專利名稱:非線性磁場中單晶硅拉制方法及其裝置的制作方法
本發(fā)明屬于在磁場中拉制單晶硅的方法及所用裝置。與本發(fā)明有關(guān)的國際專利分類號為C30B15/00，C30B13/00，B01D9/00，H01L21/02，E01F41/28。
本說明書共有附圖11個。圖1表示直接硅單晶中的雜質(zhì)條紋的圖2表示在制造硅時因材料中的微缺陷而產(chǎn)生的旋渦紋。圖3表示硅片中氧含量與磁場強度的關(guān)系。圖4表示加磁場后硅單晶均勻性得到改善的情況。圖5是由空心馬鞍形線圈構(gòu)成的橫向磁場單晶爐原理圖，圖中1為爐主體，2為電磁鐵，3為直流功率源。圖6是由鐵心加銜鐵構(gòu)成的橫向磁場單晶爐原理圖，圖中1為Ar進口，2為硅單晶，3為保溫罩，4為磁極，5為熔硅。
圖7是由兩組固定的空心線圈組成的垂直磁場單晶爐原理圖，圖中1為爐體，2為線圈，3為直流功率源。
圖8是由一組固定空心螺旋管組成的垂直磁場單晶爐原理圖，圖中1為晶體，2為螺旋管，3為加熱器，4為坩堝，5為熔硅。
圖9為坩堝中熔硅熱對流的示意圖。
圖10為在非線性磁場中拉制單晶硅的方法示意圖，圖中1為熔硅，2為坩堝，3為磁力線，4為晶錠，5為坩堝在磁場上端，6為坩堝在磁場下端。
圖11為外壁全封閉的螺旋管位置可調(diào)的磁場單晶爐原理圖，圖中1、2為液壓傳動器，3為磁環(huán)，4、5為螺旋管，6為冷卻器，7為冷卻水出口，8為冷卻水入口，9、10、11為用于不同目的的觀察口，12為保溫罩，13為加熱體，14為堝托，15為熔硅，16為坩堝，17為內(nèi)爐壁，18為爐體上端蓋，19為爐體下端蓋，20為銜鐵。
在微電子工業(yè)中應(yīng)用的硅晶體，自從三十年前開創(chuàng)其生產(chǎn)技術(shù)以來，它的基本生產(chǎn)過程便沒有發(fā)生明顯的改變。然而，近幾年來，以集成電路為代表的微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，對用于制造集成電路和其他半導體器件的硅晶體提出了越來越高的要求。晶體生長技術(shù)已成為工業(yè)應(yīng)用研究的集中點，并已構(gòu)成現(xiàn)代微電子工業(yè)的主要支柱之一。
在用直接法生長硅晶體時，經(jīng)常存在熱對流(參見J.R.Corruthers.Semiconductor Silicon，1977.P61)這種對流或是自由的或是被迫的。自由對流使凝固速率的變化難以控制(參見A.F.Witt.et al.，J.Electroch.Soc.，Vol.122，No.2)從而造成晶體-熔體界面附近擴散邊界層厚度的不均勻分布，這些變化導致晶體的周期性無序以及微觀和宏觀的不均勻性;對流的非均勻性，導致在熔硅中產(chǎn)生溫度振蕩，振蕩幅度隨溫度梯度的增加而增大。這些溫度變化與由于晶體中的雜質(zhì)濃度分布不均勻而形成的條紋間距相關(guān)，如圖1所示。由于溫度不穩(wěn)定性的存在，在晶體-熔體界面處導改局部生長和回熔。這種生長、凝固和回熔現(xiàn)象，同晶體中微缺陷的形成有關(guān)，圖2表示在制造SI時因材料的微缺陷而產(chǎn)生的旋渦紋。尤其是在硅中間隙氧的濃度和分布是造成層錯、位錯環(huán)和沉淀物等熱誘生缺陷的原因。因此，欲提高半導體器件的質(zhì)量和成品率，需要對氧的濃度和分布進行精確控制。
適當?shù)膽?yīng)用磁場能夠獲得對熱對流的有效監(jiān)控，并使氧的濃度和分布趨于穩(wěn)定。
1953年Thompson對導電流體與磁場間的相互作用，從理論上做了分析〔參見W.B.Thompson Phil.Mag.，Ser.7，Vol.42，No.335(1951)〕得出的結(jié)論認為，利用磁場來增加導電熔體有效運動的粘滯性，可方便地控制自由對流的強度。根據(jù)楞次定律當導體切割磁力線運動時，在導體中產(chǎn)生感生電流，感生電流的磁場反抗導體的運動。同樣的原理可應(yīng)用于磁場中硅熔體的對流運動。
