用于改善的連續(xù)直拉法的熱屏障的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2012年11月29日提交的美國專利申請No. 13/688,969的優(yōu)先權(quán)，該 申請的全部內(nèi)容通過全文引用結(jié)合在本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本文公開的內(nèi)容的技術(shù)領(lǐng)域總地涉及通過直拉法生長晶體半導(dǎo)體材料。更具體 地，本文公開的內(nèi)容的技術(shù)領(lǐng)域涉及應(yīng)用環(huán)形熱屏障的連續(xù)直拉法，其用于改善晶體拉伸 速率和坩堝使用壽命。
【背景技術(shù)】
[0004] 在連續(xù)直拉（CZ)晶體生長工藝中，隨著晶體生長而補(bǔ)充或再充填熔體。這與批量 再充填形成對(duì)比，在該批量再充填中，在通過完成晶體生長法而耗盡熔體之后才會(huì)再充填 熔體。在任一情況下，都能夠以固體進(jìn)料或熔融進(jìn)料來補(bǔ)充熔體。
[0005] 與批量再充填相比，用于生長硅晶錠的連續(xù)直拉法具有一些優(yōu)點(diǎn)。熔體高度保持 基本不變，因此能夠更一致地保持熔體-晶體界面處的生長條件，以實(shí)現(xiàn)最佳的晶體生長。 由于熔體條件不會(huì)由于增加了大量進(jìn)料而突然改變，所以周期時(shí)間還可以減少。
[0006] 傳統(tǒng)的連續(xù)晶體生長坩堝中的傳統(tǒng)的窯坎（weir)布置在圖1中示出。在傳統(tǒng)的 直拉法系統(tǒng)中，坩堝100保持一定量的熔融硅102,在該熔融硅中，單晶錠104生長并且沿 箭頭105指示的豎直方向從晶體/熔體界面106處被拉伸。通常成形為圓柱形的窯坎108 定位在坩堝100的底部上，并且如圖所示在熔體上方豎直延伸。窯坎108限定了內(nèi)部生長 區(qū)110和外部熔體補(bǔ)充區(qū)112。液面下方的通路114連接第一或熔體補(bǔ)充區(qū)112和內(nèi)部生 長區(qū)110。
[0007] 熱屏障116為圓錐形，并且以一定角度向下延伸以形成圍繞生長的晶體或晶錠 104設(shè)置的環(huán)形開口，以允許生長的晶錠輻射其潛在的凝固熱和來自熔體的熱通量。熱屏障 116的頂部具有第一直徑，該第一直徑遠(yuǎn)大于形成圍繞晶錠104的環(huán)形開口的直徑。熱屏 障116的頂部由絕熱蓋或絕熱包可支承地保持。為了簡明起見，附圖中省略了絕熱蓋。通 常沿生長晶體的長度提供惰性氣體流，例如氬氣，如117所指示的。
[0008] 進(jìn)給供應(yīng)源118向坩堝100的熔體補(bǔ)充區(qū)112提供一定量的硅進(jìn)料。該硅進(jìn)料可 以是固體塊狀的硅進(jìn)料形式，其被直接提供給熔體區(qū)112。在任一情況下，向熔體區(qū)添加進(jìn) 料通常都伴隨著由窯坎108頂部上方的空氣靜力輸送的粉塵顆粒。粉塵或未熔解的硅顆粒 會(huì)污染生長區(qū)110,并且可能附著到生長的晶錠上，從而使生長的晶錠失去其單晶硅結(jié)構(gòu)。
[0009] 各個(gè)區(qū)，即生長區(qū)110和熔體補(bǔ)充區(qū)112會(huì)經(jīng)受向外部大氣的輻射和對(duì)流熱損失。 在硅處理溫度下，通過石英坩堝的溶解形成的硅氧化物從熔體中蒸發(fā)，并且在熱區(qū)的稍冷 區(qū)域上冷凝，從而形成可能成為嚴(yán)重的維護(hù)難題的粉末或粉塵。當(dāng)該粉末或粉塵落回到硅 熔體中時(shí)，它可能影響正在生長的單晶體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生位錯(cuò)缺陷。晶錠產(chǎn)量和生長的經(jīng)濟(jì)性遭 受嚴(yán)重影響。此外，輻射和對(duì)流熱損失需要添加額外的熱量以保持硅被熔化。該額外熱量 增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本。
[0010] 雖然這種傳統(tǒng)布置可能足以限制未熔化的硅顆粒從熔體補(bǔ)充區(qū)傳送到晶體生長 區(qū)，但是這種傳統(tǒng)的窯坎布置不能解決向外部大氣的輻射和對(duì)流熱損失的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 一方面，本申請公開了一種用于通過直拉法生長晶錠的設(shè)備。該晶錠在由晶體進(jìn) 料予以補(bǔ)充的一定量的熔融硅中從熔體/晶體界面拉出。該設(shè)備包括構(gòu)造成保持熔融硅的 坩堝，和支承在坩堝中的窯坎，該窯坎構(gòu)造成將熔融硅從構(gòu)造為接納晶體進(jìn)料的外部區(qū)分 離到圍繞晶體/熔體界面的內(nèi)部生長區(qū)中。該窯坎包括至少一個(gè)豎直延伸的側(cè)壁和頂壁。 環(huán)形熱屏障設(shè)置在窯坎的頂壁上，該環(huán)形熱屏障覆蓋外部區(qū)的至少約70%。
[0012] 另一方面，本申請公開了用于通過直拉法生長晶錠的另一種設(shè)備。該晶錠在由晶 體進(jìn)料予以補(bǔ)充的一定量的熔融硅中從熔體/晶體界面拉出。該設(shè)備包括構(gòu)造成保持熔融 硅的坩堝，和用于供應(yīng)晶體進(jìn)料的進(jìn)給供應(yīng)源。至少兩個(gè)窯坎被支承在坩堝中，并且構(gòu)造成 將熔融硅分離到圍繞晶體/熔體界面的內(nèi)部生長區(qū)、構(gòu)造成接納晶體進(jìn)料的外部區(qū)和位于 內(nèi)部生長區(qū)和外部區(qū)之間的中間區(qū)中。每個(gè)窯坎都包括至少一個(gè)豎直延伸的側(cè)壁。環(huán)形熱 屏障設(shè)置在至少其中一個(gè)窯坎的頂部上。該環(huán)形熱屏障覆蓋外部區(qū)或中間區(qū)中的一個(gè)的至 少一部分。
[0013] 又一方面，本申請公開了一種用于連續(xù)直拉工藝晶體生長的方法。在該方法中，將 一個(gè)或多個(gè)晶錠從限定在坩堝中的晶體/熔體界面拉到生長室內(nèi)，該坩堝容納由晶體進(jìn)料 予以補(bǔ)充的熔融晶體材料。該方法包括利用窯坎將熔融晶體材料分離到圍繞晶體/熔體界 面的內(nèi)部生長區(qū)和用于接納晶體進(jìn)料的外部區(qū)中。將環(huán)形熱屏障放置在外部區(qū)上方，以覆 蓋外部區(qū)的至少一部分。
【附圖說明】
[0014] 圖1為示出傳統(tǒng)的連續(xù)直拉晶體生長系統(tǒng)的示意圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的連續(xù)直拉系統(tǒng)的示意圖。
[0016] 圖3和4不出本發(fā)明一實(shí)施例的環(huán)形熱屏障的俯視圖和側(cè)視圖。
[0017] 圖5為本發(fā)明的連續(xù)直拉系統(tǒng)的另一實(shí)施例的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 圖2示出了一種用于通過直拉法生長晶錠的設(shè)備的一個(gè)示例性實(shí)施例的示意圖。 在此實(shí)施例中，窯坎208設(shè)置在保持硅熔體202的坩堝200中。該窯坎208為大致圓柱形， 具有支承在坩堝的底部的側(cè)壁222,該側(cè)壁向上延伸以便在硅熔體202中限定生長區(qū)210。 該窯坎208將熔體分入兩部分，即內(nèi)部生長區(qū)210和外部熔體補(bǔ)充區(qū)212。也就是說，圓柱 形窯坎使生長區(qū)210與第一區(qū)或外部熔體補(bǔ)充區(qū)212分開，以基本隔絕以及防止熱和機(jī)械 擾動(dòng)影響生長區(qū)210內(nèi)生長的晶體。窯坎208還限定了用于在外部熔體補(bǔ)充區(qū)212和生長 區(qū)210之間提供受控的熔體流的通路214。進(jìn)給供應(yīng)源221向外部熔體補(bǔ)充區(qū)212供應(yīng)固 體硅進(jìn)料源，例如塊狀或顆粒狀多晶硅。
[0019] 包含窯坎的坩堝200設(shè)置在直拉生長系統(tǒng)的生長室內(nèi)?？梢栽O(shè)置圓錐形熱屏障 216,其以一定角度向下延伸以形成圍繞生長的晶體或晶錠204設(shè)置的環(huán)形開口 205,以保 護(hù)晶體/熔體界面206和晶錠204免受極端的熱擾動(dòng)。錐形熱屏障216的頂部具有遠(yuǎn)大于 形成圍繞晶錠204的環(huán)形開口 205的直徑的第一直徑。錐形熱屏障216的頂部由絕熱蓋或 絕熱包（未示出）可支承地保持。錐形熱屏障216的側(cè)壁以一定角度從基部向下延伸，以 使得熱屏障的具有較小直徑的遠(yuǎn)端限定中心環(huán)形開口 205,該環(huán)形開口 205足夠大以便在 單晶晶錠204如圖所示被豎直拉伸時(shí)接納生長的晶錠。熱屏障216可以由具有可選的碳化 硅或類似涂層的鉬或石墨制成。
[0020] 窯坎208包括支承在坩堝200的底部上的總體圓柱形的體部。環(huán)形熱屏障224設(shè) 置在窯坎208的頂壁207處。如圖所示，環(huán)形熱屏障224基本垂直于窯坎208的側(cè)壁222， 并且基本平行于晶體/熔體界面206的平面。環(huán)形熱屏障224由內(nèi)部部分226和外部部分 228限定，以使得環(huán)形熱屏障224基本覆蓋外部熔體補(bǔ)充區(qū)212,從而支靠在窯坎208的頂 壁207上。在一個(gè)實(shí)施例中，環(huán)形熱屏障224覆蓋外部熔體補(bǔ)充區(qū)212的70%到90%。
[0021] 在一些實(shí)施例中，在窯坎208和環(huán)形熱屏障224之間設(shè)置有密封件，以將環(huán)形熱屏 障224基本密封到窯坎208上。該密封件合適地為包括一層或多層的密封劑。
[0022] 窯坎208的側(cè)面基本豎直向上延伸，并且與環(huán)形熱屏障224 -起形成和限定具有 熔體202的環(huán)形間隙215,以允許一定量的熔體氣體或凈化氣體從中流過。環(huán)形間隙215可 以適當(dāng)?shù)卦O(shè)定尺寸，以限制或控制由此通過的氣流量。例如，環(huán)形空間或間隙215的尺寸可 以選擇為對(duì)于流出的凈化氬氣提供增強(qiáng)的流動(dòng)路徑。
[0023] 環(huán)形熱屏障224由硅石或其他合適的耐熱材料制成。通過將熱量限制在環(huán)形空間 215內(nèi)和防止熱量從中流出，該環(huán)形熱屏障224基本防止了輻射熱損失。應(yīng)該理解的是，可 以改變環(huán)形熱屏障224的材料和厚度400 (圖4)，以提供更大或更小的熱屏蔽能力。在一個(gè) 實(shí)施例中，在環(huán)形熱屏障224的上或下表面設(shè)置熱反射層，以便根據(jù)應(yīng)用情況例如將熱量 反射回熔體202中或者使熱量遠(yuǎn)離熔體202。
[0024] 在一個(gè)實(shí)施例中，環(huán)形熱屏障224包括在圖3中最清楚示出的一個(gè)或多個(gè)開口 230,以用于進(jìn)料從中通過。開口 230的尺寸設(shè)計(jì)成使得進(jìn)料足以從中通過，但不會(huì)提供允 許大量熱量從中通過的太大的開口。
[0025] 窯坎208的內(nèi)徑選擇為在外部熔體補(bǔ)充區(qū)212中提供足夠的熔體體積，以使得將 固體進(jìn)料加熱至硅的熔融溫度1412°C所必需的潛在的熔合熱和熱能不會(huì)使熔體區(qū)中的熔 體凍結(jié)。多個(gè)共同控制或單獨(dú)控制的底部加熱器218設(shè)置在坩堝200的底部下方。在另一 實(shí)施例中，包括側(cè)面加熱器219,以便在整個(gè)外部熔體補(bǔ)充區(qū)212提供額外的受控的溫度分 布。
[0026] 現(xiàn)在參考圖5,連續(xù)CZ系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例包括第二窯坎500。在此示例性實(shí)施例 中，第二窯坎500限定了在外部熔體補(bǔ)充區(qū)212和生長區(qū)202之間的互連區(qū)502。第二窯