專利名稱：硅單晶生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅單晶生產(chǎn)方法。更特定言之，本發(fā)明涉及基于恰克拉斯基方法 (Czochralski method)(下文稱為“CZ方法”)的硅單晶生產(chǎn)方法，該方法可在從硅熔體的分離處理過程中防止出現(xiàn)位錯，進(jìn)而改善生產(chǎn)的硅單晶分離表面的形狀。
背景技術(shù)：
CZ方法包括以下步驟，即在坩堝中加熱原料多晶硅以生產(chǎn)原料熔體、將晶種浸沒在原料熔體中以及最終通過逐漸回繞附接至晶種的線而提升生產(chǎn)好的硅單晶。該方法進(jìn)一步包括生長出具有逐漸延伸錐體直徑的錐形區(qū)域(亦即延伸直徑區(qū)域)，該區(qū)域從與晶種的接觸表面伸展；接著，當(dāng)晶體直徑達(dá)到目標(biāo)直徑時，生長直體區(qū)域 (亦即恒定直徑區(qū)域)。當(dāng)直體區(qū)域長度到達(dá)預(yù)定長度時，硅單晶最終從原料熔體分離。在傳統(tǒng)生產(chǎn)方法中，從原料熔體分離硅單晶的步驟往往會導(dǎo)致在硅單晶下端發(fā)生突然的溫降，所述下端是從硅熔體分離的表面。由于在被提升后在硅單晶內(nèi)出現(xiàn)了滑移位錯，這可能會導(dǎo)致顯著的結(jié)晶率減小。作為對此的對策，傳統(tǒng)生產(chǎn)方法進(jìn)一步包括以下步驟，即在直體區(qū)域生長后使硅單晶的直徑逐漸變窄，以使得在從原料熔體分離硅單晶之前，硅單晶與原料熔體之間的接觸表面將足夠小而避免出現(xiàn)位錯。此變窄區(qū)域通常稱為尾部區(qū)域。然而，已知尾部區(qū)域會導(dǎo)致產(chǎn)率比降低，因?yàn)槠渚w直徑會小于所需值，因此該區(qū)域不會被認(rèn)為是產(chǎn)品。因此，生產(chǎn)尾部區(qū)域的步驟應(yīng)優(yōu)選被減少或甚至省略，從而增大硅單晶的產(chǎn)量。已存在眾多用于減少或省略尾部區(qū)域生成步驟的技術(shù)，其中之一包括以下步驟， 即在直體區(qū)域生長后，以與硅單晶相同的提升速度提升容納原料熔體的坩堝，并且使得硅單晶底面向下突出，還相應(yīng)地在從原料熔體分離硅單晶的過程中抑制發(fā)生位錯(參見第 2007-176761號日本專利申請公開案)。近年來，硅晶片直徑變得越來越大，300毫米晶片現(xiàn)在是主要產(chǎn)品。具有較大直徑的硅單晶生產(chǎn)通常由于硅熔體的增大重量，而涉及坩鍋內(nèi)加強(qiáng)的自然對流，這往往會導(dǎo)致硅單晶位錯和變形。因此，出于抑制位錯和變形的目的，已開發(fā)多種方法來通過向硅熔體施加水平磁場而控制自然對流。然而，與不存在水平磁場的情況相比，水平磁場的應(yīng)用會負(fù)面導(dǎo)致硅單晶中心和相界外圍之間減小的溫差，這可防止硅單晶在相界上形成向下凸起的形狀，并因而破壞對尾部區(qū)域的省略，該省略意欲在從熔體分離硅單晶的過程中抑制出現(xiàn)位錯，同時實(shí)現(xiàn)抑制直體區(qū)域中的位錯和變形。為了解決上述問題，本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行了深入的研究，并且找到一種生產(chǎn)方法， 其允許硅單晶與熔體面對的整個生長正面轉(zhuǎn)變?yōu)樵谂c硅單晶提升方向相反的方向上突出的凸起形狀，甚至在水平磁場影響下也是如此。當(dāng)發(fā)明人認(rèn)識到，在轉(zhuǎn)變?yōu)橥蛊鹦螤詈髲娜垠w分離硅單晶可抑制位錯，并成功省
