CN1098938C - 拉单晶装置 - Google Patents

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Abstract

一种拉制硅或砷化镓等半导体单晶的拉单晶装置，包括：气密容器，容器内的坩埚，加热器，和一对在半导体熔化物中施加会交磁场的线圈。一圆筒形隔离体把坩埚分为供应并熔化源材料的外区域和拉单晶的内区域。内外区域在隔离体底部连通。反向电流加于一对线圈，在熔化物内产生会交磁场，该磁场包含相对于坩埚的、定位在连通通道位置的垂直部分，和定位在熔化物表面下的水平部分，可减小熔化物的流速并抑制其对流。获得高质量的半导体单晶。

Description

拉单晶装置
本发明涉及一种用来从装于双坩埚里的半导体熔化物中拉制半导体单晶的拉单晶装置。
CZ生长技术是目前用来生长如硅(Si)或砷化镓(GaAs)等半导体单晶的已知方法中的一例。因为这种CZ生长技术容易生长无位错或具有极少晶格缺陷的大直径、高纯度单晶，它已广泛用于生长各种半导体晶体。
最近几年，对大直径和高纯度单晶、以及氧浓度和杂质浓度均匀分布的要求增加，已开发出各种CZ生长技术的改进方法和设备来满足这些要求。已提出的上述CZ生长技术的一种改进是在外加磁场条件下的CZ生长。这种技术提供一种极好的生长单晶的方法，所生长的单晶具有良好的无滑移比例(slip-free ratios)，而且通过给坩埚内的半导体熔化物加磁场来抑制半导体熔化物的对流，使之具有优良的控制氧浓度的能力。
改进的CZ生长技术的另一个例子包括一种装置，该装置中使用在坩埚内设置圆筒形隔离体的双坩埚，隔离体上提供有用来连通隔离体内区域和外区域的连通通道，在源材料连续供应到隔离体的外区域的同时从隔离体的内区域拉制半导体。
在上述改进的CZ生长中，半导体熔化物通过隔离体所具备的连通通道供应到隔离体的内区域，如果通过连通通道的半导体熔化物的流速过高，就有这样的危险，即在用来供应源材料的外区域中产生的空位源(一种将产生空位，即一种晶格缺陷的物质)会扩散进双坩埚的内区域里的熔化物中，因此阻碍半导体单晶的正常生长。
因此，为了稳定所生产的半导体单晶的质量，控制通过连通通道的半导体熔化物的流速是很重要的。
考虑上述问题，本发明的目的是提供一种拉单晶装置，能通过降低连通通道内半导体熔化物的流速来稳定半导体单晶的质量。
本发明的拉单晶装置使用置于气密容器内的双坩埚，通过在坩埚内安装圆筒形隔离体将坩埚分成外区域和内区域构成该双坩埚，半导体熔化物装于坩埚的外区域，从坩埚的内区域里的熔化物中拉制半导体单晶。本发明的拉单晶装置的特征是：在圆筒形隔离体中形成用来连通坩埚的外区域和内区域的连通通道，在气密容器的外面安装用来施加会交(cusp)磁场的装置，该装置设置为使基本水平的磁场位于半导体熔化物的表面下，使基本垂直的磁场位于隔离体的连通通道处。
通过使用上述施加会交磁场的装置，使基本垂直的磁场大体垂直地穿过流经连通通道的半导体熔化物流。磁场从滚动的熔化物穿过会抑制流经连通通道的半导体熔化物的流速。另外，加在半导体熔化物表面下的基本水平的磁场会抑制半导体熔化物内的对流。由此，可以改善半导体单晶的质量，特别是，可以抑制内坩埚出现空位。
图1是表示本发明的拉单晶装置的优选实施例的示意图。
下面是参照图1的对本发明拉单晶装置实施例的说明。
拉单晶装置10包括：一气密容器12，置于容器12内的坩埚13，用来加热坩埚13内的半导体熔化物17的加热器14，置于容器12外、用来施加由线圈16a和16b构成的用来施加会交磁场的施加装置。坩埚13包括：由石英(SiO2)构成的大致半球形的外坩埚13a和由圆筒形隔离体限定的内坩埚13b，隔离体由石英(SiO2)构成，并置于外坩埚13a内以限定内坩埚和外坩埚。坩埚13放在基座21上，该基座安装在置于容器2底座中心的垂直轴20上。
在内坩埚壁13b即圆筒形隔离体的底部形成连通双坩埚的外坩埚和内坩埚的连通通道13c。通过从内坩埚13b的底边去除一部分形成凹槽区来作为连通通道13c。
在上述线圈16a和16b的每个中，电流都以和另一线圈中相反的方向流动；这样，如图1中虚线所示产生会交磁场。会交磁场的形状是其方向从垂直向水平逐渐变化。
在气密容器12内具有源材料供应管15，能将源材料提供到双坩埚13b的外区域中。源材料包括：已用粉碎机粉碎硅锭制备的片状多晶硅，或用热分解从气体源材料中淀积而制备的颗粒状多晶硅。根据需要，源材料还包括用于硅生长的如硼(B)和磷(P)等各种掺杂剂，和用于生长砷化镓的如锌(Zn)和硅(Si)等掺杂剂。
控制由线圈16a和16b形成的会交磁场，使磁场的垂直部分和内坩埚13b的连通通道13c的位置一致，使磁场的水平部分位于半导体熔化物的表面下。例如，通过调节流经线圈16a和16b的电流量或通过移动一个线圈来控制会交磁场的位置。
根据上述控制，加于连通通道13c的基本垂直的磁场垂直穿过半导体熔化物流；这样，磁场起抑制熔化物通过连通通道流动的作用。因而，减小通过连通通道13c的半导体熔化物流。另外，由于会交磁场的基本水平部分位于半导体熔化物表面下，半导体熔化物的垂直对流受到抑制。于是，半导体熔化物中的空位源的扩散受到抑制，由此可以改善半导体单晶的质量，特别是，可以抑制生长的晶锭中出现空位或晶格缺陷。
另外，当需要上下移动坩埚13时，为了使垂直磁场位于连通通道13c的位置，并将水平磁场加到半导体熔化物的表面下，可以通过调节加到线圈16a和16b的电流或通过与坩埚移动一致地移动两个线圈，来控制会交磁场相对于半导体熔化物的位置。
如上所述，本发明的拉单晶装置使用置于气密容器内的双坩埚，通过在坩埚内同轴安装由圆筒形隔离体构成的内坩埚来形成双坩埚，当源材料连续供应到外坩埚中的同时，从内坩埚内的区域里的半导体熔化物中拉制半导体单晶。另外，在圆筒形隔离体的底部形成连通通道用来连通双坩埚的外区域和内区域，在气密容器的外面安装有用来施加会交磁场的装置，该装置设置为使所加会交磁场的基本水平部分位于半导体熔化物的表面下，且所加磁场的基本垂直部分位于双坩埚的连通通道处。由此，可以减小流经连通通道的半导体熔化物的流速，并防止半导体熔化物的对流，这可确保半导体单晶质量的稳定。

