TW202104681A - 後段主體長度具有較小變形之錠之製備方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種藉由丘克拉斯基(Czochralski)方法生長具有減小之直徑偏差之一單晶矽錠之方法。

Description

後段主體長度具有較小變形之錠之製備方法
本發明之領域係關於一種使用丘克拉斯基方法生長一單晶矽錠之方法。
單晶矽(其係用於製造半導體電子組件之大多數程序之起始材料)通常藉由丘克拉斯基(「Cz」)方法製備。在此方法中，多晶矽(polycrystalline silicon) (「多晶矽(polysilicon)」)被裝填至一坩堝且熔化，使一晶種與熔化矽接觸，且藉由緩慢萃取而生長一單晶。在一頸部形成完成之後，藉由例如降低拉晶速率及/或熔體溫度而擴大晶體之直徑直至達到所要或目標直徑。接著藉由控制拉晶速率及熔體溫度同時補償降低之熔體液位而生長具有近似恆定直徑之圓柱形晶體主體。在生長程序接近結束但在坩堝耗盡熔化矽之前，晶體直徑通常逐漸減小以形成呈一端錐形式之一尾端。端錐通常藉由增加拉晶速率及供應至坩堝之熱而形成。當直徑變得足夠小時，晶體接著從熔體分離。
丘克拉斯基生長技術包含批量丘克拉斯基方法及連續丘克拉斯基方法。在批量CZ中，將一單一多晶裝料裝載至坩堝中，單一裝料足以生長一單晶矽錠，此後坩堝本質上耗盡矽熔體。在連續丘克拉斯基(CCZ)生長中，可連續或週期性地將多晶矽添加至熔化矽以在生長程序期間補充熔體，且因此可在一生長程序期間從一單一坩堝拉出多個錠。
為實行CCZ程序，修改傳統批量丘克拉斯基生長腔及設備以包含用於以一連續或半連續方式將額外多晶矽饋送至熔體而不會不利地影響生長錠之性質之一構件。在從熔體連續生長晶種時，將固體多晶矽(諸如顆粒多晶矽)添加至熔體以補充熔體。通常控制額外固體多晶矽添加至熔體之饋送速率以維持程序參數。為減少此補充活動對同時晶體生長之不利影響，通常修改傳統石英坩堝以提供將所添加材料遞送至其中之一外部或環形熔體區連同從其中拉出矽錠之一內部生長區。此等區彼此流體流動連通。
不斷縮小大小之現代微電子裝置對矽基板之品質造成挑戰性限制，此本質上由原生(Grown-in)微缺陷之大小及分佈來判定。形成於由丘克拉斯基(CZ)程序及浮動區(FZ)程序生長之矽晶體中之大多數微缺陷係具有矽之固有點缺陷(空位及自填隙(或僅填隙))之附聚物。
一系列研究已證實，填隙附聚物以兩種形式存在：球狀填隙叢集，稱為B旋渦缺陷(或B缺陷)；及錯位環，稱為A旋渦缺陷(或A缺陷)。隨後發現之空位附聚物(稱為D缺陷)已被識別為八面體空隙。沃龍科夫(Voronkov)在晶體生長條件之基礎上為矽晶體中觀察到之微缺陷分佈提供公認解釋。根據沃龍科夫之模型或理論，熔體/晶體介面附近之溫度場驅動點缺陷之重組，從而提供其等從熔體/晶體介面(其中其等以其等各自平衡濃度存在)擴散至晶體塊體中之驅動力。點缺陷之運輸(藉由擴散及對流兩者)與其等重組之間的相互作用建立超出遠離於介面之一短距離(稱為重組長度)之點缺陷濃度。通常，超出重組長度之空位濃度與填隙濃度之間的差異(稱為過量點缺陷濃度)保持遠離晶體之橫向表面本質上固定。在一迅速拉出之晶體中，點缺陷藉由其等擴散超出重組長度之空間重佈通常係不重要的，惟接近於晶體之橫向表面之充當點缺陷之一槽或一源之一區域除外。因此，若超出重組長度之過量點缺陷濃度為正，則空位仍過量且附聚以在較低溫度下形成D缺陷。若過量點缺陷濃度為負，則填隙仍為主導點缺陷且附聚以形成A缺陷及B缺陷。若過量點缺陷濃度低於某偵測臨限值，則不形成可偵測微缺陷。因此，通常，僅藉由超出重組長度建立之過量點缺陷濃度判定原生微缺陷之類型。建立過量點缺陷濃度之程序被稱為初始併入且主導點缺陷物種被稱為併入主導點缺陷。藉由拉晶速率(v)與介面附近之軸向溫度梯度之量值(G)之比判定併入點缺陷之類型。在一較高v/G下，點缺陷之對流比其等之擴散佔優勢，且空位仍為併入主導點缺陷，此係因為介面處之空位濃度高於填隙濃度。在一較低v/G下，擴散比對流佔優勢，從而容許快速擴散之填隙作為主導點缺陷併入。在接近於其臨界值之一v/G下，兩種點缺陷以非常低且相當之濃度併入，從而彼此相互消滅且因此抑制任何微缺陷在較低溫度下之可能形成。所觀察到之空間微缺陷分佈通常可由G之一徑向不均勻性及v之一軸向變化導致之v/G變化進行解釋。徑向微缺陷分佈之一顯著特徵係透過氧與具有相對較低併入空位濃度(在略高於臨界v/G之一小範圍v/G內)之區域中之空位相互作用而形成之氧化物顆粒。此等顆粒形成一窄空間帶，其可藉由熱氧化揭露為OSF (氧化引起之堆疊缺陷)環。通常，OSF環標記空位主導及填隙主導之相鄰晶體區域之間的邊界(稱為V/I邊界)。
然而，在許多現代程序中，以較低速率生長之CZ晶體中之微缺陷分佈受到晶體塊體中之點缺陷之擴散(包含由晶體之橫向表面引起之擴散)之影響。因此，CZ晶體中之微缺陷分佈之一精確量化較佳地併入軸向及徑向兩者上之二維點缺陷擴散。僅量化點缺陷濃度場可定性地擷取一CZ晶體中之微缺陷分佈，此係因為所形成之微缺陷之類型直接由其判定。然而，針對微缺陷分佈之一更精確量化，擷取點缺陷之附聚係必要的。傳統地，藉由使點缺陷之初始併入與微缺陷之隨後形成解耦而量化微缺陷分佈。此方法忽略成核區域附近之主導點缺陷從較高溫度之區域(其中微缺陷密度係可忽略的)擴散至較低溫度之區域(其中微缺陷以較高密度存在且消耗點缺陷)。替代地，基於預測晶體中之每一位置處之微缺陷群體之大小分佈之一嚴格數值模擬在數值上係昂貴的。
空位主導及填隙主導之材料之間的轉變在v/G之一臨限值下發生，該臨限值當前看起來係約2.5x10-5 cm2 /sK。若v/G之值超過臨界值，則空位係主要固有點缺陷，其中其等之濃度隨著v/G增加而增加。若v/G之值小於臨界值，則矽自填隙係主要固有點缺陷，其中其等之濃度隨著v/G減小而增加。因此，可控制諸如生長速率(其影響v)以及熱區組態(其影響G)之程序條件以判定單晶矽內之固有點缺陷是否將主要為空位(其中v/G通常大於臨界值)或自填隙(其中v/G通常小於臨界值)。
附聚缺陷形成通常在兩個步驟中發生。首先，發生缺陷「成核」，此係固有點缺陷在一給定溫度下過飽和之結果；高於此「成核臨限值」溫度，固有點缺陷仍可溶解於矽晶格中。附聚固有點缺陷之成核溫度大於約1000°C。
一旦達到此「成核臨限值」溫度，固有點缺陷便附聚；即，從矽晶格之「固溶體」析出此等點缺陷。固有點缺陷將繼續擴散通過矽晶格，只要其等所存在之錠部分之溫度仍高於一第二臨限值溫度(即，一「擴散率臨限值」)。低於此「擴散率臨限值」溫度，固有點缺陷不再在商業實用時間週期內移動。
當錠仍高於「擴散率臨限值」溫度時，空位或填隙固有點缺陷擴散通過矽晶格至其中分別已存在附聚空位缺陷或填隙缺陷之位點，從而導致一給定附聚缺陷在大小上生長。生長由於此等附聚缺陷位點本質上充當「槽」而發生，從而由於附聚之更有利能量狀態而吸引及收集固有點缺陷。
