CN1304460A - 用于晶体生长装置的电阻加热器 - Google Patents

Abstract

本发明的电阻加热器,供在按照直拉法生长单晶硅锭的拉晶机中使用,该电阻加热器包括一个加热元件,此加热元件加工成一定尺寸和形状,用于设置在拉晶机的外罩中围绕坩埚,用于将热量加到坩埚和其中的硅上。加热元件包括若干加热分段,它们在电路中连接在一起。各分段具有上面部分和下面部分并彼此相对地配置,以便当围绕装熔化硅的坩埚设置时,上面部分一般是设置在包括熔化的硅表面的一个水平面上方,而下面部分一般是设置在该水平面的下方。将上面部分制成比下面部分产生更多的发热能力,以便由此来减少在其表面处熔化的硅和刚好在熔化的硅表面上方晶锭之间的温度梯度。上面部分具有一与下面部分基本上相等的厚度,并具有一显著小于下面部分的宽度。上面部分的截面积各处都小于下面部分的截面积。

Description

用于晶体生长装置的电阻加热器

本发明在总体上涉及在生长单晶硅锭中使用的晶体生长装置，更特别地涉及用于这种晶体生长装置的电阻加热器。

单晶硅是大多数用于制造半导体电子元件过程的原材料，它通常是用所谓的直拉(“Cz”)法制备。晶体的生长是在拉晶炉中进行。在此方法中，将多晶硅(“聚硅”)装到坩埚中，并通过一包围坩埚侧壁外表面的加热器熔化。使籽晶与坩埚中熔化的硅发生接触，并通过用拉晶机缓慢提起来生长单晶锭。在形成晶颈完成之后，通过降低提拉速率和/或熔化温度来增大晶锭的直径，直到达到所希望的或目标直径。然后通过控制提拉速率和熔化温度，同时补充坩埚中下降的熔体液面，来生长晶锭的圆柱形主体，该圆柱形主体具有一近似恒定的直径。在生长过程接近结束，但在坩埚腾空熔化的硅之前，必须逐渐减小晶体的直径，以便形成一种末端锥体。典型地，该末端锥体是通过增加拉晶速率和加到坩埚上的热量来形成。当直径变得足够小时，则使晶体与熔体分开。

用来熔化坩埚中硅的加热器典型地是电阻加热器，其中电流流过用电阻性加热材料(比如，石墨)制成的加热元件。对电流流动的阻力产生热量，该热量从加热元件辐射到坩埚和装在其中的硅上。加热元件包括若干垂直取向的加热分段，它们以并列关系配置并相互连接，以便限定一蛇形的外形。也就是说，各相邻的分段在该分段的顶部或底部处以交替的方式相互连接，以便整个加热元件形成一连续的电路。蛇形的外形通过将垂直延伸的槽切割(亦即，锯)成一种由电阻性材料制成的管件来形成。各向下和向上延伸的槽交替式从加热元件的顶部延伸到刚好离底部不远，在此处将相邻的分段的底部连接，并从加热元件的底部延伸到刚好离顶部不远，在此处将相邻分段的顶部连接。由加热元件所产生的发热能力(heating power)一般是随各分段的截面积而变。

尽管用于按照直拉生长法生长单晶硅的常规装置对生产在各种应用中有用的晶锭已经令人满意，但在半导体材料品质上作进一步改善也是所希望的。由于在半导体材料上形成的集成电路线路的宽度减小，所以晶体中缺陷的存在就变得至关重要。单晶硅中的大量缺陷在晶体固化之后冷却时于晶体生长室中形成。这些缺陷部分是由于存在过量(亦即，超过溶解度限的浓度)的本征点缺陷而引起，这些本征点缺陷通称为空位和自填隙。空位正如它们的名字所暗示的，是由于晶体点阵中硅原子没有或“空位”所引起的。自填隙是由点阵中存在额外的硅原子产生的。这两种缺陷严重地影响半导体材料的品质。

从熔体生长的硅晶体典型地生长出具有过量的上述本征点缺陷(晶体点阵空位或硅自填隙)其中一种或另一种类型。应该理解，硅中这些点缺陷的类型和初始浓度在固化时变成固定的，它们受比值V/G₀控制，此处V是晶体的生长速度或提拉速率，而G₀是在固化时(比如，在液-固界面处)晶体中的瞬时轴向温度梯度。当V/G₀的比值超过临界值时，空位的浓度增加。同样，当V/G₀的比值降到低于临界值时，自填隙的浓度增加。

在控制比值V/G₀时的一个困难由液-固界面处晶体的轴向温度梯度不均匀性引起。在上述常规拉晶装置中，坩埚的侧壁基本上延伸到装在坩埚中熔化硅的表面水平面、或熔体表面的上方。随着固化时坩埚中熔化的硅体积减少，熔体表面上方露出的侧壁的高度增加。在熔体表面的上方延伸的这部分坩埚侧壁暴露到拉晶机的较冷的壁之下，以便热量从坩埚辐射到拉晶机壁上，因而将此上部坩埚部分冷却。在熔体表面上方暴露的部分越高，则它就变得越冷。这种坩埚的冷却，及晶锭暴露到拉晶机较冷的壁之下，造成熟量从熔体表面上方的这部分晶锭辐射，同时引起当从熔化的硅中向上提拉晶锭时晶锭冷却。

相反，晶锭沿着它的中心轴(它未暴露到坩埚或拉晶机壁之下)以比晶锭的外表面慢得多的速率冷却，同时造成晶体中央处的轴向温度梯度与晶体外表面处的轴向温度梯度相比，显著地减少。这样，比值V/G₀在晶体的中央处比外表面处显著要大，同时造成晶体中点缺陷的不均匀性和数量密度增加。与坩埚侧壁的冷却有关的轴向温度梯度也产生坩埚夹持于其中的感受器的轴向温度梯度。这会导致缩短感受器的结构寿命，因而要求更频繁的替换。

现已确定，在液-固界面处的晶体中引入点空位，可以通过减少晶体中心轴处的轴向温度梯度和外表面的轴向温度梯度二者之间的差别，来有效地进行控制。更特别地，通过减少熔体表面上方坩埚侧壁中的轴向温度梯度，可以降低液-固界面处晶体外表面的冷却速率，以便显著地减少晶体外表面处的温度梯度，因而减少了晶体的中心轴和外表面处相应的轴向温度梯度。

上述的现有加热器其中许多种都不足以达到这一目的。这些加热器如此制造，以致加热元件每个分段的下面部分一般是位于坩埚下方，用于将加热器安装在炉子的底部上，而其上面部分邻接坩埚的侧壁。这些加热器的其中一个缺点是，加热元件的顶部暴露在拉晶机的较冷的壁之下，而底部再被隔离。这就在加热元件的顶部和底部之间产生温度梯度，同时造成在加热元件的顶部处所产生的热量少于在加热元件的中央或底部处所产生的热量。此外，各分段的截面积在加热元件的顶部处增加，在该加热元件的顶部处，各相邻的分段连接，以便保持加热元件的结构完整性。这种截面积的增加使电阻降低，因而减少了加热元件顶部处的输出功率，并造成不能充分地加热熔体表面上方的这部分坩埚壁来减少热量从晶锭辐射。

美国专利Nos.5,137,699(Azad)和4,604,262(Nishizawa)公开了利用一个或多个辅助加热器，用于将常规坩埚加热器扩大到当坩埚壁延伸到熔体表面上方时，将该坩埚壁加热。然而，在这些专利中所公开的辅助加热器与常规的加热器无关，并且需要附加的控制装置来控制它们的操作。使用这些分立的加热器还要求坩埚中有附加的空间，附加的能量以便操作。并且为了制造和安装在炉子外罩中可能是高成本的。

