CN1280634A - 供拉晶用的装置 - Google Patents

Abstract

该装置包括一个卷盘、一个夹具、和一根缆索,夹具制成用于夹持籽晶和晶锭,而缆索具有一个连接到卷盘上的第一端、一个连接到夹具上的第二端和绕卷盘卷绕的一部分。绕卷盘卷绕的这部分缆索将一法向力施加到卷盘的周边表面上,该法向力相应于缆索中的张力。卷盘和缆索相互作用以便产生一个摩擦力,该摩擦力在缆索的纵向方向上抵抗缆索相对于卷盘的滑动。夹具具有一选定的质量,以便在生长晶锭之前,将一预拉力施加到缆索上,这样使得当卷起缆索从源材料中提拉晶锭时,绕卷盘卷绕的这部分缆索上摩擦力的增加量,至少等于晶锭从熔化的源材料中生长在籽晶上时晶锭重量的增加量。

Description

供拉晶用的装置

发明背景

本发明在总体上涉及通过直拉法使晶体生长的装置，更具体地说，涉及用于从半导体源的熔体中提拉晶体的装置。

在单晶生长的直拉法(Czochralski法)操作中，通过将保持在惰性环境中的半导体源材料熔化，在坩埚中形成大量的源材料。将晶体附接到缆索上，并往下放到熔化的源材料中。当晶体生长在籽晶上时，将它缓慢地从熔体中提拉出来。

缆索通常是绕一卷盘卷绕，当晶体生长时，旋转卷盘以便缓慢地从熔体中提拉出晶体。当晶体的重量增加时，缆索上的张力增加。如果晶体重量和缆索张力增加的速率大于在缆索和卷盘之间反作用摩擦力产生的速率，则缆索立即在卷盘上滑动，直至卷绕在卷盘上的缆索中所产生的张力负荷与摩擦力相结合，至少等于晶体重量上的增加并形成平衡。当这种滑动发生时，晶体落入源材料熔体中，并且在熔体表面上产生一个溅射波。晶体降回到源材料熔体中，并且熔体表面上的波动可能会造成在晶体中损失零位错结构。在晶体中形成一第一位错之后，它可以增加，同时产生许多位错，这些位错将传播到晶体中。因此，如果无位错生长的晶体在某一点处受缆索在卷盘上的打滑干扰，则已经生长起来的晶体其中整个横截面积和相当大一部分都可以充满位错。

发明概述

在本发明的若干目的中，可以注意到的有：提供一种装置，该装置阻止缆索打滑，以便提供平稳而连续地从熔体中提拉单晶，该缆索绕一卷盘卷绕，用于从源材料熔体中提拉出晶体；提供这样一种装置，该装置减少在单晶中形成位错的可能；提供这样一种装置，该装置很容易加入到现有提拉装置中；和提供这样一种装置，该装置使用方便并且制造成本低。

本发明的装置当按照直拉法在籽晶上生长晶锭时，从设置在生长室内的半导体源材料中提拉出单晶锭。通常，该装置包括一个卷盘和一个夹具，安装卷盘用于绕轴旋转，而构制夹具用于夹持籽晶和从源材料中生长在籽晶上的晶锭。该装置还包括一根缆索，该缆索具有一个连接到卷盘上的第一端、一个连接到夹具上的第二端和绕卷盘卷绕的一部分。这部分绕卷盘卷绕的缆索将一法向力施加到卷盘的周边表面上，该法向力相应于缆索中的张力。卷盘和缆索相互作用，以便产生一个摩擦力，该摩擦力在缆索的纵向方向上抵抗缆索相对于卷盘的滑动。卷盘在第一方向上旋转时，能够松开卷盘中的缆索，因而放松缆索并降下夹具，而它在与第一方向相反的第二方向上旋转时，能够绕卷盘卷绕更多的缆索，因而卷起缆索并向上牵拉夹具。夹具具有一选定的质量，以便在生长晶锭之前，将一预拉力施加到缆索上，这样使得当卷起缆索从源材料中提拉晶锭时，绕卷盘卷绕的这部分缆索上摩擦力的增加量，至少等于晶锭从熔融源材料中生长在籽晶上时，晶锭重量的增加量，因而当生长晶锭时缆索不在卷盘上打滑。

