CN1189546A

CN1189546A - 硅单晶的生产方法以及实现该方法的加热装置

Info

Publication number: CN1189546A
Application number: CN97120319A
Authority: CN
Inventors: 维尔弗里德·冯·阿蒙; 埃里希·托姆茨希; 保罗·富克斯; 尤里·盖尔夫加特
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 1998-08-05

Abstract

本发明涉及一种用却赫拉尔斯基方法生产硅单晶方法,以及一种用来加热装硅料坩埚并被安装在坩埚下面的加热装置。该方法的特征在于,至少在一段时间内,使用安装在坩埚下面的线圈加热装置,并以感应方式把能量传递给熔体。设计该加热装置具有缠绕线圈型状。

Description

硅单晶的生产方法以及实现该方法的加热装置

本发明涉及用却赫拉尔斯基(Czochralski)方法生产硅单晶的方法。本发明也涉及要用作加热装硅料的坩埚并被安装在坩埚之下的加热装置。

为了用却赫拉尔斯基方法生产硅单晶，固体硅在石英-玻璃坩埚(其后也将其仅称作“坩埚”)中熔融。其后，把晶种浸入该熔体，并从该熔体拉制单晶。从开始起，该方法就不断得到发展，目前可以拉制直径超过200毫米的单晶。然而，制作大单晶有许多问题。这些问题之一是与硅在被熔融和拉制单晶时的热和流变条件有关。期望尽快地熔融硅，并获得无位错单晶提拉时所需要的熔体的热和流变条件。为了制作大单晶，在该坩埚中需要熔融相应的大容积的硅。一般，使用多晶碎片或者包含有位错并需要重熔的单晶。对熔融所需的加热能量一般是由安装在该坩埚周围侧面和下方的电阻加热元件提供的。具有这类加热元件的装置，举例而言，在US-5,360,599中已有所透露。防止因把加热元件加热到大大高于硅熔点温度而使硅快速熔化的原因是，如果该坩埚过热，液体态硅将腐蚀坩埚。这将有颗粒从坩埚材料脱落，在拉制单晶期间到达结晶正面，造成位错的危险。而且，在坩埚壁和结晶正面之间过大的温度梯度会产生不受控制的对流，它反过来会导致熔体温度和在熔体中掺杂物和杂质浓度的不利的的局部波动。

本发明达到了减少在石英-玻璃坩埚中熔硅所需时间，防止坩埚过热和使该熔体稳定化的目的。

本发明涉及在石英-玻璃坩埚中，通过熔融硅和从硅熔体提拉单晶制作硅单晶的方法，其特征在于，能量被传递到熔体时，至少有一段时间使用设置在坩埚之下的线圈加热器进行感应加热。

本发明也涉及一设置在坩埚下用来加热装硅的石英-玻璃的加热装置，该加热器被设计成缠绕线圈型，所配置有的接线盒适合于交、直流电操作。

本发明的一个特别鲜明的特点是，热能不仅直接转移到硅熔体，而且也通过场感应的熔体对流快速地和均匀地将其分布在熔体之中。因为其它炉元件(石墨)高得多的电阻，该能量主要地传递到熔体。热能转移方式，以及上述结果，大大减少了熔化硅所需时间。而且，通过指向坩埚内部的热传送，防止了坩埚因设置在它侧面周围的电阻加热器过分的加热。在提拉单晶期间，可利用在受感应加热熔体内的强迫对流，来减少局部温度、掺杂物和杂质的浓度不受控制的波动，并使熔体稳定化。反过来，这点有助于拉制无位错和均匀掺杂的单晶。

