CN1328416C - 用于制造单晶棒的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于由多晶馈送棒(3)制造单晶棒(2)的设备(1)，所述设备(1)包括一个封闭的腔室(4)，馈送棒(3)位于该腔室(4)中，所述腔室(4)包括一个围绕馈送棒(3)设置的环形的能量供应装置(5)，用于使该棒的一端(23)熔融，用以制备单晶体，所述设备包括用于馈送棒(3)的轴向移动的第一移动装置(6)、和用于馈送棒(3)和环形能量供应装置(5)之间的相对旋转运动的第二移动装置(7)。该设备(1)包括：一个监视系统(8)，用于记录馈送棒(3)的表面(9)和与能量供应装置(5)相关的环形径向向内的参照面之间的距离；以及一个用于调整距离的第三移动装置(10)。因此，实现了能够用于不规则馈送棒的设备和方法，所述不规则馈送棒呈现出除理想的圆柱形形状之外的其它形状，所述设备和方法还能够用于具有不规则表面的弯曲的圆柱形和椭圆形的棒。

Description

用于制造单晶棒的设备和方法

技术领域

 本发明涉及一种用于由多晶体馈送棒制造单晶棒的设备，所述设备包括一个封闭的腔室，所述馈送棒位于该腔室内，所述腔室包括一个环形的能量供应装置，该能量供应装置设置在馈送棒周围，用于从棒的一端使之熔融以制备单晶体，所述设备包括用于馈送棒的轴向移动的第一移动装置和用于在馈送棒和环形能量供应装置之间进行相对旋转运动的第二移动装置。

本发明还涉及一种用于由多晶馈送棒制造单晶棒的方法，所述馈送棒在该棒的端部包括一个熔融区，该熔融区由一个环形的能量供应装置提供，所述能量供应装置设置在馈送棒的周围，从而，在熔融区之下的区域中提供单晶体，由第一装置使所述馈送棒沿轴向移动，由所述第二装置使馈送棒的表面和能量供应装置之间进行相对旋转运动。

背景技术

关于单晶体的制造，已知采用所谓的浮区技术。该技术特别被用于硅单晶的制造。

Keck和Golay首先报告了将浮区(float-zone也称作floatingzone，并且还称作float zone technique)技术(FZ)用于硅单晶的生长。由于不采用坩埚来容纳用于晶体生长的硅熔体，所以FZ晶体比丘克拉斯基区域技术(Czochralsky zone technique)(Cz)结晶块的纯度高。与Cz技术相比，采用FZ技术更难以生长出直径大的硅结晶块。然而，FZ技术的发展已经可以与Cz并驾齐驱，并且在R&D中，在生产中已经生长出直径在150和200mm之间的晶体。

首先，对多晶棒的底端进行预热。该棒的所述端部被磨成v形，并且被放置于被水冷却的单匝铜感应线圈的中央。然后，将传导感应体、例如石墨留有微小间隙地放置在多晶棒之下。当向铜线圈施加射频电流(rf current)时，在感应体中产生涡电流，并且感应体的温度上升。然后，热量通过辐射传递给多晶棒。一旦多晶硅中靠近感应体的部分开始发热，则可以通过射频能量(rf energy)在这一段硅中产生涡电流。这时，不再需要石墨感应体并且将其从射频线圈(rf coil)中移走。连续施加热量，直到多晶硅棒的锥形段熔融为止。随后，从下面将籽晶浸入到熔融的硅中。

一旦籽晶被熔融的硅润湿，则可以通过降下籽晶来开始晶体的生长。多晶硅棒也需要下降，但是其下降的速度要慢得多。如在Cz技术中那样，在通过采用快的拉动速率进行的起晶过程中，应当开始无错位的生长。一旦观察到无错位结构(由于强侧晶面的出现)，便逐渐减小籽晶和多晶棒之间的拉动速率，以便使晶体的直径逐渐增大。在生长过程中还可能会引入掺杂气体。

