TWI516650B

TWI516650B - 熔融設備

Info

Publication number: TWI516650B
Application number: TW102114420A
Authority: TW
Inventors: 那沙史托達德
Original assignee: 太陽世界工業美國公司
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2016-01-11
Also published as: CN103572375A; KR20140016148A; TW201404955A; EP2698454A1; KR101521697B1; US20140027430A1; US9664448B2; CN103572375B; MY180828A

Description

熔融設備

發明領域

通過引用併入美國專利申請US 13/561,456的內容。

本發明涉及一種用於諸如矽的半導體的熔融的設備。本發明還涉及一種用於諸如矽的半導體的熔融的方法。

發明背景

存在若干半導體結晶方法，其中必須熔融各種形式因素的固態原料。對於像浮區(Float Zone)、連續直拉(Czochralski)和電磁鑄造晶體生長等方法而言，一般難以提供高純度、精密計量的熔融矽流，並且許多方案改為選擇以小塊固態矽給送。浮區法還會使用高成本的多晶矽棒，但希望有能熔融一系列原料而不導入雜質並以精密計量的流量來遞送該熔融原料的熔融設備。

US 2010/0095883 A1、US 7 655 089 B2、US 2010/0037815 A1和US 2011/0185963 A1中公開了用於熔融矽的設備。

本發明的一個目的在於提供一種設備，該設備便於諸如矽的半導體的熔融。

發明概要

通過一種包括用於保持固態原料塊的容器和至少一個用於加熱容器內部的原料的裝置的設備來解決這一目的，其中容器包括用於保持原料塊的沿縱向延伸的管和底部，其中管佈置在底部上方，其中底部包括至少一個用於通過溢流放出熔融原料的出口，並且其中用於加熱的裝置包括至少一個由耐火材料/耐熔材料組成的線圈。

該設備適合於多種不同材料的熔融，並且特別是非常適合於其中材料將在室溫與熔融溫度之間具有大的傳導範圍的半導體。在不加以限制的情況下，我們將具體談論矽，但同樣可操作任何金屬或半導體。

根據本發明的一方面，為了熔融諸如矽的半導體的片塊，提供了一種用於加熱的裝置，該裝置包括至少一個加熱線圈，並且還提供一種用於保持矽塊的容器，該容器包括管和底部，其中容器的底部包括至少一個出口。

容器、也就是管和底部可一體地製成。

容器的底部形成液體保持裝置。容器的底部特別是呈盤形。根據本發明的一方面，能使用淺盤作為底部。希望在盤中具有淺熔融液位。

在矽的情形中，優選管和底部中的至少一者由石英製成。優選地，管和底部兩者都由石英製成。管和底部能分別由第二管或支承板加強和/或支承。支承件和/或加強件優選由氧化鋁、特別是稠密、高純度氧化鋁、或多鋁紅柱石、氮化硼或碳纖維製成。優選地，支承管是電絕緣的，並且可具有若干個窗口。

根據本發明的另一方面，底部包括具有至少一個作為出口的溢流管口的溢流盤，該溢流管口可作為唇形管口定位在側面，或作為小壁定位在中心孔周圍。

優選地，溢流管口佈置成使得其限定溢流液位，該溢流液位位於溢流盤的基部上方在0.5cm與10cm之間的範圍內的高度處。在此，關於容器的豎直縱向、也就是豎直方向測量該高度。

通過管口的這種佈置結構，維持了容器中、特別是底部中的液柱的特定高度，並且隨著新材料熔融，允許熔融材料離開，以允許保持溢流盤中的熔融材料的恒定液位。

根據本發明的另一方面，出口包括用於止擋固態矽塊通過出口的止擋元件。止擋元件特別是包括堰壩，該堰壩以使得堰壩的下緣處於由出口限定的溢流液位下方的方式佈置在盤的基部上方。

根據本發明的又一方面，線圈由以下材料中的至少一種製成：鎢、鉬、鉭、石墨、碳化矽和它們的複合物。

線圈優選由至少耐受矽的熔點的材料製成。線圈的材料優選具有優於矽的導電率。

在最簡單的構型中，線圈以單螺旋佈置在管周圍，不過多於一個獨立受控的線圈可定位在不同縱向高度處以用於更高的控制水平。

根據本發明的一方面，線圈連接到交流電(AC)電源、特別是射頻AC電源。AC電源的頻率處於50Hz至4MHz的範圍內，特別是1kHz至1000kHz的範圍內，特別是5kHz至500kHz的範圍內，優選高於10kHz，優選高於50kHz。

優選地，該設備還包括用於將固態矽原料向容器的可控給送的給送元件。這可以是大塊和小塊的混合物的一種批量轉儲，或者它可以是連續提供小號至中號矽塊的振動給料器。

容器優選佈置在具有可控氣氛的腔室內部。

根據本發明的又一方面，用於加熱的裝置還包括佈置在盤下方的底部加熱器。這種底部加熱器便於矽熔體的溫度控制和對離開溫度進行調節，並且允許即使從上方導入大量冷材料或暫時降低通往主線圈的功率，也維持坩堝底部中的液態。

該設備還能夠包括位於管周圍的絕緣元件和/或位於底部下方的絕緣元件。絕緣元件優選由氧化鋁纖維或碳纖維製成。管周圍和/或底部下方的這種絕緣提高了加熱設備的加熱效率。材料優選是無塵的以避免污染，並且電絕緣以避免來自感應加熱器的寄生耦合。

優選地，線圈與容器內部之間的所有材料、特別是原料具有至少1Ω cm的電阻率。

本發明的又一個目的是改善一種用於矽熔融的方法。

通過一種方法來解決這一目的，該方法包括以下步驟：提供用於保持半導體原料塊的容器，其中該容器包括管和帶有溢流管口的收集盤，其中管沿縱向延伸；提供至少一個用於加熱容器內部的原料的裝置，其中該用於加熱的裝置包括至少一個線圈，該線圈至少部分地包圍管，並且其中線圈由耐火材料組成；使用固態原料塊將容器一直充填至沿縱向的充填高度(h_f)；向線圈施加交流電以加熱容器中的原料，其中加熱包括感應加熱；以及將熔融原料收集在收集盤中。

本發明的核心在於向線圈施加AC電力以感應地加熱容器中的矽與將熔融矽收集在帶有溢流管口的收集盤中的組合。控制的關鍵在於給送速度直接取決於與所施加的線圈電力的敏感和快速回應的關係。

該方法適合於多種不同材料的熔融，並且特別是非常適合於其中材料將在室溫與熔融溫度之間具有大的傳導範圍的半導體。在不加以限制的情況下，我們將具體談論矽，但同樣可操作任何金屬或半導體。

根據本發明的方法允許矽的熔融，其中使熔融容積最小化，使給送速度控制最大化，並且原料靈活性盡可能寬。換言之，根據本發明的方法允許矽以高度可控的方式的非常有效的熔融。該方法能實現具有寬範圍的液體產量的連續操作。

根據本發明的另一方面，通過控制供給至線圈的電力來獲得熔融容器內部的矽的預定熔融速度。特別是在容器內部的矽被加熱至至少700℃的溫度的初始階段之後控制容器內部的矽熔融速度。

容器中的液態矽的體積保持恒定。該體積特別是自動保持恒定。容器中的液態矽的量特別是小於10升，並且為了安全起見能保持低至十分之一升。

根據本發明的一方面，當預定的矽熔融速度為零時，控制供給至線圈的電力以保持容器中的矽在低於矽熔點的給定溫度範圍內。容器中的矽特別是能被保持在1000℃至1400℃的範圍內。

施加至線圈的AC電力優選具有在50Hz至4MHz的範圍內、特別是在1kHz至1000kHz的範圍內、特別是在5kHz至500kHz的範圍內的頻率。

根據本發明的又一方面，監控容器中的矽原料塊的充填高度。這有利於連續操作。特別地，只要充填高度下降至預定高度以下，就能將更多矽充填到容器中。

此外，將充填高度調節成與線圈的最上部區段幾乎一樣高。由此能確保容器中的所有矽原料集中在矽原料能由線圈有效地加熱的容積中。

優選地，在矽熔融期間，調節容器中的矽的充填高度，以使得該充填高度不會沿縱向下降至預定高度以下。預定高度能處於從液位、特別是溢流液位測得的管高度的10%的高度。特別地，根據本發明的一方面，一旦管內部的固體原料的充填高度下降至預定的最低高度以下，特別是從溢流液位測得的管高度的10%，便通過給送元件特別是從頂部將更多矽導入管中。只要需要液體給送，就能重複這一步以延長操作。有利的是在仍存在能緩衝新原料的靠置(land)並防止保持容器的破裂而且還防止液體的任何閃凍的一定容積未熔融矽塊的同時添加更多固態矽。

