CN1168931A - 防止单晶拉制设备中加热器电极熔化下坠的设备 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是防止用来向坩埚103用的加热器104提供电流的导电金属电极5，5熔化下坠。开关11控制电源的通断。安培表10a连续地测量流过加热器104的电流。在中间电极6下部出现裂缝8的情况下，在电极5，5烷化下坠之前，由于裂缝8处出现放电现象，电流测量值会出现细小的波动。因此，如果安培表10a测量的电流波动超出允许范围，则控制器12切断开关11，从而切断电极5，5的电源，并防止电极5，5熔化下坠。

Description

防止单晶拉制设备中加热器 电极熔化下坠的设备

本发明涉及从储存在坩埚中的半导体熔料拉制半导体单晶用的单晶拉制设备，更具体地说，涉及防止用来加热坩埚的加热器导电金属电极熔化下坠(熔化)的设备。

切克劳斯基(CZ)生长技术是目前已知的诸如硅(Si)或砷化镓(GaAs)等半导体单晶的多种生长方法之一的例子。

因为CZ生长技术能够简单地生成大直径、高纯度、无位错或者晶格缺陷密度极低的单晶，所以它被广泛应用于各种各样半导体晶体的生长。

近年来，为了满足对于更大直径、更高纯度、氧浓度和杂质浓度等级均匀的单晶的需求，人们看到这种CZ生长技术通过各种途径进行改进，以满足这种需求。

在对上述CZ生长技术已经提出的各种改进中，有一种是使用双坩埚的施加连续磁场的CZ技术(在下文中将简称为CMCZ技术)。该技术的特点是，通过从外面向坩埚内的熔融物施加能够抑制半导体熔料对流的磁场，它能生长无滑动率(slip-free ratios)良好的、对氧浓度水平的控制极佳的单晶，而且由于允许向内、外坩埚之间的位置上连续地供应源材料，故能简单地生长长的半导体材料单晶。因此，这种方法被认为是获取半导体材料的大直径、长单晶的最佳方法之一。

图4表示日本专利申请第一次公开No.Hei-4-305091提出的单晶硅拉制设备的一个例子，它采用上述CMCZ技术。在这种单晶拉制设备101中，双坩埚103、加热器104和源材料供应管105位于空心气密室102的内部，而磁铁106位于气密室102的外面。

但是，正如后面将要讨论的，本发明不仅适用于采用CMCZ技术的单晶拉制设备，而且可以应用于不加磁场的采用连续装载(charge)型CZ技术(CCZ技术)的单晶拉制设备，或者不用双坩埚，而用单坩埚的单晶拉制设备。

双坩埚103包括大体上呈半球形的石英(SiO₂)制成的外坩埚111，和石英制成的内坩埚112，后者是装在外坩埚内的圆柱形分隔体。内坩埚112的侧壁含有多个连接孔113，后者把内和外坩埚112和111之间的区域(源材料熔融区)与内坩埚112内部(晶体生长区)相连接。

这种双坩埚103装在基座115上，后者座落在生长室102的下部中心位置的垂直轴114上，并能绕轴114的轴线在水平面上以特定的角速度旋转。半导体熔料121(用来生长半导体单晶的、加热熔化的源材料)储存在双坩埚103的内部。

基本上呈圆柱形的加热器104加热和熔融坩埚内的半导体源材料，并维持这样产生的半导体熔料121的温度。通常采用电阻加热。加热器104的结构以后再详细讨论。用作源材料供应装置的源材料供应管105用来从其开口的低端连续地将规定体积的半导体源材料110注入外坩埚111和内坩埚112之间的半导体熔料的表面上。

可以通过上述源材料供应管105送入的源材料110的例子，包括在破碎机内破碎成薄片状的多晶硅，或利用热分解从气态源材料沉积出来的多晶硅颗粒，同时还根据需要送入诸如硼(B)(在生产p型单晶硅的情况下)和磷(P)(在生产n型单晶硅的情况下)等被称为掺杂剂的元素添加剂。

在砷化镓(GaAs)的情况下，操作与上述相同，但在此情况下，所用的元素添加剂不是锌(Zn)，就是硅(Si)。

在上述单晶拉制设备101中，晶种125悬挂在处于内坩埚112上面以及该轴的轴线以上的拉制轴124上的卡盘(未示出)上，而半导体的单晶126围绕晶种125的核心在半导体熔料121的上表面生长。

但是，正如日本专利申请第一公开No.Sho-63-303894所公开的，使用这种类型的单晶拉制设备，单晶的生长要求：首先使诸如多晶硅块等多晶源材料熔融，所得半导体源材料121储存在外坩埚112内，然后把内坩埚112置于外坩埚111的上方，再向下安装在外坩埚111上，形成双坩埚103。

