經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明() 1 發明背景 本發明係關於一種應用如柴克勞斯基法(c Z法)之 拉晶法,且特別是關於將一重的單晶體機械地固持著俾安 全及可靠地拉引該晶體的技術的改進》當晶體被固持期 間,此改進可降低生長中之晶體直徑的變異,因此使晶體 精確的生長。 習知技藝說明 關於一種從坩堝內一熔融半導體材料,如矽’拉引單 晶體的方法,發明者已提出一種改進之拉晶法,例如曰本 專利申請案No . 8 — 2 1 2055所描述。 如圖4所示,在此拉晶法中,一位在索5 1下端的晶 種夾頭5 2所固持的晶種5 3被帶至與一位在一未顯示於 圖之坩堝內之熔融材料相接觸,且晶種5 3被一晶種夾頭 提舉機構5 4拉引以便在晶種5 3的下方生長出一單晶 C。爲使晶單C安全的生長,是應用一種具有下列結構的 拉引方法:一止動箱5 7設在一滑動構件56上’該滑動 構件是藉一未顯示於圖之滑動構件移動機構而可垂直的移 動;用以將索5 1纏繞的晶種夾頭提舉機構5 4是設置在 止動箱5 7內;以及一設置在止動箱5 7下方,且由成對 構件組成的提舉夾6 0。可經由汽缸單元5 8的操作而將 提舉夾6 0之成對構件的下端打開及關閉。在開始拉引 時,單晶C被晶種夾頭5 2所拉引,當單晶C生長且變重 時,即從被晶種夾頭5 2拉引而切換至被提舉夾6 0所拉 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (許先闐讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -f; ! -4- A7 B7 五、發明説明() 2 引。 也就是,開始時滑動構件5 6是固定於一特定的位 置’且晶種夾頭5 2所固持的晶體5 3被帶至與熔融材料 相接觸,接下來,晶種夾頭52被晶種夾頭提舉機構5 4 拉引。因此,如圖4A所示,在晶種5 3的下方形成一頸 部5 9、一波形部Ck以及單晶C。 當波形部C k上升至如圖4 B所示之一預定的位置 時,提舉夾6 0即如圖4 C般的操作以使提舉夾之成對構 件的下端部分以留有間隙的方式接近波形部C k的小直徑 部。接下來如圖4D所示,滑動構件5 6上升,此時晶種 夾頭反向操作以便相對於滑動構件5 6將單晶C降低,使 得波形部C k的大直徑部與提舉夾6 0接觸且坐在提舉夾 上。 此時,如圖5.所示,施行控制以使總速度V t = V b +Va (Vb表示滑動構件56的上升速度,而Va表示 晶種夾頭5 2相對於滑動構件5 6的速度)變成一個定 値。需注意的是,當晶種夾頭5 2相對於滑動構件5 6向 下移動時,V a的値變成負的。在第二半段的控制期間, 波形部C k與提舉夾6 0接觸於例如X點,且一預定之一 部份的晶體負.荷在y點之前移轉至提舉夾6 0,且晶種夾 頭5 2在y點是停止的。依此操作,由晶種夾頭提舉機構 5 4的拉引被切換成由提舉夾6 0 ( 4 E )拉引。 在前述之技術中,由於拉引構件從晶種夾頭切換至提 舉夾時總速度V t = Vb+V a是被控制在一個定値,晶 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (讀先閩讀背面之注意事項再填寫本頁) -一β
經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -5- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明() 3 體之實際拉引速度(生長率)是經常地維持在一個所需求 的拉引速度V。對於保證晶體準確的生長’例如晶體的直 徑,此控制是有效的。然而,經由更進一步的實驗硏究’ 本發明的發明人發現,若當負荷開始移轉至提舉夾6 0 ’ 即時的改變某一點(點X )的控制條件,晶體的準確性’ 特別是晶體直徑的準確性,可以更進一步的增進。 