TW531572B - Apparatus for manufacturing single crystal of silicon - Google Patents

Description

531572 A7 ____B7 五、發明説明（1 ) 發明背景 發明領域 本發明係有關一種用來在一磁場施加之下製造一單晶矽的 裝置。特別地，本發明係有關一種適於製造具有8吋或更 大直徑之單晶矽的裝置。 相關技藝說明 用來作爲一種用於半導體裝置基材之材料的單晶矽， 主要由Czochralski方法（此後簡稱爲C Z方法）加以製 造。最近也知道一種所謂的MC Z方法（磁場施加之C Z 方法），作爲一種對CZ方法之改良。根據該MCZ方法 ，爲了抑制由該熔融物加熱所引起之自然對流，一磁場被 施加至包含於一坩堝中之矽熔融物，製造一種單晶矽。 近來，已經要求8吋或更大直徑之單晶矽。在製造具 有此種大直徑之單晶矽時，使用一種充滿大量矽熔融物之 大坩堝。例如，1 0 0公斤或更多的矽材料填入該坩堝中 以便熔融於其中，然後拉引一單晶矽。然而，當使用此種 大量的矽熔融物時，由加熱所引起之自然對流變得旺盛， 引起該矽熔融物變得更加不穩定，並且使一單晶矽之成長 變得困難。採用可抑制此種矽熔融物之自然對流的MC Z 方法，在避免此種困難性時乃是有效的方式。 在使用於該C Z方法或該MC Z方法中之一單晶矽製 造裝置中，通常提供環繞一坩堝之外部周邊，用來加熱包 含於該坩堝中的矽熔融物之一圓柱狀加熱器。此圓柱狀加 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 請 先 閲 讀 背 之 注 意 項

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A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、 發明説明 ( 2) 熱 器 交 赔 地 形 成 由 上 端 向 下 延 伸 之 溝 槽 以 及 由 下 端 向 上 延 伸 之 溝 槽 0 一 電 流 垂 直 地 流 經 由 相 鄰 溝 槽 所 界 定 的 每 一 區 段 〇 在使 用 於 該 Μ C Z 方 法 中 之 一 單 晶 矽 製 造 裝 置 中 > 也 提 供 一 種 通 常 將 一 水 平 磁 場 施 加 至 包 含 於 該 坩 堝 中 的 矽 熔 融 物 之 磁 鐵 〇 結 果 > 在 使 用 於 該 Μ C Ζ 方 法 中 之 單 晶 矽 製 造 裝 置 中 由 垂 直 流 經 每 一 區 段 之 電 流 與 施 加 至 該 矽 熔 融 物 之 水 平 磁 場 的 交 互 作 用 在 該 加 熱 器 的 每 —* 區 段 上 施 加 一 力 〇 然 而 由 於 該 力 之 方 向 隨 流 經 該 區 段 之 電 流 的 方 向 而 變 化 可 能 導 致 該 加 熱 器 大 的 畸 變 與 破 裂 〇 特 別 地 贅 爲 了 製 造 此 種 大 直 徑 ( 例 如 8 吋 或 更 大 ) 之 單 晶 矽 特 別 是 近 來 已 被 要 求 之 1 0 至 1 6 吋 必 須 使 用 一 種 如 上 所 述 之 大 直 徑 坩 堝 並 且 進 一 步 必 須 使 用 一 種 亦 爲 大 直 徑 之 加 熱 器 以 配 合 該 坩 堝 〇 然 後 將 大 量 的 矽 熔 融 物 填 入 一 大 直 徑 之 坩 堝 中 〇 爲 了 在 一 單 晶 矽 的 成 長 期 間 將 此 大 量 之 矽 熔 融 物 維 持 在 一 固 定 的 溫 度 必 須 增 加 該 加 熱 器 之 發 熱 量 〇 結 果 工 作 電 力 增 加 導 致 流 經 該 加 熱 器 之 電 流 增 加 〇 另 一 方 面 爲 了 抑 制 發 生 在 此 種 大 直 徑 之 坩 堝 內 的 大 量 矽 熔 融 物 之 旺 盛 的 南 然 對 流 必 須 將 一 高 強 度 之 磁 場 施 加 至 該 矽 熔 融 物 〇 爲 了 具 有 8 吋 或 更 大 直 徑 之 一 單 晶 矽 的 成 長 必 須 供 應 —* 大 的 電 流 jCfef 與 —* 高 強 度 的 磁場 造 成 該 加 熱 器 畸 變 更 顯 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 531572

A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、 發明説明 ( 3 著 並 且 增 加 畸 變 引 起 該 加 熱 器 破 裂 的 可 能 性 〇 再 者 > 使 用 於 8 吋 或 更 大 直 徑 之 單 晶 矽 的 製 造 中 之 加 熱 器 本 身 非 常 重 由 於 其 本 身 的 重 量 引 起 該 加 熱 器 之 畸 變 也 引 發 了 一 種 問 題 〇 在 這 些 情 況 下 需 要 發 展 一 種 即 使 一 大 的 電 流 流 經 該 加 熱 器 即 使 一 高 強 度 之 磁 場 被 施 加 至 該 坩 堝 中 的 矽 熔 融 物 以 及 即 使 該 加 熱 器 具 有 一 大 的 直 徑 1 仍 可 在 不 引 起 所 使 用 之 加 熱 器 破 裂 的 情 況 下 製 造 —· 單 晶 矽 之 裝 置 〇 發 明 摘 要 本 發 明 的 一 個 巨 的 在 於 提 供 一 種 用 來 製 造 一 單 晶 矽 之 進 步 裝 置 即 使 一 大 的 電 流 流 經 該 加 熱 器 即 使 —► 高 強 度 之 磁 場 被 施 加 至 該 坩 堝 中 的 矽 熔 融 物 y 以 及 即 使 該 加 熱 器 具 有 —* 較大 的 直 徑 其 仍 可 在 不 引 起 所 使 用 之 一 加 熱 器 破 裂 的 情 況 下 製 造 一 單 晶 矽 〇 透 過 廣 泛 的 研 究 贅 本 發 明 的 發 明 人 發 現 在 用 來 製 造 一 單 晶 矽 之 一 裝 置 中 採 用 以 下 特 性 1 ) 至 3 ) 的 某 種 組 合 可 抑 制 由 流 經 一 加 熱 器 每 一 區 段 之 一 電 流 jCfet 與 施 加 至 矽 熔 融 物 之 一 磁 場 的 交 互 作 用 所 感 應 之 畸 變 並 且 可 抑 制 由 加 熱 器 本 身 之 重 量 所 引 起 的 畸 變 使 得 即 使 伴 隨 流 經 該 加 熱 器 之 —► 大 的 電 流 即 使 伴 隨 施 加 至 該 矽 熔 融 物 之 一 高 強 度 的 磁 場 以 及 即 使 伴 隨 大 直 徑 之 加 熱 器 y 仍 得 以 在 未 引 起 加 熱 器 破 裂 的 情 況 生 產 -- 單 晶 矽 〇 1 ) 使 用 於 習 知 裝 置 中 之 加 熱 器 具 有 兩 個 電 極 部 分 ( 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） -6 - 531572 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、 發明説明 ( 4) 圖 5 中 3 2 所 指 的 部 分 ) > 並 且 由 通 過 該 二 電 極 部 分 之 電 極 所 支 承 〇 在本 發 明 中 除 了 在 習 知 裝 置 中 的 二 電 極 部 分 ( 主 電 極 部 分 ) 之 外 所 使 用 之 加 熱 器 具 有 兩 個 或 更 多 的 輔 助 電 極 部 分 並 且 設 有 兩 個 或 更 多 具 有 一 種 絕 緣 性 質 之 加 熱 器 支 承 構 件 以 便 經 由 該 輔 助 電 極 部 分 支 承 該 加 熱 器 2 ) 如 上 所 述 該 加 熱 器 形 成 由 上 端 向 下 延 伸 以 及 由 下 端 向 上 延 伸 之 交 錯 溝 槽 0 假 設 由 一 白 上 端 向 下 延 伸 之 溝 槽 至 下 一 個 白 上 端 向 下 延 伸 之 溝 槽 的 部 分 構 成 一 發 熱 部 分 ( 圖 5 中 3 4 所 指 之 剖 面 部 分 ) 此 種 可 呈 現 在 -- 加 熱 器 支 承 稱 件 與 一 電 極 之 間 以 及 呈 現 在 彼 此 相 鄰 的 加 熱 器 支 承 挫 稱 件 之 間 的 發 熱 部 分 之 數 巨 不 超 過 4 〇 3 ) 該 加 熱 器 的 每 -- 發 熱 部 分 具 有 不 小 於 2 5 m m 之 厚 度 〇 更 特 定 地 > 根 據 本 發 明 提 供 以 下 的 三 種 裝 置 〇 1 ) 一 種 用 來 製 造 一 單 晶 矽 之 裝 置 包 括 用 來 容 置 矽 熔 融 物 之 一 可 旋 轉 坩 堝 、 環 繞 於 該 坩 堝 外 部 周 邊 配 置 之 一 加 熱 器 用 來 將 一 直 流 電 供 應 至 該 加 熱 器 之 電 極 以 及 用 來 將 —. 水 平 磁 場 施 加 至 包 含 於 該 坩 堝 中 的 矽 熔 融 物 之 一 磁 鐵 〇 此 裝 置 之 特 徵 在 於 該 加 熱 器 具 有 多 個 發 熱 部 分 、 兩 個 主 電 極 部 分 、 以 及 兩 個 或 更 多 的 輔 助 電 極 部 分 ; 在 於 提 供 具 有 一 種 絕 緣 性 質 之 兩 個 或 更 多 的 加 熱 器 支 承 r-ti* 構 件 以 便 經 由 該 輔 助 電 極 部 分 支 承 該 加 熱 器 > 以 及 在 於 可 呈 現 於 一 加 熱 器 支 承 構 件 與 —* 電 極 之 間 或 者 呈 現 於 彼 此 相 鄰 的 加 頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 請 先 閲 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 -7 - 531572 A7 __B7 五、發明説明（5 ) 熱器支承構件之間的發熱部分之數目不超過4。 2 ) —種用來製造一單晶矽之裝置，包括用來容置矽 熔融物之一可旋轉坩堝、環繞於該坩堝外部周邊配置之一 加熱器、用來將一直流電供應至該加熱器之電極、以及用 來將一水平磁場施加至包含於該坩堝中的矽熔融物之一磁 鐵，該裝置之特徵在於該加熱器具有多個發熱部分、兩個 主電極部分、以及兩個或更多的輔助電極部分；在於提供 具有一種絕緣性質之兩個或更多的加熱器支承構件，以便 經由該輔助電極部分支承該加熱器；以及在於該加熱器之 每一發熱部分具有2 5mm或更大的厚度。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 3 ) —種用來製造一單晶矽之裝置，包括用來容置矽 熔融物之一可旋轉坩堝、環繞於該坩堝外部周邊配S之一 加熱器、用來將一直流電供應至該加熱器之電極、以及用 來將一水平磁場施加至包含於該坩堝中的矽熔融物之一磁 鐵，此裝置之特徵在於該加熱器具有多個發熱部分、兩個 主電極部分、以及兩個或更多的輔助電極部分；在於提供 具有一種絕緣性質之兩個或更多的加熱器支承構件，以便 經由該輔助電極部分支承該加熱器；在於可呈現於一加熱 器支承構件與一電極之間，以及呈現於彼此相鄰的加熱器 支承構件之間的發熱部分之數目不超過4;以及在於該加 熱器之每一發熱部分具有2 5 mm或更大的厚度。根據本 發明之單晶矽製造裝置，不只適合用於8吋或更大直徑之 單晶矽的製造，也可用於直徑小於8吋之單晶矽的製造。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 一 8 - 531572 A7 B7___ 五、發明説明（6 ) 較佳實施例之說明 本發明之實施例將參照附隨之圖式描述如下。 製造本發明之單晶矽的裝置之一示意結構顯示於圖1 中。如圖1中所示，在該裝置中，一旋轉軸1 2由一室5 之底部插入。一感受器1 3固定於該旋轉軸1 2之上端， 藉以支承一坩堝1 4。在該坩堝1 4中，容納一種矽熔融 物1 9。該感受器1 3由一加熱器1環繞。連接器6藉由 主電極部分2配接至該加熱器1。該加熱器1被連接至電 極7，該等電極7藉由連接器6自該室5之底部插入。該 加熱器1由一絕熱氣缸8環繞。該室5之外部設有超導電 磁鐵9，將一水平磁場施加至該坩堝14中之矽熔融物 1 9。用來拉引一單晶1 8之一可旋轉拉引構件11，例 如一可旋轉拉引軸或線，由該室5之頂部插入。一種子晶 體17配接至該拉引構件11之端部。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在該裝置中，藉由將該種子晶體1 7浸入該矽熔融物 1 9，並且藉著將一水平磁場施加至該熔融物以及旋轉該 旋轉軸1 2與該拉引構件1 1，將其由該熔融物拉引以生 產一單晶矽1 8。 如圖2與3中所示，使用於製造本發明之一單晶矽的 裝置中之加熱器1，具有多個發熱部分4、兩個主電極部 分2、以及兩個或更多的輔助電極部分3。更特定地，顯 示於圖2中之加熱器1設有兩個輔助電極部分3，而顯示 於圖3中之加熱器1設有十個輔助電極部分3。 雖然顯示於圖2與3中之輔助電極部分與該加熱器1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0'〆297公釐） 一 9 - 531572 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 _____B7 五、發明説明（7 ) 之發熱部分4整合在一起，然而此種整合之結構並非總是 必要的。藉著使用與加熱器相同的材料或一種不同的材料 模製，輔助電極部分可形成爲分離的構件，所形成的輔助 電極部分可被配接至該加熱器1的下方端部。 本發明之單晶矽製造裝置設有兩個或更多的加熱器支 承構件1 0，該等加熱器支承構件1 0具有一種電絕緣性 質’用來經由該等輔助電極部分3支承該加熱器1，如圖 4中所示。 由於陶瓷料材的絕熱性與耐熱性良好，具有一種電絕 緣性質之加熱器支承構件1 0，最好由一種陶瓷材料形成 ，例如碳化矽、氮化矽或氧化鋁。石墨亦可作爲用於該等 加熱器支承構件1 0之材料，並且在此種情況中，每一加 熱器支承構件1 0需要具有一絕緣的下部。該等加熱器支 承構件1 〇與該等輔助電極部分3之連接方法，與用於連 接電極與電極部分而經由連接器16連接之方法相同。 只要可支承加熱器，該加熱器支承構件1 0之形狀並 未特別受到限制。一範例爲與該等電極相同之柱狀。由於 對由一磁場所感應且作用於一旋轉方向的力量具有高抗力 ，一種柱狀或一種與其相似的形狀較適合。 如上所述，在根據本發明之單晶矽製造裝置的一個實 施例中，除了多個發熱部分與兩個主電極部分之外，該加 熱器具有兩個或更多的輔助電極部分；設置具有一種絕緣 性質之兩個或更多的加熱器支承構件，以便經由該等輔助 電極部分支承該加熱器；此外，可呈現於一加熱器支承構 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） — 一 一 10 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •1衣. 訂 531572 A 7 B7 五、發明説明（） 件與一電極之間，或呈現於相鄰加熱器支承構件之間的發 熱部分之數目不超過4。例如，就顯示於圖2中之加熱器 1而言，設有兩個加熱器支承構件。在此種情況中，呈現 於一加熱器支承構件與一電極之間的發熱部分之數目爲一 。在所使用之加熱器支承構件的數目與所使用之輔助電極 的數目相同的情況中，「呈現於一加熱器支承構件與一電 極之間」的措辭，可由「呈現於一輔助電極部分與一主電 極部分之間」的措辭所取代。 另一方面，在顯示於圖3之加熱器1的情況中，可提 供最多爲十個的加熱器支承構件。例如，如果使用十個加 熱器支承構件，呈現於一加熱器支承構件以及與其相鄰之 一電極間，或呈現於相鄰加熱器支承構件之間的發熱部分 4之數目爲零。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 每一個顯示於圖2與3中之加熱器的發熱部分之總數 (8)，與顯示於圖5中之習知加熱器31的發熱部分之 總數相同。在本發明之單晶矽製造裝置中，要求可呈現在 一加熱器支承構件與一電極之間，以及呈現在彼此相鄰的 加熱器支承構件之間的發熱部分之數目不超過4，並且要 求總計四個或更多的發熱部分呈現在該加熱器中。 如上所述，在本發明之單晶矽製造裝置的另一實施例 中，該加熱器具有多個發熱部分、兩個主電極部分以及兩 個或更多的輔助電極部分；設置具有一種絕緣性質之兩個 或更多的加熱器支承構件，以便經由該等輔助電極部分支 承該加熱器；此外，該加熱器中每一發熱部分之厚度被設 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 531572 A7 B7 五、發明説明（9 ) 定爲2 5 mm或更 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 大。 較佳地，每一發熱部分之厚 由於如果厚度超過5 0mm，流 並且也由於該加熱器本身會變得 如上所述，在本發明之單晶 中，該加熱器具有多個發熱部分 個或更多的輔助電極部分，並且 兩個或更多的加熱器支承構件， 分支承該加熱器，此外，可呈現 電極之間，以及呈現於相鄰加熱 分之數目不超過4，而這些發熱 m或更大之厚度。根據此種構造 該加熱器，即使一較高強度之磁 熔融物中，以及即使該加熱器具 器之畸變進一步受到抑制，並且 的情況下生產一種單晶矽。 範例 每一具有8吋直徑之單晶矽，使用一種在本發明之單 晶矽製造裝置以及在習知單晶矽製造裝置中具有2 4吋直 徑之石英坩堝，在一0.4T之水平磁場中生產。 在本發明之單晶矽製造裝置中，使用具有2 8吋內徑 且具有圖2與3所示之形狀的石墨加熱器。在使用圖2所 示之形狀的加熱器時，使用兩個加熱器支承構件，而在使 度不超過5 Omm。此乃 經該加熱器之電流過大， 過重。 矽製造裝置的另一實施例 、兩個主電極 設置具有一種 部分以及兩 絕緣性質之 以便經由該等輔助電極部 於一加熱器支承構件與一 器支承 部分的 ，即使 場被施加至該 有一較大的直 可在不引起該 構件之間的發熱部 每一個具有2 5m 一較大的電流流經 坩堝中的矽 徑，該加熱 加熱器破裂 請 先 閲 讀 背 之 注 意 事 項 再 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -12 - 531572 A7 B7____ 五、發明説明（1Q) 用圖3所示之形狀的加熱器時，使用十個加熱器支承構件 。因此，呈現於一加熱器支承構件與一電極之間，及/或 呈現於相鄰加熱器支承構件之間的發熱部分之數目，在用 於具有圖2中所示之形狀的加熱器時爲一，而在用於具有 圖3中所示之形狀的加熱器時爲零。 在二加熱器中，每一發熱部分之厚度被設定爲2 5 mm ° 在習知的單晶矽製造裝置中，使用一種具有2 8吋內 徑且具有圖5中所示之形狀的石墨加熱器。未使用任何的 加熱器支承構件。該加熱器每一發熱部分之厚度被設定爲 2 0 m m 〇 藉著本發明之單晶矽製造裝置，在未導致加熱器破裂 之情況下，可將8吋直徑之單晶矽拉引至一所需之長度。 在習知的單晶矽製造裝置中，在拉引具有8吋直徑之 一單晶矽的期間，該加熱器受到破壞，且該晶體拉引操作 被迫停止。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明並未受限於上述實施例。上述實施例僅爲範例 ，與附加之申請專利範圍具有實質上相同的結構，並且提 供相似的作用與效果者，亦包含在本發明的範疇中。 根據本發明，如前所述，即使一大的電流流經該加熱 器，即使一高強度之磁場被施加至該坩堝中的矽熔融物， 以及即使該加熱器具有一大的直徑，可在不引起一加熱器 破裂的情況下，生產一種單晶砂。本發明特別適合8吋或 更大直徑之單晶矽的製造。 本紙張尺度適用巾關家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) '' '~ 一 13 -

Claims (1)

1. 531572 附件2 第86103535號專利申請案 中文申請專利箏圍·修正木 民國90年3月修正；: Hii Ζ法製造單晶矽的裝置，包括： 用來容置矽熔融物； 於該坩堝之外部周邊配置，該加熱器 用來接受一直流電的兩個主電極部分 輔助電極部分； 熱器支1承構件，具有一種絕緣性質， 部分支承該加熱器；以及 一水平磁場施加至包含於該坩堝中之 熱器支承構件與一電極之間，或者呈 器支承構件之間的發熱部分之數目等 利範圍第1項之製造單晶矽的裝置， 發熱部分具有2 5 mm或更大的厚度 3 · —種以MC Z法製造單晶矽的裝置，包括·· 一可旋轉坩堝，用來容置矽熔融物； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 1 · 一種以M C 一可旋轉坩堝， 一加熱器，環繞 具有多個發熱部分、 、以及兩個或更多的 兩個或更多的加 並且經由該輔助電極 一磁鐵，用來將 矽熔融物， 其中呈現於一加 現於彼此 於或小於 2 . 其中該加熱器的每一 相鄰的加熱 4 〇 根據申請專 (請先閲讀背面之注意事項再填窵本頁) 一加熱器，環繞於該坩堝之外部周邊配置，該加熱器 具有多個發熱部分、用來接受一直流電的兩個主電極部分 、以及兩個或更多的輔助電極部分； 兩個或更多的加熱器支承構件，具有一種絕緣性質， 並且經由該輔助電極部分支承該加熱器；以及 一磁鐵，用來將一水平磁場施加至包含於該坩堝中之 矽熔融物， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 一 1 一 531572 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 其中該加熱器的每一發熱部分具有2 5 mm或更大的 厚度。 ί清先W璜背面之注意事項再填寫本頁) 4·根據申請專利範圍第3項之製造單晶矽的裝置， 其中呈現於一加熱器支承構件與一電極之間，或者呈現於 彼此相鄰的加熱器支承構件之間的發熱部分之數目等於或 小於4。 5 · —種以MCZ法製造單晶矽的裝置，包括： 一可旋轉坩堝，用來容置矽熔融物； 一加熱器’環繞於該坩堝之外部周邊配置，該加熱器 具有多個發熱部分、用來接受一直流電的兩個主電極部分 、以及兩個或更多的輔助電極部分； 兩個或更多的加熱器支承構件，具有一種絕緣性質， 並且經由該輔助電極部分支承該加熱器；以及 一磁鐵，用來將一水平磁場施加至包含於該坩堝中之 矽熔融物， 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其中呈現於一加熱器支承構件與一電極之間，以及呈 現於彼此相鄰的加熱器支承構件之間的發熱部分之數目等 於或小於4，同時該加熱器的每一發熱部分具有2 5mm 或更大的厚度。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）