CN85100591A - 非线性磁场中单晶硅拉制方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种在磁场中拉制单晶的方法和单晶炉，该单晶炉的螺旋管分成内径大小不同的两组，螺旋管的衔铁做成炉壁的形状，同时作为整个炉体的炉壁，并与炉体的上下端盖和磁环形成全封闭结构，螺旋管由升降器支撑，可以相对坩埚做上下运动，拉晶时，坩埚位于由螺旋管所产生磁场的上端或下端具有喇叭形状的非线性区域，以获得对熔硅热对流的尽可能大的抑制效果，全封闭结构的炉壁兼作衔铁，使得用较小的直流功率源获得较大的磁场强度成为可能。
Description
本发明属于在磁场中拉制单晶硅的方法及所用装置。与本发明有关的国际专利分类号为C30B15/00，C30B13/00，B01D9/00，H01L21/02，E01F41/28。
本说明书共有附图11个。图1表示直接硅单晶中的杂质条纹的图2表示在制造硅时因材料中的微缺陷而产生的旋涡纹。图3表示硅片中氧含量与磁场强度的关系。图4表示加磁场后硅单晶均匀性得到改善的情况。图5是由空心马鞍形线圈构成的横向磁场单晶炉原理图，图中1为炉主体，2为电磁铁，3为直流功率源。图6是由铁心加衔铁构成的横向磁场单晶炉原理图，图中1为Ar进口，2为硅单晶，3为保温罩，4为磁极，5为熔硅。
图7是由两组固定的空心线圈组成的垂直磁场单晶炉原理图，图中1为炉体，2为线圈，3为直流功率源。
图8是由一组固定空心螺旋管组成的垂直磁场单晶炉原理图，图中1为晶体，2为螺旋管，3为加热器，4为坩埚，5为熔硅。
图9为坩埚中熔硅热对流的示意图。
图10为在非线性磁场中拉制单晶硅的方法示意图，图中1为熔硅，2为坩埚，3为磁力线，4为晶锭，5为坩埚在磁场上端，6为坩埚在磁场下端。
图11为外壁全封闭的螺旋管位置可调的磁场单晶炉原理图，图中1、2为液压传动器，3为磁环，4、5为螺旋管，6为冷却器，7为冷却水出口，8为冷却水入口，9、10、11为用于不同目的的观察口，12为保温罩，13为加热体，14为埚托，15为熔硅，16为坩埚，17为内炉壁，18为炉体上端盖，19为炉体下端盖，20为衔铁。
在微电子工业中应用的硅晶体，自从三十年前开创其生产技术以来，它的基本生产过程便没有发生明显的改变。然而，近几年来，以集成电路为代表的微电子技术的迅速发展，对用于制造集成电路和其他半导体器件的硅晶体提出了越来越高的要求。晶体生长技术已成为工业应用研究的集中点，并已构成现代微电子工业的主要支柱之一。
在用直接法生长硅晶体时，经常存在热对流（参见J.R.Corruthers.Semiconductor Silicon，1977.P61）这种对流或是自由的或是被迫的。自由对流使凝固速率的变化难以控制（参见A.F.Witt.et al.，J.Electroch.Soc.，Vol.122，No.2）
从而造成晶体-熔体界面附近扩散边界层厚度的不均匀分布，这些变化导致晶体的周期性无序以及微观和宏观的不均匀性;对流的非均匀性，导致在熔硅中产生温度振荡，振荡幅度随温度梯度的增加而增大。这些温度变化与由于晶体中的杂质浓度分布不均匀而形成的条纹间距相关，如图1所示。由于温度不稳定性的存在，在晶体-熔体界面处导改局部生长和回熔。这种生长、凝固和回熔现象，同晶体中微缺陷的形成有关，图2表示在制造SI时因材料的微缺陷而产生的旋涡纹。尤其是在硅中间隙氧的浓度和分布是造成层错、位错环和沉淀物等热诱生缺陷的原因。因此，欲提高半导体器件的质量和成品率，需要对氧的浓度和分布进行精确控制。
适当的应用磁场能够获得对热对流的有效监控，并使氧的浓度和分布趋于稳定。
1953年Thompson对导电流体与磁场间的相互作用，从理论上做了分析〔参见W.B.Thompson Phil.Mag.，Ser.7，Vol.42，No.335（1951）〕得出的结论认为，利用磁场来增加导电熔体有效运动的粘滞性，可方便地控制自由对流的强度。根据楞次定律：当导体切割磁力线运动时，在导体中产生感生电流，感生电流的磁场反抗导体的运动。同样的原理可应用于磁场中硅熔体的对流运动。
磁场既可以改变硅熔体的对流作用，也就间接地控制了石英的熔解速率和在界面的输运，据报导用磁场单晶炉能获得2×1017/厘米3低氧浓度的晶体，可消除旋涡缺陷，层错，氧化物沉淀以及产生热施主等有关现象，从而可明显提高材料的均匀性（参见岗村 茂，公开特许公报（A）昭58-190891（1983），伊泽伸幸，公开特许公报（A）昭56-104721（1981），T.Suzuki，et.al.，UK Patont，Aplication GB 21029267A（1983）and 2059932（A））
图3是用横向磁场拉制的CZ硅单晶中氧含量的变化规律。图4是加磁场后硅单晶中均匀性改善的微观结构实例之一（参见T.Suzuki，et.al.，Semiconductor Silicon（1981）从中可见加磁场后单晶中的氧含量趋于稳定，材料的均匀性得到改善。
当前在将磁场用于拉制CZ硅单晶时，主要采取两种方式，一种方式是用横向磁场，如图5和图6所示为横向磁场单晶炉的示意原理图。但横向磁场对加热体的影响较严重。另一种方式是用垂直磁场拉制CZ硅单晶，所用设备如图7和图8所示（参见Georgy Fiegl，Solid State Technolagy，Vol.26，No.8（1983）P.121，and Keigo Hoshikawa，Jap.J.Appl.Phys.，Vol.21，9，L545-547（1982）或中译本：张秀军译，半导体杂志，1983，5，P52）。这种垂直磁场单晶炉，虽然解决了横向磁场对加热体的影响，但却对温度起伏的控制能力减弱了。这是由于垂直磁场对图9中的A部分的对流之抑制作用比B部分大，此外，这类垂直磁场的形成，都是用无铁芯和衔铁的空心线圈来产生，因此需要很大的功率源（一般在60-70KW）才能产生足够的磁场强度，造成很大的能源消耗。
为了克服横向磁场和垂直磁场单晶炉的缺点和不足，本发明应用螺旋管所产生磁场的非线性区域来拉制单晶硅，以获得磁场对熔硅热对流的尽可能大的抑制效果，同时设计了一种使该方法得以实现的单晶炉。
本发明的要点在于利用具有不同内经的螺旋管组来产生磁场，该磁场的上端和下端的磁力线分别具有向外张开的喇叭口形状，如图10所示。在拉制单晶时，调整螺旋管与坩埚的相对位置，使坩埚处于磁场上端或下端喇叭口形的非线性区域。在该区域，磁力线方向与熔硅热对流的运动轨迹接近于正交，从而可以获得对熔硅热对流尽可能大的抑制效果。
为使该方法得以实现，本发明设计了一种外壁全封闭螺旋管位置可调的磁场单晶炉，该单晶炉是由三个液压传动器，磁环，螺旋管衔接，炉体上下端盖，坩埚，保温罩，加热体和埚托等部件组成，螺旋管共有11组，上端的5组具有较大的内径，其内径为380毫米，下端的6组具有较小的内径，其内径为350毫米，11组螺旋管的每组之间由水冷器相隔，螺旋管组由磁环驭载，磁环由三个同步的液压传动器支撑，在拉晶时可以由液压传动器调整螺旋管组与坩埚相对位置，使坩埚处于螺旋管所产生磁场的非线性区域，从而有效的抑制熔硅的热对流。本单晶炉的另一个特点是作为螺旋管的衔铁被做成炉壁的形状，同时作为整个炉体的外炉壁，炉体的上下端盖亦是用铁磁材料制成，它与炉壁和磁环构成封闭的磁回路，以最大限度的增加磁场强度和减小漏磁通，在炉体上端，设有三个观察孔，以便于在引晶放肩时的观察操作和等径生长过程的控制，同时观察孔9又是装填原料和装卸炉内设备如加热体保温系统等的炉门，使得操作方便。
由于螺旋管加了衔铁，且炉体做成全封闭结构，因此仅用10KW的直流功率源就可以产生1500-2000高斯的磁场。本发明通过调节螺旋管与坩埚的相对位置来选择拉晶的最佳条件，从而较好地控制氧向单晶中引入，降低拉晶过程中热对流造成的温度起伏。为制造出完整性更高的硅晶体，创造了条件。同时由于炉体结构上的合理设计，可以大大的节省能源，降低生产成本，从而获得较大的经济上的好处。
Claims (10)
1、一种在磁场中拉制单晶硅的方法。其特征在于所说磁场的上端[5]和下端[6]是呈向外张开的喇叭口形状，装有溶硅的坩埚[2]是放置于磁场的喇叭口处。
2、权力要求1所说的方法。其特征在于所说的坩埚〔2〕是放置在磁场下端〔6〕的喇叭口处。
3、权力要求1.2所说的方法，其特征在于所说的坩埚〔2〕在磁场中的位置是上下调整的。
4、一种用于权力要求3所述的拉制单晶方法的单晶炉，它是由升降系统〔1、2〕，磁环〔3〕，螺旋管组〔4、5〕，冷却器〔6〕，观察孔〔9、10、11〕，保温罩〔12〕，加热体〔13〕，埚托〔14〕，坩埚〔16〕，内炉壁〔17〕，上端盖〔18〕，下端盖〔19〕，衔铁〔20〕所组成。其特征在于所说的螺旋管组〔4〕和螺旋管组〔5〕具有不同的内径。
5、权力要求4所述的单晶炉。其特征在于所说的螺旋管组〔4〕和螺旋管组〔5〕是放置在磁环〔3〕之上，磁环〔3〕是由升降系统〔1、2〕所支撑。
6、权力要求5所说的单晶炉。其特征在于螺旋管组〔4、5〕的衔铁〔20〕是做成炉壁的形状，将螺旋管组〔4、5〕罩在其中。作为炉壁的衔铁〔20〕与上端盖〔18〕，下端盖〔19〕和磁环〔3〕一起构成封闭的磁回路。
7、权力要求6所说的单晶炉，其特征在于螺旋管组〔4〕或〔5〕是由分立绕组形成，每个绕组之间是由冷却器〔6〕相隔。
8、权力要求4、5所述的单晶炉，其特征在于所说的升降系统是由三个同步的液压传动器组成。
9、权力要求4、7所说的单晶炉，其特征在于所说的冷却器是水冷器。
10、权力要求4、6所说的单晶炉，其特征在于同时作为外炉壁的衔铁〔20〕上开有用于观测的观察孔〔11〕，内炉壁〔17〕上开有观察孔〔9，10〕。
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