發明槪要 本發明的一個目的是提供一種拉引單晶的方法’此方 法係依據如C Z法而可增進一重的單晶體之生長的準確 性。 本發明的另一個目的是提供一種拉引單晶的方法,在 拉引構件由晶種夾頭提舉機構切換至提舉夾之第二半段期 間,增進單晶生長的準確性》 爲達上述目的,本發明提供一種拉晶法,其包含下列 步驟:將由晶種夾頭固持之晶種與坩堝內之熔融材料接 觸;將晶種夾頭向上提舉以便在晶體下方生長出一單晶; 當單晶達到一預定的位置時,將提舉夾關閉,使提舉夾以 留有一小間隙的方式面對著晶體的一個預定的部位;將拉 引構件由晶種夾頭切換至提舉夾,同時導致晶體與提舉夾 頭之間一相對之垂直移動,以使晶體的負荷從晶種夾頭移 轉至提舉夾,其中晶種夾頭相對於提舉夾之上升/下降的 速度V a以及提舉夾的上升速度Vb所組成之總速度V t 是維持在一所需求的拉引速度V,直到負荷開始從晶種夾 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) ----------S-- (讀先閡讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 " -6- A7 ___B7_____ 五、發明説明() 4 頭移轉至提舉夾,當負荷開始轉移後,該總速度被操作成 低於所薷求的拉引速度V,且當一預定之一部份的負荷已 經被轉移時,速度Vb被操作成等於所需求的拉引速度。 由本發明之發明者所重複進行的實驗之結果顯示一趨 勢,即實際的拉引晶體的速度是取決於在晶體負荷從晶種 夾頭移轉至提舉夾期間的一較早的階段中(圖5之X點) 之提舉夾之上升速度Vb,所以當晶體負荷輕微的移轉至 提舉夾時,晶體是被一接近於速度Vb的速度所拉引。 當提舉夾並未變形且其固持部位沒有滑動的發生時, 上述趨勢變得更爲顯著。儘管當提舉夾變形且其固持部位 發生滑動,亦可明顯的觀察到上述趨勢。 當儘管在圖5之X點之後仍以總速度V t = Vb + 經濟部中央標準局員工消費合作社印掣 (讀先鬩讀背面之注意事項再填寫本頁) V a維持在一定値的狀況下進行拉引時,由於速度V b被 設定大於所需求的拉引速度V,實際的拉引速度超過所需 求的拉引速度V。當實際的拉引速度不同於顯現之拉引速 度時,晶體即變形。當晶體變形的程度大時,並須停止晶 體的生長,於是因爲直徑縮短的發生、晶體內雜質濃度 (如含氧量)分佈的變異以及其它問題的發生而使產能降 低。因此,習知的方法是不理想的。 在本發明中,爲了解決上述缺點,經由一改良的控 制,其中總速度V t是維持在所需求的速度V直到負荷要 開始從晶種夾頭移轉至提舉夾,但是當負荷開始移轉時, 總速度即被設定成小於所需求的速度V。 在提舉夾的變形或類似的情形小時,當負荷的移轉開 本紙張尺度適财國國家梯準(CNS ) Α4· ( 210X297公釐) ~' 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ^_ ,‘ B7 五、發明説明() 5 始時,速度Vb是被設定成等於所需求的速度V,以使總 速度V t小於所需求的速度V。 如上所述,當提舉夾不變形且不發生滑動時,晶體的 拉引速度變得強烈的取決於提舉夾的上升速度Vb ’所以 當負荷已輕微的移轉至提舉夾時,晶體是被一實質上相等 於上升速度V b的速度所拉引。 因此,此控制的執行可以使得當負荷已開始移轉至提 舉夾時(圖5中之X點),提舉夾的提舉速度Vb被設定 成等於所需求的拉引速度V,且在此同時,晶種夾頭的相 對速度V a被設定成零。然而,若晶種夾頭的相對速度 V a被設定成零,則不可能將負荷移轉至提舉夾。 爲解決此問題,當負荷的移轉開始畤,提舉夾的上升 速度V b是被設定成相等於所需求的拉引速度V且晶種夾 頭的相對速度V a是維持一負値(即晶種夾頭是向下移 動)直到一預定之一部份負荷已轉移爲止;且當該預定之 一部份負荷已轉移時,晶種夾頭的相對速度V a被設定成 零,此結果使得提舉夾的上升速度Vb變成與所需求的拉 引速度V相等。 