專利名稱：硅單晶制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按照切克勞斯基(Czochralski)單晶生長法(CZ)法制造大直徑硅單晶的裝置。
在大規(guī)模集成電路(LSI)的領(lǐng)域中，人們對硅單晶直徑的要求逐年增加?，F(xiàn)在，在最新式的裝置中已經(jīng)在使用6英寸直徑的硅單晶。據(jù)說將來可能有必要使用直徑為10英寸或更大的，例如12英寸的硅單晶。
按照切克勞斯基單晶生長法，硅單晶的制造方法可分為兩種一種是坩堝旋轉(zhuǎn)的方法，另一種是坩堝不旋轉(zhuǎn)的方法?，F(xiàn)在，在大規(guī)模集成電路領(lǐng)域中所采用的制造硅單晶的CZ法，全部都是使坩堝與硅單晶按照相反的方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，在坩堝的周圍安裝有電阻加熱元件以對坩堝進(jìn)行加熱。盡管已經(jīng)做過很多試驗(yàn)，但是迄今為止，還沒有采用坩堝不旋轉(zhuǎn)的方法或者除上述加熱方式以外的加熱方式制出過直徑在5英寸以上的硅單晶?？赡茉诮窈笠仓撇怀鰜?。其理由是，如果采用坩堝不旋轉(zhuǎn)的方法，電磁誘導(dǎo)加熱法以及在坩堝底部用電阻加熱元件來加熱的方法，就不能獲得對硅單晶生長有利的完全是同心圓狀的溫度分布，而硅單晶的生長對溫度的分布是非常敏感的。
坩堝旋轉(zhuǎn)的CZ法(以下一般稱為CZ法)，由于使坩堝旋轉(zhuǎn)以及在坩堝的周圍安裝有電阻加熱元件，這樣在熔體中產(chǎn)生強(qiáng)烈的對流，因此使熔體受到良好的攪拌。因此，最好是使用這種方法來控制大直徑的硅單晶，也就是說，按照該方法可以獲得對硅單晶來說完全是均勻的，且是同心圓狀的熔體表面的溫度分布。因此本發(fā)明的方法是以常規(guī)的CZ法為基礎(chǔ)。如上所述，常規(guī)的CZ法與其他的CZ法相比，在熔體流動(dòng)的方式上有較大差異。這種差異導(dǎo)致了硅單晶生長過程的較大差異。因而，在上述的兩種方法中，加熱爐內(nèi)的零部件(例如加熱元件)的作用也有較大差異。對于硅單晶的控制工藝來說，這兩種方法的設(shè)計(jì)思想也是完全不同的。
在常規(guī)的CZ法中，隨著硅單晶的拉制過程，坩堝中的熔體量逐漸減少。因此，隨著硅單晶的拉制過程，硅單晶中摻雜劑的濃度逐漸增加，而氧的濃度逐漸降低。這樣，所獲單晶的性能，例如其電阻率沿著拉制的方向而不同。隨著大規(guī)模集成電路的高密度化，對硅單晶性能的要求一年比一年嚴(yán)格，因此，上述的問題必須予以解決。
作為解決這個(gè)問題的一種手段，已知有這樣一種方法(例如，特公昭40-10184，第1頁，第20-35行)，它是在常規(guī)的CZ法石英坩堝內(nèi)，用一個(gè)石英制的圓筒狀隔離元件把石英坩堝內(nèi)分隔成兩個(gè)區(qū)域，該隔離元件上具有一個(gè)可讓硅熔體通過的通孔，從所說隔離元件的外側(cè)不斷地供給顆粒狀硅原料，同時(shí)在所說隔離元件內(nèi)側(cè)不斷地拉制出圓柱狀的硅單晶。