成功进行浮区生长的决定性因素是维持熔融区的稳定性。当该区域的向内的压力大于向外的压力时，该区域是稳定的。向内的压力包括表面张力、固体和液体之间的内聚力以及由于rf场引起的电磁压力。后面两项与表面张力比起来相对较小。向外的压力主要包括由于熔融区的重力所造成的流体静力学压力。该流体静力学压力直接正比于该区域的高度。因此，熔融区应当保持尽可能的窄。

rf能量的频率也是一个重要的参数。它与rf能量的穿透深度和熔体上的电磁力成反比。建议最佳的频率在2和3MHz之间。当频率在500kHz以下时，会产生不希望出现的表面熔融。另一方面，高于3MHz的频率增加了产生电弧的可能性。

FZ技术例如在WO01/06041中被采用。

然而，关于单晶体的制造存在一个问题，即，形成用于形成单晶棒的起始点的馈送棒必须是圆柱形的，并且具有平行于该圆柱体的纵向轴线的壁。同样地，还需要多晶棒的馈送棒的表面是平滑的并且具有低的粗糙度。因此，最初用于形成单晶体制造的基础的馈送棒需要经过处理，所述处理除了净化之外，还包括研磨，以便使表面显得非常平滑，并且所述棒为圆柱体棒，从而除去不完善性。

在现有技术中，当所述棒存在一定程度的偏差、例如呈香蕉状或弯曲形时，则不可能采用这样的非圆柱形的棒。因此，希望对现有技术进行改进，使其可以采用一方面具有不规则的表面、另一方面呈现除真正的圆柱形棒之外的其它形状的馈送棒，所述其它形状包括弯曲的形状、略微类似于香蕉的形状。因此，可以以更低的成本和采用不那么完美的馈送棒来制造单晶棒，所述单晶棒例如被用在半导体制造中，并且还被用于半导体光电池的制造。在随后的单晶棒制造中它将被切成晶片。

发明内容

本发明的目的是提供一种设备和一种方法，除了理想的圆柱形之外所述设备和方法还可以使用呈其它形状的上述不规则的馈送棒，并且可以使用具有不规则表面的弯曲圆柱形和椭圆形棒。

上述目的通过一个根据方案1的设备来实现，一种用于由多晶馈送棒制造单晶棒的设备，所述设备包括一个封闭的腔室，馈送棒位于该腔室中，所述腔室包括一个围绕馈送棒设置的环形的能量供应装置，用于使该棒的一端熔融用以制备单晶体，所述设备包括用于馈送棒的轴向移动的第一移动装置、和用于馈送棒和环形能量供应装置之间的相对旋转运动的第二移动装置，该设备的特征在于，该设备包括一个监视系统，该监视系统用于记录馈送棒的表面与一个和能量供应装置相关联的环形径向向内的参照面之间的距离，并包括一个用于调整该距离的第三移动装置。

上述目的还通过一个根据方案10的方法来实现，一种由多晶馈送棒制造单晶棒的方法，所述馈送棒在该棒的端部包括一个熔融区，该熔融区由设置在馈送棒周围的环形能量供应装置提供，并且，在熔融区之下的区域中提供单晶体，由第一装置使所述馈送棒沿着轴向移动，由第二装置提供在馈送棒的表面和能量供应装置之间的相对旋转运动，该方法的特征在于，利用监视系统来记录一个环形径向向内的参照面和馈送棒的表面之间的距离，并且利用第三移动装置对该距离进行调整，使得在一个给定的时刻，在所述表面和参照面之间所测量的距离在所述棒的整个圆周上均相同。

