專利名稱:單晶生長裝置(設(shè)備)的制作方法
本發(fā)明涉及的是單晶生長裝置。包括放置液狀熔融晶體材料的坩堝。熔融液體的加熱裝置及從熔融液體材料上提拉單晶的裝置，該裝置最適合于生長棒形單晶。
通常，丘克拉斯基晶體生長法(丘法)已被采用來提拉或生長硅單晶。圖13示出了丘克拉斯基法。在附圖中，液體熔融材料放在石英坩堝2中并裝在石墨坩堝1中，被加熱器4來加熱，它圍繞坩堝1安裝著。園棒形單晶6從籽晶5開始從液體3向上生長，籽晶由夾具7來提拉。在向上提拉的過程中，坩堝1和2以及單晶6以一個固定不變的速率而按互相間相反的方向旋轉(zhuǎn)，它們分別由軸8或夾具7來帶動。此外，坩堝1可以由軸8舉起，以便使加熱器4可以保持在予先選定的與液體3表面相對應(yīng)的位置。
在這種丘法中，單晶生長的最大速率Vmax?？梢员硎救缦录俣ㄔ趩尉?和液體3間的固-液界面是平坦的并且沿著單晶6的半徑方向不存在溫度梯度的前提下。
Vamx＝ (k)/(HP) ( (dT)/(dx) )這里k表示單晶6的熱導，h表示溶解熱，ρ表示密度，并且 (dT)/(dx) 表示在固-液界面處單晶6固相中的溫度梯度。此處，x表示沿單晶6的縱向座標。在上式中，由于k、h及ρ都是取決于材料本身所固有的性質(zhì)，因此為了要獲得大的生長速率Vmax。必需增加 (dT)/(dx) 。在上述的丘克拉斯基法中。盡管如此因為提拉的單晶體6受到來自液體3表面和坩堝2的內(nèi)壁以及加熱源4的輻射熱來加熱的。上述值( (dT)/(dx) )不可避免地要下降，所以實際上單晶的生長速率是相當小的。
通常，上述生長速率可以通過減小加熱器4的溫度來增加之。盡管如此，根據(jù)圖10A及10B所表示的那樣，由于靠近液體3表面的溫度相對于液體的中間部分而言是相對來說是較低的。如果降低加熱器4的溫度，那么液體3在3a的位置將凝固。因為在該位置液體3的表面鄰近于坩堝2。結(jié)果產(chǎn)生了缺陷，以致不可能連續(xù)地提拉單晶6。因此，在如圖13所示采用的單晶生長裝置。其可達到的生長速率最多約為1毫米/分鐘。此外，在圖10A、11A及12A中溫度梯度是T1＜T2＜T3，并且溫度T2
T4，T3
T5(譯者認為應(yīng)是T1
T5)。
相關(guān)于本明的現(xiàn)有技術(shù)文件是日本專利號51-47153及58-1080。特別是后者，披露了一種裝置，在熔融單晶液體的上方設(shè)有輻射屏以使單晶的生長能以2毫米/分鐘的生長速率進行。
考慮到這些課題，所以本發(fā)明的主要目標是提供這樣一種單晶生長裝置，它能排除上述針對單晶生長裝置的缺點。
按照本發(fā)明的單晶生長裝置包括放置熔融體材料液體的坩堝，加熱液體的裝置以及從液體表面提拉單晶的裝置。其中特別是加熱裝置設(shè)計成如下方式在液體表面靠近坩堝的那一坩堝部分要加熱到比坩堝的其它部分溫度較高些。
在按照本發(fā)明的單晶生長裝置中。由于加熱器是這樣設(shè)計的即在液體表面靠近坩堝的那個坩堝局部加熱到相對于坩堝的其它部分而言要高出一定量的熱。這樣當加熱器溫度被確定為較低時，仍可能阻止液體不致于在液體表面靠近坩堝的部分固化。所以，和通常的裝置相比較，它能在高速率下生長單晶。而不產(chǎn)生有缺陷的晶體，并且不會使單晶質(zhì)量變劣。
圖1是按照本發(fā)明的單晶生長裝置的剖面視圖;
圖2是加熱器的放大透視圖。用于圖1所示的單晶生長裝置;
圖3是在已生長的單晶中分層的缺陷密度和氧濃度間的關(guān)系。用圖解法來表示;
圖4至6是按照本發(fā)明單晶生長裝置用的加熱源的各種改型的剖面視圖;
圖7是按照本發(fā)明單晶生長裝置用的加熱器的一種改型平面視圖;
圖8和圖9是按照本發(fā)明的單晶生長裝置的其它種具體裝置的剖面視圖;
圖10A是現(xiàn)有技術(shù)裝置的熔融單晶液體采用等溫曲線的典型溫度分布圖;
圖10B是現(xiàn)有技術(shù)裝置的熔融單晶液體沿著其中心軸方向溫度分布的圖解表示;
圖11A是按照本發(fā)明的熔融單晶液體采用等溫曲線表示的溫度分布典型視圖;
圖11B是按照本發(fā)明的熔融單晶液體沿著其中心軸方向的溫度分布的圖解表示;
圖12A是按照本發(fā)明的一種改型，在其中加了一個磁場，所得熔融單晶液體當采用等溫曲線來表示時的溫度分布的典型圖;
圖12B是本發(fā)明的改型其中加了一個磁場，其熔融單晶液體沿中心軸方向的溫度分布的圖解表示;
圖13是采用丘克拉斯基法的現(xiàn)有技術(shù)單晶生長裝置的剖面視圖。
具體裝置的作用說明參看附圖，按照本發(fā)明的單晶生長裝置的第一種具體裝置，將在下面作譯細地描述。如圖13中所示的那些相同的或相似的另件或部件在這里也采用相同的參考數(shù)碼。那些被省略掉的另件的功能在這里不是必需的。
在圖1中，類似于圖13所示的現(xiàn)有技術(shù)單晶生長裝置。在本發(fā)明的單晶生長裝置中，熔融硅的液體3是放在石英坩堝2中，并安放在石墨坩堝1中。石墨加熱器4和檔板(加熱絕緣用的)9分別環(huán)繞著坩堝1安置著。此外，多個冷卻鐘罩10a、10b及10c又環(huán)繞著隔熱檔板9安置著。在冷卻罩10b上裝有觀察窗12，以便觀察提拉單晶6的狀態(tài)。在冷卻罩10a的底盤裝有抽氣管道13，以便排除空氣，并從頂部將惰性氣體通入鐘罩10a、10b及10c中。在坩堝1的下部安裝有軸8，能夠松動地穿過冷卻鐘罩10a底盤上的孔洞10d，以便使坩堝1可以旋轉(zhuǎn)及提升或下降。加熱器4的底端固定在環(huán)形板14上。在此環(huán)形板14的下部安裝有一對軸桿15，它們能松動地穿過冷卻罩10a的底盤上的兩個孔洞10e及10F，以便可以提升或下降加熱器4。名一方面，在熔融單晶3液體的上方，安裝有鉬制的園筒形的熱掩蔽體16，其內(nèi)徑比提拉單晶6的外徑稍微略大一點。在熱掩蔽體16的上方，籽晶5由夾具7握住，該夾具7連接在提拉軸17的下端，這樣在這個籽晶5的基礎(chǔ)上便可以生長出棒形的單晶6來。
圖2指示出加熱器4的結(jié)構(gòu)。加熱器4是一種導電材料，例如石墨，它制成園筒形，在其上部做成錐形如4a。加熱器4制成在上部具有許多個溝槽4b，并在下部具有許多溝槽4c，以上兩者均沿著園筒形加熱體4的軸向延伸，而且兩者按照一定規(guī)則的角度相間隔，沿著加熱器4的園周方向交替地安排著。此外，下部溝槽4c的上端分叉成兩個短小的溝槽4d和4e，它們相對于溝槽4c而言具有傾斜角為45°。電流通過由上溝槽4b和下溝槽4c所限定的每個部分由此基于歐姆損耗而產(chǎn)生熱。
為了生長單晶6使用單晶生長裝置這樣的設(shè)計并借助于籽晶5從熔融的硅材料液體3上提拉。兩個坩堝1和2通過軸8，例如沿順時針方向旋轉(zhuǎn);而生長出的單晶6則通過軸17沿著逆時針方向旋轉(zhuǎn)?；蛘叻催^來也是一樣。此外，提拉軸17借助于驅(qū)動機構(gòu)(未示出)可漸緩地提升以便提拉單晶6。另外，兩個坩堝1和2被漸漸地舉起以使液體3的表面可以相對于加熱器4而言保持在一個予定的相互位置的關(guān)系上。
以上描述的裝置具有以下的優(yōu)點由于錐形部分4a位處于加熱器4的上部，另外在下溝槽4c的上端還分開著兩個叉槽4d和4e，加熱器4在錐形部分4a的橫截面積小于加熱器的其它部分。尤其是靠近分叉溝槽4d及4e的橫截面積更小。所以，當電流通過加熱器4時，加熱器4的錐形部分4a被加熱到一個更高的溫度(相對于加熱器4的其它部分而言)。換言之，在對應(yīng)于加熱器錐形部分4a高度的液體3a部分。在該處熔融的液體3靠近坩堝2的內(nèi)壁，和在液體3中的最大值之間的溫度差是小的，如圖11A及圖11B所示，相對于一般的情況，如圖10A及圖11B所示來說。
此處，因為錐形部分4a構(gòu)成了加熱器4的一部分。加熱器4的全電阻要比普通加熱器的電阻要高，以致使加熱器4的溫度升高，(當其電流值與普通加熱器內(nèi)的電流值相同時)。因此，在本具體裝置中，流過該加熱器4的電流被測定出來小于普通加熱器中的電流。