空位型缺陷被認為係此等可觀察晶體缺陷之起源，如D缺陷、流動圖案缺陷(FPD)、閘極氧化物完整性(GOI)缺陷、晶體原生顆粒(COP)缺陷、晶體原生光點缺陷(LPD)以及由紅外光散射技術(諸如掃描紅外顯微鏡及雷射斷層掃描)觀察到之某些種類之塊狀缺陷。具有過量空位之區域中亦存在氧或二氧化矽之叢集。一些此等叢集仍為小且相對無應變的，從而導致本質上不會對由此矽製備之大多數裝置造成損害。一些此等叢集足夠大以充當環氧化引起之堆疊缺陷(OISF)之核。推測由過量空位之存在所催化之先前成核氧附聚物促進此特定缺陷。在存在中等空位濃度的情況下，主要在低於1000°C之CZ生長中形成氧化物叢集。
與自填隙相關之缺陷研究較少。其等通常被視為低密度之填隙型錯位環或網路。此等缺陷不對閘極氧化物完整性失效(一重要晶圓效能準則)負責，但其等被廣泛地認為係通常與電流洩漏問題相關聯之其他類型之裝置失效之原因。
就此而言，應注意，一般言之，呈矽晶格中之填隙形式之氧通常被視為矽之一點缺陷而非一固有點缺陷，而矽晶格空位及矽自填隙(或僅填隙)通常被視為固有點缺陷。因此，本質上全部微缺陷通常可被描述為附聚點缺點，而D缺陷(或空隙)以及A缺陷及B缺陷(即，填隙缺陷)可更特定言之被描述為附聚固有點缺陷。氧叢集藉由吸收空位而形成；因此，氧叢集可被視為空位及氧兩者之附聚物。
應進一步注意，丘克拉斯基矽中之此等空位及自填隙附聚點缺陷之密度在歷程上一直在約1 x 103 /cm3 至約1 x 107 /cm3 之範圍內，而氧叢集之密度在約1 x 108 /cm3 至1 x 1010 /cm3 之間變化。因此，附聚固有點缺陷對裝置製造商之重要性迅速增加，此係因為此等缺陷可嚴重影響複雜且高度積體電路之生產中之單晶矽材料之良率潛力。
鑑於前文，在許多應用中，矽晶體(其隨後被切割為矽晶圓)之一部分或全部實質上不具有此等附聚固有點缺陷。迄今為止，已報告用於生長實質上無缺陷之矽晶體之若干方法。一般言之，全部此等方法涉及控制比v/G，以便判定存在於生長CZ單晶矽晶體中之固有點缺陷之初始類型及濃度。然而，另外，此等方法可涉及控制晶體之隨後熱歷程以容許延長擴散時間以抑制其中之固有點缺陷之濃度，且因此實質上限制或避免在晶體之一部分或全部中形成附聚固有點缺陷。(參見例如美國專利第6,287,380號；第6,254,672號；第5,919,302號；第6,312,516號及第6,328,795號；該等案之全部內容藉此以引用的方式併入本文中。)然而，替代地，此等方法可涉及一迅速冷卻矽(RCS)生長程序，其中接著控制晶體之隨後熱歷程以透過一目標成核溫度迅速冷卻晶體之至少一部分，以便控制附聚固有點缺陷在該部分中之形成。此等方法之一者或兩者亦可包含容許生長晶體之至少一部分保持高於成核溫度達一延長時間週期以在透過目標成核溫度迅速冷卻晶體之此部分之前降低固有點缺陷之濃度，因此實質上限制或避免在其中形成附聚固有點缺陷。(參見例如美國專利申請公開案第2003/0196587號，該案之全部揭示內容以引用的方式併入本文中。)仍此外，已開發藉由同時控制固化錠之冷卻速率及介面附近之軸向溫度梯度之徑向變化(G)而減少或消除從錠中心至邊緣之附聚點缺陷之方法。(參見例如美國專利第8,673,248號，該案之全部揭示內容以引用的方式併入本文中。)
此章節旨在向讀者介紹可與本發明之各種態樣相關之技術之各種態樣，其等在下文描述及/或主張。據信此論述有助於向讀者提供背景資訊以促進對本發明之各種樣態之更佳理解。因此，應理解，此等陳述應依此閱讀，而非作為先前技術之認可。
本發明之一個態樣係關於一種藉由丘克拉斯基方法製備一單晶矽錠之方法。該方法包括：將多晶矽之一初始裝料添加至容納於一生長腔內之一坩堝，其中該坩堝包括一底壁及一側壁且進一步其中該生長腔包括定位於該坩堝之該底壁旁邊之一底部加熱器、定位於該側壁旁邊之一側加熱器及一反射器；將電力供應至該底部加熱器、該側加熱器或該底部加熱器及該側加熱器兩者以藉此加熱包括多晶矽之該初始裝料之該坩堝以導致在該坩堝中形成一矽熔體，其中供應至該側加熱器之該電力大於供應至該底部加熱器之該電力且進一步其中該矽熔體具有一自由熔體高度液位；使一矽種晶與容納於該坩堝內之該矽熔體接觸；以一初始拉晶速率在垂直於該熔體高度液位之一方向上從該矽熔體抽出該矽種晶以藉此形成該單晶矽錠之一固體頸部；藉由修改該初始拉晶速率以藉此達成一向外展開晶種圓錐(seed-cone)拉晶速率而從該矽熔體抽出相鄰於該單晶矽錠之該固體頸部之一固體向外展開晶種圓錐；及藉由修改該向外展開晶種圓錐拉晶速率以藉此達成一主體拉晶速率而從該矽熔體抽出相鄰於該向外展開晶種圓錐之該單晶矽錠之一固體主體，其中該單晶矽錠之該固體主體具有一徑向直徑及一軸向長度且當該單晶矽錠之該固體主體從該熔化矽抽出時產生之表面張力導致定位於該自由熔體高度液位上方之一熔體-固體介面且進一步其中包括熔化矽之一彎月面在該熔體-固體介面與該自由熔體高度液位之間；其中在該單晶矽錠之該主體之生長期間將一尖點磁場施加至該矽熔體；且其中在該單晶矽錠之該固體主體之一總軸向長度之至少40%之生長期間，該熔體-固體介面與該自由熔體高度液位之間的一軸向方向上之一熱通量在該單晶矽錠之該固體主體之該徑向長度之至少約85%上具有至少約20,000 W/m2 之一絕對值。
存在關於本發明之上述態樣提及之特徵之各種改良。進一步特徵亦可被併入本發明之上述態樣中。此等改良及額外特徵可個別地或以任何組合存在。例如，下文關於本發明之所繪示實施例之任一者論述之各種特徵可單獨或以任何組合併入至本發明之上述態樣之任一者中。
根據本發明之方法，藉由丘克拉斯基(CZ)方法在適合於抑制或防止在一低功率熱區類型之後段主體長度(在600 mm之後)生長期間之錠變形之程序條件下生長一單晶矽錠。在一低功率熱區生長腔中之錠生長期間已觀察到，晶體之橫截面可在單晶矽錠之主體之後段生長期間從初始所要圓形形狀更改為一星形形狀。不利地，變形可導致監測錠生長條件之攝影機無法在生長程序期間追蹤生長錠及彎月面之形狀。根據一些實施例，在錠之生長期間選擇適合生長條件以抑制晶體/熔體介面及彎月面附近之熔體溫度下降，此繼而降低過冷及因此變形之可能。即，選擇條件以在錠之整個長度之生長期間最小化自由熔體表面液位以及熔體/晶體介面下方之熔體處之溫度改變，此繼而最小化或消除變形，使得錠之橫截面保持沿錠之整個長度之所要圓形形狀。
本發明之方法可應用於具有一所施加磁場(例如，尖點磁場)且在熱區(其被稱為低功率熱區(LPHZ))之底部中添加絕緣層之丘克拉斯基拉晶器。常規熱區拉晶器在生長程序期間通常具有高底部加熱器功率之一要求。低功率熱區係常規熱區之一修改，其中藉由將額外絕緣層安裝於底部處以防止熱從底部逸出而降低底部加熱器功率要求，此有助於降低功率消耗及生產成本。
低功率熱區中之晶體生長更易於在後段主體長度處(在600 mm之後)具有錠變形，且此問題通常不會在其中將底部加熱器設定至高功率之常規熱區拉晶器中觀察到。根據當前理解，後段主體長度處之變形至少部分由熔體/晶體介面附近之熔體溫度導致。圖1A及圖1B比較生長於一常規熱區(圖1A)及一低功率熱區(圖1B)中之一錠中之一前段主體長度(400 mm)及後段主體長度(800 mm)處之熔體中之熱場。該等圖繪示晶體/熔體介面附近之熔體之溫度。如圖1B中展示，此等溫度在低功率熱區中在後段主體長度處顯著降低，而常規熱區中之溫度差異小得多，如圖1A中展示。為繪示，在圖1A及圖1B中之熱場之各者中突顯T=1690K處之一輪廓線以進行比較。
圖2A (常規熱區)及圖2B (低功率熱區)係描繪沿兩個熱區類型之前段及後段主體長度處之彎月面曲線之溫度輪廓。如圖2A中展示，在常規熱區中，後段主體長度(即，800 mm)處之彎月面最終溫度(即，在熔體自由介面處)係約1694K (其中在此階段未看見變形)，其非常接近於熔體自由介面處之前段主體(即，400 mm)彎月面溫度1694.4K。參見圖6以獲得彎月面曲線之一描繪。圖2A中之距離0 mm對應於固體-熔體介面，而距離35 mm對應於熔體自由介面。此等距離可取決於熱區設計及拉晶條件而變化。如圖2B中描繪，在一低功率熱區中之晶體生長期間，800 mm熔體自由介面處之彎月面溫度在800 mm生長處已下降至1689.9K之一值，且與400 mm主體長度處之溫度1691.4K具有一顯著差異。亦可從圖2A及圖2B觀察到，從低功率熱區之介面處以及彎月面處之400 mm至800 mm主體長度，溫度梯度亦已下降。在一低功率熱區組態中，此等改變可對800 mm主體長度處之變形可能性增加負責。
根據本發明之方法，選擇熱區條件以在一單晶矽錠之整個主體長度之生長期間增加熔體側熱通量及沿彎月面之梯度。根據本發明之一些實施例選擇之適合程序條件包含底部加熱器功率、相對坩堝高度、晶種旋轉速率、坩堝旋轉速率及磁場強度，找到一適合條件。發現某些變數(包含相對坩堝高度(RH)、晶種旋轉速率、底部加熱器功率及磁場位置)以增加熔體側熱通量且藉此增加熔體附近之溫度及沿彎月面之溫度梯度。繼而，根據本發明之方法達成之溫度輪廓導致所生長之錠減少或消除貫穿錠之主體長度之變形。
圖3係適合於實行本發明之方法之一熱區之一描繪。熱區組態包含具有適合直徑之一石英坩堝10，其用於固持一矽熔體且用於拉動具有450 mm或更多之一直徑之一錠。一石墨坩堝20包封及支撐石英坩堝10。用於固持石英坩堝10之其他組態在本發明之方法之範疇內，例如缺乏石墨坩堝20之一組態。熱區組態包含定位於石英坩堝10之側壁附近之一側加熱器30及視情況定位於石英坩堝10下方之一底部加熱器40。熱區組態包含經組態以將熱保持在熱區內之絕緣層50。根據本發明之低功率熱區包含石英坩堝10之底部附近之額外絕緣層50。藉由定位於頂窗70處之一攝影機60 (例如，一CCD攝影機)監測生長晶體直徑及彎月面之形狀及高度。從攝影機獲得之資料能夠回饋至側加熱器30及底部加熱器40。在晶體生長期間，可在加熱器之間調整功率分佈以實現熔體/固體介面之均勻性，即，維持彎月面之所要形狀及高度。熱屏蔽或反射器80將來自包含加熱器30、40及石英坩堝10之熔爐之熱部之熱通量反射至熔體90。反射器80減少從熔爐之熱部至冷部之熱轉移且藉此維持熔爐之此兩個區域之間的一分離。反射器80有助於控制軸向及徑向溫度梯度，此驅動熔化矽90固化及結晶為生長錠100。
丘克拉斯基方法藉由將多晶矽裝載至一石英坩堝10中而開始，參考圖3。添加至石英坩堝10之固體多晶矽通常係粒狀多晶矽，但可使用塊狀多晶矽，且使用經最佳化以與粒狀多晶矽一起使用之一多晶矽饋送器將其饋送至坩堝中。塊狀多晶矽通常具有3毫米與45毫米之間的一大小(例如，最大尺寸)，且粒狀多晶矽通常具有400微米與1400微米之間的一大小。粒狀多晶矽具有若干優點，包含歸因於較小大小而提供饋送速率之容易且精確控制。然而，歸因於化學氣相沈積程序或在其生產中使用之其他製造方法，粒狀多晶矽之成本通常高於塊狀多晶矽之成本。塊狀多晶矽具有更便宜且鑑於其較大大小而能夠具有一更高饋送速率之優點。
一般言之，藉由將多晶矽裝載至一坩堝10中以形成一初始矽裝料而形成從中抽出錠100之熔體90。一般言之，一初始裝料係在約100公斤與約1000公斤之間、或在約100公斤與約800公斤之間、或在約100公斤與約500公斤之間的多晶矽，其可為粒狀、塊狀或粒狀與塊狀之一組合。初始裝料之質量取決於所要晶體直徑及HZ設計。在一些實施例中，初始多晶矽裝料足以生長一個單晶矽錠，即，在一批量方法中。一般言之，單晶矽錠之固體主體之總軸向長度係至少約1100 mm，諸如在約1200 mm與約 1300 mm之間，諸如在約1200 mm與約1250 mm之間。在一連續丘克拉斯基方法中，初始裝料不反映晶體之長度，此係因為在晶體生長期間連續饋送多晶矽。因此，初始裝料可更小，諸如在約100 kg與約200 kg之間。若連續饋送多晶矽且腔高度足夠高，則晶體長度可延伸至2000 mm、3000 mm或甚至4000 mm長度。可使用各種多晶矽源，包含例如藉由在一流化床反應器中熱分解矽烷或鹵代矽烷而產生之粒狀多晶矽或在一西門子(Siemens)反應器中產生之多晶矽。一旦將多晶矽添加至坩堝以形成一裝料，便可將裝料加熱至高於約矽之熔化溫度(例如，約1412°C)之一溫度以熔化裝料，且藉此形成包括熔化矽之一矽熔體。矽熔體具有一初始熔化矽體積且具有一初始熔體高度液位，且此等參數由初始裝料之大小判定。在一些實施例中，將包括矽熔體之坩堝加熱至至少約1425°C、至少約1450°C或甚至至少約1500°C之一溫度。藉由將電力供應至底部加熱器40、側加熱器30或底部加熱器40及側加熱器30兩者而加熱初始多晶矽裝料。根據一些實施例，供應至側加熱器30之電力大於供應至底部加熱器40之電力。在一些實施例中，底部加熱器40之功率係2 kW或更少，諸如1 kW或更少。在一些實施例中，底部加熱器40不具有供應至其之功率，即，所供應功率係0 kW，使得熱區組態係一低功率熱區組態。根據本發明之低功率熱區包含石英坩堝10之底部附近之額外絕緣層50。
參考圖4，一旦固體多晶矽150之裝料液化以形成包括熔化矽之一矽熔體120，便可降低矽種晶160以接觸熔體。接著從具有附接至其之矽之熔體抽出矽種晶160以藉此在熔體之表面附近或其處形成一熔體-固體介面。一般言之，形成頸部之初始拉晶速度係高的。在一些實施例中，以至少約1.0 mm/分鐘(諸如在約1.5 mm/分鐘與約6 mm/分鐘之間，諸如在約3 mm/分鐘與約5 mm/分鐘之間)之一頸部拉晶速率抽出矽種晶及頸部。在一些實施例中，矽種晶及坩堝在相反方向上旋轉(即，反向旋轉)。反向旋轉達成矽熔體中之對流。晶體之旋轉主要用於提供一對稱溫度輪廓，抑制雜質之角變化且亦控制晶體熔體介面形狀。在一些實施例中，矽種晶以約5 rpm與約30 rpm之間、或約5 rpm與約20 rpm之間、或約5 rpm與約15 rpm之間(諸如約8 rpm、9 rpm或10 rpm)的一速率旋轉。在一些實施例中，種晶旋轉速率可在單晶矽錠之主體之生長期間改變。在一些實施例中，坩堝以約0.5 rpm與約10 rpm之間、或約1 rpm與約10 rpm之間、或約4 rpm與約10 rpm之間、或約5 rpm與約10 rpm之間的一速率旋轉。在一些實施例中，種晶以快於坩堝之一速率旋轉。在一些實施例中，種晶以比坩堝之旋轉速率高至少1 rpm (諸如高至少約3 rpm或高至少約5 rpm)之一速率旋轉。一般言之，頸部具有約300毫米與約700毫米之間(諸如在約450毫米與約550毫米之間)的一長度。然而，頸部之長度可在此等範圍外變化。