例如在WO01/06041中所描述的那样，馈送棒、主要是硅馈送棒位于一个封闭的腔室中。最初，在所述棒的一端磨出一个环形凹槽，从而，例如可以用抓钩抓在所述棒的这一部分周围。所述设备包括一个用于旋转和沿垂直方向移动馈送棒的促动装置，并且在馈送棒之下，在所述腔室中放置一个籽晶，当通过采用FZ使放置在其上的馈送棒熔融时，由该籽晶形成单晶体。利用位于与馈送棒的端部相对的位置(所述凹槽形成于该处)的单匝感应环，使馈送棒发生熔融。馈送棒的熔融的端部可以具有锥形的端部，以便能够相对于感应线圈正确地定位。如在DE-19610650中所描述的那样，所述感应线圈可以附带有一个热反射器，该文献中的技术特征在这里被结合作为参考。进而，所述腔室包括一个处理窗口，位于腔室外侧的照相机系统可以通过该窗口记录图片，镜头聚焦在对应于感应线圈的配准区域中。照相机大约每秒拍照1-30张照片，并且这些记录被传送给一台记录感应线圈相对于馈送棒表面的位置的计算机装置。这些来自所谓配准系统的记录被传递给一个配准系统，在其中分别计算用于感应线圈相对于未熔化的表面在X和Y方向上的位置的数值，以便确保在馈送棒的外周和感应线圈之间的距离在整个一圈上都是均匀的。X方向是在馈送棒的中心线上的径向、水平的方向测量的，而Y是在同一平面上与X垂直且水平的方向，将计算出的数值与预先输入的理想值进行比较。

这些理想值是通过记录所述棒的直径和偏差而获得的，从而建立所述棒的中心点。所述理想值是所述棒的中心与所述棒的计算出的中心一致时的值，是一个参考点。

所述参照面与感应线圈的内表面相一致，或者在有些情况下是一个和所述感应线圈全等的环。

然后，配准系统向所谓的第三移动装置传送信息，所述第三移动装置包括分别执行馈送棒的位置在X方向和Y方向上的调节的促动器/马达。这些促动器例如是用于周向移动的促动器，位于腔室的外侧，但是构成设备的一个成一体的部分。利用这些闭合环路，连续地进行馈送棒在X和Y方向上相对于感应线圈的中心的位置的连续调整，以便由于该调整环的功能，而使得馈送棒在其旋转过程中，不管其是否具有弯曲的形状、以及因此将呈现出的对于参照面的距离的变化，该馈送棒将连续地位移。因此，在参照面和馈送棒的未熔化表面之间的距离将被连续地纠正，以呈现出预先输入的参考距离-所谓的理想值-从而对弯曲形状给予补偿，并因此在给定时刻和在馈送棒的整个外周上，该表面将连续地呈现出到感应线圈的相同的距离。因此，可以确保馈送棒均匀地熔融下落到位于下面的单晶上，从而确保单晶的质量，使其生长成一个单结晶棒。

应当注意，在这种情况下，馈送棒的参考点沿着馈送棒的中心线配置。然而，也可以选择其它的参考点。关键在于，在熔化开始前确定所述棒的直径和偏差，以便获得用于馈送棒的参考点。

