确度”，A.Giannattasio等人，凝聚态物理A，2011年第3期208卷)]，解释了由石英坩埚溶解引起的熔体的氧浓度[Oi](即每单位时间的浓度变化[Oi])的时间梯度表示如下：
其中γC是坩埚在硅熔体中的溶解速度(单位为g/s/cm2)，ΣC是坩埚和熔体之间的接触表面积(单位为cm2)，fC是石英中氧的质量分数(无单位)，NA是阿伏加德罗常数(单位为mol-1)，mo是氧的摩尔质量(单位为g/mol)，V是硅熔体的体积(单位为cm3)。
通过类推，零件12在熔体中的溶解引起的熔体的氧浓度[Oi]的时间梯度被写为：
其中γp是零件12在熔体中的溶解速度(单位为g/s/cm2)，Σp是零件和熔体之间的接触表面积(单位为cm2)，fp是零件中氧的质量分数(没有单位)。
因此，对应于坩埚和零件12的累积贡献的熔体的氧浓度[Oi]的“总”时间梯度表示为：
零件12与硅熔体之间的接触表面积Σp是深度h的函数。因此，为了确定零件12必须在结晶过程中的任何时刻浸入熔体中的哪个深度，制造方法可以包括用于计算接触表面面积Σp的步骤。
根据该部分所需的目标氧浓度[Oi]tg(fs)，计算晶锭的每个分数fs的表面积Σp。晶锭的分数fs是晶锭的相对高度。它代表晶锭内的纵向位置，通常表示在0％至100％之间。
目标氧浓度[Oi]tg(fs)是希望以晶锭的分数fs达到的氧浓度。优选将其转化为该分数的基本氧浓度的百分比x，即转化为相对值。术语“氧的基本浓度”是指对于相同的坩埚、硅炉料和拉制过程，在不存在零件12的情况下获得的晶锭的氧浓度。因此，为了将晶锭的基本氧浓度提高x％(其中如果希望更多地加倍基本氧浓度，x可以大于100)，零件12对氧浓度增加的贡献[Oi]必须等于坩埚浓度的x％，因此：
或:
在零件12由与坩埚相同的材料制成的情况下，上述关系式(2)被简化为以下形式：
因此可以看出，使用相同的材料用于坩埚和零件12简化了计算并且避免了必须确定参数γC、γp、fC和fp。
知道晶锭的每个分数fs和坩埚与熔体之间的接触表面积Σc的x的值，环形件与熔体之间的接触表面积Σp可使用关系式(2')(或(2)当坩埚和零件的材料不同时)。在逻辑上，坩埚和熔体之间的接触表面积Σc取决于坩埚的几何形状和熔融硅炉料的体积。
零件12与熔体之间的接触表面积Σp是深度h的函数，其可以通过考虑零件的几何形状来确定。例如，在图2所示的零件12的情况下，接触表面积Σp(h)是：
其中R1是环的平均直径，R2是环的内径，H是环形件的总高度。
该数学公式允许根据先前为该分数计算的接触表面积Σp(fs)来确定与晶锭分数fs的结晶相对应的深度h(fs)。
通过将上述公式Σp(h)引入关系式(2')(或(2)当坩埚和零件的材料不同时)，函数h(fs)直接得到：
因此，需要计算零件12与熔体之间的接触表面积Σp以便确定深度h(fs)被消除。
图6至图9示出了用于确定在富氧晶锭A的结晶过程中图2中的零件浸入其中的深度h的步骤的示例性实施方式。在该实施例中，晶锭A根据切克劳斯基法使用直径50cm(内部)的坩埚和约60kg的硅炉料。
图6示出了沿着富氧晶锭A的基本氧浓度[Oi]s，即，晶锭A的不同部分fs的基本氧浓度[Oi]s。将基本氧浓度[Oi]s优选通过结晶参考晶锭B然后沿该参考晶锭测量氧浓度[Oi]来确定。参考晶锭B在与富氧晶锭A相同的条件下结晶，只是没有零件12被引入到硅熔体中。坩埚、硅炉料和用于结晶参考晶锭B的拉制参数与用于晶锭A结晶的那些相同。氧浓度[Oi]可以通过整个晶锭的傅里叶变换红外光谱(“全棒(whole rod)FTIR”)来测量。
因此，只有两个操作，分别是拉制和测量的操作，可以确定使用相同的拉制过程要结晶的所有晶锭的基本氧浓度。与现有技术中的一些方法不同，根据本发明的制造方法因此不需要长时间而昂贵的实验来实施。
参考氧浓度测量值分布在参考晶锭B的纵轴上的事实，图6中的曲线图40可以被称为基本氧浓度[Oi]s的“纵曲线”。图6还示出了针对晶锭A的“目标”氧浓度[Oi]tg(fs)的纵向分布41。
图7示出了作为晶锭分数fs的函数，达到晶锭A的氧浓度[Oi]tg(fs)的目标分布41所需的基本氧浓度[Oi]s的百分比x。根据以下公式，从图6的分布[Oi]tg(fs)和[Oi]s(fs)之间的差计算百分比x：
图8示出在考虑坩埚直径(50cm)和所用硅质量(60kg)的情况下，在晶锭A结晶过程中坩埚与硅熔体之间的接触表面积Σc的变化。
最后，通过使用上面的关系式(4)，分别从图7和8中所示的x和Σc的值计算晶锭A的每个部分的富氧零件的深度h。在这个例子中的零件的总高度H等于11cm，平均直径R1等于21.5cm，内径R2等于18cm。
图9显示了深度h的计算结果。
因此，使用刚描述的制造方法，可以获得具有特定分布的氧浓度的晶体硅锭。举例来说，可能希望使晶锭中的氧浓度均匀(即，恒定的[Oi]tg(fs)分布)，或者如图6所示，以实现特别高的氧浓度在晶锭的顶部(fs<30％)，其余晶锭要低得多。使硅锭中的氧浓度均匀化使其可以使用的程度最大化，因为来自该晶锭的所有晶片将符合与氧浓度有关的规格。特别是，这提高了随后用于制造半导体器件例如光伏电池的硅衬底的制造产量。例如，在晶锭的顶部具有更多的氧，通过热供体的显著形成补偿n型晶锭顶部的低含量磷掺杂(由于偏析现象)。