根據本發明的又一方面，通過控制供給至底部加熱器的電力來控制收集盤中的熔融矽的溫度，以使得能獨立於上部加熱器的控制或冷原料的添加來維持熔融矽處於液態。

此外，可以將容器內部的固態原料和/或收集盤中的液態矽維持在預定溫度。特別地，可以將矽原料維持在低於矽熔點的溫度下，優選維持在1000℃至1400℃的範圍內。類似地，收集盤中的液態矽能凝固並維持在矽熔點以下的溫度，特別是在1000℃至1400℃的範圍內的溫度。由此，能按需容易地使熔融暫停和/或停止並重新開始。為了恢復熔融方法，再次調高供給至線圈的功率。

根據本發明的又一方面，通過施加至線圈的功率來控制熔融原料從熔融設備流出的流速。

根據本發明的又一方面，將來自稱重傳感器/載荷傳感器的輸出置於利用施加至線圈的功率的反饋控制環路中，以調節由熔融設備產生的質量流速。

根據本發明的又一方面，摻雜劑材料分散在固態原料中並以均勻的速度混入熔融材料中。

根據本發明的又一方面，將摻雜劑材料計量供給到與原料導入設備分開的設備中的熔體中。

根據本發明的又一方面，待熔融的半導體原料是矽。

根據本發明的又一方面，半導體原料包括來自一組合的一個或多個類型，該組合包括粉末矽、粒狀矽、小號或中號小矽片和大矽塊。

根據本發明的又一方面，半導體原料主要由被保持在頂部並緩慢地降下到熔融管中的多晶矽棒組成。

根據本發明的又一方面，半導體原料是矽。

根據本發明的又一方面，稱重傳感器定位在熔體盤下方的一定高度處，以測量熔融原料的流出。

根據本發明的又一方面，提供一種用於將摻雜材料直接導入熔融容積中的單獨管。

該方法的一個重要要素是自由地熔融寬範圍的原料(從多晶矽棒大塊到小矽片到粒狀矽)。在大端，多晶矽棒能從一端懸置並緩慢地下降到熔融坩堝中。熔融矽將使端部滴盡並下落到熔體盤中。替代地，能將大塊和/或小號至中號矽片傾倒到管中，從而靠置在預先安設、還沒有熔融的矽塊的頂部上。在遠端上，可流動的原料如小號矽片或粒狀球體能被連續或半連續地給送到管中。大矽塊的熔融分佈的一種常見的困難是稱為橋接的效應，其中在熔融容器中堆高的大矽塊將部分地熔融並跨越容器的跨度結合在一起。隨著較低的材料熔融(典型地由於加熱器的底部或側面定位)，由矽塊構成的橋懸置在上方。在橋的邊緣最終熔融的時點，懸置團塊的塊體將下落，從而潛在地導致損壞坩堝和導致熱區劣化的液體噴濺。在該方法中，通過限制管的充填高度能有效地避免橋接。例如，如果充填高度不超過線圈66%的高度處的高度，則必定能避免橋接。

在任何情形中，熔融活動都以相似的方式起作用。當原料相對冷時，高純度矽一般是非傳導的且不會耦合至由線圈產生的射頻磁場。在線圈中無負載的情況下，耐火材料將加熱並開始通過輻射加熱原料和絕緣體。隨著矽加熱，矽的傳導率上升，與任何半導體一樣。一旦矽到達一定臨界溫度，矽就會開始對磁場起反應。此時，周邊周圍的原料中將建立電流並且材料將開始被感應地加熱。隨著更多熱量直接傳遞到原料中，加熱線圈的溫度實際上將降低。只要耐火線圈傳導率高於處於熔點下的固體的傳導率，感應效率(矽中作為電流感生的功率除以總功率)就將保持較高，但只要負荷非常匹配並且周圍的絕緣有效，不論感應是否有效，總加熱效率都保持較高。矽中的耦合電路將隨著原料的熔融繼續並且充填高度降低而自動向下調節。當導入新原料時，耦合電路將隨著新原料被已有的原料和線圈加熱而向上重新調節。

該方法的一個關鍵方面是通過線圈功率直接控制流速。由於熔化器通過來自盤的溢流工作，因此從盤流出的流速將由新熔融矽從線圈中的原料流下的流速決定。由於線圈的功率直接耦合以加熱矽而不是耦合到襯托器或再輻射器中，使熔融速度對線圈加熱器功率的變化的時間回應很短。流量控制對於高反應性材料如熔融矽而言典型地較難。用於流量控制的機械方法在真空腔室內典型地較難，因此僅依賴於功率控制的該方法是有利的。監控流出速度能通過定位在熔化器之下的稱重傳感器來完成，並且能利用稱重傳感器輸出資料來反饋線圈功率。

雜質的控制是該方法的另一個關鍵功能。在此情形中，與矽接觸的唯一材料是高純度二氧化矽。包容管和熔融盤能由石英或熔合矽石組成。優選地，管的下端構造成滴入到盤中並定位在熔體管線上方。矽中的石英的溶解是一個緩慢的過程，主要導入作為雜質的氧，伴隨著很低的過渡金屬的濃度。矽通過熔融區的一致移動防止了熔融容積中氧或雜質的積聚，從而在理想情形中將液體中的氧濃度限制在5×10¹⁷原子/cm³以下。類似地，在理想構型中，能將總金屬含量保持在1×10¹³原子/cm³以下。

原料的摻雜對於製造有用的晶體來說至關重要。根據本發明的實施例，熔融方法包括摻雜劑的添加，在矽原料的情形中，所述摻雜劑諸如為硼、磷、銻、砷、鎵、鋁和銦。可採用若干方法的其中一種方法來添加這些摻雜劑。首先，能在添加至熔融管的原料塊之中分佈小的高摻雜矽塊。這些塊將以與其餘矽大致相同的速度熔融，並且盤中的淺熔融容積中將發生摻雜濃度的均質化。其次，可導入小的專用管，該管允許將經摻雜的材料直接導入熔體中。能以分開控制的速度將小的高摻雜矽塊或諸如鋁或鎵的純摻雜劑材料計量供給到專用管中。第三，能使用可選地直接導入淺熔體附近的摻雜氣體。例如，可使用由99%氬氣和1%磷雜環戊二烯或1%乙硼烷組成的氣體。

1‧‧‧設備

2‧‧‧保持矽塊

3‧‧‧裝置

4‧‧‧管

5‧‧‧縱向

6‧‧‧底部

7‧‧‧出口

8‧‧‧熔融矽

9‧‧‧線圈

10‧‧‧基部

11‧‧‧邊緣

12‧‧‧止擋元件

13‧‧‧絕緣元件

14‧‧‧支承件

15‧‧‧AC電源

16‧‧‧連接導線

17‧‧‧底部加熱器

18‧‧‧AC電源

19‧‧‧給送元件

20‧‧‧腔室

21‧‧‧換氣元件

22‧‧‧通道

23‧‧‧觀察埠

h_f‧‧‧充填高度

本發明的更多細節和優點從借助附圖對本發明一實施例的描述產生。

圖1示出通過用於矽熔融的設備的一實施例的示例性剖視圖。

具體實施方式

用於矽熔融的設備1包括用於保持矽塊2的容器和至少一個用於加熱容器內部的矽的裝置3。

該容器包括用於保持矽塊2的沿縱向5延伸的管4和底部6，其中管4佈置在底部6上。

管4可具有圓形、特別是圓形截面。在不加以約束的情況下，該截面可以是正方形或矩形的，但優選具有圓角。不論管的形狀如何，最佳的是加熱裝置3的截面與管的截面緊密地匹配。管4具有側壁24。側壁24具有在2mm至2cm的範圍內、特別是在5mm至6mm的範圍內的厚度。

管4具有在10cm至50cm的範圍內、特別是在25cm至35cm的範圍內的直徑。管4具有至少20cm、優選至少40cm的沿縱向5的高度。管4沿縱向5的高度特別是在20cm至80cm的範圍內，特別是在30cm至60cm的範圍內。管4的其它尺寸同樣是可能的。

管4優選呈圓柱形或圓錐形。管的縱向取向5優選是豎直的，但可以沿偏離豎直的方向構成。

底部6包括用於放出熔融矽8的出口7。出口7可作為從側壁向外突出的管口構成，或者出口7可在盤截面的內部，例如是底板10中的通過從底板突出的封閉壁與底板的其餘部分分離的孔。

用於加熱的裝置3包括至少一個線圈9。

底部6形成液體保持裝置。底部6優選呈盤形。底部6包括基部10和邊緣11。底部6優選包括具有作為出口7的至少一個溢流管口的溢流盤。溢流管口在作為側面出口的情況下優選呈唇形，或者在溢流管口作為內部孔構成的情況下，封閉壁優選具有v形槽口以引導流出的液體。在任意情形中，唇部或v形槽口的底部高度都將限定底部6的充填高度。

溢流管口在盤的基部10上方佈置在關於縱向5在0.5cm與10cm之間的範圍內的高度處。因此，溢流管口限定溢流液位。溢流液位特別是位於從容器的最下部點算起1cm與10cm之間。

此外，出口7包括用於防止矽2的任何小固體通過出口7的堰壩。更一般地，出口7包括用於止擋來自出口7的固體矽塊2的止擋元件12。止擋元件12佈置成使得止擋元件12防止浮在熔融矽8上的固態矽塊2離開容器。特別地，止擋元件12具有佈置在溢流液位下方的下緣。止擋元件12的下緣優選具有一個或多個槽口，以允許液體在槽口下方流動並流入元件的中心。槽口的最大高度優選位於盤的熔體液位下方，以便防止諸如固態矽或浮動夾雜物的浮動材料通過。此外，出口7可包括離開管或流槽(sluice)以將熔融原料輸送到單獨的工藝中，例如以使矽以受控方式結晶。

或者，能使用過濾元件作為止擋元件12。

管4由石英、二氧化矽、氮化矽(Si₃N₄)、碳化矽(SiC)或它們的任何混合物或組合製成。底部6由石英、二氧化矽、氮化矽(Si₃N₄)、碳化矽(SiC)或它們的任何混合物或組合製成。

管4和線圈9由絕緣元件13包圍。絕緣元件13由氧化鋁纖維或碳纖維製成。

底部6被安設在支承件14上。支承件14能作為絕緣元件建造。支承件14能由氧化鋁纖維或碳纖維製成。由於石英往往在高溫下軟化，因此管4和/或底部6能分別通過第二管或支承板(未圖示)加強和/或支承。該加強件優選由氧化鋁、多鋁紅柱石或碳纖維製成。

線圈9以單螺旋捲繞在管4周圍。線圈9由耐火材料、特別是至少耐受矽熔點的材料製成。線圈9優選由以下材料中的至少一者製成：鎢、鉬、鉭、石墨、碳化矽和它們的複合物。線圈9還能由這些材料中的兩種或更多的複合物製成。線圈9能夠最多利用氣體冷卻耐受方法溫度。線圈9優選由具有優於處於其熔點的矽的導電率的材料製成。

優選地，線圈9與待熔融的矽塊2之間沒有導電率小於1Ω cm的材料。

線圈9連接到AC電源15。

線圈9通過連接導線16連接到AC電源15。連接導線16能由與線圈9相同的材料製成。

AC電源15適於提供具有在50Hz至5 MHz的範圍內、特別是在1kHz至1000kHz的範圍內、特別是在50 kHz至500kHz的範圍內的頻率的電力。最優選地，AC電源15是射頻AC電源。

用於加熱的裝置3還包括底部加熱器17。底部加熱器17佈置在盤下方。底部加熱器17能作為感應加熱器建造。底部加熱器還連接到AC電源18。要瞭解AC電源的詳情，參見對AC電源15的描述。也可以將線圈9和底部加熱器17兩者都連接到同一個AC電源。

設備1還包括給送元件19。給送元件19僅在圖1中示意性地示出。給送元件19佈置在容器上方。給送元件19是可控的，以控制矽原料、特別是給送到容器中的矽塊2的量。給送到容器中的矽塊2具有在石料、礫石、砂或粉砂的範圍內的尺寸。矽塊2具有高達20cm的篩分細微性。替代地，可從上方懸置大而連續的多晶矽棒並將其緩慢地降下到熔融區中。

設備1還包括腔室20，容器被安設在該腔室20中。腔室20能被氣密地密封。腔室20尤其能夠由換氣元件21排泄或充填吹掃氣體。

腔室20具有用於為容器再充填矽原料2的通道22。腔室20還包括觀察埠23。觀察埠23實現了對矽塊2的熔融的可視監控。

以下描述設備1的操作原理。作為矽塊2的矽原料由給送元件19給送到管4中。管4由矽塊2充填至沿縱向5的充填高度h_f。充填高度h_f被控制成不會超過加熱線圈9在管4周圍的最上部高度。為了避免橋接，可確立h_f的更低的高度極限。

為了加熱容器內部的矽，對管4周圍的線圈9通電。特別地，對線圈9施加AC電力。因此，加熱包括感應加熱。施加至線圈9的AC電力的頻率在50Hz至4MHz的範圍內、特別是在1kHz至1000kHz的範圍內、特別是在50 kHz至500kHz的範圍內的頻率。特別地，向線圈9施加射頻功率。在該方法開始時，通過線圈輻射地加熱矽塊2。然而，當管4內部的矽塊2的溫度超過一定溫度時，特別是當管4內部的矽的溫度超過700℃時，矽變成足夠傳導而感生磁場。接著，矽主要通過感應加熱。

一旦管4中的矽的溫度超過矽的熔融溫度，矽便滴至底部6，此處矽作為熔融矽8積聚。矽積聚在容器的底部6中並在止擋元件12下方流動直至其達到溢流液位。一旦矽到達溢流液位，便通過向加熱線圈9供電來控制熔融矽8離開設備1(特別是經出口7離開)的速度。

一旦容器內部的矽塊2的充填高度h_f達到從熔融矽8的液位測得、特別是從溢流液位測得的管4的高度的10%以內，就能通過給送元件19從頂部將更多矽、特別是更多固態矽塊2導入管4中。新矽塊2下落到管4內部已存在的矽塊2上並充填管4至某一較高的充填高度h_f。只要需要給送熔融矽8，就能重複該充填管4以延長操作。

如果需要的話，能使熔融矽8凍結並維持在高溫、特別是在介於1000℃與1400℃之間的範圍內的溫度下，同時暫停和/或停止並重新開始下游方法。能通過按需向上回檔功率來恢復容器內部的矽的熔融。

以下概括性地描述該方法的更多方面。

通過供給至線圈9的電力來控制容器內部的矽熔融速度。特別地，通過控制供給至線圈9的電力來獲得容器內部的預定矽熔融速度。

在初始階段之後，容器中的熔融矽8的量保持恒定。熔融矽特別是保持在高達10升的範圍內。

當預定的矽熔融速度被設定為零時，能控制供給至線圈9的電力，以將容器中的矽塊2保持在處於或低於矽熔點的給定溫度範圍內。容器內部的矽的溫度特別是能被保持在1000℃與1410℃之間的範圍內。這能通過調節供給至線圈9和/或底部加熱器17的電力而容易地完成。

類似地，能通過對底部加熱器17的電力供給來控制和調節容器的底部6中的熔融矽8的狀態和/或離開出口7的熔融矽8的溫度。

優選地，在熔化方法中始終監控容器內部的固態矽的充填高度h_f。優選最多將充填高度h_f調節為線圈9的最上部區段沿縱向5的高度。在矽熔融期間，調節容器內部的矽塊2的充填高度h_f，以使得該充填高度不會沿縱向5下降至預定高度以下。能調節該充填高度以使得該充填高度不會下降至從溢流液位測得的管4的高度的10%的高度以下。一旦充填高度h_f下降至這種預定高度以下，就通過給送元件19向容器添加更多矽塊2。這種使用固態矽塊2再充裝容器能自動進行。再充裝能作為批量工藝(如上所述)完成，或者可例如通過振動給料器隨時更穩定地導入原料來進行管理。

只要需要熔融矽8，就能連續進行根據本發明的方法。

作為感應加熱元件的線圈9的使用便於對加熱的控制，這是因為感應加熱比輻射加熱更加精確地可控，最大限度地減少加熱器、絕熱或支承部件中的蓄熱量以減慢系統的反應時間。