專利名稱：硅單晶的制造方法及其使用的晶種的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)柴克勞斯基(Czochralski，CZ)法的硅單晶制造方法，而不需要執(zhí)行所謂的縮頸操作作(necking operation)。另外，本發(fā)明也涉及一種在該制造方法中所使用的晶種。
在利用柴克勞斯基(CZ)法的硅單晶制造方法中，單晶的硅常用來(lái)作為晶種。硅單晶晶錠的成長(zhǎng)是藉由將晶種與硅熔體接觸，并且在其旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，緩慢拉出晶種而進(jìn)行。此時(shí)，進(jìn)行用以形成頸部的操作(縮頸操作)以消除當(dāng)晶種與硅熔體接觸時(shí)之熱沖擊所造成高密度晶種的錯(cuò)位。接著，增加晶體的直徑到預(yù)定的大小，然后再將硅單晶晶錠拉出。這種縮頸操作便是熟知的“Dash Necking Method”，并且在根據(jù)CZ法而拉出硅單晶晶錠的情況下，這種方法的使用已是非常普遍的。
尤其是如圖3A與3B所示，常規(guī)的晶種是形成一個(gè)具有8-20毫米直徑的圓柱形狀，或是形成一種具有8-20毫米邊長(zhǎng)的棱形形狀，并且形成一個(gè)用以連接于晶種固定器的切除部。首先與硅熔體接觸之晶種尖端或底端形成平板面。在維持晶錠的重量時(shí)，為了要安全拉出重份量的單晶晶錠，晶種必須具有上述范圍的尺寸。
然而，因?yàn)榫哂猩鲜鲂螤钆c尺寸的晶種在與硅熔體接觸的尖端具有大的熱容量，所以當(dāng)晶種與硅熔體接觸時(shí)，在晶體內(nèi)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生陡劇的溫度梯度，使得產(chǎn)生高密度的滑動(dòng)錯(cuò)位。因此，上述的縮頸操作必須要能夠生長(zhǎng)單晶同時(shí)消除錯(cuò)位。
在Dash Necking Method中，當(dāng)晶種與硅熔體接觸之后，在晶體直徑增加之前先要縮小到大約3毫米，以便形成頸部，藉此消除由于晶種產(chǎn)生之滑動(dòng)錯(cuò)位所引起的錯(cuò)位，并藉此生長(zhǎng)出無(wú)錯(cuò)位的單晶。
然而，在此方法中，即使當(dāng)適當(dāng)?shù)剡x擇縮頸操作的條件時(shí)，晶體直徑也必須縮小到5-6毫米或更小，以便消除錯(cuò)位。在此情況下，其強(qiáng)度變得不足以支持單晶晶錠(其重量由于直徑的增加而變大)，而造成在拉出單晶晶錠的過(guò)程中處于發(fā)生頸部斷裂的高危險(xiǎn)性之中。這可能造成嚴(yán)重的事故，例如單晶晶錠的掉落。
為了解決上述的問(wèn)題，開發(fā)出一種利用晶體固定機(jī)構(gòu)而拉出目前認(rèn)為是重的大直徑單晶晶錠的方法(見(jiàn)日本特許公告第5-65477號(hào))。
在此方法中，考慮到縮頸造作對(duì)于錯(cuò)位的消除是不可缺少的、因而頸部的強(qiáng)度無(wú)法增加，生長(zhǎng)著的單晶晶錠被直接且機(jī)械式地固定。
然而，在這種單晶晶錠(該晶錠是在被旋轉(zhuǎn)時(shí)而生長(zhǎng)于高溫之中)直接被固定的方法中，用于執(zhí)行這種方法的裝置變得復(fù)雜又昂貴，而且也會(huì)產(chǎn)生有關(guān)熱阻抗的問(wèn)題。另外，實(shí)際上，極難將生長(zhǎng)的晶體固定而不產(chǎn)生震動(dòng)，因此該生長(zhǎng)的晶體可能變成多晶。另外，因?yàn)榘D(zhuǎn)、滑動(dòng)與其他運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之裝置必須設(shè)置于高溫硅熔體之上，所以會(huì)產(chǎn)生該晶體被重金屬雜質(zhì)污染的問(wèn)題。
為了解決這些問(wèn)題，本發(fā)明之申請(qǐng)人也曾提出許多不同的發(fā)明，例如日本專利申請(qǐng)公開第5-139880號(hào)以及日本申請(qǐng)第8-87187號(hào)。根據(jù)這些發(fā)明，晶種尖端形成楔形形狀，或形成晶種使之具有中空部位，以便減少滑動(dòng)錯(cuò)位到可能的程度，否則該滑動(dòng)錯(cuò)位將會(huì)在晶種與硅熔體接觸的時(shí)候產(chǎn)生。即使當(dāng)形成的頸部具有相當(dāng)大的直徑，因此而增加頸部的強(qiáng)度時(shí)，這些發(fā)明也能夠消除錯(cuò)位。
