TW408197B - Heat shield for crystal puller - Google Patents

Description

408107 i五、發明說明⑴ i發明背景 | 本發明係關係到用於生長一個單晶半導體材料之一晶体 |抽拉器，且更特別的是關係到用於如此的晶体抽妆器中的 一個熱罩。 單晶半導體 其通常係利用 備，於此法中 體源材料在·一 已熔化 鎮鍵被 溫度來 直徑， 控制該 準的補 鑄錠半 離以生 為了 抽拉製 用於在 被形成 至少三 照相機 雖然 材料之 材料内 長晶時 加以形 一旦達 柚拉率 償，接 徑被降 產半導 控制該 程中都 鑄錠被 於該鑄 個別點 可從該 該習知 長晶係 材料係用於 裘可洛斯基 ，像是多晶 個掛禍中被 且被缓慢地 ，一上端圓 成，因而擴 到了該目標 及熔化温度 近長晶製程 低以形成一 體材料之一 鑄錠的直徑 加以量測， 拙拉時自動 錠及已熔化 位置’因該 包圍材料處 的Cz法對於 為令人滿意

衣Χα汗夕％卞 -M H (Czochralski) ("Cz")法戶斤準 体矽多矽晶体）之多晶体半導 炫化’接著一種晶被下降進入兮_ 提咼以生長一單晶体鑄鍊，當兮 錐藉著降低該抽拉率及/或炫化 大了鑄錠的半徑直到達到—目標 直徑，該鑄錠的圓柱主体係藉^ 來加以形成以用於對降低炼化水 的終點但在該坩堝變空之前，詨 低端圓錐，其係自該熔液=被= 精製鑄鍵。 ，該鑄錠的實際直徑必須在整個 —照相機被設置於該坩堝之上以 決定鱗鍵的直經，該照相機量測 材料之一上表面間一新月形上的 新月形較包圍材料為亮’所以該 分辨新月形。 用在廣範應用中的單晶体半導體 ，然而，期待對於半導體材料的

408107 -五、發明說明（2) 品質能有更進一步的改善，例如當半導體製造商減少被形 成於半導體上積體電路線的寬度時’於該材料中出現的缺 陷變得更有重大關係，於單晶体半導體材料中的缺陷形成 於該晶体抽拉器中的晶体固化及冷卻時’如此之缺陷部分 因稱為空孔及自我-interstitials的一種過度（即超過可 溶解能力限制的一個濃度）之本徵點缺陷的出現所引起， 自我- interstitials係藉由在該晶格f出現的一個或多個 額外原子所產生，兩種缺陷反過來都會影響該半導體材料 的品質。 在慣例上鑄錠係以一過度之一種或其他形態的本徵點缺 1½所長晶，即晶体晶格空孔或自我-interstitials ’須瞭 解在鑄錠中此等點缺陷的形態及起始濃度係於固.化時變得 固定，且由長晶速度（即抽拉率）（v)對固化時（G〇)鑄錠中 的瞬間轴向溫度梯度之比率所控制，當此比率（v / G 〇)的數 值超過一 界值時’空孔之該濃度會增加，同樣地當v / G0的數值低於一臨界值時，自我-interstitials之該濃度 會増加’雖然任一種缺陷皆非所欲，然而通常產生更多空 孔之長aa方式對於半導體業而言係為較佳，該本徵點缺陷 之密度可藉由控制V/GD來加以降低以生長一晶体，格子，其| 中晶体格子空孔係為優勢的本徵點缺陷，且當其溫度在晶I 体抽拉製程間係處於約攝氏1150度到1050度的一個溫度範| 圍時，藉著改變（通常藉由降低）矽鑄錠中的熱梯度％來降I 低凝聚缺陷的成核率。 0 | 為了產生富有空孔的鑄錠及避免在該鑄綻中產生一徑向|

E:\1999NI\55133.ptd 第 7 頁 408107 五、發明說明（3) 空孔/自我- interstitial邊界環，v/G〇係要被控制成儘可 能的高，增加此比率的一種方法係為增加該鑄錠的抽拉率 (即長晶速度），然而該抽拉率亦為像是鑄錠直徑等其他朱 數所影響，所以可被增加之抽拉率的量係受到限制。 增加該比率的另一種方法係為降低在鑄錠中的熱梯度 ，為達此目的，一熱罩可被定位於該坩堝之内熔化表面 之上用來保持位於鑄鍵及溶化材料間界面處的熱以避免自 該熔化表面之熱損，於此方法内在該界面處之瞬間軸向熱 梯度GD係被降低，其可增加v/Go的比率，這些熱罩通常包 括—中央開口 ，當鑄錠從熔液表面長晶時該鑄錠會被抽拉 穿過該開口，在過去該中央開口被作成夠大以容許決定铸 錠直徑的照相機得以檢查穿過該開口之新月形上的點，否 則該熱罩將會阻礙照相機的檢查，因為該中央開口係為相 當的大以致能該照相機來檢查該點，一可觀的熱量向上逸 I出穿越該熱阻’所以顯著地降低了該熱阻的有效性。 、 丨發明概要 ! 可以注意到本發明之幾個目的與特性中乃一種熱單及一 i .晶體抽拉器的供應，其便於鬲品質單晶體鑄錠的成.長；如 ;此一種熱罩及一晶體抽拉器的供應，其可降低鄰近於溶接 丨表面處之瞬間軸向溫度梯度；如此一種熱罩的供應，其有ί i利於在晶體抽拉器中有輯高的產iii ;如此—種熱罩的& | :應，其可在一晶體抽拉器内的一個限定區域内操作；如此| 丨一種熱罩的供應，其可立刻採用於現存的晶体拖拉器上； :以及易於使用之如此一種熱罩的u供應及方法。

E:\1999NI\55133.ptd 第δ頁 408197 五、發明說明（4) _ 簡言之，此發明之裝置係為用於白阁 ， ζΐ* 固—~· yfffj Οβ 一晶体抽拉器中之一熱罩，該鑄錠伤士 士‘早日日体鑄錠之 源材料之該晶體抽拉器内被長晶超出―掛已惊化半導體 具有一中央開口之一反射器，其大小盥形^係，熱罩包括 長晶以降低自坩堝之熱傳遞時用於包 你在該鑄錠被 係適用於被支撐在已熔化材料及—照 ^缚鋒，該反射器 中，該照相機係被瞄準朝向該缚鍵門之晶體抽拉器 間一新月形上的三個別點，該反射 =^材料之上表面 過反射器的通道，各通道係位於沿箬ς =至少三個延伸穿 這些點之一間的一條假想線上延;’ 2機及新月形的 去檢查該點’戶斤以該點的位置 j 了該照相機 於計算該鑄錠的直徑而最小化以決定以用 於本發明之另-方面中，此發=損。 器用於形成—單晶体鑄鍵，：-晶體抽拉 容納已熔化半導體源材料，該單 禍用於 而-加熱器用於加熱該坩堝，該：：：此處長晶， 已惊化材料周圍匕=由：，’而-照相機被定位於 -中央開°，==相機間之-熱罩，該熱罩具有 禍之熱傳遞時用於包圍^=在該禱鍵被長晶以降低自掛 穿過熱的通道^ ’ ’讀熱罩具有至少三個延伸 些點之-間的—條〉位於沿著該照相機及新月形的這 條假想線上延伸：此舉允許了該照相機去 408197 4邱，‘ -五、普明說明（5) — 檢查該點，所以該點的位置可由照相機來加以決定以用於 計算該鑄錠的直徑而最小化穿過通道時的熱損。 又於本發明之另一方面中，此發明的裝置係為一熱罩， 其包括具有一中央開口之一反射器，在該鑄錠被長晶以降 低自坩堝之熱傳遞時用於包圍該鑄錠，該中央開口具有不 大於該鑄錠之一預定最大目標直徑的百分之十之一直徑， 且係環繞其之周邊至少約3 2 5度。 本發明之其他目的及特性部分係為明顯而部分將於此後 被指出。 圖示簡單說明 圖1係本發明之一熱罩及晶體拉引器之一示意部分垂直

I 橫剖面視圖； - 圖2係該熱罩之一外部反射器之一頂視圖； 圖3係由圖2之3 - 3線所指示之優勢處所見之外部反射器 之一部分前視圖； 圖4係該鑄錠内軸向溫度梯度當作該鑄錠表面溫度之一 i函數所得的一個圖表；以及 圖5係該鑄錠内固化介面處之軸向溫度梯度當作半徑之 一函數所得的一個圖表。 相對應的參照字元指示了所有該圖示之數個示圖的相對應 零件。 元件對照表 10抽拉器 12 水冷殼 14 長晶室 16抽拉室 2 0坩堝 2 2 轉盤 2 4 加熱器 2 6 絕緣

β：\1999NIX55133.ptd 第10頁 408197 -五、發明說明（6) 3 0抽拉機構3 2 檢查埠 3 4 照相機 4 0熱罩 42 絕緣層 44, 46反射器48,60 中央開口 50槽 52 環 54 孔 56固定器 6 2 a - 6 2 c通道C 晶体 I 鑄錠 L假想線 Μ 新月形 Ρ 點 S 已熔化材料W 寬度 晶體抽拉器之熱罩 圖示詳細說明

現參照該圖形且特別是圖1，一晶体抽拉器係以參考數 字i 0於其全體内來加以指定，該抽拉器1 0係被用於生長製 造半導體晶圓用之該形態的單晶体鑄錠’，該抽拉器1 0包括 具有一内部含一長晶室1 4及被配置於該長晶室上之一抽拉 室1 6之一晶圓冷卻殼（通常被指示為1 2 )，一石英-坩堝2 0係 被定位於該長晶室1 4之内而用於容納從該單晶体矽鑄錠I |所長晶之處的已熔化半導體源材料S，該坩堝2 0係被設置

I 丨於一馬達驅動之轉盤22上，其環繞一垂直軸旋轉該坩堝且 丨提高該坩堝以在該鑄錠I長晶時維持已熔化源材料S之表面

I I於一定水準且自該熔液處移除源材料。 ! ! i 包圍該坩堝2 0之一加熱器2 4熔化該坩堝2 0中之已熔化源 | ； ! 丨材料S，該加熱器2 4係為外控系統所控制（未顯示），所以 I · i |該已熔化源材料之溫度於整個抽拉製程中被精確地控制，丨 |包圍加熱器24之絕緣26減少了穿過該殼12之側邊的熱損量 i i而有助於保持該抽拉器的外壁於相對地冷。 1 ! i I 一抽拉機構3 0 (僅其之一部分被顯示於圖1中）旋轉一種 | |晶C且將之上下移動穿過該室丨4，16直到其接觸已熔化源 丨

E:\1999NI\55133.ptd 第U頁 408197 五明說明（7) 材料S之表面，接著該抽拉機構3 0緩熳地古曰 s亥至14 ’i6以長晶該多晶体鎮鍵I，抽如

—Li ^ /日日价抽拉機構30旋轉晶体C 時的速度及抽拉機構提高該晶体（即該抽拉率v)之速度係 為外控系統所控制’該控制系統亦控制了在抽拉製程"間; 堝2 (3之移動速度。 -檢查埠3 2廷伸穿過該水冷殼1 2 ’所以被設置於該淳上 的照相機3 4在鑄鍵I長晶時可檢查鑄.鍵· I，該照相機3 4係被 瞄準進入抽拉室1 6内’所以其檢查形成於鑄鼓I及已溶化 材斜S之上表面間之新月形Μ上的三個別點P(僅為被顯示於 圖1中者之一）’此三個點P的位置被用於一已知的演繹法 丨以計算鑄錠I之直徑，所以像是抽拉率及材料溫度之操作 i參數可被調整以控制該鑄錠直徑，該晶体抽拉器-10之普遍 丨構造及操作係為那些具有該技藝之一般技師所習知者。 ί 通常被指定為40之一熱罩係被設置於己熔化材料s之表 | • ί ;面上，雖然其他的構造被當作係位於本發明之範圍内來加丨 ! !以想像，該較佳具體實例的熱罩40通常包括夾在分別的同丨 I軸定位於内或外部反射器4 4，4 6間之一絕緣層4 2，該内部 | |反射器44係為錐形，所以其向内向下傾斜以便在鑄錠長晶； i時將熱反射向上朝向該鑄錠，該内部反射器44具備一中央： ；開口 48 ’其允許了該鑄錠I可穿過熱罩40，包圍該中央開 ；口 48之内部反射器44之一低緣置於被形成在反射器46内之 ! 一槽5 0，該外部反射器4 6係為体形，所以當上升穿過甜堝 2 0時，其可從該鑄鍵I處將熱反射向下離開且弓丨導對流氣 体流往外’被提供環繞外部反射器4 6之上緣的一個環5 2包

