TW201040329A - A method and an apparatus for growing a silicon single crystal from a melt - Google Patents

Description

201040329 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種從熔體中生長矽單晶的方法和裝置。特定言 之，係關於一種生長矽單晶的方法，其係根據切克勞斯基 (Czochralskimethod)方法生長石夕單晶，同時在炫體上施加一水 平磁場，即所謂的HMCZ法。 【先前技術】 如專利EP0745706A1中揭示，已知在熔體上施加水平磁場會減 少坩堝中熔體的對流及SiO的溶解。因而，在熔體上施加水平磁 場是一種生產具有較低氧濃度的矽單晶的合宜手段。 還已知，可通過增加在矽單晶和熱遮蔽體之間流向一熔體自由 表面之惰性氣體的流動速度，來降低石夕單晶中的氧含量。增加的 氣體流動速率加快了從熔體中蒸發出來的SiO的運輸，因而在矽 單晶的生長中會摻入較少的氧。 JP 2004-196569A公開了一種HMCZ方法，其包含同時控制水平 磁場的軸向位置以及氣流強度，以便生產低氧矽單晶。但是，控 制水平磁場的軸向位置需要一複雜的控制系統。 【發明内容】 本發明之一目的在於提供一種適合於生產低氧矽單晶的方法， 該方法只需少量的手段來控制氧含量。 該目的係過一種從熔體中生長矽單晶的方法來實現，包含： 在一坩堝中提供該熔體； 在該溶體上施加一水平磁場，該磁場在場中心C具有一磁感 201040329 應B ; 將氣體在該矽單晶與一熱遮蔽體之間導向一熔體自由表 面；以及 控制該氣體流過該熔體自由表面之一區域，該居裕係於一實 質上垂直於該磁感應B的方向上延伸。 該目的係進一步藉由一種從溶體中生長石夕單晶的裝置來實現， 包含： ^ 一用於承載熔體的坩堝， 一磁系統’用於在該㈣上施加—水平磁場，該磁場在場中 心C具有一磁感應b， 一圍繞該矽單晶的熱遮蔽體，該熱遮蔽體具有一連接至一面 對-炼體自由表面之底蓋的下端，且相對於掛瑪之十心轴Μ具 有-非軸對稱形狀’從而使得在_單晶和該熱遮蔽體之間導向 該熔體自由表面的氣體受該驅使而流過該溶體自由表面之一區 域，該該區域係於-實質上垂直於磁感應Β的方向進行延伸。 Q 【實施方式】 通過採用本發明，可以在至少大於50%、較佳至少大於7〇%、 尤佳大於至少80%的料晶圓柱部分長度上，生m農度小於5 xlO7個原子/cm3 (根據新ASTM)的矽單晶。 施加在溶體上的水平磁場抑制了溶體内的熱對流，主要是抑制 平行於磁感應⑻方向之㈣料的熱對流。根據本發明，係使 導向溶體自由表面的氣體流過炫體自由表面之一區域，在該區域 内炼體中训的蒸發係有所增強的，因為該方向上的熱對流沒有 5 201040329 =水平磁％所抑制。控制該氣體流過溶體自由表面之該區域係提 问了 SiO的移除’且明顯降低了溶體和石夕單晶中的氧漠度。 方面本發明還提供了一種降低惰性氣體消耗的技術方 案^亥W生氣體係用來控制大直徑石夕單曰曰曰（如直徑则冑米，彻 只^者更大）中的氧濃度。通常來說，獲致所生長之石夕單晶中 的目‘氧含2：所需的惰性氣體流速係取決於單晶的直徑。例如， =目車乂於在直控200毫米的單晶中保持相同氧濃度所需的惰性氣體 左，在直匕300毫米的矽單晶中保持一特定氧濃度需要更高的 f月性氣體"IL速。若採用傳統方法抽拉直徑超過獅毫米的石夕單晶， 則由於技㈣因（如系或者真空系統之不足），則提供所需的氣流 將越顯困難。但是，採用本發明之方法，可以避免這些困難，因 =與採用傳統方法獲得相同氧含量所需的惰性氣體流速相比，獲 得石夕單晶中·'特定氧目標濃度所需的惰性氣體流速較低。 ，水平磁％通常係藉m统產生’該磁系統包括圍繞掛堝對 稱叹置的（相對於㈣之中心軸M)的奸線圈。本發明所定義 昜中C係將線圈分為二半的水平面與掛堝之中心轴Μ的相交 點°磁感應Β表示場令心C處之水平磁場的磁感應。 