在本发明的另一方面，装置当按照直拉法在籽晶上生长晶锭时，从设置在生长室内的半导体源材料中提拉单晶锭。一般，装置包括一个卷盘和一个夹具，安装卷盘用于绕轴旋转，而构制夹具用于夹持籽晶和从源材料生长在籽晶上的晶锭。装置还包括一根缆索，该缆索具有一个连接到卷盘上的第一端、一个连接到夹具上的第二端和绕卷盘卷绕的一部分。这部分绕卷盘卷绕的缆索将一法向力施加在卷盘的周边表面上，该法向力相应于缆索中的张力。卷盘和缆索相互作用，以便产生一个摩擦力，该摩擦力在缆索的纵向方向上抵抗缆索相对于卷盘的滑动。卷盘在第一方向上旋转时，能够松开卷盘中的缆索，因而放松缆索并降下夹具，而它在与第一方向相反的第二方向上旋转时，能够绕卷盘卷绕更多的缆索，因而卷起缆索并向上提拉夹具。至少卷盘与缆索接触的其中一部分表面具有一种表面光洁度，当卷起缆索从源材料中提拉晶锭时，该表面光洁度提供缆索和卷盘之间的摩擦力增加，它至少等于当晶锭从熔融源材料中生长在籽晶上时，晶锭重量的增加量。

本发明的另一些目的和特点一部分将是很明显的，而一部分将在下面指出。

对附图的简要说明

图1是本发明的提拉装置示意剖面图；

图2是图1装置其中缆索卷盘侧视图；

图3是穿过并包括图2中3-3线段所取的剖面图；

图4是图3中缆索卷盘局部放大图，它示出缆索容纳在卷盘的槽中；

图4A缆索卷盘的局部放大图，它示出缆索容纳在一般具有平行侧壁的槽中；

图5是图1中提拉装置其中籽晶夹具的正视图，该夹具夹持籽晶并连接到缆索上；

图6是图5中籽晶夹具的剖面图；和

图7是图5中籽晶夹具的部件分解图。

在附图的全部几个视图中，对应的标号表示对应的部件。

优选实施例说明

现有参看附图，而首先参看图1，本发明的装置一般以10表示。装置10供直拉法在籽晶18上生长晶锭时，从半导体源材料14中提拉单晶锭12用，该半导体源材料14设置在生长室16内。拉晶装置10在图1中示出，它的构造详细情况为该技术中普通专业人员所熟知。一般，拉晶装置10包括提拉室20、生长室16和坩埚22，坩埚22设置在生长室中，用于盛装源材料14。提拉装置10包括缆索24，该缆索24有一个连接到卷盘28上的第一端26和一个连接到一个夹具上的第二端30，该夹具一般以32表示，它是为夹持籽晶18和从源材料生长在籽晶上的晶锭12而构制。

提拉装置10包括一个绞车组件，该绞车组件一般以34表示，可操纵该绞车组件，以便放松和卷起缆索24，用于降下籽晶18进入源材料14中和从源材料中提拉生长在籽晶上的晶锭12。绞车组件34包括一个卷盘28和一个滑轮36，安装卷盘28用于绕一轴线旋转，而滑轮36具有一有槽的轮圈。正如该技术的专业人员所熟知的，缆索24也可以不用滑轮36而直接卷绕在缆索卷盘28上。卷盘28具有一个孔40，该孔40一般穿过其中心延伸，用于将卷盘安装在轴42上(见图1和2)。其中一部分缆索24绕卷盘28卷绕在卷盘周边上形成的槽44中(图3)。然后绕滑轮36的上面部分拖拉缆索24，滑轮36一般是靠近卷盘28安装，同时滑轮36的旋转中心设置在卷盘旋转中心的稍上方(图1)。可操纵卷盘28在第一方向上旋转，以便从卷盘上松开缆索24，因而放松缆索并降下夹具32，这样使籽晶18降落到熔体14中。在与第一方向相反的第二方向上旋转时，可操纵卷盘28使缆索24绕卷盘卷起，因而卷起缆索并向上拉起夹具32，以便从熔体14中取出晶锭12。卷盘28可以用一种合适的方式，例如象用电动机(未示出)驱动。