之所以要在多晶源材料熔融之后才形成双坩埚103，原因是为了使多晶源材料完全熔融，以获得半导体熔料121，需要用加热器104使外坩埚111内部的源材料温度上升至高于单晶生长温度。如果内坩埚112在熔融阶段之前装在外坩埚111上，内坩埚112将会发生巨大的热变形。因而，在源材料完全熔融之后才把内坩埚112装在外坩埚上，然后降低加热器104所加的热量，就能避免初始源材料熔融所需的高温，并抑制内坩埚的变形。

另外，内坩埚112的连接孔113设置在预定的开孔面上，后者小得足以保证加源材料时，半导体熔料121只会从外坩埚111流向内坩埚112。之所以要有这样的限制，原因是如果由于对流而出现半导体熔料从晶体生长区倒流入源材料熔融区的现象，那么，单晶生长过程中的杂质浓度控制以及熔融物的温度控制就会成为问题。

图5A和图5B分别为上述加热器104一例的平面图和正视图，而图6是加热器104电极部分的放大视图。

如图5A和图5B所示，加热器104大体上呈圆柱形，并设有整体凸出物部分1，2，后者从加热器104底部边沿对面一侧的部分突出。另外，加热器104设有多个交替地向加热器104上边沿和向其下边沿切入的在垂直方向延伸的狭缝3。结果，将电压加在一对突出部分1，2上时，就会使流过加热器104的电流沿着图5B箭头D所示方向流动。另外，突出部分1，2向加热器内侧突出的结构亦可采用。

采用图6所示的加热器104电极部分，加热器104的突出部分1设有通孔1a，石墨中间电极6的螺纹部分6a穿过开孔1a插入。螺帽7拧在螺纹部分6a上，从而将电极固定在突出部分1上。

在中间电极6的下部形成螺丝孔6b，导电金属电极5的螺纹部分5a拧进螺纹孔6b。导电金属电极5包括上端的螺纹部分5a、法兰盘部分5b和小直径的主体部分5c。导电金属电极5一般用诸如铜、铜合金或不锈钢等金属形成，尽管并不限于这些材料。

中间电极6的下部与导电金属电极5的法兰盘部分5b接触。小直径主体部分5c穿过生长室102(参见图4)的基底部分102a，另外，为保证主体部分5c不与基底部分102a接触，将绝缘材料制成的套管4装入基底部分102a。

加热器104的另一个突出部分2的电极结构与突出部分1的电极结构相同，故图与解释一并从略。

利用上述结构，将电压加在两个导电金属电极5，5(一个电极未在图中示出，一个电极正，另一个电极负)上时，就能使预定值的电流(例如，1500安培)流过加热器104。

在图6所示的这些实例中，由于诸如加热器104的振动或中间电极6消耗等因素，在中间电极6的下部(螺纹孔部分)形成裂缝8，从导电金属电极5送入中间电极6的电流供应就会集中到裂缝8以上的螺纹部分6b，结果，水冷通道5d内的水温就会上升，一部分水将开始沸腾，致使蒸汽填充水冷通道5d的上部空间。若在这种情况下还继续供给电流，导电金属电极5不直接与水冷却剂接触的这些部分的冷却效率就会降低，结果导电金属电极5就可能熔化下坠。若导电金属电极开始熔化，从水冷剂通道5d内出来的水冷剂就开始冒泡，进入生长室102(参见图4)内部，造成污染问题。

鉴于当前工艺的上述问题，本发明的目标是提供一种用来防止单晶拉制设备中的加热器电极熔化下坠，从而能够防止加热器导电金属电极熔化下坠的设备。

为了实现上述目标，本发明用来防止单晶拉制设备中加热器电极熔化下坠的设备包括：

气密容器，

该气密容器内部的储存半导体熔料的坩埚，

包围坩埚的加热器，

一对导电金属电极，每个都具有水冷剂通道，每个都用螺纹连接到与加热器连接的石墨中间电极，

开关，设在至少一个导电金属电极与向该对导电金属电极提供电力的电压源之间的电路内，

电流测量装置，用来测量流过加热器的电流值，以及

控制器，接受电流测量装置输入的电流测量值，在电流值的波动超出允许范围，并持续第一预定时间间隔的情况下将开关断开，切断电流，而且

其中第一预定时间间隔短于导电金属电极出现熔化下坠要求的电流测量值连续波动超出允许范围的时间。

本发明者探明，如图2和图4所示，采用本发明，在中间电极6的下部(螺纹孔部分6b)出现裂缝8的这些实例中，在导电金属电极5熔化下坠之前，裂缝部分会出现放电现象，致使流过加热器104的电流测量值A1出现细小的波动(振动)Z。另外观察到，波动Z的持续时间大体上是恒定的(例如，10分钟)。