3略尾部區(qū)域時，發(fā)明人最終獲得了本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明人進(jìn)行深入研究，特別是要尋求一種用以實(shí)現(xiàn)以高成功率從熔體分離硅單晶同時抑制和防止位錯的晶體生長方法。結(jié)果，發(fā)明人最終通過以下措施而實(shí)現(xiàn)了位錯抑制并成功省略了尾部區(qū)域，S卩在水平磁場影響下生長硅單晶的直體區(qū)域，水平磁場在其磁中心的磁通量密度等于或大于 1000高斯且等于或小于2000高斯；將硅單晶相對于熔體表面的相對提升速度降低至0毫米/分鐘，維持靜態(tài)直至硅單晶的視重量/表觀重量(apparent weight)降低為止；進(jìn)一步維持靜態(tài)，以使得硅單晶面向熔體的整個生長正面將形成凸起形狀，該凸起形狀在與硅單晶提升方向相反的方向上突出；并且最終將所述硅單晶從熔體分離。本發(fā)明通過在水平磁場影響下提升所生產(chǎn)的硅單晶，而允許適當(dāng)控制熔體中的自然對流，并因而抑制了直體區(qū)域中的變形和位錯，該水平磁場在其磁中心處的磁通量密度等于或大于1000高斯并等于或小于2000高斯。本發(fā)明也通過中止硅單晶相對于硅熔體表面的運(yùn)動，直至它的視重量降低為止， 并維持靜態(tài)以使得硅單晶的整個生長面形成在與硅單晶提升方向相反的方向上突出的凸起形狀，而允許抑制位錯并因此成功省略了尾部區(qū)域。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的硅單晶生產(chǎn)設(shè)備的示意圖。圖2是展示根據(jù)該實(shí)施例的硅單晶的生產(chǎn)方法的流程圖。圖3是展示硅單晶生長正面的形狀變化的部分放大示意圖。圖4是展示其尾部區(qū)域未能被省略的硅單晶生長正面的一個實(shí)例的圖。圖5是展示其尾部區(qū)域已成功省略的硅單晶生長正面的一個實(shí)例的圖。
具體實(shí)施例方式下文將參照附圖描述本發(fā)明的一個實(shí)施例。參照圖1，根據(jù)本實(shí)施例的硅單晶生產(chǎn)設(shè)備100基于CZ方法生產(chǎn)硅單晶2。硅單晶生產(chǎn)設(shè)備100包括用于容納熔體32的坩堝 30，不僅提升/下降并旋轉(zhuǎn)硅單晶2而且還旋轉(zhuǎn)坩堝30的驅(qū)動單元10，以及用于產(chǎn)生可施加至熔體32的磁場的磁場產(chǎn)生單元50。硅單晶生產(chǎn)設(shè)備100還包括控制器1，該控制器不僅用以控制由驅(qū)動單元10驅(qū)動的硅單晶2的提升運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)以及坩堝30的旋轉(zhuǎn)，而且還用以控制由磁場產(chǎn)生單元50所產(chǎn)生的水平磁場。硅單晶生產(chǎn)設(shè)備100還包括用以容納坩堝30和硅單晶2的腔室20、沿坩堝30之側(cè)壁設(shè)置的加熱器42、設(shè)置在坩堝30下方的加熱器44、以及附接至腔室20側(cè)壁和底部的熱絕緣體沈。硅單晶生產(chǎn)設(shè)備100包括從腔室20頂部懸吊的線3、用以測量硅單晶2的視重量(apparent weight)的重量測量單元5，以及附接至線3梢部以保持晶種8的夾持器6。重量測量單元5通常是負(fù)載傳感器。視重量通過從硅單晶2的毛重量減去熔體32的浮力計算而得。硅單晶生產(chǎn)設(shè)備100還包括用以吸入惰性氣體的腔室20之氣體入口 22、從腔室 20排放惰性氣體的氣體出口 M以及用以校正惰性氣體流動的校正氣缸60。惰性氣體通常是M1氣ο熔體32是原料多晶硅的熔體。坩堝30通常由人造石英玻璃制成。坩堝30的基部與用以支撐坩堝30的軸34連接。校正氣缸60定位在坩堝30上方且大體上形成圓形截錐。驅(qū)動單元10包括用以卷攏/卷松線3的卷繞器12以及用以旋轉(zhuǎn)坩堝30的坩堝驅(qū)動器14。卷繞器12能夠同時回繞并軸向轉(zhuǎn)動線3。軸34連接至坩堝驅(qū)動器14，且坩堝30 可通過坩堝驅(qū)動器14經(jīng)由軸34旋轉(zhuǎn)。磁場產(chǎn)生單元50包括一對線圈52。這一對線圈52設(shè)置在腔室20外部以夾住腔室20。線圈52產(chǎn)生的水平磁場的磁中心L2大體上垂直于硅單晶2的中心軸Li。磁場產(chǎn)生單元50能夠沿著硅單晶2的中心軸Ll向上、向下移動，這樣，磁中心L2 的位置將沿著硅單晶2的中心軸Ll轉(zhuǎn)移。控制器1與卷繞器12、加熱器42和44、坩堝驅(qū)動器14以及磁場產(chǎn)生單元50電子連接。控制器1能夠通過卷繞器12控制線3的回繞速度、線3的旋轉(zhuǎn)方向以及線3的旋轉(zhuǎn)速度，也就是硅單晶2的提升速度、硅單晶2的旋轉(zhuǎn)方向以及硅單晶2的旋轉(zhuǎn)速度?？刂破?也能夠通過坩堝驅(qū)動器14控制坩堝30的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度?？刂破?也能夠控制線圈52沿著硅單晶2的中心軸Ll的位置，也就是水平磁場的磁中心L2的位置?？刂破?也能夠控制在水平磁場磁中心L2處的磁通量密度，以使得它等于或大于 1000高斯，并等于或小于2000高斯?？刂破?也能夠控制加熱器42、44的輸出功率，并通過調(diào)節(jié)加熱器42的輸出功率且使加熱器44的輸出功率保持恒定，來控制熔體32的溫度?？刂破?與重量測量單元5電子連接，并且能夠監(jiān)控硅單晶2的視重量?？刂破?主要包括CPU和存儲裝置，并且能夠?qū)⒄麄€硅單晶生產(chǎn)設(shè)備100的系統(tǒng)操作存入存儲裝置中?？刂破?通常是PC或EWS (工程工作站)。下文描述的硅單晶生產(chǎn)方法可通過用以控制每個單元操作的控制器1來實(shí)施。下文描述根據(jù)本實(shí)施例硅單晶的生產(chǎn)方法。參照圖2，根據(jù)本實(shí)施例的生產(chǎn)方法是基于CZ方法生產(chǎn)硅單晶，并且包括在腔室 20中形成惰性氣體氛圍的惰性氣體填充步驟Sl ；生成熔體32的熔體生成步驟S2 ；以及生長硅單晶2直體區(qū)域4的直體區(qū)域生長步驟S3 (或步驟(1))。所述生產(chǎn)方法還包括中止步驟S4 (或步驟( )；第一靜態(tài)維持步驟S5 (或步驟( )；第二靜態(tài)維持步驟S6 (或步驟 (4))；以及從熔體32分離硅單晶2的分離步驟S7 (或步驟( )，所有這些步驟都欲省略硅單晶的尾部區(qū)域。惰性氣體填充步驟Sl也包括以下步驟，即密封腔室20，使用真空泵(未圖示)通過氣體入口 22吸入惰性氣體，同時通過氣體出口 M排空腔室20，從而在腔室20內(nèi)形成惰性氣體氛圍。腔室20內(nèi)的惰性氣體氛圍由在之后步驟中進(jìn)入腔室20內(nèi)的惰性氣體流維持。在惰性氣體填充步驟Sl之后的熔體生成步驟S2包括通過使用加熱器42、44熔化注入坩堝30內(nèi)的原料而生成熔體32的步驟。在熔體生成步驟S2之后的直體區(qū)域生長步驟S3包括以下步驟，即通過使用卷線器12下降晶種8以使它浸在熔體表面下而生長硅單晶2的直體區(qū)域4，并在施加至熔體32 的水平磁場影響下使用卷繞器12從熔體32提升硅單晶2，所述水平磁場在其磁中心L2處具有等于或大于1000高斯并且等于或小于2000高斯的磁通量密度。