CN1160779A - 拉单晶装置 - Google Patents

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Abstract

一种拉单晶装置包括：一密封容器；在密封容器内、用于装半导体熔化物的双坩埚，该双坩埚包括在底边相连的外坩埚和内坩埚；以及用于在外坩埚和内坩埚之间的位置向半导体熔化物加入源材料的源材料供应装置；其特征在于：一个限制流动部件装在外坩埚和内坩埚之间的半导体熔化物区域中，以限制半导体熔化物的流动。

Description

拉单晶装置
本发明涉及一种拉单晶装置，该装置采用连续加料磁场CZ工艺(以下简称为CMCZ工艺)来制备如硅(Si)或砷化镓(GaAs)等半导体单晶，并特别涉及一种拉单晶装置，其中由引导添加源材料所产生的影响可以减少。
采用CZ工艺的拉单晶装置包括一密封腔，置于腔内的装半导体熔化物的坩埚，加热半导体熔化物的加热器，以及拉制半导体单晶的拉晶机构。在这种装置中，半导体单晶籽晶浸入坩埚内的半导体熔化物中，然后把籽晶逐渐向上拉。生长出具有和籽晶相同晶向的大直径半导体单晶。
近年来出现了对CMCZ工艺的大量改进方法，即在向坩埚连续加入源材料的过程中进行拉晶操作的各种CZ工艺。在CMCZ工艺中使用了包括内坩埚和外坩埚的双坩埚，内外坩埚在底部相连，半导体单晶从内坩埚中拉制出，同时通过由石英制成的源材料供应管把源材料加到内外坩埚之间的半导体熔化物区域。源材料供应管从腔的上部悬下，该管的低端接近外坩埚内的半导体熔化物表面。在CMCZ工艺中，通过源材料供应管加入的源材料在半导体熔化物中逐渐熔化，最终穿过内坩埚底边的使内外坩埚相连的连接部分，流进内坩埚中，并在此被向上拉制成半导体单晶。对半导体单晶中空位产生原因的研究表明：产生空位的物质(这里称作空位产生源)向源材料添加区的半导体熔化物大范围地扩散，是妨碍半导体单晶正常生长的一个因素。特别地，如果被加入的源材料下落力较大，或源材料成块落下，源材料穿入到半导体熔化物中的深度增加，空位生成源的扩散的影响也特别明显。
本发明考虑以上情况，其目的是提供一种拉单晶装置，该装置可使由于添加源材料而使空位产生源扩散而引起的影响最大限度地降低，这种影响被认为是妨碍半导体单晶正常生长的主要原因之一。
权利要求1的发明是一种拉单晶装置，包括：一密封容器；在密封容器中装半导体熔化物的双坩埚，该双坩埚包括在底边相连的外坩埚和内坩埚；以及源材料供应装置，用来在外坩埚和内坩埚之间的位置向半导体熔化物中加入源材料，其特征在于：一种限制流动的部件设置在外坩埚和内坩埚之间的半导体熔化物区域中，以限制半导体熔化物的流动。
权利要求2的发明的特征在于，所述限制流动的部件是限制对流的部件，可限制在外坩埚和内坩埚之间区域的半导体熔化物中的对流。
权利要求3的发明的特征在于：限制流动的部件设置为可以加长源材料加入点到外坩埚和内坩埚之间的底边连接部分的路径。
图1是本发明第一实施方案主要元件的剖面示意图；
图2是本发明第二实施方案主要元件的剖面示意图；
图3是本发明第三实施方案主要元件的剖面示意图；以及
图4是本发明所有实施方案都使用的拉单晶装置的一般结构的示意图。
以下是参照附图对本发明每个实施方案的详述。首先，在叙述每个实施方案之前，参照图4对所有实施方案都使用的一般结构加以说明。
如图4所示，双坩埚3，加热器4和源材料供应管(源材料供应器件)5固定在拉单晶装置1的腔2中。双坩埚3包括一个由石英制成的约为半球形的外坩埚11和一个由石英制成的内坩埚12，内坩埚是固定在外坩埚11中的圆筒状隔离体。连接内坩埚12和外坩埚11的连接部分12a形成在内坩埚12的壁的下部。
