專利名稱：直拉硅單晶爐熱場(chǎng)的氣流控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自熔融液提拉法的單晶硅生長(zhǎng)中氣流的控制方法及設(shè)備，更具體地說(shuō)是切克勞斯基法(Czochralski法)單晶硅生長(zhǎng)中氣流控制及設(shè)備。
直拉硅單晶在生長(zhǎng)過(guò)程中單晶爐內(nèi)必須是負(fù)壓狀態(tài)，因此要向爐內(nèi)不斷地充入氬氣，充入的氬氣與在拉硅單晶時(shí)生成的一氧化硅形成含有一氧化硅的氬氣氣體充滿爐內(nèi)，必須用真空泵將含有一氧化硅的氬氣的氣體不斷向爐外排出，在排出這種含有一氧化硅的氬氣氣體時(shí)，要流經(jīng)爐中的發(fā)熱體、石英坩堝支持器等處，最后經(jīng)過(guò)真空管道的排氣口排出，其排出的途徑參見(jiàn)圖2中的流動(dòng)曲線。由于發(fā)熱體和石英坩堝支持器均由石墨制成，這種排氣的路線方式，使得發(fā)熱體和石英坩堝支持器使用壽命大大降低。另外，由于氣流在晶體生長(zhǎng)室內(nèi)流向紊亂，使晶體的回熔次數(shù)增加。所說(shuō)的回熔是指硅晶體生長(zhǎng)期間，當(dāng)其結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)缺陷時(shí)，將晶體重新熔化掉，并進(jìn)行再一次籽晶與熔體接觸，以便生長(zhǎng)無(wú)位錯(cuò)缺陷晶體的過(guò)程，這樣，必定增加了能耗、加大了生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是研制出控制直拉硅單晶爐熱場(chǎng)氣流的設(shè)備，使直拉硅單晶爐的熱場(chǎng)中的氣流控制方法得以實(shí)現(xiàn)。
用切克勞斯基(Czochralski)法拉制半導(dǎo)體硅單晶，是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熱知的，它是把石英坩堝16放入石英坩堝支持器14內(nèi)，將作原料的多晶硅裝入石英坩堝16內(nèi)，裝上特定晶向的籽晶，合上爐室并抽真空至6.5Pa-11Pa，加熱使多晶硅熔化，等硅完全熔化后，逐步降至硅的溫度至硅的熔點(diǎn)附近，使石英坩堝和籽晶反向旋轉(zhuǎn)，石英坩堝的旋轉(zhuǎn)速率為4rpm-15rpm，籽晶的旋轉(zhuǎn)速率為8rpm-30rpm，將硅籽晶慢慢下降，并與硅熔體接觸，后以0.8mm/min-5mm/min的速度向上提升籽晶。此過(guò)程的目的主要是清除籽晶中因熱沖擊形成的位錯(cuò)缺陷，待籽晶提升到一定長(zhǎng)度時(shí)(50mm-300mm)將提升速度減慢至0.4mm/min-0.6mm/min，同時(shí)降低熔體的溫度至1400℃--1418°，使籽晶直徑加大，當(dāng)籽晶直徑增大到比目標(biāo)直徑約低10mm-20mm時(shí)，增加提升速度至于1.27mm/min-2.50mm/min，使晶體近乎等直徑生長(zhǎng)，即所謂等徑生長(zhǎng)階段。在等徑生長(zhǎng)階段拉速一般為1.5mm/min左右，逐漸減小到0.6-0.8mm/min左右。在石英坩堝內(nèi)儲(chǔ)存的硅料不多時(shí)進(jìn)入收尾階段，拉速為0.6mm/min-1.2mm/min，同時(shí)適當(dāng)增加熱的功率，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)脫離硅熔體，這時(shí)晶體的生長(zhǎng)過(guò)程結(jié)束，等晶體冷卻至近乎室溫時(shí)，將晶體取下。所以生成的硅晶體棒是圓錐形物體，具有一個(gè)中心軸，一個(gè)籽晶端錐體和一個(gè)尾錐體，而兩個(gè)錐體之間是近于恒定直徑的圓柱體。
在硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程中爐內(nèi)是負(fù)壓狀態(tài)，必須不斷充入氬氣保護(hù)?，F(xiàn)有技術(shù)的切克勞斯基(直拉法)制造硅單晶的單晶爐如

圖1所示。生長(zhǎng)室(即爐室)內(nèi)的含有一氧化硅的氬氣氣體在真空泵的作用下，其流動(dòng)方式是從頂部經(jīng)二路(如圖2中的氬氣流動(dòng)方向2所示)，進(jìn)行流動(dòng)。一路經(jīng)硅熔體13的面上，石英坩堝支持器14(高純石墨制)，與石墨發(fā)熱體7之間流向排氣口9’，另一路經(jīng)硅熔體13的面上，通過(guò)石墨發(fā)熱體7與保溫筒17之間流向排氣口9’。由于石墨發(fā)熱體發(fā)熱，使石墨發(fā)熱體7和石英坩堝支持器14處于高溫下(約1500℃左右)，氬氣中的一氧化硅會(huì)與它們發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且反應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)，典型的時(shí)間為24小時(shí)，最長(zhǎng)可達(dá)48小時(shí)，其后果是石墨發(fā)熱體的電阻增加了，且阻值不均勻，影響到硅晶體的缺陷生長(zhǎng)，不得不停止使用，使其壽命降低。對(duì)石英坩堝支持器的影響與上述相類似，在晶體生長(zhǎng)室內(nèi)的氣體的腐蝕下，石英坩堝支持器(高純石墨制)的導(dǎo)熱性能大大降低而且形變嚴(yán)重，使用次數(shù)大大降低，也降低了應(yīng)用壽命，另外，氣體反應(yīng)所產(chǎn)生的顆粒在晶體生長(zhǎng)時(shí)易脫落，引起晶體回熔次數(shù)增加，為此研究人員進(jìn)行了大量的研究工作研究出了一種氣流的控制方法及控制裝置。
本發(fā)明的一種直拉硅單晶爐熱場(chǎng)的氣流控制方法，在單晶爐晶體生長(zhǎng)室內(nèi)的石墨發(fā)熱體和保溫筒間裝有密封導(dǎo)氣裝置，密封導(dǎo)氣裝置的導(dǎo)氣管20上端口位于石墨發(fā)熱體的上端部位，含有一氧化硅的氬氣氣體流經(jīng)導(dǎo)氣管的上端口及與導(dǎo)氣管下端口相連的排氣口9，在真空泵的作用下排出爐外。
這樣使含有一氧化硅的氬氣氣流得以控制，改變了含有一氧化硅的氬氣氣體流動(dòng)路線，避免了含有一氧化硅的氬氣氣體與發(fā)熱體和石英坩堝支持器流動(dòng)接觸，減少甚至不發(fā)生化學(xué)反方應(yīng)，減少或不發(fā)生腐蝕，使石墨發(fā)熱體和石英坩堝支持器的壽命提高。氣體的規(guī)則流動(dòng)防止了不良顆粒在生長(zhǎng)室部件下的形成及附著，使晶體的回熔次數(shù)減少。又使氣流在晶體生長(zhǎng)室內(nèi)流向不紊亂。安裝有密封導(dǎo)氣裝置氣流的流動(dòng)方向如圖3所示。
為了更好的控制含有一氧化硅的氬氣氣流的流動(dòng)方向，爐內(nèi)含有一氧化硅的氬氣氣體的壓力保持在1.3×103-1.3×104Pa為宜。
本發(fā)明的用于控制直拉硅單晶爐熱場(chǎng)氣流的密封導(dǎo)氣裝置，包括導(dǎo)氣管20、底座18、密封環(huán)19、排氣口9，導(dǎo)氣管20的外壁與底座18的臺(tái)階21相連，導(dǎo)氣管20的內(nèi)壁與密封環(huán)19的臺(tái)階22相連，底座18置于密封環(huán)19上，密封環(huán)19置于排氣口9的壁上，排氣口9的上端口與導(dǎo)氣管20的下端口相連通，見(jiàn)圖3、圖4。
為了更好地控制氣流的流動(dòng)方向，導(dǎo)氣管20的外壁上端比導(dǎo)氣管內(nèi)壁的上端高出10mm-300mm為佳。導(dǎo)氣管20的內(nèi)外壁之間的距離為2-15mm。
保溫筒17和導(dǎo)氣管20由高純石墨或碳纖維(CFC)制成，底座18，密封環(huán)19，石英坩堝支持器14，排氣口9，上蓋4均用高純石墨制成。碳保溫材料5、碳保溫層12由疏松的石墨構(gòu)成，防漏盤10也由疏松石墨構(gòu)成。
本發(fā)明的用于控制直拉硅單晶爐熱場(chǎng)氣流的控制方法及其裝置的優(yōu)點(diǎn)在于1.由于利用了本發(fā)明的直拉硅單晶爐熱場(chǎng)氣流的控制方法，控制硅晶體生長(zhǎng)室中氣體的流動(dòng)方式，使得發(fā)熱體的使用壽命提高，低的為80個(gè)晶體生長(zhǎng)周期，平均97晶體生長(zhǎng)周期，最好150個(gè)晶體生長(zhǎng)周期。石英坩堝支持器的使用壽命得以提高，石英坩堝支持器的使用壽命低的為20個(gè)晶體生長(zhǎng)周期，平均27個(gè)晶體生長(zhǎng)周期，最好34個(gè)晶體生長(zhǎng)周期。使晶體回熔次數(shù)降低，晶體回熔的次數(shù)一般的為0.5次，平均1次，最差為3次；而用現(xiàn)有技術(shù)的硅晶體生長(zhǎng)室中氣體的流動(dòng)方式，發(fā)熱體的使用壽命低的為40個(gè)晶體生長(zhǎng)周期，平均50個(gè)晶體生長(zhǎng)周期，最好為64個(gè)晶體生長(zhǎng)周期，石英坩堝支持器的壽命低的為12個(gè)晶體生長(zhǎng)周期，平均14個(gè)晶體生長(zhǎng)周期，最好為16個(gè)晶體生長(zhǎng)周期，晶體回熔次數(shù)一般的為1次，平均2次，最差6次。所以利用本發(fā)明的技術(shù)方案及其裝置，降低了原材料及電能的消耗、降低了生產(chǎn)成本，增加了單位時(shí)間內(nèi)單晶硅的產(chǎn)量。
2.本發(fā)明的用于控制直拉硅單晶爐熱場(chǎng)氣流的密封導(dǎo)氣裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原料易得，在使用中產(chǎn)生優(yōu)良的技術(shù)效果圖2現(xiàn)有技術(shù)硅晶體生長(zhǎng)室中氣體流動(dòng)示意圖，圖中，1為籽晶，2為氬氣流動(dòng)方向，3為硅單晶棒、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為石英坩堝支持器，16為石英坩堝、17為保溫筒、18為底座。
圖3增加密封導(dǎo)氣裝置后硅晶體生長(zhǎng)室中氣體流動(dòng)示8意圖。圖中，1為籽晶，2為氬氣流動(dòng)方向，3為硅單晶棒、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為石英坩堝支持器，15為密封導(dǎo)氣裝置，16為石英坩堝、17為保溫筒、18為底座、19為密封環(huán)。
圖4安裝在硅晶體生長(zhǎng)室內(nèi)密封導(dǎo)氣裝置15的剖面結(jié)構(gòu)圖，圖中，9為排氣口、18為底座、19為密封環(huán)、20為導(dǎo)氣管、21為底座上的臺(tái)階、22為密封環(huán)上的臺(tái)階、23為不銹鋼制成的支撐角。
在硅單晶的生長(zhǎng)過(guò)程中爐內(nèi)是負(fù)壓狀態(tài)，不斷充入氬氣，在單晶爐晶體生長(zhǎng)室內(nèi)石墨發(fā)熱體和保溫筒之間裝有密封導(dǎo)氣裝置，密封導(dǎo)氣裝置的導(dǎo)氣管上端口位于石墨發(fā)熱體的上端部位，使含有一氧化硅的氬氣氣體流經(jīng)導(dǎo)氣管上端口及與導(dǎo)氣管下端口相連通的排氣口9，在真空泵的作用下排出爐外，在拉制硅單晶的過(guò)程中使?fàn)t內(nèi)的含有一氧化硅氬氣氣體的壓力保持在2。66×103Pa。所用的導(dǎo)氣管20的外壁上端比導(dǎo)氣管內(nèi)壁上端高出50mm，導(dǎo)氣管的內(nèi)外壁之間的距離為8.5mm，發(fā)熱體壽命為101個(gè)晶體生長(zhǎng)周期，石英坩堝支持器的使用壽命為31個(gè)晶體生長(zhǎng)周期，晶體回熔的次數(shù)為1次。本實(shí)施例是基于CG6000生長(zhǎng)爐生長(zhǎng)直徑Φ150mm晶體時(shí)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
比較實(shí)施例A其操作方法基本同實(shí)施例1，唯不同的是使用的設(shè)備如圖2所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)熱體使用壽命為51個(gè)晶體生長(zhǎng)周期，石英坩堝支持器的使用壽命為13個(gè)晶體生長(zhǎng)周期，晶體回熔次數(shù)為3次。