與一總速度V t是從開始到結束皆維持在一定之下所 執行的拉引比較,依據本發明的方法,任一晶體可以在一 較高的準確度下生長。因此,本發明可以解決習知方法的 缺點,如由於變形而造成晶體之不連續之生長、直徑縮短 的發生、晶體內雜質濃度(如含氧量)分佈的變異以及其 它問題的發生而造成產能的降低》 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210X297公釐) ----------^-- (諳先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -f' -8- 經濟部中央檩準局員工消費合作衽印製 A7 B7 五、發明説明() 6 較佳實施例之詳細說明 現在將參照附圖詳細的說明本發明的一個實施例。 本發明的拉晶法係一種應用柴克勞斯基法(C Z法) 以生長一種半導體材料晶體,如矽,且適合於重的單晶體 安全及可靠的生長。首先,參考圖1,藉以說明一種使用 本發明之拉晶法的拉晶設備的基本構造》 一種拉晶設備1包含一個未顯示於圖中的下室,此下 室具有一未顯示於圖的坩堝,一個可膨脹的伸縮管室2, 設於該下室的上部,及以一個滑動構件3,設在該伸縮管 室2的上部。藉一提舉機構4,滑動構件3可以垂直地移 動。在滑動構件3上,一圓筒軸承3 a旋轉地支撐著一止 動箱5。 提舉機構4包含一球形螺栓7,經由一驅動馬達6 , 該球形螺栓可繞著一垂直的軸轉動,一滑動構件3之螺栓 旋合部3 r,可與球形螺栓7相旋合,以及一導桿8,用 以引導滑動構件3垂直地移動。當球形螺栓7轉動時,滑 動構件3即垂直地移動而伸縮管室2即膨脹或收縮。 藉著一旋轉機構1 0,止動箱5可繞一垂直的中心軸 旋轉。旋轉機構1 0包含一旋轉馬達1 1,其設在滑動構 件的上表面的一端,一小直徑的皮帶輪1 2,設在旋轉馬 達1 1的輸出軸上,一大直徑的皮帶輪1 3,設在止動箱 5的外周邊且與該止動箱成一整體,以及一皮帶1 4,圍 繞且沿伸於小直徑皮帶輪12以及大直徑皮帶輪13之 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) ---------___Φ------1T------ (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -9- A7 B7 五、發明説明(7 ) 間。當馬達1 1驅動時,止動箱5即繞著垂直的中心軸而 旋轉。 在止動箱5的上方設置有一晶種夾頭提舉機構15以 及—負荷測量機構16。晶種夾頭提舉機構1 5包括·-導 輪2 1以及一滾筒2 〇,用以藉著馬達1 9將索1 8纏 繞’該索的頂端是接於晶種夾頭1 7。晶種夾頭的頂端固 持著一晶種2 2。 負荷測量機構1 6包含一用以支撐導輪2 1的臂 2 3 ’ 一支撐構件2 4,以樞接的方式支撐著臂2 3的基 部’以及一負荷傳感器2 5,用以承載臂2 1的頂端。當 單晶C生長時是被晶種夾頭提舉機構1 5所拉引,作用於 負荷傳感器2 5的負荷是經由導輪2 1與臂2 3而被測 量’用以決定單晶C的重量。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (諸先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 在止動箱5的中間部分提供有一提舉夾驅動機構 2 6。此提舉夾驅動機構2 6包括附接於止動箱5的一對 開/關汽缸單元2 7,以及一對元件,其構成提舉夾2 8 且與汽缸單元2 7的活塞桿的頂端相連接◊提舉夾2 8呈 剪刀狀,且構成提舉夾的該成對的元件的中間部分是經由 一插銷3 0而偶合在一起俾能樞轉的移動。因此,當汽缸 單元2 7作動時,設在提舉夾之成對元件的底端的晶體固 持部2 8 a即打開、關閉。 