TW480294B - Process for producing a silicon single crystal, and heater for carrying out the process - Google Patents

Description

480294 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 五、發明説明（1 ) 發明背景： 本發明乃關於用曹克勞斯基法生產矽單晶體的方法。 本發明也關於專為加熱裝矽材料的坩堝而安裝在坩堝下面 的加熱器。 用曹克勞斯基法生產矽單晶體時，實塊（固體）的矽材 料於石英玻璃坩堝（以下簡稱”坩堝”）内熔化，然後將一塊 晶體種子浸入熔體中，再自熔體中拉出單晶體。該方法自 始就不斷改進，到目前為止已經可以拉出直徑超過200公 厘的單晶體。然而，製造大型單晶體則問題重重，其中之 一乃有關矽材料熔化和單晶體拉出時熱力分佈和流態變化 的情況。在熔化矽材料方面，希望能儘可能的快速，並且 希望能具備熔體中所需要的熱力分佈及流態變化條件，所 拉出的單晶體無排差（位錯）缺陷。生產大型單晶體，相對 地必須在坩堝内熔化大量矽材料，一般要使用複（多）晶碎 塊和因含有排差而必須，再熔化的單晶體。熔化矽材料所需 要的熱能通常是以環繞坩堝周圍以及安裝在坩堝下面的電 .阻加熱元件提供。一種具有此類加熱元件的裝置在，例如 ，美國專利US-5360599號中揭示過。藉發熱體加熱至遠超 過矽材料熔化點的溫度，以求迅速熔化矽材料的一項不利 (實在）因素為，如果過度加熱該坩堝壁，熔化的矽材料會 侵襲（腐蝕）該坩堝。危險的是，自坩堝材料脫落的顆粒在 提升（拉製）單晶體期間到達結晶界面而造成排差。在坩堝 壁與結晶界面之間過大的溫度梯度會進一步產生無法控制 的對流，此對流又導致不欲有的熔體内局部性溫度起伏和 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (“請先間讀背面之注意事項再填寫本頁)

480294 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 __B7 五、發明説明（2 ) 熔體內摻雜劑及雜質的濃度變異。 本發明達到了減少矽材料在石英玻璃坩堝中熔化所花 費的時間及防止坩渦過熱和穩定熔體的目標。 發明詳细說明： 本發明乃關於藉於石英玻璃坩堝中熔化矽材料和從熔 化矽材料中提升單晶體生產矽單晶體的一種方法。其特徵 為至少於一段時間為由裝置於坩堝下面的一具線圈加熱器 Μ感應方式將熱能送進熔體。 本發明也關係到一具安裝在坩堝下面的，用來加熱裝 矽材料的石英坩堝的加熱器。該加熱器要設計成繞線圈的 形狀，並配置可兼用交流電及直流電蓮作的接線盒。 本發明特別顯著的特徵是該熱能不單只是直接傳送到 熔融矽材料中，更經由電磁場感應產生對流迅速均勻地分 佈在熔體内。因為爐子其他元件（石墨元件）的電阻相當高 ，大部份能量都會傳送入熔材之中。這種熱能傳送的方式 和前述的種種後果，大量節省熔化矽材料所需的時間。更 甚者，藉直接進入坩堝內部的熱能輸送防止了環繞坩堝周 圍的電阻加熱器造成過熱。在拉提單晶體期間，藉感應熱 源在熔體内造成的對流又可以減低無法控制的局部溫度起 伏和摻雜劑與雜質的濃度變化，以穩定熔體。這樣更增進 了拉製的單晶體無排差和摻雜均勻的機率。 因為矽材料只有在其液態才會與感應電磁場產生所欲 的反應，所以在製程開始時要藉電阻加熱器將固態矽材料 熔化，同樣地，環繞著坩堝裝置的傳統式加熱器，為了相 -4 ~ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -,^1 訂 本纸張尺度適用中國國家榡準（CNS ) Α4規格（210X29*7公釐） 480294 Α7 Β7 五、發明説明（3 ) 同的用途也可以按照本發明的方式裝置為底部加熱器。該 底部加熱器與直流電源相連可以作為電阻加熱器用。然而 ，該底部加熱器也可以轉接上交流電源，Μ感應方式熔化 大部份矽材料，將熱能傳送至矽材料，較合意的方法是使 用正弦波交流電壓、用直流電壓分量調通的交流電壓或是 連續轉切電源產生的交流電壓。交流電壓的頻率最好是自 20赫到10千赫之間。因為較高的交流電壓頻率會使局部的 熱熔化效果比較低的交流電壓頻率更強。然而在較低頻率 下熱傳送可更深入坩堝內部，因此在此建議於熔化矽材料 時，為了矽材料儘快熔化，首先用較高頻率接著改用較低 頻率以穩定熔材料。在提升單晶體期間，底部加熱器可Κ 用直流電源（如習用電阻加熱器的功能一樣），或者用交流 電源或調過的直流電源進一步穩定熔體。 如果以調過的直流電源蓮作加熱器，熔體中的含氧量 可能也得以控制。含氧量特別受到熔體對流蓮動速度的影 響，該調過的電流中的交流電分量決定輸進熔體内的熱能 ,因而影響對流的驅動，至於加熱器所需要的總加熱能量 則由直流電分量控制。因此對流速度可以用改變調幅的方 式控制，而與全部熱能消耗量無關。 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 广請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 控制熔體中氧含量的其他可能措施，計有選擇一相對 強的調幅，因而設定一高對流速度，以及藉穿透熔體的外 靜電磁場審慎節制對流速度。 影響熔體中氧含量另一可能措施是藉改變交流電分量 的頻率，因為改變頻率能改變電磁場的集庙深度，故而影 -5 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X29*7公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 480294 Α7 Β7 五、發明説明（4 ) 響對流。 裝置的具體内容藉圖式作更詳细的說明。圖式中祗有 對本發明作更清晰的瞭解所需之特徵才予以披露。圔一以 示意方式顯示藉曹克勞斯基法提升單晶體裝置的縱向截（ 剖）面圖，及實施本發明方法的加熱器。圖二至圖四是加 熱器較合意的設計特色的詳圖。圔五所示的是該加熱器的 一個特殊優先實施例，在這些圖式中，同樣的特徵用相同 的參考號碼。 首先參閱圖一，該圖示一個石英玻璃坩堝（1)深深嵌 入支持（承）坩堝（2)之内，兩個坩堝支持（承）在一個座落 在一支既可旋轉又可軸向移動的軸頂的支持盤（3)上。該 坩堝（1)的側面（周圍）被圓筒形電阻加熱器環繞。依照本 發明，底部加熱器（4)安裝在坩堝下面，徑间的空槽（該圖 中未予顯示）減低不欲有的對支持坩堝（2)的感應偁合。相 應地在底部加熱器下面的其他部件最好也在徑向開有空槽 。該底部加熱器（4)主要包括一具線圈，最好是以石墨、 CFC (碳纖維複合物）、或者如钼或钽等金屬製成。線圈内 的各個匝（6)自內部電路連接體（7)於寬廣路徑引接至外部 電路連接體（8),線圈的匝數受到線圈材質的限制，以碳 材製造的線圈，因為碳材的電阻率較高的關係，比用金展 做的同直徑線圈少幾匝。線圈的各Μ可作單層排列，亦可 作多層（各圈重疊）排列，底部加熱器下面有一片絕熱底板 (9)。最好是線圈的每一匪電線至少有三個支持點機械地 固定在底板上。例如使用一些支持元件扣住各Μ電線，這 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） (，請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

480294 Α7 Β7 五、發明説明（5 ) 些元件是電絕緣或者以電絕緣材料製成的。這些支持元件 同時使各瓸電線相互間保持恆定距離Μ減緩可能發生的匪 振動。該底板最好是以石墨製成，並且同時權宜充作底部 加熱器内電極的電路蓮接體。 所用的支持元件可以是例如圖二所示的橋接元件（10) 連接於匝（6),並從後者（6)如底座般突出。在圖中顯示的 實施例中，底板（9)由一石墨板和下面的數石墨類板組成 的複合物。該橋接元件（10)適恰插入一個最好由石英玻璃 製成的管座（11)之中，該管座乃深深嵌入底板中相應的孔 內。 圖三顯示線圈的各個距如何被支撐在底板上的另一個 實例。在本實施例中，使用一具梳形電絕緣隔片（12)置放 在底板上（圖中未顯示）發揮支持元件的功能，該隔片（12) 最好是以氮化硼製成，該隔片的一側有管腳（13)插入各匝 (6)之間的縫隙。 圖四示構成西的支持件的另一實施例。此例所提出的 支持元件是一環形電絕緣隔片（14),該隔片支持兩個連接 的匝（6)並用螺稈（15)旋緊在底板（9)上。螺桿頭（16)穿過 一個電絕緣墊片（17)將匪固定於隔片上，該螺稈最好是以 CFC製成。該隔片及墊片最好是以氮化硼製成。另一個類 似支持匪的可能做法為將Μ以環形電絕緣墊片固定在底板 上（圖中未顯示）。此實施例便於用（例如）螺桿將Μ連接在 底板上。該螺稈為電絕緣或是以電絕緣材料製成的，穿過 底板和墊片旋入匝内。如果底板是以電絕緣材料（例如氮 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） η -閱 讀 背 意 再

