CN1468328A - 用于拉晶装置的热屏蔽组件 - Google Patents

Abstract

一种热屏蔽组件，适合于在拉晶机内相对于坩埚安放在拉晶机中坩埚所装熔化的源材料上方。热屏蔽组件具有一个中心开口，该中心开口加工成一定尺寸和形状，用于在从熔化的材料提拉晶锭时围绕晶锭，并当从源材料提拉晶锭时基本插在晶锭和坩埚之间。热屏蔽组件包括一个外反射器和一个内反射器，外反射器具有一个内表面和一个与坩埚侧壁成相对间隔开关系的外表面，而内反射器位于外反射器内部。内反射器用一种具有低发射率的材料制成，并具有一个与外反射器的内表面基本成相对关系的外表面。内反射器的外表面和外反射器的内表面二者至少其中之一具有一个从其向外伸出的间隔装置，该间隔装置适合于内反射器和外反射器之间的接触关系。间隔装置使内反射器的外表面与外反射器的内表面间隔开，以便阻止从外反射器到内反射器的热传导。

Description

用于拉晶装置的热屏蔽组件

发明背景

本发明涉及一种用于生长单晶半导体材料的拉晶装置，更具体地说，涉及一种供在拉晶机装置中用的热屏蔽组件，用于增加在装置中生长的单晶半导体材料的轴向温度梯度。

单晶半导体材料是用于制造许多电子元件的原材料，通常是用直拉法(“Cz”法)制备。在这种方法中，将多晶半导体源材料如多晶硅(“多硅”)在坩埚中熔化。然后将籽晶下放到熔化的材料(经常称作熔体)并缓慢提升以便生长单晶锭。随着晶锭生长，通过降低拉速和/或熔体温度形成一个上面的端锥，因而扩大了晶锭直径，直至达到目标直径时为止。一旦达到目标直径，就通过控制拉速和熔体温度形成晶锭的圆柱形主体，以便补偿下降的熔体液位。在生长过程接近结束但在坩埚变空之前，缩小晶锭直径以便形成一个下面的端锥，使下面的端锥与熔体分离以便生成一个成品半导体材料晶锭。

为了增加拉晶机的生产率，理想情况是增加从熔体向上提拉晶锭的拉速“v”。然而，仅增加拉速本身可能会不利于晶体的生长和质量。例如，如果当晶锭从熔体向上提拉时晶锭没有足够的时间冷却和固化，则拉速增加会造成晶锭直径变形。

另外，某些晶片质量特征如栅氧化层完整性是受拉速变化影响的。由晶锭切片并按照常规方法制造的硅片常常包括在晶片表面上形成的氧化硅层。一些电子电路器件如金属氧化物半导体(MOS)器件在这种氧化硅层上制造。晶片表面中的缺陷由生长晶体时存在的聚集作用引起，这些缺陷导致氧化物层的不良生长。氧化物层的质量，常常叫做氧化膜介电断裂强度，可以通过在氧化物层上制造MOS器件并测验这些器件进行定量测量。晶体的栅氧化层完整性(GOI)是在由晶体加工的晶片氧化物层上工作器件的百分率。

改善GOI的一种方法是控制空位数，空位随着晶锭从熔体中向上提拉在晶锭固化时生长到晶锭中。应该理解，随着晶锭固化而在晶锭中变成固定的空位和自填隙的类型和初始浓度用生长速度(亦即拉速v)与固化时晶锭中的局部轴向温度梯度(Go)的比值来控制。当这个比值(v/Go)超过一临界值时，空位的浓度增加。因此，为了阻止空位的浓度增加，亦即为了避免比值v/Go增加，则如果拉速v增加，在固-液界面处的轴向温度梯度必须相应增加。

为此，已知提供一种热屏蔽组件，该热屏蔽组件设置在熔化的源材料上方，并且当从源材料向上提拉晶锭时围绕晶锭，以便保护晶锭免受从坩埚和围绕坩埚的加热器辐射出的热量影响。热屏蔽组件通常用涂覆碳化硅的石墨制造。这些常规热屏蔽组件的一个缺点是石墨具有比较高的发射率，亦即它具有高的从其表面发射辐射能的能力。结果，石墨热屏蔽向晶锭辐射相当大量的热，因而当从源材料向上提拉晶锭时阻止晶锭冷却。因此在装有用石墨制造的热屏蔽组件的拉晶机中，晶锭可以从源材料中向上提拉的拉速受到限制。

