TW201326474A - 單晶的製造方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

一種藉由浮區法生產單晶的方法和裝置，其中該單晶在感應加熱線圈的幫助下，在熔化區下方於結晶邊界結晶，並且藉由圍繞該單晶的反射器來阻礙結晶熱的散發，其中係藉由於第一區中的加熱裝置於結晶邊界的外邊緣區域加熱單晶，其中結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta與結晶邊界的中心Z之間的距離△係受到影響。

Description

單晶的製造方法及裝置
本發明關於藉由浮區法製造單晶體的方法以及適於採用該方法的設備。
浮區法(floating zone method)在工業規模上特別用來製造由矽組成的單晶。為此，多晶矽藉由感應方式被熔化並且在單晶晶種上結晶。多晶矽通常以供料棒的形式提供，該供料棒從其下端開始通過感應線圈被逐漸熔化，其中由熔化的矽組成的熔化區係用於單晶的生長。這種方法以下稱為FZ法。
FZ法的一個改型方法(以下稱為GFZ法)係採用多晶顆粒矽代替供料棒。儘管FZ法係採用一個感應加熱線圈使得供料棒熔化並使得單晶受控結晶，但是GFZ法係採用兩個感應加熱線圈。多晶顆粒在一板上藉由第一感應加熱線圈熔化並且隨後穿過該板的中心孔流至正在生長的單晶並形成熔化區。單晶的結晶係藉由第二感應加熱線圈控制，其中第二感應加熱線圈係設置在第一感應加熱線圈下方。有關GFZ法的其它詳細內容記載於例如專利公開文獻US2011/0095018中。
專利公開文獻DE3007377A1描述了FZ法和適用於實施該方法的設備，其中該專利公開文獻致力於防止熱應力產生的問題。為了解決該問題，該專利公開文獻提出藉由圍繞單晶的反射保護罩的熱輻射重新加熱單晶。A.Muiznieks等人的公開文獻(Journal of Crystal Growth 230(2001),305-313)證實了保護罩(文獻中被稱為 反射器)用於減小熱應力的功效。模擬計算也顯示熱應力在結晶邊界的中心為最高並且熱應力的影響隨單晶的直徑而增加。另外，顯示的是熱應力(尤其在結晶邊界中心處)越高，結晶邊界向單晶彎曲的程度就越大，並且這種彎曲隨單晶的結晶速度而增加。
因此，需要一些措施來用於在不必限制結晶速度的情況下防止結晶邊界的彎曲以及適於在不損失生產率的情況下避免熱應力和後續之錯位形成的風險。
因為圍繞單晶的反射器阻礙經由單晶側面的熱傳遞，更少的熱量必須經由感應加熱線圈被供應至熔化區，以便確保晶體生長所需的熔化區的高度。這是與反射器的使用有關的另一優點。
隨著單晶的直徑增大和結晶速度增加，結晶邊界的彎曲增加。這加劇了熱應力導致的問題。反射器的使用不再足以作為一種應對措施。
因此，本發明的目的是以更有利的方式抵消結晶邊界的彎曲以及由熱應力造成的單晶的負荷。
該目的以一種藉由浮區法製造單晶的方法實現，其中該單晶在感應加熱線圈的幫助下，在一熔化區下方於結晶邊界結晶，並且藉由一圍繞該單晶的反射器來阻礙結晶熱的散發，其中係藉由一於第一區中的加熱裝置於該結晶邊界之一外邊緣區域加熱該單晶，其中該結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta與該結晶邊界中心Z之間的距離△係受到影響。
該目的同樣以一種藉由浮區法生產單晶的設備實現，該設備包含一圍繞該單晶的反射器以及一在該單晶的結晶邊界的外邊緣區域中加熱該單晶的加熱裝置。