提舉機構4的驅動馬達6、旋轉機構10的旋轉馬達 1 1、晶種夾頭提舉機構1 5的馬達1 9、負荷測量機構 1 6的負荷傳感器2 5以及提舉夾驅動機構2 6的開/關 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) -10- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ________B7__________ 五、發明説明() 8 汽缸單元2 7,皆與一未顯示於圖的控制器連接’俾能以 同步的方式進行控制。 接下來,將說明使用具有上述結構的拉晶設備的拉晶 法。 首先,將晶種夾頭1 7固持著的晶種2 2與坩堝內的 一熔融材料的表面相接觸。然後,當操作旋轉機構1 〇的 旋轉馬達11使止動箱5穩定的旋轉時’藉晶種夾頭提舉 機構1 5,以一預定的速度將纏繞索1 8以使其向上。因 此,在晶種的下方形成一頸部2 9、一波形部Ck以及一 單晶C。 接下來,當該單晶C的波形部c k被拉引至一預的位 置時,即操作開/關汽缸單元2 7以關閉提舉夾2 8的成 對元件,使得晶體固持部2 8 a的頂端以留有間隙的方式 靠近波形部C k的小直徑部,而晶體固持部2 8 a的上面 部分與波形部C k的大直徑部接觸。 當晶體固持部2 8 a關閉時,拉引構件開始切換。也 就是,已停止的滑動構件3被提舉,俾將提舉夾1 8逐漸 的向上舉起,且逐漸降低晶種夾頭1 7的拉引速度。當拉 引構件開始切換之後,晶種夾頭1 7及提舉夾2 8的速度 是如圖2所示般的改變。 在圖2中,V a表示晶種夾頭1 7相對於提舉夾2 8 的速度,而Vb表示提舉夾28(滑動構件3)的提舉速 度。在圖2所示的圖形中,(a)點表示開始切換拉引構 件,(b)點表示Va與Vb變成定速,(c)點表示作 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) ' " -11 - (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I II ϋ n ϋ n i . ^....--- - I I - · A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 五、發明説明() 9 用於晶種夾頭1 7的晶體負荷開始移轉至提舉夾2 8, (d )點表示一預定之部分的負荷已移轉室提舉夾2 8, 而(e )點表示已完成拉引構件的切換。 亦即,在點(a )時,提舉夾2 8開始提舉,且在此 同時,晶種夾頭1 7開始減速。在點(a)與點(b)之 間時,控制提舉夾2 8的向上移動以及晶種夾頭2 8的向 下移動,以使總速度Vt(=Vb+Va)與所需之拉引 速度V相等。在點(a )與點(b )期間,晶種夾頭17 的相對速度V_ a是一負値;也就是,相對於提舉夾2 8, 晶種夾頭1 7是向下移動的。因此,位於晶體固持部 2 8 a上方之波形部C k的大直徑部,開始向晶體固持部 2 8 a靠近。 以上所述之步驟與習知的方法中所使用的相同,且點 (a )與點(b )之間的速度V a及V b的斜率可以如習 知的方法般自由的設定。 在本發明中’當晶體負荷從(c )點開始被移轉至提 舉夾2 8時,開始施行拉引,以使合成的總速度V t變得 小於所需求的拉引速度V (其中Vt=Vb— Va)。也 就是,在習知的方法中,拉引是依據圖形(2 )進行,即 使是在(c )點以後,其中總速度V t亦與所需求的拉引 速度V相同。本發明的發明者發現,當在(c )點時使總 速度V t小於所需求的拉引速度時,晶體可更精確的生 長。本發明即基於此觀點而被創造出。 亦即,從晶體負荷開始移轉的(c )點開始,實際的 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂. -12- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 __ B7 五、發明説明() 10 拉引速度主要取決於提舉夾2 8的提舉速度V b,結果是 實際的拉引速度超過目標拉引速度V。