由于仅在液态下，硅具有所需要的、和感应电磁场的相互作用，在过程开始时，借助电阻加热器熔融固体硅。除了设置在坩埚周围的一般加热装置之外，按本发明的一种加热装置(其后，称作底部加热装置)也可以用于此种目的。底部加热装置被连接到直流电源，并接通用于电阻加热。然而，为了熔解大部份硅，底部加热装置转换成交流电操作，以便以感应的方式将能量传递给硅。优选应用正弦波交流电压，以及用直流电压元件调制的交流电压或者重复切换开关产生的交流电压。优选的交流电压频率为20Hz到10kHz。较高的交流电压频率下，熔体经历比在低频下更强的局部加热。然而，在低频下，能量传递更能深入达到坩埚内部。因此，建议在熔融硅的起始阶段，在较高频率下工作，以便尽快熔融硅，其后转到低频下工作，以便使熔体稳定化。在提拉单晶时，底部加热装置既可用一种常规的电阻加热功能以直流电操作，也可以为了进一步稳定化熔体，用交流电或调制直流电操作。

如果该加热装置用调制直流电操作，控制熔体氧含量也是可能的。氧含量特别受到在熔体中对流运动速度的影响。受调制电流的交流电分量决定了传递到熔体的功率，并且因此决定了对流的驱动，而该加热装置所需要的总的加热功率是受直流分量控制的。因此，变化调制振幅可以控制对流速度，而与总的热预算无关。

控制熔体中氧含量的另一种可能方法在于，选用相对强的调制振幅，因此，产生一种高的对流速度，并用穿透该熔体的外部静电磁场，仔细的使其减速。

影响熔体氧含量的再一种可能的方法是通过改变交流电元件的频率来提供的，因为频率的改变使电磁场的趋肤深度(skin depth)发生变化，因此，改变对流。

借助于附图，将可以更仔细地说明装置的细节。仅示出对更清楚理解本发明是必要的这些部件。图1示出了用却赫拉尔斯基方法提拉单晶装置的纵剖面图，附带有一个按本发明的加热装置。图2到图4示出了该加热装置优选的设计细节。图5表示该加热装置特定的优选实施方案。在这些图中，同一部件给予相同的参考编号。

首先参考图1。图1示出被嵌入支承坩埚2中的石英-玻璃坩埚1，并与支承坩埚2一起被支承在一可转动和轴向可被替换轴的支承板3上。坩埚1的侧面被圆柱电阻加热装置围绕。按照本发明，底部加热装置4被装置在该坩埚下方。辐射状缝隙(在图中未示出)减小了对支承坩埚2不利的感应耦合。相应地，在底部加热装置下的其它装置部件优选也是径向开槽的。底部加热装置4主要是由一优选石墨质，碳纤维复合材料(CFC)或诸如钼或钽金属材料的线圈组成。该线圈的匝圈6绕在从内部电插头7到外部电插头8之间的宽区间上。匝圈数取决于线圈材质。碳质线圈，因为这种材料有高的电阻率，与有同样直径的金属线圈相比，需要的匝圈较少。该线圈匝数可以以单层方式或多层(一层迭一层)方式排列。在底部加热装置下面装有一隔热基板9。该线圈的每一匝圈优选在至少三个支承点上被机械地固定到基板上，举例而言，使用合于该匝圈的、并是电绝缘或电绝缘材质的支承元件。同时，该支承元件使该线圈的匝圈彼此保持恒定距离，减小匝圈可能的震动。该基板优选是石墨质的，同时可方便地用作底部加热装置内电极的电接插件。

举例而言，所使用的支承件可以是在图2中所示出的桥式元件10，与匝圈6相联接，并以底脚方式从匝圈6处凸出来。在该实施方案装置中，基板9是由石墨板和下面的石墨毡板(graphite-feltplates)组成的复合材料。桥式件10适配在插座11中，插座11优选是石英玻璃质的。插座被嵌入在基板中相应的孔内。

图3示出了线圈的匝圈如何被支承在基板上的另一例子。在此情形下，梳形电绝缘隔板12，优选是一氮化硼材质的并放置在基板上(未示出)，这里起支承件的作用。在一侧，该隔板具有被适配在匝圈6之间空隙之中的叉状物13。