B：\1999N'I\55133.ptcl 第12頁 408107 -五、發明說明（8) 括用在可釋放連接該熱罩40至具備固定器56之抽拉器10的 孔5 4，雖然在不離開本發明的範圍下其他的材料可被使 用，該較佳具體實例之内部與外部反射器44，4 6分別地係 由8厘米厚的石英所製成，被用於較佳具體實例中之該絕 緣層4 2係為碳與碳纖維絕緣材料之鍵結。 如圖2中所舉例說明者，該外部反射器4 6具備一中央開 口 60，其與該内部反射器44之中央開口 48對正且其大小與 形狀於該鑄錠被長晶時用於包圍該鑄錠I，例如該較佳具 體實例的中央開口 6 0通常係為圓形以容納通常為圓形橫剖 面之圓柱鑄錠I，此外該較佳具體實例之中央開口 6 0的直 徑係為约2 2 0厘米之直徑，其意圖與抽拉器1 0 —起使用於 生長具有目標直徑約為2 0 0厘米之該鑄錠I，雖然.具有不同 大小中央開口 60之反射器46可在不離開此發明之範圍下被 i 始用，該最佳具體實例之中央開口具備不大於該鑄錠I之 | 一預定最大目標直徑的百分之十（即大於1.1倍）之一直 丨 ! ^ |徑，所以該熱罩開口 60具備一直徑，其等於該鑄錠之最大丨 目標直徑加上該直徑及一些邊際的公差以證明相對於熱罩 開口之該抽拉機構30的偏轉公差。 . ' 更如圖2中所顯示者，·該外部反射器4 6具備延伸穿過鄰 i近於中央開口 60之三個通道62a-62c，如顯示於圖1中者， |當該熱罩40係於已熔化材料S及照相機34間之晶体抽拉器 10内受到支撐，各通道6 2a-62c係位於沿著照相機及該照

I 相機所瞄準朝向之新月形Μ上的點P之一間延伸的一條假想 i線L(僅其中之一被顯示於圖1之中）上，此等通道62a-6 2c ! —

C:\1999NI\55133.ptd 第13頁 4G8197 五、普明說明（9) 允許該，相機34去檢查點P，所以該點的位置可被決定而 用於计算该鑄錠I的直徑，雖然被顯示的具體實例僅具有 三個通道62a-62c，若該照相機34係意圖去檢查在新月形μ 上的更多點Ρ，則該熱罩4 〇可具有更多通道。 /如圖2中所舉例說明者，該較佳具體實例之通道6 2 a - 6 2 c 係為ϋ形缺口打開進入外部反射器46之中央開口 6〇，各通 道6 2 a - 6 2 c係被定位於一圓弧上，以便該終端通道6 2 &， 62c係相對於該中央通道62t)呈一約15度至約5〇度之角度 A ’且相對於該中央通道呈一約3 5度為佳，如為熟習於該 技藝者所瞭解者’該通道方位允許照相機3 4去檢查新月形 上相隔45度間隔之三個點，經驗顯示此點間隔可導致該 鑄錠I直徑之一正確的量測。 七如舉例說明於圖3中者，該通道62a_62c具有有效的檢查 $度W ’垂直於該相對應的假想線L被量測，該假想線係夠 寬以便允許照相機34來檢查環繞該新月形μ之一足夠區 域’所以其可從該鑄錠I及已熔化材料S之表面處判別該新 月形’所以該點ρ的位置可以被正確地決定，然而該通道 6 2 a - 6 2 c之寬度W必須被最小化以減少經過該通道時的熱 | 損’雖然该通道62a-62c可在不偏離本發明之範疇下具有| 其他的有效檢查寬度W ’該較佳具體實例通道具備約1 〇厘 ： 来的有效檢查寬度，此導致寬於如顯示於圖2中之中央通丨 i道62b之各終端通道62a，62c以證明沿著穿過該終端通道 : i之假想線L發生之縮小深度，更有甚者，針對具有中央開 口 6.0之熱罩40用於容納直徑2〇〇厘米或更大直徑的鑄錠I，；