因此，用安培表10a连续地测量流过加热器104的电流，在测量值A1中的波动Z超出允许范围H，并如图2所示，持续第一预定时间间隔T1(例如，5分钟)时，控制器1 2将开关11断开，切断从电压源9流到该对导电金属电极5，5的电流，从而防止导电金属电极熔化下坠。

本发明的另一种配置是提供报警，在电流值的波动连续超出允许范围的时间达到短于第一预定时间间隔的第二预定时间间隔的情况下，控制器即激活报警。

在本发明的这种配置中，若波动Z连续超出允许范围H的时间达到短于第一预定时间间隔T1的第二预定时间间隔T2(例如，1分钟)，则控制器12起动报警器13，立即通知操作者有上述裂缝存在。

本发明的再一种配置是提供一种用来测量供给加热器的电功率的测量装置，将电流测量装置测量的电流值和电功率测量装置测量的电功率值连续地输入控制器，后者计算电阻值，在电阻值的波动连续超出允许范围的时间达到第一预定时间间隔的情况下，控制器切断开关。

本发明不限于用电流波动作为启动报警器或切断加热器电流的根据的配置，而从加在加热器上的电流值和电功率值计算电阻值，并用这个电阻值的波动作为启动报警或切断加热器电流的根据的配置也是可能的。

图1是本发明的用来防止单晶拉制设备中加热器电极熔化下坠的设备的一个实施例的控制方框图；

图2是表示沿着水平轴的时间(t)与沿着垂直轴的电流测量值(A1)的图表；

图3A是表示裂缝造成的电流测量值波动的曲线，而图3B是表示测量装置误差和其他外部干扰造成的电流测量值波动的曲线；

图4是表示采用CMCZ技术的单晶硅拉制设备一例的剖面图；

图5A是加热器一例的平面图，而图5B是加热器一例的正视图；而

图6是加热器电极部分的放大视图。

下面参照附图解释本发明的最佳实施例。

本发明用来防止单晶拉制设备中加热器电极熔化下坠的设备的一个实施例的控制方框图示于图1，而表示沿着水平轴的时间(t)与沿着垂直轴的电流测量值(A1)的图表示于图2。

本实施例的结构与在对相关技术的解释中已经涉及的图4-6所示的相同，故解释在此从略。

如图1和图4所示，电压源9将电压加在一对铜电极(导电金属电极)5，5上，使电流流过加热器104。加热器104产生的热量加热坩埚内的半导体源材料，使之熔融，然后维持所得半导体熔料121的温度。在电压源9与一个铜电极5之间的电路中设置了开关11。该开关接通时，电流从电压源9流到一对铜电极5，5上，而当该开关断开时，该电流即停止。开关11的通断由下述的控制器12控制。安培表10a起电流测量装置的作用，连续地检测(测量)流过加热器104的电流(检测结果见图2)。

在下面将要描述的不同实施例中作为电功率测量装置的瓦时表10b，在这个实施例中是不必要的。

连续地把来自安培表10a的测到的流过加热器的电流A1的输入信号加到控制器12，在测量值A1的波动Z连续地超出允许范围H的时间达到下面将要描述的第一预定时间间隔T1(例如，5分钟)的情况下，控制器12切断开关11，使流过加热器104的电流停止。这样，当测量值A1的波动连续地超出允许范围H的时间达到预定的时间间隔T1时，控制器12切断开关11。第一预定时间间隔T1是一段短于铜电极出现熔化下坠所需的连续测量值A1的波动连续超出允许范围H的时间(在此例中约为10分钟)的时间间隔。另外，在测量值A1的波动连续超出允许范围H的时间达到短于第一预定时间间隔T1的第二预定时间间隔T2(在此例中约为1分钟)时，控制器12首先启动报警器13。这个报警装置13装配在，例如，单晶拉制设备的操作面板上。第一预定时间间隔T1和第二预定时间间隔T2都在控制器12中预先设定。

下面解释用来防止加热器电极熔化下坠的设备的该实施例的操作。

如图2所示，为了加热和熔融坩埚中的半导体源材料，然后维持随之产生的半导体熔料121的温度(参照图4)，控制器12接通开关11，于是在一对铜电极5，5的两端加上电压，并给加热器104提供一种恒定的标准电流A1(例如，1500安培)。另外，用安培表10a连续地监视流过加热器104的电流。

由于各种因素在中间电极6(参见图6)的下部(螺纹部分)形成裂缝8的那些情况下，在裂缝8上出现放电现象，电流检测值A1中便出现微小的波动(振动)Z。

如果，如图3A所示，这个波动Z超出由上限X和下限Y表示的允许范围，而且持续的时间达到第二预定时间间隔T2(在这个例子中，1分钟)，则控制器12启动报警器13。这使单晶拉制设备的操作者可以得到通知有上述裂缝出现。这样，当电流值的波动Z超出允许范围H时，初始报警的启动就意味着，操作者可以立即得到通知在中间电极6(见图6)中的一个出现了裂缝8，结果就能够，例如，立即更换中间电极6，从而防止生产率下降。波动Z超出允许范围H被定义为不是波动Z的最大值超出允许范围H的上限值X，就是波动Z的最小值低于允许范围的下限值Y的现象。

另外，如果图3A所示类型的波动Z持续时间长于第一预定时间间隔T1(在本例中，5分钟)，则控制器12立即切断开关11。这使图6所示的铜电极5的熔化下坠得以防止。这样，在流过加热器104的电流值出现预定的波动的那些情况下，通过切断对加热器104的该对铜电极5，5的电流供应，防止该铜电极的熔化下坠，并可以避免生长室102(参见图4)内冷却水沸腾。在这个例子中，上限值X和下限值Y分别表示偏离标准电流值A1±5％。

在由于诸如测量装置误差或外部干扰等因素而出现图3B这样的波动Z，而波动Z在上限值X和下限值Y所限定的允许范围以内的情况下，控制器12不会把这些波动Z诊断为出现裂缝，因而让开关11继续接通。这样，在安培表10a这类测量装置中的误差或者外部干扰产生电阻值或电流值的波动的那些情况下，电流仍在继续，不会降低单晶拉制过程的生产率。

采用上述实施例，电流值的波动用作启动报警器和切断加热器电流的根据。但是，本发明并不限于此，像上例中以电流值的波动为根据进行电流控制一样，可以连续地从供应加热器104的电流值和电功率值计算电阻，然后用它为根据启动报警器和切断加热器的电流。

总而言之，如图1所示，用瓦时表10b连续地测量供应加热器104的电功率，把用安培表10a的电流值和用瓦时表10b测量的电功率值连续地输入到控制器12，该控制器连续地计算电阻值，在该电阻值的波动超出允许范围的持续时间达到第一预定时间间隔的那些情况下，控制器12切断开关11。另外，在电阻值的波动超出允许范围的持续时间达到短于第一预定时间间隔的第二预定时间间隔时，控制器12启动报警器13。

在该实施例中所用的单晶拉制设备采用CMCZ技术。但是，使用其他单晶生产技术也是可以的。例如，使用连续装载CZ技术(CCZ技术)，或不装设双坩埚而装单坩埚的单晶拉制设备也是可以的。

Claims (4)

1.一种用来防止单晶拉制设备中加热器电极熔化下坠的设备，它包括：

气密容器，

该气密容器内部的储存半导体熔料的坩埚，

包围坩埚的加热器，以及

一对导电金属电极，每个都具有冷却水通道，每个都用螺纹连接到与所述加热器连接的石墨中间电极，

所述用来防止单晶拉制设备中加热器电极熔化下坠的设备的特征在于包括：

在至少一个导电金属电极与向该对导电金属电极供电的电压源之间的电路内设置的开关，

电流测量装置，用来测量流过所述加热器的电流值，以及

控制器，接受所述电流测量装置输入的电流测量值，在所述电流值的波动超出允许范围，并持续第一预定时间间隔的情况下将所述开关断开，切断电流，而且

其中第一预定时间间隔短于所述导电金属电极出现熔化下坠所需的电流测量值连续波动超出允许范围的时间。

2.按照权利要求1的用来防止单晶拉制设备中加热器电极熔化下坠的设备，其特征在于，其中设置报警装置，在所述电流值的波动连续超出允许范围的时间达到短于第一预定时间间隔的第二预定时间间隔的情况下，所述控制器即首先启动所述报警装置。

3.按照权利要求1的用来防止单晶拉制设备中加热器电极熔化下坠的设备，其特征在于，其中提供一种用来测量供给所述加热器的电功率的测量装置，将所述电流测量装置测量的电流值和所述电功率测量装置测量的电功率值输入所述控制器，后者计算电阻值，在所述电阻值的波动连续超出允许范围的时间达到第一预定时间间隔的情况下，所述控制器切断所述开关。

4.按照权利要求3的用来防止单晶拉制设备中加热器电极熔化下坠的设备，其特征在于，其中设置报警装置，在所述电流值的波动连续超出允许范围的时间达到短于所述第一预定时间间隔的第二预定时间间隔的情况下，所述控制器即首先启动所述报警装置。

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