绕卷盘28卷绕的这部分绕索24在卷盘周边表面上的一点处施加一法向力，亦即与卷盘切线成直角的力，它相应于缆索中的张力。卷盘28和缆索24相互作用，以便产生一个摩擦力，该摩擦力等于卷盘上的法向力乘以缆索和卷盘之间的静态摩擦系数。摩擦力抵抗在缆索24的纵向方向上缆索相对于卷盘28的滑动。当晶锭12从籽晶18上生长出来时晶锭的重量，及缆索卷绕在卷盘28上时缆索24中产生的张力都增加。如果晶锭的重量及相应张力增加的速率大于缆索24和卷盘28之间摩擦力增加的速率，则缆索立即在卷盘上打滑，直至由摩擦产生的张力载荷至少等于因晶锭重量增加而产生的缆索上载荷时为止。为了防止缆索24在卷盘28上打滑，摩擦力必须足以在缆索中产生一个张力，该张力总是等于或大于由晶锭12重量产生的缆索中相反的张力载荷。为了增加摩擦力，必须增加由卷绕卷盘28的缆索所产生的法向力，或增加缆索和卷盘之间的静态摩擦系数。如果摩擦力大于由晶锭12重量所产生的载荷，则缆索24和卷盘28可以对晶锭生长时添加的载荷起作用，并防止缆索在卷盘上打滑。

一种增加卷盘28和缆索24之间摩擦力的方法是，在缆索卷绕在卷盘上之前，增加缆索上的张力载荷。可以在生长晶锭12之前，增加夹具的重量；来对缆索施加一个预拉力，以便当卷起缆索来提拉来自熔融源材料14的晶锭时，缆索24和卷盘28之间摩擦力的增加量，至少等于从源材料中的籽晶18上生长晶锭时，晶锭重量的增加量。为了在缆索24上提供一预拉力，使其足以提供一摩擦力方面增加至少等于晶锭12重量的增加，夹具32的质量至少应等于：R*(dM／dL)／μ

式中：

R=卷盘的半径；

dM／dL=由缆索改变单位长度所引起的晶锭质量增加的速率，缆索的长度定义为夹具上端与缆索和卷盘间接触点间的垂直距离D；和

μ=缆索和卷盘间的静态摩擦系数。

例如，最终直径为200mm的晶锭12，具有由缆索改变单位长度所引起的晶锭质量增加速率(dM／dL)约为0．88kg／cm。如果晶锭12在具有卷盘28半径为7．62cm的提拉装置10中生长，并且该卷盘和缆索24之间的静态摩擦系数为0．30，则防止缆索滑动的夹具32最小总质量约为23kg。

上述方程供卷盘槽44使用，该卷盘槽44的半径稍大于缆索24的直径。槽44的形状可以修改，以便增加缆索24和槽之间产生的摩擦力。如图4所示，槽具有扩张型的侧壁46，该侧壁46形成一般是V形的槽。对具有带斜侧壁46的槽44的卷盘28而言，夹具32的质量至少应等于：R*(dM／dL)*(sin(α／2))／μ

式中：

R=卷盘的半径；

dM／dL=由缆索改变单位长度所引起的晶锭质量增加的速率，缆索长度定义为夹具上端与缆索和卷盘间接触点之间的垂直距离；

α=槽的两侧壁之间夹角；

μ=缆索和卷盘之间的静态摩擦系数。

当两侧壁46之间的夹角α变得更尖锐并且接近很小值时，夹具的最小重量也减少。正如由上面方程所指出的，当两侧壁46之间的夹角接近180°时，正弦项值接近1并且上面的方程简化为以前的方程，可用该以前的方程来计算对具有一般是平行侧壁47(图4A)的圆形槽所需要的夹具32最小重量。

