專利名稱：制造硅單晶的設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種采用丘克拉斯基法制備硅單晶的設備。
根據丘克拉斯基法的硅單晶拉制法在過去已經獲得應用，并且已經變成一種幾乎是完善的技術。然而，在對技術要求嚴格的領域中，由于摻雜劑和氧的分布不良，有可能導致晶片的合格率降低到50%以下。
作為解決這類問題的一種有效措施，現(xiàn)有技術提供了一種把硅原料連續(xù)加入具有雙層結構的坩堝中的方法，借此使熔融物料的液面高度維持恒定(特開昭Jp.40-10184)。特別是，近年來高質量粒狀多晶硅的制造已成為可能，并且也比較容易將這些粒狀硅以恒定的進料速度連續(xù)地加入熔融物料中，因此發(fā)表了一些有關發(fā)明與論文(其中的發(fā)明有特開昭Jp.58-130195和Jp.63-95195以及實用新案開昭Jp.59-141578;論文有Ann.Rev.Mater.Sci.1987，Vol.17，P273-278)。
這些出版物所公開的發(fā)明都應用了一種具有雙層結構的石英玻璃坩堝。然而，正如特開昭Jp62-241889所特別指出的那樣，有一個問題是在內坩堝的內表面與熔融硅表面之間相互接觸的部位易發(fā)生熔體的凝固，這就難以把爐溫降低到使單晶穩(wěn)定生長所需的溫度。如果把拉制單晶時熔融硅的溫度保持在足以防止發(fā)生凝固現(xiàn)象的高溫下，那么不僅降低了凝固速率，而且還會常常產生位錯，這樣就不可能穩(wěn)定生產單晶。在特開昭Jp.61-36197中所公開的發(fā)明也采用一種雙層結構的坩堝，在外層原料熔化區(qū)的上方設置有隔熱材料，而在坩堝的底部設置有一個單獨的加熱器，以加速供入的原料熔化。然而，該發(fā)明也沒有采用任何手段來防止從內坩堝的內表面與熔融硅表面之間的接觸部位散熱，從而防止發(fā)生凝固。另外，用加熱器在坩堝的底部加熱，會降低設置于坩堝側壁周圍的另一個加熱器的溫度，從而加快凝固現(xiàn)象的產生。
在上述的制造方法中采用了內坩堝的隔離元件(以下稱為隔離元件)，特別是在制造12至30cm的大直徑硅單晶時，隔離元件內側的散熱會使隔離元件內的熔融物料的溫度下降，特別是會使與隔離元件接觸的熔融物料的溫度下降。其原因被認為是這樣一個事實，即隔離元件的材料是透明石英玻璃，其輻射能力要比熔融硅大得多，因此大量的熱從隔離元件向坩堝上方的水冷罩散失。并且，由于坩堝具有雙層結構，熔融硅的對流受到限制，使隔離元件內的溫度較難提高。
再有，雖然為了保證單晶的生長而必須使隔離元件內(晶體生長區(qū))熔融硅的溫度保持稍高于硅的熔點，但由于上述現(xiàn)象，導致隔離元件與隔離元件內熔融物料的表面之間的接觸部位開始發(fā)生凝固的問題。
然而，前面提到的常規(guī)技術沒有提供任何防止發(fā)生這類凝固的手段。
在特開平Jp 2-13389中公開了一個發(fā)明，該發(fā)明的目的是防止凝固，其方法是采用多孔石英玻璃作坩堝隔離元件。采用上述方法可以防止沿隔離元件的周邊發(fā)生凝固。然而正如下文所述，由于隔離元件內外的熔融液的表面張力波動而引起液面波動，并且由氧化導致的堆垛層錯與晶體缺陷一樣常常引起麻煩。
為了克服現(xiàn)有技術的上述缺點，進行了本發(fā)明的研究工作，本發(fā)明的目的是提供一種制造硅單晶的設備，更具體地說，是制造直徑為12至30cm的大圓柱形硅單晶的設備，在該設備中，把粒狀或塊狀原料連續(xù)加入一個內盛熔融物料的坩堝中，該設備能夠防止在浸入于坩堝中的隔離元件與該隔離元件內的熔融物料表面之間的接觸部位發(fā)生凝固，也能防止OSF(氧化導致的堆垛層錯)的產生。
為了解決上述問題并完成上述目的，進行了本發(fā)明的研究工作，從而提供了一種改進的硅單晶制造設備，在此設備中，用一個至少有一個小孔貫通的隔離元件將盛有硅融物料的旋轉坩堝分隔開，使隔離元件包圍著一個直徑為12至30cm的大圓柱形硅單晶，該單晶一邊旋轉一邊拉制，而熔融物料平穩(wěn)地流過所述小孔，使硅單晶在隔離元件內生長，同時把硅原料連續(xù)加到隔離元件的外側。該設備具有如下主要特征隔離元件和坩堝用多孔石英玻璃制成。
構成隔離元件的多孔石英玻璃的孔含量(體積百分數)不小于0.01%，不大于15%，石英坩堝的孔含量比隔離元件的孔含量大1.3倍以上。


圖1是一個縱剖面圖，它圖示了本發(fā)明的一個實施方案。
圖2是一個沿圖1的Ⅰ-Ⅰ線切開的剖視圖。
圖3是一個表示隔離元件實施方案的側視圖。
圖4a和4b是用來對透明石英玻璃與多孔石英玻璃二者的操作情況進行對比的示意圖。
圖5是解釋熔融硅表面產生波紋的原理的簡圖。
圖6是一個示意圖，它圖示了起波紋的程度與石英玻璃透光率之間的關系，以石英玻璃附近熔融硅的溫度作參數。
在這些圖中數字1表示坩堝，2是石墨坩堝，3是基座，4是熔融物料，5是硅單晶，6是加熱器，7是隔熱材料，8是腔室，11是隔離元件，12是孔，13是一個小孔，14是原料加料器，15和16是測溫裝置，17是隔熱套，18是進料，22是原料熔化區(qū)，23是晶體生長區(qū)。
首先描述構成本發(fā)明的主要部分的隔離元件的結構。參看圖4，這是一個解釋性的示意圖，其中分別示出了透明石英玻璃21a和多孔石英玻璃11a浸沒于熔融物料中的情況。從圖4a中所示的透明石英玻璃21a的情況可以看出，熔融物料4和石英玻璃21a之間的接觸部位是透明的，因此，通過這種玻璃而從熔融物料表面散失的熱量增加。另外，透明石英玻璃21a引起的熱量散失如此之大，以致于與石英玻璃21a接觸的那部分熔融物料4的溫度下降，于是在該部位易發(fā)生凝固。
相反，在多孔石英玻璃11a的情況，存在于玻璃中的孔12能夠散射從熔融物料4與多孔石英玻璃11a之間的接觸部位散失的熱，因此，與透明石英玻璃21a相比，通過玻璃11a而從熔融物料表面散失的熱量減少。此外，由于有了這些孔，由熱傳導引起的冷卻作用降低。結果使熔融物料4與多孔石英玻璃11a的接觸部位的溫度實際上不降低，因此防止了熔融物料4的凝固。這些作用主要是由于透光率的降低而產生的。結果，不僅可以通過控制孔含量，而且可以通過控制表面粗糙度和凸紋密度(peak density)來降低透光率，并且預計可以防止發(fā)生凝固。此外，作為多孔石英玻璃11a的次要效果，由于熔融物料4通過玻璃散失的熱量減少了，使熔融物料4與多孔石英玻璃11a的接觸部位的溫度波動和潤濕性波動降低。
圖1是一個剖面圖，它圖示了本發(fā)明的一個實施方案，圖2是沿圖1的Ⅰ-Ⅰ線切開的剖面圖。在這兩個圖中，數字1表示石英坩堝，它安裝在石墨坩堝2內，而石墨坩堝2可垂直移動并且按可旋轉的方式支承在基座3上。數字4表示盛在坩堝1內的熔融硅原料，5表示從熔融硅原料4拉制出的已長成直徑為12至30cm的大圓柱形硅單晶。數字6表示圍繞在石墨坩堝2外面的加熱器，7表示包圍在加熱器6外面的熱區(qū)隔熱材料。這些組成元件都與丘克拉斯基法的常規(guī)單晶拉制設備的組成元件基本上相同。