双坩埚3安装在基座15上，基座15装在位于腔2下部中心的垂直轴14上，双坩埚3可绕轴14的轴线以特定的角速度在水平面内旋转。另外，半导体熔化物(用于生长半导体单晶的源材料，通过加热熔化)21装在双坩埚3内。加热器4加热并使外坩埚11中的半导体源材料熔化，还维持所产生的半导体熔化物21的温度。加热器4位置应围绕基座15和双坩埚3，加热器4的外面围有热屏蔽层(图中未画出)以实现保温。
源材料供应管5用来向在外坩埚11和内坩埚12之间的半导体熔化物表面21a连续加入半导体熔化物21的粒状源材料。可通过源材料供应管5加入的源材料实例包括：可在粉碎机中粉碎成片状的多晶硅，或用热分解由气相源材料淀积而成的多晶硅颗粒，如果需要，还可加入称作掺杂剂的元素添加物，如硼(B)生产P型单晶硅和磷(P)(生产n型单晶硅)。对砷化镓，其制备过程和上述相同，不过所用的元素添加物是锌(Zn)或硅(Si)。
拉晶机构和把如氩(Ar)等惰性气体引入腔2中的入口(二者在图中都被省略)置于腔2的上部。构成拉晶机构一部分的拉晶杆24被设计成可连续旋转地在双坩埚上面上下移动。半导体单晶籽晶通过夹盘附在拉晶杆的顶端。籽晶浸入内坩埚12内的半导体熔化物21中，然后被向上提拉，这样以籽晶为起始点在如氩(Ar)的惰性气体环境中拉制出连续生长的半导体单晶。
通过源材料供应管5，源材料由管的上端进入，并从下端开口5a引出。源材料供应管在其上端被支撑并悬挂，以使下端开口接近于外坩埚11的外壁。为了防止污染，也为了便于加工，源材料供应管5由具有矩形截面的石英管构成。另外，为了保证高质量的粒状半导体源材料以合适的下落速度加入到半导体熔化物21中，源材料供应管的内部装有交替梯状斜片，这在图中未画出。
另外，限制流动的部件(图4中省略)装在外坩埚11和内坩埚12之间的半导体熔化物21a区域中，这是为了限制这一区域中半导体熔化物21a的流动。限制流动的部件主要通过限制半导体熔化物21a中的对流(这样起到限制对流部件的作用)，抑制了前述空位产生源在大范围区域中的扩散，从而使源材料加入点和连接外坩埚11与内坩埚12的底边连接部分12a之间区域中的稳定浓度梯度得到保证。
接下来是对各个实施方案的说明。
第一实施方案如图1所示。在这一实例中，作为限制流动部件和限制对流部件的水平挡板31在熔化物表面下以合适的深度放在外坩埚11和内坩埚12之间的半导体熔化物21a区域中。在如图所示的实例中，挡板31是环形的，并和外坩埚11和内坩埚12同心，在挡板31的内边缘和内坩埚12之间以及在挡板31的外边缘和外坩埚11之间留有连接空隙31a，以连接挡板31的上下区域。挡板31可由内坩埚12或源材料供应管5支撑。另外，挡板31不需要连续环绕整个圆周，只要挡板覆盖住源材料供应管5下面的预定区域，在这种情况中，优选的是挡板31由源材料供应管5支撑。
在这种结构中由于挡板31的存在，在源材料添加过程中源材料对半导体熔化物21a的冲击减小。通过添加源材料而引起的空位产生源逐渐扩散进环绕挡板31内外边缘的半导体熔化物21a中。此时，半导体熔化物21a中对流的影响，图中用箭头(T)标出，被挡板31阻断而不会扩展到挡板31以上部分，所以除了在添加源材料过程中的缓和冲击效应外，空位产生源的扩散也被抑制到最小程度，并在从半导体熔化物21a表面到连接外坩埚11和内坩埚12的连接部分12a底边的区域中维持了稳定的浓度梯度。