正如特公昭62-241889(第2頁，第12-16行)所指出的那樣，上述方法的問題在于，在隔離元件的內(nèi)側(cè)，以隔離元件為起點(diǎn)，容易發(fā)生熔體凝固。其原因是用來制造隔離元件的石英一般都是象光學(xué)纖維那樣的透明的物質(zhì)。由于輻射作用而使熱量很容易從其中傳導(dǎo)出來。也就是說，硅熔體中的熱以光的形式從隔離元件內(nèi)部向上傳導(dǎo)，并從隔離元件露出熔體表面處向上輻射。因此在隔離元件近旁點(diǎn)，熔體的溫度明顯地降低。另外，在常規(guī)的CZ法中，由于熔體受到強(qiáng)烈的攪拌，故可使熔體的表面溫度均勻，而且保持稍高于凝固點(diǎn)的溫度，由于上述兩個(gè)主要原因，使得在與重疊的隔離元件相接觸的熔體表面處極易發(fā)生凝固現(xiàn)象。為避免這一問題，特開昭62-241889中提出了一種不使用隔離元件的方法。但此方法中，原料熔化區(qū)域狹小，對顆粒狀硅原料的熔人能力很小，因而無實(shí)用性。
特開平1-153589中公開了一種既使用隔離元件同時(shí)又能防止發(fā)生凝固現(xiàn)象的方法。這份公開的文獻(xiàn)提出使用一種熱遮蔽體將隔離元件完全覆蓋住。按照這種方法可以阻擋來自隔離元件的熱輻射，因此也就防止了以隔離元件為起點(diǎn)的凝固現(xiàn)象。
但是，由于在電阻加熱元件與硅單晶之間存在熱遮蔽體，因此使得電阻加熱元件對硅單晶的保溫效果大幅度地降低。也就是說，硅單晶有冷卻的傾向。這樣就使得硅單晶內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力增大，并且由凍結(jié)產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷會使對半導(dǎo)體不利的微小缺陷增多，因此難以拉制得穩(wěn)定而質(zhì)優(yōu)的硅單晶。
鑒于上述的種種情況，本發(fā)明提供了這樣一種制造硅單晶的裝置，該裝置能夠防止從上述隔離元件的彎液面處發(fā)生凝固現(xiàn)象，并且可在拉制過程中使硅單晶周圍的氣氛溫度保持適中，因此能夠拉制出不發(fā)生轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的穩(wěn)定的硅單晶。
本發(fā)明的硅單晶制造裝置包括內(nèi)裝硅熔體的旋轉(zhuǎn)式石英坩堝;處于該石英坩堝周圍的用于加熱的電阻加熱元件;處于上述石英坩堝內(nèi)并將硅熔體分隔成單晶拉制區(qū)域和原料熔化區(qū)域的隔離元件，該隔離元件由含有氣泡的石英材料制成，隔離元件上開有小孔，該小孔可讓硅熔體從其中通過從而由原料熔化區(qū)域平穩(wěn)地流向單晶拉制區(qū)域;向上述原料熔化區(qū)域供給粒狀硅原料的原料供給裝置;從單晶拉制區(qū)域把硅單晶向上提拉的提升裝置;以及在上述單晶拉制區(qū)域熔體表面上方且處于上述隔離元件的圓周內(nèi)表面與硅熔體表面相交處對面的熱遮蔽體，該熱遮蔽體可以抑制來自所說相交處的熱輻射。
本發(fā)明的重要構(gòu)成部分是在隔離元件的彎液面位置的近旁點(diǎn)設(shè)置一個(gè)熱遮蔽體，及所用的隔離元件采用含氣泡的石英材料制成。