将夹具32加工成一定形状，用于接收附加的重量，以便可以根据上述方程，将夹具的总质量增加到一预定值。夹具32包括：一个下面部分50，它具有一个籽晶孔54，用于容纳籽晶18的其中一部分；一个上面部分56，它具有一个孔58，用于容纳缆索24；和一个中央部分60，用于容纳附加的重量(图5和6)。夹具32的下面部分50一般是截去底部的锥形，并具有一个孔62，用于容纳将籽晶18锁定在适当位置的销件64(图5)，该孔62一般垂直于籽晶孔54延伸。籽晶18有一在其中形成的凹口66，用于与销件64接合，以便将籽晶夹持在夹具32内。销件64供在晶锭12生长之后便于取出和更换籽晶18用。应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以用其它方法将籽晶18夹持在夹具32中。

籽晶杆68一般是从夹具的下面部分50向上延伸，穿过中央部分60并进入上面部分56。将籽晶杆68加工成一定形状，用于容纳呈环形件70形式的重量，来增加夹具32的总质量(图6和7)。孔72一般是横向穿过籽晶杆68延伸，用于容纳一销件74，该销件74用于连接夹具32的下面和上面部分50，56。夹具32的上面部分56包括一个腔体76和一个孔78，腔体76用于容纳籽晶杆18，而孔78横向贯穿腔体76延伸，用于与籽晶杆18中容纳销件74的孔72对齐。在缆索24穿过夹具32上面部分56中的孔58插入后，将一球形体80附加到缆索24的端部，以便将缆索24夹持在夹具内(图6)。在夹具32的上面部分56中，于缆索24和籽晶杆68之间安放一个隔热体82，以便对缆索进行热保护，免受从夹具下面部分50的露出部分到热的源材料熔体14(图1和6)通过籽晶杆传递的热量影响。夹具32的下面部分50最好是用石墨制成。夹具32的上面部分56最好是用石英制成，但是在不脱离本发明范围的情况下，下面和上面部分二者均可以用其它合适的材料如钼、钨或钽制成。

环形件70最好是用一种难熔金属，如钼、钽或钨制成，该难熔金属适合在晶体生长室16环境内使用。应该理解，在不脱离本发明范围情况下，环形件70的数量和尺寸及制造环形件材料的种类可以不同于上示或上述的那些。例如，可以用一个大的环形件(未示出)。

在夹具32的下面和上面部分50，56之间，设置一个管状防护屏84，用于封闭环形件70(图6和7)。防护屏85最好是用石墨或其它合适的材料制造，石墨或其它合适材料将与包围难熔金属环形件70的氧起反应，以形成一层一氧化碳或二氧化碳保护层。当打开生长室16而环形件仍处于足够能使钼和氧之间进行反应的温度下时，此保护层防止氧和钼环形件70之间反应。如果这样修改和控制晶体生长工艺，以使环形件不暴露于任何温度和气体的反应性组合中，则防护屏84可以省去。

如上所述，也可以通过增加缆索24和卷盘28(图1)之间的静态摩擦系数，来增加摩擦力。静态摩擦系数是如此增加，以便当卷起缆索24将晶锭12从源材料14中拉出时，缆索和卷盘之间摩擦力的增加量，至少是等于当晶锭从熔化的源材料生长在籽晶18上时，晶锭重量的增加量。摩擦作用可以通过下述方法增加，即将一增强摩擦作用的涂层86，设置在与缆索24接触的卷盘28的槽44表面上，以便提供具有增加静态摩擦系数的表面光洁度(图1和4)。可以将一种等离子喷涂层86，如碳化钨或碳化铬沉积在卷盘的槽44上，来增加缆索24和卷盘28之间的静态摩擦系数，因此减少了对夹具32所要求的最小总重量。利用涂层86还改善了槽表面的耐久性和耐磨性。也可以加上别的增强摩擦作用的涂层，或者可以将槽表面机加工成具有粗糙的表面光洁度，来增加缆索24和卷盘28之间的静态摩擦系数。

