TWI738352B - 一種半導體晶體生長裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種半導體晶體生長裝置。包括:爐體;坩堝,所述坩堝設置在所述爐體內部,用以容納矽熔體;提拉裝置,所述提拉裝置設置在所述爐體頂部,用以從所述矽熔體內提拉出矽晶棒;導流筒,所述導流筒呈桶狀並沿豎直方向設置在所述爐體內,所述提拉裝置提拉所述矽晶棒在豎直方向上穿過所述導流筒;以及磁場施加裝置,用以對所述坩堝內的所述矽熔體施加磁場;其中,在所述磁場的方向上的所述導流筒底部與所述矽熔體液面之間的距離小於垂直於所述磁場的方向上的所述導流筒底部與所述矽熔體之間的距離。

Description

一種半導體晶體生長裝置
本發明涉及半導體製造領域,具體而言涉及一種半導體晶體生長裝置。
直拉法(CZ)是備製半導體及太陽能用單晶矽的一種重要方法,利用碳素材料組成的熱場對放入坩堝的高純矽料進行加熱使之熔化,之後利用將籽晶浸入熔體當中並經過一系列(引晶、放肩、等徑、收尾、冷卻)製程,最終獲得單晶棒。
使用CZ法的半導體單晶矽或太陽能單晶矽的晶體生長中,晶體和熔體的溫度分佈直接影響晶體的品質和生長速度。在CZ晶體的生長期間,由於熔體存在著熱對流,使微量雜質分佈不均勻,形成生長條紋。因此,在拉晶過程中,如何抑制熔體的熱對流和溫度波動,是人們廣泛關注的問題。
在磁場產生裝置下的晶體生長(MCZ)技術利用對作為導電體的矽熔體施加磁場,使熔體受到與其運動方向相反的勞倫茲力作用,阻礙熔體中的對流,增加熔體中的黏滯性,減少了氧、硼、鋁等雜質從石英坩堝進入熔體,進而進入晶體,最終使得生長出來的矽晶體可以具有得到控制的從低到高廣範圍的氧含量,減少了雜質條紋,因而廣泛應用於半導體晶體生長製程。一種典型的MCZ技術是磁場晶體生長(HMCZ)技術,其對半導體熔體施加磁場,廣泛適用於大尺寸、高要求的半導體晶體的生長。
在磁場裝置下的晶體生長(HMCZ)技術中,晶體生長的爐體、熱場、坩堝、包括矽晶體都是在圓周方向儘量形狀對稱,而且利用坩堝和晶體的旋轉使得圓周方向的溫度分佈趨於均一。但是磁場施加過程中施加的磁場的磁力線從一端平行穿過在石英坩堝內矽熔體到另一端,旋轉中的矽熔體產生的勞倫茲力在圓周方向的各處均不相同,因此矽熔體的流動和溫度分佈在圓周方向上不一致。
如圖1A和圖1B所示,顯示出了一種半導體晶體生長裝置中,晶體生長的晶體和熔體的界面下方的溫度分佈的示意圖。其中,圖1A顯示出坩堝內矽熔體的水平面上分佈的測試點的圖,其中,在熔體液面下方25 mm、距中心距離L=250 mm處每隔θ=45°角度測試一個點。圖1B是沿著圖1A中與X軸呈角度θ上的各個點採用模擬計算和測試獲得的溫度分佈的曲線,其中實線表示採用模擬計算獲得的溫度分佈圖,點圖表示採用測試的方法獲得的溫度的分佈圖。在圖1A中,箭頭A顯示出坩堝的旋轉方向為逆時針旋轉,箭頭B顯示出磁場方向沿著Y軸方向橫向穿過坩堝直徑。從圖1B可以看出,在半導體晶體生長過程中,無論從模擬計算還是測試的方法獲得數據,均體現了在半導體晶體生長過程中,半導體晶體和熔液的界面下方的溫度隨著角度的變化在圓周上呈現波動。
根據Voronkov晶體生長理論,晶體和液面的界面的熱平衡方程如下, PS * LQ = Kc*Gc - Km*Gm。
其中,LQ是矽熔體向矽晶體相變的潛能,Kc、Km分別代表晶體和熔體的熱傳導係數;Kc、Km和LQ均為矽材料的物性參數;PS代表晶體的在拉伸方向的結晶速度,近似為晶體的提拉速度;Gc、Gm分別是界面處的晶體和熔體的溫度梯度(dT/dZ)。由於,在半導體晶體生長過程中,半導體晶體和熔液的界面下方的溫度隨著圓周角度的變化呈現週期性的波動,即作為界面的晶體和熔體的溫度梯度(dT/dZ)的Gc、Gm呈現波動,因而,圓周角度方向的晶體的結晶速度PS呈現週期性的波動,這不利於晶體生長品質的控制。