还应知道，通过沿着各分段的上面部分逐渐减少各分段的厚度(比如，通过向内逐渐缩减)使朝向加热元件顶部的电阻增加。这减少了各分段朝向加热元件顶部的截面积。然而，以这种方式减少各分段的厚度会减少各分段上面部分的结构完整性，因而增加了加热器机械故障的危险。例如，当在切割加热器中的槽时，就将弯曲应力加到各分段的上面部分上。在上面部分厚度减少的情况下，有更大的可能是弯曲应力将在减少厚度的区域内引起分段的断裂。在拉晶机中，在拉晶机的晶体生长室内使用一正交的磁体来助长晶体生长，由磁体所形成的磁场提拉被充电的加热元件，同时在各分段的上面部分中形成弯曲应力，这种弯曲应力会减少厚度的区域内分段的断裂。另外的弯曲应力由加热元件的重量引起。

还应知道，一般是沿着各分段的上面部分逐渐增加相邻的分段之间向上和向下延伸的槽宽度。这减少了各分段的截面积，以便在加热元件的顶部处产生增加的功率。然而，向上延伸的槽增加了的宽度形成上面部分显著变窄的部分。这些变窄的部分造成其截面积显著地小于变窄部分上方上面部分的截面积。在上面部分中的弯曲应力，诸如由切割槽所引起的应力、由拉晶机生长室中产生的磁场所引起的应力、及由加热元件自身重量所引起的应力等，因此都集中在变窄部分处，同时增加了断裂的危险。而且，在试图减少这种危险时，向上延伸的槽收尾于离加热元件很近的地方，因而使变窄部分上方分段的截面积显著增加(比如，大于变窄部分下方分段的下面部分的截面积)，同时造成加热器顶部处显著的发热能力损失。

发明概述

在本发明的若干目的和特点中，可以注意到：提供在拉晶机中使用的电阻加热器，该电阻加热器有助于在拉晶机中生长低缺陷的单晶硅锭；提供这种加热器，它减少晶锭的外表面处和晶锭中央轴处二者轴向温度梯度差；提供这种加热器，它提供更均匀的坩埚侧壁温度；提供这种加热器，它具有改善的结构强度；有效的操作这种加热器的措施；和提供这种加热器，它便于安装在拉晶机中。

一般地说，本发明的电阻加热器供在按照直拉法生长单晶硅锭的拉晶机中使用，该电阻加热器包括一个加热元件，该加热元件加工成一定的尺寸和形状，供围绕坩埚设置在拉晶机的外罩中，用于将热量加到坩埚和其中的硅上。加热元件包括若干加热分段，它们在电路中连接在一起。这些分段都具有上面部分和下面部分，并且彼此相对地配置，以便当围绕装熔化硅的坩埚设置时，上面部分一般设置在一个水平面的上方。该水平面包括熔化的硅表面，而下面部分一般设置在该水平面的下方。将上面部分制造成比下面部分产生更多的发热能力，由此来减少在其表面处熔化的硅和刚好在熔化的硅表面上方的晶锭之间的温度梯度。上面部分具有与下面部分基本上相等的厚度，并具有显著地小于下面部分的宽度。上面部分的截面积各处都小于下面部分的截面积。

本发明的另一些目的和特点一部分将是显而易见的，而一部分将在后面指出。

附图的简要说明

图1是拉晶机的示意局部垂直剖视图，它示出本发明的电阻加热器在生长单晶硅锭期间设置的情况；

图2是图1中电阻加热器的透视图；

图3是如图2中线段3-3所示作的剖面图；和

图4是在图2中线段4-4的平面中所作的剖面图。

在附图的几个视图中，相应的标号表示相应的部件。

优选实施例的详细说明

现在参看附图，尤其是参看图1，按照本发明的原则制造的电阻加热器一般用21表示。加热器21安装在拉晶机内，该拉晶机一般用23表示，它属于用来按照直拉(Czochralski)法生长单晶硅锭(比如，图1中的锭Ⅰ)的那种类型。拉晶机23包括一个外罩，该外罩一般用25表示，它用来隔离内部，该内部包括下面的单晶生长室27和上面的提拉室29。提拉室29具有一比生长室27小的横向尺寸。石英坩埚31密封在基座(susceptor)32中，石英坩埚31装有熔化的半导体源材料M，由该源材料M生长单晶硅锭Ⅰ。坩埚31包括一个圆筒形侧壁33，并安装在转台35上，该转台35用于绕中心轴X旋转。坩埚31还能在生长室27内部升起，以便当锭I生长和源材料从熔体中移出时，保持熔化的源材料M表面处于一般是恒定的水平，或水平面H。