頁 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 480294 A7 B7 五、發明説明（ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 化硼）製成的，則Μ更可以用CFC螺桿直接固定在底板上。 在提升一塊單晶體時，通常用軸擧起坩堝，使熔體表 面保持恆定高度，不因體積減少而降低。由於熱能輸入的 總量因底部加熱器與坩堝間的距離變化而不同，所以最好 讓底部加熱器跟隨著坩堝的軸向蓮動移動，並以同樣方式 使其與坩堝間的距離保持恆定。原則上，為此可設置獨立 機構，同步移動底部加熱器及坩堝。在一項優先實施例中 ，坩堝底部加熱器的軸向蓮動用一種特殊設計的軸（18)來 帶動（圖五所示）。軸（18)分成兩個同軸組件（18a)及（18b) ，内軸組件U8a)乃設計成底部加熱器（4)的內部電路連接 體。外軸組件（18b)連同底板（9)及底管（19)做為底部加熱 器的外部電路連接體，並且同時支持底板（9)。底板（9)連 同底管（19)及支持坩堝（2)三者共同構成一個空室（20)用 以容納該底部加熱器（4)。底部加熱器實質上被包封在空 室（20)之内，於是加熱器所產生的雜質不會經由氣相抵達 熔體。電路連結體經由兩個滑環（21a)及（21b)和電源連接, 圖式簡單說明： 圖一：藉曹克勞斯基法提升單晶體裝置的縱向截（剖）面圖 ，及實狍本發明方法的加熱器。 圖二：加熱器較合意的設計特色的詳圖。 圖三：加熱器較合意的設計特色的詳圖。 圖四：加熱器較合意的設計特色的詳圖。 圖五··加熱器的一個特殊優先實施例。 請 先 讀 背 $ 訂 罇 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 480294 A7 ___B7 五、發明説明（7 ) 主要元件編號： 1石英玻璃坩堝 2支持坩渦 3支持盤 4加熱器 6 匝 7肉部電路連接體 8外部電路連接體 9底板 10橋接元件 11 管座 12隔片 13管腳 14環形電絕緣隔片 15嫘桿 16螺桿頭 ， 17 墊片 18 軸 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 18a內軸組件 18b外軸組件 19底管 20 空室 21a滑環 21b滑環 一 9 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）

Claims (1)

1. 480294 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1· 一種生產矽單晶體的方法，包括 在石英一玻璃坩堝内將矽熔化成矽熔體； 在矽溶體中提升單晶體；及 藉線圈加熱器（石墨或碳纖維複合體製者)將能量送入 矽熔體内，該加熱器，至少在一段時間以感應方式加 熱該溶體； 該加熱器，至少在一段時間，充作電阻加熱器；及 該加熱器並不主動冷卻該加熱器。 一種提升矽單晶體之裝置，包括 一裝滿矽熔體之石英一玻璃坩堝； 一加熱該掛塌之加熱器，安放在掛竭下面，無主動冷 卻該加熱器之裝置，其中該加熱器為繞線線圈式，由 石墨或碳纖維複合體製者； 該加熱器以感應方式加熱該熔體；及 該加熱器為電阻加熱器。 如申明專利範圍第1項的方法’其中該交流電源的頻 率是變化的。 4·如申請專利範圍第1項的方法，其中在矽材料熔化期 至少有一段時間用調過的直流電運作該裝置。 如申請專利範圍第1項的方法，其中在提升單晶體期 用直流電運作該裝置^ % 如申請專利範圍第1項的方法 用交流電運作該裝置。 如申請專利範圍第1項的方法 2· 3. 間 5· 間6. 間 7. 其中在提升單晶體期 其中在提升單晶體期 --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

   六、 申請專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ] 用調過的直流電運作該裝置，交流雷八县办+ 8量之間的比率是m 父流電刀量與直流電分 ^項的方法’其中在提升單晶體期 調過的直流電運作該裝置，並且產生穿㈣㈣的 ;，：申請專利範圍第μ的方法，其中在提升單晶體期 化的用調過的直流電運作該裝置，交流電分量的頻率是變 Ιικ如中請專利範圍第2項的裝置，其中該加熱器線圈的 U咀藉橋接元件以機械方式固定在底板上。 各re如申睛專利範圍第2項的裝置，其中該加熱器線圈的 藉隔片以機械方式固定在底板上，該隔片由電絕緣材 裂成，並如梳子般嵌入各匝之間。 =·如申請專利範圍第2項的裝置，其中該加熱器線圈的 匝藉以絕緣材料製成的環形隔片以機械方式固定在底板 Q 13 如申清專利範圍第2項的裝置，其中該加熱器線圈的 Η阻直接固定在由電絕緣材料製成的底板上。 •如申請專利範圍第11、12或13項的裝置，其中該電 、絶緣材料為氮化硕。 15·如申請專利範圍第2、10、11、12或13項的裝置，其 中該加熱器線圈可垂直位移。 16·如申請專利範圍第2、10、11、12或13項的裝置，其 中該加熱器線圈置放於空室中。 ---I I------------I--— — — — —^Aw. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)