為此,有必要提出一種新的半導體晶體生長裝置,用以解決現有技術中的問題。
在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念,這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分並不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特徵和必要技術特徵,更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。
為了解決現有技術中的問題,本發明提供了一種半導體晶體生長裝置,所述裝置包括: 爐體; 坩堝,所述坩堝設置在所述爐體內部,用以容納矽熔體; 提拉裝置,所述提拉裝置設置在所述爐體頂部,用以從所述矽熔體內提拉出矽晶棒; 導流筒,所述導流筒呈桶狀並沿豎直方向設置在所述爐體內的所述矽熔體的上方,所述提拉裝置提拉所述矽晶棒在豎直方向上穿過所述導流筒;以及 磁場施加裝置,用以對所述坩堝內的所述矽熔體施加水平方向上的磁場; 其中, 在所述磁場的方向上的所述導流筒底部與所述矽熔體液面之間的距離小於垂直於所述磁場的方向上的所述導流筒底部與所述矽熔體之間的距離。
示例性地,所述導流筒底部具有向下突出的波浪形表面。
示例性地,在沿著所述磁場的方向上,所述導流筒的底部位於所述波浪形的波谷,以使在沿著所述磁場的方向上所述導流筒的底部與所述矽熔體液面之間的距離最小; 在垂直於所述磁場的方向上,所述導流筒的底部位於所述波浪形的波峰,以使在垂直於所述磁場的方向上所述導流筒的底部與所述矽熔體液面之間的距離最大。
示例性地,所述波谷至所述矽熔體液面的距離在10-50 mm之間;所述波峰至所述矽熔體液面的距離在30-80 mm之間。
示例性地,所述導流筒包括調整裝置,用以調整所述導流筒和所述矽熔體液面之間的距離。
示例性地,所述導流筒包括內筒、外筒以及隔熱材料,其中,所述外筒的底部延伸至所述內筒底部下方並與所述內筒底部閉合,以在所述內筒和所述外筒之間形成空腔,所述隔熱材料設置在所述空腔內;其中, 所述調整裝置包括插入部件,所述插入部件包括突出部和插入部,所述插入部插入所述外筒底部延伸至所述內筒底部下方的部分與所述內筒底部之間的位置,所述突出部延伸至超出所述內筒底部。
示例性地,所述調整裝置包括沿著垂直於所述磁場的方向上設置的至少兩個。
示例性地,所述突出部設置為圓環。
示例性地,所述圓環的底部具有向下凸出的波浪形表面。
根據本發明的半導體晶體生長裝置,利用設置在所述磁場的方向上所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離小於垂直於所述磁場的方向上所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離,從而對矽晶棒與矽熔體界面下方的矽熔體溫度的分佈起到調節作用,從而可以調整半導體晶體生長過程中,因為施加的磁場導致的矽熔體在半導體晶體與矽熔體液面界面下方的溫度分佈的波動的問題,有效改善了矽熔體溫度分佈的均勻性,從而改善了晶體生長的速度均勻性,改善了拉晶質量。同時還對矽熔體的流動結構進行調整,使矽熔體的流動狀態沿著圓周方向更加均勻,這進一步改善了晶體生長的速度均勻性,減小了晶體生長的缺陷。
