TWI424102B - 從熔體中生長矽單晶的方法和裝置 - Google Patents

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Description

從熔體中生長矽單晶的方法和裝置
本發明係關於一種從熔體中生長矽單晶的方法和裝置。特定言之，係關於一種生長矽單晶的方法，其係根據切克勞斯基(Czochralskimethod)方法生長矽單晶，同時在熔體上施加一水平磁場，即所謂的HMCZ法。
如專利EP0745706A1中揭示，已知在熔體上施加水平磁場會減少坩堝中熔體的對流及SiO的溶解。因而，在熔體上施加水平磁場是一種生產具有較低氧濃度的矽單晶的合宜手段。
還已知，可通過增加在矽單晶和熱遮蔽體之間流向一熔體自由表面之惰性氣體的流動速度，來降低矽單晶中的氧含量。增加的氣體流動速率加快了從熔體中蒸發出來的SiO的運輸，因而在矽單晶的生長中會摻入較少的氧。
JP 2004-196569A公開了一種HMCZ方法，其包含同時控制水平磁場的軸向位置以及氣流強度，以便生產低氧矽單晶。但是，控制水平磁場的軸向位置需要一複雜的控制系統。
本發明之一目的在於提供一種適合於生產低氧矽單晶的方法，該方法只需少量的手段來控制氧含量。
該目的係過一種從熔體中生長矽單晶的方法來實現，包含：在一坩堝中提供該熔體；在該熔體上施加一水平磁場，該磁場在場中心C具有一磁感應B；將氣體在該矽單晶與一熱遮蔽體之間導向一熔體自由表面；以及控制該氣體流過該熔體自由表面之一區域，該居裕係於一實質上垂直於該磁感應B的方向上延伸。
該目的係進一步藉由一種從熔體中生長矽單晶的裝置來實現，包含：一用於承載熔體的坩堝，一磁系統，用於在該熔體上施加一水平磁場，該磁場在場中心C具有一磁感應B，一圍繞該矽單晶的熱遮蔽體，該熱遮蔽體具有一連接至一面對一熔體自由表面之底蓋的下端，且相對於坩堝之中心軸M具有一非軸對稱形狀，從而使得在該矽單晶和該熱遮蔽體之間導向該熔體自由表面的氣體受該驅使而流過該熔體自由表面之一區域，該該區域係於一實質上垂直於磁感應B的方向進行延伸。
通過採用本發明，可以在至少大於50%、較佳至少大於70%、尤佳大於至少80%的矽單晶圓柱部分長度上，生長出氧濃度小於5×107 個原子/cm3 (根據新ASTM)的矽單晶。
施加在熔體上的水平磁場抑制了熔體內的熱對流，主要是抑制平行於磁感應(B)方向之熔體部分的熱對流。根據本發明，係使導向熔體自由表面的氣體流過熔體自由表面之一區域，在該區域內熔體中SiO的蒸發係有所增強的，因為該方向上的熱對流沒有被水平磁場所抑制。控制該氣體流過熔體自由表面之該區域係提高了SiO的移除，且明顯降低了熔體和矽單晶中的氧濃度。
另一方面，本發明還提供了一種降低惰性氣體消耗的技術方案，該惰性氣體係用來控制大直徑矽單晶(如直徑300毫米，450毫米或者更大)中的氧濃度。通常來說，獲致所生長之矽單晶中的目標氧含量所需的惰性氣體流速係取決於單晶的直徑。例如，相較於在直徑200毫米的單晶中保持相同氧濃度所需的惰性氣體流速，在直徑300毫米的矽單晶中保持一特定氧濃度需要更高的惰性氣體流速。若採用傳統方法抽拉直徑超過300毫米的矽單晶，則由於技術原因(如泵或者真空系統之不足)，則提供所需的氣流將越顯困難。但是，採用本發明之方法，可以避免這些困難，因為與採用傳統方法獲得相同氧含量所需的惰性氣體流速相比，獲得矽單晶中一特定氧目標濃度所需的惰性氣體流速較低。
水平磁場通常係藉由一磁系統產生，該磁系統包括圍繞坩堝對稱設置的(相對於坩堝之中心軸M)的若干線圈。本發明所定義之場中心C係將線圈分為二半的水平面與坩堝之中心軸M的相交點。磁感應B表示場中心C處之水平磁場的磁感應。
第1圖為一顯示適於根據HMCZ方法及本發明之特徵來生長矽單晶之爐的典型特徵的示意性剖面圖。
一承載熔體2的坩堝1係安置在殼體3內，並且置於一提升軸4上。通過抽拉機構16同時向熔體施加一水平磁場，以從熔體中抽拉單晶5。提供一圍繞單晶的熱遮蔽體6，以保護晶體免受來自設置于坩堝1周圍的側加熱器7產生的熱輻射。根據較佳的實施方案，另一加熱器18係設置在坩堝的下方。以一通過氣體入口進入殼體、再通過多個氣體排放開口17流出殼體之氣體，穩定地清洗殼體。該氣體係在單晶與熱遮蔽體之間被導向一熔體自由表面8，並進一步由熱遮蔽體和坩堝壁之間的熔體自由表面流至氣體排放開口17。該氣體較佳以相對於中心軸M非軸對稱的方式在單晶與熱遮蔽體之間導向熔體自由表面。磁場係藉由圍繞坩堝對稱佈置的線圈9產生。水平磁場的場中心C為將線圈分為二半的水平面與坩堝中心軸M的相交點。場中心的磁感應由磁感應B表示。根據本發明，熱遮蔽體6包含一底蓋10，底蓋10係連接(如通過螺釘固定)至熱遮蔽體下端，並且面對熔體自由表面8。底蓋相對於坩堝中心軸M是非軸對稱的，並且用作控制氣體流過一於一實質上垂直於磁感應B之方向上延伸之熔體自由表面之一區域的工具，即用作控制氣體以與中心軸M非軸對稱的方式流過熔體自由表面的工具。根據本發明之一較佳實施方案，熱遮蔽體係連接到支撐體上，以實現熱遮蔽體的旋轉。通過旋轉熱遮蔽體和連接在其上的底蓋，能更精確地控制氣體流過熔體自由表面之該區域。將熱遮蔽體旋轉到左(右)邊，將使氣體流到該區域之左(右)邊。而且氣體排放開口17較佳按照與坩堝之中心軸M非軸對稱的方式佈置，從而提高氣體流過該於實質上垂直於磁感應B之方向上延伸之熔體自由表面的區域。
第2圖係顯示出一根據本發明之較佳實施態樣的底蓋。底蓋包括環部分11，邊緣部份12和頸部部分13。邊緣部份可以為平的、凸面或凹面。所述環具有足夠大的內直徑，使得矽單晶能夠抽拉通過。邊緣部份從環水平延伸，且頸部部分係與邊緣部分的外邊緣相連，並且沿垂直於熔體的方向延伸。
本發明的效果可進一步參照第3圖及第4圖進行解釋，其中第3圖為第4圖的剖面圖，並且表示以平行於磁感應B的方向穿過單晶的軸向切割。主要顯示單晶5、坩堝1、熔體2以及底蓋10。箭頭“Si”表示熔體對流的方向。箭頭“Ar”表示氣體(舉例言之，如氬氣之惰性氣體)流動的方向，該氣體最初係在熱遮蔽體(未示出)與單晶之間導向熔體自由表面8。
底蓋10為非軸對稱形狀，從而使在單晶與熱遮蔽體之間導向熔體自由表面的氣體係流過熔體自由表面之一區域，該區域係於實質上垂直於磁感應B的方向上延伸。在該區域內，SiO的蒸發率提高，這是由於熔體中熱對流“Si”受水平磁場的影響較小，而且在此區域內“Ar”氣流能容易地除去從熔體中蒸發的SiO。
該區域較佳係在熔體自由表面之一部分上延伸，該部分具有一中心角α，α角係不小於45°且不大於135°，該部分之中心軸D係以垂直於磁感應B的方向取向，或者由於坩堝旋轉的影響，以偏離該垂直取向至多-30°或30°的方向取向。
邊緣部分12、頸部部分13、熔體自由表面8和矽單晶5形成通道14的邊界，該通道控制氣體沿著頸部部分的內壁流向頸部部分的開口15。底蓋係設置為使得離開開口的氣體流過熔體自由表面之一區域，該區域係於一實質上垂直於磁感應B的方向上延伸。邊緣部分12和頸部部分13的形狀較佳為橫向延伸至磁感應B。這使在熔體表面和邊緣部分之間流動的氣流速度加快，並且進一步提高從熔體中除去SiO的速度。
第5至8圖係顯示根據本發明較佳實施態樣之邊緣部分的形狀。該邊緣部分的形狀可以是長方形(第5圖)或者橢圓形(第7圖)，或者可以是具有圓整末端的長方形(第6圖)或具有橢圓形拓寬末端的長方形(第8圖)。在邊緣部分橫向增大至磁感應B的情況下，邊緣部分的長度L和寬度W的比率L/W滿足公式：1.1<L/W<3.0。長度L和寬度W係在環部分11的中心相交。
底蓋較佳的設計為：使得底蓋對矽單晶生長介面處軸向溫度梯度的影響盡可能小，並減小由於吸收來自熔體的熱輻射而導致的能量消耗。基於上述理由，底蓋的形狀較佳設計為例如實質上不於磁感應B的方向上延伸。製備底蓋的較佳材料為石墨。
第9圖及第10圖表示在沒有顯示晶體和熱遮蔽體情況下的矽熔體自由表面的上視圖。如說明，該部分的中心軸D係以垂直於磁感應B的方向取向，或者偏離所述垂直取向一至多±30°的角度β來取向。β的數值係取決於坩堝旋轉方向，即取決於順時針(第10圖)或者逆時針(第9圖)旋轉。
1．．．坩鍋
2．．．熔體
3．．．殼體
4．．．提升軸
5．．．單晶
6．．．熱遮蔽體
7．．．側加熱器
8．．．熔體自由表面
9．．．線圈
10．．．底蓋
11．．．環部分
12．．．邊緣部分
13．．．頸部部分
14．．．通道
15．．．開口
16．．．抽拉機構
17．．．氣體排放開口
18．．．加熱器
B．．．磁感應
C．．．場中心
D,M．．．中心軸
L．．．長度
W．．．寬度
α,β．．．角度
第1圖為一顯示適於根據HMCZ方法及本發明之特徵來生長矽單晶之爐的典型特徵的示意性剖面圖；
第2圖係顯示出一根據本發明之較佳實施態樣的底蓋；
第3圖及第4圖係進一步解釋本發明的效果，其中第3圖為第4圖的剖面圖，並且表示以平行於磁感應B的方向穿過單晶的軸向切割；
第5至8圖係顯示根據本發明較佳實施態樣之邊緣部分的形狀；以及
第9圖及第10圖表示在沒有顯示晶體和熱遮蔽體情況下的矽熔體自由表面的上視圖。
1．．．坩鍋
2．．．熔體
5．．．單晶
8．．．熔體自由表面
10．．．底蓋
12．．．邊緣部分
13．．．頸部部分
14．．．通道
B．．．磁感應
D．．．中心軸
α．．．角度

Claims (8)

  1. 一種從熔體中生長矽單晶的方法，包括：在一坩堝中提供該熔體；在該熔體上施加一水平磁場，該磁場在場中心C具有一磁感應B；將氣體在該矽單晶與一熱遮蔽體之間導向一熔體自由表面；以及控制該氣體，從而使該氣體受到驅使而以相對於該坩堝之中心軸M非軸對稱的方式流過該熔體自由表面之一區域，該區域係於一實質上垂直於該磁感應B的方向上延伸。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該區域形成該熔體自由表面之一部份，該部分具有一不小於45°且不大於135°的中心角α，且該部分包括一中心軸D，該中心軸D係以垂直於該磁感應B的方向取向，或以偏離垂直線至多-30°或+30°的方向取向。
  3. 如請求項1或2所述之方法，其包括藉由旋轉該熱遮蔽體來控制該氣體流過該熔體自由表面之該區域。
  4. 如請求項1或2所述之方法，其包括從坩堝中以一實質上垂直於該磁感應B的方向排出該氣體。
  5. 一種從熔體中生長矽單晶的裝置，包括一坩堝，用於承載熔體；一磁系統，用於在該熔體上施加一水平磁場，該磁場在場中心C具有一磁感應B；一圍繞該矽單晶的熱遮蔽體，該熱遮蔽體具有一連接至一面對一熔體自由表面之底蓋的下端，且相對於該坩堝之中 心軸M具有一非軸對稱形狀，從而使得在該矽單晶和該熱遮蔽體之間導向該熔體自由表面的氣體受該底蓋驅使而流過該熔體自由表面之一區域，該區域係於一實質上垂直於該磁感應B的方向上延伸，其中該底蓋包含一環部分，該環部分被一邊緣部分及一頸部部分圍繞，該邊緣部分與該頸部部分形成一通道，該通道具有一用於將該氣體導向該熔體自由表面之該區域的開口。
  6. 如請求項5所述之裝置，其中該區域形成該熔體自由表面之一部份，該部分具有一不小於45°且不大於135°之中心角α，且該部分包括一中心軸D，該中心軸D係以垂直於該磁感應B的方向取向，或者以偏離垂直線至多-30°或+30°的方向取向。
  7. 如請求項5所述之裝置，其中該邊緣部分係橫向延伸至該磁感應B，且該邊緣部分具有一長方形或橢圓形的形狀，或者具有一具經圓化末端或經橢圓形拓寬末端的矩形形狀。
  8. 如請求項5或7所述之裝置，其中該邊緣部分具有一在環部分中心相交的長L和寬W，長寬比L/M滿足下式：1.1<L/W<3.0。
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