日本专利申请JP 8-325090-A公开了一种单晶拉伸装置，该单晶拉伸装置具有一个包括双层结构的热屏蔽架(夹具)，其中外层由一种第一材料如石墨制成，其上涂覆有一种由第二材料如石英制成的内层，第二材料具有比制造外层的第一材料的发射率低的发射率。上述专利申请还公开了该双层结构可改用覆盖钼的陶瓷外层制造，代替覆盖石英的石墨构造。提供一种由具有低发射率的材料制的内层导致减少了从热屏蔽架向晶锭的热辐射，因而能使晶锭更快速冷却。然而，采用这种多层结构的不足之处在于，热屏蔽架内层的整个外表面积都处于与外层的整个内表面积的热传导接触。因此热量很容易从热屏蔽架的外层传导到内层，因而降低了内层的效率。

发明概述

在本发明的多个目的和特性中，可以注意的是：提供了一种在高拉速下有助于硅晶体生长的拉晶机；提供了这样一种拉晶机，它可以增加在液-固界面处晶体轴向温度梯度；提供了一种热屏蔽组件，供在拉晶机中用来增加在液-固界面处晶体轴向温度梯度；提供了一种内反射层，用于拉晶机热屏蔽组件增加液-固界面处晶体轴向温度梯度；提供了这样一种内反射器，它可以与热屏蔽组件其余部分独立地安装在拉晶机中及从拉晶机中取出；及提供这样一种内反射器，它可与目前使用的拉晶机中现有热屏蔽组件一起使用。

一般地，供在生产单晶锭的拉晶机的热屏蔽组件中使用的本发明的反射器包括一个管状结构，该管状结构适于基本设置在热屏蔽组件内并具有一个中心开口，该中心开口的尺寸和形状加工成用于在拉晶机生产晶锭时围绕晶锭。管状结构的外表面适于与热屏蔽组件成相对的关系布置。管状结构用一种具有低发射率的材料制造。管状结构的外表面具有一个由其向外伸出的间隔装置(间隔件)，用于接触热屏蔽组件，以便将管状结构的外表面与热屏蔽组件间隔开。

在另一个实施例中，供在生产单晶锭的拉晶机中使用的本发明的热屏蔽组件包括一个外反射器，该外反射器具有一个内表面和一个外表面。一个内反射器适合于基本与外反射器以径向间隔开的关系设置在外反射器内。内反射器用一种具有低发射率的材料制造，并具有一个外表面，该外表面基本与外反射器的内表面成相对的关系。内反射器的外表面和外反射器的内表面二者至少其中之一具有一个由其向外伸出的间隔装置，该间隔装置适合于内反射器和外反射器之间的接触关系。间隔装置使内反射器的外表面与外反射器的内表面间隔开，以便阻止从外反射器到内反射器的热传导。

在又一个实施例中，本发明的用于生产单晶锭的拉晶机包括一个坩埚和一个加热器，上述坩埚用于容纳熔化的半导体源材料，而加热器与坩埚为热传递关系，用于将坩埚加热到一个足以熔化坩埚所装半导体源材料的温度。提拉机构设置在坩埚上方，用于从坩埚所装的熔化材料中提拉晶锭。上述热屏蔽组件适合于相对坩埚设置在熔化的源材料上方。热屏蔽组件具有一个中心开口，该中心开口的尺寸和形状加工成用于在从熔化的材料中提拉晶锭时围绕晶锭，并且在从源材料中提拉晶锭时基本介于晶锭和坩埚之间。

本发明的另一些目的和特征一部分是显而易见的，一部分在下文指出。

附图简介

图1是本发明的拉晶机的示意局部垂直剖视图，其中包括本发明的热屏蔽组件；及

图2是图1的热屏蔽组件的示意剖视图。

在所有附图中用相应的标号表示相应的部件。

优选实施例详细说明

现在参见各附图并尤其是参见图1，按照直拉法生长单晶硅锭(比如图1的晶锭I)所用类型的本发明拉晶机总体上用标号23表示。拉晶机23包括一个总体上用标号25表示的水冷式外壳，用于将拉晶机内部隔离开，拉晶机内部包括一个下面的晶体生长室27和一个上面的提拉室29。提拉室29具有比生长室27小的横向尺寸。安装在基座33中的石英坩埚31具有一圆筒形侧壁35并装有熔化的半导体源材料M，单晶硅锭I由该半导体源材料M生长。基座35安装在一个转台37上，该转台37用于绕一中心轴X旋转基座和坩埚31。坩埚31还能在生长室27内升起，以便随着晶锭I生长和源材料从熔体中移出，使熔化的源材料M的表面保持在基本恒定的液位上。一个电阻加热器39围绕坩埚31，用于加热坩埚使坩埚中的源材料M熔化。加热器39由一个外部控制系统(未示出)控制，以便在整个拉晶过程中精确控制熔化的源材料M的温度。

提拉机构包括一个提拉轴41，该提拉轴41从一个能升、降和旋转提拉轴的机构(未示出)向下延伸。根据拉晶机的类型，拉晶机23可以具有一个提拉线而不是一个提拉轴41。提拉轴41终止于一个籽晶夹头43，该籽晶夹头43夹持一个用来生长单晶锭I的籽晶45。为清楚起见，在图示的籽晶夹头43和晶锭I的上升位置，在图1中已将提拉轴41部分地断开。拉晶机23的基本构造和操作，除了下面更充分说明的范围之外，是该技术领域的技术人员众所周知的，并且不再作进一步说明。

本发明的用于在高拉速下生长硅晶体的热屏蔽组件总体上用标号51表示。热屏蔽组件51安装在生长室27中熔化的源材料M上方，并具有一个中心开口53，该中心开口53加工成一定尺寸和形状，以便当从源材料向上提拉晶锭时围绕晶锭I。如图2所示，热屏蔽组件51基本包括一个外反射器55和一个内反射器57。外反射器55基本是漏斗形并具有一个环形凸缘59，该环形凸缘59从外反射器55的上端沿径向向外延伸。凸缘59加工成一定尺寸，用于安放在一个环形上支承环61(见图1)上，该支承环61设置在生长室27中，用于支承生长室中的外反射器55。外反应器55从环形凸缘59向内和向下倾斜，并向下延伸到坩埚31中熔体表面上方的一个位置，以便外反射器至少部分地介于坩埚侧壁35和生长中的晶锭I之间，以便阻止从坩埚和电阻加热器39辐射的热直接辐射到生长中的晶锭上。

内反射器57是管状，基本是漏斗形，并从反射器的下端向上向外倾斜到上端。内反射器57的倾斜度基本上与外反射器55的倾斜度相同。一环形凸缘63从内反射器57的上端沿径向向外延伸，用于支承拉晶机23中的内反射器。如图2中所示，内反射器57具有一个轴向长度，该轴向长度明显小于外反射器55的轴向长度，因此内反射器57的下端位于源材料M上方一个距离，该距离大于外反射器的下端到源材料的距离。更优选的是，内反射器57的下端位于源材料M上方一个足够的距离，以便阻止来自源材料的溅射冲击到内反射器上。然而，具有一个基本上与外反射器55相等长度或更长的长度的内反射器57都设想是在本发明的范围之内。

内反射器57由一种具有低发射率(比如从它的表面发射辐射能的能力低)的材料制成，以便当穿过热屏蔽组件51向上提拉晶锭时，阻止由生长的晶锭I所辐射的热由于内反射器辐射而返回到晶锭。优选的是，内反射器57用一种具有低发射率的难熔金属制成。例如，所示实施例的内反射器57用纯度为99.95％的纯钼制成。钼具有发射率约为0.2-0.3。作为对照，石墨，例如用于制造外反射器和用于制造常规热屏蔽组件中的石墨，具有发射率约为0.8-0.9。应该理解，内反射器57可以用具有较低发射率的其它材料，如不透明石英或其它合适的材料制造，而不脱离本发明范围。

在一优选的制造方法中，内反射器57用具有厚度在约0.01-0.015英寸范围内的钼板制造。反射器57从一个平料板切下并然后形成为管状，基本是漏斗形结构。正如图2中所看到的，平料板的自由端沿着接缝线65搭叠和固定在一起，如通过用直径约为0.025英寸的钼丝67将两端缝合在一起。也可以考虑在不脱离本发明范围的情况下用缝合之外的方法，如铆接、卷边或其它合适方法将平料板的自由端固定在一起。然而，现已发现，用钼丝67缝合与其它固定方法相比只对钼板产生很小的损伤和应力，因而减少了在拉晶机23反复操作期间内反射器57破裂的危险。

在平料板的自由端固定在一起形成管状结构之后，从结构的上端向下切开若干狭缝(未示出)，以便限定多个在狭缝中间的薄片。将各薄片折叠或用其它方法向外弯曲到基本是水平方向，以形成位于内反射器57的上端环形凸缘63。环形凸缘63在径向上加工成一定尺寸，以便这样安置在外反射器55的至少一部分环形凸缘59上，使外反射器在拉晶机23中支承内反射器57。在拉晶机中以这种方式支承内反射器57，与外反射器55没有任何连接，能很容易与外反射器分开地安装在拉晶机23中及从拉晶机23中取出。这能使本发明的内反射器很容易结合在现有拉晶机中。将内反射器57的凸缘63放在外反射器55上，还阻止内反射器在拉晶机23操作过程中加热时向下滑入石墨外反射器中。例如，尽管钼和石墨具有比较相似的膨胀特性，但石墨外反射器55在拉晶机23操作过程中比钼内反射器57更靠近加热器39和坩埚31并因此更热。石墨外反射器55因此可以比钼内反射器57膨胀更多。在内反射器57上端处没有环形凸缘63的情况下，内反射器会进一步向下滑入外反射器55中，因而增加了在外反射器随后冷却(及因此收缩)时损坏内反射器的风险。

如图2中所示，内反射器57的外表面69具有若干向外延伸的凸起71或隆起(联合作为一种间隔装置)，该向外延伸的凸起71适合于在将内反射器安装在拉晶机23中时接触外反射器55的内表面73。各凸起71通常相对于内反射器57的倾斜外表面69垂直向外延伸。然而，在不脱离本发明范围的情况下，可以考虑将各凸起71在不同于该垂直方向如径向上从内反射器57的外表面63向外延伸。各凸起71通过使内反射器57的内表面75凹陷或用别的办法形成凹坑，如用一小的圆冲头形成，以便在反射器的外表面69中形成升起的凸起。作为一个例子，所示实施例的凸起71是圆形和约2.5毫米深，并具有约5毫米的直径。

各凸起71绕内反射器57在圆周上间隔开，以便当内反射器安装在拉晶机23中各凸起接触外反射器55时，各凸起保持内反射器的外表面69围绕内反射器的圆周与外反射器的内表面73成间隔开的关系。各凸起71还沿着内反射器57的外表面69基本垂直地间隔开，以使内反射器的外表面与外反射器55的内表面73之间沿着内反射器高度的接触表面积最少。应该理解，向外延伸的凸起71的形状、数量和尺寸可以改变并保持在本发明的范围之内。例如，在使用较大数量凸起71的情况下，各凸起可以具有较小的深度。还应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，间隔装置可以包括一单个凸起如一个套环(未示出)，该套环在圆周上绕内反射器57的外表面69延伸。

在一种将热屏蔽组件51安装到拉晶机23中的优选方法中，取下拉晶机外壳25的过渡部分47，以便提供到外壳内部的通道。在外壳25的外部，将内反射器57下放到外反射器55中，直至内反射器上端处的环形凸缘63安放在外反射器的环形凸缘59上为止。在内反射器57插入外反射器55内部时，从内反射器外表面69向外延伸的凸起71接触外反射器的内表面73。凸起71帮助使内反射器57在外反射器55内定中，同时使内反射器的外表面69与外反射器的内表面73成间隔开的关系。应该理解，由于制造公差和其它参数，某些凸起71可能不接触外反射器55的内表面73，但这仍然是在本发明的范围内。外反射器55与保持在其中的内反射器57一起安放在外壳25中，以从外反射器上端沿径向向外延伸的环形凸缘59安放在设置于生长室27中的环形上支承环61上。可供选择地，在不脱离本发明的范围情况下，外反射器55可以在其中未装有内反射器57的情况下安放在外壳25中，并然后将内反射器下放到外壳内的外反射器中。

在操作中，将多晶硅放入坩埚31中并用电阻加热器39辐射热熔化。使籽晶45与熔化的硅源材料M接触，并通过提拉机构的提拉轴41用缓慢提拉生长单晶锭I。随着在生长室27内向上提拉生长中的晶锭I，坩埚侧壁35被电阻加热器39和坩埚31中熔化的源材料M加热。来自坩埚侧壁35的热量传递到外反射器55。当晶锭I向上提拉成与内反射器径向对准时，从生长中的晶锭I辐射的热或是通过内反射器吸收，或是通过内反射器在生长室27内向上朝拉晶机23的水冷式外壳25反射。由于钼内反射器的低发射率，所以有少量的热被内反射器辐射回到晶锭。外反射器55保护晶锭I防止从坩埚31和围绕坩埚的加热器39辐射的热量辐射到生长中的晶锭I。

热屏蔽组件51的内反射器57在此是通过与一外反射器55结合使用示出和说明的，该外反射器55用涂覆碳化硅的石墨单层结构制成。然而，应该理解，在不脱离本发明范围情况下，内反射器57的形状可以构造成供与各种其它的外反射器设计如多层结构一起使用，上述多层结构包括具有保温材料的多层结构，该保温材料设置在两层石墨之间。还应理解，内反射器57可以不是漏斗形状，如是抛物面形或碗形，供与已知形状的其它外反射器(未示出)一起使用。

另外，尽管热屏蔽组件51被示出并描述成包括一个外反射器55和一个具有适合与外反射器接触的向外延伸的凸起71的内反射器57，但这些凸起可以代之以从外反射器的内表面73向外延伸与内反射器的外表面69接触，这也保持在本发明的范围内。

根据上述情况，可以看出，本发明的各个目的都达到了并得到另一些有利的结果。具有内反射器57的热屏蔽组件51或是吸收或是反射由生长中晶锭I辐射的热量，并减少由热屏蔽组件辐射回生长中晶锭的热量，上述内反射器57用一种具有低发射率的材料制造。由内反射器57反射的热基本在生长室27内向上反射到拉晶机23的水冷式外壳25。另外，设置一种从内反射器57的外表面69向外延伸的间隔装置(比如若干凸起71)，提供在内反射器和外反射器55之间最小的接触表面积。如果内反射器57在整个表面积上与石墨外反射器55接触，则来自外反射器的热量将很容易传导到内反射器，因而增加了钼内反射器的温度，结果反射器将更多的热量辐射到晶锭。通过限制内和外反射器57、55之间的表面积接触量，则辐射变成从外反射器到内反射器的热传递的主要形式。因为已知热传导比辐射产生更有效的热传递，所以少的热量从外反射器55传递到内反射器57。

结果，钼内反射器57在晶锭I生长过程中保持一较冷的温度。因此当生长中的晶锭I从熔化的源材料向上提拉时，该生长中的晶锭I更迅速地冷却，因而增加了在熔化的源材料溶体表面处晶锭的轴向温度梯度(亦即晶锭固化更快)。因此，将晶锭I从源材料M向上提拉的拉速可以增加，因而增加了拉晶机23的生产能力。例如，通过优化各种控制参数，在具有常规石墨热屏蔽组件的拉晶机中，拉速可接近0.8毫米/分。若用本发明的具有内反射器57的热屏蔽组件51一该内反射器51用具有低发射率的材料制造，则晶锭I可以在约1毫米/分的拉速下拉晶，拉速增加25％。

当介绍本发明或本发明的优选实施中的元件时，各冠词“一个”、“一种”、“该”和“上述”是指有一个或一个以上该元件。术语“包含”，“包括”和“具有”是指包括在内并且是指除了所列举的元件外可以有另外的元件。

因为在不脱离本发明的范围情况下可以在上述构造中作出各种改变，所以上面说明中所包含的和附图中所示的所有内容都应视为示例性的，而没有限制的意义。

Claims (10)

1.一种用于生产单晶锭的拉晶机，所述拉晶机包括：

一个用于装熔化的半导体源材料的坩埚；

一个加热器，所述加热器与坩埚成热传递关系，用于将坩埚加热到一个足以熔化坩埚所装半导体源材料的温度；

一个提拉机构，所述提拉机构位于坩埚上方，用于从坩埚所装的熔化材料中提拉晶锭；及

一个热屏蔽组件，所述热屏蔽组件适用于相对坩埚位于熔化的源材料上方，热屏蔽组件具有一个中心开口，所述中心开口的尺寸和形状加工成用于在从熔化的材料中提拉晶锭时围绕晶锭，当从源材料中提拉晶锭时，上述热屏蔽组件基本插在晶锭和坩埚之间，上述热屏蔽组件包括一个外反射器和一个内外射器，外反射具有一个内表面和一个基本与坩埚侧壁成相对、间隔开关系的外表面，而内反射器位于外反射器里面，内反射器用一种具有低发射率的材料制造并具有一个与外反射器的内表面成基本上相对关系的外表面，内反射器的外表面和外反射器的内表面二者至少其中之一具有一个由其向外伸出的间隔装置，所述间隔装置适合于内反射器和外反射器之间的接触关系，间隔装置将内反射器的外表面与外反射器的内表面间隔开，以便阻止从外反射器到内反射器的热传导。

2.一种根据权利要求1所述的拉晶机，其特征是，间隔装置从内反射器的外表面向外伸出，用于接触外反射器的内表面，以便将内反射器的外表面与外反射器的内表面间隔开。

3.一种根据权利要求1所述的拉晶机，其特征是，间隔装置包括多个凸起，所述凸起从上述内反射器的外表面和上述外反射器的内表面二者至少其中之一向外伸出，所述凸起基本绕内反射器的上述外表面和外反射器的上述内表面二者至少其中之一的圆周成相互间隔开的关系。

4.一种根据权利要求1所述的拉晶机，其特征是，间隔装置基本相对于内反射器的上述外表面和外反射器的上述内表面二者至少其中之一垂直向外伸出。

5.一种根据权利要求1所述的拉晶机，其特征是，内反射器的底部在源材料上方间隔一个距离，所述距离明显大于外反射器底部到源材料的距离。

6.一种根据权利要求1所述的拉晶机，其特征是，内反射器和外反射器各自基本都是漏斗形。

7.一种根据权利要求1所述的拉晶机，其特征是，内反射器可相对于外反射器运动，用以将内反射器安装在外反射器内和从外反射器中取出内反射器，内反射器还包括一个环形凸缘，所述环形凸缘从内反射器的上端沿径向向外延伸，该环形凸缘的尺寸加工成用于安装在外反射器上，以便在拉晶机中支承内反射器。

8.一种根据权利要求1所述的拉晶机，其特征是，内反射器用一种难熔金属制造。

9.一种供在用于生产单晶锭的拉晶机中使用的热屏蔽组件，所述热屏蔽组件包括：

一个具有一个内表面和一个外表面的外反射器；和

一个内反射器，所述内反射器适合于基本与外反射器成径向间隔开的关系设置在外反射器内，内反射器用一种具有低发射率的材料制造并具有一个与外反射器的内表面成基本相对关系的外表面，内反射器的外表面和外反射器的内表面二者至少其中之一具有一个从其向外伸出的间隔装置，所述间隔装置适合于内反射器和外反射器之间的接触关系，间隔装置使内反射器的外表面与外反射器的内表面间隔开，以便阻止从外反射器到内反射器的热传导。

10.一种供在用于生产单晶锭的拉晶机的热屏蔽组件中使用的反射器，所述反射器包括：

一个管状结构，所述管状结构适合于基本设置在热屏蔽组件内并具有一个中心开口，所述中心开口的尺寸和形状加工成用于当用拉晶机生产晶锭时围绕晶锭，管状结构的一个外表面适合于与热屏蔽组件成相对的关系布置，管状结构用一种具有低发射率的材料制造，管状结构的外表面具有一个由其伸出的用于接触热屏蔽组件的间隔装置，以便使管状结构的外表面与热屏蔽组件间隔开。

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