製造矽單晶設備的製作方法

2023-11-12 03:01:22 2

專利名稱：製造矽單晶設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及引上法製造矽單晶的設備。
在大規模集成電路LSIs領域中。一直存在著逐年增大單晶直徑的要求。近來，絕大多數的現代裝置使用直徑6英寸的晶體。據信不久的將來需要直徑為10英寸或更大如12英寸的晶體。
引上法(CZ法)，就製備晶體而言包括兩種設計思想，第一種是該方法中坩堝是旋轉的，第二種是該方法中坩堝不旋轉。目前所有用於大規模集成電路的CZ晶體製備時，皆讓坩堝逆著晶體轉動方向來旋轉，且坩堝主要由其側面的電阻加熱器來加熱。儘管作了許多努力，然而直至目前，尚未用不轉動坩堝或者用其他非上述的加熱方式制出直徑超過5英寸的晶體，而且用上述方式將來也制不出來。原因在於，坩堝不轉動;或用其他非上述的加熱方式例如電磁感應加熱方式或者施於坩堝底部的電阻加熱方式，對晶體生長而言，不可能獲得完全集中的溫度分布。晶體生長對溫度極為敏感。
旋轉坩堝的CZ法中(此後稱為常規CZ法)，坩堝的旋轉和側面電阻加熱引起矽熔體的強烈對流，並使熔體被令人滿意地攪動。因此，該方法對大直徑的單晶生長是合乎需要的。換言之，這就能夠得到均勻的、但對晶體又是完全集中的熔體表面溫度分布。所以，本發明是建立在常規CZ法基礎上的。如前所述，常規CZ法和其他CZ法之間的矽熔體流動有著顯著不同。這種不同又導致兩種方法間晶體生長條件的不同。隨之，這兩種方法使得單晶爐中部件的功能方面明顯不一樣。這兩種方法就其對晶體生長的基本設計思想來說，全然不同。
在採用常規CZ法的情況下，坩堝中矽熔體的量隨著晶體生長而減少。這樣一來，晶體生長時，晶體內摻雜物的濃度增高而氧濃度下降。換言之，晶體的性能沿其生長方向而改變。鑑於對LSIs的密度和對矽單晶的質量要求同步增長的趨勢變得一年比一年更迫切的實際情況，這個問題必須加以解決。
作為解決此問題的手段，可從老方法中獲得，老方法中，按照常規CZ法，在石英坩堝內部用一個園筒型的石英隔件分開，該隔件上有一個或多個通孔以使矽熔體能藉以穿過來供料，並且使園柱型矽單晶得以在該隔件內側生長，而使矽原料加在該隔件外側(如日本專利公開JP40-10184，第1頁20-35行)。正如在待批的JP62-241889第2頁12-16行指出的，該方法的主要問題是在隔件上向其內側方向會發生矽熔體凝固30的傾向(見圖7)。這是由下列因素引起的。例如，從用於光導纖維的石英應用中可看出，石英隔件可通過輻射方式有效地傳導熱。矽熔體中的熱以光的形式向上穿過隔件而被傳導出去，且從隔件部位散失的熱來自於暴露的矽熔體表面。
因此，在該隔件附近的熔體溫度明顯降低。還有，按常規CZ法，由於強烈的熔體攪動，熔體表面溫度不僅均勻而且還恰恰略高於該熔體的凝固溫度。將這些因素綜合起來，與隔件相接觸的熔體表面就處於非常傾向產生凝固體30的狀態。為克服這一缺點，待批的JP62-241899提出了一種不用隔件的方法。然而因材料熔化區所限，從而使熔化材料的能力變得極低，該方法一直未付諸實際應用。
按前述常規技術，當控制單晶而同時又連續將矽顆粒饋入坩堝時，會遇到下列問題