第二实施方案如图2所示。在这一实例中，多个挡板32(所示实例中有两层挡板)一个安装在另一个下面。还有，通过向坩埚内或向坩埚外错开每一层挡板，连接每个挡板32上下区域的连接间隙32a交替出现在各个挡板32的外部和内部。因此，从源材料加到半导体熔化物21a的加入点到外坩埚11和内坩埚12之间的底边连接部分12a的路径长度得到增加。
在这种结构中由于存在多个挡板32，半导体熔化物21a中的对流受到进一步抑制，空位产生源的扩散也被进一步限制。因为从源材料到半导体熔化物21a的加入点到外坩埚11和内坩埚12之间的底边连接部分12a的路径长度较长。源材料加入点的影响扩展到远至内坩埚12的可能性减小，从而保证了更为稳定的浓度梯度。
另外，代替独立地一个位于另一个下面的多个挡板，也可使用连续的螺旋形板。
本发明的第三实施方案如图3所示。在这一实例中，两个垂直隔离壁34置于内圈和外圈，并相互向上或向下错开，从而在外圈隔离壁34b的底边和内圈隔离壁34c的顶边留有连接部分34a，以使每层壁的内外区域保持连通。因此，这种结构使得从源材料到半导体熔化物21a的加入点(直接在源材料供应管5的下端开口5a下面的熔化物表面点)到外坩埚11和内坩埚12之间的底边连接部分12a的路径得到加长。
由于存在两个垂直隔离板34b、34c，半导体熔化物21a中的大对流被抑制，由对流引起的大范围区域中空位产生源的扩散也被抑制。另外，因为从源材料加入点到外坩埚11和内坩埚12之间的底边连接部分12a的路径长度较长，使稳定的浓度梯度得到保证。
另外，限制流动部件的安装方式不只局限于在上述实施方案中所采用的方法，任何可形成在半导体熔化物21a中显示有抑制对流效应和限制所有流动的实施方案的安装方法都是可用的。
正如以上所解释的，在根据权利要求1的发明中，限制流动部件装在外坩埚和内坩埚之间的半导体熔化物区域中，所加的源材料在这一区域中熔化，这样使这一区域中的所有流动可得到限制，由添加源材料所引起的空位产生源的扩散也可被抑制。因此，妨碍半导体单晶正常生长的一个主要因素能被降低到最低限度。
另外，在根据权利要求2的发明中，主要在外坩埚和内坩埚之间区域的半导体熔化物中的对流通过限制流动部件被抑制，从而对流作用在空位产生源的扩散上的加速影响可得到抑制，保证了半导体单晶的正常生长。
另外，在根据权利要求3的发明中，在从源材料加入点到半导体熔化物流经进内坩埚内部的部分的路径被加长的情况下，可沿该路径形成稳定的浓度分布，能进一步阻止半导体单晶中空位的产生。

Claims (5)

1.一种拉单晶装置，包括：一密封容器；在密封容器内的、用于装半导体熔化物的双坩埚，该双坩埚包括在底边相连的外坩埚和内坩埚；以及用于在外坩埚和内坩埚之间的位置向半导体熔化物加入源材料的源材料供应装置；其特征在于：一限制流动部件装在外坩埚和内坩埚之间的半导体熔化物区域中，以限制半导体熔化物的流动。
2.根据权利要求1的拉单晶装置，其中，所述限制流动部件是限制对流部件，可限制在外坩埚和内坩埚之间区域的半导体熔化物中的对流。
3.根据权利要求2的拉单晶装置，其中，所述限制流动部件设置为可加长从源材料加入点到外坩埚和内坩埚之间的底边连接部分的路径。
4.根据权利要求1和权利要求2中任一项权利要求的拉单晶装置，其中，所述限制流动部件是做成环状、与外坩埚11和内坩埚12同心的挡板，并水平地安装在半导体熔化物的表面。
5.根据权利要求4的拉单晶装置，其中，所述挡板装在源材料供应装置的一部分之下，并由该源材料供应装置支撑。
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