數字11表示一個由多孔的高純石英玻璃制成的隔離元件，其位置與坩堝1同心，在該隔離元件上至少有一個小孔13，該小孔所處的位置基本上低于該隔離元件高度方向上的中間點，例如如圖3所示。裝原料時把隔離元件11同原料一起裝入坩堝1中，使該隔離元件在原料熔化后，浸沒于熔融物料4中而圍繞著單晶5，并且其上部從熔融物料的表面暴露出來。另外，其下部邊緣實際上熔合于坩堝1上，因此可防止它漂浮。結果，隔離元件11外側的熔融物料4中只有通過小孔13才能進入隔離元件的內側。應該指出，隔離元件11可以預先熔合于坩堝1上。
數字9表示在腔室8上做成的一個開口，它對應于隔離元件11外側的熔融物料表面的上方，加料器14穩(wěn)固地插在開口9中供加入粒狀或塊狀原料。加料器14的前口端正對于隔離元件11外側的熔融物料表面。加料器14與設置在腔室8之外的原料給料室(未示出)相連，從而連續(xù)加入粒狀或塊狀原料。
數字15和16表示諸如輻射溫度計一類的測溫裝置，安裝于腔室8上部，以測溫裝置15測量隔離元件11外側熔融物料表面的溫度，另一個測溫裝置16測量隔離元件11內側熔融物料的溫度。
數字17表示隔熱套，在這個實施方案中，它的作用是進一步提高隔離元件11的隔熱效果，雖然多孔石英玻璃隔離元件11本身也具有防止產生凝固的功能。
根據本發(fā)明，由于隔離元件11由多孔石英玻璃制成，從隔離元件11內表面與熔融硅原料4之間的接觸部位散失的熱量減少，防止了隔離元件11處熔融物料的凝固。通常，孔含量(體積百分數)為0.01%或更高的多孔石英玻璃就能夠起到防止熔融物料4發(fā)生凝固的作用。然而在石英玻璃的孔含量(體積百分數)小于0.01%的情況，如果用于熔化硅原料的熱量能形成新的孔，或者由于原有的孔膨脹而使孔含量(體積百分數)增加到0.01%以上，則同樣能達到防止熔融物料凝固的作用。
另一方面，在多孔石英玻璃的孔含量大于15%的情況下，則大大增加了由于石英玻璃剝離而阻礙單晶生長的可能性。
鑒于這些結果，硅單晶的生長最好采用孔含量(體積百分數)在0.01%至15%的多孔石英玻璃來進行。
從前面的敘述可以看出，在本發(fā)明的硅單晶制造設備中盛裝熔融硅原料的旋轉坩堝被一個隔離元件隔開，該隔離元件上至少有一個貫穿于其中的小孔，使隔離元件包圍著一個直徑為12至30cm的大圓柱形硅單晶，該硅單晶一邊旋轉一邊拉制，而熔融硅原料平穩(wěn)地流入隔離元件內側，硅單晶在隔離元件內側生長，同時把硅原料連續(xù)加到隔離元件外側，該隔離元件的全部或一部分由多孔石英玻璃制成，使隔離元件附近的熔融物料散失的熱量減少，防止了熔融物料與隔離元件的接觸部位發(fā)生凝固現(xiàn)象，從而拉制出完美的硅單晶。因此，本發(fā)明的操作具有重大效果，由于在硅單晶拉制方向上質量均勻，使產量得以提高，生產效率得以提高。
如上所述，使用多孔石英玻璃使熔融硅與隔離元件相互接觸處的彎月面的溫度波動和潤濕性波動減小。結果由于下文所述的機理使熔融硅表面波紋的發(fā)生率減小。使熔融硅表面變平滑對提高單晶的質量有很大作用(減少了OSF(氧化導致的堆垛層錯))。其原因是晶體的生長大大穩(wěn)定化了。單晶生長區(qū)中熔融硅表面產生波紋會對OSF產生直接影響。然而，原料熔化區(qū)也不希望產生大的波紋，因為這些波紋能通在隔離元件上的通孔而傳播到單晶生長區(qū)中。晶體質量的上述改進構成了本發(fā)明的第二個特征。
一種能夠保證最大限度地顯示所述第二個特征的方法具體描述如下隔離元件的孔含量選擇在0.01%至15%，并且為石英坩堝孔含量的1/1.3或更少，從而使隔離元件的透光率為非多孔石英玻璃透光率的5/1000至40/100倍，并且為石英坩堝透光率的2倍以上。如果彎月面的溫度和潤濕性產生前述的波動，那么由于下述機理將使熔融硅表面產生波紋。
熔融硅是一種具有較大表面張力的液體。已知表面張力通常是溫度的函數，隨溫度的升高而降低。圖5a是熔融硅與石英玻璃隔離元件11之間的接觸部位的示意圖。原料熔化區(qū)22內的熔融硅溫度較高，它起到向在單晶生長區(qū)23內的熔融硅供熱的作用。這里應仔細考慮單晶生長區(qū)23內的熔融硅與隔離元件11相互接觸的彎月面附近熔融硅的溫度。如果熔融硅的溫度低，其表面張力就升高，使彎月面具有圖5b所示的形狀R1。這種形狀使從隔離元件11附近的熔融硅表面散失的熱量Q2減少，熔融硅表面傾向于從原料熔化區(qū)22吸收熱量Q1。因此，在彎月面出現(xiàn)這種形狀后，彎月面中熔融硅表面的溫度立即上升。結果表面張力下降，彎月面沿隔離元件11上升。然后，彎月面形成圖5c所示的形狀R2。當產生這種形狀時，熱量散失Q4如此之大，以致于使彎月面內熔融硅表面的溫度下降。然后，它又回到圖5b所示的形狀R1。換句話說，彎月面重復其上下運動(波動)，這種循環(huán)往復的運動被認為是熔融硅表面產生波紋的原因。
圖5b中的這種情況可以簡單地通過減少從原料熔化區(qū)22向單晶生長區(qū)23輸入的熱量Q1來防止。換句話說，只需減少隔離元件的熱輻射透射率。采取這樣的措施使由圖5b的情況向圖5c的情況過渡時的變化量(彎月面上升量)降低，熔融硅表面的波紋減少。
在熔融硅的溫度下(1450℃)，熱輻射包括大量可見光成分，因此，熱輻射的透射率可用波長為400nm至1500nm光的最大透光率來代替。這里，透光率是把非多孔石英玻璃的透光率作為1時透射光強與入射光強之比。為了使熔融硅表面的波紋減少到實用的范圍，必須把隔離元件的透光率降低到40/100或更低，其下限為5/1000。如果透光率低于5/1000，則表面不規(guī)則性及內孔數就會過度增加，使石英碎片進入熔融硅的危險變得極大。
透光率隨石英玻璃孔含量的增加而降低。這是由于光被孔散射。如果孔含量(體積百分數)選擇為0.01或更高，則透光率降至40/100或更低。
孔含量(體積百分數)的上限為15%。其原因是，如果孔含量超過15%，石英碎片就會掉下來，因此硅單晶發(fā)生多晶化的可能性就變得十分大。作為第二種方法，可以把石英玻璃的表面制成不規(guī)則的形狀。透光率隨不規(guī)則形狀的凸紋密度的增加而降低，透光率也可用改變表面粗糙度的方法來改變。換句話說，透光率可以通過調節(jié)凸紋密度和粗糙度來調節(jié)。實用的凸紋密度ppi(凸紋/英寸)的范圍為10至25000，而以r.m.s表示的粗糙度范圍為1μm至2000μm。
另外，也可把第一和第二種方法結合起來，以達到降低透光率的目的。