1*;\1999NI\55133. ptcl 苐14頁 408.07 -五、普明說明（ίο) 此導致該中央開口直徑係不大於該鑄錠之一預定最大目標 直徑的百分之十’而係環繞其之周邊至少約3 2 5度，所以 穿過中央開口 6 0及通道6 2 a - 6 2 c時之熱損係被最小化，該 通道6 2 a - 6 2 c之外端係被圍繞以減少反射器4 6内的應力集 中，各通道6 2 a - 6 2 c具有一約4 0厘来的長度d以證明沿著假 想線L之縮小深度及允許照相機3 4來檢查該點p，即使該已 嫁化材料表面S之水準變化時亦然，於該較佳具體實例中 該通道62a-62c具有小於30. 4平方公分之一級合區域，如 此構造之該通道允許照相機3 4去檢查該在新月形μ上之先 選擇點Ρ ’所以該.鎮旋I的直徑可被計算，而得避免已炼化 材料S處之熱損。 為了證明以上敘述之熱罩4 0的有效性，鎮錠I溫度梯度 G0的分析係針對本發明之熱罩及先前技藝之熱罩來加以執 行’該先前技藝之熱罩不具備通道，反而該先前技藝之熱 I罩具有一足夠大的中央開口以允許照相機穿過該開口去檢 |查新月形’所以該先前技藝之熱罩中央開口的直徑約為該 丨目標鎮鍵直径的1_5倍大，相較於本發明之熱罩的該受分 i析具體實例約為該目標鑄錠直徑的i .丨倍大，該分析的結 ;果係被顯示於圖4及5中。 !圖4顯不了經過該鑄錠之軸向溫度梯度GD當作該鑄錠的 丨表面溫度的=個函數，通常該整体的最大溫度梯度應被最 :小化’但D亥鎮鍵於凝固時應被快速冷卻直到其達到發生缺 成核之一 μ度叙圍（例如對矽而言係為约攝氏1丨5 〇度至

403197 五、發明說明（η) 陷成核之一範圍内，該溫度梯度G〇必須愈低愈好以避免缺 陷的起始，在表面溫度掉到成核溫度之下後，該鑄錠應在 次地被快速冷卻以最小化在缺陷凝聚發生期間的時段，針 對先前技藝之熱罩（圖4中的實線）與本發明之熱罩（圖4中 之虛線）之結果的一個比較顯示了本發明之熱罩較先前技 藝之熱罩更為有效。 如從圖4中曲線的右端處的極大可是見，發生於固化界 面處（即通常鄰近於攝氏1425度熔液表面）之該整個軸向梯 度對於而言係較先前技藝之熱罩者為低，更有甚者1約攝 氏1400度至約1250度之表面溫度範圍上的軸向梯度對於本 發明之熱罩而言係較先前技藝之·熱罩者為高，此導致了該 鑄錠的冷卻較快而減少了抽拉製程的持續期間，.於該溫度 範圍中缺陷成核及凝聚發生處（即約攝氏11 5 0度以下），對 於先前技藝之熱罩及本發明之熱罩而言會導致約相同的軸 向梯度，所以本發明之熱罩相較於先前技藝之熱罩而言會 降低整個溫度梯度，缺陷數目及製程的持續時間。