本發明旨在追求的目標是從側部增加單晶上端區域中的溫度，藉此影響在單晶周邊的結晶邊界的軸向位置，準確地說，以此方式限制結晶邊界的彎曲，即限制結晶邊界中心與邊緣之間的垂直距離。
本發明不論所結晶的是矽還是其它半導體材料並且不論按照FZ法還是GFZ法進行結晶均可以應用。
根據本發明的一個較佳實施態樣，係藉由設置在生長的單晶體的上端周圍的輻射式加熱系統加熱該單晶。輻射式加熱系統可以發出如IR(紅外)射線或光學射線。尤佳採用鹵素輻射式加熱系統。
作為替代，為了替代輻射式加熱系統，還可以採用感應式加熱系統或電阻式加熱系統或一些其他加熱裝置，藉此，熱量可以傳入到結晶邊界的外邊緣區域中。
以下參照附圖對本發明進行更詳細的描述。
單晶1在該單晶與由熔化的材料組成的熔化區3之間的結晶邊界2處生長，並且在該過程中下降(圖1)。熔化的材料較佳來自於由多晶矽構成的供料棒或來自於由多晶矽構成的顆粒。熔化區3藉由射頻感應加熱線圈(RF感應器)4加熱。在單晶生長過程中 出現的結晶熱經過單晶傳導，並且尤其經由單晶的側面5發出。這種熱傳遞造成的後果是特別在結晶邊界2的區域中出現非均勻溫度場，其中這種非均勻溫度場是結晶邊界2朝向單晶彎曲(Durchbiegung)的原因。結晶邊界的彎曲(程度)定義為在結晶邊界的外邊緣的外三相點Ta與結晶邊界2的中心Z之間的軸向距離△。
藉由圍繞單晶的反射器8，尤其結晶邊界2的中心Z在幾何軸線A上的位置受到影響，其中該反射器反射由單晶1發出的熱輻射。
本發明還設置成藉由加熱裝置6在結晶邊界的外邊緣的區域中加熱單晶，並以此影響結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta與結晶邊界2的中心Z之間的距離△(圖2)。
加熱裝置6係緊鄰單晶佈置，且單晶係藉由加熱裝置6直接加熱。
在加熱裝置6的幫助下，向單晶供應能量，該能量的電功率較佳不小於2千瓦(kW)且不大於12千瓦，尤佳為不小於4千瓦且不大於10千瓦。該範圍的上限是相對於直徑為150毫米的單晶而言。如果打算製造直徑更大的單晶，則該範圍的上限係以與直徑之比相對應的因數而提高。
單晶較佳藉由加熱裝置加熱，以使得結晶邊界的外邊緣的外三相點Ta與結晶邊界2的中心Z之間的距離△不大於距離△'的90%，尤其較佳為不大於距離△'的80%。距離△'是在除去加熱裝 置6時外三相點Ta與中心Z之間的距離。
較佳的是，以根據單晶的長度的方式控制加熱裝置6的電功率。為此，設置影響加熱裝置電功率的控制器7，例如設置一隨單晶長度增大而降低加熱裝置的電功率的控制器。
進一步較佳的是，調節感應加熱線圈的電功率，如果合適，並附加地調節在過程中單晶的降低速度，從而使得熔化區中的距離H的選定絕對值不變，例如藉由儘可能保持結晶邊界的外邊緣與射頻感應加熱線圈之間的距離l恆定而實現。熔化區中的距離H係對應於熔化區的上端處的內三相點Ti與結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta之間的距離。
單晶藉由加熱裝置6所加熱的區域係對應於第一區，其中該第一區沿單晶的縱向具有一長度L。從外三相點Ta出發、與單晶的幾何軸線A(縱向軸線)平行延伸的長度L不應長於距離△，並且較佳不應長於距離△/2。距離△是結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta與採用本發明時出現的結晶邊界的中心Z之間的距離。如果加熱裝置6還加熱了上述區域下方的區域，則儘管能夠以此減小熱應力，但彎曲將會增大。另外，以加熱裝置6過度阻礙來自單晶的熱量耗散對經濟的結晶速度是種障礙。出於同樣理由，較佳係限制反射器8的軸向長度。反射器的尺寸應設成反射器在第二區中阻礙結晶熱的散發，從而使得在該反射器影響的區域中，單晶內的徑向溫度分佈變得更均勻。第二區係與第一區相鄰。該第二區沿單晶的縱向具有一長度S，其中長度S和長度L之和較佳等於單晶的直徑D大小的0.5至1.5倍。反射器的朝向單晶體的內 壁的反射率較佳不小於80%。反射器8較佳完全由銀構成或者至少具有由銀構成的內壁。內壁較佳經過拋光。
加熱裝置6較佳直接設置在反射器8上方。然而，加熱裝置也可以集成到反射器8的上端中。如果情況並非如此，則加熱裝置6和反射器8可以佈置成它們藉由機械的方式彼此相連或分離。後者的結果是，可以有效限制反射器的熱傳導。加熱裝置6由具有高反射率的耐高溫材料製成，並且較佳設置為輻射式加熱系統。尤佳的是包括一個或多個鹵素燈輻射式加熱系統，尤其是，由一圈在結晶邊界的外邊緣的區域中圍繞單晶的鹵素燈環所形成的輻射加熱系統。
圖3所示的根據本發明的設備與圖2所示的設備的不同之處基本上在於附加的特徵、即圍繞單晶並且吸收熱輻射的本體9。該本體可以是被動式吸熱器或者主動式冷卻裝置。該本體在緊隨著第二區的第三區中有助於經由單晶的結晶熱散發。第三區具有長度W並且自距外三相點Ta一距離處起始，該距離至少為單晶直徑D的大小。第三區的長度W較佳不短於單晶的直徑的一半。本體9的反射率較佳不大於20%。該本體較佳通過絕熱橋連接至反射器8或者以不接觸該反射器的方式安裝。
1‧‧‧單晶
2‧‧‧結晶邊界
3‧‧‧熔化區
4‧‧‧射頻感應加熱線圈
5‧‧‧單晶之側面
6‧‧‧加熱裝置
7‧‧‧控制器
8‧‧‧反射器
9‧‧‧本體
A‧‧‧幾何軸線
D‧‧‧單晶之直徑
H‧‧‧熔化區中之距離
L‧‧‧第一區沿單晶之縱向的長度
l‧‧‧結晶邊界之外緣與射頻感應加熱線圈之間的距離
S‧‧‧第二區沿單晶之縱向的長度
W‧‧‧第三區的長度
Z‧‧‧結晶邊界2之中心
△‧‧‧外三相點Ta與中心Z之間的軸向距離
△'‧‧‧除去加熱裝置時外三相點Ta與中心Z之間的軸向距離
Ta‧‧‧外三相點
Ti‧‧‧內三相點
圖1是說明現有技術的剖視圖，並且該圖示出按照浮區法製造的單晶的縱向區段的一半。除該單晶外，該圖還示出用於控制該單晶結晶的感應加熱線圈以及圍繞該單晶的反射器，該反射器反射由單晶發出的熱輻射。
圖2是說明本發明的剖視圖。
圖3是說明本發明且示出附加較佳特徵的另一剖視圖。
1‧‧‧單晶
2‧‧‧結晶邊界
3‧‧‧熔化區
4‧‧‧射頻感應加熱線圈
5‧‧‧單晶之側面
6‧‧‧加熱裝置
7‧‧‧控制器
8‧‧‧反射器
A‧‧‧幾何軸線
D‧‧‧單晶之直徑
H‧‧‧熔化區中之距離
L‧‧‧第一區沿單晶之縱向的長度
l‧‧‧結晶邊界之外邊緣與射頻感應加熱線圈之間的距離
S‧‧‧第二區沿單晶之縱向的長度
Z‧‧‧結晶邊界2之中心
△‧‧‧外三相點Ta與中心Z之間的軸向距離
Ta‧‧‧外三相點
Ti‧‧‧內三相點

Claims (19)

  1. 一種藉由浮區法以製造單晶的方法，其中該單晶在一感應加熱線圈的幫助下，在一熔化區下方於結晶邊界結晶，並且藉由一圍繞該單晶的反射器來阻礙結晶熱的散發，其中係藉由一於第一區中的加熱裝置於該結晶邊界之一外邊緣區域加熱該單晶，其中該結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta與該結晶邊界的中心Z之間的距離△係受到影響。
  2. 如請求項1所述的方法，其中該單晶藉由該加熱裝置而加熱，以使得該結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta與該結晶邊界的中心Z之間的距離△不大於在除去該加熱裝置的情況下之該外三相點Ta與該中心Z之間存在的距離△'的90%。
  3. 如請求項1或2所述的方法，其中係調節該感應加熱線圈的電功率，以使得在該熔化區上端處的內三相點Ti與該結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta之間的熔化區中的距離H的選定絕對值不變。
  4. 如請求項1或2所述的方法，其中該單晶係藉由一作為加熱裝置的輻射式加熱系統而加熱。
  5. 如請求項1或2所述的方法，其中該單晶係藉由一作為加熱裝置的感應式加熱系統而加熱。
  6. 如請求項1或2所述的方法，其中該加熱裝置的電功率係根據該單晶的長度控制。
  7. 如請求項1或2所述的方法，其中電功率不小於2 kW的能量係藉由該加熱裝置而供給至該單晶。
  8. 如請求項1或2所述的方法，其中該單晶藉由該加熱裝置所 加熱的區域係沿該單晶的縱向自該外三相點Ta開始具有一長度L，且該長度L不大於該距離△。
  9. 如請求項1或2所述的方法，其中該反射器在一第二區中阻礙結晶熱的散發，該第二區與該第一區相鄰並且在該單晶的縱向上具有一長度S，其中該長度S與L之和等於該單晶的直徑D的0.5至1.5倍。
  10. 如請求項1或2所述的方法，其中一圍繞該單晶且吸收熱輻射的本體在一第三區中幫助結晶熱的散發，該第三區緊隨著該第二區並且自距該外三相點Ta一距離處開始，該距離至少具有該單晶的直徑的長度。
  11. 如請求項1或2所述的方法，其中該熔化區係藉由一由矽構成的多晶供料棒的連續熔化而形成。
  12. 如請求項1或2所述的方法，其中該熔化區係藉由多晶顆粒矽的連續熔化而形成。
  13. 一種藉由浮區法以製造單晶的設備，該設備包括一圍繞該單晶的反射器以及一在該單晶的結晶邊界的外邊緣區域內加熱該單晶的加熱裝置。
  14. 如請求項13所述的設備，其中該加熱裝置係一輻射式加熱系統。
  15. 如請求項13所述的設備，其中該加熱裝置係一感應式加熱系統。
  16. 如請求項13至15中任一項所述的設備，其中該加熱裝置係在該反射器中集成。
  17. 如請求項13至15中任一項所述的設備，其中該加熱裝置的 尺寸係設置成使得該單晶由該加熱裝置所加熱的區域沿該單晶之縱向為一第一區，該第一區自該外三相點Ta具有一長度L，該長度L不大於一在該結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta與該結晶邊界的中心Z之間存在的距離△。
  18. 如請求項13至15中任一項所述的設備，其中該反射器在一第二區中阻礙經由該單晶的結晶熱散發，該第二區與該第一區相鄰並且沿該單晶的縱向具有一長度S，其中該長度S與L之和等於該單晶的直徑D的0.5至1.5倍。
  19. 如請求項13至15中任一項所述的設備，其中該設備還包括一圍繞該單晶並且吸收熱輻射的本體，該本體在一第三區中促進經由該單晶的結晶熱散發，該第三區緊隨著該第二區並且自距該外三相點Ta一距離處開始，該距離至少具有該單晶的直徑D長。
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