提拉机构包括一个提拉轴37，提拉轴37从该机构向下延伸(未示出)，该提拉机构能提升、下降和旋转提拉轴。拉晶机23可以具有提拉线而不是提拉轴，这取决于拉晶机的类型。提拉轴37收尾在籽晶卡盘39中，该卡盘39夹持用来生长单晶锭I的籽晶41。为了清楚地示出籽晶卡盘39和锭I的升起位置起见，提拉轴37在图1中已经部分地断开。除了下面更充分阐述的范围之外，拉晶机23的一般构造和操作为本领域的普通技术人员所熟知，并且将不再进一步说明。

参看图2，用于熔化坩埚31中硅的加热器21包括一个一般是圆筒形的加热元件，该加热元件一般用51表示，将其尺寸定为围绕坩埚侧壁33的外表面。加热元件51包括若干垂直取向的加热分段53，它们以并列的关系配置，并且在电路中相互连接。更特别地说，相邻加热分段53的顶部和底部交替式相互连接，以围绕整个加热元件51限定一连续的蛇形(serpentine)外形。支脚55从与加热分段53成电连接的加热元件51的底部垂下，用于一般在外罩底部处以常规方式安装加热器21，以便本发明的加热器可与现有安装在常规拉晶机中的坩埚加热器互换。用常规电极(未示出)将支脚55导电式连接到电流源(未示出)上，用于通过加热元件51传导电流。

加热元件51用不污染的电阻性加热材料制造，这种电阻性加热材料提供电流流经它的电阻；由加热元件所产生的输出功率随材料的电阻而增加。一种特别优选的电阻性加热材料是高纯挤压式石墨。然而，不脱离本发明的范围，加热元件51可以用等温模压式石墨、涂碳化硅石墨、碳纤维复合物或其它合适的材料制造。

如图2所示，各加热分段53每个都包括上面部分和下面部分57、59，它们在电路中相互连接。在所示的实施例中，上面部分和下面部分57、59形成为一整体单元。然而，上面部分57可以与下面部分59分开并通过焊接或其它合适的紧固方法与其连接，只要这种连接在上面部分和下面部分之间形成电路。下面部分59从支脚55向上延伸到水平面H，该水平面部分地由坩埚31中熔化的源材料M的熔体表面限定。加热元件51的上面部分57从邻近坩埚侧壁33的下面部分59向上延伸到一个高度，该高度基本上在熔化的源材料M熔体表面上方。上面部分和下面部分二者外形基本上是矩形，同时上面部分具有的宽度显著地小于下面部分的宽度，以便每个上面部分和下面部分的连接限定一种每个一般是L形的加热分段凸肩。

在制造加热元件51的优选方法中，将垂直延伸的槽61,63切割成管件(未示出)，该管件用电阻性加热材料制造，以便限定蛇形外形。向下延伸的槽61从加热元件51的顶部向下延伸，并且末端离加热元件的底部不远，该槽61在分段53相邻的下面部分之间，同时剩余的相邻下面部分相互连接。向上延伸的槽63从加热元件51的顶部向上延伸，并且末端离加热元件的顶部不远，该槽63在分段53的相邻上面部分57的中间，同时剩余的相邻上面部分相互连接。使向下和向上延伸的槽61,63绕加热元件51的周边交错形成加热元件的蛇形外形。

参看图3和4，分段53的上面和下面部分57、59的厚度一般相等。然而，每个上面部分57的宽度WU显著地小于对应下面部分59的宽度WL，因此上面部分的截面积小于下面部分的截面积。另外，相邻上面部分57之间连接的高度HU(比如，加热元件51的顶部与向上延伸的槽63的顶部之间的垂直距离)显著地小于下面部分59的宽度WL，因此，连接部分的截面积小于下面部分的截面积。优选地，相邻的上面部分57之间连接部分的截面积大于上面部分的截面积，以便加热元件分段53的截面积在分段的下面部分59上方一般是固定的。

作为例子，所示实施例的每个上面部分和下面部分57、59的厚度T约为25mm。每个下面部分59具有约55mm的宽度WL，和截面积约为1375m²，而每个上面部分都具有约23mm的宽度WU，和截面积约为575mm²。在相邻的上面部分57之间的连接部分处，加热元件51的截面积最好是基本上等于上面部分的截面积(亦即，约575mm²)，以便全部上面部分及其间的连接部分，截面积(及因此电阻)都比较均匀。这样，上面部分57及其间连接部分的截面积每处都小于分段53下面部分59的截面积。下面部分59上方减小的截面积增加了加热元件51顶部附近的电阻，因而相对于下面部分产生的发热能力增加了加热元件上面部分中的发热能力。

在操作时，将多晶硅(“聚硅”)放入坩埚31中并将电流加到加热器21的加热元件51上，以便产生足够的热量来熔化坩埚中的硅。使籽晶41和熔化的硅接触，并通过拉晶机23缓慢提起来生长单晶锭I。在晶锭生长期间，加热元件分段53的上面部分57中增加的电阻，在该上面部分中产生增加的发热能力。这种增加的发热能力足以克服拉晶机外罩的冷却效应，以便在加热元件51的整个高度上提供一般是均匀的温度梯度。在上面部分57稍微延伸到熔体表面或水平面H上方情况下，由上面部分产生的增加的发热能力防止了熔体表面上方坩埚侧壁33冷却，因而减少了晶锭在熔体表面处的辐射冷却。

正如所预料的，减少了熔体表面上方坩埚的冷却，就减少了在液-固界面处正在生长的晶锭I外表面的冷却。这样就使晶锭外表面B和晶锭中心轴A处轴向温度梯度之间的差别减小，因而减少了在晶锭固化时增加的点缺陷数。

随着晶锭I持续生长和坩埚31中源材料M的量减少，相对于加热元件51和外罩提升坩埚，以便使熔化的源材料M的表面保持在外罩中处于同一水平面H。因此，尽管坩埚侧壁33相对于加热元件51的上面部分57运动，但上面部分仍稍高于坩埚内熔体的表面，以便保持坩埚壁的加热直接在熔体表面的上方。

作为一个例子，进行有限元分析，来模拟在上述类型拉晶机23中，按照直拉法生产一对单晶硅锭I。在拉晶机23中使用一种常规加热器(未示出)，来模拟第一晶锭I的生长，而在该拉晶机中使用一种按照本发明的一种成形加热器，来模拟第二晶锭的生长。在晶体生长期间，记录在晶体的中心线(图1中表示的A)和晶体的外表面(图1中表示的B)二者的液-固界面处的轴向温度梯度。分析在熔体表面(图1中表示的C)和坩埚的上角(图1中表示的D)处坩埚侧壁33的温度。

对采用常规加热器生长的晶体，在晶锭的中心轴线A和外表面B处的轴向温度梯度分别为19.32℃/mm和34.95℃/mm。这样，在晶体外表面处的冷却速率显著地大于晶体中心轴线处的冷却速率。外表面轴向温度梯度与中心轴线轴向温度梯度之比值(比如，B/A)为1.81。当使用本发明的成形加热器21时，计算出在晶体的中心轴线处的轴向温度梯度是17.9℃/mm，并计算出在晶体的外表面处的轴向温度梯度是26.3℃/mm。因此外表面轴向温度梯度与中心轴线轴向温度梯度的比值(比如，B/A)减少到1.47。

关于坩埚壁温度，在常规加热器情况下，坩埚侧壁33的上角D处温度约为1191℃，而当使用成形加热器21时，温度增加到约为1209℃。这样，在有限元模型中，本发明的成形加热器21成功地增加了坩埚壁33的冷却温度。结果，从晶锭I到坩埚31的壁33的净辐射热传递减少。

由上面所述可以看出，此处所述的电阻加热器21满足本发明的各种目的并得到另一些有利的结果。若提供一种成形加热元件51，其中各加热分段53都具有一般是恒定厚度T的上面部分和下面部分57、59，该成形的加热元件51保持加热元件的结构完整性来防止弯曲应力，因而减少了断裂的危险。这类弯曲应力是在切割槽期间，由拉晶机23中所用的正交磁体所产生的磁场及由加热元件的重量造成的。若为加热元件分段53的上面部分提供一般是恒定的截面积，则由于在每个分段的上面部分和下面部分之间形成一更宽、更稳定的连接而进一步减少了断裂的危险。若保持上面部分厚度T不变而降低上面部分57相对于下面部分59的宽度WU，也会减少加热元件51的截面积，因而增加了加热元件51顶部处的电阻，以便增加加热器21顶部处加热元件的发热能力。这阻止沿着加热元件51的高度形成温度梯度，同时提供一种更等温的加热器21。该加热器21能有效地利用由电流源加到加热器上的电流。

在加热器21的顶部处增加了的输出功率将熔体表面上方的坩埚侧壁33加热，以便减少坩埚31对正在生长的晶锭I的冷却效应。这造成一种在液-固界面处晶锭I的外表面B和晶锭中央A之间温度梯度差减少。

此外，增加了的坩埚侧壁33的加热，减少了沿着坩埚侧壁外表面的轴向温度梯度。因为来自坩埚的热量一般是直接传送到基座上，因此基座的温度梯度更均匀，同时造成基座的结构寿命增加。

因为不脱离本发明的范围能在上述构造中进行各种改变，所以意图是将上述说明中所包含的或附图中所示的所有情况都理解成例证性的并且没有限制的意思。

Claims (5)

1．电阻加热器，供在按照直拉法生长单晶硅锭的拉晶机中使用，拉晶机具有一个外罩、一个坩埚和一个提拉机构，上述坩埚在外罩中用于装熔化的硅，而提拉机构用于从熔化的硅中向上提拉正在生长的晶锭，加热器包括一个加热元件，该加热元件加工成一定尺寸和形状，用于安放在拉晶机的外罩中，它围绕坩埚用于将热量加到坩埚及其中的硅上，加热元件包括在电路中连接在一起的加热分段，各分段具有上面部分和下面部分并且彼此相对地配置，以便当围绕装熔化硅的坩埚设置时，上面部分一般是设置在一包括熔化的硅表面的水平面上方，而下面部分一般是设置在该水平面的下方，上面部分制成比下面部分产生更多的发热能力，由此来减少在其表面处熔化的硅和刚好在熔化的硅表面上方的晶锭之间的温度梯度，上面部分具有一与下面部分基本上相等的厚度，和具有一显著地小于下面部分的宽度，上面部分的截面积处处都小于下面部分的截面积。

2．如权利要求1中所述的加热器，其特征在于：加热元件的各分段以一种蛇形外形连接在一起，其中每个上面部分都连接到相邻的上面部分上，而每个下面部分都连接到相邻的下面部分上，各相邻上面部分之间的连接部分具有一显著地小于下面部分的截面积。

3．如权利要求2中所述的加热器，其特征在于：相邻的上面部分之间连接部分的截面积不大于上面部分的截面积。

4．如权利要求1中所述的加热器，其特征在于：每个上面部分的截面积各处都基本上是恒定的。

5．如权利要求1中所述的加热器，其特征在于：每个上面部分都从对应的下面部分向上延伸，上面部分与下面部分的交会处限定一个一般是L形的加热分段凸肩。

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