當提舉夾2 8不變 形且提舉夾2 8與波形部C k之間不發生滑動時,此趨勢 將變得顯著。在這樣的情況下,在(c )點的時,提舉夾 2 8之提舉速度Vb較佳的是如圖形①所示般與所需求的 • 速度或目標速度V相同。 即使當提舉夾2 8發生變形或類似的情形時,亦可注 意到上述之趨勢。 當提舉夾2 8不變形時,晶體被帶至一個當該晶體的 負荷已輕微地移轉時,該晶體無法相對於提舉夾2 8垂直 的移動的狀態。也就是,爲了允許晶體可相對於提舉夾 2 8移動,必須在提舉夾2 8與晶體之間的接觸點發生移 轉。然而,當提舉夾2 8不變形時,此現像是不會發生 的。 相反的,在提舉夾2 8發生變形的情況下,儘管實際 的拉引速度強烈的受到提舉夾2 8之提舉速度Vb的影 響,由於提舉夾2 8發生變形或類似的情形,晶體相對於 提舉夾2 8稍微的向下移動。依此,此向下的移動必須經 由將提舉夾2 8的提舉速度設定成大於所需求的拉引速度 V以作爲補償。 當總速度Vt ( = Vb+Va) 即使在(c)點之 後仍維持一定之下施行拉引的情形下,晶種夾頭1 7的速 度V a仍維持負値,俾將晶體負荷移轉至提舉夾2 8。依 此’提舉速度Vb是經常性的大於所需求的拉引速度V, 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X 297公釐) -----.-----------訂------線 (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -13 - A7 ____^____B7 _ _ 五、發明説明() 11 其結果是實際的拉引速度超過所需求的拉引速度V。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 由於述之理由,在提舉夾2 8—點都不變形的情形 下,因爲提舉夾2 8的提舉速度Vb大於所需求的拉引速 度V,所以晶體是被一大於所需求的拉引速度V的速度拉 引。即使是在提舉夾2 8會變形的情形下,此變形可以藉 著提舉夾2 8提舉速度Vb的一相當於該變形量之輕微的 改變而加以補償。因此,當拉引是在總速度V t維持一定 之下施行時,實際的拉引速度超過所需求的拉引速度V。 爲了解泱前述問題,在本發明中,當提舉夾2 8變形 時,拉引的施行是可以使提舉夾2 8之提舉速度V b落在 一介於圖形①與圖形②之間的區域A內;也就是,總速度 V t小於所需求之拉引速度V。當提舉夾2 8不發生變形 時,是依據圖形①施行拉引。 較佳的是,區域A內的最大的提舉速度是經由提舉夾 2 8之強度實驗、晶體負荷移轉時晶體的重量及其它因素 .而加以決定。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 在點(c )與點(e )之間的過程中,晶種夾頭1 7 的相對速度V a是如習知的方法一直保持負値(即晶種夾 頭17是向下移動的),俾將作用於晶種夾頭17的晶體 負荷移轉至提舉夾2 8。被移轉的負荷的比値可以自由的 訂定。然而,若該比値過大,索1 8將會變得鬆驰。既然 索變得鬆弛不是所想要的,可移轉1 - 5 0%作用於晶種 夾頭1 7的負荷。 當一預定的部份負荷已被移轉,晶種夾頭1 7的相對 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) -14- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明() 12 速度V a被變成零,且當設定的控制是使提舉夾2 8的提 舉速度落在圖形①與圖形0之間的區間內時,提舉夾2 8 的提舉速度V b與所需求的拉引速度V相同俾能完成拉引 構件的切換。 範例 本發明將以範例說明。然而本發明並不受限於範例。 一種依C Z法生長之直徑爲6"的晶體,其中提舉夾 2 8之提舉速度Vb分別依圖3中之圖形①與圖形②改 變。