构成匝圈支承件的再一个例子被示于图4中。所提出的支承件是一环形、电绝缘垫片14，它支承两个相邻匝圈6并用螺钉15拧紧到基板9上。螺钉头16通过绝缘垫圈17把匝圈固定该绝缘垫片14上。该螺钉优选是CFC材质。垫片和垫圈优选是一氮化硼材质的。支承匝圈的另一种类似的可能方法(未被示出)由通过一环形的电绝缘垫片被支承在基板上的匝圈组成。在此情况下，把匝圈联接到基板(例如，通过螺钉)是方便的，螺钉是电绝缘或电绝缘材质的，通过基板和垫片被拧入匝圈。如果基板是电绝缘材质的(例如，一氮化硼)，该匝圈可以用CFC螺钉直接被固定到基板上。

在单晶提拉期间，通常用轴提升坩埚，以便在熔体体积的减少的情况下，仍能保持熔体表面在恒定的水平。由于传递的能量取决于底部加热装置和坩埚之间的距离，优选随坩埚的轴向运动移动底部加热装置，并且以同样方式使它与坩埚的距离保持恒定。原则上，对此可以提供独立机构，以和坩埚同步方式移动底部加热装置。在一优选的实施方案中，坩埚和底部加热装置的轴向运动由一专门设计的轴18(图5)来完成。将该轴分成两个共轴组件18a和18b，内组件被设计作为底部加热装置4的内侧电子子接插件。与基板9和管19一起，外侧件用作底部加热装置的外侧电接插件，同时对基板9起支承作用。该基板和管19及支承坩埚2一道，组成包含有底部加热装置4的室20。该底部加热装置基本上被包封在该室中，结果源于它的杂质不能通过气相到达熔体。通过滑环21a和21b把电接插件与电源相联。

Claims

1、通过在石英-玻璃坩埚中熔融硅并从硅熔体提拉单晶生产硅单晶的方法，其特征在于，至少有一段时间使用设置在坩埚下面的线圈加热装置，用感应加热的方式来把能量传递到熔体。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于，在硅熔融期间，该加热装置至少有一段时间用交流电工作。

3、根据权利要求2的方法，其特征在于，该交流电的频率是变化的。

4、根据权利要求1的方法，其特征在于，在硅熔融期间，至少在一段时间，该加热装置用调制过的直流电工作。

5、根据权利要求1的方法，其特征在于，在单晶提拉期间，该加热装置用直流电工作。

6、根据权利要求1的方法，其特征在于，在单提拉期间，该加热装置用交流电工作。

7、根据权利要求1的方法，其特征在于，在单晶提拉期间，该加热器用调制过的直流电流工作，并且交流分量和直流分量之比例是可变的。

8、根据权利要求1的方法，其特征在于，在单晶拉制期间，该加热器用调制过的直流电工作，并且产生能穿透该熔体的静电磁场。

9、根据权利要求1的方法，其特征在于，在单晶拉制期间，该加热器用调制过的直流电工作，并且交流分量的频率是变化的。

10、用来加热装硅料的坩埚并且设置在坩埚下面的加热装置，其特征在于，该加热装置设计成缠绕的线圈型式。

11、根据权利要求10的加热装置，其特征在于，通过桥式元件把线圈的匝圈机械固定在基板上。

12、根据权利要求10的加热装置，其特征在于，通过电绝缘材质的并且以梳状形式适配入线圈匝圈之间的垫片，把该线圈匝圈机械固定在基板上。

13、根据权利要求10的加热装置，其特征在于，通过绝缘材质的环形垫片，把线圈的匝圈机械固定在基板上。

14、根据权利要求10的加热装置，其特征在于，把该线圈的匝圈直接固定到电绝缘材质的基板上。

15、根据权利要求12到14之一的加热装置，其特征在于，电绝缘材料是一氮化硼。

16、根据权利要求10到15之一的加热装置，其特征在于，该线圈可以被竖直地放置的。

17、根据权利要求10到16之一的加热装置，其特征在于，该线圈被放置在一个室中。