順便，如上所述，增加的固-液交界面上的固相單晶6中的溫度( (dT)/(dx) )是必要的。以便提高最大生長速率Vmax。換句話說，因為提拉的單晶是接受來自加熱器4的輻射熱而加熱的。所以最好要降低加熱器的溫度。
在按照本發(fā)明的裝置中，是加熱器4的溫度下降以便增加溫度梯度( (dT)/(dx) )的情況。因為上述在3a部分和液體3中的最大值之間溫度差是小的。因此阻止在3a部份的液體凝固是可能的而在3a處液體3的表面緊靠近坩堝2的內(nèi)壁。換句話說，可以把加熱器4的溫度降低一定數(shù)量，以使得來自加熱器4的輻射熱可以減少以達到增加溫度梯度( (dT)/(dx) )的目的。結(jié)果可能顯著地增加生長速率到這種程度0.2毫米/分鐘(譯者認為應(yīng)該是2毫米/分鐘)例如同普通的加熱器相比。此外，能夠連續(xù)地生長單晶4。這樣就可以增加生產(chǎn)率和降低制造單晶6的成本。
圖3是缺陷的分層密度。該圖解表示法指示出缺陷分層的密度在單晶6中以普通的速率約1毫米/分鐘生長時是非常高的。盡管如此，由于當單晶6以大約2毫米/分鐘的速率生長時，其缺陷分層密度反而是很小的，所以可以改善單晶6的質(zhì)量。
此外，因為熱掩蔽體16放置在液體3的上方，所以能夠阻止單晶6免受來自加熱器4輻射熱的加熱。因此能夠增加溫度梯度( (dT)/(dx) )，這樣也就增加了單晶6的生長速率。
而且，因為加熱器4上部的截面積小于普通加熱器的橫截面積，因此加熱器4的整個電阻值相對來說就高了。所以能夠加熱熔融單晶的液體了，到相當于通常溫度而使用的電功率卻小于通常的電功率。這樣，加熱器4的功率消耗能夠減少。
在按照本發(fā)明的裝置中，不限于以上所述的具體裝置。在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思的基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)各種各樣的改型。例如，僅僅提供錐形部分4a，也可以是足夠的了，而不構(gòu)成分叉的溝槽4d或4e。相反，僅僅構(gòu)成分叉的溝槽4d或4e而不構(gòu)成錐形部分4a也是可以的。此外，如圖4所示，將整個加熱器4的橫截面做成錐形，這樣可以使得上部截面積由此而線性地減小了。如圖5所示，在加熱器4的上部做成凹進部份也是可行的。如圖6所示，也可以在加熱器4的上部開一定數(shù)量的深度不同的凹槽4g。如圖7所示，也可以做成在加熱器4的上部的寬度t1比加熱器下部的寬度t2窄些。否則，也可以用一種較高電阻率的材料來制造加熱器4的上部，而用較低電阻率的材料來構(gòu)成加熱器4的下部。
圖8是按照本發(fā)明裝置的第二種具體方案。在此裝置中加熱器4被一分為二，上部的加熱器18和下部的加熱器19。在這種具體形式中，上部加熱器18的溫度調(diào)整到高于下部加熱器19的溫度。此外，若在使用高頻線圈感應(yīng)加熱液體3的情況下，也可以增加高頻線圈在上部的每單位長度的匝數(shù)，而在高頻線圈的下部每長度的匝數(shù)少些。
圖9示出了按照本發(fā)明裝置的第三種具體形式，在此裝置中電磁鐵21靠近冷卻鐘罩10a安置著，以便提拉單晶6時磁鐵對熔融材料的液體3施加一個磁場，即所謂MCZ(磁場丘克拉斯基)法。在這種具體形式中，因為液體3具有一定電導而受到電磁力，所以能夠抑制熱對流。在該情況下熱對流被抑制了，這是因為加熱器4中的溫度分布被良好地反映在液體3的溫度分布之中，如圖12A及12B所示，能夠降低中心部位液體的溫度，并增加外圍部位的液體溫度。此外還進一步降低了中間部位和靠近液體3表面部位的溫度差(相對于第一種和第二種具體形式而言)。結(jié)果是能夠進一步增加單晶6的生長速率(相對于那些不施加磁場的設(shè)備而言)。此外，雖然在該設(shè)備的橫向上施加了磁場如圖9。但也能夠在裝置的縱方向上施加磁場。
