CN112831836A - 拉晶方法和拉晶装置 - Google Patents

拉晶方法和拉晶装置 Download PDF

Info

Publication number
CN112831836A
CN112831836A CN202011611880.8A CN202011611880A CN112831836A CN 112831836 A CN112831836 A CN 112831836A CN 202011611880 A CN202011611880 A CN 202011611880A CN 112831836 A CN112831836 A CN 112831836A
Authority
CN
China
Prior art keywords
crucible
magnetic field
silicon melt
rotational speed
crystal pulling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011611880.8A
Other languages
English (en)
Inventor
沈伟民
雷友述
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zing Semiconductor Corp
Original Assignee
Zing Semiconductor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zing Semiconductor Corp filed Critical Zing Semiconductor Corp
Priority to CN202011611880.8A priority Critical patent/CN112831836A/zh
Priority to TW110106828A priority patent/TWI767586B/zh
Priority to US17/196,288 priority patent/US20220205136A1/en
Publication of CN112831836A publication Critical patent/CN112831836A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B30/00—Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions
    • C30B30/04—Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions using magnetic fields
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/10—Crucibles or containers for supporting the melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/14—Heating of the melt or the crystallised materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20—Controlling or regulating
    • C30B15/206—Controlling or regulating the thermal history of growing the ingot
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20—Controlling or regulating
    • C30B15/22—Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/30—Mechanisms for rotating or moving either the melt or the crystal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/30—Mechanisms for rotating or moving either the melt or the crystal
    • C30B15/305—Stirring of the melt

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)

Abstract

本发明公开了一种拉晶方法和拉晶装置。所述方法包括：在拉晶过程中，保持用以容纳硅熔体的坩埚旋转的同时对坩埚内的硅熔体施加水平方向的磁场，其中，当改变所述磁场的磁场强度时和/或当改变所述磁场的磁场强度后，容易引起硅晶棒晶棒和熔体的固液界面温度的波动，通过改变坩埚的旋转速度，改变坩埚内硅熔体的强迫对流，从而快速降低由于磁场强度的改变导致的固液界面温度的波动，使拉晶过程得到的晶棒直径趋于稳定。

Description

拉晶方法和拉晶装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种拉晶方法和拉晶装置。
背景技术
直拉法(Cz)是制备半导体及太阳能用硅单晶的一种重要方法，通过碳素材料组成的热场对放入坩埚的高纯硅料进行加热使之熔化，之后通过将籽晶浸入熔体当中并经过一系列(溶料、稳温、引晶、放肩、等径、收尾、冷却)工艺过程，最终获得单晶棒。
使用CZ法的半导体单晶硅或太阳能单晶硅的晶棒生长中，晶棒和熔体的温度分布直接影响晶棒的品质和生长速度。在CZ晶棒的生长期间，由于熔体存在着热对流，使微量杂质分布不均匀，形成生长条纹。因此，在拉晶过程中，如何抑制熔体的热对流和温度波动，是人们广泛关注的问题。
在磁场发生装置下的晶棒生长(MCZ)技术通过对作为导电体的硅熔体施加磁场，使熔体受到与其运动方向相反的洛伦兹力作用，阻碍熔体中的对流，增加熔体中的粘滞性，减少了氧、碳、铝等杂质从石英坩埚进入熔体，进而进入晶棒，最终使得生长出来的晶棒可以具有得到控制的从低到高广范围的氧含量，减少了杂质条纹，因而广泛应用于半导体晶棒生长工艺。一种典型的MCZ技术是磁场晶棒生长(HMCZ)技术，其对在坩埚内的硅熔体施加水平方向的磁场，广泛适用于大尺寸、高要求的半导体晶棒的生长。
在晶棒生长的一系列工艺过程中，磁场主要施加在稳温工序。当处于稳温工序时，通过主炉体外围的磁体通电产生强磁场，对炉内石英坩埚内的硅熔体施加一定的磁场，并调整适合晶棒生长的各方面条件。然而，由于在晶棒生长过程中，根据工艺的要求，需要改变磁场的强度。例如将磁场从1500G(高斯)上升到4000G。在这个过程中，由于磁场变化改变了硅熔体的对流速度，加之石英坩埚和晶棒本身的旋转，使得坩埚内的硅溶液的对流举动变为相当复杂。通常，在改变磁场强度后的一段时间内，晶棒的直径控制变为相对困难，直径容易出现周期性的变化。
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种拉晶方法和拉晶装置。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种拉晶方法，包括：
一种拉晶方法，其特征在于，包括：
在拉晶过程中，保持用以容纳硅熔体的坩埚旋转的同时对坩埚内的硅熔体施加水平方向的磁场，其中，
当改变所述磁场的磁场强度时和/或当改变所述磁场的磁场强度后，使所述坩埚的旋转速度发生改变。
示例性地，当改变所述磁场后，并且检测到拉晶所得的晶棒的直径发生变化时，使所述坩埚的旋转速度发生改变。
示例性地，当增加所述磁场的磁场强度时，使所述坩埚的旋转速度发生改变的方法包括：使所述坩埚的旋转速度增大。
示例性地，使所述坩埚的旋转速度发生周期性改变。
示例性地，在使所述坩埚的旋转速度发生周期性改变的过程中，在每一周期中，使所述坩埚的旋转速度发生改变的方法包括：
使所述坩埚的旋转速度从R0增加至R1；
将所述坩埚的旋转速度在R1下保持一段时间；
使所述坩埚的旋转速度从R1下降至R0；其中，R0为坩埚的初始旋转速度。
示例性地，使所述坩埚的旋转速度从R0线性增加至R1，和/或使所述坩埚的旋转速度从R1线性下降至R0。
示例性地，在使所述坩埚的旋转速度发生周期性改变的过程中，相邻两个周期间隔一段时间。
示例性地，在使所述坩埚的旋转速度发生周期性改变的过程中，所述周期性改变的次数的范围大于等于十次。
本发明还提供了一种拉晶装置，包括：
坩埚，用以容纳硅熔体；
提拉装置，用以提拉所述硅熔体形成晶棒；
磁场施加装置，用以对所述坩埚内的硅熔体施加水平方向的磁场并调节所述磁场的磁场强度；
驱动装置，用以驱动所述坩埚旋转；
控制装置，所述控制装置用以执行如上任意一项所述的方法。
示例性地，还包括直径检测装置，用以检测所述晶棒的直径。
根据本发明的拉晶方法和拉晶装置，在拉晶过程中，对坩埚内的硅熔体上施加水平方向的磁场，其中，当改变所述磁场的磁场强度时和/或当改变所述磁场的磁场强度后，使所述坩埚的旋转速度发生改变，由于改变磁场强度后容易引起硅晶棒与硅熔体的固液界面温度的波动，通过改变坩埚的旋转速度改变坩埚内硅熔体的强迫对流，从而快速降低了由于磁场强度的改变导致的固液界面温度的波动，使拉晶过程得到的晶棒直径趋于稳定。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1根据本发明的一个实施例的一种拉晶方装置的结构示意图；
图2为根据本发明的一个实施例的一种拉晶方法的在硅熔体内和硅晶棒与硅熔体的固液界面处的硅熔体对流的示意图；
图3为根据一个实施例的拉晶方法中固液界面处的硅熔体的温度随时间变化的示意图；
图4为根据本发明的一个实施例中的坩埚旋转速度随时间变化的示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明的拉晶方法。显然，本发明的施行并不限于烟草技术领域技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。
实施例一
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种拉晶方法，包括：
在拉晶过程中，保持用以容纳硅熔体的坩埚旋转的同时对坩埚内的硅熔体施加水平方向的磁场，其中，
当改变所述磁场的磁场强度时和/或当改变所述磁场的磁场强度后，使所述坩埚的旋转速度发生改变。
参看图1，示出了根据本发明的一种拉晶装置的结构示意图，拉晶装置包括炉体1，炉体1内设置有坩埚11，坩埚11外侧设置有对其进行加热的加热器12，坩埚11内容纳有硅熔体13。
示例性地，坩埚11由石墨坩埚和套设在石墨坩埚内的石英坩埚构成，石墨坩埚接收加热器的加热使石英坩埚内的多晶硅材料融化形成硅熔体。
继续参看图1，根据本发明的拉晶装置还在炉体1顶部设置有提拉装置14，在提拉装置14的带动下，籽晶从硅熔体液面提拉拉出晶棒10，同时环绕晶棒10四周设置热屏装置，示例性地，如图1所示，热屏装置包括有导流筒16，导流筒16设置为桶型，其作为热屏装置一方面用以在晶棒生长过程中隔离石英坩埚以及坩埚内的硅熔体对晶棒表面产生的热辐射，提升晶棒的冷却速度和轴向温度梯度，可以增加晶棒生长速度，另一方面，影响硅熔体表面的热场分布，而避免晶棒的中心和边缘的轴向温度梯度差异过大，保证晶棒与硅熔体液面之间的稳定生长；同时导流筒还用以对从晶棒生长炉上部导入的惰性气体进行导流，使之以较大的流速通过硅熔体表面，达到控制晶棒内氧含量和杂质含量的效果。在半导体晶棒生长过程中，在提拉装置14的带动下，晶棒10竖直向上穿过导流筒16。
为了实现晶棒的稳定增长，在炉体1底部还设置有驱动坩埚11旋转的驱动装置15，驱动装置15驱动坩埚11在拉晶过程中保持旋转是为了减少硅熔体的热的不对称性，使晶棒等径生长。
为了阻碍硅熔体的对流，增加硅熔体中的粘滞性，减少氧、硼、铝等杂质从石英坩埚进入熔体，进而进入晶棒，最终使得生长出来的晶棒可以具有得到控制的从低到高宽范围的氧含量，减少杂质条纹，半导体生长装置中还包括设置在炉体外侧的磁场施加装置17，用以对坩埚内的硅熔体施加磁场。
由于磁场施加装置17施加的磁场的磁力线从一端平行穿过在坩埚内的硅熔体到另一端(参看图1中虚线箭头)。由于液态的硅熔体具有导电性，在磁场的作用下，硅熔体内产生洛伦兹力抑制硅熔体的自然对流，其中硅熔体的对流对拉晶得到的晶棒的直径具有显著的影响。
如图2示出了在硅熔体内和硅晶棒与硅熔体的固液界面处的硅熔体对流的示意图。其中，在硅晶棒与硅熔体的固液界面处，由于固液界面处的对流受到磁场强度的影响比较显著，当改变磁场强度时，硅熔体内的对流发生变化，其中，固液界面处的硅熔体的对流变化更为显著，使得硅熔体液面和体内温度不均匀，表现为固液界面下方的硅熔体液面温度发生波动，进而影响到拉晶形成的晶棒的直径，表现为晶棒在长度方向上，直径发生波动。
在一个示例中，固液界面下方的硅熔体液面温度发生周期性变化，如图3所示，示出为根据一个实施例的拉晶方法中，固液界面处的硅熔体的温度随时间变化的示意图，其中，纵轴表示硅熔体液面处的熔体温度，横轴表示时间，从图3可以看出，在改变施加在硅熔体内的水平方向的磁场的强度时，固液界面下的硅熔体的温度随时间发生周期性的波动，并且，随着时间的延长，波动幅度逐渐减小。
具体的，在一个示例中，在形成目标直径为305mm的拉晶工艺过程中，当根据工艺要求，将磁场从1500G上升到4000G，控制坩埚旋转速度保持为0.5RPM；发现磁场发生变化时，晶棒直径也发生变化，具体的，晶棒直径在目标直径的+/-2.0mm的范围内发生变化，并且晶棒的直径发生周期性的波动，一直波动到300mm左右后才保持相对稳定。
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种拉晶方法，具体的，在拉晶过程中，保持用以盛放硅熔体的坩埚旋转的同时对坩埚内的硅熔体施加水平方向的磁场，其中，当改变所述磁场的磁场强度时和/或当改变所述磁场的磁场强度后，使所述坩埚的旋转速度发生改变。
由于在拉晶过程中，改变了施加在硅熔体上的水平方向的磁场的强度后使硅熔体内尤其是硅熔体液面的对流发生变化，导致硅晶棒与硅熔体的固液界面(硅熔体液面)的温度发生波动，获得晶棒的直径发生变化，根据本发明，在改变施加在硅熔体上的水平方向的磁场的强度的同时或者在改变施加在硅熔体上的磁场的强度之后，通过改变坩埚的旋转速度，改变硅熔体的对流，从而减少由于改变磁场的强度对硅熔体的对流影响，进而避免硅熔体液面的温度发生变化。
由于水平方向的磁场强度改变时硅熔体响应于磁场强度的变化发生对流强度的改变并不立即影响硅熔体液面的温度，而在坩埚转速发生变化的影响下，有当坩埚转速发生一定程度的变化后对硅熔体对流强度产生影响的同时立即反应到硅晶棒与硅熔体的固液界面(硅熔体液面)温度上，也就是说，相较于磁场强度对硅熔体液面温度的影响，坩埚旋转速度对熔体液面温度的影响更明显。因此，在一个实施例中，可以在施加的磁场的强度发生改变之后，并且检测到拉晶所得的晶棒的直径发生变化时，使所述坩埚的旋转速度发生改变，以匹配晶棒直径的变化进行坩埚旋转速度的调整，使直径控制更为准确。
在根据本发明的一个实施例中，当增加所述水平方向的磁场的磁场强度时，使所述坩埚的旋转速度发生改变的方法包括：使所述坩埚的旋转速度增大。
由于水平方向的磁场的强度增加会导致硅熔体内对流的减弱，此时增加坩埚的旋转速度可以促进硅熔体内的对流，从而弥补因为磁场强度的增加导致的硅熔体内对流的减弱，进而减弱硅晶棒与硅熔体的固液界面温度的波动。
需要理解的是，本实施例中以磁场强度增加的情况下使坩埚的旋转速度增大作为示例进行介绍仅仅是示例性地，本领域技术人员应当理解，在磁场强度减小的情况下使坩埚的旋转速度发生变化(变大或变小)也适用于本发明。
具体的，在根据本发明的一个实施例中，当改变所述磁场的磁场强度时和/或当改变所述磁场的磁场强度后，使所述坩埚的旋转速度发生周期性改变。
由于改变了施加在硅熔体上的水平方向的磁场的强度之后，固液界面下方的硅熔体液面温度发生周期性变化，为此，对坩埚的旋转速度进行周期性调整，以配合硅熔体液面温度的周期性变化，使因为坩埚旋转速度变化引起的硅熔体对流的也周期性增强，减少了因为施加在硅熔体上的磁场的强度变化带来的硅熔体液面温度的变化，从而改善因硅晶棒与硅熔体的固液界面温度的周期性变化带来的晶棒直径的变化。
在根据本发明的一个实施例中，在使所述坩埚的旋转速度发生周期性改变的过程中，在每一周期中，使所述坩埚的旋转速度发生改变的方法包括：
使所述坩埚的旋转速度从R0增加至R1；
将所述坩埚的旋转速度在R1下保持一段时间；
使所述坩埚的旋转速度从R1下降至R0；其中，R0为坩埚的初始旋转速度。
参看图4，示出了根据本发明的一个实施例中的坩埚旋转速度随时间变化的示意图，其中纵轴表示坩埚旋转速度(R)，横轴表示时间。如图4所示，坩埚旋转速度随时间变化呈周期性变化。其中，在每一周期中，先使所述坩埚的旋转速度从R0增加至R1，这一过程中随着坩埚旋转速度的增加，硅熔体内对流增强；接着，将所述坩埚的旋转速度在R1下保持一段时间，使硅熔体对流充分；最后，使所述坩埚的旋转速度从R1下降至R0，这一过程中随着坩埚旋转速度的减小，硅熔体内对流减弱。通过在初始旋转速度R0以上，循环增加和减小坩埚旋转速度，实现硅熔体内对流的周期性变化，进而使硅晶棒与硅熔体的固液界面温度由于增加硅熔体的对流的周期性变化也发生周期性改变，从而减小由于施加的磁场使硅熔体对流减弱而带来的硅晶棒与硅熔体的固液界面温度周期性变化的影响。
在根据本发明的一个实施例中，在使所述坩埚的旋转速度从R0线性增加至R1，和/或使所述坩埚的旋转速度从R1线性下降至R0。
继续参看图4，在坩埚旋转速度发生周期性变化的过程中，在每一周期中，使所述坩埚的旋转速度从R0线性增加至R1，并且使所述坩埚的旋转速度从R1线性下降至R0。线性控制坩埚旋转速度的方式简单、高效，易于实现。需要理解的是，本发明仅仅将线性控制作为示例，任何控制旋转速度变化的方式均适用于本发明。
示例性地，在使所述坩埚的旋转速度发生周期性改变的过程中，使所述坩埚的旋转速度发生改变的范围为：100％R0-200％R0，其中，R0为坩埚的初始旋转速度。
继续参看图4，在坩埚旋转速度发生周期性变化的过程中，其中坩埚的旋转速度从R0变化到R1，以及其中R1较R0大100％-200％。
增加坩埚的旋转速度，可以增加硅熔体的自然对流，从而减少硅晶棒与硅熔体的固液界面的温度波动，进一步减少硅晶棒与硅熔体的固液界面的温度波动带来的晶棒直径的变化。将所述坩埚的旋转速度发生改变的范围设置在100％R0-200％R0之间，一方面使坩埚转速的变化足以影响硅熔体对流的变化，另一方面避免坩埚转速的变化过大，造成硅熔体对流变化过大，引起液面温度的进一步波动。
示例性地，在使所述坩埚的旋转速度发生周期性改变的过程中，每一周期的时间范围1-10min。
继续参看图4，坩埚的旋转速度从时间0处开始发生改变，到达时间T1时为第一周期。其中，T1的时间范围为1-10min。其中，坩埚的旋转速度从R0变化到R1之后，保持一段时间，再从R1变化到R0。
进一步，示例性地，在使所述坩埚的旋转速度发生周期性改变的过程中，相邻两个周期间隔一段时间。
在周期性改变的过程中，通过在相邻两个周期之间间隔一段时间，使硅熔体内的对流得到缓冲，避免过度对流引起液面温度的进一步波动。示例性地，所述间隔的一段时间的范围为1-2min。
进一步，示例性地，在使所述坩埚的旋转速度发生周期性改变的过程中，所述周期性改变的次数的范围为5-50次。
在根据本发明额一个实施例中，在形成目标直径为305mm的拉晶工艺过程中，当根据工艺要求，将磁场从1500G上升到4000G时，控制坩埚旋转速度发生周期性的改变，其中，在磁场强度发生改变的同时，控制坩埚旋转速度发生周期性改变，其中，在每一周期中坩埚的旋转速度发生如下改变：从1.0RPM上升2.5RPM后保持3min，再从2.5RPM上升1.0RPM，在旋转速度为1.0RPM下保持2min后进行下一周期的变化，进行10次周期性改变。通过检测发现周期性直径波动在50-100mm左右减小，在直径趋于稳定。
实施例二
本发明还提供了一种拉晶装置，其包括：
坩埚，用以容纳硅熔体；
提拉装置，用以提拉所述硅熔体形成晶棒；
磁场施加装置，用以对所述坩埚内的硅熔体施加水平方向的磁场并调节所述磁场的磁场强度；
驱动装置，用以驱动所述坩埚旋转，其中，
在根据本发明拉晶装置中，还包括控制装置，控制装置根据所述磁场施加装置施加的所述磁场的磁场强度控制所述驱动装置对所述坩埚旋转速度的调节。具体的，控制装置根据所述磁场施加装置施加的所述磁场的磁场强度控制所述驱动装置对所述坩埚旋转速度的调节的方法采用如实施例一所述的方法。
具体的，当控制装置控制所述磁场施加装置调节所述磁场的强度时或者当控制装置控制所述磁场施加装置调节所述磁场的强度后，所述控制装置进一步控制所述驱动装置调整所述坩埚的旋转速度。
由于在拉晶过程中，改变了施加在硅熔体上的磁场的强度后使硅熔体内尤其是硅熔体液面的对流发生变化，导致硅晶棒与硅熔体的固液界面的温度发生波动，获得的晶棒的直径发生变化，根据本发明，在控制装置控制所述磁场施加装置调节施加在硅熔体上的磁场的强度的同时或者在控制装置控制所述磁场施加装置调节施加在硅熔体上的磁场的强度之后，控制装置进一步控制所述驱动装置改变坩埚的旋转速度，通过改变坩埚的旋转速度，改变硅熔体的对流，从而减少由于改变磁场的强度对硅熔体的对流影响，进而避免硅晶棒与硅熔体的固液界面的温度发生变化。
参看图1，示出了根据本发明的一种拉晶装置的结构示意图，拉晶装置包括炉体1，炉体1内设置有坩埚11，坩埚11外侧设置有对其进行加热的加热器12，坩埚11内容纳有硅熔体13。
示例性地，坩埚11由石墨坩埚和套设在石墨坩埚内的石英坩埚构成，石墨坩埚接收加热器的加热使石英坩埚内的多晶硅材料融化形成硅熔体。
继续参看图1，根据本发明的拉晶装置还在炉体1顶部设置有提拉装置14，在提拉装置14的带动下，籽晶从硅熔体液面提拉拉出晶棒10，同时环绕晶棒10四周设置热屏装置，示例性地，如图1所示，热屏装置包括有导流筒16，导流筒16设置为桶型，其作为热屏装置一方面用以在晶棒生长过程中隔离石英坩埚以及坩埚内的硅熔体对晶棒表面产生的热辐射，提升晶棒的冷却速度和轴向温度梯度，增加晶棒生长数量，另一方面，影响硅熔体表面的热场分布，而避免晶棒的中心和边缘的轴向温度梯度差异过大，保证晶棒与硅熔体液面之间的稳定生长；同时导流筒还用以对从晶棒生长炉上部导入的惰性气体进行导流，使之以较大的流速通过硅熔体表面，达到控制晶棒内氧含量和杂质含量的效果。在半导体晶棒生长过程中，在提拉装置14的带动下，晶棒10竖直向上穿过导流筒16。
为了实现晶棒的稳定增长，在炉体1底部还设置有驱动坩埚11旋转的驱动装置15，驱动装置15驱动坩埚11在拉晶过程中保持旋转是为了减少硅熔体的热的不对称性，使晶棒等径生长。
为了阻碍硅熔体的对流，增加硅熔体中的粘滞性，减少氧、碳、铝等杂质从石英坩埚进入熔体，进而进入晶棒，最终使得生长出来的晶棒可以具有得到控制的从低到高宽范围的氧含量，减少杂质条纹，半导体生长装置中还包括设置在炉体外侧的磁场施加装置17，用以对坩埚内的硅熔体施加磁场。
由于磁场施加装置17施加的磁场的磁力线从一端平行穿过在坩埚内的硅熔体到另一端(参看图1中虚线箭头)。由于液态的硅熔体具有导电性，在磁场的作用下，硅熔体内产生洛伦兹力抑制硅熔体的自然对流，其中硅熔体的对流对拉晶得到的晶棒的直径具有显著的影响。
在根据本发明的拉晶装置中，还包括控制装置18，控制装置18用以根据所述磁场施加装置17施加的水平方向的磁场的磁场强度控制所述驱动装置15对所述坩埚11旋转速度的调节。
在根据本发明的一个实例中，控制装置18对磁场施加装置17进行控制，即控制磁场施加装置17施加的水平方向的磁场的强度。进一步的，当控制装置18控制磁场施加装置17施加水平方向的磁场的强度发生变化时，或者控制装置18控制磁场施加装置17施加水平方向的磁场的强度发生变化后，控制装置进一步控制所述驱动装置15对所述坩埚11旋转速度的调节。
示例性地，所述拉晶装置还包括直径检测装置，用以检测所述晶棒的直径，其中，
所述控制装置还根据所述直径检测装置检测的所述晶棒的直径对所述驱动装置驱动所述坩埚1旋转的旋转速度进行控制。
如图1所示，在根据本发明的拉晶装置中，还包括直径检测装置19，其中直径检测装置19与控制装置18通信连接，控制装置还根据所述直径检测装置19检测的晶棒的直径对所述驱动装置15驱动所述坩埚11旋转的旋转速度进行控制。
示例性地，所述直径检测装置包括红外传感装置，通过检测晶棒侧壁位置检测所述晶棒的直径。
由于磁场强度改变时硅熔体响应于磁场强度的变化发生对流强度的改变并不立即影响硅晶棒与硅熔体的固液界面的温度，而在坩埚转速发生变化的影响下，有当坩埚转速发生一定程度的变化后对硅熔体对流强度产生影响的同时立即反应到硅晶棒与硅熔体的固液界面温度上，也就是说，相较于磁场强度对硅晶棒与硅熔体的固液界面温度的影响，坩埚旋转速度对硅晶棒与硅熔体的固液界面温度的影响更明显。因此，在一个实施例中，可以在施加的磁场的强度发生改变之后，并且通过直径检测装置检测到拉晶所得的晶棒的直径发生变化时，使控制装置控制驱动装置驱动改变所述坩埚的旋转速度，以匹配晶棒直径的变化进行坩埚旋转速度的调整，使直径控制更为准确。
综上所述，根据本发明的拉晶方法和拉晶装置，在拉晶过程中，对坩埚内的硅熔体上施加水平方向的磁场，其中，当改变所述磁场的磁场强度时和/或当改变所述磁场的磁场强度后，使所述坩埚的旋转速度发生改变，由于改变磁场强度后容易引起的硅晶棒与硅熔体的固液界面温度的波动，通过改变坩埚的旋转速度改变坩埚内硅熔体的强迫对流，从而快速降低了由于磁场强度的改变导致的硅晶棒与硅熔体的固液界面温度的波动，使拉晶过程得到的晶棒直径趋于稳定。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种拉晶方法，其特征在于，包括：
在拉晶过程中，保持用以容纳硅熔体的坩埚旋转的同时对坩埚内的硅熔体施加水平方向的磁场，其中，
当改变所述磁场的磁场强度时和/或当改变所述磁场的磁场强度后，使所述坩埚的旋转速度发生改变。
2.根据权利要求1所述的拉晶方法，其特征在于，当改变所述磁场后，并且当拉晶所得的晶棒的直径发生变化时，使所述坩埚的旋转速度发生改变。
3.根据权利要求1所述的拉晶方法，其特征在于，当增加所述磁场的磁场强度时，使所述坩埚的旋转速度发生改变的方法包括：使所述坩埚的旋转速度增大。
4.根据权利要求3所述的拉晶方法，其特征在于，使所述坩埚的旋转速度发生周期性改变。
5.根据权利要求4所述的拉晶方法，其特征在于，在使所述坩埚的旋转速度发生周期性改变的过程中，在每一周期中，使所述坩埚的旋转速度发生改变的方法包括：
使所述坩埚的旋转速度从R0增加至R1；
将所述坩埚的旋转速度在R1下保持一段时间；
使所述坩埚的旋转速度从R1下降至R0；其中，R0为坩埚的初始旋转速度。
6.根据权利要求4所述的拉晶方法，其特征在于，使所述坩埚的旋转速度从R0线性增加至R1，和/或使所述坩埚的旋转速度从R1线性下降至R0。
7.根据权利要求3所述的拉晶方法，其特征在于，在使所述坩埚的旋转速度发生周期性改变的过程中，相邻两个周期间隔一段时间。
8.根据权利要求3所述的拉晶方法，其特征在于，在使所述坩埚的旋转速度发生周期性改变的过程中，所述周期性改变的次数的范围大于等于十次。
9.一种拉晶装置，其特征在于，包括：
坩埚，用以容纳硅熔体；
提拉装置，用以提拉所述硅熔体形成晶棒；
磁场施加装置，用以对所述坩埚内的硅熔体施加水平方向的磁场并调节所述磁场的磁场强度；
驱动装置，用以驱动所述坩埚旋转；
控制装置，所述控制装置用以执行如权利要求1-8任意一项所述的方法。
10.根据权利要求9所述的拉晶装置，其特征在于，还包括直径检测装置，用以检测所述晶棒的直径。
CN202011611880.8A 2020-12-30 2020-12-30 拉晶方法和拉晶装置 Pending CN112831836A (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011611880.8A CN112831836A (zh) 2020-12-30 2020-12-30 拉晶方法和拉晶装置
TW110106828A TWI767586B (zh) 2020-12-30 2021-02-25 拉晶方法和拉晶裝置
US17/196,288 US20220205136A1 (en) 2020-12-30 2021-03-09 Crystal growth method and crystal growth apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011611880.8A CN112831836A (zh) 2020-12-30 2020-12-30 拉晶方法和拉晶装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112831836A true CN112831836A (zh) 2021-05-25

Family

ID=75925467

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011611880.8A Pending CN112831836A (zh) 2020-12-30 2020-12-30 拉晶方法和拉晶装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20220205136A1 (zh)
CN (1) CN112831836A (zh)
TW (1) TWI767586B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114855284A (zh) * 2022-04-06 2022-08-05 上海新昇半导体科技有限公司 一种生长单晶硅的方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115404541B (zh) * 2022-10-18 2023-08-25 四川晶科能源有限公司 一种拉晶方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5215620A (en) * 1989-09-19 1993-06-01 Shin-Etsu Handotai Co. Ltd. Method for pulling a silicon single crystal by imposing a periodic rotation rate on a constant rotation rate
US5766341A (en) * 1995-06-09 1998-06-16 Memc Electric Materials, Inc. Method for rotating a crucible of a crystal pulling machine
US20030041796A1 (en) * 2000-03-23 2003-03-06 Kozo Nakamura Method for producing silicon single crystal having no flaw
CN1807703A (zh) * 2005-01-20 2006-07-26 上海合晶硅材料有限公司 直拉硅单晶中低氧控制方法
CN101133193B (zh) * 2004-12-30 2010-05-12 Memc电子材料有限公司 使用可变磁场控制生长的硅晶体的熔体-固体界面形状

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW391996B (en) * 1996-08-16 2000-06-01 Shinetsu Handotai Kk Apparatus and method for producing single crystals
TW554093B (en) * 2000-02-28 2003-09-21 Shinetsu Handotai Kk Method for preparing silicon single crystal and silicon single crystal
US20100319613A1 (en) * 2008-02-18 2010-12-23 Sumco Corporation Silicon monocrystal growth method
CN101908689B (zh) * 2009-06-08 2012-11-21 深圳富泰宏精密工业有限公司 连接器盖体结构及具该盖体结构的电子装置
JP6583142B2 (ja) * 2016-05-25 2019-10-02 株式会社Sumco シリコン単結晶の製造方法及び装置
JP6680108B2 (ja) * 2016-06-28 2020-04-15 株式会社Sumco シリコン単結晶の製造方法