這樣的裝置可以既不損失電阻加熱元件對硅單晶的保溫效果，同時(shí)該熱遮蔽體對來自隔離元件的熱輻射又有很好的抑制效果，因而很適用。上述的方案可以把來自隔離元件的熱輻射限定于熔體表面的近旁點(diǎn)，并且根據(jù)實(shí)際的知識可知所說石英材料中的氣泡含量增加，有利于這種對輻射的限定作用。另外，氣泡含量增加，可以有效地降低所說隔離元件對熔體中熱量的傳導(dǎo)能力。石英材料含有氣泡時(shí)可以提高其效果，這是因?yàn)闅馀莺吭酱?，石英的透明度越低。其原因是?dāng)氣泡含量增加時(shí)，光(即熱輻射)被氣泡散射的機(jī)會就相應(yīng)增加，也就是說，石英材料的透明度越低，熔體中的輻射熱要傳導(dǎo)到隔離元件的上方就越困難。另外，由于抑制了熱量從熔體表面向上傳播，其結(jié)果是更增強(qiáng)了限定向外部輻射的場所于彎液面近旁點(diǎn)的這種趨勢。這樣，在把所說隔離元件的熱輻射位置限定于彎液面區(qū)域的情況下，就沒必要象特開平1-153589那樣，用熱遮蔽體來把隔離元件完全覆蓋住。只要把彎液面近旁點(diǎn)遮擋住，就可充分地發(fā)揮其遮擋熱輻射功能。這樣，把來自隔離元件處的熱輻射方向限定于朝向單晶拉制區(qū)域的方向，另外，還有熱量從電阻發(fā)熱元件傳向原料供應(yīng)區(qū)域，也就是說，從整體系統(tǒng)來看，熱量從原料供應(yīng)區(qū)域一側(cè)傳向單晶拉制區(qū)域，下面將對本發(fā)明的覆蓋方式與全面覆蓋方式進(jìn)行比較(參見圖7a、7b和圖8)。
圖7b中示出了在使用全面覆蓋的遮蔽體時(shí)單晶中的溫度分布情況，從圖中可看出，在遮蔽體的上部，曲線的分布變密，這就說明該部分受到急冷的作用。造成此結(jié)果的原因是由于遮蔽體遮擋了來自側(cè)面的電阻加熱元件的熱輻射。然而與此相反，圖7a中所示的情況表明，如果使用本發(fā)明的熱遮蔽體，則可讓來自側(cè)面電阻加熱元件的熱輻射從熱遮蔽體的上方通過并輻射入單晶中，因此單晶中的溫度分布是等間隔的。由于在硅單晶中受到急冷的這一部分的熱應(yīng)力增大，因此使得一些點(diǎn)缺陷被凍結(jié)下來，其結(jié)果導(dǎo)致了對半導(dǎo)體不利的微小缺陷增多。圖8中示出了遮蔽體的形狀與微小缺陷類的氧化誘導(dǎo)積層缺陷(OSF)的密度之間的關(guān)系，由于熱遮蔽體的上端完全阻擋了來自側(cè)面電阻元件加熱體的熱輻射，因此OSF密度上升。測定的結(jié)果表明，當(dāng)熱遮體的上端與熔體液面的距離l2超過100mm時(shí)，OSF密度增大。另外，采用全面覆蓋的遮蔽體，其OSF的密度也大。
關(guān)于熱遮蔽體的位置及其尺寸的考慮敘述如下關(guān)于熱遮蔽體的位置，從上述隔離元件的內(nèi)圓周表面與硅熔體液面的相交點(diǎn)向該熱遮蔽體寬度方向兩端引線形成一個(gè)仰角α，從該相交點(diǎn)到達(dá)熱遮蔽體下端的引線與熔體表面之間形成一個(gè)仰角β，這兩個(gè)角度之間的關(guān)系如下20°≤α≤80°，2°≤β≤60°并且，熱遮蔽體的上端與熔體表面之間的距離l2應(yīng)在100mm以下。較佳的情況是當(dāng)2°≤β≤30℃時(shí)，α≥60°-β
當(dāng)30°≤β≤50°時(shí)，α≥30°，并且，以50°＜β≤60°和α≥80°-β時(shí)為最好。
角度β的下限定為2°，因?yàn)槿绻∮诖酥?，則容易發(fā)生熱遮蔽體與熔體接觸的危險(xiǎn)，因而難以操作。熱遮蔽體的上端與熔體表面的距離l2的上限定為100mm，因?yàn)槿绻笥诖酥?，則熱遮蔽體對電阻加熱元件到達(dá)硅單晶的熱輻射所起的遮擋作用就會增加，也就是說，電阻加熱體對硅單晶的保溫作用減弱。熱遮蔽體對熱輻射的阻擋作用的強(qiáng)弱由上述相交點(diǎn)至熱遮蔽體寬度兩端所形成的仰角α與從該交點(diǎn)到熱遮蔽體下端的引線與熔體表面所形成的仰角β這兩個(gè)角度來決定。
