CN1272146A - 拉晶炉用热屏蔽 - Google Patents

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Abstract

一种热屏蔽,用于拉晶炉内,它环绕由单晶炉内装填半导体熔体原料的坩埚生长出来的单晶毛坯。该热屏蔽包括一种反射器,其所具有环绕正在生长毛坯的中央开口的尺寸和形状能减少来自坩埚的传热。反射器适合安放在拉晶炉内熔体材料和摄像机之间,摄像机对准毛坯和熔体材料上表面之间所形成弯月面上至少三个隔开的点。反射器有至少三个通道伸展通过反射器,每个通道沿着摄像机和弯月面上一个点之间的一条假想线定位,从而让摄像机看到这些点,使摄像机能测定这些点的位置来计算毛坯直径,同时将穿过通道的热散失减至最小。

Description

拉晶炉用热屏蔽
                     技术背景
本发明涉及生长单晶半导体材料的拉晶炉，具体涉及用于这种拉晶炉的热屏蔽。
作为制造许多电子元件原料的单晶半导体材料通常用提拉法制作(Czochralski，“CZ”)。该方法中，在坩埚内熔化诸如多晶硅(“多硅”)的多晶半导体原料。然后将籽晶降至熔体材料再缓慢升高生长单晶毛坯。生长毛坯时，通过降低拉速和/或熔体温度形成上部尾锥，从而扩大毛坯直径直至达到目标直径。一旦达到目标直径，通过控制拉速和熔体温度形成毛坯的圆柱主体以补偿熔体平面降低。接近生长工艺后期并在坩埚变空之前，缩减毛坯直径形成下部尾锥，下部尾锥离开熔体得到半导体材料的最终毛坯。
为了控制毛坯直径，必须在贯穿拉晶工艺期间测量毛坯的实际直径。一般在坩埚上方安装摄像机自动测定正在提拉的毛坯直径。在毛坯和熔体上表面之间形成的弯月面上，摄像机至少测量三个点的位置。摄像机能够区分弯月面和周围的材料，因为弯月面比周围的材料更加明亮。利用本领域公知的几何公式就能从这些点来计算毛坯直径。
尽管提拉法能令人满意地生长用途广泛的单晶半导体材料，仍然需要进一步改良半导体材料的质量。例如，作为半导体制作商要降低半导体上形成集成电路的线宽，则材料内存在的缺陷至关重要。单晶半导体材料内的缺陷是在拉晶炉内晶体固化和冷却时形成的。这种缺陷的增加，部分由于存在过量的(亦即超过溶解度极限的浓度)公知为空位和自间隙子的内在点缺陷。空位，顾名思义是晶格中缺少或“空缺”一个或多个原子所至。自间隙子则是晶格内存在一个或多个外来原子所至。两种缺陷皆对半导体材料的质量起反作用。
毛坯生长时一般带有过量的一种或另一种内在点缺陷，亦即或者是晶格空位或者是自间隙子。应当了解，毛坯内这些在其固化时变成固定不变的点缺陷的种类和起始浓度可以控制，通过在毛坯固化时生长速度(拉速，v)与瞬时轴向温度梯度(温梯)(G0)的比率控制。当这个比值(v/G0)超过临界值时，空位浓度增大。反过来，该比值低于临界值时，自间隙子浓度增大。尽管任何种类的缺陷都不合要求，半导体工业一般宁愿要产生更多空位的生长机制。通过将v/G0比值控制到生长晶格空位占优势这样的晶格，并且通过改变(通常是降低)硅毛坯在其拉晶期间大约1150-1050℃温度范围时的温梯来减少附聚缺陷的成核速度，就能降低内在点缺陷的密度。
为了得到富空位的毛坯并避免在毛坯内存在径向的空位/自间隙子边界环，就要尽可能高地控制v/G0比值。增大该比值的一种方式是提高毛坯拉速(亦即生长速度v)。然而拉速还对其他参数起作用，例如毛坯直径。因此，提高拉速的量受到限制。
增大该比值的另一种方式是降低毛坯温梯G0。就此而言，可将热屏蔽定位在坩埚内熔体表面上方来保存毛坯和熔体材料之间界面处的热量，防止其从熔体表面散失。按照这种方式，就降低了界面处瞬时轴向温梯G0，也就是增大了比值v/G0。这些热屏蔽通常包括一个中央开口，让毛坯从熔体生长时提拉从中穿过。以前，中央开口尽可能作得大一些，以便让摄像机测量毛坯直径时通过开口能看到弯月面上的点。否则热屏蔽会阻碍摄像机观察。由于要使摄像机看到这些点，中央开口就相当大，过去的热屏蔽散失大量热，从而明显降低热屏蔽的效果。
发明概述
本发明的几个目的和特点是提供一种促进生长高质量单晶硅毛坯的热屏蔽和拉晶炉；提供的这种热屏蔽和拉晶炉能降低邻近熔体表面处晶体的瞬时轴向温梯；提供的这种热屏蔽和拉晶炉并不干扰自动测量晶体直径的装置；提供的这种热屏蔽能促进拉晶炉提高生产率；提供的这种热屏蔽能在拉晶炉有限空间内作业；提供的这种热屏蔽很容易适合现有的拉晶炉；并且提供这种热屏蔽组件和易于使用的方法。
本发明的装置主要是一种拉晶炉用热屏蔽，它围绕由单晶炉内装填半导体熔体原料的坩埚中生长出来的单晶毛坯。热屏蔽包括一种反射器，其所具有环绕正在生长毛坯的中央开口的尺寸和形状能减少来自坩埚的传热。反射器适合安放在拉晶炉内熔体材料和摄像机之间，摄像机对准毛坯和熔体材料上表面之间所形成弯月面上至少三个隔开的点。反射器有至少三个通道伸展通过反射器。每个通道沿着摄像机和弯月面上一个点之间的一条假想线定位。这就允许摄像机看到这些点，使得摄像机能测定这些点的位置来计算毛坯直径，同时将穿过通道的热散失减至最小。
在本发明的另一个目的中，本发明装置是生长单晶毛坯的拉晶炉。拉晶炉包括装载半导体原料熔体并从中生长单晶的坩埚和加热坩埚的加热器。拉晶炉还包括从熔体提拉毛坯的提拉机械和位于熔体上方的摄像机。摄像机对准毛坯和熔体材料上表面之间所形成弯月面上至少三个隔开的点。此外，拉晶炉也包括位于熔体和摄像机之间的热屏蔽。环绕正在生长毛坯的热屏蔽中央开口所具有的尺寸和形状，要能降低来自坩埚的传热。热屏蔽有至少三个通道伸展通过反射器。每个通道沿着摄像机和弯月面上一个点之间的一条假想线定位。这就允许摄像机看到这些点，使得摄像机能测定这些点的位置来计算毛坯直径，同时将穿过通道的热散失减至最小。
本发明再一个目的中，本发明装置是一种热屏蔽，包括这样一种反射器，其环绕正在生长毛坯的中央开口能降低来自坩埚的传热。中央开口的直径在其圆周的至少大约325度周围不超过毛坯预定最大目标直径的百分之十。
本发明的其他目的和特点一部分清晰可见一部分将在下文指出。
附图说明
图1是本发明热屏蔽和拉晶炉的部分纵向剖视图；
图2是热屏蔽的外反射器顶视图；
图3沿图2中3-3线处所视上平面图；
图4曲线说明毛坯内轴向温梯与毛坯沿其长度的表面温度之函数关系；
图5曲线说明固化界面处毛坯内轴向温梯与半径的函数关系。
几个附图中相应参考字符代表相应部件。
优选实施方案详述
现参看附图特别是图1，参考字符10指定整个拉晶炉。拉晶炉10用来生长制造半导体晶片类型的单晶毛坯I。拉晶炉10包括水冷夹套(一般以12代表)，其内部包括晶体生长室14和安放在晶体生长室上方的提拉室16。石英坩埚20位于生长室14内装载半导体原料熔体S并从中生长单晶硅毛坯I。坩埚20安放在机动化的旋转台22上，在生长毛坯I并从熔体消耗原料时，让坩埚绕纵轴旋转并升高坩埚，将熔体原料S的表面维持在恒定水平。
环绕坩埚20的加热器24熔化坩埚20内的原料S。加热器24通过外部控制系统(未画出)控制，使得熔体原料的温度在贯穿提拉工艺期间受到精确控制。围绕加热器24的绝热体26减少通过夹套12侧壁的热散失量并有助于保持拉晶炉外壁相对凉爽。
提拉机械30(图1仅画出部分)旋转籽晶C并使其上下移动通过生长室14和提拉室16。首先，提拉机械30降低籽晶C通过舱室14和16直至接触熔体原料S的表面。然后提拉机械30缓慢升高晶体C穿过舱室14和16来生长单晶毛坯I。提拉机械30旋转晶体C和升高晶体C的两个速度(拉速为v)被外部控制体系控制。控制体系还控制提拉期间坩埚移动的速度。
窗口部分32延伸通过夹套12，使安放在其上方的摄像机能看到正在生长的毛坯I。摄像机34对准进入生长室16，使其能看到毛坯I和熔体原料S上表面之间形成弯月面M上三个隔开的点P(图1中仅示其一)。由这三个点P的位置用公知算法计算毛坯I的直径，以便调整诸如拉速和材料温度的运行参数来控制毛坯直径。除下文更全面详述以外，拉晶炉的一般构造和运行皆为本领域技术人员所公知的常识。
一般记作40的热屏蔽安放在熔体原料上表面S的上方。尽管在本发明范围内可预想有其他配置，优选实施方案中的热屏蔽40一般包括夹在同轴定位的内、外反射器44和46各自之间的绝热层42。内反射器44是圆锥形的，其朝内向下的锥形使其能将热量向上反射朝向正在生长的毛坯。内反射器44有中央开口48能让毛坯I穿过热屏蔽40。环绕中央开口48的内反射器44底部边缘支托在外反射器46中形成的沟槽50上。外反射器46是碗状，能向下反射毛坯I散失的热量，并在空气流上升穿越坩锅20时直接将其向外传送。围绕外反射器48上部边缘配置的凸缘52包括洞孔54，用来让紧固件将热屏蔽40可拆卸式结合拉晶炉10。尽管可用其他材料制造内外反射器44和46而并不背离本发明精神范围，在优选实施方案中用8mm厚的石英制造。在优选实施方案中使用的绝热层43是碳粘合的碳纤维绝热材料制造。
如图2所示，外反射器46有中央开口60，它对准内反射器44的中央开口48，并且其尺寸和形状能环绕正在生长的毛坯I。例如，优选实施方案的中央开口60一般是圆形的，以适应圆柱状毛坯I的常规圆形截面。另外，优选实施方案的中央开口60的直径，在打算用拉晶炉生长毛坯I的通常最大目标直径是200mm时大约是220mm。尽管可以使用不同尺寸中央开口60的反射器46而并不背离本发明精神范围，在最优选实施方案中，中央开口的直径大于预定最大目标直径不超过大约百分之十(亦即1.1倍)。因此，就热屏蔽开口而言，热屏蔽开口60所具有的直径等于毛坯最大目标直径加容许量，亦即直径和提拉机械30的偏斜容差所计算的一些差额。
如图2进一步所示，外反射器46有三个通道62a-62c在毗邻中央开口60处伸展通过反射器。如图1所说明的，当热屏蔽40安置在拉晶炉10内的熔体材料S和摄像机34之间时，这些通道62a-62c的每一个都沿着摄像机和弯月面上被摄像机对准的一个点P之间的一条假想线L(图1仅示出其一)定位。这些通道62a-62c允许摄像机34看到这些点P，以便测定这些点的位置来计算毛坯I的直径。尽管本实施方案只显示了三个通道62a-62c，如果打算让摄像机34看到弯月面M上更多点P时热屏蔽40可有更多通道。
如图2所示，优选实施方案的通道62a-62c是U型缺口连通外反射器46的中央开口60。每个这些通道62a-62c都定位在弧线上，使边侧通道62a、62c与中央通道62b以大约15-50°的角度定向，最优选的是它们与中央通道有大约35°的角度定向。本领域技术人员应当了解，这种通道定向可让摄像机34看到弯月面M上以45°间隔的三个点P。经验表明，这种点间隔将得到精确测量毛坯I的直径。
如图3所示，通道62a-62c具有垂直于相应假想线L的有效观看测量宽度W，其足够宽到让摄像机34看到弯月面M上足够的区域以便能够辨别弯月面上毛坯I和熔体材料S表面，则能精确测定点P的位置。然而，通道62a-62c的宽度W又必须减至最小，以便减少通过通道的热散。尽管通道62a-62c可以有其他有效观察宽度W而并不背离本发明精神范围，优选实施方案的通道有效观看宽度大约10mm。这就造成图2所示每个边侧通道62a、62c比中央通道62b宽，考虑到沿假想线L通过边侧通道所产生的照透视法缩小。而且，热屏蔽40的中央开口60适应200mm或更大的毛坯I直径，这就造成中央开口直径在其圆周的至少大约325度周围不超过毛坯预定最大目标直径的百分之十。因此，通过中央开口60和通道62a-62c的热散就被降至最小。通道62a-62c的径向外边缘是圆形的，以便减少反射器46的应力集中。每个通道62a-62c的长度D大约40mm，考虑到沿假想线L照透视法缩小，并让摄像机34甚至在熔体材料表面S改变时也能看到点P。在优选实施方案中，通道62a-62c的总面积低于大约30.4平方厘米。如此配置，通道就能让摄像机34看到弯月面M上所选择的点P，则能计算毛坯I的直径，而且还有效地防止熔体材料表面的热散。