当目标氧浓度值[Oi]tg(图6；曲线图41)过高而不能用单个富氧零件获得时(零件12的深度h受到坩埚由熔体所占据的高度的限制)，除了第一个以外，还可以使用第二个富氧零件。例如，该第二零件将具有平坦的下端(而不是尖端)，因此从结晶开始就提供了大的接触表面积Σp。还设想使用表面是微结构而不是平坦的单个零件12，以便实现作为高度h的函数的表面积Σp的更大增加。
虽然已经描述了关于硅锭的制造方法，但其可以应用于其他半导体材料，例如锗或硅锗合金。
Claims (3)
1.一种用于由富氧半导体材料(14)结晶晶锭的炉子，包括：
-具有对称轴线(z)并且旨在容纳半导体材料的熔体(10)的坩埚(11)；
-用于沿与坩埚(11)的对称轴线(z)共线的方向上从半导体材料的熔体拉制晶锭的系统(36)；以及
-由含氧材料形成的零件(12)，所述零件(12)包括具有与坩埚(11)的对称轴线(z)共线的轴线的至少一个环段，坩埚(11)和零件(12)被安装成能够执行平行于坩埚的对称轴线(z)的相对平移运动；
其特征在于，它还包括围绕坩埚(11)的对称轴线(z)布置并且被安装成借助于平移系统(40)平行于坩埚的对称轴线平移的隔热护罩(38)，以及零件(12)固定在隔热护罩(38)的平移系统(40)上。
2.根据权利要求1所述的炉子，其中平移系统(40)被设计成同时平移隔热护罩(38)和零件(12)和独立于隔热护罩(38)平移零件(12)。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的炉子，其中零件(12)还被安装成围绕坩埚(11)的对称轴线(z)旋转。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5669298A (en) * | 1979-11-13 | 1981-06-10 | Nec Corp | Method of growing single crystal of semiconductor |
| US4497777A (en) * | 1981-04-28 | 1985-02-05 | Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha | Apparatus for producing monocrystalline silicon |
| US5471949A (en) * | 1989-09-29 | 1995-12-05 | Sumitomo Sitix Corporation | Apparatus for producing silicon single crystal |
| TWM475951U (en) * | 2013-10-30 | 2014-04-11 | Jiteli Enterprise Ltd Company | Egg yolk oil encapsulation structure capable of preventing heart disease |
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5669298A (en) * | 1979-11-13 | 1981-06-10 | Nec Corp | Method of growing single crystal of semiconductor |
| US4497777A (en) * | 1981-04-28 | 1985-02-05 | Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha | Apparatus for producing monocrystalline silicon |
| US5471949A (en) * | 1989-09-29 | 1995-12-05 | Sumitomo Sitix Corporation | Apparatus for producing silicon single crystal |
| TWM475951U (en) * | 2013-10-30 | 2014-04-11 | Jiteli Enterprise Ltd Company | Egg yolk oil encapsulation structure capable of preventing heart disease |
| CN104726930A (zh) * | 2015-03-13 | 2015-06-24 | 西安交通大学 | 一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置 |
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