只要阻止了從彎液面處的放熱作用，則基本上就可以防止在該處所發(fā)生的凝固現(xiàn)象?，F(xiàn)在已充分討論了用于遮擋來自彎液面處熱輻射的熱遮蔽體的立體角度。下面接著討論從彎液面位置到熱遮蔽體寬度兩端所形成的仰角α以及從彎液面位置至熱遮蔽體下端的引線與熔體表面所形成的仰角β與發(fā)生凝固現(xiàn)象之間的關(guān)系。
首先，由于熱遮蔽體是設(shè)置于硅單晶與坩堝內(nèi)壁之間，因此必須將角度(α+β)控制在82度以下，以防止熱遮蔽體與其他物體相接觸。另外，必須將角度β控制在2度以上，以防止熱遮蔽體與硅熔體相接觸，并且最好是使熱遮蔽體的下端與硅熔體表面的距離l1保持在5mm以上。
圖9中示出角度α、β與在彎液面處發(fā)生凝固現(xiàn)象之間的關(guān)系。
黑點(diǎn)表示在拉制單晶過程中在彎液面位置處發(fā)生凝固，而白點(diǎn)則表示沒有發(fā)生凝固現(xiàn)象。
首先，如果遮蔽體處于α小于20度的位置，則要發(fā)生凝固現(xiàn)象，即這樣對熱輻射的遮擋效果不十分好。
在α等于20度的情況下，如果β等于60度，可以防止凝固，如果β小于60度，則要發(fā)生凝固。
另外，當(dāng)α大于30度時(shí)，防止熱輻射的效果顯著，這時(shí)不管β角的數(shù)值多么小，也不會發(fā)生凝固。
這一現(xiàn)象可以從

圖10中所示的彎液面位置的溫度與α、β之間的關(guān)系得到說明。
也就是說，α越小，則彎液面的位置的溫度越低，并且β越小，則彎液面位置的溫度越低?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)α越小時(shí)，阻擋熱輻射的效果越差，而β越小時(shí)，朝向被水冷卻的腔室上蓋的熱輻射量越大，所以這時(shí)彎液面位置的溫度越低。
對圖9的結(jié)果進(jìn)行處理，可以將不引起凝固的α、β的條件敘述如下當(dāng)2°≤β≤30℃時(shí)，α≥60°-β當(dāng)30°≤β≤50°時(shí)，α≥30°當(dāng)50°＜β≤60°時(shí)，α≥80°-β。
另外，關(guān)于隔離元件的氣泡含量，最好是在0.01～15%的范圍內(nèi)。下限定為0.01%，這是因?yàn)樵诘陀诖藬?shù)值時(shí)，氣泡對降低透明度的作用太弱。也就是說，熔體中的熱可以通過隔離元件輻射出去。上限定為15%，這是因?yàn)樵诟哂诖藬?shù)值時(shí)，難以拉制出穩(wěn)定的硅單晶。其理由是隨著氣泡的增加，由于氣泡破裂而產(chǎn)生石英碎片的機(jī)會就相應(yīng)增加。當(dāng)熔體中存在氣泡時(shí)，對于硅單晶的拉制是十分有害的，甚至可以說是不可能的。石英中的氣泡是由于石英長時(shí)間地暴露于高溫低壓的環(huán)境下形成的。因此，上述的氣泡含量是指在硅單晶拉成時(shí)的數(shù)值。這個(gè)數(shù)值可以在硅單晶拉成后對坩堝進(jìn)行測定而獲得。