如上所述，在缆索24和卷盘28之间所形成的摩擦力，可以通过下述方法来增加：增加夹具32的质量；或是通过将增强摩擦的涂层86加到卷盘上，来增加缆索和卷盘之间的静态摩擦系数。对提拉装置的这些改变可以单独使用或是联合使用，以便提供足够的摩擦力，来防止当晶锭12在籽晶18上生长时，由于晶锭重量增加而造成缆索24在卷盘28中打滑。

在晶体生长过程开始时，首先通过将固体半导体源材料如多晶硅碎块堆放在石英坩埚中(图1)，在坩埚22中形成半导体源材料熔体。启动加热元件(未示出)以便将固体源材料熔化。按顺时针方向(如图1中所观察到的)旋转卷盘28，以便放松缆索24，降下夹具32并将籽晶18浸入熔化的源材料14中，直至籽晶自身开始熔化。然后按反时针方向旋转卷盘28，以便卷起缆索24并从熔体14中拔出籽晶18。通过降低拉速、熔体温度，或二者同时进行，来逐渐增加晶锭12的直径。只要补偿熔化源材料液面的下降，就可以通过控制拉速或熔体温度或二者，生长具有固定直径的晶锭12圆柱形部分。在坩埚22完全没有源材料14之前，晶锭12生长将近结束时，控制熔体温度，以便在晶锭的末端处形成一个端锥体。缆索24和卷盘28之间的摩擦力阻止缆索打滑，因此在整个生长过程期间，都提供平稳而连续的从熔体中提拉晶体。

从上述内容可以知道，本发明的提拉装置10具有许多优点。重要的是，当从源材料14中提拉晶锭时，提拉装置10阻止缆索24和晶锭12打滑，因此防止了在源材料的熔体表面上产生溅射波，这种溅射波典型地造成损失零位错结构而危及晶体质量和生产。

鉴于上述情况，可以看出，本发明的几个目的都达到了，并且得到另一些有利的结果。

因此在不脱离本发明的范围情况下，可以在上述结构中进行各种改变，所以，上述说明中所得到的或附图中所示的所有情况都应理解为例证性的，而没有限制的意思。

Claims (19)

1．一种当按照直拉法在籽晶上生长晶锭时从设置在生长室内的半导体源材料中提拉单晶锭料的装置，该装置包括：

一个卷盘，安装它用于绕轴旋转；

一个夹具，制造它用于夹持籽晶和从源材料中生长在籽晶上的晶锭；和

一根缆索，它具有一个连接到卷盘上的第一端、一个连接到夹具上的第二端和绕卷盘卷绕的一部分，绕卷盘卷绕的这部分缆索将一法向力施加到卷盘的周边表面上，该法向力相应于缆索的张力，卷盘和缆索相互作用，以便产生一个摩擦力，该摩擦力在缆索的纵向方向上抵抗缆索相对于卷盘的滑动，卷盘在第一方向上旋转时，能够松开卷盘中的缆索，因而放松缆索并降下夹具，而它在与第一方向相反的第二方向上旋转时，能够绕卷盘卷绕更多的缆索，因而卷起缆索并向上牵拉夹具；

夹具，它具有一选定的质量，以便在生长晶锭之前，将一预拉力施加到缆索上，这样使得当卷起缆索从源材料中提拉晶锭时，绕卷盘卷绕的这部分缆索上摩擦力的增加量，至少等于晶锭从熔化的源材料中生长在籽晶上时晶锭重量的增加量，因而当生长晶锭时缆索不在卷盘上打滑。

2．如权利要求1所述的装置，其特征在于：夹具的质量至少等于：R*(dM／dL)／μ

式中：

R=卷盘的半径；

dM／dL=缆索每改变单位长度所引起的晶锭质量增加的速率，缆索的长度定义为夹具上端与缆索和卷盘间一接触点之间的垂直距离；和

μ=缆索和卷盘之间的静态摩擦系数。

3．如权利要求2所述的装置，其特征在于：夹具包括一个下端、一个上端、和一个中央部分，该下端其中具有一个孔，用于容纳一部分籽晶，上端具有一个孔，用于容纳缆索，该装置还包括可容纳在中央部分上的重量，用于增加夹具的质量。

