TWI541390B - 類單晶之製備方法 - Google Patents

Description

類單晶之製備方法

本發明是有關於一種矽材之製作方法，且特別是有關於一種類單晶(mono-like silicon)之製備方法。

類單晶成長技術係一種半融法技術。在類單晶成長技術中，係先在坩堝內先鋪設一些單晶來作為長晶的晶種，再於這些單晶上鋪設矽材。接著，在長晶爐內加熱坩堝內之矽材，藉以融化這些矽材。在加熱矽材的期間，透過溫控方式，使矽材由上而下融化，且控制矽材的融化高度於單晶晶種的位置。當矽材融化至單晶晶種的位置時，將長晶爐切換成長晶模式，此時矽晶的成長沿著單晶晶種成長，而得到單晶晶碇。但因為這樣的方式所成長之單晶晶碇並非柴氏(Czochralski)長晶技術所得，因而並非無缺陷，故一般稱為類單晶。

類單晶無法有效量產的原因之一在於晶碇品質難以控制。晶碇品質不好控制的主因在於，受限於單晶晶種的尺寸，坩堝內需鋪設多片單晶晶種方能大致布滿坩堝之整個底面，而晶種與晶種之間的晶界在長晶過程中容易形成缺 陷起始區或雙晶的誘發區。如此一來，將導致所成長之晶碇品質變差，或無法維持單晶晶向。其中，雙晶的誘發區係發生在缺陷嚴重的情況下，矽晶的成長可能會長出多晶，而造成晶碇內有單晶與多晶均存在的現象。

類單晶無法有效量產的另一原因在於，由於類單晶製程之成本較多晶製程之成本高，因此需考量鑄碇過程中所能獲得之單晶比率與品質。此外，大尺寸之晶碇所需之晶種厚度相對較大，如此也會增加製程成本。

因此，本發明之一目的就是在提供一種類單晶之製備方法，其在同一長晶爐之爐體內設置多個坩堝，並於每個坩堝中各設置一個單晶晶種，如此一來可在長晶時達到無晶界面之目的，並可減少晶碇之缺陷。

本發明之另一目的是在提供一種類單晶之製備方法，其可在相鄰坩堝之間設置加熱器，如此可在長晶過程中，有效控制每個坩堝內的熱場，進而可較準確的控制長晶的固液介面。

本發明之又一目的是在提供一種類單晶之製備方法，其可在每個坩堝之底部中央區域的下方設置高熱傳導係數元件，或可額外再於坩堝之底部外緣區域的下方設置低熱傳導係數元件，藉此可更有效地控制每個坩堝內的熱場，而更準確地控制長晶的固液介面，使得固液介面呈現中間凸且外側低，以使固液介面之外側均為張應力，進而可減少晶 界面的缺陷。此外，由於固液介面可獲得有效控制，因此有利於減少過融(over-melt)程度，避免單晶晶種之局部區域，特別是外緣區域被融光。

本發明之再一目的是在提供一種類單晶之製備方法，其中每個坩堝為長方形，因此於晶片切割時，可使晶碇獲得較有效率的利用。

根據本發明之上述目的，提出一種類單晶之製備方法，其包含下列步驟。設置數個坩堝於爐體內。於每一坩堝中設置一單晶晶種。於每一坩堝中設置矽料於單晶晶種上。進行長晶步驟，以利用每一坩堝中之矽料與單晶晶種形成一類單晶晶碇。

依據本發明之一實施例，上述每一坩堝之底面的長與寬分別較單晶晶種之底面的長與寬大10mm至100mm。

依據本發明之另一實施例，上述每一坩堝之底面與單晶晶種之底面的尺寸實質相同。

依據本發明之又一實施例，上述之單晶晶種具有相同之晶向。

依據本發明之再一實施例，上述之晶向為[100]晶向。

依據本發明之再一實施例，上述每一坩堝之形狀為長方形。

依據本發明之再一實施例，於進行該長晶步驟前，上述類單晶之製備方法更包含設置數個加熱器分別位於 相鄰之坩堝之間，其中進行長晶步驟時包含利用這些加熱器加熱坩堝。

依據本發明之再一實施例，於進行長晶步驟前，上述類單晶之製備方法更包含於每一坩堝之底部中央區域的下方設置高熱傳導係數元件。

依據本發明之再一實施例，於進行長晶步驟前，上述類單晶之製備方法更包含於每一坩堝之底部中央區域的下方設置高熱傳導係數元件、以及於每一坩堝之底部外緣區域的下方設置低熱傳導係數元件。

100‧‧‧步驟

102‧‧‧步驟

104‧‧‧步驟

106‧‧‧步驟

200‧‧‧坩堝

202‧‧‧爐體

204‧‧‧反應室

206‧‧‧底部

208‧‧‧側壁

210‧‧‧長晶空間

212‧‧‧單晶晶種

214‧‧‧底面

216‧‧‧底面

218‧‧‧矽料

220‧‧‧類單晶

222‧‧‧液態矽

224‧‧‧固液介面

226‧‧‧高熱傳導係數元件

228‧‧‧中央區域

230‧‧‧外緣區域

232‧‧‧低熱傳導係數元件

234‧‧‧加熱器

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：〔圖1〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種類單晶之製備方法的流程圖；〔圖2A〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種成長類單晶之裝置的剖面示意圖；〔圖2B〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種成長類單晶之裝置的上視示意圖；〔圖2C〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種類單晶成長時的示意圖；〔圖3〕係繪示依照本發明之另一實施方式的一種成長類單晶之裝置的剖面示意圖； 〔圖4〕係繪示依照本發明之又一實施方式的一種成長類單晶之裝置的剖面示意圖；〔圖5A〕係繪示依照本發明之再一實施方式的一種成長類單晶之裝置的剖面示意圖；以及〔圖5B〕係繪示依照本發明之再一實施方式的一種成長類單晶之裝置的上視示意圖。

有鑑於傳統成長類單晶時，因單晶晶種與晶種之間大都有晶界存在，而導致所成長之晶碇品質變差，甚至無法使晶碇維持單晶晶向，以及製程控制不易等問題。因此，本發明在此提出一種類單晶之製備方法，其在同一長晶爐體中設置多個坩堝，並於每一坩堝中設置單一片單晶晶種，藉此可達到無晶界面，而可有效減少類單晶晶碇之缺陷，大幅提升晶碇品質。此外，本發明之製備方法更可在相鄰二坩堝之間額外設置加熱器，及/或於每個坩堝底部的中央區域與外緣區域分別設置高熱傳導係數元件與低熱傳導係數元件，藉此可有效控制每個坩堝內之熱場，提升長晶過程中對固液介面的控制。故，除了可提高晶碇品質，更可降低過融程度。

請參照圖1、圖2A與圖2B，其中圖1係繪示依照本發明之一實施方式的一種類單晶之製備方法的流程圖，圖2A與圖2B係分別繪示依照本發明之一實施方式的一種成長類單晶之裝置的剖面示意圖與上視示意圖。在本實施 方式中，製備類單晶時，可先進行步驟100，以提供多個坩堝200，並將這些坩堝200均設置在同一長晶爐之爐體202內的反應室204中，如圖2A所示。這些坩堝200可以彼此鄰設的方式排列在反應室204中。每個坩堝200包含底部206與側壁208，其中側壁208沿著底部206之邊緣而設立在底部206上，且底部206與側壁208定義出長晶空間210。在一些例子中，如圖2B所示，每個坩堝200之形狀為長方形。長方形的坩堝設計，可使所成長出之類單晶晶碇為長方體，如此一來，於晶片切割時，可切出較多晶片，使類單晶晶碇獲得較佳的利用效率，但此處長方形坩堝僅為較佳實施例之說明，坩堝形狀並不限於長方形。

接下來，可進行步驟102，以在每個坩堝200之長晶空間210中放置一個單晶晶種212。在每個坩堝200中，單晶晶種212係鋪放在坩堝200之底面214上。在一些例子中，每個坩堝200之底面214的尺寸較單晶晶種212之底面216大。舉例而言，每個坩堝200之底面214的長與寬分別較位於其上之單晶晶種212之底面216的長與寬大10mm至100mm，即每個單晶晶種212之底面216的每一邊分別與其所在之坩堝200之底面214中的鄰近一邊相隔約5mm至50mm。在一些特定例子中，每個坩堝200之底面214與位於其上之單晶晶種212之底面216的尺寸實質相同。此外，在一些例子中，放在這些坩堝200內的單晶晶種212具有不同之晶向；或者，這些單晶晶種212的晶向不全然相同，即一些單晶晶種212的晶向相同，另一些單晶晶種212 的晶向不同。在一些特定例子中，所有的單晶晶種212具有相同之晶向，例如[100]晶向。如上所述，可知各該單晶晶種212之底面216面積實質相同於或小於各該坩堝200之底面214面積。

完成單晶晶種212的設置後，可進行步驟104，以在每個坩堝200中之單晶晶種212上設置矽料218。這些矽料218可例如為矽塊。接著，可進行長晶之步驟106，以利用加熱方式融化每個坩堝200內之矽料218。在長晶之步驟106期間，透過控制爐體202之反應室204內的熱場分布，使矽料218由上而下融化。並且，控制每個坩堝200內之矽料218的融化高度在單晶晶種212之上表面處，避免融穿全部或局部之單晶晶種212。

請同時參照圖2A與圖2C，其中圖2C係繪示依照本發明之一實施方式的一種類單晶成長時的示意圖。當每個坩堝200中之矽料218已融化至單晶晶種212之上表面處的位置時，即可將爐體202之反應室204的操作條件切換成長晶模式。此時，矽晶就會沿著單晶晶種212的晶格在坩堝200之長晶空間210中成長，而得到類單晶晶碇。在長晶的過程中，固態的類單晶220由單晶晶種212處開始往上成長，因而此時液態矽222會在固態之類單晶220的上方，且二者之間會形成有一固液介面224。在本實施方式中，在長晶期間，可控制固液介面224，使其呈現中央凸且外側低。藉由這樣的介面控制，可使張應力在中央區而壓應力產生在外側，如此若有晶格缺陷，這樣的應力分布會使得這些晶格 缺陷形成在類單晶220之外側邊。當完成類單晶晶碇後，通常會將類單晶晶碇之外側的部分切除，因而可將形成在類單晶220外側之缺陷一併切除。故，可減少類單晶220成品的缺陷，而可大幅提升類單晶220之品質。

請同時參照圖1與圖3，其中圖3係繪示依照本發明之另一實施方式的一種成長類單晶之裝置的剖面示意圖。在本實施方式中，可在長晶之步驟106進行前，於每個坩堝200之底部206的中央區域228下方設置高熱傳導係數元件226。這些高熱傳導係數元件226可在類單晶220的長晶過程中，使坩堝200之底部206之中央區域228上方的矽融湯較快速地凝結成長，藉此可有利於使固液介面224呈中央凸且外側低凹的狀態。故，這樣的裝置設計有利於控制固液介面224，而可有效減少晶格缺陷，進而可提高類單晶220成品之品質。

請同時參照圖1與圖4，其中圖4係繪示依照本發明之又一實施方式的一種成長類單晶之裝置的剖面示意圖。在本實施方式中，可在長晶之步驟106進行前，於每個坩堝200之底部206的中央區域228下方設置高熱傳導係數元件226、以及於每個坩堝200之底部206的外緣區域230的下方設置低熱傳導係數元件232。在一些例子中，如圖4所示，這些坩堝之低熱傳導係數元件232可整合成一結構層，且高熱傳導係數元件226可嵌設在低熱傳導係數元件232之結構層中。在類單晶220的長晶過程中，這些高熱傳導係數元件226可使坩堝200之底部206之中央區域228上 方的矽融湯較快速地凝結成長，而這些低熱傳導係數元件232可使坩堝200之底部206之外緣區域230上方的矽融湯較中央緩慢地凝結成長，藉此可更有利於控制固液介面224呈中央凸且外側低凹的狀態。因此，這樣的裝置設計更有助於控制固液介面224，而可更有效減少晶格缺陷，進而可更有助於類單晶220成品之品質的提升。

請同時參照圖1、圖5A與圖5B，其中圖5A與圖5B係分別繪示依照本發明之再一實施方式的一種成長類單晶之裝置的剖面示意圖與上視示意圖。在本實施方式中，可在長晶之步驟106進行前，先在任二相鄰之坩堝200之間額外設置加熱器234。由於坩堝200彼此鄰設排列，且這些加熱器234係分別設置在相鄰二坩堝200之間，因此這些加熱器234分別位於每個坩堝200之側面，即每個坩堝200之側牆208旁。在一些例子中，如圖5A所示，這些加熱器234為石墨棒。如圖5B所示，這些加熱器234可分別排列在相鄰二坩堝200之間。或者，這些加熱器234可分別環繞住每個坩堝200。完成加熱器234的設置後，即可在類單晶220的長晶過程中，利用這些加熱器234從每個坩堝200之側面來加熱坩堝200，藉以在長晶過程中協助控制固液介面224，以利減少類單晶220之晶格缺陷，進而達到提升類單晶220成品之品質的效果。

由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為本發明之類單晶之製備方法係在同一長晶爐之爐體內 設置多個坩堝，並於每個坩堝中各設置一個單晶晶種，因此可在長晶時達到無晶界面之目的，並可減少晶碇之缺陷。

由上述之實施方式可知，本發明之另一優點就是因為本發明之類單晶之製備方法可在相鄰坩堝之間設置加熱器，如此可在長晶過程中，有效控制每個坩堝內的熱場，進而可較準確的控制長晶的固液介面。

由上述之實施方式可知，本發明之又一優點就是因為本發明之類單晶之製備方法可在每個坩堝之底部中央區域的下方設置高熱傳導係數元件，或可額外再於坩堝之底部外緣區域的下方設置低熱傳導係數元件，藉此可更有效地控制每個坩堝內的熱場，而更準確地控制長晶的固液介面，使得固液介面呈現中間凸且外側低，以使固液介面之外側均為張應力，進而可減少晶界面的缺陷。由於固液介面可獲得有效控制，因此有利於減少過融程度，避免局部區域之單晶晶種被融光。

由上述之實施方式可知，本發明之再一優點就是因為在本發明之類單晶之製備方法中，每個坩堝可為長方形，因此於晶片切割時，可使晶碇獲得較有效率的利用。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧步驟

102‧‧‧步驟

104‧‧‧步驟

106‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種類單晶之製備方法，包含：設置複數個坩堝於一爐體內；於各該坩堝中設置一單晶晶種；於各該坩堝中設置一矽料於該單晶晶種上；以及進行一長晶步驟，以利用各該坩堝中之該矽料與該單晶晶種形成一類單晶晶碇。
2. 如申請專利範圍第1項之類單晶之製備方法，其中各該坩堝之底面的長與寬分別較該單晶晶種之底面的長與寬大10mm至100mm。
3. 如申請專利範圍第1項之類單晶之製備方法，其中各該坩堝之底面與該單晶晶種之底面的尺寸實質相同。
4. 如申請專利範圍第1項之類單晶之製備方法，其中該複數個單晶晶種具有相同之一晶向。
5. 如申請專利範圍第4項之類單晶之製備方法，其中該晶向為[100]晶向。
6. 如申請專利範圍第1項之類單晶之製備方法，其中各該坩堝之形狀為長方形。
7. 如申請專利範圍第1項之類單晶之製備方法，於進行該長晶步驟前，更包含設置複數個加熱器分別位於相鄰之該複數個坩堝之間，其中進行該長晶步驟時包含利用該複數個加熱器加熱該複數個坩堝。
8. 如申請專利範圍第1項之類單晶之製備方法，於進行該長晶步驟前，更包含於各該坩堝之底部中央區域的下方設置一高熱傳導係數元件。
9. 如申請專利範圍第1項之類單晶之製備方法，於進行該長晶步驟前，更包含：於各該坩堝之底部中央區域的下方設置一高熱傳導係數元件；以及於各該坩堝之底部外緣區域的下方設置一低熱傳導係數元件。
10. 如申請專利範圍第1項之類單晶之製備方法，其中各該單晶晶種之底面面積實質相同於或小於各該坩堝之底面面積。