的第1圖為-顯示適於根據HMCZ方法及本發明之特徵來生長石夕 單晶之爐的典型特徵的示意性剖面圖。 一承載熔體2的坩堝1係安置在殼體3内，並且置於一提升軸4 上。通過抽拉機構16同時向㈣施加—水平磁場，以從溶體中抽 拉單晶5。提供-圍繞單晶的熱遮蔽體6’以保護晶體免受來自設 置于_ 1周_側加熱器7產生的鋪射。根據較佳的實施方 201040329 案，另一加熱器18係設置在坩堝的下方。以一通過氣體入口進入 殼體、再通過多個氣體排放開口 17流出殼體之氣體，穩定地清洗 殼體。該氣體係在單晶與熱遮蔽體之間被導向一熔體自由表面8， 並進一步由熱遮蔽體和坩堝壁之間的熔體自由表面流至氣體排放 開口 Π。該氣體較佳以相對於中心軸M非軸對稱的方式在單晶與 熱遮蔽體之間導向炫體自由表面。磁場係藉由圍繞坩堝對稱佈置 的線圈9產生❶水平磁場的場中心c為將線圈分為二半的水平面 0 與坩堝中心軸厘的相交點。場中心的磁感應由磁感應B表示。根 據本發明，熱遮蔽體6包含一底蓋10，底蓋1〇係連接（如通過螺 釘固定）至熱遮蔽體下端，並且面對熔體自由表面8 ^底蓋相對於 坩堝中心軸Μ是非軸對稱的，並且用作控制氣體流過一於一實質 上垂直於磁感應Β之方向上延伸之熔體自由表面之一區域的工 具’即用作控制氣體以與中非軸對稱的方式流過、熔體自由 表面的工具。根據本發明之一較佳實施方案，熱遮蔽體係連接到 支撑體上’ ^實現熱遮蔽體的旋肖。通過旋轉熱遮蔽體和連接在 〇 其上的底蓋，能更精確地㈣氣體流過熔體自由表面之該區域。 將熱遮蔽體旋轉到左（右）邊，將使氣體流到該區域之左（右） 邊。而且氣體排放開口 17較佳按照與掛蜗之中心軸Μ非轴對稱的 方式佈置，從而提高氣體流過該於實質上Μ於«應Β之方向 上延伸之熔體自由表面的區域。 ^ 2圖係顯不出—根據本發明之較佳實施態樣的底蓋。底蓋包 括％ 4分1卜邊緣部份U㈣部部分u。邊緣部份可以為平的、 、或凹φ所述核具有足夠大的内直徑，使得石夕單晶能夠抽拉 H邊緣。(^分從環水平延伸，且頸部部分係與邊緣部分的外邊 201040329 緣相連，並且沿垂直於熔體的方向延伸。 本發明的效果可進-步參照第3圖及第4圖進行解釋，其 圖為第4 _剖面圖，並且表示以平行於磁感應b时向穿 晶的轴向㈣。主要顯示單晶5、_卜㈣2以及底蓋10。箭 頭Sl ^炫體對流的方向。箭頭“Ar”表示氣體（舉例言之’ 如氬氣之惰性氣體）流動的方向，該氣體最初係在熱遮蔽體 不出）與單晶之間導向熔體自由表面8。 底蓋H)為非㈣卿狀，從而使在單晶與㈣㈣之間導向炼 體自由表面的氣體係流祕體自由表面之—區域，該區域係 質上垂直於磁感應B的方向上延伸。在該區域内，⑽的奸率 提高，這是由於㈣中熱對流“Si”受水平磁場的影響較小:而 且在此區域内“Ar”氣流能容易地除去從熔體中蒸發的Sl0。 該區域較佳係在熔體自由表面之—部分上延伸，該部分且有一 中心角Μ角係不小於45。且不大於135。，該部分之中心軸，係 以垂直於磁感應Β的方向取向，或者由於_旋轉的影響，以偏 離该垂直取向至多-30。或30。的方向取向。 =广頸部部分13、熔體自由表面8和”晶5形成通 ^的邊界，該通道㈣氣體沿著頸部部分的_流向頸部部分 :開口 15。底蓋係設置為使得離開開口的氣體流_由表面 :一區域’該區域係於-實質上垂直於磁感應β的方向上延伸。 緣部分12和頸部部分13的形狀較佳為橫向延伸至磁感應Β。 這使在《表砂邊緣部分之間流㈣氣流速度加快，並且進一 步提向從熔體中除去Si〇的速度。 201040329 第5至8圖係顯示根據本發明較佳實施態樣之邊緣部分的形 狀。該邊緣部分的形狀可以是長方形（第5圖）或者橢圓形（第7 圖）’或者可以是具有圓整末端的長方形（第6圖）或具有橢圓形 拓寬末端的長方形（第8圖）。在邊緣部分橫向增大至磁感❹的 情況下’邊緣部分的長度L和寬度w的比率L/w滿足公式： 1.1<L/W<3.0。長度L和寬度w係在環部分u的中心相交。

