專利名稱：直拉硅單晶爐熱屏方法及熱屏蔽器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生長(zhǎng)單晶半導(dǎo)體材料的單晶爐的熱屏蔽及其裝置，更具體地說是生產(chǎn)單晶硅棒的熱場(chǎng)屏蔽法及其裝置—熱屏蔽器。
直拉硅晶體內(nèi)的缺陷對(duì)半導(dǎo)體器件的收率和性能影響較大，一般地說，這些缺陷是在晶體生長(zhǎng)和冷卻期間形成的。這些缺陷的種類和濃度與晶體的生長(zhǎng)速度和熱場(chǎng)的溫度梯度有關(guān)。
G0為熱場(chǎng)的縱向溫度梯度，V是晶體的拉速，也就是單晶的生長(zhǎng)速度，V/G0的比值稱作η值。η值存在一個(gè)臨界值ηc，當(dāng)η值大于ηc值時(shí)，晶體中一種叫作“空位”的缺陷占主導(dǎo)，當(dāng)η值小于ηc時(shí)，晶體中一種稱作“間隙原子”的缺陷占主導(dǎo)，更形象地說，“空位”就是硅晶格中少了一個(gè)或數(shù)個(gè)硅原子后形成的空洞。“間隙原子”就是晶格中多了一個(gè)硅原子，它會(huì)在晶格中形成晶格琦變點(diǎn)。
從η＝V/G0的式子中可以看出V是調(diào)整η值的一個(gè)因素。當(dāng)G0值恒定，V值增大，就是拉速增大，η值就增大，反之η值減小。但是，拉速V受到所拉單晶直徑和溫度場(chǎng)分布的限制。因此改變G0值也是控制η值的因素。以前拉制單晶硅時(shí)，熱場(chǎng)的上部是敞口的，想調(diào)整η值來改變?nèi)毕莸姆N類和濃度是比較因難的。有些研究者在生產(chǎn)單晶硅時(shí)，試圖利用熱場(chǎng)的屏蔽方法，使熱場(chǎng)的溫度梯度發(fā)生改變，來控制不同缺陷的種類的晶體。
中國(guó)專利文獻(xiàn)，申請(qǐng)?zhí)?8809651.X(申請(qǐng)日1998.9.24)，
公開日2000.11.1)公開號(hào)CN1272146A，公開了一種拉晶爐用熱屏蔽，它是圍繞由單晶爐內(nèi)裝填半導(dǎo)休熔體原料的坩堝中生長(zhǎng)出來的單晶毛坯。熱屏蔽包括一種反射器，其所具有環(huán)繞正在生長(zhǎng)毛坯中央開口的尺寸和形狀能減少來自坩堝的傳熱。反射器適合安放在拉晶爐內(nèi)熔體材料和攝像機(jī)之間，攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)毛坯熔體材料上表面之間所形成彎月面上至少三個(gè)隔開的點(diǎn)，反射器有至少三個(gè)通道伸展通過反射器。每個(gè)通道沿著攝像機(jī)和彎月面上一個(gè)點(diǎn)之間的一條假想線定位。這就允許攝像機(jī)看到這些點(diǎn)，使得攝像機(jī)能測(cè)定這些的位置計(jì)算毛坯直徑，同時(shí)將穿過通道的熱散失減速至最小。
外反射器有中央開口，其直徑是最大目標(biāo)的1.1倍，熱屏蔽一般包括夾在同軸定位的內(nèi)外反射器各自之間的絕熱層。內(nèi)外反射器是圓錐形的，其朝內(nèi)向下的錐形使其能將熱量向上反射朝向正在生長(zhǎng)的毛坯。內(nèi)反射器有中央開口能讓毛坯穿過熱屏蔽。環(huán)繞中央開口的內(nèi)反射器底部邊緣支托在外反射器中形成的溝槽上。外反射器是碗狀，能向下反射毛坯散失的熱量，并在空氣流上升穿過坩堝時(shí)直接將其向外傳送。圍繞外反射器上部邊緣配置的凸緣包括內(nèi)孔，用來讓緊固件將熱屏蔽可折式結(jié)合拉晶爐，盡管可用其他材料制造內(nèi)外反射器，但內(nèi)外反射器以8mm厚的石英制造為準(zhǔn)。
據(jù)該專利文獻(xiàn)稱，這一熱屏蔽減小了整個(gè)溫梯，降低了大量缺陷，并縮短了工藝時(shí)間，可測(cè)量拉制過程中的單晶硅棒的直經(jīng)，但沒有說明如何調(diào)整η值來減少晶體生長(zhǎng)中的缺陷，也沒有給出降低大量缺陷的數(shù)據(jù)證明。
本發(fā)明的目的就在于研究出一種直拉硅單晶爐的熱屏方法，能夠調(diào)整η值，使單晶爐的熱場(chǎng)溫度梯度發(fā)生改變，能生產(chǎn)出“空位”缺陷占主導(dǎo)的單晶棒，又可以生產(chǎn)出“間隙原子”占主導(dǎo)的單晶棒，本發(fā)明的另一個(gè)目的就是研制出一種熱屏蔽器，使得上述的直拉硅單晶爐的熱屏方法得以實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的一種直拉硅單晶爐的熱屏方法，將熱屏蔽器安裝在硅熔體液面之上，圍繞著單晶爐內(nèi)，從盛有硅熔體的石英坩堝中拉制出來的硅單晶棒，使熱屏外殼19與熱屏內(nèi)殼20的下端交點(diǎn)至硅熔體液面有一所需要的距離h，熱屏外殼19與熱屏內(nèi)殼20的下端交點(diǎn)與硅單晶棒有一個(gè)所需要的距離L，從熱屏外殼19與熱屏內(nèi)殼20下端的交點(diǎn)引出的熱屏外殼的切線與單晶硅棒1的剖面線間有一需要的夾角θ。
η有一個(gè)臨界值，稱做ηc，ηc為0.134mm/minK，K為絕對(duì)溫度，當(dāng)η值在0.1-＜0.134時(shí)，“間隙原子”的缺陷占主導(dǎo)，η值＞0.134-0.4時(shí)，晶體中“空穴”的缺陷占主導(dǎo)。當(dāng)θ角、L值固定時(shí)，熱屏外層19與熱屏內(nèi)層20的下端的交點(diǎn)與硅熔體液面的距離h增大時(shí)，η值變小，反之距離h值減小時(shí)，η值變大，距離h值以5-50mm為直；當(dāng)h值、L值固定不變時(shí)，θ角增大，η值變大，θ角減小，η值變小，θ角一般控制在25-70°為好。L值一般為所拉制的單晶硅棒直徑的10-14％。然后以切克勞斯基(直拉)法進(jìn)行硅單晶棒的拉制。切克勞斯基(Czochralski)法及其單晶爐設(shè)備是本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員所熟知的，操作順序是先將石英坩堝放入石墨制的石英坩堝中，把多晶硅原料放入石英坩堝中，裝上特定晶向的籽晶，合上爐室，并抽真空至1.33×103-1.33×104Pa，在硅單晶生長(zhǎng)過程中，爐內(nèi)是負(fù)壓狀態(tài)，必須不斷充入氬氣保護(hù)，使含有一氧化硅的氬氣氣體保持在1.33×103-1.33×104pa等硅完全熔化后，逐步降低熔硅的溫度至硅的熔點(diǎn)附近(1420℃)。讓石英坩堝和籽晶反向旋轉(zhuǎn)，石英堝轉(zhuǎn)速為4-20轉(zhuǎn)/分，籽晶轉(zhuǎn)速為10-30轉(zhuǎn)/分。將硅籽晶慢慢下降，并與熔硅接觸，然后以50-300毫米/小時(shí)的速度向上提升籽晶，此過程的目的的主要是消除籽晶中因熱沖擊形成的位錯(cuò)缺陷。待籽晶提升達(dá)100-300毫米長(zhǎng)時(shí)，將提升速度減慢至10-50毫米/小時(shí)，同時(shí)使熔體的溫度降低2-5℃，使籽晶直徑長(zhǎng)大，當(dāng)籽晶直徑增大到此目標(biāo)直徑約低10毫米左右時(shí)，增加提升速度至70-250毫米/小時(shí)，使晶體近乎等直徑生長(zhǎng)。在石英坩堝內(nèi)存儲(chǔ)硅料不多時(shí)(5-30千克)，再提高提升速度(提高約10％)，同時(shí)適當(dāng)增加加熱功率，使晶體直徑變化至一個(gè)倒錐形，當(dāng)錐尖足夠小時(shí)，它會(huì)脫離熔體，這時(shí)晶體的生長(zhǎng)過程結(jié)束。等晶體冷卻到近乎室溫時(shí)，可將晶體取下。
所生產(chǎn)出來的硅單晶棒具有一個(gè)中心軸，一個(gè)籽晶端錐體和一個(gè)尾端錐體，在這兩個(gè)錐體之間是近乎恒定直徑的圓柱體。
采用熱屏方法生產(chǎn)出來的硅單晶棒，切成片拋光后用本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員均知的方法，測(cè)定樣片表面的缺陷分布，從而間接把推引出η值。
本發(fā)明的一種直拉硅單晶爐熱屏法用的熱屏蔽器，包括熱屏、熱場(chǎng)上蓋24、上保溫筒25、熱屏由熱屏外殼19、熱屏內(nèi)殼20和熱屏上蓋21及熱屏保溫層22所組成，熱屏內(nèi)殼20的上端與熱屏上蓋21內(nèi)端相連接，熱屏內(nèi)蓋20的下端與熱屏外殼19的下端相連結(jié)，熱屏外殼19的上端與熱場(chǎng)上蓋24相連結(jié)，熱場(chǎng)上蓋24置于上保溫筒25上，在熱屏外殼19，熱屏內(nèi)殼20和熱屏上蓋21所形成的空間填有熱屏保溫材料形成熱屏保溫層22，熱屏外殼19為球冠狀，其中間有一中央通道27，中央通道27的縱剖面為一梯形，梯形的上底大于梯形的下底。
從熱屏外殼19與熱屏內(nèi)殼20的下端的交點(diǎn)引出的熱屏外殼的切線與單晶硅棒1的剖面線之間的夾角θ為25-70°為好。熱屏外殼19的上端有一上端鉤23，鉤在熱場(chǎng)上蓋24的內(nèi)端與熱場(chǎng)上蓋24相連結(jié)。熱屏內(nèi)殼20的上端嵌在熱屏上蓋21的槽中，與熱屏上蓋21相連結(jié)。熱屏外殼19下端有一端平臺(tái)26，熱屏內(nèi)殼20的下端置于熱屏外殼19下端的平臺(tái)26上，與熱屏內(nèi)殼20相連結(jié)。熱屏外殼19、熱屏內(nèi)殼20及熱屏上蓋21可以用半導(dǎo)級(jí)石墨或高純金屬鉬制成。熱屏上蓋21及熱場(chǎng)上蓋24由半導(dǎo)體級(jí)石墨構(gòu)成。熱屏保溫層及上保溫筒內(nèi)的保溫材料為半導(dǎo)級(jí)發(fā)泡石墨或半導(dǎo)體級(jí)石英棉，上保溫筒的殼由半導(dǎo)體級(jí)石墨構(gòu)成。
在使用時(shí)將熱屏蔽器安裝在硅熔體液面上，圍繞著單晶爐內(nèi)從盛有硅熔體的石英坩堝中拉制出來的硅單晶棒，將上保溫筒25置于單晶爐的上蓋4上。
本發(fā)明的直拉硅單晶爐的熱屏方法及屏蔽器的優(yōu)點(diǎn)就在于1由于用本發(fā)明的熱屏方法通過調(diào)整η值可生產(chǎn)出“空位”占主導(dǎo)的單晶硅棒，也可以生產(chǎn)出“間隙原子”占主導(dǎo)的硅單晶棒，滿足了工業(yè)技術(shù)上的要求。
2由于本發(fā)明的熱屏蔽器所具有的結(jié)構(gòu)及熱屏外殼、熱屏內(nèi)殼及熱屏上蓋均用半導(dǎo)級(jí)石墨或高純金屬鉬制成，不透過紅外線，又設(shè)置了上保溫筒，熱屏保溫層中保溫材料采用了半導(dǎo)體級(jí)泡沫石墨或半導(dǎo)體級(jí)石英棉，保溫效果良好，易于控制η值，使本發(fā)明熱屏方法很好地實(shí)現(xiàn)。
圖中，1為籽晶、3為硅晶棒、4為上蓋、5為碳保溫材料、6為溫度信號(hào)孔、7為石墨發(fā)熱體、8為晶體生長(zhǎng)室、9為排氣口、10為防漏盤、11為石墨中軸、12為碳保溫層、13為硅熔體、14為石墨制的石英坩堝支持器，16為石英坩堝、18為保溫筒。