为了证实上述热屏蔽40的效果，对本发明热屏蔽和现有技术热屏蔽进行毛坯I的温梯分析。现有技术的热屏蔽没有通道。而且现有技术的热屏蔽中央开口要大到足够让摄像机通过开口看到弯月面。因此，现有技术热屏蔽中央开口的直径大约是最大目标直径的大约1.5倍，与本发明实施方案的热屏蔽分析对照，其中央开口的直径是最大目标直径的大约1.1倍。分析结果见图4和图5。
图4表明贯穿毛坯I的轴向温梯G0与毛坯表面温度的函数关系。从头至尾的最大温梯一般应降至最小，而毛坯又应快速固化直至达到出现缺陷成核的温度范围(例如对硅大约是1150℃和大约1050℃之间)，以便使该工艺持续时间最小化。在缺陷成核的温度范围，温梯G0必须尽可能低以避免引发缺陷。表面温度落入成核温度之后，毛坯应当再次快速冷却以缩短缺陷产生附聚的时间。本发明热屏蔽(图4的虚线)同现有技术的热屏蔽(图4的实线)相对照表明，本发明比现有技术更加有效。
从图4曲线右边处最大可以看出，本发明和现有技术的热屏蔽相对照，固化界面处(亦即一般接近1425℃的熔体表面)发生的整个最大轴向温梯要低一些。而且，本发明和现有技术的热屏蔽相比，在大约1400-1250℃的表面温度范围内轴向温梯要高一些。这就使毛坯冷却更快而缩短了拉晶工艺持续时间。在发生缺陷成核和附聚的温度范围内(亦即低于1150℃)，现有技术和本发明两者的热屏蔽都导致大致相同的轴向温梯。因此，同现有技术相比，本发明热屏蔽减小了整个温梯，降低了大量缺陷并缩短了工艺时间。
另外，如图5所示，本发明热屏蔽造成毛坯外部区域较低的轴向温梯G0。由于毛坯表面对流和辐射冷却的作用，表面趋于冷却更快，结果使外部表面温梯趋于变高。表面温梯越高，在毛坯外部区域形成的缺陷越多。理想地，在径向各处的温梯应当相同，亦即图5曲线应当平直一些。按照图4降低整个温梯方式，降低了表面处整个温梯就减少了表面处的大量缺陷。因此，本发明和现有技术热屏蔽得到的毛坯相比，贯穿毛坯的缺陷分布更平均。
综上所述可以看出，已达到本发明的若干目的并得到其他优越效果。
从上述构成中可作许多改变而并不背离本发明精神范围，上述说明书所含全部内容和附图所示仅供说明，绝非限制。

Claims (10)

1.一种拉晶炉用热屏蔽，它环绕由单晶炉内装填半导体熔体原料的坩埚中生长出来的单晶毛坯，该热屏蔽包括一种反射器，其所具有环绕正在生长毛坯的中央开口的尺寸和形状能减少来自坩埚的传热，反射器适合安放在拉晶炉内熔体材料和摄像机之间，所述摄像机对准毛坯和熔体材料上表面之间所形成弯月面上至少三个隔开的点，反射器有至少三个通道伸展通过反射器，每个通道沿着摄像机和弯月面上一个点之间的一条假想线定位，从而让摄像机看到这些点，使摄像机能测定这些点的位置来计算毛坯直径，同时将穿过通道的热散失减至最小。
2.根据权利要求1的热屏蔽，其中所述通道是连通反射器中央开口的缺口。
3.根据权利要求2的热屏蔽，其中通道包括中央通道和定位在中央通道两侧的边侧通道。
4.根据权利要求3的热屏蔽，其中每个通道都定位在弧线上，且每个边侧通道与中央通道沿弧线测量以大约15-50°的角度隔开。
5.根据权利要求4的热屏蔽，其中每个边侧通道与中央通道沿弧线测量以大约35°的角度隔开。
6.根据权利要求5的热屏蔽，其中每个边侧通道都比中央通道宽。
7.根据权利要求1的热屏蔽，其中所述反射器是第一反射器且热屏蔽进一步包括与第一反射器同轴的第二反射器，所述第二反射器的中央开口对准所述第一反射器的中央开口。
8.根据权利要求8的热屏蔽，进一步包括在所述第一和第二反射器之间定位的绝热层。
9.根据权利要求1的热屏蔽，其中所述中央开口是圆形，且其直径是毛坯直径的大约1.1倍。
10.根据权利要求1的热屏蔽，其中每个通道的有效观测宽度垂直于所述相应的假想线测量大约十毫米。
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