比較實(shí)施例B其操場(chǎng)作方法基本同實(shí)施例3，唯不同的是使用的設(shè)備如圖2所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明石墨發(fā)熱體的使用壽命43次，石英坩堝支持器的使用壽命13次，晶體回熔次數(shù)為5次。
比較實(shí)施例C其操作方法基本同實(shí)施例4，唯不同的是使用的設(shè)備如圖2所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明石墨發(fā)熱體的使用壽命64個(gè)晶體生長(zhǎng)周期，石英坩堝支持器的使用壽命16個(gè)晶體生長(zhǎng)周期，晶體回收率次數(shù)為1.1次。
權(quán)利要求
1.一種直拉硅單晶爐熱場(chǎng)的氣流控制方法，其特征是，在單晶爐晶體生長(zhǎng)室內(nèi)的石墨發(fā)熱體和保溫筒之間裝有密封導(dǎo)氣裝置，密封導(dǎo)氣裝置的導(dǎo)氣管上端口位于石墨發(fā)熱體的上端部位，含有一氧化硅的氬氣氣體流經(jīng)導(dǎo)氣管的上端口及與導(dǎo)氣管下端口相連的排氣口(9)，在真空泵的作用下，排出爐外。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種直拉硅單晶爐熱場(chǎng)的氣流控制方法，其特征是，爐內(nèi)含有一氧化硅的氬氣氣體的壓力保持在1.3×103-1.3×104Pa。
3.一種用于控制直拉硅單晶爐熱場(chǎng)氣流的密封導(dǎo)氣裝置，其特征是，包括導(dǎo)氣管(20)、底座(18)、密封環(huán)(19)、排氣口(9)，導(dǎo)氣管(20)的外壁與底座(18)的臺(tái)階(21)相連，導(dǎo)氣管(20)的內(nèi)壁與密封環(huán)(19)的臺(tái)階(22)相連，底座(18)置于密封環(huán)(19)上，密封環(huán)(19)置于排氣口(9)的壁上，排氣口(9)的上端口與導(dǎo)氣管(20)的下端口相連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的一種用于控制直拉硅單晶爐熱場(chǎng)氣流的密封導(dǎo)氣裝置，其特征是，導(dǎo)氣管(20)的外壁上端比導(dǎo)氣管(20)的內(nèi)壁的上端高出10mm-300mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3、4其中之一的一種用于控制直拉硅單晶爐熱場(chǎng)氣流的密封裝置，其特征是，導(dǎo)氣管(20)的內(nèi)、外壁之間的距離為2-15mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及自熔融液提拉法的單晶生長(zhǎng)中氣流的控制方法及裝置，是直拉硅單晶爐熱場(chǎng)的氣流控制方法及裝置，解決了晶體生長(zhǎng)室中含有一氧化硅的氬氣氣流的控制問(wèn)題。在單晶爐晶體生長(zhǎng)室內(nèi)的石墨發(fā)熱體和保溫筒間裝有密封導(dǎo)氣裝置，使含有一氧化硅的氬氣氣體的氣流經(jīng)密封導(dǎo)氣裝置的導(dǎo)氣管及排氣口，在真空泵的作用下，排出爐外。密封導(dǎo)氣管裝置由導(dǎo)氣管、底座、密封環(huán)、排氣口所組成，安裝在石墨發(fā)熱體和保溫筒之間。由于控制了硅晶體生長(zhǎng)室中氣體的流動(dòng)方式，延長(zhǎng)了石墨發(fā)熱體，石英坩堝支持器的使用壽命，減少了晶體的回熔次數(shù)，降低了原材料及電能的消耗，降低了生產(chǎn)成本，增加了單位時(shí)間內(nèi)單晶硅的產(chǎn)量。
文檔編號(hào)C30B27/00GK1412353SQ0113656
公開(kāi)日2003年4月23日 申請(qǐng)日期2001年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月18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