在形成頸部之後，生長相鄰於頸部之向外展開晶種圓錐170，參考圖4。一般言之，拉晶速率從頸部拉晶速率下降至適合於生長向外展開晶種圓錐部分之一速率。例如，向外展開晶種圓錐170之生長期間之晶種圓錐拉晶速率係在約0.5 mm/min與約2.0 mm/min之間，諸如約1.0 mm/min。在一些實施例中，向外展開晶種圓錐170具有約100毫米與約400毫米之間(諸如在約150毫米與約250毫米之間)的一長度。向外展開晶種圓錐170之長度可在此等範圍外變化。在一些實施例中，向外展開晶種圓錐170生長至約150 mm、至少約150毫米、約200 mm、至少約200毫米、約300 mm、至少約300 mm、約450 mm或甚至至少約450 mm之一終端直徑。向外展開晶種圓錐170之終端直徑通常等於單晶矽錠之錠主體180之恆定直徑之直徑。
在形成頸部及相鄰於頸部之向外展開晶種圓錐170之後，接著生長相鄰於向外展開晶種圓錐170之具有一恆定直徑之錠主體180。錠主體180之恆定直徑部分具有一圓周邊緣、平行於圓周邊緣之一中心軸及從中心軸延伸至圓周邊緣之一半徑。中心軸亦穿過錐部及頸部。錠主體180之直徑可變化且在一些實施例中，直徑可為約150 mm、至少約150毫米、約200 mm、至少約200毫米、約300 mm、至少約300 mm、約450 mm或甚至至少約450 mm。換言之，單晶矽錠之固體錠主體180之徑向長度係約75 mm、至少約75毫米、約100 mm、至少約100毫米、約150 mm、至少約150 mm、約225 mm或甚至至少約225 mm。單晶矽錠之錠主體180最終生長至至少約1000毫米長，諸如至少1200毫米長，諸如至少1250毫米長，諸如至少1400毫米長，諸如至少1500毫米長，或至少2000毫米長，或至少2200毫米，諸如2200毫米，或至少約3000毫米長，或至少約4000毫米長。在一些較佳實施例中，單晶矽錠之固體錠主體180之總軸向長度係至少約1100 mm，諸如在約1200 mm與約1300 mm之間，諸如在約1200 mm與約1250 mm之間。
在一些實施例中，可根據一拉晶速率協定拉出錠主體180。針對單晶矽錠之主體之生長之大部分，拉晶速率從一相對高拉晶速率下降至一最小拉晶速率，且接著上升至一恆定拉晶速率。初始高拉晶速率可在約0.5 mm/min與約2.0 mm/min之間，諸如約1.0 mm/min，接著下降至可低至約0.4 mm/min或甚至低至約0.3 mm/min之一拉晶速率，此後增加至約0.4 mm/min與約0.8 mm/min之間、約0.4 mm/min與約0.7 mm/min之間或約0.4 mm/min與約0.65 mm/min之間的恆定拉晶速率。
在一連續丘克拉斯基方法中，在單晶矽錠之錠主體180之生長期間，將多晶矽(即，粒狀、塊狀或粒狀與塊狀之一組合)添加至熔化矽以藉此達成一恆定熔化矽體積及恆定熔體高度液位。根據本發明之方法，在單晶矽錠之主體之軸向長度之大部分之生長期間維持一實質上恆定熔體體積能夠以一恆定拉晶速率在單晶矽錠之主體之軸向長度之大部分上達成高錠品質。無關於晶體長度之恆定熔體體積能夠在錠之主體之大部分上維持一恆定晶體/熔體介面及因此均勻晶體品質。因此，在一些實施例中，熔化矽之體積在單晶矽錠之主體之至少約90%之生長期間變化不超過約1.0體積%，或在單晶矽錠之主體之至少約90%之生長期間變化不超過約0.5體積%或甚至在單晶矽錠之主體之至少約90%之生長期間變化不超過約0.1體積%。換言之，在一些實施例中，熔體高度液位在單晶矽錠之主體之至少約90%之生長期間變化小於約+/-0.5毫米。
在一批量丘克拉斯基方法中，多晶矽之初始裝料足以生長錠之整個長度。矽熔體體積隨著錠生長而下降，而非維持一恆定熔體高度液位。因此，參考圖4 (插圖)，坩堝110固持熔化矽120，從其抽出晶錠140。如從圖4截面a)至j)繪示，藉由從加熱器130施加熱而熔化固體多晶矽150之初始裝料以形成熔體120。使一矽種晶160與熔化矽120接觸，且藉由緩慢萃取生長一單晶矽錠140。如圖解中可見，隨著單晶矽錠140之長度增加，熔化矽120之體積空乏，從而使在相同於拉出錠之方向上垂直移動坩堝110變得必要。
無關於該方法是否係批量或連續的，選擇生長條件以達成一最佳化熔體側熱通量、熔體附近之溫度及彎月面附近之溫度梯度，以便生長減少或消除沿錠之主體之整個長度之變形之一錠。在此等生長條件中，監測反射器200之底部在熔體210之表面上方之相對高度，參考圖5。相對高度「HR」可被直接量測為反射器200之底部與熔體210之液位之間的一距離，如圖3中展示，向量標記為「HR」。若熱區之組態無法實現直接量測，即，攝影機220無法定位反射器200之底部，則可使用定位於例如坩堝下方之一參考點間接量測相對高度「HR」。量測熔體液位與參考點230之間的距離，且量測反射器200之底部與參考點230之間的距離(其被標記為「RZ」)。藉由從「RZ」減去熔體210之液位與參考點230之間的距離而計算相對高度「HR」。在一批量程序中，熔體液位隨著錠生長而改變。因此，必須移動(即，升高)坩堝，以便維持一所要「HR」。
