用于改進(jìn)連續(xù)Czochralski方法中的晶體生長的堰的制作方法
【專利說明】用于改進(jìn)連續(xù)Czochralski方法中的晶體生長的堰
[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. 13/689, 189的優(yōu)先權(quán)，通 過引用將其全部公開內(nèi)容全部并入本文中。
[0003] 領(lǐng)域
[0004] 本公開內(nèi)容的領(lǐng)域一般性地涉及通過Czochralski方法生長單晶半導(dǎo)體材料。特 別地，本公開內(nèi)容的領(lǐng)域涉及使用帽堰（cap weir)的連續(xù)Czochralski方法。配置帽堰用 于改進(jìn)氣體的流量和壓力，這降低堰的腐蝕速率。
[0005] 背景
[0006] 在連續(xù)Czochralski (CZ)晶體生長方法中，熔體在晶體生長時補(bǔ)充或補(bǔ)給。這與 其中熔體由于晶體生長方法完成而消耗以后補(bǔ)給熔體的分批補(bǔ)給相反。在每種情況下，熔 體可用固體原料或熔融原料補(bǔ)充。
[0007] 與分批補(bǔ)給相反，連續(xù)Czochralski方法對生長結(jié)晶娃錠而言存在優(yōu)點(diǎn)。恪體高 度保持基本恒定，因此熔體-晶體界面的生長條件可保持更加均勻用于最佳的晶體生長。 循環(huán)時間也可降低，因?yàn)槿垠w條件不會由于加入大量原料而突然改變。
[0008] 常規(guī)連續(xù)晶體生長坩堝中的常規(guī)堰排列顯示于圖1中。在常規(guī)Czochralski系統(tǒng) 中，坩堝100保持一些熔融硅102,單晶錠104在其中生長并以箭頭105所示豎直方向從晶 體/熔體界面106拉引。通常成型為圓柱體的堰108置于坩堝100的底部并在所示熔體以 上豎直延伸。堰108限定內(nèi)部生長區(qū)110和外部熔體補(bǔ)充區(qū)112。表面下通路114將第一 或熔體補(bǔ)充區(qū)112與內(nèi)部生長區(qū)110連接。
[0009] 擋熱板116的形狀為圓錐形并以產(chǎn)生置于生長晶體或錠104周圍的環(huán)形開口的角 度向下延伸以容許生長錠輻射其固化潛熱和來自熔體的熱流。擋熱板116的頂部具有比形 成圍繞錠104的環(huán)形開口的直徑寬得多的第一直徑。擋熱板116的頂部由絕緣蓋或絕緣包 裝可支持地保持。為了簡化，圖中省略了絕緣蓋。惰性氣體如氬氣流通常沿著如117所示 生長晶體的長度提供。
[0010] 進(jìn)料供應(yīng)118將一些硅原料供入坩堝100的熔體補(bǔ)充區(qū)112中。硅原料可以為直 接供入熔體區(qū)112中的硅原料固體塊的形式。在每種情況下，將原料加入熔體區(qū)中通常伴 隨由氣體動力在堰108上傳輸?shù)姆蹓m顆粒。粉塵或未熔融的硅顆粒污染生長區(qū)110并且可 能變得附著在生長錠104上，由此導(dǎo)致它失去其單硅結(jié)構(gòu)。
[0011] 盡管圖1中的常規(guī)堰108排列可借助從熔體補(bǔ)充區(qū)流入晶體生長區(qū)的熔體幫助限 制粉塵和未熔融硅顆粒的傳送，但是它未解決堰的高腐蝕速率的問題。如圖5所示，常規(guī)石 英堰108遭遇一氧化硅和氬氣。將氬氣泵送通過液態(tài)硅以除去一氧化硅氣體并降低結(jié)合在 生長晶體中的氧氣的濃度。氬氣和一氧化硅氣體由流線500指示。氣流的副作用是堰在熔 體-氣體接觸管線119處由于表面動力而經(jīng)歷快速腐蝕，最終被一定程度地切穿使得它不 再充當(dāng)對固體多晶硅而言的充分屏障。該腐蝕引起問題，因?yàn)樗枰獣r常置換堰，導(dǎo)致停工 期和提高的置換成本。
[0012] 盡管該常規(guī)堰108排列可能足以防止未熔融的硅從熔體補(bǔ)充區(qū)到達(dá)晶體生長區(qū)， 但是該排列未解決堰的快速腐蝕問題。該快速腐蝕可提高方法的成本并且可通過導(dǎo)致停工 期以置換堰而降低生產(chǎn)量。
[0013] 該背景部分意欲向讀者介紹下文描述和/或主張的本公開內(nèi)容各方面可能涉及 的技術(shù)的各個方面。認(rèn)為該討論幫助提供給讀者背景信息以便于對本公開內(nèi)容的各個方面 的更好理解。因此，應(yīng)當(dāng)理解這些陳述就這點(diǎn)而言閱讀，且不是對現(xiàn)有技術(shù)的認(rèn)可。
[0014] 概述
[0015] -方面，公開了用于通過Czochralski方法生長錠的設(shè)備。錠在由結(jié)晶原料補(bǔ)充 的一些熔融硅中從熔體/晶體界面生長。該設(shè)備包含限定配置用于使吹掃氣體圍繞生長錠 循環(huán)的腔的生長室，和在生長室中提供且配置用于保持熔融硅的坩堝。堰安裝在坩堝中并 配置用于將熔融硅分離成圍繞熔體/晶體界面的內(nèi)部生長區(qū)與配置用于接收結(jié)晶原料的 外部區(qū)域。堰包含至少一個豎直延伸的側(cè)壁和基本垂直于側(cè)壁延伸的帽。
[0016] 另一方面，公開了連續(xù)Czochralski晶體生長。對于該方法，一個或多個晶體錠在 生長室中從包含由原料補(bǔ)充的熔融結(jié)晶材料的坩堝中限定的熔體/晶體界面拉引。該方法 包括使用堰將熔融結(jié)晶材料分離成圍繞熔體/晶體界面的內(nèi)部生長區(qū)和用于接收原料的 外部區(qū)域。惰性氣體與堰和熔體接觸地流動使得從熔體釋放的一氧化硅氣體的分壓在最大 堪腐蝕點(diǎn)處提尚。
[0017] 又一方面，公開了通過Czochralski方法生長錠的系統(tǒng)。錠在由結(jié)晶原料補(bǔ)充的 一些熔融硅中從熔體/晶體界面拉引。該設(shè)備包含限定配置用于使吹掃氣體圍繞生長錠循 環(huán)的腔的生長室和在生長室中提供且配置用于保持熔融硅的坩堝。進(jìn)料供應(yīng)用于供應(yīng)結(jié)晶 原料。加熱器加熱結(jié)晶原料和熔融硅。堰支撐于坩堝中并配置用于將熔融硅分離成圍繞熔 體/晶體界面的內(nèi)部生長區(qū)與配置用于接收結(jié)晶原料的外部區(qū)域。堰包含至少一個豎直延 伸的側(cè)壁和基本垂直于側(cè)壁延伸的帽。
[0018] 附圖簡述
[0019] 圖1為顯示Czochralski晶體生長系統(tǒng)中具有外圍加熱器的常規(guī)坩堝的部分示意 圖。
[0020] 圖2為顯示根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實(shí)施方案的Czochralski晶體生長系統(tǒng)中的帽 堰的部分示意圖。
[0021] 圖3為顯示圍繞帽堰的氣流線的帽堰放大圖。
[0022] 圖4為顯示根據(jù)另一實(shí)施方案的Czochralski晶體生長系統(tǒng)中另一帽堰的示意 圖。
[0023] 圖5為顯示氣流線的圖1的常規(guī)坩堝的放大圖。
[0024] 詳述
[0025] 參考圖2,根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實(shí)施方案，帽堰208在坩堝200中提供。帽堰208 通常具有圓柱形狀，具有豎直延伸的側(cè)壁222,安裝在限定硅熔體202中的生長區(qū)的坩堝 200底部。硅熔體202中的生長區(qū)210定義為由側(cè)壁222包圍的區(qū)域（即側(cè)壁徑向向內(nèi)）。 外部熔體補(bǔ)充區(qū)212定義為側(cè)壁222外部的區(qū)域（即側(cè)壁徑向向外）。因而，帽堰208將 生長區(qū)210與第一區(qū)或外部熔體補(bǔ)充區(qū)212分開，以分離和防止熱和機(jī)械干擾影響生長區(qū) 210中的生長晶體。
[0026] 在一些實(shí)施方案中，通路214限定于側(cè)壁222中以控制外部熔體補(bǔ)充區(qū)212與生 長區(qū)210之間的熔體流。進(jìn)料供應(yīng)221將固體硅原料來源供入外部熔體補(bǔ)充區(qū)212中?？?提供擋熱板216以屏蔽熔體/晶體界面206和錠204以防熱擾動。在示例實(shí)施方案中，擋 熱板的形狀為圓錐形，且在下游方向上徑向向內(nèi)成角或漸縮，使得擋熱板頂部比擋熱板底 部寬得多。圓錐形擋熱板216的側(cè)壁從底部并以一定角度向下懸垂，使得擋熱板的較小直 徑末端限定足夠大的中心環(huán)形開口 205以在所示將單晶錠204豎直拉引時接收生長錠。在 一些實(shí)施方案中，一個或多個底部加熱器218和側(cè)加熱器219與坩堝200熱連通以將熱供 給熔體202。除側(cè)加熱器219外，底部加熱器可以為獨(dú)立控制的環(huán)形加熱器218,其以徑向 方式置于坩堝200的基底下面，這可提供在整個外部熔體補(bǔ)充區(qū)212更可控的溫度分布。
[0027] 帽堰208包括從側(cè)壁222的上部伸出的帽207。在示例實(shí)施方案中，帽以徑向向內(nèi) 方向和徑向向外方向基本垂直于側(cè)壁222延伸。在其它實(shí)施方案中，帽207可僅以徑向向 外方向從側(cè)壁222伸出，或者僅以徑向向內(nèi)方向從側(cè)壁222伸出。
[0028] 帽堰208包含安裝在坩堝200基底上的通常圓柱形體。帽堰208的側(cè)壁222向上 豎直延伸以形成并限定具有熔體202的改進(jìn)流動區(qū)215。應(yīng)當(dāng)理解通過以使