CN1156484A - 晶体生长的改进 - Google Patents

Abstract

由多组分熔体的晶体均匀生长的改进，包括具有注入器的双坩锅组合件，该注入器能改进熔体由外坩锅向内坩锅的流动；所述改进还包括在外坩锅的外面且能降低粘附可能性的内坩锅定位的导棒；晶体生长结束后拉出内坩锅的装置以及在晶体生长之前去除设备中封闭气体的方法。

Description

晶体生长的改进

本发明涉及一种均匀组成的晶体生长方法。

低缺陷的单晶生长已经成为例如半导体工业中引人注意的研究课题。这种晶体在制造各种各样的半导体器件中是重要的前体。

生长单晶的(zdchralski拉晶(seed-pulling)技术是众所周知的(例如Z Physik.Chem.(Liebzig)92，219(1918))。通过这种技术使籽晶与熔融物料(熔体)接触而进一步促进结晶过程。如此形成的晶体随其生长从熔体中被拉制出来。

然而，对于一种以上成分的异元(incongruent)凝固熔体(在此场合液体和固体的温度是不同的)来说，这种方法不会使整个晶体内的成分均匀。这是因为从指定熔体中结晶的晶体组成就其成分与熔体是不同的(见例如S Glasstone，“The  Elements of Physical Chemistry”P384，Macmillan出版，1956)。因此，对于封闭体系来说，熔体的组成随结晶的进行变化，晶体生长也因此随结晶的进行而变化。

为了能产生均匀组成的晶体，开发了双坩锅工艺(例如Journal ofApplied Physics，29，no.8，(1958)pp 1241-1244和U.S.5,047,112)。

通常，这种工艺的设备包括盛有与晶体生长相同组成的熔体的外坩锅。内坩锅浮在外坩锅熔体上，并有通过内坩锅底部或侧壁的小通道允许熔体从外坩锅流入。

晶体从内坩锅的熔体提拉(内坩锅经通道从外坩锅得到补充)，并且，在平衡条件下，具有与外坩锅熔融物料相同的组成。

通常，每一坩锅内含物的各自熔点是有区别的而且双坩锅工艺的主要属性(如所用异元凝固)在于必须保持外坩锅和内坩锅间的温差：晶体从内坩锅熔体拉伸的温度低于必须保持外坩锅熔体所需的温度。

对于规定的熔体组成，欲达到的温差尤其依赖于各坩锅的尺寸(包括壁和底的厚度)，坩锅材料的热导率以及用于达到熔融的热源功率和构型。

两个坩锅各自内含物间的熔点差和保持两个坩锅间温差的一个后果是，当熔体流过通道进入内坩锅时熔体倾向凝固。当使用具有异元凝固的浮置坩锅技术时堵塞是所遇到的主要问题之一。

通过增大孔的尺寸可以降低凝固阻塞孔的倾向，然而这样做会增强内坩锅中熔体扩散返回外坩锅的倾向(见例如GR Blackwell，SolidState Electronics 7 105(1964))。当此发生时，外坩锅中的熔体组成不再维持恒定而因此形成的晶体组成也不再均匀。

浮置坩锅技术的另一属性是如果能维持整个体系为对称温度分布的话，就必须保持内坩锅与外坩锅同轴。当内坩锅漂向外坩锅壁时，不希望的外部熔体的部分凝固可能会发生。

为解决这一问题，设计出了装有定位架或隔离板以保证内坩锅基本上与外坩锅同轴的内坩锅。然而，这种设计导致另一问题，即内坩锅的粘附(sticking)。当晶体生长开始时，外坩锅熔体的液面下降而浮置的内坩锅也随之下降。在内坩锅上装有隔离板或定位架的情况下，有增加内坩锅粘附的倾向，结果引起不均晶体的生长或者在极个别情况下完全停止生长过程。

双坩锅工艺的另外缺点是在晶体生长完全后，剩余的熔体在双坩锅组合件内冷却固化结果将两个坩锅融合在一起。这种情况会引起许多坩锅破裂或被抛弃。理想地，在冷却和固化进行之前即行分离两个坩锅，然而晶体生长通常是在提高温度下进行的，并且双坩锅组合件一般在生长过程中保持在封闭式、惰性气氛中，为的是防止熔体的成分氧化或其它性质的降解。因此在冷却前手动分开两个坩锅而又不使剩余熔体暴露在外面大气下是困难的。

通常使用双坩锅技术时所遇另外的一个问题是，在两个坩锅装入适当的熔体后，由于气体经常被关在共熔体流入内坩锅用的通道内而使熔体-气体交界面上的表面张力阻止熔体从外坩锅流向内坩锅。

本发明提出一种解决上述问题的方案，提供一种为降低熔体流经通道进入内坩锅时经历的温度降的装置。该装置采用具有另外优点的注入器形式，如有必要还可拆卸和替换。内坩锅由于装有定位装置所以粘附问题可以减轻，定位装置位于外坩锅的外面，并且残留坩锅内的熔体凝固问题由于在晶体生长结束后有能立即卸掉内坩锅的装置所以也可得到降低。本发明另一方面包括除去截留在内坩锅通道中的气体方法，以便于熔体从外坩锅流入内坩锅。

按照本发明，晶体生长设备包括：

第一坩锅，供盛放供料用的熔融物料；

第二坩锅，可浮置在第一坩锅内的熔融物料上，并具有使第一坩锅熔融物料进入的装置；

供加热第一坩锅内含物的装置和

从第二坩锅中的熔体提拉生长晶体的装置，

特征在于使熔体从第一坩锅进入的装置包括一注入器，该注入器是由比用于构成第二坩锅材料导热率高的材料构成的，并且其构型能提供与第一坩锅中的熔融物料较高热接触而与第二坩锅中的物料较低热接触。

在优选实施方案中，注入器是可拆卸的。

在另一优选实施方案中，使用密封剂以改进注入器与内坩锅之间的密封。

另一优选实施方案包括第一坩锅的外面的定位装置，用于控制两个坩锅壁间的距离。

在另一个优选实施方案中，用于晶体生长提拉用的装置包括与第二坩锅联结的垂直可调提拉棒，以便在晶体生长结束后进一步提高提拉棒而使第二坩锅离开第一坩锅。

根据本发明的另一方面，对晶体生长的双坩锅工艺的改进包括如下步骤：

把双坩锅组合件，包括在第一坩锅和第二坩锅内的熔体，封闭在气密性室内；

降低室内压力以从第二坩锅的通道中除去截留的气体和

使室再增压。

现在参照下列附图，仅通过实例对本发明予以描述，附图包括：

图1是典型地用于晶体生长的双坩锅方法的现有技术装置示意图；

图2是体现本发明属性的设备的部分示意图；

图3a和3b各为示意截面图和取自用于本发明有代表性注入器底部的视图和

图4是体现本发明属性另一双坩锅配置部分示意图。

参照图1，典型的双坩锅设备1包括第一(外)坩锅2和第二(内)坩锅3。坩锅2和3都是由惰性材料如石英、硼硅酸盐玻璃、氮化硼或玻璃碳制成的。窄的通道4包括在内坩锅3内。

把成品晶体中所要求成分的物料放入外坩锅2中再通过射频(rf)感应线圈5经基座6加热产生外部熔体7。

把内坩锅3放在外熔体7上并且通常是在开始时加料，该原料受热形成熔体8后，将固化形成预定组成的晶体。

在过程的起始阶段，被封闭在通道4中的气体可阻止或抑制熔体7流入内坩锅3中。

定位架9维持内坩锅3基本与外坩锅2同轴。

浮置坩锅设备典型地包括垂直可调和旋转的提拉棒10，籽晶11通过机械装置如夹具或金属丝固定与提拉棒10紧固。

设备可包括限定室12的壁，该室充满高压惰性气体如氩气。另一种方法，室12被抽真空。

在某些情况下，某些熔体的较易挥发的组分由于蒸发而易于消耗。这样的损耗通过例如B₂O₃的密封层13可以减少(例如参见GB1,113,069)。

在操作过程中，降低提拉棒10以便籽晶11能与内熔体8接触而促进结晶作用。当晶体14生长时，晶体转动向上提拉并通过提拉棒10提拉出内熔体8。当内熔体因结晶作用被消耗时，新熔体经过通道4进入而且在平衡状态下，如此进入的新熔体具有与生长晶体相同的组成。

参照图2，为现有技术所共有的一些属性已被省略。在本实施方案中坩锅2和3是由石英制成的。外熔体7经注入器15进入坩锅3。

在熔体7和8形成后，把室12抽真空直到压力足够低，以便除去封闭在通道4中的气体。去除气体的必要真空度尤其依赖于熔体7和8的粘度和环境压力并且通常低于100Nm^-2。

在从通道4除去气体以后，使室12恢复到晶体生长发生的条件。

内坩锅3通过三根等距的导棒16(两根示出)基本上保持与外部坩锅2同轴，导棒与内坩锅3连接并定位于孔17中。在该特定实施方案中，定位孔17位于基座6中。然而其它的配置，如供定位内坩锅3用的装置放在外坩锅2的外面，对于本技术领域的一般技术人员来说也是明显的。

内坩锅3经与板19连接的轻型链18与提拉棒10联结。提拉棒10是自由旋转的，而与其通过的板19无关。板19沿提拉棒10的位置由挡块20固定。链18的长度在晶体生长结束时要能拉紧基本上是所有的下垂部分，并且由于进一步提高提拉棒10而使内坩锅3和导棒16拉出。另外的配置，如在晶体生长结束后进一步提升提拉棒10使内坩锅3有效地从外坩锅2中拉出，这对于所属技术领域的一般技术人员来说也是明显的。

参阅图3a和3b，注入器15被固定在坩锅3的壁或底板中，并且是由高热导性材料制成在本实施方案中为石墨制成的。注入器15包括通道4并且基本上是园锥形的，在一终端上具有凸缘，致使与外熔体7的热接触显著高于与内熔体8的热接触。这样，当外熔体7流经通道4时所造成的温度降低就可被减小。

注入器15由定位于环23中的石英棒22保持在合适的位置上。石英棒22典型长度约2-3cm截面直径约1-2mm，使用这种尺寸可显示足够的挠曲性和弹性。

注入器15是可拆卸的，当替换上文详细描述的去除通道4中被封闭气体的真空工艺时，在设备组装前可先拆去注入器和用熔融物料装满。

另外的注入器构型，即能导致与外熔体7的热接触要高于与内熔体8的热接触的其它构型，对所属技术领域的一般技术人员来说也是显而易见的。

注入器15与内坩锅3壁之间的密封可通过使用合适的密封剂24，例如石墨纸得到改进。

参考图4，当提拉棒10被提拉到预定高度(如图示)时。吊钩25经板19与提拉棒10连接，并与连接到导棒16的环26啮合。这样，进一步提高提拉棒10会使内坩锅3被提升。提拉棒10是自由旋转的而其通过的板19无关。板19沿提拉棒10的位置由挡块20固定。这种配置具有另外的优点，即在操作期间，内坩锅3转动与板19的连接无关。

Claims (6)

1.供晶体生长用设备包括：

供容纳供料用的熔融物料的第一坩锅；

可浮置在第一坩锅内熔融物料上的第二坩锅，并且具有使熔融物料从第一坩锅进入第二坩锅的装置；

加热第一坩锅内含物的装置；

从第二坩锅中的熔体提拉生长晶体的装置；

其特征在于使熔融物料从第一坩锅进入的装置包括一注入器，该注入器是由比用于构成第二坩锅材料导热率高的材料制成的，并且其构型能提供与第一坩锅中的熔融物料较高的热接触而与第二坩锅的物料较低的热接触。

2.权利要求1的设备，其中注入器是可拆卸的。

3.权利要求1的设备，其中使用密封剂以改进注入器和内坩锅之间的密封。

4.权利要求1的设备，进一步包括定位装置，在第一坩锅外面，为的是控制两个坩锅壁间的距离。

5.权利要求1的设备，其中提拉生长晶体的装置包括与第二坩锅连结的垂直可调提拉棒，以便在晶体生长结束后可进一步提高提拉棒而使第二坩锅从第一坩锅中拉出。

6.使用适于晶体生长的双坩锅技术的晶体生长的方法，此方法包括如下步骤：

把双坩锅组合件，包括盛于第一和第二坩锅中的熔体，封闭在一气密性室内；

使室的压力降低以除去第二坩锅通道中封闭的气体和

使所述室充压。

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