TW201538814A - 用於生產矽的單晶體的設備和方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於生產矽的單晶體的設備和方法。該設備包括一板，該板具有一具有外邊緣和內邊緣的頂側、一鄰接內邊緣的中央開口和一從中央開口延伸到板的底側下面的管；一用於計量至板的頂側上的顆粒狀矽的裝置；一第一感應加熱線圈，其係設置在板的上方並且提供來用於熔化沉積的顆粒狀矽；一第二感應加熱線圈，其係設置在板的下面並且提供來用於穩定矽的熔體，在生長中的矽的單晶體時出現熔體。該設備的特徵在於，板的頂側是由陶瓷材料構成的並且具有隆起，相鄰的隆起的中間部之間在徑向方向上的距離不小於2毫米(mm)並且不大於15毫米。

Description

用於生產矽的單晶體的設備和方法
本發明提供了一種用於生產矽的單晶體的設備和方法，利用其可以加工作為原材料的顆粒狀矽以產生單晶體。該設備包括具有中央開口及從中央開口指向下的管的板、用於計量至板上的顆粒狀矽的裝置、設置在板上方的第一感應加熱線圈(induction heating coil)和設置在板下面的第二感應加熱線圈。
US2003145781 A1和US2011185963 A1描述了具有其描述特徵的設備，以及使用這種設備來生產單晶體的方法。首先，使管的下端靠近固態的矽，並且藉助於第二感應加熱線圈加熱該管，以便在封閉的管的下端形成液態矽。隨後，使單晶的種晶(seed crystal)與液態矽接觸，轉動並降下，並且同時進一步從管的下端熔化矽。當降下種晶時，液態矽在種晶上結晶。在被稱為頸縮(necking)並且起到使結晶部分脫位移至其表面目的的階段之後，最後出現了生長中的單晶體。在生長中的晶體的頂端處，存在支持單晶體進一步生長的小體積的矽熔體。生長中的單晶體的熔體體積和直徑在進一步的階段不斷地增大直到已經達到目標直徑。此後，允許單晶體按大致圓柱形(cylindrical)方式生長，以便在稍後階段進一步處理 已圓柱形地生長的部分以給出半導體晶圓。在封閉管的下端的固態矽熔化之後，進一步提供了生長單晶體所需的液態矽。為此目的，於轉動該板時將顆粒狀矽沉積到板上並借助於第一感應加熱線圈來熔化。將液態矽從板的頂側傳送至板的中央開口處並且通過管到達在生長中的單晶體上的熔體處。
US2003145781 A1提出了將由石英(quartz)製成的器皿或者由矽製成的板用作該板，並且在該板的頂側上提供了隆起(elevation)，這形成了通道以便將用於熔化的矽的流動路徑延伸至中央開口。流動路徑的延伸被認為在固態矽到達生長中的單晶體之前促進了來源於顆粒狀矽的固態矽的完全熔化。如果沒有這種通道，則建議通過第一感應加熱線圈的作用在板的頂側上、在中央開口的部位中安設固態矽的障礙部。選擇該障礙部的高度，如此而使顆粒狀矽不能越過該障礙部，除非其已經被完全熔化。
本發明的發明人已經發現，由矽製成的板的頂側通過第一感應加熱線圈的作用被更改至如此程度，即，使用該板於生產進一步的單晶體並非選項，或者僅在大量重新調整之後才有可能。另外，業經發現，當使用由石英製成的板時，減損了液態矽從頂側的外邊緣的部位至頂側的內邊緣的傳送，甚至是當沒有延長流動路徑的通道時。
本發明的目的是使板能有簡單的重複使用性並且利於液態矽從板的頂側外邊緣至板的頂側內邊緣的傳送。
該目的藉由一種用於生產矽的單晶體的設備來實現，包括 一板，其具有一具有外邊緣和內邊緣的頂側、一鄰接內邊緣的中央開口和一從中央開口延伸到板的底側下面的管；一用於計量至板的頂側上的顆粒狀矽的裝置；一第一感應加熱線圈，其係設置在板的上方並且提供來用於熔化沉積的顆粒狀矽；一第二感應加熱線圈，其係設置在板的下面並且提供來用於穩定矽的熔體，該熔體在生長矽的單晶體時出現，其中板的頂側是由陶瓷材料構成的並且具有隆起，相鄰的隆起的中間部之間在徑向方向上的距離不小於2毫米並且不大於15毫米。