； 另於圖5中所顯示者，本發明之熱阻導致在鑄錠之外部 區域中之一較低的轴向溫度梯度GQ，因為在鑄錠表面處之 ,對流及幅射冷卻的效應，該表面傾向於較快冷卻，所以在I

； I i外部表面處的溫度梯度輛向於較高，因為在該表面處的梯 |度係為較高，所以更多的效應會形成於該鑄錠的外部區域 丨内，理想上之溫度梯度應在任何半徑處皆相同，即圖5中 丨的曲線應為平坦者，籍由減少顯示於圖4中之整個溫度梯 度，在表面處的整個溫度梯度係被降低而減少了在表面處 | : — · 1

E:\1999NI\b5133.ptd 第丨6頁 408197 五、發明說明（12) 之缺陷數目，所以對於以本發明之熱罩所產生之鑄錠中的 缺陷分佈相較於先前技藝之熱罩所產生者係更為均勻。 鑑於以上所述，可見本發明之數個目的已然達成，而且 也已獲致其他的有利結果。 因無數之變化可在不偏離本發明之範疇而於以上結構内 被作成，故所有包含於上述或顯示於隨附圖示中之所有事 項應被解讀為舉例說明而非一限制意涵。 〇

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Claims (1)

1. μ.告叫 4G8197 六、肀請專利範圍 ； 1. 一種熱罩，用於包圍一個單晶体鑄錠之一晶体抽拉器 丨中，該鑄錠係在充滿已熔化半導體源材料之該晶體抽拉器 ] !内被長晶超出一坩堝，該熱罩包括具有一中央開口之一反 丨射器，其大小與形狀係在該鑄錠被長晶以降低自坩堝之熱 I i傳遞時用於包圍該鑄錠，該反射器係適用於被支撐在已熔 I |化材料及一照相機間之晶體抽拉器中，該照相機係被瞄準 |朝向該鑄錠及已熔化#料之上表面間一新月形上的三個別 丨點，該反射器具備至少三個延伸穿過反射器的通道，各通 i道係位於沿著該照相機及新月形的這些點之間'的一條假想 線上延伸，此舉允許了該照相機去檢查該點，所以各點的 |位置可由照相機來加以決定，以在使穿過通道時的熱損減 丨至最小的同時亦計算出鑄錠的直徑。 - I 2.申請專利範圍第丨項中之 熱罩，其中該通道係為與 :該反射器的中央開口相通的缺口。 3.申請專利範圍第2項中之熱罩，其中該通道包括一中 間通道及位於該中間通道之相反側的終端通道。 ; 4.申請專利範圍第3項中之熱罩，其中各通道係位於一 丨圓弧上，而各終端通道與該中央通道之間係沿著該圓弧量i :測相隔約15°〜50°。 丨 5. 如申請專利範圍第4項中之熱罩，其中各終端通道與 丨 • i 該中央通道之間係沿著該圓弧量測相隔約35°。 丨 6. 申請專利範圍第5項中之熱罩，其中各終端通道係寬 i 於該中央通道。 I 7. 申請專利範圍第1項中之熱罩，其中該反射器為一第 ：

   l-：\1 999NI\55133.ptd 第18頁 _侧丄07_ 六、啐請專利範圍 一反射器，且該熱罩進一步包括大致與該第一反射器同軸 之第二反射器，該第二反射器具有一中央開口與該第一反 射器之中央開口對正。 8. 申請專利範圍第8項中之熱罩，進一步包括一位於該 第一及第二反射器間之一絕緣層。 9. 申請專利範圍第1項中之熱罩，其中該中央開口係為 圓形且具備約較該鑄錠直徑大1. 1倍之直徑。 1 0.申請專利範圍第1項中之熱罩，其中該各通道具有一 有效檢查寬度，其於垂直於該對應假想線之約1 0公厘處加 I以量測。 ί

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