JP6930458B2 (ja) * 2018-02-28 2021-09-01 株式会社Sumco シリコン融液の対流パターン推定方法、シリコン単結晶の酸素濃度推定方法、シリコン単結晶の製造方法、および、シリコン単結晶の引き上げ装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5215620A (en) * 1989-09-19 1993-06-01 Shin-Etsu Handotai Co. Ltd. Method for pulling a silicon single crystal by imposing a periodic rotation rate on a constant rotation rate
US5766341A (en) * 1995-06-09 1998-06-16 Memc Electric Materials, Inc. Method for rotating a crucible of a crystal pulling machine
US20030041796A1 (en) * 2000-03-23 2003-03-06 Kozo Nakamura Method for producing silicon single crystal having no flaw
CN101133193B (zh) * 2004-12-30 2010-05-12 Memc电子材料有限公司 使用可变磁场控制生长的硅晶体的熔体-固体界面形状
CN1807703A (zh) * 2005-01-20 2006-07-26 上海合晶硅材料有限公司 直拉硅单晶中低氧控制方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114855284A (zh) * 2022-04-06 2022-08-05 上海新昇半导体科技有限公司 一种生长单晶硅的方法

Also Published As

Publication number Publication date
TWI767586B (zh) 2022-06-11
US20220205136A1 (en) 2022-06-30
TW202225501A (zh) 2022-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5269384B2 (ja) チョクラルスキー法を用いた半導体単結晶製造方法
EP1831436A1 (en) Controlling melt-solid interface shape of a growing silicon crystal using a variable magnetic field
CN112831836A (zh) 拉晶方法和拉晶装置
US10655242B2 (en) Growing apparatus and single-crystal ingot growing method using the same
JPS61222984A (ja) 単結晶の製造装置
CN112680788B (zh) 一种半导体晶体生长装置
JP4013324B2 (ja) 単結晶成長方法
CN112095143A (zh) 一种半导体晶体生长装置
CN112095154B (zh) 一种半导体晶体生长装置
CN113337880A (zh) 一种可调节导流筒及半导体晶体生长装置
JP6304125B2 (ja) シリコン単結晶の軸方向の抵抗率制御方法
CN112680793B (zh) 一种半导体晶体生长装置
CN112095142B (zh) 一种半导体晶体生长装置
JP2002104896A (ja) 単結晶の成長方法および成長装置
KR100221087B1 (ko) 실리콘 단결정 성장 방법 및 실리콘 단결정
KR102514915B1 (ko) 잉곳 품질을 향상시키기 위한 실리콘 용융물에서의 도펀트 농도 제어
KR100793371B1 (ko) 실리콘 단결정 성장 방법 및 성장 장치
JP3812573B2 (ja) 半導体結晶の成長方法
KR20060059435A (ko) 실리콘 단결정의 성장 방법, 성장 장치 및 그로부터제조된 실리콘 웨이퍼
JPH0259494A (ja) シリコン単結晶の製造方法及び装置
KR20230043918A (ko) 수평 자기장 초크랄스키에 의해 단결정 잉곳을 생산하는 방법들
JPH09227279A (ja) 単結晶育成方法
KR101597207B1 (ko) 실리콘 단결정 잉곳, 그 잉곳을 제조하는 방법 및 장치
KR101339151B1 (ko) 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치 및 방법
JP2005306669A (ja) シリコン単結晶の引上げ装置及びその方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210525