(1)在將坩堝分為矽粒熔化區和單晶拉制區的情況下，自隔件內側產生熔體凝固的傾向。那麼，一旦發生凝固，它就會持續生長，以致阻凝正常的單晶生長。
(2)為解決前一段所述問題，如果將隔件和材料熔化區用一塊確保大量的熱在其表面內傳遞的持熱板遮蓋起來，則欲被拉制的單晶本身就被該持熱板冷卻。結果，晶體的溫度梯度就會偏離使晶體能進行生長的溫度區，如此也就危及了正常的晶體生長。
(3)在矽單晶拉制期間，熔體溫度非常接近矽的熔點，此外，如將溫度接近室溫的矽粒連續加入，則矽粒並未全熔，因而以固態浮在熔體表面，從而使熔體凝固，並且以矽粒為核來生長。
為此，本發明的目的就是提供一種改進的矽單晶製造設備，其中將隔件及位於隔件外側的材料熔化區用一塊厚度小於3mm的金屬持熱板蓋住。
鉭和鉬是用作金屬持熱板的材料。並且在其直體部位上有多個開口。
這種結構具有下列防止作用(1)在將坩堝分成材料熔化區和單晶生長區的場合下，防止熔體自隔件的內側壁上凝固。
(2)在隔件及材料熔化區被一塊能使大量的在其板表面內進行熱傳遞的熱板蓋住的情況下防止對正常晶體生長的阻礙。
(3)防止熔矽在材料熔化區中凝固。
例如，作為一種方式，防止(1)材料熔化區的矽熔體凝固和防止(2)隔件內側熔體的凝固，在將坩堝分成材料熔化區和單晶生長區的情況中，用一塊持熱板將隔成材料熔化區和單晶生長區的隔件以及材料熔化區的上方遮蓋起來，這是可以想像到的。由於通常將碳質材料用於矽單晶生產的熱區結構元件，所以首先考慮將它用作持熱板的材料。
然而，在此情況下，從強度考慮此材料厚度至少為5mm。結果，在該板表面內的熱傳遞增大。換言之，增大了自熔體上方持熱板的高溫區向保持在低溫的上部持熱板所傳遞的熱量，該低溫是由水冷爐壁和持熱板上表面的輻射所致。換句話說，緊靠著熔體上方持板的熱量因在該板中的熱傳遞而迅速散失，而這熱量對於晶體生長至關重要，結果，這部位的溫度最多只能達到約1000℃。
因此，在持熱板預防結構對隔件及材料熔化區具有持熱作用的同時，它也具有對晶體的強致冷卻作用。
按照本發明，用作持熱板的材料是一種金屬，並且其厚度在3.0mm或更薄的範圍內選擇。換言之，使用金屬，可使持熱板的厚度小於3.0mm。結果，與碳質材料相比，持熱板的板表面內傳遞的熱量大大減少。這樣，熔體上方該板的溫度可超過1300℃，並且上述的因該板所引起對晶體冷卻的作用也降低了。與不採用持熱板的情況相比，根據不同情況，在固一液界面的晶體溫度梯度可有所下降。計算機模擬表明，與不用持熱板的情況相比，在該板的厚度減至1.5mm以下，並以鉭為制板材料時，固一液界面的晶體溫度梯度可被減小。
還有，提高熔體上方的持熱板的溫度，就能增強對隔件及材料熔化區中矽熔體的持熱作用。換言之，就能更好地實現設置持熱板的第一個目的，即，防止(1)，在材料熔化區和單晶生長區互被分隔的情況下，防止熔體自隔件的內側凝固;防止(2)材料熔化區中熔矽的凝固。
鉭或鉬作為製造持熱板的金屬材料是特別合適的。原因是在1400℃以上的高溫時其強度很高，而且與其他金屬相比，在溫度超過1400℃時它們與SiO的反應性很低。由於在晶體生長爐中存在著高溫的SiO氣體，所以鉭或鉬與SiO的低反應性是將其用作熱區結構元件的合適的條件。
再有，在金屬持熱板直體部位上的開口具有調節冷卻晶體速度的能力，並且創造一個使晶體生長的適宜環境。


圖1是示意地展示本發明的一種實施方案的縱剖面圖。
圖2是沿Ⅰ-Ⅰ線所作的剖面圖。
圖3是隔件實施方案的側視圖。
圖4是金屬持熱板實施方案的側視圖。
圖5是展示粒狀矽的熔化時間與偏離矽熔點的溫度之間的關係曲線。
圖6(A)和6(B)分別是金屬持熱板的另一種實施方式的透視圖和側視圖。
圖7是表示矽在隔件上凝固的示意圖。
圖1示意地展示本發明實施方案的剖面圖，而圖2是沿圖1中的Ⅰ-Ⅰ線取的剖面圖。在這些圖中，1是裝在石墨坩堝2中的石英坩堝。石墨坩堝2可垂直移動還可轉動，支撐在支架3上。4是盛在坩堝1中的熔融原料，生長成圓柱形的單晶5從熔體被旋轉提拉出來。6是環繞石墨坩堝2的電阻加熱器，而7是環繞加熱器6的熱區絕熱裝置。這些元部件都裝在室8中。上述結構基本上與按照引上法構成的常規矽單晶製造設備的結構相同。
11是用高純度石英製成的，並設置在坩堝1中心部的隔件。如按照用圖3實施例所示，沿該件11的高度方向，基本上低於其中線部位，開有一個或多個小孔。這樣，在隔件11外側(此後稱為材料熔化區B)的熔矽僅能通過小孔12流暢地流到隔板件11的內側(此後稱為單晶生長區A)。
9是開在室8中的開口，它位於材料熔化區B的上方。牢固地插在開口9中的是一臺輸入粒狀或塊狀矽(此後稱作粒狀矽)的給料器13，給料器13的下端位於材料熔化區B中熔矽表面的上方。給料器13連續地將粒狀矽輸在材料熔化區B上。
如圖4所示，17是由厚度為0.5mm鉭板構成的金屬持熱板。金屬持熱板以其外園邊緣部位支撐在熱區絕熱裝置7上，並且這樣的布置就封閉了隔件11和材料熔化區B。金屬持熱板17的底部(內緣部分)靠近熔體表面(在該實施方案中，此距離約為10mm)。這樣作的目的是為防止在隔件11的內壁上的熔體產生凝固，並以此提高對材料熔化區B中熔矽的持熱作用。
18是開在與溫度探測器14相應部位的開口，19是矽粒的給料通道16的開孔。
結合上述結構，描述本實施方案的運行。熔矽4盛在坩堝1中隔件11的內側和外側，並且在其內、外側上的熔矽表面處於同一水平。現在，籽晶浸在單晶生長區A中的熔體表面，然後隨著旋轉將它逐漸提拉。此時，隨著固一液界面上的凝固進行晶體生長，得到園柱狀矽單晶5。在這段時間內，矽粒16連續地從給料器13輸到材料熔化區B中的熔矽表面上，以使矽粒16藉助材料熔化區B中的熔矽而被熔化。熔矽穿過隔件11上的小孔12流暢地流到單晶生長區A中，藉此一直保持熔矽4的恆定的水平面。同時，隔件11阻止了因將矽粒饋於材料熔化區B中的熔矽表面而引起的波動。這樣，這些波動就不會擴散到單晶生長區A中。
注意將原料給料器的下端置於矽熔體表面上方而不是將其浸在矽熔體中，以使粒狀矽16落在熔矽表面上，其理由是令矽粒16浮在熔化材料區B整個面積的矽熔體表面上，以使其在材料熔化區的整個面積上熔化。
另外，溫度檢測結果表明下列事實。為了提拉正常的矽單晶同時防止連續加入粒狀矽引起熔矽的凝固，並且還防止該熔體自隔件的內側發生凝固，材料熔化區B中矽熔體溫度必須比矽熔點至少高出12℃(見圖5)。通過設置金屬持熱板17，這些條件很容易達到。另外還有防止晶體的任何過冷以及確保正常的晶體生長的效果。
上述的實施方案展示了將單臺給料器13用來把粒狀矽16連續地加在材料熔化區B中熔矽表面上的情況。然而也可以設置兩臺或多臺給料器13。
再者，除上述實施方案外，晶體和持熱板的熱輸運模擬可通過數學計算得出。結果示出，在材料是鉭而且持熱板的厚度為3mm的情況下，固一液界面上的晶體溫度梯度與不採用任何持熱板的情況基本相同。因此，將可看到為使正常的晶體生長成為可能，則必選擇3mm或更薄的持熱板厚度，即使持熱板是金屬的，其厚度最好是0.05mm或稍厚。
現在參看圖6A和6B，其中說明金屬持熱板的另一種實施方案的透視圖及側視圖。在金屬持熱板17的直體部位上有多個開孔20。設置這些開孔為的是調節晶體的冷卻程度。換言之，可使石墨坩堝2內壁的高溫輻射通過開孔20直接到達晶體。結果，調節開孔的面積則導致對晶體冷卻程度的調節。為調節晶體的冷卻程度而改變開孔的面積，與變更持熱板的厚度和材料是等效的，而這樣作是很簡單的。
按照這一實施方案，具有多個開孔20並且厚度為0.3mm的持熱板(圖6A和6B)被用於圖1所示的矽單晶製造設備。若使用金屬持熱板17，開孔面積與直體部位的表面積之比為30%，且材料為鉬。這樣製造6英寸的矽單晶就可得以保證。
還有，在圖6A和6B的實施方案中，開孔20為園形，但它們並不限於園形。此外，即使開孔20為設在金屬持熱板下端成切縫狀也並非想不到。
本發明具有以下效果。
本發明具有持熱板。其材料為金屬而且其厚度選擇為小於3mm，藉此防止在隔件內側面上的熔體於其上發生凝固。另外，還可將固化界面上的晶體的溫度梯度降到與不用持熱板的情況下大致相同的程度。還有，材料熔化區中矽溶體溫度被保持在高於矽熔點12℃的溫度，藉此就防止了材料熔化區中矽熔體的凝固。結果則確保正常的矽單晶提拉。所以，本發明的工作具有使晶體沿拉制方向的質量均勻性得到保證，從而實現提高產量，增大產率等等。
還有就是，金屬持熱板上的開孔起到調節冷卻晶體程度的作用，從而確保晶體處在適當的環境。
權利要求
1.一種矽單晶製造設備，包括一種轉動型的，盛有矽熔體的石英坩堝；一個用於在所述石英坩堝側面將其加熱的電阻加熱器；一個用於在所述石英坩堝內的所述矽熔體分成單晶生長區和材料熔化區的石英隔件，在所述隔件上有至少一個開孔用於使矽熔體通過；用於向所述材料熔化區連續饋入原料矽的原料給料裝置，及厚度為3mm或更小，並用來遮蓋在所述的隔件及所述隔件外側的材料熔化區上方的金屬持熱板。
2.根據權利要求1的矽單晶製造設備，其中所述的金屬持熱板用鉭或鉬製成。
3.根據權利要求1或2的矽單晶製造設備，其中所說的金屬持熱板包括具有多個開口的直體部位。
全文摘要
在一種連續裝入原料類型的矽單晶製造設備中，設有一個隔件將石英坩堝內的熔體分成單晶生長區和材料熔化區，還有一個將該材料熔化區上方遮蓋起來的金屬持熱板。該金屬持熱板用來防止隔件內側上矽熔體凝固，並防止矽單晶過冷。金屬持熱板厚度為3mm或更薄，而其材料為鉭或鉬。再者，該持熱板包括具有多個開孔的直體部位，用來調節單晶溫度。
文檔編號C30B15/12GK1051207SQ90102209
公開日1991年5月8日 申請日期1990年3月30日 優先權日1989年10月26日
發明者中濱泰光, 荒木健治, 神尾寬 申請人:日本鋼管株式會社