根據一些實施例，「HR」開始於一相對高值，諸如在約60 mm至120 mm之間或在約70 mm至100 mm之間。在一些實施例中，HR之相對高值在單晶矽錠之頸部及冠部(即，向外展開晶種圓錐)之生長期間發生。HR距離最初係大的以容許攝影機在頸化(necking)及隆起(crowning)階段中擷取彎月面。HR值最初係大的以將彎月面保持在追蹤其之攝影機之視窗中。在一些實施例中，HR之相對高值可在錠主體之初始部分之生長期間(例如，在錠主體的前200 mm至400 mm之生長期間)繼續。在一些實施例中，在生長頸部及冠部之後，反射器之底部與熔體液位之間的距離藉由使坩堝接近於反射器之底部而迅速減小。在一些實施例中，反射器之底部與熔體液位之間的距離可以每毫米錠生長至少-0.05毫米之一速率接近，或每毫米錠生長至少約-0.06毫米，諸如每毫米錠生長約-0.065毫米，較佳地每毫米錠生長小於約-0.1毫米或每毫米錠生長小於約-0.08毫米。由於相對高度從一較高值下降至一較低值，所以該等值被陳述為負。在一些實施例中，在錠之主體之大部分之生長期間將HR變為40 mm與50 mm之間的一距離，諸如在45 mm與50 mm之間，或在45 mm與48 mm之間。在一些實施例中，在錠之主體之大部分之生長期間將HR變為45 mm之一距離。在一些實施例中，在錠之主體之大部分之生長期間將HR變為47 mm之一距離。此等HR距離應用於錠之主體之長度之至少約50%、至少約60%、至少約70%之生長。在圖7A及圖7B中展示根據本發明之例示性實施例之「HR」輪廓。藉由根據本發明之HR值更改晶體邊緣梯度，且由此晶體邊緣梯度控制晶體中之缺陷輪廓。因此基本上，缺陷輪廓決定HR漸增至何值及漸增應在何時開始。例如，在前段主體中，晶體從側面被加熱很多且因此最初以一低速率拉出以獲得所要直徑且接著晶種提升力漸增。由於此晶種提升力隨著主體長度而改變，所以亦需要改變溫度梯度以控制缺陷，此繼而藉由在晶體生長期間改變HR予以控制。如本文中展示，針對錠之主體之大多數生長，「HR」維持在一恆定低值，其在錠完成且從剩餘熔體拉出時迅速增加。
在一些實施例中，在單晶矽錠主體之大部分長度之生長期間將較低HR與一較低晶種旋轉速率組合。在一些實施例中，晶種旋轉速率可以一初始高速率開始。高晶種旋轉速率適合於生長錠之初始部分，此係因為在主體之長度的前200 mm至600 mm之生長期間，熔體溫度及熱通量通常係高的。在一些實施例中，初始晶種旋轉速率可為至少約10 rpm，諸如至少約11 rpm或甚至至少約12 rpm。在一些較佳實施例中，初始晶種旋轉速率可為至少約11 rpm。在錠之一初始部分之生長之後，晶種旋轉速率下降。在一些實施例中，晶種旋轉速率可按一速率從每毫米錠生長約   -0.005 rpm下降至每毫米錠生長約-0.020 rpm，諸如從每毫米錠生長約    -0.005 rpm至每毫米錠生長約-0.014 rpm。由於晶種旋轉速率從一較高值下降至一較低值，所以該等值被陳述為負。在錠主體長度之約600 mm至約900 mm之間，使晶種旋轉速率在此範圍內下降可使晶種旋轉速率變為約5 rpm與約10 rpm之間，諸如約8 rpm、約9 rpm、或約10 rpm。在一些較佳實施例中，在錠主體長度之約600 mm至約900 mm之間，晶種旋轉速率可為約9 rpm。在一些實施例中，在後段主體生長處(諸如在約1200 mm生長之後)，旋轉速率可進一步下降，諸如在約5 rpm與約8 rpm之間，諸如約7 rpm或約8 rpm。在一些較佳實施例中，在後段主體生長處(諸如在約1200 mm生長之後)，旋轉速率可為約7 rpm。在一些較佳實施例中，在後段主體生長處(諸如在約1200 mm生長之後)，旋轉速率可為約8 rpm。選擇此等晶種旋轉值導致固體-液體介面附近之熔體區域中之一較高溫度梯度且亦可增加彎月面溫度。非常低晶種旋轉值可導致氧徑向梯度降級。在圖8A及圖8B中展示根據本發明之例示性實施例之晶種旋轉速率輪廓。
另外，根據本發明之程序，可將一磁場施加至包括矽熔體之坩堝。可施加尖點或水平磁場以設定適當晶體/熔體介面，即，彎月面之形狀及高度。磁場主要用於固定一所要晶體/熔體介面形狀及高度，且對氧含量Qi之控制係一次要目的。
可藉由在單晶矽錠之主體之生長期間將一磁場施加至矽熔體而增強對熔體流動及熔體/固體介面之形狀及因此錠之品質之控制。在一些實施例中，在單晶矽錠之主體之生長之至少約70%期間或在單晶矽錠之主體之生長之約70%與約90%之間，所施加磁場維持一實質上恆定熔體/固體介面輪廓。磁場施加電磁力，其影響矽熔體流動，因此熔體中之熱轉移受到影響。其改變晶體/熔體介面之輪廓及生長晶體之溫度。
磁場影響錠中之氧含量及均勻性。錠中之氧源係來自石英坩堝壁的溶解、蒸發熔體自由表面處之SiOx (g) (由熔體流動動力學控制)及併入至生長晶體前緣中。磁場影響生長期間之對流熔體流動，此可影響氧蒸發及併入。併入至單晶矽錠中之氧隨時間增量之變化藉由熔體中之氧之擴散及對流控制，根據以下方程式：
Figure 02_image001
。
C係固化矽中之氧濃度，t係時間，v係對流速度(熔體流動速度)，　係矽熔體之密度，
Figure 02_image003
係梯度(d/dx)。所施加磁場影響熔體速度(v)及熔體中之氧濃度梯度(dC/dx=
Figure 02_image003
C)。由於磁場導致一穩態熔體流動，所以將氧Oi併入至錠中係時間恆定的，此增強徑向及軸向氧濃度均勻性。SOURCE項係從兩個參數導出：石英(SiO2 )坩堝之溶解，其係氧之產生(Si (l) + SiO2(s)àSiOx(g))；及蒸發，其係氧(SiOx(g))從熔體之移除(消失)。在一批量Cz程序中，此SOURCE項並非恆定的。代替地，其取決於晶體長度，此係因為熔體質量隨著晶體生長而減小。當錠已生長其主體長度之大部分時，剩餘熔體體積係低的，使得與坩堝接觸之矽熔體之量減少，此因此導致從坩堝併入至熔體中之氧之較低濃度。因此，若其他項(擴散、對流、蒸發)係恆定的，則併入至固化矽晶體中之氧減少。熔體自由表面(熔體與氣體之間的接觸表面)面積影響SiOx(g)之蒸發速率。SiOx(g)之較少蒸發意謂更多氧併入至固化矽晶體中。根據本發明之方法，由於在晶錠生長時添加多晶矽，所以熔體質量維持恆定。因此，全部源項(藉由將SiO2 坩堝溶解至熔體中及透過熔體自由表面蒸發SiOx(g)氣體而產生氧)係恆定的。因此，擴散及對流項影響固化矽晶體之氧。所施加磁場使熔體流動更穩定(即，熔體流動係恆定的，如同時間獨立穩定條件)，因此在錠之整個長度之生長期間，併入氧在軸向及徑向方向上係均勻及穩定的。在一些實施例中，填隙氧可以約4 PPMA與約18 PPMA之間的一濃度併入至錠中。在一些實施例中，填隙氧可以約10 PPMA與約35 PPMA之間的一濃度併入至錠中。在一些實施例中，錠包括具有不大於約15 PPMA或不大於約10 PPMA之一濃度之氧。可根據SEMI MF 1188-1105量測填隙氧。
在一些實施例中，在單晶矽錠之主體之生長期間將一水平磁場施加至矽熔體。在存在一水平磁場的情況下，藉由將固持矽熔體之坩堝放置在一習知電磁體之極之間而達成晶體生長。在一些實施例中，水平磁場可在熔體區域中具有約0.2特士拉與約0.4特士拉之間的一磁通量密度。在一給定強度下，熔體中之磁場變化小於+/-約0.03特士拉。一水平磁場之施加產生沿軸向方向(在與流體運動相反之一方向上)之勞侖茲(Lorentz)力，其與驅動熔體對流之力相反。因此抑制熔體中之對流，且增加介面附近之晶體中之軸向溫度梯度。熔體-晶體介面接著向上移動至晶體側以適應介面附近之晶體中之增加軸向溫度梯度且來自坩堝中之熔體對流之比重減小。