圖2帶有熱屏蔽器的切克勞斯基(直拉)法制造硅單晶的單晶爐剖面中，1為籽晶、3為硅晶棒、4為上蓋、5為碳保溫材料、6為溫度信號(hào)孔、7為石墨發(fā)熱體、8為晶體生長(zhǎng)室、9為排氣口、10為防漏盤、11為石墨中軸、12為碳保溫層、13為硅熔體、14為石墨制的石英坩堝支持器，16為石英坩堝、18為保溫筒、19為熱屏外殼、20為熱屏內(nèi)殼、21為熱屏上蓋、22為熱屏保溫層、23為熱屏外殼的上端的上端鉤、24為熱場(chǎng)上蓋、25為上保溫筒、26為熱屏外殼19的下端平臺(tái)、27為中央通道。
五、具體實(shí)施例以下用非限定性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，會(huì)有助于對(duì)本發(fā)明及優(yōu)點(diǎn)、效果的更好的理解，本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)權(quán)利要求來決定。
實(shí)施例1將熱屏蔽器安裝在硅熔體的液面上，圍繞著單晶爐內(nèi)從盛有硅熔體的石英坩堝中拉制出來的硅單晶棒，熱屏外殼19和熱屏內(nèi)殼20的下端交點(diǎn)至硅熔體液面的距離h為5mm，熱屏外殼19與熱屏內(nèi)殼20的下端交點(diǎn)與硅單晶棒的距離L為硅單晶棒直徑12％，其夾角θ為70°。所用的熱屏蔽器如上所述，θ角為70°，熱屏外殼19、熱屏內(nèi)殼20用半導(dǎo)體級(jí)石墨制成，熱屏上蓋及熱場(chǎng)上蓋由半導(dǎo)體級(jí)石墨構(gòu)成，構(gòu)成熱屏保溫層22的保溫材料及上保溫筒內(nèi)的保溫材料均為半導(dǎo)體級(jí)發(fā)泡石墨制成，上保溫筒的殼由半導(dǎo)體級(jí)石墨構(gòu)成。
用本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員均知的拉制直徑106mm硅單晶棒的拉制方法，拉制出的直徑106mm的硅單晶棒，切成片拋光后用缺陷檢測(cè)法檢測(cè)樣片，測(cè)出此單晶為“間隙原子”占主導(dǎo)的單晶棒。
權(quán)利要求
1.一種直拉硅單晶爐的熱屏方法，其特征是1)將熱屏蔽器安裝在硅熔體液面之上，圍繞著單晶爐內(nèi)，從盛有硅熔體的石英坩堝中拉制出來的硅單晶棒；2)使熱屏外殼(19)與熱屏內(nèi)殼(20)的下端交點(diǎn)至硅熔體液面有一所需要的距離h；3)熱屏外殼(19)和熱屏內(nèi)殼(20)的下端交點(diǎn)與硅單晶棒(3)有一個(gè)所需要的距離L4)從熱屏外殼(19)和熱屏內(nèi)殼(20)下端的交點(diǎn)引出的熱屏外殼(19)的切線與單晶棒(1)的剖面線之間有一需要的夾角θ。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種直拉硅單晶爐的熱屏方法，其特征是距離h為5-50mm，L值為所拉制的單晶硅棒直徑的10-14％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種直拉硅單晶爐的熱屏方法，其特征是，θ角為25-70°。
4.一種直拉硅單晶爐熱屏法用的熱屏蔽器，其特征是1)包括熱屏、熱場(chǎng)上蓋(24)、上保溫筒(25)；2)熱屏由熱屏外殼(19)、熱屏內(nèi)殼(20)和熱屏上蓋(21)及熱屏保溫層(22)所組成；3)熱屏內(nèi)殼(20)的上端與熱屏上蓋(21)的內(nèi)端相連接，熱屏內(nèi)殼(20)的下端與熱屏外殼(19)的下端相連結(jié)，熱屏外殼(19)的上端與熱場(chǎng)上蓋(24)相連結(jié)；4)熱場(chǎng)上蓋(24)置于上保溫筒(25)上，5)在熱屏外殼(19)、熱屏內(nèi)殼(20)和熱屏上蓋(21)所形成的空間填有熱屏保溫材料形成熱屏保溫層(22)；6)熱屏外殼(19)為球冠狀，其中有一中央通道(27)，中央通道(27)的縱剖面為一梯形，梯形的上底大于梯形的下底。
5.根據(jù)權(quán)利要權(quán)4的一種直拉硅單晶爐熱屏法用的熱屏蔽器，其特征是熱屏外殼(19)上端有一上端鉤(23)，鉤在熱場(chǎng)上蓋(24)的內(nèi)端與熱場(chǎng)上蓋(24)相連結(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的一種直拉硅單晶爐熱屏法用的熱屏蔽器，其特征是熱屏內(nèi)殼(20)的上端嵌在熱屏上蓋(21)的槽中與熱屏上蓋(21)相連結(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的一種直拉硅單晶爐熱屏法用的熱屏蔽器，其特征是熱屏外殼(19)下端有下端平臺(tái)(26)，熱屏內(nèi)殼(20)的下端置于熱屏外殼(19)下端的平臺(tái)(26)上與熱屏內(nèi)殼(20)相連結(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的一種直拉硅單晶爐熱屏法用的熱屏蔽器，其特征是熱屏外殼(19)、熱屏內(nèi)殼(20)及熱屏上蓋(21)用半導(dǎo)體級(jí)石墨或高純金屬鉬制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的一種直拉硅單晶爐熱屏法用的熱屏蔽器，其特征是熱場(chǎng)上蓋(24)及上保溫筒(25)的殼由半導(dǎo)體級(jí)石墨制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求4的一種直拉硅單晶爐熱屏法用的熱屏蔽器，其特征是熱屏保溫層(22)的保溫材料及上保溫筒(25)內(nèi)的保溫材料為半導(dǎo)體級(jí)發(fā)泡石墨或半導(dǎo)體級(jí)石英棉。
全文摘要
本發(fā)明涉及生產(chǎn)單晶硅棒的熱場(chǎng)屏蔽法及其裝置，為直拉硅單晶爐的熱屏方法及熱屏蔽器。熱屏蔽器安裝在硅熔體液面之上，圍繞著硅單晶棒，熱屏蔽器包括熱屏、熱場(chǎng)上蓋、上保溫筒。熱屏由熱屏外殼、熱屏內(nèi)殼、熱屏上蓋及熱屏保溫層組成。熱場(chǎng)上蓋置于上保溫筒上，熱屏外殼為球冠狀，其中間有一個(gè)中央通道，中央通道的縱剖面為一梯形，梯形的上底大于梯形的下底。本發(fā)明的熱屏方法可調(diào)整η值，生產(chǎn)出“空位”占主導(dǎo)的單晶硅棒，又可生產(chǎn)出“間隙原子”占主導(dǎo)的硅單晶棒，本發(fā)明的熱屏蔽器保溫效果好，易于控制η值，使熱屏方法很好地實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)C30B15/00GK1417386SQ01134359
公開日2003年5月14日 申請(qǐng)日期2001年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月1日
發(fā)明者屠海令, 周旗鋼, 張果虎, 吳志強(qiáng), 戴小林, 方鋒 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院, 有研半導(dǎo)體材料股份有限公司