因此，使用氣含量為0.01～15%的石英制備的隔離元件，就可以有效地抑制來自隔離元件的熱輻射，特別是來自隔離元件彎液面附近的熱輻射。當(dāng)氣泡含量不到0.01時(shí)，抑制熱輻射效果過小。另外，當(dāng)氣泡的含量超過15%時(shí)，就存在從隔離元件上產(chǎn)生石英碎片以及這些碎片混入熔體中的危險(xiǎn)。如果能抑制來自上述隔離元件彎液面附近的熱輻射，就不必要用熱遮蔽體將隔離元件完全隔蓋住，只要將隔離元件的彎液面附近遮蓋住，即可達(dá)到防止凝固的目的。因此，由于來自硅熔體表面以及電阻加熱元件的熱輻射可以到達(dá)完全拉成后的硅單晶，這樣就可以防止上述硅單晶的過度冷卻，并因此可以減少硅單晶中的熱應(yīng)力。
本發(fā)明的熱遮蔽體做成圓筒狀。它的斷面形狀如圖4-a、4-b和4-c所示，除了可用象圖4-c所示的圓筒狀元件以外，象圖4-a所示的圓錐臺狀元件和圖4-b所示的，在一個(gè)圓筒的底部處附加了一個(gè)具有中心開孔的法蘭盤狀的元件也都適用。
較佳實(shí)施例下面將參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的解釋。
圖1是本實(shí)施例的硅單晶制造裝置的立剖圖，圖2是本實(shí)施例的熱遮蔽體的斜視圖，圖3是本實(shí)施例的熱遮蔽體的局部示意圖，另外，圖4-a、4-b和4-c是本發(fā)明實(shí)施例的熱遮蔽體形狀斷面圖，圖5是說明含氣泡的隔離元件的效果示意圖，圖6是本發(fā)明的熱遮蔽體的另一個(gè)實(shí)施例，圖7a和7b分別是說明在使用熱遮蔽體的場合(圖7a)和進(jìn)行完全遮蓋的場合(圖7b)硅單晶的溫度分布圖，圖8是說明熱遮蔽體上端到熔體表面的距離l2所產(chǎn)生影響作用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)圖，圖9是說明α、β與彎液面處發(fā)生凝固現(xiàn)象之間的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)圖，圖10是說明β與彎液面處的溫度之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)圖?，F(xiàn)在參看圖1和圖3，圖中，1中旋轉(zhuǎn)式石英坩堝，它裝在石墨坩堝2里面。石墨坩堝2由支架4支撐著。支架4與爐外的一個(gè)電動(dòng)機(jī)(圖中未示出)相連接，借此帶動(dòng)石墨坩堝2旋轉(zhuǎn)。7是裝在坩堝1內(nèi)的硅熔體，從該硅熔體中拉出的一根直徑5英寸以上的圓柱狀已長成的硅單晶5正在被向上提拉。3是圍繞石墨坩堝安裝的電阻加熱元件。以上是與按照切克勞斯基法的硅單晶制造裝置基本上相同之處。
8是處于坩堝內(nèi)并與坩堝同心圓地安裝的隔離元件，它由含氣泡的高純度石英玻璃制成。在隔離元件8上開有小孔10，硅熔體7通過該小孔流入單晶拉制區(qū)域B。在隔離元件8的下沿部分是坩堝1和預(yù)先熔化好的硅原料，在粒狀的硅原料熔化時(shí)，從外部供熱使其熔化，在原料熔化區(qū)域A中，高溫的硅熔體7通過所說的小孔流入單晶拉制區(qū)域B。
15是處于隔離元件8的朝單晶拉制區(qū)域B一側(cè)并與隔離元件同心圓安裝的熱遮蔽體，它對來自隔離元件8的朝向單晶拉制區(qū)域B一側(cè)的彎液面近旁點(diǎn)32的熱輻射32起抑制作用，因此防止了在彎液面處產(chǎn)生凝固物30。怕說的熱遮蔽體15可用碳制成，或者最好是用鉬或鉭等金屬制成，它借助圖2所示的懸垂棒20從腔室上蓋16往下吊著。另外，如圖6所示的一種熱遮蔽體，在其上裝有電極25，這樣，只要通入電流，該熱遮蔽體就可作為電阻加熱元件24來使用。而且，由于該電阻加熱體24的輸出功可以轉(zhuǎn)變成熱量，因而能更好地抑制熱輻射32。
19是用于懸掛與支持熱遮蔽體15的保溫元件，其安裝于保溫元件18的上面。使用保溫元件19有利于使原料熔解區(qū)域A的熔體保持較高的溫度。即使無電阻加熱元件24，這種支持方法也是很好的。14是原料供給裝置，關(guān)于原料熔化區(qū)域A的情況，這在于其具有一個(gè)開口，顆粒狀硅原料通過所說的原料供給裝置14供給原料熔解區(qū)域A。所說的原料供給裝置14與安裝于腔室上蓋16外部的原料供給室(圖中未示出)相連接，這樣就可以連續(xù)地供給顆粒狀硅原料。此外，還安裝有一個(gè)用于把硅單晶向上提拉的提升裝置，該裝置在圖中未示出。
現(xiàn)在對上述構(gòu)成本發(fā)明的實(shí)施例的硅單晶制造裝置，特別是對其中含氣泡的隔離元件8以及遮蔽體15的作用進(jìn)行解釋。圖5是上述隔離元件8的立剖圖，圖5a和圖5b分別示出了作為隔離元件用的透明石英玻璃21和含氣汽的石英玻璃22，并且還示出了氣泡所起的作用。
在圖5a和圖5b中，A和B分別表示圖1中的原料熔化區(qū)域和硅單晶拉制區(qū)域，而圖中的23表示氣泡。來自上述隔離元件8處的熱輻射被限定在熔體表面附近，而且，當(dāng)隔離元件8的石英材料中氣泡23的含量增加時(shí)，更能助長這種趨勢。當(dāng)氣泡含量增加時(shí)，可以有效地減弱隔離元件8將熔體中的熱量向上傳送的能力。含氣泡23的隔離元件8之所以能產(chǎn)生這樣的結(jié)果是因?yàn)闅馀莸暮吭酱?，石英的透明度越?氣泡的含量越大，光，即輻射熱被氣泡散射的機(jī)會就越多。也就是說，隔離元件的透明度越低，輻射熱從熔體中向上傳輸就越困難。另外，由于在熔體表面熱量向上傳播受到抑制，使得向外輻射熱量的部位被限定于彎液面近旁點(diǎn)。32的趨勢相應(yīng)增強(qiáng)。這樣，在把隔離元件的熱輻射位置限定于彎液面近旁點(diǎn)32的情況下，就沒必要象特開平1-153589中公開的那樣用熱遮蔽體把隔離元件完全遮蓋住。只要把彎液面附近32這一部位遮蓋住就能充分地發(fā)揮這種抑制機(jī)能。來自隔離元件8處的熱，它的輻射方向被限定在朝著單晶拉制區(qū)域B一側(cè)的方向，而來自電阻加熱3的熱輻射，則朝向原料熔化區(qū)域A一側(cè)。故從整體上說，熱量從A側(cè)朝向B側(cè)傳遞。
下面將參考圖3來解釋熱遮蔽體15的作用。圖3是將上述圖1中的熱遮蔽體15附近放大后給成的立剖圖。熱遮蔽體15的熱遮蔽作用的強(qiáng)弱取決于從彎液面近旁點(diǎn)32到熱遮蔽體15斷面兩端所形成的仰角α以及從上述交點(diǎn)向熱遮蔽體下端連線與熔體表面所形成的仰角β。關(guān)于所述α、β的較佳值以及熱遮蔽體的位置的限定可參見前面的敘述。
可用作熱遮蔽體15的材料有碳質(zhì)材料、碳化硅、氧化鋁等陶瓷材料，以及鉬、鉭等金屬材料。但是，從熱遮蔽體的效果和使用方便的觀點(diǎn)來考慮，以金屬材料最為適合。
如果通電熱遮蔽體15使其成為發(fā)熱元件，則安裝了這樣元件的裝置的效果更加明顯。也就是說，不管如何適當(dāng)調(diào)節(jié)裝置，也會保留不少熱遮蔽體15對射向硅單晶5熱輻射的遮擋作用，而采用上述通電的措施就可以完全防止這種遮擋作用。并且，這時(shí)熱遮蔽體對來自隔離元件8的熱輻射的抑制作用更為增強(qiáng)。
隔離元件8的氣泡含量最好在0.01～15%的范圍內(nèi)。下限定為0.01%，因?yàn)樵诖藬?shù)值以下，氣泡對降低透明度所起作用過于微弱，上限定為15%，因?yàn)楦哂诖藬?shù)值，難以拉制出穩(wěn)定的單晶。其理由是由于氣泡破裂而產(chǎn)生石英碎片的機(jī)會隨氣泡含量增加而增多。當(dāng)熔體中有氣泡存在時(shí)，對硅單晶的拉制極為不利，或者說是根本不可能的。石英中的氣泡是由于石英長時(shí)間地暴露于高溫低壓下而形成的。因此，上述的含量是指硅單晶拉制成時(shí)的數(shù)值。這一數(shù)值可對硅單晶拉制區(qū)域的坩堝進(jìn)行分析而獲得。
下面將以具體的數(shù)據(jù)來解釋關(guān)于拉制6英寸直徑的硅單晶的實(shí)施例。
圖4-a、4-b、4-c是熱遮蔽體15的斜視形狀的例子。與此有關(guān)的實(shí)施條件如下在熱遮蔽體15的形狀如圖4-a所示的場合，則所用熱遮蔽體的加工材料為厚度t1等于1mm的鉬板，l3＝380mm，l4＝320mm，l5＝20mm;安裝時(shí)使其下端與熔體表面的距離等于10mm;同時(shí)使用氣泡含量為0.5%(體積)的隔離元件。在熱遮蔽體15的形狀如圖4-b所示的情況，則所用熱遮蔽體的加工材料為厚度t2、t3皆等于0.5mm的鉬板，l6＝360mm、l7＝300mm、l8＝30mm;安裝時(shí)使其下端與熔體表面的距離等于20mm;同時(shí)使用氣泡含量為0.1%(體積)的隔離元件。在熱遮蔽體15的形狀如圖4-c所示的場合，則所用熱遮蔽體的加工材料為厚度t4等于7mm的石墨，上面涂覆有一層150μm的碳化硅涂層，l9＝50mm、l10＝360mm;安裝時(shí)使其下端下熔體表面的距離等于10mm;同時(shí)使用氣泡含量為1%，(體積)的隔離元件。
如果不是使用熱遮蔽體15，而是改用如圖6所示的電阻加熱元件24的場合，則所用電阻加熱元件的加工材料為厚度t4等于5mm的石墨，l9＝30mm、l10＝360mm;安裝時(shí)使其下端與熔體表面的距離等于20mm，同時(shí)使用氣泡含量為0.05%(體積)的隔離元件。
除了與熱遮蔽體有關(guān)的參數(shù)外，其他與拉制硅單晶有關(guān)的主要工藝條件皆采取如下相同的參數(shù)石英坩堝直徑20英寸，隔離元件直徑16英寸，坩堝旋轉(zhuǎn)速度10rpm(轉(zhuǎn)/分)，硅單晶旋轉(zhuǎn)速度20rpm(轉(zhuǎn)/分)，硅單晶提拉速度約1mm/分。
在所有實(shí)施例中，在隔離元件的彎液面近旁點(diǎn)皆未發(fā)生凝固現(xiàn)象，并且都能拉制出穩(wěn)定的硅單晶。
只要按照本發(fā)明的方法，在隔離元件彎液面位置近旁點(diǎn)對面安裝熱遮蔽體，并且使用含氣泡的石英材料作為隔離元件材料，則可防止前述的在隔離元件近發(fā)生凝固現(xiàn)象，同時(shí)在拉制過程中保持適宜的硅單晶周圍的氣氛溫度，這樣就可以拉制出不會發(fā)生熱應(yīng)力轉(zhuǎn)移的、穩(wěn)定的硅單晶。
權(quán)利要求
1.硅單晶制造裝置，該裝置包括一個(gè)內(nèi)裝硅熔體的旋轉(zhuǎn)型石英坩堝和安裝于所說石英坩堝周圍的電加熱元件，一個(gè)安裝于所說石英坩堝內(nèi)、由含氣泡的石英制成，并且其上開有小孔的隔離元件，該隔離元件將坩堝內(nèi)的硅熔體分隔為單晶拉制區(qū)域和原料熔化區(qū)域，所說的隔離元件上的小孔可讓硅熔體從原料熔化區(qū)域平緩地流向單晶拉制區(qū)域，一個(gè)可將顆粒狀硅原料供應(yīng)給上述原料熔化區(qū)域的原料供給裝置，以及一個(gè)從單晶拉制區(qū)域把硅單晶向上提拉的提升裝置；其特征在于在上述單晶拉制區(qū)域的液面上方，在該隔離元件的內(nèi)圓周面與硅熔體表面相交點(diǎn)的對面處，安裝有一個(gè)圓筒狀的熱遮蔽體，該熱遮蔽體可以抑制來自所說相交點(diǎn)的熱輻射。
2.如權(quán)利要求1的硅單晶制造裝置，其中所說的圓筒狀熱遮蔽體的形狀是圓錐臺狀。
3.如權(quán)利要求1的硅單晶制造裝置，其中所說的圓筒狀熱遮蔽體的形狀是在該圓筒的底面上設(shè)置一塊中心開孔的法蘭盤狀底板。
4.如權(quán)利要求1的硅單晶制造裝置，其中所說熱遮蔽體的安裝位置應(yīng)使得所說隔離元件的內(nèi)圓周面與硅熔體表面交點(diǎn)處和所說熱遮蔽體寬度兩端所形成的仰角α以及從該交點(diǎn)向熱遮蔽體下端的連線與硅熔體表面之間的仰角β的關(guān)系滿足下列條件(a)20°≤α≤80°(b)2°≤β≤60°(c)熱遮蔽體上端與硅熔體液面的距離l2符合于l2≤100mm。
5.如權(quán)利要求4的硅單晶制造裝置，其特征在于，其中的角度β符合于2°≤β≤30°，同時(shí)角度α符合于α≥60°-β。
6.如權(quán)利要求4的硅單晶制造裝置，其特征在于，當(dāng)所說的角度β符合于30°＜β≤50°時(shí)，角度α則符合于α＞30°。
7.如權(quán)利要求4的硅單晶制造裝置，其特征在于，當(dāng)所說的角度β符合于50°＜β≤60°時(shí)，角度α則符合于α≥80°-β。
8.如權(quán)利要求1的硅單晶制造裝置，其特征在于，其中所說的熱遮蔽體的材料是金屬。
9.如權(quán)利要求1的硅單晶制造裝置，其中所說的熱遮蔽體是一個(gè)電阻加熱元件。
10.如權(quán)利要求8的硅單晶制造裝置，其中所說的熱遮蔽體的金屬材料是鉬或鉭。
11.如權(quán)利要求9的硅單晶制造裝置，其中所說的電阻加熱元件可將其輸出功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊?br> 全文摘要
按照旋轉(zhuǎn)式切克勞斯基(CZ)單晶生長法制造大直徑硅單晶的裝置，該裝置可以提高原料利用率和生產(chǎn)效率。通常引起原料利用率和生產(chǎn)效率惡化的一個(gè)重要原因是在隔離元件的近旁點(diǎn)發(fā)生熔體凝固，為防止此問題，在熔體彎液面位置的對面設(shè)置一個(gè)具有特定位置及特定遮蔽寬度的熱遮蔽體，借此遮擋來自彎液面位置的熱輻射。
文檔編號C30B15/14GK1051595SQ9010912
公開日1991年5月22日 申請日期1990年10月16日 優(yōu)先權(quán)日1989年10月16日
發(fā)明者島芳延, 荒木健治, 神尾寬, 鈐木真 申請人:日本鋼管株式會社