在一些實施例中，在單晶矽錠之主體之生長期間將一尖點磁場施加至矽熔體。在圖9中繪示適合於達成一尖點磁場之磁性線圈位置。一尖點磁場具有兩個控制參數，即，磁通量密度及磁場形狀。一尖點磁場在熔體之最近表面處施加一水平(徑向)磁場分量，結合在錠之軸附近之熔體更深處施加一垂直(軸向)磁場。使用在相反方向上攜載電流之一對亥姆霍玆(Helmholtz)線圈300、310產生尖點磁場。因此，在兩個磁場中間之位置處，垂直地沿錠軸，磁場彼此抵消以使一垂直磁場分量為零或接近零。例如，尖點磁通量密度在軸向方向上通常係約零至約0.2特士拉。徑向方向上之磁通量密度通常高於垂直方向上之磁通量密度。例如，尖點磁通量密度在徑向位置中通常在約0 T與約0.6 T之間，諸如在約0.2 T與約0.5 T之間，此取決於徑向位置。徑向尖點磁場約束熔體之流動，藉此穩定熔體。換言之，施加一徑向尖點磁場引起相鄰於固體-液體介面之一部分(在該處發生晶體生長)處之對流，且抑制熔體之其餘部分處之對流，藉此充當實現均勻氧分佈之一有效方法。可同時藉由熔體自由表面及熔體坩堝介面處之尖點磁場局部且獨立地控制熱熔體對流。此能夠僅藉由磁通量密度控制生長晶體中之氧濃度，而無關於晶體旋轉速度。在存在一軸向或一徑向磁場的情況下，經由對晶體旋轉速度之控制達成對氧濃度之控制。施加尖點磁場可實現包括少於在不具有一所施加磁場的情況下生長之一錠之氧含量之一錠上之生長，諸如不大於約15 PPMA或不大於約10 PPMA。可根據SEMI MF 1188-1105量測填隙氧。
根據本發明之方法，在單晶矽錠之主體之生長期間施加至矽熔體之尖點磁場係從一上磁性線圈300及一下磁性線圈310導出，其中從上磁性線圈300導出之上磁場強度大於從下磁性線圈310導出之一下磁場強度。在一些實施例中，從上磁性線圈300導出之上磁場強度超過從下磁性線圈310導出之下磁場強度達至少10%或至少15%。與圖10A中繪示之一習知方法相比，藉由將相較於下磁性線圈之一較大磁場強度施加至上磁性線圈，尖點位置可向下移動至熔體中，如圖10B及圖10C中繪示。已發現降低尖點位置會增加彎月面區域中之溫度。
根據本發明之方法，本文中揭示之條件最小化自由熔體表面液位以及後段主體中之熔體/晶體介面下方之熔體處之溫度改變，因為在前段主體中未看見變形。根據本發明之方法之條件有助於防止晶體/熔體介面及彎月面附近之熔體溫度下降，此繼而減小過冷及因此變形之可能。達成所要結果之有利因素係熔體側熱通量、熔體附近之溫度及彎月面附近之溫度梯度，其等可藉由選擇HR、晶種旋轉及磁性尖點條件而增加。
根據以下方程式判定熔體側熱通量：
Figure 02_image005
其中km 係熔體之導熱率且
Figure 02_image007
係軸向溫度梯度。熱通量取決於熔體中之軸向溫度梯度。因此，一較大熱通量導致一較大軸向溫度梯度，此意謂熔體/晶體介面下方之熔體之較高溫度及彎月面附近之較高溫度梯度，這導致沿錠之軸向長度之錠變形減少。根據一些實施例，在單晶矽錠之固體主體之一總軸向長度之至少40%之生長期間，熔體-固體介面與自由熔體高度液位之間的一軸向方向上之一熱通量在單晶矽錠之固體主體之徑向長度之至少約85%上具有至少約20,000 W/m2 、至少約21,000 W/m2 、至少約22,000 W/m2 、至少約23,000 W/m2 或至少約24,000 W/m2 之一絕對值。根據一些實施例，在單晶矽錠之固體主體之軸向長度之至少60%之生長期間，熔體-固體介面與自由熔體高度液位之間的軸向方向上之熱通量在單晶矽錠之固體主體之徑向長度之至少約85%上具有至少約20,000 W/m2 、至少約21,000 W/m2 、至少約22,000 W/m2 、至少約23,000 W/m2 或至少約24,000 W/m2 之一絕對值。根據一些實施例，在單晶矽錠之固體主體之軸向長度之至少80%之生長期間，熔體-固體介面與自由熔體高度液位之間的軸向方向上之熱通量在單晶矽錠之固體主體之直徑之至少約80%上具有至少約20,000 W/m2 、至少約21,000 W/m2 、至少約22,000 W/m2 、至少約23,000 W/m2 或至少約24,000 W/m2 之一絕對值。根據一些實施例，在單晶矽錠之固體主體之一總長度之至少90%之生長期間，熔體-固體介面與自由熔體高度液位之間的軸向方向上之熱通量在單晶矽錠之固體主體之徑向長度之至少約85%上具有至少約20,000 W/m2 、至少約21,000 W/m2 、至少約22,000 W/m2 、至少約23,000 W/m2 或至少約24,000 W/m2 之一絕對值。根據一些實施例，在單晶矽錠之固體主體之一總長度之至少95%之生長期間，熔體-固體介面與自由熔體高度液位之間的軸向方向上之熱通量在單晶矽錠之固體主體之徑向長度之至少約85%上具有至少約20,000 W/m2 、至少約21,000 W/m2 、至少約22,000 W/m2 、至少約23,000 W/m2 或至少約24,000 W/m2 之一絕對值。
仍此外，選擇條件以達成沿彎月面曲線之一溫度梯度。參見圖6。根據一些實施例，在單晶矽錠之固體主體之一總長度之至少40%之生長期間，沿熔體-固體介面與自由熔體高度液位之間的一彎月面曲線之一溫度梯度具有至少約0.16°/mm或至少約0.18°/mm之一平均值。根據一些實施例，在單晶矽錠之固體主體之一總長度之至少60%之生長期間，沿熔體-固體介面與自由熔體高度液位之間的一彎月面曲線之一溫度梯度具有至少約0.16°/mm或至少約0.18°/mm之一平均值。根據一些實施例，在單晶矽錠之固體主體之一總長度之至少80%之生長期間，沿熔體-固體介面與自由熔體高度液位之間的一彎月面曲線之一溫度梯度具有至少約0.16°/mm或至少約0.18°/mm之一平均值。根據一些實施例，在單晶矽錠之固體主體之一總長度之至少90%之生長期間，沿熔體-固體介面與自由熔體高度液位之間的一彎月面曲線之一溫度梯度具有至少約0.16°/mm或至少約0.18°/mm之一平均值。
藉由達成此等熔體通量及溫度梯度，彎月面處之熔化矽之溫度高於習知地可在一低功率熱區中達成之溫度。根據一些實施例，在單晶矽錠之固體主體之一總長度之至少40%之生長期間，彎月面中之熔化矽之一溫度係至少1691K或至少1692K，如在自由熔體高度液位處量測。根據一些實施例，在單晶矽錠之固體主體之一總長度之至少60%之生長期間，彎月面中之熔化矽之一溫度係至少1691K或至少1692K，如在自由熔體高度液位處量測。根據一些實施例，在單晶矽錠之固體主體之一總長度之至少80%之生長期間，彎月面中之熔化矽之一溫度係至少1691K或至少1692K，如在自由熔體高度液位處量測。根據一些實施例，在單晶矽錠之固體主體之一總長度之至少85%之生長期間，彎月面中之熔化矽之一溫度係至少1691K或至少1692K，如在自由熔體高度液位處量測。根據一些實施例，在單晶矽錠之固體主體之一總長度之至少90%之生長期間，彎月面中之熔化矽之一溫度係至少1691K或至少1692K，如在自由熔體高度液位處量測。