通过提供根据本发明且进一步如方案2和3所述的设备，可以实现一个方便的环路，用以相对于环形的能量供应装置控制和移动馈送棒。

通过提供根据本发明且进一步如方案4和5所述的设备，可以实现第三移动装置的功能。

通过提供根据本发明且进一步如方案6所述的设备，可以方便地提供第一和第二移动装置的功能，还可以选择采用其它类型的马达。

通过提供根据本发明且进一步如方案7所述的设备，可以实现环形的能量供应装置的功能。该能量供应装置可以包括一个热反射器。

通过提供根据本发明且进一步如方案8所述的设备，提供了用于提供FZ的技术要件。

通过提供根据本发明且进一步如方案9所述的设备，还实现了对被称为浮区的熔融区域的方便的监视，然而，对此也可以设想替代的检测系统，例如激光束、电脉冲等。

如上所述，本发明还涉及一种方法，其中，方案11-14给出了该方法的典型实施例的特征。

最后，本发明涉及一种采用用于实施该方法的设备。

附图说明

下面，进一步公开本发明的优选实施例的详细说明。对附图进行参照，其中：

图1是根据本发明的一个示例性的实施例，表示出了各种移动装置和照相机相对于腔室的位置；

图2表示用于馈送棒的保持系统乃至该设备的可动装置；

图3表示用于馈送棒的X移动的矫正的闭合环路系统；

图4表示带有X-Y轴促动器的浮区处理腔室的顶见图；

图5是感应线圈、上部轴和非圆柱形/椭圆形多晶硅棒的顶视图；

图6表示在FZ过程中硅棒如何产生旋转误差。

图7表示利用感应线圈使馈送棒产生熔融的区域，还表示热反射器相对于其的位置。

具体实施方式

图1表示根据本发明的设备1的示例性的实施例，该设备包括一个封闭的腔室4，在该腔室4中进行处理，所述处理是所谓的FZ处理、浮区处理。多晶馈送棒3位于该腔室中，所述多晶馈送棒3通过一个包括有一个承载基板28的保持系统连接到上部轴18″上，所述轴从腔室向外延伸。在轴18″的出口和腔室壁之间设置柔性的密封件19，以便确保所述腔室相对于周围的环境保持封闭和密封。所述上部轴18″经由一个移动装置6被悬挂，所述移动装置6采用促动器12的形式，其可以轴向移动，促动器还包括用于产生旋转的第二移动装置7。这些移动装置确保多晶馈送棒3在熔融的过程中沿着运动的轴向方向向下运动，同时发生旋转，从而导致自始至终围绕着馈送棒进行连续熔融。

此外，移动装置还包括第三移动装置10，也采用促动器的形式，从而提供了馈送棒沿着平移和水平方向、即X和Y方向的运动，所述X和Y方向相互垂直，并且因此也垂直于上面描述的Z方向上的轴向运动。

在所述腔室中围绕馈送棒设置一个单圈的感应线圈13。该感应线圈可以按照DE-19610650中所揭示的那样来形成，并且进一步包括一个热反射器，该热反射器还将用作参照面。更详细的说明将结合图7来进行。

作为环形能量供应装置5提到的感应线圈，接收来自设置在腔室外侧的能量供应装置22的能量。将用一个柔性的密封件19来围绕位于内部腔室4中的感应线圈的连接处，以便确保所述腔室相对于周围的环境的密封。在处理的开始时期，馈送棒3之下设置一个籽晶35，所述籽晶35用以形成单晶棒2的生长基础。该籽晶位于下部轴18′的顶部，该下部轴还借助一个设置在腔室外侧的呈促动器形式的装置来负责籽晶和随后形成的单晶棒2在轴向方向的位移，从而，在成长过程中，使其保持与感应线圈13的合适的距离。

进而，腔室4的外侧是一个监视系统8，该监视系统8采用照相机系统的形式，该照相机系统能够记录单个的照片。典型地，每秒钟记录1-30张照片。照相机的镜头直接对准位于腔室4中的处理窗口20，照相机通过该处理窗口对发生熔化的被称为熔融区16的区域进行拍照。因此，照相机记录感应线圈或热反射器17与馈送棒3的未熔化或熔化表面9之间的距离。

所述记录将记录下X和Y方向上的距离、馈送棒的旋转，确保可以连续地获得馈送棒外周相对于热反射器或感应线圈的位置，所述热反射器也是圆形的，并且具有比馈送棒大的直径。馈送棒的熔融发生在其上端部23，与悬挂系统相对。

图2表示上部轴18″和馈送棒3的另一端25之间的连接，一个环形延伸的凹槽26设置在馈送棒的另一端并且与熔融区相对地取向，抓钩27安装在其中。这些抓钩经由螺纹29与承载基板28连接，并且通过螺栓30固定并紧固，抓钩向内突出的部分被固定到形成于馈送棒上的环34中，并且，通过拧紧螺栓30，馈送棒的基部将牢固地抵接在承载基板28的下表面上。承载基板28的上表面与一个带有外螺纹的销31配合，该外螺纹与设置于上部轴18″的一端的内螺纹32配合并且符合通常已知的轴杆的设置。