雖然這些發(fā)明的方法能夠藉由增加頸部直徑而將頸部的強(qiáng)度增加到某種程度，但是這些方法仍然需要縮頸操作，造成形成具有滑動(dòng)錯(cuò)位的頸部。因此，在某些情況下，如果由于單晶晶錠的直徑與長(zhǎng)度的增加而使得其具有150千克或更大的重量的話，根據(jù)這些方法所產(chǎn)生之單晶晶錠頸部的強(qiáng)度變得不足以拉出該晶錠。因此，這些方法并無(wú)法徹底解決現(xiàn)有技術(shù)方法中所存在的問(wèn)題。
根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)觀之，本發(fā)明是確實(shí)可解決該缺點(diǎn)的。本發(fā)明的目的是要提供一種硅單晶的制造方法，該方法可以生長(zhǎng)出單結(jié)晶的晶體而不需要進(jìn)行用以形成頸部的縮頸操作，該縮頸操作會(huì)造成強(qiáng)度上的問(wèn)題，藉此，本發(fā)明能夠形成非常容易拉出且具有大直徑與長(zhǎng)度之重的硅單晶而不須使用諸如晶體固定機(jī)構(gòu)等的復(fù)雜裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是要提供一種上述方法中所使用的晶種。
為了達(dá)成此目的，本發(fā)明提供一種了利用柴克勞斯基法的硅單晶制造方法，其中晶種與硅熔體接觸，然后在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)緩慢地拉出，以便在晶種之下拉出硅單晶晶錠，該方法包含下列步驟提供具有要與硅熔體接觸之尖端的晶種，所述的尖端具有尖點(diǎn)形狀或是具有截頭；緩慢將晶種尖端與硅熔體接觸，然后以緩慢的速度降低晶種的高度，以便晶種尖端部熔融直到該尖端部的尺寸增加到預(yù)定的值；以及接著慢慢將晶種向上提拉，以便生長(zhǎng)出具有預(yù)定直徑的硅單晶晶錠而不進(jìn)行縮頸操作。
因?yàn)槭褂昧艘环N其尖端具有尖點(diǎn)形狀或截頭的晶種，所以晶種尖端首先與硅熔體接觸的接觸區(qū)很小，而且該尖端部的熱容量也很小。因此，可避免在晶種之內(nèi)產(chǎn)生熱沖擊或是陡劇的溫度梯度，進(jìn)而避免滑動(dòng)錯(cuò)位的產(chǎn)生。
當(dāng)以緩慢的速度來(lái)降低晶種高度而使得該晶種尖端部被熔融直至尖端部的尺寸增加到預(yù)定值時(shí)，便有可能將晶種熔融至所需的尺寸，同時(shí)避免在晶種之內(nèi)產(chǎn)生陡劇的溫度梯度(在本說(shuō)明說(shuō)中“尺寸”一詞表示如果尖端具有圓形截面的話，則代表其直徑；以及如果該尖端具有矩形截面的話，則代表其橫斷面)。因此，在上述的熔融操作期間不會(huì)有滑動(dòng)錯(cuò)位產(chǎn)生于晶種之內(nèi)。
最后，在控制溫度、拉出速度以及其他條件之下，緩慢第向上拉出晶種，以便生長(zhǎng)出硅單晶晶錠。因?yàn)榫ХN具有所需的大小且無(wú)錯(cuò)位之發(fā)生，所以不需要縮頸之操作，因此具有足夠的強(qiáng)度，所以可以將晶種生長(zhǎng)成所需的直徑而產(chǎn)生硅晶晶錠。
在晶種尖端緩慢地與硅熔體接觸之前，該晶種最好就固定在緊接于硅熔體之上，以便增加晶種的溫度。
當(dāng)在提高晶種溫度之后而將晶種與硅熔體接觸時(shí)，可以減緩晶種與硅熔體接觸時(shí)所產(chǎn)生的熱沖擊，以便更可靠地避免滑動(dòng)錯(cuò)位的產(chǎn)生。尤其是在晶種尖端是尖點(diǎn)形狀的橫斷面的情況下，更需要這種提高晶種溫度的步驟。
為了熔融晶種尖端而降低晶種高度之速度優(yōu)選是20毫米/分鐘或更小。
這種低速的融熔進(jìn)一步降低在熔融操作期間，該晶種之內(nèi)發(fā)生滑動(dòng)錯(cuò)位的可能性。
本發(fā)明也提供一種根據(jù)CZ法之硅單晶晶錠制造過(guò)程中所使用的硅晶種，其中與硅熔體接觸之硅晶種的尖端具有尖點(diǎn)形狀或是截頭。