磁場既可以改變硅熔體的對流作用，也就間接地控制了石英的熔解速率和在界面的輸運，據(jù)報導用磁場單晶爐能獲得2×1017/厘米3低氧濃度的晶體，可消除旋渦缺陷，層錯，氧化物沉淀以及產(chǎn)生熱施主等有關(guān)現(xiàn)象，從而可明顯提高材料的均勻性(參見崗村茂，公開特許公報(A)昭58-190891(1983)，伊澤伸幸，公開特許公報(A)昭56-104721(1981)，T.Suzuki，et.al.，UK Patont，Aplication GB 21029267A(1983)and 2059932(A))圖3是用橫向磁場拉制的CZ硅單晶中氧含量的變化規(guī)律。圖4是加磁場后硅單晶中均勻性改善的微觀結(jié)構(gòu)實例之一(參見T.Suzuki，et.al.，Semiconductor Silicon(1981)從中可見加磁場后單晶中的氧含量趨于穩(wěn)定，材料的均勻性得到改善。
當前在將磁場用于拉制CZ硅單晶時，主要采取兩種方式，一種方式是用橫向磁場，如圖5和圖6所示為橫向磁場單晶爐的示意原理圖。但橫向磁場對加熱體的影響較嚴重。另一種方式是用垂直磁場拉制CZ硅單晶，所用設(shè)備如圖7和圖8所示(參見Georgy Fiegl，Solid State Technolagy，Vol.26，No.8(1983)P.121，and Keigo Hoshikawa，Jap.J.Appl.Phys.，Vol.21，9，L545-547(1982)或中譯本張秀軍譯，半導體雜志，1983，5，P52)。這種垂直磁場單晶爐，雖然解決了橫向磁場對加熱體的影響，但卻對溫度起伏的控制能力減弱了。這是由于垂直磁場對圖9中的A部分的對流之抑制作用比B部分大，此外，這類垂直磁場的形成，都是用無鐵芯和銜鐵的空心線圈來產(chǎn)生，因此需要很大的功率源(一般在60-70KW)才能產(chǎn)生足夠的磁場強度，造成很大的能源消耗。
為了克服橫向磁場和垂直磁場單晶爐的缺點和不足，本發(fā)明應(yīng)用螺旋管所產(chǎn)生磁場的非線性區(qū)域來拉制單晶硅，以獲得磁場對熔硅熱對流的盡可能大的抑制效果，同時設(shè)計了一種使該方法得以實現(xiàn)的單晶爐。
本發(fā)明的要點在于利用具有不同內(nèi)經(jīng)的螺旋管組來產(chǎn)生磁場，該磁場的上端和下端的磁力線分別具有向外張開的喇叭口形狀，如圖10所示。在拉制單晶時，調(diào)整螺旋管與坩堝的相對位置，使坩堝處于磁場上端或下端喇叭口形的非線性區(qū)域。在該區(qū)域，磁力線方向與熔硅熱對流的運動軌跡接近于正交，從而可以獲得對熔硅熱對流盡可能大的抑制效果。
為使該方法得以實現(xiàn)，本發(fā)明設(shè)計了一種外壁全封閉螺旋管位置可調(diào)的磁場單晶爐，該單晶爐是由三個液壓傳動器，磁環(huán)，螺旋管銜接，爐體上下端蓋，坩堝，保溫罩，加熱體和堝托等部件組成，螺旋管共有11組，上端的5組具有較大的內(nèi)徑，其內(nèi)徑為380毫米，下端的6組具有較小的內(nèi)徑，其內(nèi)徑為350毫米，11組螺旋管的每組之間由水冷器相隔，螺旋管組由磁環(huán)馭載，磁環(huán)由三個同步的液壓傳動器支撐，在拉晶時可以由液壓傳動器調(diào)整螺旋管組與坩堝相對位置，使坩堝處于螺旋管所產(chǎn)生磁場的非線性區(qū)域，從而有效的抑制熔硅的熱對流。本單晶爐的另一個特點是作為螺旋管的銜鐵被做成爐壁的形狀，同時作為整個爐體的外爐壁，爐體的上下端蓋亦是用鐵磁材料制成，它與爐壁和磁環(huán)構(gòu)成封閉的磁回路，以最大限度的增加磁場強度和減小漏磁通，在爐體上端，設(shè)有三個觀察孔，以便于在引晶放肩時的觀察操作和等徑生長過程的控制，同時觀察孔9又是裝填原料和裝卸爐內(nèi)設(shè)備如加熱體保溫系統(tǒng)等的爐門，使得操作方便。
由于螺旋管加了銜鐵，且爐體做成全封閉結(jié)構(gòu)，因此僅用10KW的直流功率源就可以產(chǎn)生1500-2000高斯的磁場。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)螺旋管與坩堝的相對位置來選擇拉晶的最佳條件，從而較好地控制氧向單晶中引入，降低拉晶過程中熱對流造成的溫度起伏。為制造出完整性更高的硅晶體，創(chuàng)造了條件。同時由于爐體結(jié)構(gòu)上的合理設(shè)計，可以大大的節(jié)省能源，降低生產(chǎn)成本，從而獲得較大的經(jīng)濟上的好處。
權(quán)利要求
1.一種在磁場中拉制單晶硅的方法。其特征在于所說磁場的上端[5]和下端[6]是呈向外張開的喇叭口形狀，裝有溶硅的坩堝[2]是放置于磁場的喇叭口處。
2.權(quán)力要求1所說的方法。其特征在于所說的坩堝〔2〕是放置在磁場下端〔6〕的喇叭口處。
3.權(quán)力要求1.2所說的方法，其特征在于所說的坩堝〔2〕在磁場中的位置是上下調(diào)整的。
4.一種用于權(quán)力要求3所述的拉制單晶方法的單晶爐，它是由升降系統(tǒng)〔1、2〕，磁環(huán)〔3〕，螺旋管組〔4、5〕，冷卻器〔6〕，觀察孔〔9、10、11〕，保溫罩〔12〕，加熱體〔13〕，堝托〔14〕，坩堝〔16〕，內(nèi)爐壁〔17〕，上端蓋〔18〕，下端蓋〔19〕，銜鐵〔20〕所組成。其特征在于所說的螺旋管組〔4〕和螺旋管組〔5〕具有不同的內(nèi)徑。
5.權(quán)力要求4所述的單晶爐。其特征在于所說的螺旋管組〔4〕和螺旋管組〔5〕是放置在磁環(huán)〔3〕之上，磁環(huán)〔3〕是由升降系統(tǒng)〔1、2〕所支撐。
6.權(quán)力要求5所說的單晶爐。其特征在于螺旋管組〔4、5〕的銜鐵〔20〕是做成爐壁的形狀，將螺旋管組〔4、5〕罩在其中。作為爐壁的銜鐵〔20〕與上端蓋〔18〕，下端蓋〔19〕和磁環(huán)〔3〕一起構(gòu)成封閉的磁回路。
7.權(quán)力要求6所說的單晶爐，其特征在于螺旋管組〔4〕或〔5〕是由分立繞組形成，每個繞組之間是由冷卻器〔6〕相隔。
8.權(quán)力要求4、5所述的單晶爐，其特征在于所說的升降系統(tǒng)是由三個同步的液壓傳動器組成。
9.權(quán)力要求4、7所說的單晶爐，其特征在于所說的冷卻器是水冷器。
10.權(quán)力要求4、6所說的單晶爐，其特征在于同時作為外爐壁的銜鐵〔20〕上開有用于觀測的觀察孔〔11〕，內(nèi)爐壁〔17〕上開有觀察孔〔9，10〕。
專利摘要
一種在磁場中拉制單晶的方法和單晶爐，該單晶爐的螺旋管分成內(nèi)徑大小不同的兩組，螺旋管的銜鐵做成爐壁的形狀，同時作為整個爐體的爐壁，并與爐體的上下端蓋和磁環(huán)形成全封閉結(jié)構(gòu)，螺旋管由升降器支撐，可以相對坩堝做上下運動，拉晶時，坩堝位于由螺旋管所產(chǎn)生磁場的上端或下端具有喇叭形狀的非線性區(qū)域，以獲得對熔硅熱對流的盡可能大的抑制效果，全封閉結(jié)構(gòu)的爐壁兼作銜鐵，使得用較小的直流功率源獲得較大的磁場強度成為可能。
文檔編號C30B29/06GK85100591SQ85100591
公開日1986年7月2日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者周士仁, 孔慶茂, 紀彥蜀, 高元愷, 王守雨, 韓長林, 付澤國 申請人:哈爾濱工業(yè)大學, 黑龍江省鶴崗市半導體材料廠導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan