CN1608147A - 用于拉晶机的热屏蔽组件 - Google Patents

Abstract

一种供在拉晶机中使用的热屏蔽组件具有一个外反射器，所述外反射器在从熔化的源材料提拉晶锭时设置在晶锭和坩埚之间。一个冷却屏蔽插在晶锭和外反射器之间，从而使所述冷却屏蔽暴露于从晶锭辐射出的热之下，用以增加晶锭冷却的速率，由此增加了晶锭的轴向温度梯度。在另一个实施例中，一个内屏蔽板一般与冷却屏蔽成径向间隔开的关系设置在冷却屏蔽和晶锭之间，并用一种基本上可透过来自晶锭的辐射热的材料制造。

Description

用于拉晶机的热屏蔽组件

技术领域

本发明涉及一种用于生长单晶半导体材料的拉晶机，和更具体地说，涉及一种安装在用于以高提拉速率生长这种晶体的拉晶机中的热屏蔽组件。

背景技术

单晶半导体材料是用于制造许多电子元件的原材料，所述单晶半导体材料通常是用直拉(“Cz”)法制备。在这种方法中，多晶半导体源材料如多晶硅(“聚硅”)在坩埚中熔化。然后将一个籽晶下放到熔化的材料(常常叫做熔体)中，并缓慢地升起以便生长单晶锭。随着晶锭生长，通过降低拉速和/或熔体温度形成一个上部端锥，由此将晶锭直径放大，直至达到目标直径时为止。一旦达到目标直径，通过控制拉速和熔体温度以补偿下降的熔体液位来形成晶锭的圆柱形主体。在接近生长过程结束但在坩埚变空之前，缩小晶锭的直径以便形成一个下部端锥，使下部端锥与熔体分开以便生产出一个半导体材料成品晶锭。

为了增加拉晶机的生产量，希望增加从熔体向上提拉晶体的拉速“v”。然而，简单地单独增加拉速可能不利于晶体的生长和质量。例如，如果当从熔体中向上提拉晶锭时未给出足够的时间来冷却和固化，则拉速的增加可以造成晶锭的直径变形。

另外，某些晶片的质量特性如栅氧化层完整性受拉速的变化影响。从晶锭切片所得和按常规方法制造的硅晶片常常包括一个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。由生长的晶体中存在的聚集作用所引起的晶片表面中的缺陷，导致氧化物层的不良生长。氧化物层的质量常常叫做氧化物膜介电击穿强度，所述氧化物层的质量可以通过在氧化物层上制造MOS器件并测试这些器件来定量测量。晶体的栅氧化层完整性(GOI)是在从晶体加工的晶片氧化物层上工作器件的百分率。

改善GOI的一种方法是随着从熔体向上提拉晶锭时控制晶锭固化时生长到晶锭中的空位数。应该理解，空位和自填隙的类型及初始浓度随着晶锭固化而在晶锭中变得固定，上述空位和自填隙的类型的初始浓度由生长速度(亦即拉速v)与固化时晶锭中的局部轴向温度梯度(G_o)的比值控制。当这个比值(v/G_o)超过一个临界值时，空位的浓度增加。这样，为了阻止空位的浓度增加，亦即为了避免增加比值v/G_o，如果拉速v增加，则在固-液界面处的轴向温度梯度也必须相应地增加。

为此，美国专利No.5,316,742公开了一种拉单晶机装置，上述拉单晶机装置如图3中所示，在生长室中安有一第一(外)屏蔽物，当从熔体中向上提拉晶锭时，该屏蔽物用于围绕生长着的晶锭。该外屏蔽物用涂覆碳化硅的石墨制造。一层用碳毡制造的隔热材料覆盖外屏蔽物的内表面。将一个第二(内)屏蔽物安置成在晶锭和外屏蔽物中间，与外屏蔽物和隔热材料成间隔开的关系，围绕生长着的晶锭。内屏蔽物公开为由石墨(亦即碳)制造。包括一个管道的冷却系统围绕内屏蔽物盘绕，用于通过其运送冷却流体以便冷却内屏蔽物。因此，较少的热量通过屏蔽物朝正生长的晶锭辐射，由此当从熔体向上提拉晶锭时增加了晶锭的轴向温度梯度。然而，石墨具有一高的辐射系数，并因此，从生长着的晶锭辐射到内屏蔽物上的大量辐射热又朝晶锭往回辐射，而不是转移到冷却系统上。这样，在这个专利中所公开的拉晶机装置不象所希望的那样有效。

发明内容

在本发明的一些目的和特点中，可以注意到：提供一种用于拉晶机的热屏蔽组件，所述热屏蔽组件有助于在高拉速下从熔化的半导体源材料生长单晶锭；提供这样一种热屏蔽组件，所述热屏蔽组件增加单晶锭在液-固界面处的轴向温度梯度；及提供这样一种热屏蔽组件，所述热屏蔽组件挡住从拉晶机中熔化的硅源所溅出的熔化的硅，并提供某种保护以使热屏蔽组件免受偶然浸入熔化的硅中所引起的损伤。

一般，本发明的热屏蔽组件供在用于从熔化的半导体源材料生长单晶锭的拉晶机中使用，上述热屏蔽组件包括一个外反射器，当从熔化的源材料提拉晶锭时，上述外反射器插在晶锭和坩埚之间。当从熔化的源材料提拉晶锭时，将一个冷却屏蔽插在晶锭和外反射器之间。冷却屏蔽暴露于从晶锭辐射出的热之下，用于增加晶锭冷却的速率，因而当从熔化的材料提拉晶锭时增加了晶锭的轴向温度梯度。外反射器一般防护冷却屏蔽免受由坩埚所辐射的热的影响。

本发明的另一些目的和特点一部分是显而易见的，一部分将在后面指出。

附图说明

图1是包括有本发明热屏蔽组件的拉晶机的局部垂直剖视图；

图2是图1的热屏蔽组件的局部透视图，其中剖开了一些部件；及

图3是图1的热屏蔽组件的冷却屏蔽的顶部平面图。

在上述几个附图中用对应的标号表示对应的部件。

优选实施例详细说明

现在参见各附图和尤其是参见图1，本发明用来按照直拉法生长单晶硅锭(比如图1中4用虚线示出的晶锭I)的这种类型的拉晶机一般作为一个整体用标号23表示。拉晶机23包括一个水冷式外壳，所述水冷式外壳一般用标号25表示，用于使内部隔离，上述内部包括一个下部晶体生长室27和一个上部提拉室29，上述提拉室29具有一比生长室小的横向尺寸。一个石英坩埚31安装在基座(接受器)33中，上述石英坩埚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从上述源材料M生长。基座33安装在一个转台37上，后者用于使基座和坩埚31绕一中央纵向轴X旋转。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取出，使熔化的源材料表面保持在一个一般恒定的水平(高度)上。一个电阻加热器39包围坩埚31，用于将坩埚加热，以便熔化坩埚中的源材料M。加热器39由一外部控制系统(未示出)控制，以便在整个拉晶过程中精确地控制熔化的源材料M的温度。

拉晶机构包括一个提拉轴41，所述提拉轴41从一个能使提拉轴升起、下降和旋转的机构(未示出)向下延伸。根据拉晶机类型的不同，拉晶机23可以具有一个提拉线(未示出)而不是一个提拉轴41。提拉轴41收尾于一个籽晶夹头43处，上述籽晶夹头43夹住用来生长单晶锭I的籽晶C。提拉轴41在图1中部分断开，断开部位是在提拉轴顶部处和它连接到夹头43的地方。在生长晶锭I时，提拉机构放下籽晶C，直至所述籽晶C接触熔化的源材料的表面S。一旦籽晶C开始熔化，提拉机构就缓慢地将籽晶向上升起穿过生长室27和提拉室29，以便生长单晶锭I。提拉机构使籽晶C旋转的速度和提拉机构使籽晶升起的速度(亦即拉速V)由外部控制系统控制。除了下面更充分说明的内容之外，拉晶机23的一般构造和操作是常规的并且为该技术的普通技术人员所已知。

参见图1和2，本发明的热屏蔽组件总体用标号49表示，它安装在生长室27中熔化的源材料M的上方，并具有一个中央开口51，上述中央开口51的尺寸和形状制成为，当从源材料向上提拉晶锭I时，能围绕晶锭I。热屏蔽组件49一般包括一个外反射器53和一个内屏蔽板55，上述外反射器53和内屏蔽板55彼此相对地成形和安置，以便在它们之间限定一个内部室57。组件49还包括一个冷却屏蔽件，所述冷却屏蔽件总体用标号59表示，它至少部分地设置在内部室57内，用于当晶锭从熔体向上提拉时冷却生长的晶锭I。外反射器53是管状并具有一个从其上端径向向外延伸的环形凸缘61。向外延伸的凸缘61的尺寸加工成用于安装在一个环形上支承环63上，上述上支承环63设置在生长室27中，用于在拉晶机23内支承外反射器(并因此支承如下面进一步说明的热屏蔽组件)。外反射器53从环形凸缘61向下延伸到坩埚31中，到达源材料M熔体表面上方一个位置，以使外反射器至少部分地插在坩埚侧壁33和生长着的晶锭I之间。

一个第二或者下部环形凸缘65在外反射器53的下端处径向上向内延伸，以便在熔化的源材料M的上方成间隔开的关系限定热屏蔽组件49的底表面。一个环形突出部分67形成在向内延伸的下部凸缘65的内周边沿中，用于安放外反射器53的一个环形下部支承环69。下部支承环69在其外周边沿处构形成用于安放在外反射器53的下部凸缘65的环形突出部分67上。一个环形支承突出部分71也形成在外反射器53的下部支承环69的内周边沿中，用于支承拉晶机23中的内屏蔽板55。外反射器53，包括下部支承环69，优选的是用一种石墨材料制造，而更具体地说是用涂覆碳化硅的石墨制造。下部支承环69具有一个中央开口，所述中央开口限定热屏蔽组件49的中央开口51。如上所述，外反射器53是两件式结构，下部支承环69制成与外反射器的其余部分分开，上述外反射器的其余部分比下部支承环更靠近坩埚侧壁，以便阻止从外反射器的其余部分热传导到下部支承环。然而，应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，外反射器53可以是整体式结构。

如在图2中最佳看到的，内屏蔽板55包括一个一般是漏斗形的主要部分73和一个圆筒形下面部分75，上述下面部分75从主要部分73悬伸下来，其尺寸加工成用于安放在环形支承突出部分71上，上述突出部分71在外反射器53的下部支承环69的内周边沿中形成。这样外反射器53的下部支承环69在拉晶机23中支承屏蔽板55。屏蔽板55的漏斗形主要部分73从圆筒形下面部分75向上和向外倾斜伸到一个比外反射器53的上端稍低的位置。

所示实施例的内屏蔽板55优选的是用这样一种材料制造，随着晶锭向上提拉穿过热屏蔽组件49，上述材料基本上可让来自生长着的晶锭I的辐射热穿透，以便随着从熔化的源材料向上提拉晶锭冷却屏蔽59基本上暴露于来自晶锭的辐射热之下。正如本文所用的，可让辐射热穿透意思是指在约500纳米-约2500纳米波长范围的至少其中一部分之内，而更优选的是在上述整个波长范围内，具有等于或大于约80％的透射率。如本文所用的，透射率涉及光透过内屏蔽板55的厚度的能力。更具体地说，本文所用的术语透射率涉及一种相对透射率，它是通过使来自光源的一束光射到一个入射目标表面上并测量来自该表面的入射光的电信号(比如电压)用常规方法测量的。然后将一个物体插在光源和目标表面之间，并再次测量来自该表面的入射光的电信号。相对透射率则是通过使光射向穿过物体测得的电信号与在光源和目标表面之间没有插入物体的情况下测得的电信号之比。500纳米-2500纳米的波长范围一般代表对光散射效应最敏感的光波长范围，并构成拉晶机23内辐射热的总波长范围的大约80％。作为一个例子，所示实施的内屏蔽板55用透明的熔结石英制成，上述熔结石英在所公开的波长范围内具有大于约90％的透射率。

一个环形导向环77具有一稍呈漏斗形的构形，该导向环在拉晶机23内由外反射器53支承，用于给内屏蔽板55导向(亦即定心)到外反射器环形支承突出部分71上的位置中。导向环77的上端具有一径向向外延伸的凸缘79，用于安放在一个环形凸肩81上，上述环形凸肩81形成在外反射器53上端的内边沿中。导向环77一般从向外延伸的凸缘79向内和向下倾斜伸到内屏蔽板55的上端，并且一般进一步垂直向下延伸到内屏蔽板和外反射器53之间。然而，应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，导向环77可以省去。

冷却屏蔽59一般包括一个冷却管101，所述冷却管101具有一盘管结构，冷却管的各管圈103与内屏蔽板55的主要部分73成间隔开的关系圈绕所述主要部分73。各管圈103联合限定一个一般是截锥形的构形，其中冷却管101的内径从最下面一管圈到最上面一管圈按照屏蔽板55主要部分73的斜度增加，以使各管圈和屏蔽极之间的间距沿着冷却管的高度一般是恒定的。然而，大致地限定冷却管101上面直径的最上面一管圈的内径，由于显而易见的原因，优选的是实质上小于屏蔽板55主要部分73顶部处的屏蔽板55的外径。

一个入口管105(见图1)连接到冷却管101上，与所述冷却管101成流体连通，用于使冷却流体如水流向冷却管的各管圈103。入口管105从各管圈103穿过内屏蔽板55的主要部分73中的槽107向上延伸，并连接到一个适配器环109上，上述适配器环109安装在外壳25上介于外壳的提拉室29和生长室27之间。适配器环109具有一个入口(未示出)，上述入口连接到一个冷却流体源(未示出)上，以便将冷却流体接收进入适配器环中，用于在适配器环内输送到入口管105。一个出口管111同样连接到冷却管101的各管圈103上，与上述各管圈103成流体连通，用于将冷却流体引出冷却管。出口管111的各管圈103穿过内屏蔽板55主要部分73中的另一个槽(未示出)向上延伸，上述另一个槽与槽107成间隔开的关系，入口管穿过上述槽107延伸并连接到适配器环109上，用于将冷却流体经过适配器环的一个出口(未示出)从外壳25排出。

在所示的实施例中，冷却管各管圈103包括向下盘绕的各管圈103a，所述向下盘绕的各管圈103a与入口管105成流体连通，用于使冷却流体从入口管向下流动穿过冷却管101。向上盘绕的各管圈103b在冷却管101的底部处例如通过合适的连接器115与向下盘绕的各管圈103a流体连通，用于从向下盘绕的各管圈接收冷却流体，并运送冷却流体回流穿过冷却管。向上盘绕的各管圈103b与向下盘绕的各管圈103a间充并与出口管111流体连通，用于从冷却管101排出冷却流体。所示实施例的冷却管101用钢制成。应该考虑到，冷却屏蔽59可以不用冷却管101来形成，如通过一个环形环(未示出)或其它在不脱离本发明范围情况下圈定全部或部分内屏蔽板55的压力通风结构(未示出)来形成。还应该考虑到，内屏蔽板55可以省去，以便将冷却屏蔽插在外反射器和晶锭之间，并在没有插入内屏蔽板情况下直接暴露于晶锭之下，这些都保持在本发明的范围之内。

隔热部分117用一种具有低热导率的材料制造，上述隔热部分117安装在内部室57中介子外反射器53和冷却屏蔽59的冷却管101之间，以便隔护冷却管的各管圈免受由外反射器辐射的热。

在将热屏蔽组件49安装在拉晶机23中的一种优选方法中，将提拉室29与生长室27分开，以便提供通向外壳内部的入口。用环形凸缘61将隔热部分117和外反射器53安放在外壳25中，上述环形凸缘61从安放在环形上支承环63上的反射器的顶部径向向外延伸，上述上支承环63设置在生长室27中。导向环77用凸缘79安放在外壳25中，凸缘79从安放在环形凸肩81上的导向环的顶部径向向外延伸，上述环形凸肩81形成在外反射器53的内边沿上。入口管105和出口管111连接到适配器环109上，使得入口管、出口管和冷却管101从适配器环悬伸出来。接着，将内屏蔽板55设置在入口管105和出口管107之间，使屏蔽板主要部分73中的各槽107分别于其中接受上述各管。然后将屏蔽板55向下放穿过冷却管101的中央开口51。因为冷却管101的上面直径小于内屏蔽板55主要部分73顶部的直径，所以屏蔽板的主要部分支靠在冷却管的最上面一管圈上，以便能把内屏蔽板和冷却屏蔽59作为一单个单元安装到拉晶机23中。

将适配器环安装在外壳上，使冷却屏蔽59悬挂在外壳上，由此将冷却屏蔽向下放到生长室27中，以便一般邻近隔热材料117设置冷却管101。如果内屏蔽板55在它下放到生长室27时接合到导向环77，则导向环使屏蔽板合适地定向，以便屏蔽板的圆筒形下面部分75处在环形支承突出部分71上方且一般与之轴向对准，上述环形支承突出部分71形成在外反射器53下部凸缘65的内周边沿处。随着屏蔽板55进一步下放到生长室27中，屏蔽板的下面部分75安放在环形支承突出部分71上，以便屏蔽板被外反射器53支承在外壳25中，并限定外反射器和屏蔽板之间的内部室57。冷却屏蔽59进一步下放到生长室中，直至适配器环109安放在外壳25上用于连接到外壳25上。在这个位置中，冷却管101与屏蔽板55和内部室57中的隔热部分117成间隔开的关系设置在内部室57中。然后将提拉室29安装在适配器环109上，并将适配器环连接到冷却流体源上。

在操作时，将多晶硅设置在坩埚31中，并通过坩埚加热器39所辐射的热熔化。使一个籽晶C与熔化的硅源材料M接触，并通过提拉机构缓慢提升来生长单晶锭I。随着在生长室27内向上提拉生长着的晶锭I，坩埚壁33被加热器39和被坩埚31中熔化的源材料M加热。来自坩埚壁33的热辐射到外反射器53上。内部室57中的隔热部分117阻止从外反射器53辐射的热量辐射到冷却管101和屏蔽板55上。冷却管101的各管圈103与隔热部分117间隔开进一步阻止热从隔热部分传到冷却管。随着晶锭I向上拉成与内屏蔽板55径向配准，从生长着的晶锭辐射的热穿过屏蔽板辐射到冷却管101。

冷却流体通过入口管105连续地向下流入向下盘绕的各管圈103a，以使得从生长着的晶锭I穿过屏蔽板55辐射的热传到各管圈中的冷却流体上，而不是通过屏蔽向后朝晶锭辐射或反射。冷却流体向下流到最下面一管圈到达连接器115，然后通过向上盘绕的各管圈103b返回向上流到出口管111，用于从冷却屏蔽59排出。

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。提供一个随着从熔化的硅向上提拉晶锭而包围生长着的晶锭I的冷却屏蔽59，阻止了从晶锭辐射的热被反射或辐射回到晶锭。这样，晶锭I被更迅速地冷却，结果，拉晶机23的拉速可以显著增加而不使生长着的晶锭变形。内屏蔽板55挡住冷却屏蔽59防止熔化的硅喷溅，并且还给冷却屏蔽提供某种保护以防止热屏蔽组件49偶然浸入熔化的硅中。然而，用一种基本上能透过由生长着的晶锭I辐射的热的材料制造内屏蔽55，使热可射向冷却屏蔽59，而不是将热反射或用别的办法辐射回到生长中的晶锭。

当介绍本发明的各元件或本发明的优选实施例时，冠词“一个”，“一种”，“该”，“上述”是用来意思是指有一个或多个元件。术语“包括”，“包含”和“具有”预定是包括在内，和意思是指除了所列举的元件之外还可以有一些另外的元件。

因为在不脱离本发明范围的情况下，在上述结构中可以进行各种改变，所以意图把上述说明中所包含的及各附图中所示出的所有东西都将看作是示例性的而没有限制的意义。

Claims (12)

1.一种供在拉晶机中使用的热屏蔽组件，上述拉晶机用于从熔化的半导体源材料生长单晶锭，拉晶机具有一个外壳、一个坩埚、一个加热器和一个提拉机构，上述坩埚包含在外壳中用于装熔化的半导体源材料，上述加热器与坩埚热连通用于将坩埚加热到一个足以熔化坩埚所装的半导体源材料的温度，上述提拉机构设置在坩埚上方用于从坩埚所装的熔化的源材料中提拉晶锭，上述热屏蔽组件设置在熔化的源材料上方并具有一个中央开口，上述中央开口的尺寸和形状加工成用于当从熔化的源材料提拉晶锭时围绕晶锭，上述热屏蔽包括：

一个外反射器，它在从熔化的源材料提拉晶锭时插在晶锭和坩埚之间；及

一个冷却屏蔽，它在从熔化的源材料提拉晶锭时插在晶锭和外反射器之间，该冷却屏蔽暴露于从晶锭辐射的热之下，用以增加晶锭冷却的速率，从而随着从熔化的源材料提拉晶锭而增加晶锭的轴向温度梯度，外反射器基本挡住冷却屏蔽免受坩埚所辐射的热。

2.如权利要求1所述的热屏蔽组件，其特征是，还包括一个内屏蔽板，在从熔化的源材料提拉晶锭时，上述内屏蔽板基本设置在冷却屏蔽和晶锭之间，内屏蔽板与冷却屏蔽成径向间隔开的关系，上述内屏蔽板用这样一种材料制成，随着从熔化的源材料提拉晶锭，上述材料基本上可透过来自晶锭的辐射热，以便使来自晶体的辐射热能穿过屏蔽板辐射到冷却屏蔽。

3.如权利要求2所述的热屏蔽组件，其特征是，还包括一个外反射器，所述外反射器插在冷却屏蔽和坩埚之间，其中内屏蔽板和外反射器的形状成形为在它们之间限定一个环形室，冷却屏蔽设置在上述环形室中。

4.如权利要求3所述的热屏蔽组件，其特征是，还包括隔热部分，所述隔热部分设置在环形室中介于外反射器和冷却管之间，以便隔离冷却屏蔽免受坩埚所辐射的热。

5.如权利要求2所述的热屏蔽组件，其特征是，内屏蔽板和冷却屏蔽制成用于相互组装，以便它们能作为一单个单元同时安装在拉晶机中和作为一单个单元同时从拉晶机中取出。

6.如权利要求5所述的热屏蔽组件，其特征是，内屏蔽板基本为锥形，冷却屏蔽具有一个上面直径，所述上面直径实质上小于内屏蔽板的上面直径，以便在拉晶机中安装冷却屏蔽和内屏蔽板时和在从拉晶机中取出冷却屏蔽和内屏蔽板时，使冷却屏蔽接合并支承内屏蔽板。

7.如权利要求6所述的热屏蔽组件，其特征是，冷却屏蔽是一种盘管式结构的冷却管，上述盘管式结构的冷却管具有若干管圈，冷却管的各管圈安排成使冷却管具有一个基本锥形的构形，最上面的一管圈限定冷却管的上面直径。

8.如权利要求2所述的热屏蔽组件，其特征是，还包括一个入口管和一个出口管，上述入口管与冷却屏蔽流体连通，且入口管与冷却流体源流体连通，用于将冷却流体引向冷却屏蔽，而上述出口管与冷却屏蔽流体连通，用于从冷却屏蔽排放冷却流体。

9.如权利要求8所述的热屏蔽组件，它与拉晶机结合在一起，上述拉晶机还包括一个安装在外壳上的适配器环，入口管和出口管都连接到上述适配器环上与其流体连通，上述适配器环与冷却流体源流体连通，用于接收冷却流体进入拉晶机中并适合于引导冷却流体流过入口管，上述适配器环还适合于接收来自出口管的冷却流体并从拉晶机中排出冷却流体。

10.如权利要求8所述的热屏蔽组件，其特征是，入口管从冷却屏蔽向上延伸穿过内屏蔽板用于与冷却流体源连通，出口管与入口管成间隔开的关系从冷却屏蔽向上延伸穿过内屏蔽板用于从拉晶机排放冷却流体。

11.如权利要求2所述的拉晶机，其特征是，内屏蔽板在约500-约2500纳米的波长范围内具有至少约为90％的透射率。

12.如权利要求11所述的拉晶机，其特征是，内屏蔽板用透明的熔结石英制造。

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