硅單晶2和坩堝30沿彼此相反的方向軸向旋轉(zhuǎn)。硅單晶2的直體區(qū)域4是圓柱形部分，其沿與硅單晶2的中心軸Ll平行的方向具有幾乎恒定的直徑。直體區(qū)域生長步驟S3包括，當(dāng)在形成錐形區(qū)域后硅單晶直徑達(dá)到預(yù)定值時，生長直體區(qū)域4的步驟。在直體區(qū)域生長步驟S3之后的中止步驟S4包括，在坩堝30的向上和向下運(yùn)動中止的狀態(tài)下，將硅單晶2的提升速度減少為0毫米/分鐘的步驟。在中止步驟S4之后的第一靜態(tài)維持步驟S5包括以下步驟，維持硅單晶2的提升速度保持為0毫米/分鐘的靜態(tài)直至重量測量單元5測量到的硅單晶2的視重量降低。在第一靜態(tài)維持步驟S5之后的第二靜態(tài)維持步驟S6包括以下步驟，持續(xù)維持靜態(tài)，以使得與熔體32表面面對的硅單晶2的整個生長正面形成凸起形狀，該凸起形狀沿與硅單晶2被拉動的提升方向相反的方向突出(下文簡稱為“向下凸起的形狀”)。像直體區(qū)域生長步驟S3那樣，在施加至熔體32的水平磁場影響下，執(zhí)行中止步驟 S4、第一靜態(tài)維持步驟S5和第二靜態(tài)維持步驟S6，所述水平磁場具有等于或大于1000高斯且等于或小于2000高斯的磁通量密度。除本實(shí)施例以外，中止步驟S4、第一靜態(tài)維持步驟S5和第二靜態(tài)維持步驟S6也可包括以下步驟，即切斷水平磁場，但是這可能會導(dǎo)致熔體32中的流變化，且它可導(dǎo)致位錯。在本實(shí)施例中，中止步驟S4、第一靜態(tài)維持步驟S5和第二靜態(tài)維持步驟S6應(yīng)優(yōu)選包括連續(xù)施加水平磁場，從而相應(yīng)地防止位錯。中止步驟S4、第一靜態(tài)維持步驟S5和第二靜態(tài)維持步驟S6也包括使硅單晶2和坩堝30沿彼此相反的方向軸向旋轉(zhuǎn)。在第二靜態(tài)維持步驟S6之后的分離步驟S7包括，通過中止線3的回繞并降低坩堝30，而從熔體32分離硅單晶2。參照圖3，下文將描述從直體區(qū)域生長步驟S3到分離步驟S7的硅單晶2之生長正面7的形狀變化。如圖3 (A)所示，在直體區(qū)域生長步驟S3中，硅單晶2的生長正面7形成凸起形狀， 該凸起形狀沿與硅單晶的提升方向平行的方向突出(下文簡稱為“向上凸起的形狀”)。如圖3(B)所示，在中止步驟S4中，當(dāng)硅單晶2的提升速度到達(dá)0毫米/分時，生長正面7開始沿與硅單晶的提升方向相反的方向生長。如圖3(B)和圖3(C)所示，生長正面7的向上凸起的形狀逐漸減小而變得大體平坦，也就是說，在第一靜態(tài)維持步驟S5中，生長正面7大體上與熔體32的流體表面9對齊。生長正面7接著轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳峦蛊鸬男螤?，且結(jié)束時定位在流體表面9下。硅單晶2不受熔體32的浮力影響，且其視重量隨著由硅單晶2的生長所引發(fā)的生長正面7的向上凸起形狀減少而逐漸增加，只要生長正面7定位在流體表面9上方即可。然而，假設(shè)硅單晶2是給定的，當(dāng)生長正面7轉(zhuǎn)變?yōu)榇ㄎ辉诹黧w表面9下方的向下凸起形狀時，熔體2的浮力及它的視重量開始降低。如圖3(D)所示，在第二靜態(tài)維持步驟S6中，由于所維持的靜態(tài)整個生長正面7轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳峦蛊鸬男螤睢Ｔ谒酱艌龅挠绊懴?，與不具備水平磁場的情況相比，整個生長正面更難以轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳峦蛊鸬男螤睿虼?，硅單?更易于在整個生長正面轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳峦蛊鸬男螤钪皬娜垠w32分離。因此，很重要的是，在第一靜態(tài)維持步驟S5及第二靜態(tài)維持步驟S6中，整個生長正面7變?yōu)橄蛳峦蛊鸬男螤?。下文描述根?jù)上述硅單晶生產(chǎn)方法的硅單晶實(shí)際生產(chǎn)的實(shí)例1和2以及比較實(shí)例 1-4。在實(shí)例1、2以及比較實(shí)例1-4中，240千克原料注入由人造石英玻璃制成的坩堝 30，腔室20的內(nèi)壓降低至70毫巴。在實(shí)例1、2以及比較實(shí)例1-4的每個中，在具有相互不同的磁密度的施加至熔體 32的水平磁場影響下，生產(chǎn)硅單晶2。所生產(chǎn)的硅單晶2直徑是450毫米。在比較實(shí)例1和2中，磁通量密度設(shè)定為3000高斯，在比較實(shí)例3中為3800高斯， 且在比較實(shí)例4中為500高斯。另一方面，在實(shí)例1中磁通量密度設(shè)定為1000高斯，在實(shí)例2中為2000高斯。表1給出了實(shí)例1、2以及比較實(shí)例1-4中的結(jié)果。表1
原料重量(ICg)坩堝內(nèi)壓 (毫巴)磁通量密度(高斯)結(jié)果比較實(shí)例1240人造石英玻璃703000直體區(qū)域中出現(xiàn)變形或位錯比較實(shí)例2240人造石英玻璃703000未成功省略尾部區(qū)域比較實(shí)例3240人造石英玻璃703800直體區(qū)域中出現(xiàn)變形或位錯比較實(shí)例4240人造石英玻70500直體區(qū)域中出
權(quán)利要求
1. 一種基于恰克拉斯基方法的硅單晶生產(chǎn)方法，包括以下步驟(1)在對坩堝中容納的原料熔體施加的水平磁場影響下，通過提升所述硅單晶而生長出所述硅單晶的直體區(qū)域，所述水平磁場在其磁中心處具有等于或大于1000高斯且等于或小于2000高斯的磁通量密度；(2)在所述步驟(1)后，將所述硅單晶相對于所述熔體表面的相對提升速度降低至0毫米/分鐘；(3)在所述步驟( 后，維持所述硅單晶的相對提升速度保持為0毫米/分鐘的靜態(tài)直至所述硅單晶的視重量降低為止；(4)在所述步驟C3)后，進(jìn)一步維持所述靜態(tài)，以使得所述硅單晶面向所述熔體的整個生長正面形成凸起形狀，該凸起形狀在與所述硅單晶的提升方向相反的方向上突出；以及(5)在所述步驟(4)后，將所述硅單晶從所述熔體分離。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的硅單晶生產(chǎn)方法將允許抑制變形和位錯，還成功省略了尾部區(qū)域。硅單晶生產(chǎn)方法包括以下步驟，在水平磁場影響下生長硅單晶2的直體區(qū)域4，該水平磁場在其磁中心L2處的磁通量密度等于或大于1000高斯且等于或小于2000高斯，接著將硅單晶相對于熔體32的表面的相對提升速度降低至0毫米/分鐘，接著維持靜態(tài)直至硅單晶視重量降低為止，接著進(jìn)一步維持靜態(tài)，以使得硅單晶的整個生長正面將形成在與硅單晶提升方向相反的方向上突出的凸起形狀，且最終將硅單晶從熔體分離。
文檔編號C30B29/06GK102373504SQ20111022082
公開日2012年3月14日 申請日期2011年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月6日
發(fā)明者久府真一 申請人:硅電子股份公司