在一些實施例中，在圖11A及圖11B中描繪適合於達成彎月面溫度輪廓及熔體側上之熔體通量之程序條件，包含底部加熱器功率(BH) = 0 KW、晶種旋轉速率(SR) = 9 rpm及相對高度(HR) = 47 mm (測試條件1)。熱通量(Qmelt)值係對跨結晶前緣進入至熔體中之熱通量之量測。負值表示從熔體跨熔體/固體介面至晶體之熱移動。如圖11A中展示，在400 mm及800 mm軸向生長處，沿彎月面曲線之彎月面溫度係至少1692K。再者，在400 mm及800 mm軸向生長兩者處，熱通量在介面之徑向長度上具有大於20,000 W/m2 之一絕對值，如圖11B中展示。
在一些實施例中，在圖12A及圖12B中描繪適合於達成彎月面溫度輪廓及熔體側上之熔體通量之程序條件，包含底部加熱器功率(BH) = 0 KW、晶種旋轉速率(SR) = 9 rpm及相對高度(HR) = 45 mm (測試條件1)。熱通量(Qmelt)值係對跨結晶前緣進入至熔體中之熱通量之量測。負值表示從熔體跨熔體/固體介面至晶體之熱移動。如圖12A中展示，在400 mm及800 mm軸向生長處，沿彎月面曲線之彎月面溫度係至少1692K。再者，在400 mm及800 mm軸向生長兩者處，熱通量在介面之徑向長度上具有大於20,000 W/m2 之一絕對值，如圖12B中展示。
在一些實施例中，發現當磁性尖點位置降低時，彎月面區域之溫度增加。為降低磁性尖點位置，上磁體與下磁體之間具有15%之一間隙，其中上磁體具有一較高強度。進行彎月面區域中之溫度輪廓與熔體側上之熱通量之間的一比較，如在下文圖13A及圖13B中展示。圖13A中展示之較低溫度及梯度涉及具有圖10A中例示之一磁性尖點位置之習知低功率熱區(習知LPHZ)。圖13A中展示之較高溫度及梯度涉及根據本發明之實施例之具有圖10B及圖10C中例示之尖點位置之熱區(測試條件1及測試條件2)。因此，可組合尖點磁場位置連同晶種旋轉速率及相對高度以增加彎月面溫度輪廓。
本發明之程序實現其中最小化偏離設定點直徑之偏差之單晶矽錠之生長。最小化/減少變形導致所生長晶體之一實際直徑輪廓接近於設定點值。參考圖14A，習知低功率熱區程序可導致偏離所要晶體直徑之顯著偏差。設定點直徑由實線表示，且圖14A證實實際直徑可從設定點直徑顯著偏離。參考圖14B，仍可發生一些振動及偏差，然而，本發明之程序實現其中直徑值保持接近於設定點值之晶體生長。鑑於此，本發明之程序導致具有圍繞設定點值變化很小之直徑之晶體，藉此減少錠之主體之整個長度上之錠變形。
如本文中使用，術語「約」、「實質上」、「本質上」及「近似」在結合尺寸、濃度、溫度或其他物理或化學性質或特性之範圍使用時意謂涵蓋可存在於該等性質或特性之範圍之上限及/或下限中之變化，包含例如由捨入、量測方法或其他統計變化導致之變化。
當介紹本發明及其之(若干)實施例之元件時，冠詞「一」、「一個」、「該」及「該等」旨在意謂存在一或多個元件。術語「包括」、「包含」、「含有」及「具有」旨在係包含性且意謂可存在除所列出元件以外的額外元件。使用指示一特定定向(例如，「頂部」、「底部」、「側」等)之術語係為了便於描述且無需所描述項目之任何特定定向。
由於在不脫離本發明之範疇的情況下可對上述構造及方法做出各種改變，故上述描述中所含且[若干]隨附圖式中展示之全部事項應旨在被解釋為闡釋性且不被解釋為一限制性意義。相關申請案之交叉參考
本申請案主張2019年4月11日申請之美國臨時申請案第62/832,561號之優先權利，該案之揭示內容宛如全文闡述般以引用的方式併入。
10:石英坩堝 20:石墨坩堝 30:側加熱器 40:底部加熱器 50:絕緣層 60:攝影機 70:窗 80:反射器 90:熔體/熔化矽 100:錠 110:坩堝 120:矽熔體/熔化矽 130:加熱器 140:單晶矽錠 150:固體多晶矽 160:矽種晶 170:向外展開晶種圓錐部分 180:錠主體 200:反射器 210:熔體 220:攝影機 230:參考點 300:上磁性線圈 310:下磁性線圈
圖1A及圖1B繪示一常規熱區(圖1A)及一低功率熱區(圖1B)之晶體/熔體介面附近之熔體溫度輪廓。
圖2A及圖2B繪示一常規熱區(圖2A)及一低功率熱區(圖2B)之彎月面附近之熔體溫度輪廓。在400 mm生長之後及800 mm生長之後獲得溫度。
圖3係適合於實行本發明之方法之一熱區之一描繪。
圖4係描繪在一批量丘克拉斯基方法期間之一錠之生長期間之坩堝移動之一系列圖解。
圖5係適用於本發明之方法之熱區組態之一簡化描繪。
圖6係描繪彎月面曲線之一圖解。
圖7A及圖7B係描繪根據本發明之方法之一些實施例之在一錠之生長期間之相對坩堝相對高度(HR)協定之圖表。
圖8A及圖8B係描繪根據本發明之方法之一些實施例之在一錠之生長期間之晶種旋轉速率協定之圖表。
圖9繪示適合於產生一尖點磁場之磁性線圈之位置。
圖10A、圖10B及圖10C繪示在一習知方法(圖10A)期間及根據本發明之方法(圖10B及圖10C)期間之丘克拉斯基晶體生長期間之磁場強度及尖點位置。
圖11A及圖11B描繪根據本發明之一實施例之彎月面溫度輪廓(圖11A)及熔體側上之熱通量(圖11B)。在400 mm生長之後及800 mm生長之後獲得溫度及熱通量資料。
圖12A及圖12B描繪根據本發明之一實施例之彎月面溫度輪廓(圖12A)及熔體側上之熱通量(圖12B)。在400 mm生長之後及800 mm生長之後獲得溫度及熱通量資料。
圖13A及圖13B描繪根據本發明之一實施例之彎月面溫度輪廓(圖13A)及熔體側上之熱通量(圖13B)。
圖14A及圖14B描繪在一習知低功率熱區程序(圖14A)期間及在根據本發明之一實施例之一程序(圖14B)期間之主體生長期間之一單晶矽錠之直徑。
貫穿圖式，對應元件符號指示對應零件。
10:石英坩堝
20:石墨坩堝
30:側加熱器
40:底部加熱器
50:絕緣層
60:攝影機
70:窗
80:反射器
90:熔體/熔化矽
100:錠

Claims (23)

  1. 一種藉由丘克拉斯基方法製備一單晶矽錠之方法，該方法包括： 將多晶矽之一初始裝料添加至容納於一生長腔內之一坩堝，其中該坩堝包括一底壁及一側壁且進一步其中該生長腔包括定位於該坩堝之該底壁旁邊之一底部加熱器、定位於該側壁旁邊之一側加熱器及一反射器； 將電力供應至該底部加熱器、該側加熱器或該底部加熱器及該側加熱器兩者以藉此加熱包括多晶矽之初始裝料之該坩堝以導致在該坩堝中形成一矽熔體，其中供應至該側加熱器之該電力大於供應至該底部加熱器之該電力且進一步其中該矽熔體具有一自由熔體高度液位； 使一矽種晶與容納於該坩堝內之該矽熔體接觸； 以一初始拉晶速率在垂直於該熔體高度液位之一方向上從該矽熔體抽出該矽種晶以藉此形成該單晶矽錠之一固體頸部； 藉由修改該初始拉晶速率以藉此達成一向外展開晶種圓錐拉晶速率而從該矽熔體抽出相鄰於該單晶矽錠之該固體頸部之一固體向外展開晶種圓錐；及 藉由修改該向外展開晶種圓錐拉晶速率以藉此達成一主體拉晶速率而從該矽熔體抽出相鄰於該固體向外展開晶種圓錐之該單晶矽錠之一固體主體，其中該單晶矽錠之該固體主體具有一徑向直徑及一軸向長度且當該單晶矽錠之該固體主體從該矽熔體抽出時產生之表面張力導致定位於該自由熔體高度液位上方之一熔體-固體介面且進一步其中包括該矽熔體之一彎月面在該熔體-固體介面與該自由熔體高度液位之間； 其中在該單晶矽錠之該主體之生長期間將一尖點磁場施加至該矽熔體；且 其中在該單晶矽錠之該固體主體之一總軸向長度之至少40%之生長期間，該熔體-固體介面與該自由熔體高度液位之間的一軸向方向上之一熱通量在該單晶矽錠之該固體主體之該徑向長度之至少約85%上具有至少約20,000 W/m2 之一絕對值。
