專利名稱：制造硅單晶設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及引上法制造硅單晶的設(shè)備。
在大規(guī)模集成電路LSIs領(lǐng)域中。一直存在著逐年增大單晶直徑的要求。近來，絕大多數(shù)的現(xiàn)代裝置使用直徑6英寸的晶體。據(jù)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)，就制備晶體而言包括兩種設(shè)計思想，第一種是該方法中坩堝是旋轉(zhuǎn)的，第二種是該方法中坩堝不旋轉(zhuǎn)。目前所有用于大規(guī)模集成電路的CZ晶體制備時，皆讓坩堝逆著晶體轉(zhuǎn)動方向來旋轉(zhuǎn)，且坩堝主要由其側(cè)面的電阻加熱器來加熱。盡管作了許多努力，然而直至目前，尚未用不轉(zhuǎn)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。原因在于，坩堝不轉(zhuǎn)動;或用其他非上述的加熱方式例如電磁感應(yīng)加熱方式或者施于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(zhuǎn)坩堝的CZ法中(此后稱為常規(guī)CZ法)，坩堝的旋轉(zhuǎn)和側(cè)面電阻加熱引起硅熔體的強(qiáng)烈對流，并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(fā)明是建立在常規(guī)CZ法基礎(chǔ)上的。如前所述，常規(guī)CZ法和其他CZ法之間的硅熔體流動有著顯著不同。這種不同又導(dǎo)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(shè)計思想來說，全然不同。
在采用常規(guī)CZ法的情況下，坩堝中硅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(nèi)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。鑒于對LSIs的密度和對硅單晶的質(zhì)量要求同步增長的趨勢變得一年比一年更迫切的實(shí)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(guī)CZ法，在石英坩堝內(nèi)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硅熔體能借以穿過來供料，并且使園柱型硅單晶得以在該隔件內(nèi)側(cè)生長，而使硅原料加在該隔件外側(cè)(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(nèi)側(cè)方向會發(fā)生硅熔體凝固30的傾向(見圖7)。這是由下列因素引起的。例如，從用于光導(dǎo)纖維的石英應(yīng)用中可看出，石英隔件可通過輻射方式有效地傳導(dǎo)熱。硅熔體中的熱以光的形式向上穿過隔件而被傳導(dǎo)出去，且從隔件部位散失的熱來自于暴露的硅熔體表面。
因此，在該隔件附近的熔體溫度明顯降低。還有，按常規(guī)CZ法，由于強(qiáng)烈的熔體攪動，熔體表面溫度不僅均勻而且還恰恰略高于該熔體的凝固溫度。將這些因素綜合起來，與隔件相接觸的熔體表面就處于非常傾向產(chǎn)生凝固體30的狀態(tài)。為克服這一缺點(diǎn)，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(qū)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(shí)際應(yīng)用。
按前述常規(guī)技術(shù)，當(dāng)控制單晶而同時又連續(xù)將硅顆粒饋入坩堝時，會遇到下列問題
(1)在將坩堝分為硅粒熔化區(qū)和單晶拉制區(qū)的情況下，自隔件內(nèi)側(cè)產(chǎn)生熔體凝固的傾向。那么，一旦發(fā)生凝固，它就會持續(xù)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(qū)用一塊確保大量的熱在其表面內(nèi)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(jié)果，晶體的溫度梯度就會偏離使晶體能進(jìn)行生長的溫度區(qū)，如此也就危及了正常的晶體生長。
(3)在硅單晶拉制期間，熔體溫度非常接近硅的熔點(diǎn)，此外，如將溫度接近室溫的硅粒連續(xù)加入，則硅粒并未全熔，因而以固態(tài)浮在熔體表面，從而使熔體凝固，并且以硅粒為核來生長。
為此，本發(fā)明的目的就是提供一種改進(jìn)的硅單晶制造設(shè)備，其中將隔件及位于隔件外側(cè)的材料熔化區(qū)用一塊厚度小于3mm的金屬持熱板蓋住。
鉭和鉬是用作金屬持熱板的材料。并且在其直體部位上有多個開口。
這種結(jié)構(gòu)具有下列防止作用(1)在將坩堝分成材料熔化區(qū)和單晶生長區(qū)的場合下，防止熔體自隔件的內(nèi)側(cè)壁上凝固。
(2)在隔件及材料熔化區(qū)被一塊能使大量的在其板表面內(nèi)進(jìn)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)防止熔硅在材料熔化區(qū)中凝固。
例如，作為一種方式，防止(1)材料熔化區(qū)的硅熔體凝固和防止(2)隔件內(nèi)側(cè)熔體的凝固，在將坩堝分成材料熔化區(qū)和單晶生長區(qū)的情況中，用一塊持熱板將隔成材料熔化區(qū)和單晶生長區(qū)的隔件以及材料熔化區(qū)的上方遮蓋起來，這是可以想象到的。由于通常將碳質(zhì)材料用于硅單晶生產(chǎn)的熱區(qū)結(jié)構(gòu)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(qiáng)度考慮此材料厚度至少為5mm。結(jié)果，在該板表面內(nèi)的熱傳遞增大。換言之，增大了自熔體上方持熱板的高溫區(qū)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，而這熱量對于晶體生長至關(guān)重要，結(jié)果，這部位的溫度最多只能達(dá)到約1000℃。
因此，在持熱板預(yù)防結(jié)構(gòu)對隔件及材料熔化區(qū)具有持熱作用的同時，它也具有對晶體的強(qiáng)致冷卻作用。
按照本發(fā)明，用作持熱板的材料是一種金屬，并且其厚度在3.0mm或更薄的范圍內(nèi)選擇。換言之，使用金屬，可使持熱板的厚度小于3.0mm。結(jié)果，與碳質(zhì)材料相比，持熱板的板表面內(nèi)傳遞的熱量大大減少。這樣，熔體上方該板的溫度可超過1300℃，并且上述的因該板所引起對晶體冷卻的作用也降低了。與不采用持熱板的情況相比，根據(jù)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(jī)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，并以鉭為制板材料時，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(qiáng)對隔件及材料熔化區(qū)中硅熔體的持熱作用。換言之，就能更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)置持熱板的第一個目的，即，防止(1)，在材料熔化區(qū)和單晶生長區(qū)互被分隔的情況下，防止熔體自隔件的內(nèi)側(cè)凝固;防止(2)材料熔化區(qū)中熔硅的凝固。
鉭或鉬作為制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(qiáng)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(yīng)性很低。由于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(yīng)性是將其用作熱區(qū)結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)冷卻晶體速度的能力，并且創(chuàng)造一個使晶體生長的適宜環(huán)境。


圖1是示意地展示本發(fā)明的一種實(shí)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(shí)施方案的側(cè)視圖。
圖4是金屬持熱板實(shí)施方案的側(cè)視圖。
圖5是展示粒狀硅的熔化時間與偏離硅熔點(diǎn)的溫度之間的關(guān)系曲線。
圖6(A)和6(B)分別是金屬持熱板的另一種實(shí)施方式的透視圖和側(cè)視圖。
圖7是表示硅在隔件上凝固的示意圖。
圖1示意地展示本發(fā)明實(shí)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(zhuǎn)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(zhuǎn)提拉出來。6是環(huán)繞石墨坩堝2的電阻加熱器，而7是環(huán)繞加熱器6的熱區(qū)絕熱裝置。這些元部件都裝在室8中。上述結(jié)構(gòu)基本上與按照引上法構(gòu)成的常規(guī)硅單晶制造設(shè)備的結(jié)構(gòu)相同。
11是用高純度石英制成的，并設(shè)置在坩堝1中心部的隔件。如按照用圖3實(shí)施例所示，沿該件11的高度方向，基本上低于其中線部位，開有一個或多個小孔。這樣，在隔件11外側(cè)(此后稱為材料熔化區(qū)B)的熔硅僅能通過小孔12流暢地流到隔板件11的內(nèi)側(cè)(此后稱為單晶生長區(qū)A)。
9是開在室8中的開口，它位于材料熔化區(qū)B的上方。牢固地插在開口9中的是一臺輸入粒狀或塊狀硅(此后稱作粒狀硅)的給料器13，給料器13的下端位于材料熔化區(qū)B中熔硅表面的上方。給料器13連續(xù)地將粒狀硅輸在材料熔化區(qū)B上。
如圖4所示，17是由厚度為0.5mm鉭板構(gòu)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(qū)絕熱裝置7上，并且這樣的布置就封閉了隔件11和材料熔化區(qū)B。金屬持熱板17的底部(內(nèi)緣部分)靠近熔體表面(在該實(shí)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(nèi)壁上的熔體產(chǎn)生凝固，并以此提高對材料熔化區(qū)B中熔硅的持熱作用。
18是開在與溫度探測器14相應(yīng)部位的開口，19是硅粒的給料通道16的開孔。
結(jié)合上述結(jié)構(gòu)，描述本實(shí)施方案的運(yùn)行。熔硅4盛在坩堝1中隔件11的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，并且在其內(nèi)、外側(cè)上的熔硅表面處于同一水平?，F(xiàn)在，籽晶浸在單晶生長區(qū)A中的熔體表面，然后隨著旋轉(zhuǎn)將它逐漸提拉。此時，隨著固一液界面上的凝固進(jìn)行晶體生長，得到園柱狀硅單晶5。在這段時間內(nèi)，硅粒16連續(xù)地從給料器13輸?shù)讲牧先刍瘏^(qū)B中的熔硅表面上，以使硅粒16借助材料熔化區(qū)B中的熔硅而被熔化。熔硅穿過隔件11上的小孔12流暢地流到單晶生長區(qū)A中，借此一直保持熔硅4的恒定的水平面。同時，隔件11阻止了因?qū)⒐枇ｐ佊诓牧先刍瘏^(qū)B中的熔硅表面而引起的波動。這樣，這些波動就不會擴(kuò)散到單晶生長區(qū)A中。
注意將原料給料器的下端置于硅熔體表面上方而不是將其浸在硅熔體中，以使粒狀硅16落在熔硅表面上，其理由是令硅粒16浮在熔化材料區(qū)B整個面積的硅熔體表面上，以使其在材料熔化區(qū)的整個面積上熔化。
另外，溫度檢測結(jié)果表明下列事實(shí)。為了提拉正常的硅單晶同時防止連續(xù)加入粒狀硅引起熔硅的凝固，并且還防止該熔體自隔件的內(nèi)側(cè)發(fā)生凝固，材料熔化區(qū)B中硅熔體溫度必須比硅熔點(diǎn)至少高出12℃(見圖5)。通過設(shè)置金屬持熱板17，這些條件很容易達(dá)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(shí)施方案展示了將單臺給料器13用來把粒狀硅16連續(xù)地加在材料熔化區(qū)B中熔硅表面上的情況。然而也可以設(shè)置兩臺或多臺給料器13。
再者，除上述實(shí)施方案外，晶體和持熱板的熱輸運(yùn)模擬可通過數(shù)學(xué)計算得出。結(jié)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采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(xiàn)在參看圖6A和6B，其中說明金屬持熱板的另一種實(shí)施方案的透視圖及側(cè)視圖。在金屬持熱板17的直體部位上有多個開孔20。設(shè)置這些開孔為的是調(diào)節(jié)晶體的冷卻程度。換言之，可使石墨坩堝2內(nèi)壁的高溫輻射通過開孔20直接到達(dá)晶體。結(jié)果，調(diào)節(jié)開孔的面積則導(dǎo)致對晶體冷卻程度的調(diào)節(jié)。為調(diào)節(jié)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(shí)施方案，具有多個開孔20并且厚度為0.3mm的持熱板(圖6A和6B)被用于圖1所示的硅單晶制造設(shè)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。這樣制造6英寸的硅單晶就可得以保證。
還有，在圖6A和6B的實(shí)施方案中，開孔20為園形，但它們并不限于園形。此外，即使開孔20為設(shè)在金屬持熱板下端成切縫狀也并非想不到。
本發(fā)明具有以下效果。
本發(fā)明具有持熱板。其材料為金屬而且其厚度選擇為小于3mm，借此防止在隔件內(nèi)側(cè)面上的熔體于其上發(fā)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(qū)中硅溶體溫度被保持在高于硅熔點(diǎn)12℃的溫度，借此就防止了材料熔化區(qū)中硅熔體的凝固。結(jié)果則確保正常的硅單晶提拉。所以，本發(fā)明的工作具有使晶體沿拉制方向的質(zhì)量均勻性得到保證，從而實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)量，增大產(chǎn)率等等。
還有就是，金屬持熱板上的開孔起到調(diào)節(jié)冷卻晶體程度的作用，從而確保晶體處在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境。
權(quán)利要求
1.一種硅單晶制造設(shè)備，包括一種轉(zhuǎn)動型的，盛有硅熔體的石英坩堝；一個用于在所述石英坩堝側(cè)面將其加熱的電阻加熱器；一個用于在所述石英坩堝內(nèi)的所述硅熔體分成單晶生長區(qū)和材料熔化區(qū)的石英隔件，在所述隔件上有至少一個開孔用于使硅熔體通過；用于向所述材料熔化區(qū)連續(xù)饋入原料硅的原料給料裝置，及厚度為3mm或更小，并用來遮蓋在所述的隔件及所述隔件外側(cè)的材料熔化區(qū)上方的金屬持熱板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的硅單晶制造設(shè)備，其中所述的金屬持熱板用鉭或鉬制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的硅單晶制造設(shè)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(xù)裝入原料類型的硅單晶制造設(shè)備中，設(shè)有一個隔件將石英坩堝內(nèi)的熔體分成單晶生長區(qū)和材料熔化區(qū)，還有一個將該材料熔化區(qū)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(nèi)側(cè)上硅熔體凝固，并防止硅單晶過冷。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(diào)節(jié)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(yōu)先權(quán)日1989年10月26日
發(fā)明者中濱泰光, 荒木健治, 神尾寬 申請人:日本鋼管株式會社