因?yàn)楣杈ХN的尖端具有尖點(diǎn)形狀或是截頭，所以晶種尖端首先與硅熔體接觸的接觸區(qū)很小，而且該尖端部的熱容量也很小。因此，可避免在該晶種與該硅熔體接觸時(shí)在晶種之內(nèi)產(chǎn)生熱沖擊或是陡劇的溫度梯度，進(jìn)而避免滑動(dòng)錯(cuò)位的產(chǎn)生。
當(dāng)以緩慢速度降低晶種高度而使得該晶種尖端部熔融直至該尖端部的尺寸增加到預(yù)定值時(shí)，晶種之浸漬部與熔體之間的接觸區(qū)漸漸增加。因此，避免了在晶種之內(nèi)產(chǎn)生陡劇的溫度梯度，使得在上述的熔融操作期間不會(huì)有滑動(dòng)錯(cuò)位產(chǎn)生于晶種之內(nèi)。
硅晶體之尖端優(yōu)選是圓錐形或金字塔形。在此情況下，方便于加工該晶種。另外，因?yàn)榫ХN尖端具有對(duì)稱的形狀，所以溫度梯度變得很均勻，而因此很難產(chǎn)生滑動(dòng)錯(cuò)位。
首先與硅熔體接觸之晶種的端表面優(yōu)選具有9π(毫米2)或更小之面積，而以2.25π(毫米2)或更小者更為優(yōu)選。
當(dāng)首先與硅熔體接觸之晶種的端表面的面積如上述而減少時(shí)，則該尖端的熱容量會(huì)減少，使得接觸時(shí)的熱沖擊減小。因此，理想的形狀是點(diǎn)形，其接觸面積可以減少到零。
在本發(fā)明中，硅單晶晶錠可以是單結(jié)晶的而不需要進(jìn)行用以形成頸部的縮頸操作，否則當(dāng)根據(jù)常規(guī)的CZ法而拉出硅晶澆定時(shí)，該縮頸操作將會(huì)造成強(qiáng)度上的問(wèn)題。因此，可以非常容易提拉出具有大直徑與長(zhǎng)度之重的硅單晶而不須使用諸如晶體固定機(jī)構(gòu)等的復(fù)雜裝置。
因此，可以將具有8-12英寸或更大直徑(近來(lái)所需求的)的硅單晶晶錠拉到所需的長(zhǎng)度，而不會(huì)有例如單晶晶錠掉落等重大事故的危險(xiǎn)。另外，因?yàn)椴恍枰s頸之操作，所以可提高產(chǎn)率。另外，因?yàn)榭蓪⒋怪币苿?dòng)晶種的提升高度減少一個(gè)相當(dāng)于頸部長(zhǎng)度的量，所以可以減小拉伸裝置的大小。因此，可以顯著地提高大直徑之硅單晶晶錠的產(chǎn)能與產(chǎn)量，同時(shí)降低制造成本。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明如下

圖1A-1C是用以解釋測(cè)試1-3的說(shuō)明視圖2A-2D是根據(jù)本發(fā)明之晶種的立體圖，其中圖2A顯示具有圓錐形尖端的圓柱晶種，圖2B顯示具有金字塔形尖端的棱形晶種，圖2C顯示具有水平截頭尖端的晶種，而圖2D顯示具有傾斜截頭尖端的晶種；圖3A與3B是常規(guī)晶種的立體圖，其中圖3A顯示圓柱形晶種，而圖3B顯示棱形晶種。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案將詳述如下。然而，本發(fā)明并不局限于此。
本發(fā)明之發(fā)明人質(zhì)疑有關(guān)于柴克勞斯基(CZ)法的技術(shù)，其中當(dāng)單晶晶種與硅熔體接觸并因而只有在接觸之后進(jìn)行縮頸操作，否則無(wú)法拉出單晶晶錠時(shí)，會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)錯(cuò)位，所以發(fā)明人以不同的方法研究判斷是否可以將晶種與硅熔體接觸而不在晶種之內(nèi)產(chǎn)生滑動(dòng)錯(cuò)位。
如果可以將晶種與硅熔體接觸而不在晶種之內(nèi)產(chǎn)生滑動(dòng)錯(cuò)位的話，便可排除進(jìn)行用以形成頸部的縮頸操作，藉此能夠使用要生長(zhǎng)成預(yù)定直徑的晶種，以便生長(zhǎng)出硅單晶晶錠。
如果要事先這種生長(zhǎng)操作的話，則必須先解決相關(guān)的問(wèn)題，例如晶種固定器以及由滑動(dòng)錯(cuò)位而引起的強(qiáng)度不足等問(wèn)題。
當(dāng)晶種與與硅熔體接觸時(shí)，則晶種尖端會(huì)部分被熔融，而且晶種會(huì)與硅熔體接合，藉此使隨后的晶體生長(zhǎng)。然而，當(dāng)單晶(晶種)與硅熔體如上所述地接觸或分離時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)位。本發(fā)明之發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了有關(guān)于這種錯(cuò)位的有趣現(xiàn)象。