4．如权利要求3所述的装置，其特征在于：夹具还包括一个杆件，该杆件穿过夹具的中央部分延伸；和重量包括一个尺寸和形状一定的环形件，用于安放在杆件上。

5．如权利要求4所述的装置，其特征在于：重量包括多于一个的环形件。

6．如权利要求4所述的装置，其特征在于：环形件用难熔金属制成。

7．如权利要求4所述的装置，还包括一个防护屏，用于覆盖环形件。

8．如权利要求7所述的装置，其特征在于：防护屏用石墨制成。

9．如权利要求1所述的装置，其特征在于：卷盘具有一个槽，该槽在卷盘的周边中形成，部分缆索设置在该槽内。

10．如权利要求9所述的装置，其特征在于：槽的表面具有一层增强摩擦的涂层，以便增加缆索和卷盘之间的静态摩擦系数。

11．如权利要求10所述的装置，其特征在于：摩擦涂层是从一组涂层中选定，其中包括一种等离子喷碳化钨涂层和一种等离子喷铬涂层。

12．如权利要求9所述的装置，其特征在于：槽由扩散的侧壁限定，各侧壁一般形成一种V形槽。

13．如权利要求12所述的装置，其特征在于：夹具的质量至少等于：R*(dM／dL)*(sin(α／2))／μ

式中：

R=卷盘的半径；

dM／dL=缆索每改变单位长度所引起的晶锭质量增加的速率，缆索的长度定义为夹具的上端与缆索和卷盘间一个接触点之间的垂直距离；

α=槽的两侧壁之间夹角；

μ=缆索和卷盘之间的静态摩擦系数。

14．一种当按照直拉法在籽晶上生长晶锭时，从设置在生长室内的半导体源材料中提拉单晶锭料的装置，该装置包括：

一个卷盘，安装它用于绕轴旋转；

一个夹具，制造它用于夹持籽晶和从源材料中生长在籽晶上的晶锭；和

一根缆索，它具有一个连接到卷盘上的第一端、一个连接到夹具上的第二端和绕卷盘卷绕的一部分，绕卷盘卷绕的这部分缆索将一法向力施加到卷盘的周边表面上，该法向力相应于缆索中的张力，卷盘和缆索相互作用，以便产生一个摩擦力，该摩擦力在缆索的纵向方向上抵抗缆索相对于卷盘的滑动，卷盘在第一方向上旋转时，能够松开卷盘中的缆索，因而放松缆索并降下夹具，而它在与第一方向相反的第二方向上旋转时，能够绕卷盘卷绕更多的缆索，因而卷起缆索并向上牵拉夹具；

至少一部分卷盘的表面，它与具有表面光洁度的缆索接触，当卷起缆索以便从源材料中提拉晶锭时，它提供缆索和卷盘之间摩擦力的增加，该摩擦力的增加至少等于晶锭从熔化的源材料中生长在籽晶上时晶锭重量的增加，因而当晶锭生长时，缆索不在卷盘上滑动。

15．如权利要求14所述的装置，其特征在于：卷盘具有一在其周边形成的槽，部分缆索设置在该槽内。

16．如权利要求15所述的装置，其特征在于：槽由扩散的侧壁限定，两侧壁形成一般是V形槽。

17．如权利要求15所述的装置，其特征在于：槽的表面有一增强摩擦的涂层，以便增加缆索和卷盘之间的静态摩擦系数。

18．如权利要求17所述的装置，其特征在于：摩擦涂层是从一组涂层中选定，其中包括一种等离子喷碳化钨涂层和一种等离子喷铬涂层。

19．如权利要求14所述的装置，其特征在于：夹具的质量至少等于：R*(dM／dL)／μ

式中：

R=卷盘的半径；

dM／dL=缆索每改变单位长度所引起的晶锭质量增加的速率，缆索的长度定义为夹具上端与缆索和卷盘之间一接触点之间的垂直距离；和

μ=缆索和卷盘之间的静态摩擦系数。

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