在下文的描述中,給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而,對於本領域技術人員而言顯而易見的是,本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中,為了避免與本發明發生混淆,對於本領域公知的一些技術特徵未進行描述。
為了徹底理解本發明,將在下列的描述中提出詳細的描述,以說明本發明所述的半導體晶體生長裝置。顯然,本發明的施行並不限於半導體領域的技術人員所熟習的特殊細節。本發明的較佳實施例詳細描述如下,然而除了這些詳細描述外,本發明還可以具有其他實施方式。
應予以注意的是,這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施例,而非意圖限制根據本發明的示例性實施例。如在這裡所使用的,除非上下文另外明確指出,否則單數形式也意圖包括複數形式。此外,還應當理解的是,當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時,其指明存在所述特徵、整體、步驟、操作、元件和/或組件,但不排除存在或附加一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組合。
現在,將參照附圖更詳細地描述根據本發明的示例性實施例。然而,這些示例性實施例可以多種不同的形式來實施,並且不應當被解釋為只限於這裡所闡述的實施例。應當理解的是,提供這些實施例是為了使得本發明的公開徹底且完整,並且將這些示例性實施例的構思充分傳達給本領域普通技術人員。在附圖中,為了清楚起見,誇大了層和區域的厚度,並且使用相同的附圖標記表示相同的元件,因而將省略對它們的描述。
參看圖2,顯示出了一種半導體晶體生長裝置的結構示意圖,半導體晶體生長裝置包括爐體1,爐體1內設置有坩堝11,坩堝11外側設置有對其進行加熱的加熱器12,坩堝11內容納有矽熔體13,坩堝11由石墨坩堝和套設在石墨坩堝內的石英坩堝構成,石墨坩堝接收加熱器的加熱使石英坩堝內的多晶矽材料融化形成矽熔體。其中每一石英坩堝用於一個批次半導體生長製程,而每一石墨坩堝用於多批次半導體生長製程。
在爐體1頂部設置有提拉裝置14,在提拉裝置14的帶動下,籽晶從矽熔體液面提拉拉出矽晶棒10,同時環繞矽晶棒10四周設置熱屏裝置,示例性地,如圖2所示,熱屏裝置包括有導流筒16,導流筒16設置為桶型,其作為熱屏裝置一方面用以在晶體生長過程中隔離石英坩堝以及坩堝內的矽熔體對晶體表面產生的熱輻射,提升晶棒的冷卻速度和軸向溫度梯度,增加晶體生長數量,另一方面,影響矽熔體表面的熱場分佈,而避免晶棒的中心和邊緣的軸向溫度梯度差異過大,保證晶棒與矽熔體液面之間的穩定生長;同時導流筒16還用以對從晶體生長爐上部導入的惰性氣體進行導流,使之以較大的流速利用矽熔體表面,達到控制晶體內氧含量和雜質含量的效果。在半導體晶體生長過程中,在提拉裝置14的帶動下,矽晶棒10豎直向上穿過導流筒16。
為了實現矽晶棒的穩定增長,在爐體1底部還設置有驅動坩堝11旋轉和上下移動的驅動裝置15,驅動裝置15驅動坩堝11在拉晶過程中保持旋轉是為了減少矽熔體的熱的不對稱性,使矽晶柱等徑生長。
為了阻礙矽熔體的對流,增加矽熔體中的黏滯性,減少氧、硼、鋁等雜質從石英坩堝進入熔體,進而進入晶體,最終使得生長出來的矽晶體可以具有得到控制的從低到高廣範圍的氧含量,減少雜質條紋,半導體晶體生長裝置中還包括設置在爐體1外側的磁場施加裝置17,用以對坩堝11內的矽熔體施加磁場。
由於磁場施加裝置17施加的磁場的磁力線從一端平行穿過在坩堝11內矽熔體到另一端(參看圖2中虛線箭頭),旋轉中的矽熔體產生的勞倫茲力在圓周方向都不相同,因此矽熔體的流動和溫度分佈在圓周方向上不一致,其中沿著磁場方向的溫度高於垂直磁場的方向。矽熔體的流動和溫度的不一致表現為半導體晶體和熔液的界面下方的溫度隨著角度的變化呈現波動,從而使晶體的結晶速度PS呈現週期性的波動,從而半導體生長速度在圓周上呈現不均勻,不利於半導體晶體生長品質的控制。
為此,本發明的半導體晶體生長裝置中,將導流筒16設置成底部與所述矽熔體液面之間具有不同的距離。
具體的,在磁場的方向上所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離小於垂直於所述磁場的方向上所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離。在距離較大的地方,由於矽熔體液面距離導流筒遠,矽熔體液面輻射到導流筒的熱量小;在距離較小的地方,由於矽熔體液面距離導流筒近,矽熔體液面輻射到導流筒的熱量大。從而使距離較大的地方的矽熔體液面的溫度較距離較小的地方的矽熔體液面的溫度減少的少,彌補了因為施加的磁場對矽熔體流動的影響導致的在磁場方向上的溫度高於垂直於磁場施加方向的溫度的問題。據此,利用設置導流筒底部與矽晶棒之間的距離,從而對矽晶棒與矽熔體界面下方的矽熔體溫度的分佈起到調節作用,從而可以調整因為施加的磁場導致的矽熔體溫度分佈的波動,有效改善了矽熔體液面溫度分佈的均勻性,從而改善了晶體生長的速度均勻性,改善了拉晶質量。
同時,由於導流筒底部與矽熔體液面之間具有不同的距離,使得在距離較大的位置處,從爐體頂部通入的利用導流筒倒流到矽熔體液面位置處的壓力流速增加,矽熔體液面的剪切力增大,在距離較小的位置處,從爐體頂部通入的利用導流筒倒流到矽熔體液面位置處的壓力流速降低,矽熔體液面的剪切力減小,據此,利用設置導流筒底部與矽晶棒之間的距離,從而對矽熔體的流動結構進行進一步調整,使矽熔體的流動狀態沿著圓周方向更加均勻,這進一步改善了晶體生長的速度均勻性,改善了拉晶質量。同時,利用改變矽熔體的流動狀態,使生長的半導體晶體內的氧含量分佈均一,改善了晶體內的氧含量分佈的均勻性,減小晶體生長的缺陷。
根據本發明的一個實施例,所述導流筒16的底部具有向下突出的波浪形表面。參看圖3A和圖3B,圖3A為根據本發明的一個實施例的半導體晶體生長裝置中坩堝、導流筒和矽晶棒的橫截面位置排布示意圖;圖3B為根據本發明的一個實施例的半導體晶體生長裝置中導流筒底部隨著圖3A中角度α的變化與矽熔體液面之間距離變化的示意圖。如圖3A所示,在俯視狀態下,坩堝11、導流筒16和矽晶棒10的橫截面同心圓設置,箭頭D1示出為磁場的方向,箭頭D2示出為坩堝11旋轉的方向。從圖3B中可以看出,隨著圖3A中角度α的變化導流筒底部距離矽熔體液面之間的距離H呈波浪形。其中,在α為90°或者270°時(即在磁場的方向上),導流筒底部距離矽熔體液面之間的H90位於波谷(即最小);在α為0°或者180°時(即在垂直於磁場的方向上),導流筒底部距離矽熔體液面之間的H0位於波峰(即最大)。這樣的設置形式下,使得導流筒底部與矽熔體液面之間的距離隨著角度α的變換呈現緩慢漸進式變化,與其變化趨勢相對應,使得矽熔體液面輻射到導流筒底部的熱量呈現波浪形的緩慢漸進式變化,如圖3C所示,其中,在α為90°或者270°時,矽熔體液面輻射到導流筒底部的熱量Q90位於波峰(即最大);在α為0°或者180°時,矽熔體液面輻射到導流筒底部的熱量Q90位於波谷(即最小)。
相應的,由於矽熔體液面輻射到導流筒底部的熱量呈現如圖3C所示的變化,使得矽熔體液面溫度的減小呈現如圖3C所示的變化,其正好符合在模擬和測試過程中所得到矽熔體和矽晶棒界面之間的下方位置處的溫度的變化規律。因而,起到了全面調整矽熔體和矽晶棒界面之間的下方位置處的溫度的效果,使得矽熔體液面的溫度更加均勻。
在上述導流筒底部呈向下凸出的波浪形表面的示例中,示例性的,波谷至矽熔體液面的距離在10-50 mm之間;波峰至矽熔體液面的距離在30-80 mm之間。在一個實施例中,波谷至矽熔體液面的距離為30 mm,波峰至矽熔體液面的距離為50 mm。
根據本發明的一個實施例,所述導流筒包括調整裝置,用以調整導流筒底部與矽熔體液面之間的距離。採用增設調整裝置的形式改變導流筒底部與矽晶棒之間的距離,可以在現有導流筒結構上在簡化導流筒的製程。
示例性地,導流筒包括內筒、外筒以及隔熱材料,其中,所述外筒的底部延伸至所述內筒底部下方並與所述內筒底部閉合以在內筒和外筒之間形成空腔,所述隔熱材料設置在所述空腔內。
根據本發明的一個實施例,所述調整裝置包括插入部件,所述插入部件包括突出部和插入部,所述插入部插入所述外筒底部延伸至所述內筒底部下方的部分與所述內筒底部之間的位置,所述突出部延伸至超出所述內筒底部,由於現有的導流筒一般設置為圓錐桶型,導流筒底部通常採用橫截面為圓形的設置,利用將導流筒設置為包括在內筒和外筒之間的插入部件,可以在不改變現有導流筒結構的情況下,利用調整插入部件的結構和形狀,靈活調整導流筒底部的形狀,以調整導流筒底部與矽熔體液面之間的距離;從而實現在不改變現有半導體晶體生長裝置的情況下,利用設置具有插入部的調整裝置達到本發明的效果。同時插入部件可以模塊化製造、更換,進而適應各種不同尺寸、不同情況下的半導體晶體生長製程,進而節約成本。
參看圖4,顯示出了根據本發明的一個實施例的半導體晶體生長裝置中的導流筒的結構示意圖。參看圖4,導流筒16包括內筒161、外筒162以及設置在內筒161和外筒162之間的隔熱材料163,其中,外筒162的底部延伸至內筒161的底部下方並與內筒161的底部閉合以在內筒161和外筒162之間形成容納隔熱材料163的空腔。將導流筒設置為包括內筒、外筒和隔熱材料的結構,可以簡化導流筒的安裝。示例性地,內筒和外筒的材料設置為石墨,隔熱材料包括玻璃纖維、石棉、岩棉、矽酸鹽、氣凝膠氈、真空板等。
繼續參看圖4,在導流筒16的下端設置有調整裝置18。調整裝置18包括突出部181和插入部182,所述插入部182設置為插入外筒162底部延伸至內筒161底部下方的部分與內筒161底部之間的位置。將調整裝置以插入的形式安裝在導流筒上,而不需要對導流筒進行改造,就可實現調整裝置的安裝,進一步簡化調整裝置與導流筒的製造和安裝成本。同時,插入部插入外筒底部和內筒底部之間的位置,有效減小了外筒向內筒的熱傳導,降低了內筒的溫度,進一步減少了內筒向晶棒的輻射傳熱,有效減小了矽晶棒中心和外周的軸向溫度梯度的差值,提升了拉晶質量。示例性地,所述調整裝置設置為熱導率較低的材料,如SiC陶瓷、石英等。
示例性地,所述調整裝置可以分段設置,如沿著垂直於所述磁場的方向上設置在所述導流筒上的兩個;也可以沿著導流筒底部圓周設置,如設置為圓環。進一步,示例性地,所述圓環設置為底部具有向下凸出的波浪形表面。
需要理解的是,調整裝置以分段設置或者以圓環設置僅僅是示例性地,任何能夠調整導流筒內筒底部與所述矽晶棒之間的距離的調整裝置均適用於本發明。
本發明已經利用上述實施例進行了說明,但應當理解的是,上述實施例只是用於舉例和說明的目的,而非意在將本發明限制於所描述的實施例範圍內。此外本領域技術人員可以理解的是,本發明並不局限於上述實施例,根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改,這些變型和修改均落在本發明所要求保護的範圍以內。本發明的保護範圍由附屬的發明申請專利範圍及其等效範圍所界定。
1:爐體 10:矽晶棒 11:坩堝 12:加熱器 13:矽熔體 14:提拉裝置 15:驅動裝置 16:導流筒 161:內筒 162:外筒 163:隔熱材料 17:磁場施加裝置 18:調整裝置 181:突出部 182:插入部 A:坩堝的旋轉方向 B:磁場方向 D1:磁場方向 D2:坩堝的旋轉方向
本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用於理解本發明。附圖中示出了本發明的實施例及其描述,用來解釋本發明的原理。 附圖中: 圖1A和圖1B為一種半導體晶體生長裝置中,生長的半導體晶體和熔體的界面下方的溫度分佈的示意圖; 圖2為根據一種半導體晶體生長裝置的結構示意圖; 圖3A為根據本發明的一個實施例的半導體晶體生長裝置中坩堝、導流筒和矽晶棒的橫截面位置排列示意圖; 圖3B為根據本發明的一個實施例的半導體晶體生長裝置中導流筒底部與矽熔體液面之間距離變化隨著圖3A中角度α的變化的示意圖; 圖3C為根據本發明的一個實施例的半導體晶體生長裝置中矽熔體液面向導流筒輻射的熱量隨著圖3A中角度α的變化的示意圖; 圖4為根據本發明的一個實施例的半導體晶體生長裝置中的導流筒的結構示意圖。
1:爐體
10:矽晶棒
11:坩堝
12:加熱器
13:矽熔體
14:提拉裝置
15:驅動裝置
16:導流筒
17:磁場施加裝置

Claims (7)

  1. 一種半導體晶體生長裝置,包括:爐體;坩堝,所述坩堝設置在所述爐體內部,用以容納矽熔體;提拉裝置,所述提拉裝置設置在所述爐體頂部,用以從所述矽熔體內提拉出矽晶棒;導流筒,所述導流筒呈桶狀並沿豎直方向設置在所述爐體內的所述矽熔體的上方;所述導流筒包括內筒、外筒以及隔熱材料,其中,所述外筒的底部延伸至所述內筒底部下方並與所述內筒底部閉合以在所述內筒和所述外筒之間形成空腔,所述隔熱材料設置在所述空腔內;所述導流筒包括調整裝置,用以調整所述導流筒和所述矽熔體液面之間的距離,所述調整裝置包括插入部件,所述插入部件包括突出部和插入部,所述插入部插入所述外筒底部延伸至所述內筒底部下方的部分與所述內筒底部之間的位置,所述突出部延伸至超出所述內筒底部;磁場施加裝置,用以對所述坩堝內的所述矽熔體施加水平方向上的磁場;其中,在所述磁場的方向上的所述導流筒底部與所述矽熔體液面之間的距離小於垂直於所述磁場的方向上的所述導流筒底部與所述矽熔體之間的距離。
  2. 如請求項1所述的半導體晶體生長裝置,其中:所述導流筒底部具有向下突出的波浪形表面。
  3. 如請求項2所述的半導體晶體生長裝置,其中: 在沿著所述磁場的方向上,所述導流筒的底部位於所述波浪形的波谷,以使在沿著所述磁場的方向上所述導流筒的底部與所述矽熔體液面之間的距離最小;在垂直於所述磁場的方向上,所述導流筒的底部位於所述波浪形的波峰,以使在垂直於所述磁場的方向上所述導流筒的底部與所述矽熔體液面之間的距離最大。
  4. 如請求項3所述的半導體晶體生長裝置,其中:所述波谷至所述矽熔體液面的距離在10-50mm之間;所述波峰至所述矽熔體液面的距離在30-80mm之間。
  5. 如請求項1所述的半導體晶體生長裝置,其中:所述調整裝置包括沿著垂直於所述磁場的方向上設置的至少兩個。
  6. 如請求項1所述的半導體晶體生長裝置,其中:所述突出部設置為圓環。
  7. 如請求項6所述的半導體晶體生長裝置,其中:所述圓環的底部具有向下凸出的波浪形表面。
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