眾所皆知，當(dāng)想要將以CZ法生長(zhǎng)之硅單晶晶錠與硅熔體分離時(shí)，滑動(dòng)錯(cuò)位通常會(huì)沿著溫度梯度而發(fā)生于該生長(zhǎng)的單晶部分，而且所產(chǎn)生之滑動(dòng)錯(cuò)位的密度與面積會(huì)隨生長(zhǎng)中之單晶晶錠內(nèi)的溫度梯度而定。當(dāng)增加單晶晶錠的生長(zhǎng)率以加大溫度梯度時(shí)，則滑動(dòng)錯(cuò)位的密度與面積便會(huì)增加，然而當(dāng)降低單晶晶錠的生長(zhǎng)率以減少溫度梯度時(shí)，則滑動(dòng)錯(cuò)位的密度與面積便會(huì)跟隨減少。尤其是當(dāng)欲以非常緩慢的速度生長(zhǎng)之晶體晶錠與硅熔體分離時(shí)，在某些情況下不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)錯(cuò)位。綜上所述，可以認(rèn)為與硅熔體接觸的單晶可以與硅熔體分離而不產(chǎn)生滑動(dòng)錯(cuò)位。
此外，在所謂的FZ(浮動(dòng)區(qū))方法中，形成硅的熔融區(qū)以便生長(zhǎng)出單晶晶錠，而且可以在單晶晶錠的生長(zhǎng)期間內(nèi)藉由增加加熱器的功率來(lái)輕易地增加熔融區(qū)的寬度。在這種情況下，雖然在單晶晶錠中與硅熔體接觸的生長(zhǎng)區(qū)再次被熔融，但是卻很少發(fā)生錯(cuò)位。由上述現(xiàn)象觀之，可以認(rèn)為與硅熔體接觸的單晶部位熔融而不會(huì)在單晶中產(chǎn)生滑動(dòng)錯(cuò)位。
另外，在根據(jù)CZ法之硅單晶晶錠的生長(zhǎng)期間中，可以藉由例如調(diào)整溫度而在預(yù)定的范圍內(nèi)任意地改變其生長(zhǎng)率。眾所皆知，在單晶晶錠的生長(zhǎng)期間中，單晶晶錠之生長(zhǎng)界面(固-液態(tài)界面)的形狀會(huì)隨著生長(zhǎng)率而改變。在這些情況下，生長(zhǎng)的單晶部分再次被熔融于固-液態(tài)界面中。同樣，在此情況下，可繼續(xù)拉出晶種而不會(huì)再單晶晶錠內(nèi)產(chǎn)生錯(cuò)位。由這種現(xiàn)象觀之，可以將與硅熔體接觸的單晶部位熔融而不會(huì)在單晶中產(chǎn)生滑動(dòng)錯(cuò)位。
將上述現(xiàn)象納入考慮之后，可以認(rèn)為即使當(dāng)硅單晶與硅熔體接觸或從中分離、或熔融時(shí)，只要能夠避免熱沖擊或劇烈之溫度梯度的產(chǎn)生，就不會(huì)發(fā)生錯(cuò)位現(xiàn)象。
為了證明上述認(rèn)識(shí)是正確的，所以進(jìn)行下列的測(cè)試。
測(cè)試1如圖1A所示，藉由使用具有棱形的普通晶種1而首先進(jìn)行常規(guī)的縮頸操作。尤其是形成頸部3而消除當(dāng)晶種1與硅熔體接觸時(shí)所產(chǎn)生的滑動(dòng)錯(cuò)位2，藉此產(chǎn)生沒(méi)有錯(cuò)位的晶體。接著，將晶體生長(zhǎng)成具有約為10毫米的直徑，并且繼續(xù)單晶的生長(zhǎng)。繼續(xù)生長(zhǎng)具有約為10毫米直徑的單晶，直到單晶的長(zhǎng)度變成約為10厘米為止，然后停止晶種的拉伸，以便停止單晶的生長(zhǎng)。接著，以3毫米/分鐘的緩慢速度降低晶種的高度，以便將所生長(zhǎng)之單晶的部分(約2厘米長(zhǎng))浸入于硅熔體中，以便再熔融。當(dāng)2厘米長(zhǎng)的部分被再次熔融時(shí)，便再次提拉晶種，同時(shí)熔體的溫度被降低，以便形成圓錐部4。當(dāng)單晶的直徑變成10厘米時(shí)，則藉由連續(xù)的拉伸操作而生長(zhǎng)出筆直的主體部5。在此情況下，該單晶晶錠的生長(zhǎng)是在無(wú)錯(cuò)位的狀態(tài)下持續(xù)進(jìn)行。另外，此測(cè)試在下列的條件下進(jìn)行并獲得相同的結(jié)果即，分別以10毫米/分鐘與20毫米/分鐘的速度緩慢地降低晶種的高度。