底蓋較佳的設計為：使得底蓋對石夕單晶生長介面處轴向溫度梯 度的影響盡可能小，並減小由於吸收來自熔體的熱輻射而導致的 能量消耗。基於上述理由，底蓋的形狀較佳設計為例如實質上不 於磁感應B的方向上延伸。製備底蓋的較佳材料為石墨。 第9圖及第1()圖表示在沒有顯示晶體和熱遮蔽體情況下的石夕溶 體自由表面的上視圖。如說明，該部分的中心軸d係以垂直於磁 感應B的方向取向，或者偏離所述垂直取向—至多㈣。的角 來取向。β的數值係取決於㈣旋轉方向，即取決 ^ 1〇圖）或者逆時針（第9圖）旋轉。 “第 【圖式簡單說明】 單曰之爐_ _方法及本發明之特徵來生長石 早曰曰之爐的典型特徵的示意性剖面圖； 第圖係顯不出一根據本發明之較佳實施態樣的底蓋’♦ 二及一 切割’· 表不以平行於磁感應㈣方向穿過單晶的勒向 第5至8 圖係顯示根據本發明較佳 實施態樣之邊緣部分的形 9 201040329 狀；以及 第9圖及第10圖表示在沒有顯示晶體和熱遮蔽體情況下的矽熔 體自由表面的上視圖。 【主要元件符號說明】 1 甜鋼 2 熔體 3 殼體 4 提升軸 5 單晶 6 熱遮蔽體 7 側加熱器 8 熔體自由表面 9 線圈 10 底蓋 11 環部分 12 邊緣部分 13 頸部部分 14 通道 15 開口 16 抽拉機構 17 氣體排放開口 18 加熱器 B 磁感應 C 場中心 D，M 中心軸 L 長度 W 寬度 α，β 角度 10

Claims (1)

1. 201040329 七、申請專利範圍： 1. 一種從熔體中生長矽單晶的方法，包括： 在一坩堝中提供該熔體； 在該炫體上施加-水平磁場，該磁場在場中心c具有一 磁感應B ; 將氣體在該石夕單晶與一熱遮蔽體之間導向一溶體 自由表 面；以及 控制該氣體流過該㈣自由表面之-區域，該區域係於 實質上垂直於該磁感應B的方向上延伸。 2.如請求項1所述之方法，其中該區域形成祕體自由表面之 -部份’該部分具有—不小於45。且不大於135。的中心角α， 且該部分包括-中心軸D，該中心轴〇係以垂直於該磁感應 Β的方向取向’或以偏離垂直線至多⑽。或+3()。的方向取向。 3·如請求項U 2所述之方法，其包括藉由旋轉該熱遮蔽體來 控制該氣體流過該熔體自由表面之該區域。 〇 4.如請求項！或2所述之方法，其包括從掛财以—實質上垂 直於該磁感應B的方向排出該氣體。 5. 一種從熔體中生長矽單晶的裝置，包括 一坩堝，用於承載熔體； 一磁系統’祕在祕體上施加—水平磁場，該磁場在 場中心C具有一磁感應B; 一圍繞該矽單晶的熱遮蔽體，該熱遮蔽體具有一連接至 一面對-炫體自由表面之底蓋的下端，且相對於料之中心 轴Μ具有-非軸對稱形狀，從而使得在該石夕單晶和該熱遮蔽 201040329 體之間導㈣㈣自由表面的氣體受該底蓋驅使而流過該熔 體自由表面之-區域，該區域係於一實質上垂直於該磁感應b 的方向上延伸。 θ求項5所述之裝置，其中該區域形成該溶體自由表面之 一部份’該部分具有-不小於45。且不大於丨35。之中心角α, 且該部分包括-中心軸D，該中心Μ係以垂直於該磁感應 Β的方向取向’或者以偏離垂直線至多嘗或+3g。的方向取 向。 7·:請求項5所述之裝置，其中該底蓋包含—環部，該環部被 、-邊緣部及—頸部圍繞’該邊緣部與該頸部形成—通道該 通道具有-祕將該氣體導向魏體自由表面之該區域的開 D 〇 8·如請求項7所述之裝置，其中該邊緣部係橫向延伸至該磁感 應B，且該邊緣部具有一長方形或橢圓形的形狀，或者具有 一具經圓化末端或經橢圓形拓寬末端的矩形形狀。 9.如請求項7或8所述之裝置，其中該邊緣部具有一在環中心 1〇相交的長L和寬W，長寬比L/M滿足下式：l.l<L/W<3.〇。 .如凊求項5或ό所述之裝置，其包括氣體排放開口，其係以 相對於該_之中心軸Μ非軸對稱的方式設置，從而促進該 氣體流過該實質上莖直於該磁感應Β延伸之該炼體自由表面 之該區域。 12