  2. 如請求項1之方法，其中該坩堝之該底壁係絕緣的。
  3. 如請求項1之方法，其中該單晶矽錠之該固體主體之該總軸向長度係至少約1100 mm。
  4. 如請求項1之方法，其中該單晶矽錠之該固體主體之該總軸向長度在約1200 mm與約1300 mm之間。
  5. 如請求項1之方法，其中該單晶矽錠之該固體主體之該徑向長度係約75 mm、至少約75 mm、約100 mm或至少約100 mm。
  6. 如請求項1之方法，其中該單晶矽錠之該固體主體之該徑向長度係約150 mm或至少約150 mm。
  7. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該固體主體之該軸向長度之至少60%之生長期間，該熔體-固體介面與該自由熔體高度液位之間的該軸向方向上之該熱通量在該單晶矽錠之該固體主體之該徑向長度之至少約85%上具有至少約20,000 W/m2 之一絕對值。
  8. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該固體主體之該軸向長度之至少80%之生長期間，該熔體-固體介面與該自由熔體高度液位之間的該軸向方向上之該熱通量在該單晶矽錠之該固體主體之該直徑之至少約80%上具有至少約20,000 W/m2 之一絕對值。
  9. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該固體主體之一總長度之至少90%之生長期間，該熔體-固體介面與該自由熔體高度液位之間的該軸向方向上之該熱通量在該單晶矽錠之該固體主體之該徑向長度之至少約85%上具有至少約20,000 W/m2 之一絕對值。
  10. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該固體主體之一總長度之至少40%之生長期間，沿該熔體-固體介面與該自由熔體高度液位之間的一彎月面曲線之一溫度梯度具有至少約0.16°/mm之一平均值。
  11. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該固體主體之一總長度之至少40%之生長期間，沿該熔體-固體介面與該自由熔體高度液位之間的一彎月面曲線之一溫度梯度具有至少約0.18°/mm之一平均值。
  12. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該固體主體之一總長度之至少60%之生長期間，沿該熔體-固體介面與該自由熔體高度液位之間的一彎月面曲線之一溫度梯度具有至少約0.16°/mm之一平均值。
  13. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該固體主體之一總長度之至少60%之生長期間，沿該熔體-固體介面與該自由熔體高度液位之間的一彎月面曲線之一溫度梯度具有至少約0.18°/mm之一平均值。
  14. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該固體主體之一總長度之至少80%之生長期間，沿該熔體-固體介面與該自由熔體高度液位之間的一彎月面曲線之一溫度梯度具有至少約0.16°/mm之一平均值。
  15. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該固體主體之一總長度之至少80%之生長期間，沿該熔體-固體介面與該自由熔體高度液位之間的一彎月面曲線之一溫度梯度具有至少約0.18°/mm之一平均值。
  16. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該固體主體之一總長度之至少40%之生長期間，該彎月面中之該矽熔體之一溫度係至少1691K，如在該自由熔體高度液位處量測。
  17. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該固體主體之一總長度之至少40%之生長期間，該彎月面中之該矽熔體之一溫度係至少1692K，如在該自由熔體高度液位處量測。
  18. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該固體主體之一總長度之至少60%之生長期間，該彎月面中之該矽熔體之一溫度係至少1691K，如在該自由熔體高度液位處量測。
  19. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該固體主體之一總長度之至少60%之生長期間，該彎月面中之該矽熔體之一溫度係至少1692K，如在該自由熔體高度液位處量測。
  20. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該固體主體之一總長度之至少85%之生長期間，該彎月面中之該矽熔體之一溫度係至少1691K，如在該自由熔體高度液位處量測。
  21. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該固體主體之該軸向長度之至少85%之生長期間，該彎月面中之該矽熔體之一溫度係至少1692K，如在該自由熔體高度液位處量測。
  22. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該主體之生長期間施加至該矽熔體之該尖點磁場係從一上磁性線圈及一下磁性線圈導出，且進一步其中從該上磁性線圈導出之一上磁場強度大於從該下磁性線圈導出之一下磁場強度。
  23. 如請求項1之方法，其中在該單晶矽錠之該主體之生長期間施加至該矽熔體之該尖點磁場係從一上磁性線圈及一下磁性線圈導出，且進一步其中從該上磁性線圈導出之一上磁場強度超過從該下磁性線圈導出之一下磁場強度達至少10%或至少15%。
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