由此實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀之，可以了解的是，當(dāng)具有約為10毫米直徑的單晶(與常規(guī)晶種的直徑相同)僅在單晶與硅熔體接觸之后才熔融時(shí)，不會(huì)有滑動(dòng)錯(cuò)位產(chǎn)生。
產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因被認(rèn)為是由于已經(jīng)與硅熔體接觸之單晶是緩慢地浸入硅熔體中以使之熔融，所以熱沖擊不會(huì)作用在單晶上，而且單晶內(nèi)也不會(huì)形成陡劇的溫度梯度。
測(cè)試2接著，研究已經(jīng)與硅熔體分離之單晶是否可以在無(wú)錯(cuò)位狀態(tài)下再次熔融。
也就是如圖1B所示，首先藉由使用具有棱形形狀的普通晶種1而進(jìn)行常規(guī)的縮頸操作。形成頸部3以移除當(dāng)晶種1與硅熔體接觸時(shí)所產(chǎn)生的滑動(dòng)錯(cuò)位，藉此產(chǎn)生沒(méi)有錯(cuò)位的晶體。接著，將晶體生長(zhǎng)成具有約為10毫米的直徑，并且繼續(xù)單晶的生長(zhǎng)。繼續(xù)生長(zhǎng)具有約為10毫米直徑的單晶，直到單晶的長(zhǎng)度變成約為10厘米而且圓錐尾部6具有約為5厘米之長(zhǎng)度為止。接著將單晶從硅熔體中分離出來(lái)，并且暫停單晶的生長(zhǎng)。
在單晶晶錠經(jīng)由頸部而連接于晶種的狀態(tài)下，將由此形成之小的單晶晶錠從晶體制造爐中移出，然后將晶錠冷卻到室溫。接著，晶種是固定于未顯示的晶種固定器中，并且送回到晶體制造爐中。然后降低晶種的高度，并且在晶體尾部6固定于緊接于硅熔體之上的位置中停留10分鐘，以便增加尾部6的溫度。
在增加尾部6的溫度之后，以3毫米/分鐘的速度緩慢地降低晶種的高度。通過(guò)這種降低高度的操作，圓錐尾部6的尖端緩慢與硅熔體接觸，并且逐漸熔融。當(dāng)具有10毫米直徑之筆直部的底部(約2厘米長(zhǎng))浸入于硅熔體中且在其中熔融時(shí)，便開始晶種的提拉操作，在硅熔體降溫的同時(shí)，便形成圓錐部4，而不需要縮頸的操作。當(dāng)晶體的直徑達(dá)到10厘米時(shí)，便生長(zhǎng)出筆直主體部。在此情況下，單晶晶錠在無(wú)錯(cuò)位的狀態(tài)下持續(xù)生長(zhǎng)。另外，此測(cè)試在下列的條件下進(jìn)行并獲得相同的結(jié)果分別以10毫米/分鐘與20毫米/分鐘的速度緩慢地從緊接于硅熔體之上的位置中來(lái)降低晶種的高度。
由此測(cè)試結(jié)果觀之，可以了解的是，即使單晶被暫時(shí)冷卻時(shí)，單晶可以與硅熔體接觸并熔融而不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)錯(cuò)位。
產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因被認(rèn)為是下列的原因。即使單晶是在從硅熔體中分離出來(lái)的狀態(tài)下與硅熔體接觸并且被熔融的話，當(dāng)單晶與硅熔體接觸時(shí)，熱沖擊也不會(huì)作用在單晶上，這是由于首先與硅熔體接觸的部分面積小與熱容量小的關(guān)系。另外，因?yàn)榫徛档途ХN的高度而使得接觸區(qū)域逐漸增加，所以在熔融期間，不會(huì)有陡劇的溫度梯度形成于單晶之內(nèi)。
測(cè)試3接著，研究經(jīng)過(guò)機(jī)械加工制造的晶種是否可以在無(wú)錯(cuò)位狀態(tài)下再次熔融，以便生長(zhǎng)出單晶而不進(jìn)行縮頸操作。
首先，從無(wú)錯(cuò)位之單晶晶錠中切割出具有10毫米直徑與10厘米長(zhǎng)度之圓柱晶體(如圖1C所示)，圓柱晶體之一端是機(jī)械加工成長(zhǎng)度超過(guò)5厘米之圓錐形。接著，通過(guò)刻蝕法除去以機(jī)械加工所形成的表面受損層，以便制造出從硅單晶中所產(chǎn)生的晶種1，該晶種1基本上與測(cè)試2中所制造之小單晶晶錠的圓錐尾部6具有相同的形狀。
然后以測(cè)試2中所使用的相同方法利用晶種來(lái)生長(zhǎng)出單晶晶錠。
具有圓錐尖端之晶種首先固定于未顯示的晶種固定器中，降低高度并且在圓錐尖端緊接固定于硅熔體之上的位置中停留10分鐘，以便增加晶種的溫度。
在晶種升溫之后，以3毫米/分鐘的緩慢速度來(lái)降低晶種的高度。通過(guò)這種降低高度的操作，圓錐部的尖端緩慢地與硅熔體接觸，并且逐漸熔融。當(dāng)具有10毫米直徑之筆直部的底部(約2厘米長(zhǎng))浸入于硅熔體中并且在其中熔融時(shí)，便開始晶種的提拉操作，在硅熔體降溫的同時(shí)，便形成圓錐部4，而不需要縮頸的操作。當(dāng)晶體的直徑達(dá)到20厘米時(shí)，便持續(xù)生長(zhǎng)出筆直主體部。在此情況下，單晶晶錠在無(wú)錯(cuò)位的狀態(tài)下持續(xù)生長(zhǎng)。另外，此測(cè)試在下列的條件下進(jìn)行并獲得相同的結(jié)果即，分別以10毫米/分鐘與20毫米/分鐘的速度緩慢地降低晶種的高度。
由上述測(cè)試結(jié)果觀之，可以了解的是，即使當(dāng)晶種是象常規(guī)晶種一樣是從大單晶晶錠中切割出，且通過(guò)刻蝕法來(lái)除去表面受損區(qū)時(shí)，有可能將晶種與硅熔體接觸而不會(huì)在晶種之內(nèi)產(chǎn)生滑動(dòng)錯(cuò)位，然后在逐漸增加接觸面積的同時(shí)，將晶體熔融到所需的直徑。本發(fā)明是根據(jù)這種發(fā)現(xiàn)而完成的。
由于下述原因這種操作是可能的。即使單種是在從硅熔體中分離出來(lái)的狀態(tài)下與硅熔體接觸并且被熔融的話，當(dāng)單種與硅熔體接觸時(shí)，熱沖擊也不會(huì)作用在單晶上，這是由于首先與硅熔體接觸的部分面積小與熱容量小的關(guān)系。另外，因?yàn)榫徛档途ХN的高度而使得接觸區(qū)域逐漸增加，所以在熔融期間，不會(huì)有陡劇的溫度梯度形成于單晶之內(nèi)。
因此，當(dāng)根據(jù)CZ法來(lái)制造硅單晶晶錠時(shí)，只要使用具有尖端或尖端截頭(此兩者皆具有小的接觸面積)的晶種，并且是只要進(jìn)行緩慢地將晶種尖端與硅熔體接觸的提拉操作，便可不必進(jìn)行縮頸操作而生長(zhǎng)出硅單晶晶錠；緩慢地降低晶種的高度，使得晶種尖端熔融成所需的直徑而維持重單晶晶錠的最終重量，然后緩慢向上提拉，以便將單晶晶錠生長(zhǎng)成所需的直徑。
在本發(fā)明中，必須將要使用的晶種之尖端形成為尖點(diǎn)形狀或是尖點(diǎn)截頭。如果晶種具有這種形狀的話，則因?yàn)榫ХN尖端具有小的初始接觸面積以及降低的熱容量的關(guān)系，所以即使晶種尖端與硅熔體接觸的話，熱沖擊也不會(huì)作用在單晶上，而且也不會(huì)有陡劇的溫度梯度形成于單晶之內(nèi)，因此不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)錯(cuò)位。
當(dāng)以緩慢的速度來(lái)降低晶種高度而使得該晶種尖端部被熔融成所需的直徑時(shí)，晶種之浸漬部與熔體之間的接觸區(qū)漸漸增加。因此，可以將晶種熔融而不會(huì)產(chǎn)生陡劇的溫度梯度，使得在上述的熔融操作期間不會(huì)有滑動(dòng)錯(cuò)位產(chǎn)生于晶種之內(nèi)。
本發(fā)明所使用之硅晶種的尖端優(yōu)選是圓錐形或金字塔形以便具有上述的尖點(diǎn)形狀，或是尖點(diǎn)截頭。
如果晶種具有這種形狀的話，則晶種在其尖端會(huì)具有小的熱容量，且其尺寸(直徑或橫截面)會(huì)朝向基底部逐漸增加。因此，這種晶種將很好地滿足本發(fā)明之需求。另外，因?yàn)榫ХN尖端具有對(duì)稱的形狀，所以很容易對(duì)晶種進(jìn)行加工，且溫度梯度也易變得均勻，因此不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)錯(cuò)位。
在此情況下，在考慮加工的情形下，可任意決定本發(fā)明之晶種之圓錐部7或金字塔部8的長(zhǎng)度t(如圖2A與2B所示)。然而，如果長(zhǎng)度t太小的話，與硅熔體接觸之接觸面積的增加率會(huì)增加，所以必須減緩熔融速率。相反地，如果長(zhǎng)度t太大的話，則會(huì)太浪費(fèi)晶種。因此，長(zhǎng)度t最好是晶種尺寸(直徑或橫截面)的1至10倍，更優(yōu)選為晶種尺寸的2至8倍。
因?yàn)榫ХN形狀之需求為尖點(diǎn)形狀(其尺寸逐漸朝基底端漸增)、三邊金字塔形狀、四邊金字塔形狀或是多邊金字塔形狀。另外，筆直主體部的剖面形狀并不需要對(duì)應(yīng)于尖端部的剖面形狀。例如，棱形晶種的尖端可以是圓錐形。另外，可以組合任意的形狀以滿足要求。
除了圖2A與2B所示的尖點(diǎn)形狀之外，晶種尖端也可具有截頭形狀，這是因?yàn)楣鑶尉У拇喽?、硬度以及其他切割硅單晶時(shí)可能發(fā)生之問(wèn)題的緣故，所以很難將晶種加工成尖銳的形狀，并且當(dāng)晶種的接觸面積小于預(yù)定值時(shí)，熱沖擊是能被防止的。另外，可以任意決定用以截?cái)嗉舛说姆椒?，其尖端可以圖2D所示被傾斜地截?cái)?，而不是被水平地截?cái)唷?br> 當(dāng)晶種尖端被截除時(shí)，首先與硅熔體接觸之尖端的初始接觸面積優(yōu)選不要大于9π(毫米2)，更優(yōu)選不大于2.25π(毫米2)。
這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果顯示錯(cuò)位是通過(guò)常規(guī)的縮頸操作來(lái)消除的，藉由縮頸操作所形成的頸部直徑必須是6毫米或更小，或是3毫米或更小，以便有效地消除錯(cuò)位，而如果初始接觸面積不設(shè)置為或小于上述值的話，則當(dāng)與硅熔體接觸時(shí)，可能會(huì)發(fā)生滑動(dòng)錯(cuò)位。
因此，為了避免當(dāng)晶種與硅熔體接觸時(shí)所產(chǎn)生的滑動(dòng)錯(cuò)位，便采用一種完全尖銳的形狀(如圖2A與2B所示)，其接觸面積已經(jīng)被減少到零。
另外，在本發(fā)明中，在具有上述形狀之晶種尖端逐漸與硅熔體接觸之前，晶種優(yōu)選就固定于緊接在硅熔體之上，以便增加并維持晶種的溫度。
這是因?yàn)槿绻谏呔ХN溫度之后再將晶種與硅熔體接觸的話，可減緩接觸時(shí)所產(chǎn)生的熱沖擊，因而可靠地避免滑動(dòng)錯(cuò)位的發(fā)生。尤其是，當(dāng)晶種具有截頭形尖端時(shí)，則必須要進(jìn)行用以將晶種溫度升高的作業(yè)。
無(wú)庸置疑，優(yōu)選將晶種固定于接近硅熔體的位置上一段較長(zhǎng)的時(shí)間。然而，當(dāng)晶種固定于緊接于硅熔體之上的位置約為1-20分鐘，而使得晶種尖端與硅熔體表面之間的距離為5-100毫米時(shí)，便可獲得充分的結(jié)果。
在本發(fā)明中，在晶種與硅熔體接觸之后，用以緩慢降低晶種高度的速度優(yōu)選設(shè)定為不大于20毫米/分鐘。
藉由緩慢的熔融操作，可進(jìn)一步降低在熔融操作期間內(nèi)，在晶種內(nèi)產(chǎn)生滑動(dòng)錯(cuò)位的可能性。因此，用以降低高度的速度會(huì)受到晶種尖端與硅熔體間之接觸面積增加率的影響，即，晶種尖端形狀的影響。熔融速度也會(huì)隨著尖端的尖銳程度而增加。
如上所述，晶種尖端部被熔融成所需的尺寸(直徑或橫截面)，該尺寸足以支撐重單晶晶錠的重量。例如，該所需的尺寸可為8毫米或更大。在本發(fā)明中，因?yàn)閱尉ЬуV可持續(xù)從晶種中生長(zhǎng)出來(lái)，而且在晶種與生長(zhǎng)晶錠之間的連接區(qū)不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)錯(cuò)位，所以當(dāng)與有錯(cuò)位的常規(guī)方法形成頸部的生產(chǎn)單晶晶錠的連接區(qū)比較起來(lái)，即使其連接區(qū)與常規(guī)的頸部具有相同的直徑，根據(jù)本發(fā)明所生長(zhǎng)出來(lái)之單晶晶錠的連接區(qū)可以具較大的強(qiáng)度。另外，因?yàn)榫ХN可以不需要縮頸操作來(lái)生長(zhǎng)成所需的直徑，以便生長(zhǎng)出硅單晶晶錠。因此，例如，可以節(jié)省常規(guī)縮頸操作用以生長(zhǎng)出具有20厘米或以上長(zhǎng)度之頸部所需的時(shí)間。
最后，在晶種尖端熔融成所需大小之后，在如同常規(guī)的CZ法之溫度、提拉速度等的控制下，緩慢地將晶種往上提拉，以形成圓錐部。當(dāng)晶體達(dá)到預(yù)定的直徑時(shí)，便形成筆直的主體部。上述一連串的操作可以安全地提拉出重硅單晶晶錠。
近來(lái)，對(duì)硅單晶晶錠之直徑的要求已達(dá)8英寸(200毫米)到12英寸(300毫米)，甚至達(dá)16英寸(400毫米)。然而，在本發(fā)明中，因?yàn)椴恍枰M(jìn)行縮頸操作，也不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)錯(cuò)位，所以如果單晶晶錠的直徑、長(zhǎng)度不超過(guò)硅單晶晶錠本身的實(shí)際限制的話，則理論上可提拉出具有任意直徑、長(zhǎng)度和重量的單晶晶錠。
本發(fā)明并不僅局限于上述的實(shí)施方案。上述之實(shí)施方案僅作為說(shuō)明之用。具有與權(quán)利要求書中所界定之實(shí)施例相同結(jié)構(gòu)、原理與功效之實(shí)施例皆包含在本發(fā)明之范圍之內(nèi)。
例如，本發(fā)明不僅可應(yīng)用于一般的CZ法，也可應(yīng)用于MCZ法(施加磁場(chǎng)之柴克勞斯基晶體生長(zhǎng)法)，其中，在提拉出硅單晶時(shí)，將磁場(chǎng)施加于硅熔體上。因此，“柴克勞斯基法”或“CZ法”一詞不僅是指一般的CZ法，也是指MCZ法。
權(quán)利要求
1.一種利用柴克勞斯基法制造硅單晶的方法，其中，晶種與硅熔體接觸，然后在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)緩慢地提拉，以便在晶種之下生長(zhǎng)硅單晶晶錠，該方法包含下列步驟提供具有要與硅熔體接觸之尖端的晶種，所述的尖端具有尖點(diǎn)形狀或是它的截頭；緩慢將晶種尖端與硅熔體接觸，然后以緩慢的速度降低晶種的高度，以便熔融晶種尖端部直到該尖端部的尺寸增加到預(yù)定值；以及接著慢慢將晶種向上提拉，以便生長(zhǎng)出具有預(yù)定直徑的硅單晶晶錠而不進(jìn)執(zhí)行縮頸操作。
2.如權(quán)利要求1所述制造硅單晶的方法，其中，在該晶種尖端與硅熔體緩慢接觸之前，該晶種固定在緊接于硅熔體之上，以便增加晶種的溫度。
3.如權(quán)利要求1所述制造硅單晶的方法，其中，用以降低晶種高度以便熔融其尖端的速度等于或小于20毫米/分鐘。
4.如權(quán)利要求2所述制造硅單晶的方法，其中，用以降低晶種高度以便熔融其尖端的速度等于或小于20毫米/分鐘。
5.一種用于根據(jù)CZ法制造硅晶晶錠的硅晶種，其中，要與硅熔體接觸之晶種尖端具有尖點(diǎn)型狀或是它的截頭。
6.如權(quán)利要求5所述的硅晶種，其中，該晶種尖端具有圓錐形狀或金字塔形狀。
7.如權(quán)利要求5所述的硅晶種，其中，首先要與硅熔體接觸之晶種的端表面具有等于或小于9π(毫米2)的面積。
8.如權(quán)利要求6所述的硅晶種，其中，首先要與硅熔體接觸之晶種的端表面具有等于或小于9π(毫米2)的面積。
9.如權(quán)利要求5所述的硅晶種，其中，首先要與硅熔體接觸之晶種的端表面具有等于或小于2.25π(毫米2)的面積。
10.如權(quán)利要求6所述的硅晶種，其中，首先要與硅熔體接觸之晶種的端表面具有等于或小于2.25π(毫米2)的面積。
11.如權(quán)利要求7所述的硅晶種，其中，首先要與硅熔體接觸之晶種的端表面具有等于或小于2.25π(毫米2)的面積。
12.如權(quán)利要求8所述的硅晶種，其中，首先要與硅熔體接觸之晶種的端表面具有等于或小于2.25π(毫米2)的面積。
全文摘要
在一種利用柴克勞斯基法制造硅單晶的方法中,使用一種具有尖點(diǎn)形狀或是尖點(diǎn)截頭之尖端的晶種。晶種尖端緩慢與硅烷體接觸,并且以緩慢的速度降低晶種的高度,以便熔融晶種尖端部直到該尖端部的面積增加到預(yù)定值。接著慢慢將晶種向上提拉,以便生長(zhǎng)出具有預(yù)定直徑的硅單晶晶錠而不進(jìn)行縮頸操作。此方法可以輕易地提拉出重的硅單晶,而不進(jìn)行縮頸操作,同時(shí)不需要使用例如晶體固定機(jī)構(gòu)等的復(fù)雜裝置。
文檔編號(hào)H01L21/208GK1193054SQ9810013
公開日1998年9月16日 申請(qǐng)日期1998年1月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月17日
發(fā)明者阿部孝夫, 木村雅規(guī) 申請(qǐng)人:信越半導(dǎo)體株式會(huì)社