在拉引的中段,拉引構件從晶種夾頭1 7切換至提舉 夾2 8。爲了做測試,使用了兩種提舉夾2 8,其中之一 是會嚴重的變形,另一個只是會變形,用以當晶體負荷移 轉時,測量晶體產生的形變。 在晶體是被會嚴重的變形的提舉夾2 8拉引的情形 下,測試結果顯示,當提舉夾2 8的提舉速度Vb是依據 圖形①改變時,晶體直徑的改變量是一 0 · 2mm,而當 提舉夾2 8的提舉速度Vb是依據圖形②改變時,晶體直 徑的改變量是一〇 . 9mm。 在晶體是被會變形的提舉夾2 8拉引的情形下,測試 結果顯示,當提舉夾2 8的提舉速度V b是依據圖形①改 變時,晶體直徑的改變量是+ 3 . 2mm,而當提舉夾 2 8的提舉速度Vb是依據圖形0改變時,晶體直徑的改 變量是一 0 . 6mm。
- I 依此,證明了當晶體是被會嚴重的變形的提舉夾2 8 拉引的情形下形①較有效、而在晶體是被會變形的提 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁j Γ 15- A7 B7 五、發明説明() 13 舉夾2 8拉引的情形下時,介於圖形①與圖形②之間的區 域較有效。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明並不限於前面所說明的實施例。前述之實施例 僅是做爲範例,且對實質上具有如所附之專利申請範圍所 述之相同的結構及提供有類似作用或功能者,皆在本發明 . · 的範疇之內。 圖式簡單說明 圖1是一拉晶設備之結構的主要部分的槪略圖。 圖2是晶種夾頭與提舉夾之速度變化圖,其中V a表 示晶種夾頭相對於提舉夾之相對提舉/下降的速度,而 V b是表示提舉夾之提舉速度。 圖3是實施中一特定拉引速度的例子的圖。 圖4A — 4E.是習知之拉晶法的圖。 圖5是習知拉晶法中,晶種夾頭與提舉夾之速度變化 圖。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 主要 元件 對 照 表 1 拉 晶 設 備 2 伸 縮 管 室 3 滑 動 構 件 4 提 舉 機 構 5 止 動 箱 6 驅 動 馬 達 本紙張尺度適用中.國國家標準(CNS ) A4規格(210 X 297公釐) -16 - A7 B7 五、發明説明() 14 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 7 球形螺栓 8 導桿 1 0 旋轉機構 1 1 旋轉馬達 1 2 皮帶輪 1 3 皮帶輪 1 4 皮帶 1 5 晶種夾頭提舉機構 1 6 負荷測量機構 1 7 晶種夾頭 1 8 索 1 9 馬達 2 0 滾筒 2 1 導輪 2 2 晶種 2 3 臂 2 4 支撐構件 2 5 負荷傳感器 2 6 提舉夾驅動機構 2 7 汽缸單元 2 8 提舉夾 2 8 ; a 晶體固持部 2 9 頸部 3 0 插銷 --------Ητ^— (讀先闔讀背面之注意事哼再填寫本頁) 、-'° 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) -17- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 _____B7_ 五、發明説明() 15 5 1 索 52 晶種夾頭 5 3 晶種 54 晶種夾頭提舉機構 56 滑動構件 5 7 止動箱 58 汽缸單元 6 0 提舉夾 3 a 圓筒軸承 3 r 螺栓旋合部 V t 總速度 V a 晶種夾頭相對於滑動構件之速度 Vb 滑動構件之上升速度 V 所需求之拉引速度 C 單晶體 C k 波形部 5 9 頸部 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS _) A4規格(210X297公釐) (讀先閩讀背面之注意事項再填寫本頁)
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