本發明還提供了一種用於生產矽的單晶體的方法，包括提供上述設備；於轉動所述板時將顆粒狀矽沉積到板的頂側、在頂側的外邊緣的部位中；熔化顆粒狀的矽，並且使熔融的矽經過隆起、通過板中的中央開口並且通過該管，直到成為在生長中的矽的單晶體上的一熔體。
板和管較佳製成單一件。板的頂側由陶瓷材料構成，陶瓷材料在接觸液態矽時是熱穩定的，並且最小程度以外來物質污染液態矽。板和管可以由塗布有陶瓷材料的基礎結構構成。板和管也可以完全由陶瓷材料構成。可用於基礎結構的材料是可塗布有陶瓷材料的高熱穩定性的抗斷裂(fracture-resistant)材料，例如，金屬和碳。特別佳的是由碳製成的基礎結構。陶瓷材料較佳是例如氧化鋁(Al2O3)、氮化硼(BN)、六硼化鑭(LaB6)、碳化矽(SiC)、氮化矽(Si3N4)、氧化釔(Y2O3)、氧化鋯(ZrO2)或者石 英(SiO2)。特別佳的是碳化矽。
因為隆起，所以板的頂側不是平坦的而是結構化的。隆起之間是凹部(valley)，較佳是閉合的凹部。閉合凹部是板的表面上完全被隆起包圍的區域。存在於凹部之一中的液態矽形成了由隆起圍住的池。這種隆起分佈在板的頂側的外邊緣與內邊緣之間。凹部可以具有例如環形(annular)、正方形(square)、矩形(rectangular)、螺旋形(spiral-shaped)或者菱形(rhombus-shaped)形狀的外形。較佳是，在板的外邊緣處的凹部與徑向地靠近板中的中央開口的凹部之間存在梯度。該梯度具有較佳不小於1°並且不大於15°、更佳不小於1°並且不大於5°的傾斜角度。因此，液態矽具有從板的外邊緣流向板中的中央開口的傾向。
發明人已經發現，隆起是合適的，以利於液態矽從板的頂側的外邊緣至板的頂側的內邊緣的傳送。如果沒有隆起，則減損了液態矽至中央開口的傳送。其原因是液態矽對陶瓷材料的中等可潤濕性(wettability)。在缺少隆起的板上，形成了緩慢移動的液態矽島，這僅少量地濕潤了板的頂側並且幾乎未顯示出任何流向中央開口的傾向。
根據本發明所提出的在板的頂側上有隆起的構造，導致在熔化沉積的顆粒狀矽的過程中在凹部中形成了液態矽池。隨著時間的推移，該池的體積增大，直到隆起不能再將液態矽保持在凹部中，並且池溢出。溢出的液態矽不會顯示出任何形成島的傾向並且最後流過隆起至板中的中央開口。在此過程中，溢出的液態矽結合並覆蓋板的頂側的一大區域。
凹部底與界定出凹部的隆起的最高點之間的高度差較佳不小於0.1毫米並且不大於5毫米，更佳不小於0.5毫米並且不大於3毫米。為了 使液態矽能在隆起上進行質量轉移，相鄰隆起的中間部之間在徑向方向上的距離不小於2毫米並且不大於15毫米，較佳不小於3毫米並且不大於6毫米。
本發明的設備具有可以省去冷卻裝置(cooling device)的額外優點；如果板由矽構成，則需要冷卻裝置以便冷卻該板。本發明的設備不需要任何這種冷卻裝置。
在本發明的特別佳的實施例中，當從上方觀察時，隆起和凹部形成了圍繞中央開口而同心(concentrically)設置的環。另外，隆起和凹部還可以出現在管的內表面上。
板的頂側的外邊緣可以被一壁所圍繞，並且由於該原因，該板可以被稱為盤(dish)。
1‧‧‧板
2‧‧‧頂側
3‧‧‧外邊緣
4‧‧‧內邊緣
5‧‧‧管
6‧‧‧底側
7‧‧‧第一感應加熱線圈
8‧‧‧第二感應加熱線圈
9‧‧‧熔體
10‧‧‧生長中的矽的單晶體
11‧‧‧顆粒狀矽
12‧‧‧計量裝置
13‧‧‧隆起
14‧‧‧凹部
B‧‧‧板1的頂側2上施加顆粒狀矽的部位
D‧‧‧相鄰隆起的中間部之間在徑向方向上的距離
以下參照附圖來闡明本發明。
第1圖顯示了用於生產矽的單晶體的本發明設備的特別佳實施例的剖視圖。
第2圖顯示了從上方觀察的具有相對於中央開口同心的環形的隆起和凹部的板。
根據第1圖的設備包括板1，該板1具有頂側2，該頂側2具有外邊緣3和內邊緣4。在板的中間是鄰接內邊緣的中央開口，和從中央開口延伸到板的底側6下面的管5。該設備更包括設置在板上方的第一感應加熱 線圈7和設置在板下面的第二感應加熱線圈8。第一感應加熱線圈7係用來熔化顆粒狀的矽，並且較低的感應加熱線圈8在生長中的矽的單晶體10時穩定現有矽的熔體9。借助於計量裝置12穿過第一感應加熱線圈7將顆粒狀的矽11施加到(例如，播散(scattering))到板的頂側。較佳按如此方式供應，即，其首先在靠近外邊緣的外部區域中與板的頂側接觸。
板的頂側由陶瓷材料(較佳是，碳化矽)構成並且具有界定出閉合的凹部14的隆起13。當從上方觀察時，隆起13和閉合的凹部14形成了環，所述環相對於中央開口而同心設置，並且從板的頂側的外邊緣延伸至內邊緣，且出現在管的內表面上。
第2圖顯示了從上方觀察的具有相對於中央開口同心的環形的隆起13和凹部14的板1。相鄰隆起的中間部之間在徑向方向上的距離D不小於2毫米並且不大於15毫米。板1的頂側2上施加顆粒狀矽的部位B具有例如由雙箭頭指示的徑向位置和寬度。
實施例和對比實施例：
為了生產矽的單晶體，提供兩種不同的設備。僅有的差別是，對於按非本發明方式生產，使用一種其頂側上沒有隆起的板的設備。對於按本發明方式生產，使用一種具有根據第2圖的板的本發明設備，該板具有出現在其頂側的同心的環形隆起。
業經發現，當使用具有平滑的非結構化表面的板時，由於形成了緩慢移動的液態矽的島而顯著減損了液態矽的質量轉移。當使用本發明的設備時不會出現該缺點。
1‧‧‧板
2‧‧‧頂側
3‧‧‧外邊緣
4‧‧‧內邊緣
5‧‧‧管
6‧‧‧底側
7‧‧‧第一感應加熱線圈
8‧‧‧第二感應加熱線圈
9‧‧‧熔體
10‧‧‧生長中的矽的單晶體
11‧‧‧顆粒狀矽
12‧‧‧計量裝置
13‧‧‧隆起
14‧‧‧凹部

Claims (5)

  1. 一種用於生產矽的單晶體的設備，包括一板，其具有一具有外邊緣和內邊緣的頂側、一鄰接該內邊緣的中央開口、和一從該中央開口延伸到該板的底側下面的管；一用於計量至該板的頂側上的顆粒狀矽的裝置；一第一感應加熱線圈(induction heating coil)，其係設置在該板的上方並且提供來用於熔化沉積的顆粒狀矽；一第二感應加熱線圈，其係設置在該板的下面並且提供來用於穩定矽的熔體，該熔體在生長矽的單晶體時出現，其中該板的頂側是由陶瓷材料構成的並且具有隆起(elevation)，相鄰隆起的中間部之間在徑向方向上的距離不小於2毫米(mm)並且不大於15毫米。
  2. 如請求項1所述的設備，其中該陶瓷材料從一群組中選擇，該群組包括氧化鋁(alumina)、氮化硼(boron nitride)、六硼化鑭(lanthanum hexaboride)、碳化矽(silicon carbide)、氮化矽(silicon nitride)、氧化鉭(tantalum oxide)、氧化釔(yttria)、氧化鋯(zirconia)和石英(quartz)。
  3. 如請求項1或2所述的設備，其中該隆起係圍繞該中央開口而同心(concentrically)設置。
  4. 如請求項1或2所述的設備，其中該板的頂側的外邊緣係被一壁所圍繞。
  5. 一種用於生產矽的單晶體的方法，包括提供如請求項1到4中任一項所述的設備；於轉動該板時將顆粒狀的矽沉積到該板的頂側、在該頂側的外邊緣的部位中； 熔化該顆粒狀的矽，並且使熔融的矽經過該隆起、通過該板中的中央開口並且通過該管，直到成為在生長中的矽的單晶體上的一熔體。
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