Claims (6)

1.一种拉单晶装置，包括：
包围单晶材料的熔化区域的气密容器；
用来装半导体熔化物的双坩埚，置于气密容器内，具有由安装于外坩埚内的圆筒形隔离体限定的圆筒形内坩埚，和用来连通双坩埚外区域和内区域的连通通道；
设置在气密容器内和在双坩埚外的加热器，用来加热双坩埚以产生半导体熔化物；和
用来施加会交磁场的装置，装在气密容器的外面，用来施加会交磁场；
该装置的特征为：
由上述施加装置施加的会交磁场的基本水平部分位于半导体熔化物的表面下，会交磁场的基本垂直部分位于上述连通通道处。
2.根据权利要求1的拉单晶装置，还包括：
用来从双坩埚的外区域向半导体熔化物供应源材料的源材料供应管；其中双坩埚的外区域装半导体熔化物，从内坩埚的熔化物中拉制单晶。
3.根据权利要求2的拉单晶装置，其中通过从限定内坩埚的隔离体底边去除一部分来形成凹槽区作为连通通道。
4.根据权利要求1的拉单晶装置，其中用来提供会交磁场的装置包括上下线圈，线圈设置为通过电流以相反的方向流过这两个线圈，从而在半导体熔化物中形成由垂直部分和水平部分组成的会交磁场。
5.根据权利要求4的拉单晶装置，其中所述两个线圈设置为，使会交磁场的垂直部分和内坩埚底部的连通通道的位置一致，会交磁场的水平部分位于半导体熔化物的表面下。
6.根据权利要求5的拉单晶装置，其中所述两个线圈根据坩埚的上下移动而上下移动，从而使会交磁场的垂直部分的位置维持在连通区的位置，且会交磁场的水平部分的位置保持在半导体熔化物的表面下。
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