例1將20公斤多晶硅材料放入12吋直徑的坩堝內(nèi)，在熔融材料之后就提拉材料以生長單晶6。普通的方法是，熔融材料的液體3以1.2毫米/分鐘的生長速率在3a部位凝固，在該處液體表面連接坩堝2的內(nèi)壁。可是無論如何，在按照本發(fā)明的方法中，在具有熱掩蔽體16放置在液體3上方時，就能夠以1.5毫米/分鐘的生長速度來生長單晶6。此外，如果當放置有熱掩蔽體16并且另外加熱器4做成錐形部分4a及分叉的溝槽4d及4e時，就能夠以2毫米/分鐘的生長速率生長出4英吋直徑的單晶6來。
例2同樣方式，將20公斤多晶硅材料放入12吋直徑的坩堝中，待材料熔融之后就提拉材料以生長單晶6。在設(shè)置有熱掩蔽體16于液體3上方并且加熱器4做成具有錐形部分4a和分叉溝槽4d及4e的情況下，能夠以2毫米/分鐘的生長速率生長單晶6。此外，在施加有磁場的情況下。如圖9所示，則能夠增長生長速率到2.3毫米/分鐘。
權(quán)利要求
1.在單晶生長裝置中、包括放置晶體材料液體的坩堝、加熱晶體成液相的加熱裝置，及從熔體中提拉單晶的裝置，其特征在于所述的加熱裝置設(shè)計成使得熔融晶體表面連接坩堝內(nèi)壁的部分加熱到比坩堝其它部分要高出一定數(shù)量。
2.如權(quán)利要求
1所述的單晶生長裝置。此外它還包括熱掩蔽體，它圍繞著提拉的單晶放置著，以便隔開來自所述加熱器輻射到提拉單晶的熱。
3.如權(quán)利要求
1所述的單晶生長裝置。在這里所說的加熱器是一種園筒形導電材料，具有多個上部開口槽和多個下部開口槽。它們兩者沿著加熱器園筒的軸向延伸并且兩者交替地排列在所述加熱器的園周方向上，并間隔以規(guī)則的角度。所述的園筒形材料進一步在其上部構(gòu)成錐形部分。
4.如權(quán)利要求
1所述的單晶生長裝置。在這里所述的加熱器是一種園筒形導電材料。具有多個上部開口槽和多個下部開口槽，它們兩者沿著加熱器園筒的軸向延伸，并且兩者交替地排列在所述加熱器的園周方向上，并且間隔以規(guī)定的角度，所述的園筒形材料進一步在每個下溝槽的上端沒有分叉的溝槽。
5.如權(quán)利要求
1所述的單晶生長裝置。在這里所述的加熱器是一種園筒形導電材料，具有多個上部開口槽和多個下部開口槽。它們兩者沿著加熱器園筒的軸向延伸，并且交替地排列在所述加熱器的園周方向上，并且間隔規(guī)則的角度。所述加熱器的橫截面構(gòu)成尖錐形以便使得上部的橫截面積直線性地減少。
6.如權(quán)利要求
1所述的單晶生長裝置，在這里所述加熱器是一種園筒形導電材料，具有多個上部開口槽和多個下部開口槽。它們兩者沿著加熱器園筒的軸向延伸。并且兩者交替地排列在所述加熱的園周方向上，并以相等的角度間隔。所述加熱器的上部至少具有一個弧形的凹進部分，以便減少所述加熱器的橫截面積。
7.如權(quán)利要求
1所述的單晶生長裝置。在這里所述加熱器是一種園筒形導電材料，具有多個上部開口槽和多個下部開口槽。它們兩者沿著加熱器園筒的軸向延伸，并且兩者交替地排列在所述加熱器的園周方向上，并以相同的角度間隔。所述加熱器的上部做成多個直角凹槽部分，以使減少所述加熱器的橫截面積。
8.如權(quán)利要求
1所述的單晶生長裝置。在這里所述加熱器是一種園筒形導電材料，具有多個上部開口槽和多個下部開口槽。它們兩者沿著加熱器園筒的軸向延伸，并且兩者交替地排列在所述加熱器的園周方向上，并且相等的角度間隔。所述加熱器的上部寬度窄于所述加熱器的下部寬度。
9.如權(quán)利要求
1所述的單晶生長裝置，在這里所述的加熱器被一分為二，即上部和下部園筒形導電材料，上部加熱材料所加熱的溫度要高于下部材料所能達到的溫度。
10.如權(quán)利要求
1所述的單晶生長裝置。在這里給所述的加熱器施加一個磁場。
專利摘要
為了增加單晶生長速率，必要增加固一液交界面的固相單晶內(nèi)的溫度梯度(
文檔編號C30B15/00GK85101043SQ85101043
公開日1987年1月10日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者鈴目利彥, 星金治, 伊沢伸幸, 大九保安教 申請人:索尼公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan