單晶體的製造方法和設備的製作方法

2023-08-07 05:04:46 1

專利名稱：單晶體的製造方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於通過浮區法製造單晶體的方法以及適於採用該方法的設備。
背景技術：
浮區法/逐區精 煉法(Zonenziehen)在工業規模上特別用來製造由矽組成的單晶體。為此，多晶矽採用感應方式被熔化並且在單晶晶種上結晶。多晶矽通常以進料棒的形式設置，該進料棒從其下端開始通過感應線圈被逐漸熔化，其中由熔化的矽組成的熔化區用於單晶體的生長。這種方法以下稱為FZ法。FZ法的一個改型方法(其此後稱為GFZ法)採用多晶顆粒矽代替進料棒。儘管FZ法採用一個感應加熱線圈使得進料棒熔化並使得單晶體的受控結晶，但是GFZ法採用兩個電感加熱線圈。多晶顆粒在一板上藉助於第一感應加熱線圈被熔化並且隨後穿過該板的中心孔流至正在生長的單晶體並形成熔化區。單晶體的結晶藉助於第二感應加熱線圈被控制，其中所述第二感應加熱線圈在第一感應加熱線圈下方設置。有關GFZ法的其它詳細內容例如在專利公開文獻US2011/0095018中記載。專利公開文獻DE3007377A1描述了 FZ法和適用於實施該方法的設備，其中該專利公開文獻致力於防止產生熱應力的問題。為了解決該問題，該專利公開文獻提出通過圍繞單晶體的反射保護罩的熱福射重新加熱單晶體。A.Muiznieks等人的公開文獻(Journal ofCrystalGrowth (晶體生長學報)230 (2001)，305-313)證實了保護罩(其被稱為反射器)的用於減小熱應力的功效。模擬計算也表明熱應力在結晶邊界的中心為最高並且熱應力的影響隨單晶體的直徑而增加。另外，得到表明的是熱應力特別在結晶邊界中心處越高，則結晶邊界向單晶體彎曲的程度就越大，並且這種彎曲隨單晶體的結晶速度而增加。因此，需要一些措施來用於在不必限制結晶速度的情況下防止結晶邊界的彎曲以及適於在不損失生產率的情況下避免熱應力和錯位形成的隨後危險性。因為圍繞單晶體的反射器阻礙經由單晶體側表面的熱傳遞，所以更少的熱量必須經由感應加熱線圈被供應至熔化區，以便確保晶體生長所需的熔化區的高度。這是與反射器的使用有關的另一優點。隨著單晶體的直徑增大和結晶速度增加，結晶邊界的彎曲增加。這加劇了熱應力導致的問題。反射器的使用不再足以作為一種應對措施。

發明內容
因此，本發明的目的是以更有利的方式抵消結晶邊界的彎曲以及由熱應力造成的單晶體的負荷。該目的通過一種用於以浮區法製造單晶體的方法實現，其中單晶體在感應加熱線圈的支持下在結晶邊界處的熔化區下方結晶，結晶熱的散發由圍繞該單晶體的反射器阻礙，其特徵在於，單晶體在結晶邊界的外邊緣區域中由第一區中的加熱裝置進行加熱，其中結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta與結晶邊界中心Z之間的距離Λ受到影響。
該目的同樣通過一種用於以浮區法生產單晶體的設備實現，該設備包含圍繞該單晶體的反射器以及用於在該單晶體的結晶邊界的外邊緣的區域中加熱該單晶體的加熱裝置。本發明旨在追求的目標是從側部增加單晶體上端區域中的溫度，以此影響在單晶體周邊的結晶邊界的軸向位置，準確地說，以此方式限制結晶邊界的彎曲，即限制中心與結晶邊界之間的垂直距離。本發明不論所結晶的是矽還是其它半導體材料並且不論按照FZ法還是GFZ法進行結晶均可以應用。根據本發明的一個優選實施例，單晶體通過在生長的單晶體的上端周圍布置的輻射式加熱系統被加熱。輻射式加熱系統例如可以發出IR (紅外)射線或光學射線。特別優選採用滷素輻射式加熱系統。作為替代，為了替代輻射式加熱系統，還可以採用感應式加熱系統或電阻式加熱系統或一些其他加熱裝置，由此，熱量可以傳入到結晶邊界的外邊緣的區域中。


以下參照附圖對本發明進行更詳細的描述。圖1是說明現有技術的剖視圖，並且該圖示出按照浮區法製造的單晶體的縱向區段的一半。除該單晶體外，該圖還示出用於控制該單晶體結晶的電感加熱線圈以及圍繞該單晶體的反射器，所述反射器反射由單晶體發出的熱輻射。圖2是說明本發明的剖視圖。`圖3是說明本發明且示出附加優選特徵的另一剖視圖。
具體實施例方式單晶體I在該單晶體與由熔化的材料組成的熔化區3之間的結晶邊界2處生長，並且在該過程中下降(圖1)。熔化的材料優選來源於由多晶矽構成的進料棒或來源於由多晶矽構成的顆粒。熔化區3藉助於射頻感應加熱線圈(RF電感器)4被加熱。在單晶體生長過程中出現的結晶熱經過單晶體傳導，並且特別經由單晶體的側向表面5發出。這種傳熱遞造成的後果是特別在結晶邊界2的區域中出現非均勻溫度場，其中這種非均勻溫度場是結晶邊界2朝向單晶體的彎曲(Durchbiegung)的原因。結晶邊界的彎曲(程度)定義為在結晶邊界的外邊緣的外三相點/三態點Ta與結晶邊界2的中心Z之間的軸向距離Λ。藉助於圍繞單晶體的反射器8，尤其結晶邊界2的中心Z在幾何軸線A上的位置受到影響，其中所述反射器反射由單晶體I發出的熱輻射。本發明還設置成藉助於加熱裝置6在結晶邊界的外邊緣的區域中加熱單晶體，並以此影響結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta與結晶邊界2的中心Z之間的距離Λ (圖2)。加熱裝置6緊鄰單晶體布置，並且單晶體通過加熱裝置6被直接加熱。在加熱裝置6的幫助下，向單晶體供應能量，該能量的電功率優選不小於2kW並不大於12kW，特別優選不小於4kW並不大於10kW。該範圍的上限是相對於直徑為150mm的單晶體而言的。如果打算製造直徑更大的單晶體，則該範圍的上限提高與直徑之比相對應的因數。
單晶體優選藉助於加熱裝置被加熱，以使得結晶邊界的外邊緣的外三相點Ta與結晶邊界2的中心Z之間的距離Λ不大於距離Λ '的90%，並且特別優選不大於距離Λ '的80%。距離Λ '是在省卻加熱裝置6時外三相點Ta與中心Z之間的距離。優選的是，以根據單晶體的長度的方式控制加熱裝置6的電功率。為此，設置影響加熱裝置電功率的控制器7，例如設置隨單晶體長度的增大而降低加熱裝置的電功率的控制器。進一步優選的是，調節電感加熱線圈的電功率並如果合適附加地調節在該方法的過程中單晶體的降低速度，從而使得熔化區中的距離H的選定的絕對值不變，例如這是通過結晶邊界的外邊緣與射頻感應加熱線圈之間的距離I保持儘可能恆定而實現的。熔化區中的距離H對應於熔化區的上端處的內三相點T1與結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta之間的距離。單晶體的藉助於加熱裝置6所加熱的區域對應於第一區，其中所述第一區沿單晶體的縱向具有一長度L。從外三相點Ta出發、與單晶體的幾何軸線A (縱向軸線)平行延伸的長度L不應長於距離Λ，並且優選不應長於距離Λ/2。距離Λ是在採用本發明時出現的、結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta與結晶邊界的中心Z之間的距離。如果加熱裝置6還加熱了上述區域下方的區域，則儘管能夠以此減小熱應力，但彎曲將會增大。另外，由加熱裝置6造成對來自單晶體的熱量耗散的過度阻礙會成為對經濟的結晶速度的障礙。出於同樣理由，優選限制反射器8的軸向長度。反射器的尺寸應設成反射器在第二區中阻礙結晶熱的散發，從而使得在 該反射器影響的區域中，單晶體內的徑向溫度分布變得更均勻。第二區與第一區相鄰。該第二區沿單晶體的縱向具有一長度S，其中長度S和長度L之和優選等於單晶體的直徑D大小的0.5至1.5倍。反射器的朝向單晶體的內壁的反射率優選不小於80%。反射器8優選完全由銀構成或者至少具有由銀構成的內壁。內壁優選經過拋光。加熱裝置6優選直接在反射器8上方設置。然而，加熱裝置也可以集成到反射器8的上端中。如果情況並非如此，則加熱裝置6和反射器8可以布置成它們通過機械的方式彼此相連或分離。後者的結果是，可以高效限制反射器的熱傳導。加熱裝置6由具有高反射率的耐高溫材料製成，並且優選設置為輻射式加熱系統。特別優選的是，輻射式加熱系統包括一個或多個滷素燈，特別地，輻射加熱系統由一圈滷素燈環形成，其中這圈滷素燈環在結晶邊界的外邊緣的區域中圍繞單晶體。如圖3所示的根據本發明的設備與如圖2所示的設備的不同之處基本在於附加的特徵、即圍繞單晶體並且吸收熱輻射的本體9。該本體可以是被動式熱沉(散熱片)或者主動式冷卻裝置。該本體在緊隨著第二區的第三區中有助於經單晶體的結晶熱散發。第三區具有長度W並且自距外三相點Ta—距離處起始，該距離至少為單晶體直徑D的大小。第三區的長度W優選不短於單晶體的直徑的一半。本體9的反射率優選不大於20%。該本體優選通過絕熱橋連接至反射器8或者以不接觸該反射器的方式安裝。
權利要求
1.一種用於通過浮區法製造單晶體的方法，其中單晶體在感應加熱線圈的支持下在結晶邊界的熔化區下方結晶，並且結晶熱的散發通過圍繞所述單晶體的反射器被阻礙，其特徵在於，所述單晶體在結晶邊界的外邊緣區域中通過第一區中的加熱裝置被加熱，其中所述結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta與所述結晶邊界的中心Z之間的距離Λ受到影響。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述單晶體藉助於所述加熱裝置被加熱，以使得所述結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta與所述結晶邊界的中心Z之間的距離Λ不大於在省卻所述加熱裝置的情況下所述外三相點Ta與所述中心Z之間出現的距離Λ'的90%。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述感應加熱線圈的電功率被調節，以使得在所述熔化區上端處的內三相點Ti與所述結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta之間的熔化區中的距離H的選定絕對值不變。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於，所述單晶體通過作為加熱裝置的輻射式加熱系統被加熱。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於，所述單晶體通過作為加熱裝置的感應式加熱系統被加熱。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特徵在於，所述加熱裝置的電功率以取決於所述單晶體長度的方式被控制。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其特徵在於，電功率不小於2kW的能量藉助於所述加熱裝置被供至向所述單晶體。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其特徵在於，所述單晶體的藉助於所述加熱裝置所加熱的區域沿所述單晶體的縱向自所述外三相點Ta開始具有一長度L，其中所述長度L不大於所述距離Λ。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其特徵在於，所述反射器在第二區中阻礙結晶熱的散發，所述第二區與所述第一區相鄰並且在所述單晶體的縱向上具有一長度S，其中所述長度S與L之和等於所述單晶體的直徑D的0.5至1.5倍。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的方法，其特徵在於，圍繞所述單晶體且吸收熱輻射的本體在第三區中有助於結晶熱的散發，所述第三區緊隨著所述第二區並且自距所述外三相點Ta —距離處起始，其中所述距離至少具有所述單晶體的直徑的大小。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的方法，其特徵在於，所述熔化區通過由矽構成的多晶供料棒的連續熔化被形成。
12.根據權利要求1至10中任一項所述的方法，其特徵在於，所述熔化區通過多晶顆粒矽的連續熔化被形成。
13.一種用於通過浮區法製造單晶體的設備，所述設備包括圍繞所述單晶體的反射器以及用於在所述單晶體的結晶邊界的外邊緣區域內加熱所述單晶體的加熱裝置。
14.根據權利要求13所述的設備，其特徵在於，所述加熱裝置是輻射式加熱系統。
15.根據權利要求13所述的設備，其特徵在於，所述加熱裝置是感應式加熱系統。
16.根據權利要求13至15中任一項所述的設備，其特徵在於，所述加熱裝置在所述反射器中集成。
17.根據權利要求13至16中任一項所述的設備， 其特徵在於，所述加熱裝置的尺寸設置成所述單晶體的由所述加熱裝置所加熱的區域沿所述單晶體的縱向是第一區，其中所述第一區自所述外三相點Ta具有一長度L，其中所述長度L不大於在所述結晶邊界的外邊緣處的外三相點Ta與所述結晶邊界的中心Z之間出現的距離Λ。
18.根據權利要求13至17中任一項所述的設備，其特徵在於，所述反射器在第二區中阻礙經所述單晶體的結晶熱散發，所述第二區與所述第一區相鄰並且沿所述單晶體的縱向具有一長度S，其中所述長度S與L之和等於所述單晶體的直徑D的0.5至1.5倍。
19.根據權利要求13至18中任一項所述的設備，其特徵在於，所述設備還包括圍繞所述單晶體並且吸收熱輻射的本體，所述本體在第三區中促進經所述單晶體的結晶熱散發，所述第三區緊隨著所述第二區並且自距所述外三相點Ta—距離處起始，所述距離至少具有所述單晶體的直徑 D的大小。
全文摘要
用於通過浮區法生產單晶體的方法和裝置，其中該單晶體在電感加熱線圈的支持下在結晶邊界的熔化區下方結晶，並且結晶熱的散發由圍繞該單晶體的反射器阻礙，其特徵是，該單晶體在結晶邊界的外側邊緣區域中由加熱裝置在第一區中進行加熱，其中結晶邊界的外側邊緣的外側三相點Ta與結晶邊界的中心Z之間的距離受到影響。
文檔編號C30B13/22GK103173848SQ20121056233
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月21日 優先權日2011年12月21日
發明者G·拉明, L·阿爾特曼紹夫爾, G·拉特尼科斯, J·蘭德裡欽格, J·洛布邁爾, A·霍爾津格 申請人:矽電子股份公司