如上所述，所采用的馈送棒3可以呈弯曲的形状，这是非常新的，如后面将要描述的那样，该调节系统考虑到了弯曲形/香蕉形的馈送棒的熔融端和感应线圈之间的距离在所述棒的整个圆周上始终为相同的值。在馈送棒开始熔化之前，进行感应线圈的中心的记录和所述棒的直径和偏差的记录。这是通过将所述棒旋转一圈来进行的，并通过在这一过程中获得的照片或一组测量来计算和记录所述的尺寸。

在本文中应当注意，为了测量棒的品质，对一个当圆柱形棒具有与平滑表面平行的轴线时、且在弯曲的最高点和基部之间的最大距离被测量的地方产生的间隙进行测量。到目前为止，已经可以对于达到3-4mm的弯曲进行熔融。采用新型的设备和新型的方法，可以对在15和20mm之间的间隙进行熔融。

还应当指出，可以采用具有真正的波纹的馈送棒，并且作为生长表面，采用在原则上看起来类似紧邻的爆米花的表面，所采用的感应线圈也包括一个反射器。该反射器被用于促进热平衡。在采用具有平滑表面而不是粗糙表面的馈送棒、但其中该馈送棒呈弯曲状的情况下，感应线圈本身是足够的。典型地，馈送棒具有90-160mm的直径，并且具有达到2.5m的长度。进而，馈送棒的典型的横截面可以呈椭圆形截面，这些也被本发明的设备和方法考虑到了。

换句话说，本发明的设备和方法可以纠正可能由于以下原因而导致的问题：

○表面形态

○香蕉形、弯曲的圆柱形

○以及由于馈送棒的横截面偏离圆形并趋向于椭圆形

因此，图3表示闭环系统的原理，所述闭环系统负责处理过程的调整，并且包括各种设备部件。在封闭的腔室4中发生Fz处理。一个呈照相机系统14等的形式的监视系统8通过处理窗口进行实时的处理描述。这些照片被传送给一个记录系统15，所述记录系统15采用计算机装置的形式，所述计算机装置记录和计算馈送棒相对于环形能量供应装置的位置，并且将其转换成被转发给调整系统11的数据；由于未熔化表面和始终围绕着其整个圆周的感应线圈之间的测量距离相对于感应线圈13只能呈相同的值，以便确保均匀的熔融，所以，在调整系统11中进行计算，进行馈送棒相对于环形能量供应装置的调整。

因此，调整系统引入了应用于馈送棒在X-Y方向上的位置的理想值，将其与由计算机装置转发的作为被计算的真实数字进行比较。进而，由促动器产生关于上部轴18″的角度位置的输入35。在这一基础上，输出被传送给第三移动装置10，该第三移动装置10呈促动器形式，分别将关于馈送棒的X和Y方向的调整的信号转发给促动器12，从而使其相对于感应线圈的位置正确、均匀。

图4是浮区处理腔室的顶视图，该浮区处理腔室包括上部轴18″和两个促动器，所述促动器呈位于轴上的第三移动装置的形式，以便它们能够进行X和Y方向的平移运动，藉此分别完成一个摆动。同样地，该顶视图表示呈照相机14的形式的监视系统的位置，其镜头33通过处理窗口20接近浮区临界区域。

进而，与此相对，表示出了一个用于向感应线圈提供能量的能量供应装置22。

图5表示上部轴18″和馈送棒3之间的支撑，并且表示圆形的承载基板28，其中，可以清楚地分辨出馈送棒3的椭圆形。感应线圈13围绕馈送棒设置，并且设置到能够与馈送棒具有均匀的距离的程度。

图6表示弯曲的馈送棒3的典型的例子，其中，在具有弯曲轮廓的情况下，将产生错误的旋转。馈送棒3通过承载基板28紧固到上部轴18″上。

如上面所述，在馈送棒3具有波纹表面的情况下，需要提供具有热反射器17的感应线圈。在棒的表面平滑的情况下，感应线圈本身就足够了。

如上所述，图7表示感应线圈13装配有热反射器17的情况。该热反射器为圆形，并且构成同心地围绕馈送棒3的轴颈状。馈送棒在其底部具有一个不熔化的表面9，并且在该不熔化表面9和热反射器17的内表面之间的距离被照相机记录下来，并且在X-Y系统中产生变化，从而在给定的时间始终围绕在不熔化表面9和热反射器17的内表面之间的距离，将呈现出相同的值。

因此，实现了同心地围绕馈送棒3和单晶体2的中心线周围的轴颈状熔融区16，并且因此获得了单晶体2的均匀的结构。

应当注意，馈送棒材料是半导体材料，包括从下述元素组中选出的一种元素或元素的混合物，所述元素组包含元素周期表中的单一的IV族元素、从IV族元素中选出的成对元素，从III族和V族元素中选出的成对元素，从II族和VI族元素中选出的成对元素，以及从IV族和VI族元素中选出的成对元素。

更具体地说，在优选实施例中，从由Si、Ge、C和SiC组成的组中选出的半导体材料，或者它们的组合。

在一个最优选的实施例中，馈送棒材料主要包括硅。

术语“主要包括”意指除了主要成分之外，馈送棒材料可能包含其它成分、例如杂质或添加物如提供其它所需特性的搀杂物。

Claims (15)

1.一种用于由多晶馈送棒(3)制造单晶棒(2)的设备，所述设备(1)包括一个封闭的腔室(4)，馈送棒(3)位于该腔室中，所述腔室(4)包括一个围绕馈送棒(3)设置的环形的能量供应装置(5)，用于使该棒的一端(23)熔融用以制备单晶体，所述设备包括用于馈送棒(3)的轴向移动的第一移动装置(6)、和用于馈送棒(3)和环形能量供应装置(5)之间的相对旋转运动的第二移动装置(7)，其特征在于，所述设备(1)包括：一个监视系统(8)，该监视系统用于记录馈送棒(3)的表面(9)和与能量供应装置(5)相关的环形径向向内的参照面之间的距离；一个用于调整该距离的第三移动装置(10)。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备(1)包括一个调整系统(11)，作为监视系统(8)的记录功能，该调整系统(11)控制和调整第三移动装置(10)。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，该调整系统(11)包括一个微处理器，该微处理器用于计算馈送棒(3)相对于用于该棒的位置的理想值的调整。

4.如权利要求1-3任何一项所述的设备，其特征在于，第三移动装置(10)提供平移运动。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，第三移动装置(10)包括促动器(12)，该促动器(12)用于馈送棒在X和Y方向上的移动，所述方向是水平的并且相互垂直。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，第一和第二移动装置(6、7)包括一个促动器(12)。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，环形的能量供应装置包括感应线圈(13)。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备(1)进一步包括用于晶体棒轴向位移的移动装置(24)。

9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述监视系统(8)包括至少一个位于所述腔室外侧的照相机(14)。

10.一种由多晶馈送棒(3)制造单晶棒(2)的方法，所述馈送棒(3)在该棒(3)的端部包括一个熔融区(16)，该熔融区(16)由设置在馈送棒(3)周围的环形能量供应装置(5)提供，并且，在熔融区(16)之下的区域中提供单晶体，由第一装置(6)使所述馈送棒(3)沿着轴向移动，由第二装置(7)提供在馈送棒(3)的表面和能量供应装置(5)之间的相对旋转运动，其特征在于，由一个监视系统(8)记录环形径向向内的参照面(17)和馈送棒表面(9)之间的距离，并且，由第三移动装置(10)进行调整，以便在给定时刻，在所述表面和所述参照面之间测量出的距离在所述棒的整个外周上均相同。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述熔融区(16)设有一个感应线圈(13)。

12.如权利要求10-11任何一项所述的方法，其特征在于，该参照面由一个与感应线圈(13)相关的热反射器(17)或者该感应线圈本身提供，所述参照面与感应线圈相一致。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述单晶棒(2)从利用包括浮区法的基本方法形成的熔体中生长出来。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述馈送棒(3)主要包括硅。

15.一种权利要求1-9任何一项所述的设备的应用，将其用于实现权利要求10-14所述的方法。

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