第二個問題是原料熔化區(qū)內熔融硅表面上的波紋。其原因與隔離元件內的情況相同。由于波紋是在石英坩堝與熔融硅之間的接觸部位引起的，所以向熔融硅輸入熱量的熱源是溫度較高的石墨坩堝。在這一點上，第二個問題不同于隔離元件內的情況。原料熔化區(qū)內熔融硅的溫度明顯高于單晶生長區(qū)內熔融硅的溫度，因此觀察到產生的波紋大于隔離元件內的波紋。
用同樣的對策來降低制造坩堝所用的石英玻璃的透光率。
圖6圖示了起波紋程度與石英玻璃透光率之間的關系。用靠近石英玻璃的熔融硅的溫度作參數。圖中虛線代表等溫線。熔融硅的溫度恒定時，波紋隨透光率的降低而變小。同樣，透光率相同時，波紋隨熔融硅溫度的升高而加大。
現(xiàn)在假定，在單晶生長區(qū)一側，靠近隔離元件處的熔融硅的溫度為T+10℃。在此情況下，為了減小熔融硅表面上的波紋，透光率必須為20/100或更小。由于降低透光率意味著使表面粗糙或增加孔含量，所以石英碎片進入熔融硅的危險性加大。因此，對于透光率來說，最好應選定允許極限的上限。也就是說，在此情況下透光率最好為20/100。
如上所述，原料熔化區(qū)內熔融硅的溫度高于單晶生長區(qū)內熔融硅的溫度。假設原料熔化區(qū)內熔融硅的溫度比單晶生長區(qū)內的溫度高20℃，此時如果石英坩堝的透光率也象隔離元件一樣等于20/100，那么在原料熔化區(qū)內靠近石英坩堝處就會引起較大的波紋。為了防止這種情況，石英坩堝的透光率必須低于隔離元件的透光率。事實上，如果在此情況下石英坩堝的透光率小于隔離元件透光率的1/2或小于10/100，那么在原料熔化區(qū)內也能夠產生較小的波紋。
也可用與降低隔離元件透光率相同的方法來降低石英坩堝的透光率。
當提高孔含量以降低透光率時，可以把石英坩堝的孔含量(體積百分數)提高到隔離元件孔含量的1.3倍以上，以便把石英坩堝的透光率降低到隔離元件的1/2或更小。
當采用使石英玻璃表面不規(guī)則的方法來降低透光率時，則不規(guī)則表面的凸紋密度可以按照與隔離元件進行對比的方法來提高，借此使石英坩堝的透光率降低到隔離元件的1/2或更小。對于隔離元件的情況來說，實用的凸紋密度ppi(凸紋/英寸)范圍為10至25000，而以r.m.s表示的粗糙度范圍為1μm至2000μm。
采用圖1的設備以及隔離元件和坩堝二者的組成材料之間的關系來進行晶體的生長，并且測定了OSF密度。除了隔離元件和坩堝二者的組成材料以外，其他主要的生長條件如下晶體直徑，6英寸;坩堝直徑，20英寸;坩堝轉速，10轉/分;晶體轉速，20轉/分;隔熱套為鉭片，厚度為0.2mm。
測定結果列于下面的表1中，在條件1和2的情況下，調節(jié)孔含量和表面條件，使石英玻璃隔離元件的透光率為5/1000至40/100，并超過石英坩堝透光率的2倍，借此使OSF密度達到10個/厘米2。生長條件3和4與上述條件不同，因此獲得較高的OSF密度。
同樣，無需指出，在生長條件1和2中，透光率都是合適的，因此防止了在隔離元件處發(fā)生凝固。
在這里，假定在真空中的透光率為1，則所用的非多孔玻璃的透光率為80/100。
權利要求
1.一種制造硅單晶的設備，其中包含一個盛裝熔融硅的旋轉式多孔石英坩堝；一個從所述石英坩堝的側面對其進行加熱的電阻加熱器；一個石英隔離元件，該隔離元件安裝于所述石英坩堝內并把該坩堝內的熔融硅分隔成一個單晶生長區(qū)和一個原料熔化區(qū)，在所述隔離元件上至少有一個小孔供熔融硅通過；一個隔熱套，它遮蔽所述隔離元件的內側，并且處于所述原料熔化區(qū)的上方；一個原料加料裝置，用于把硅原料連續(xù)地加到所述原料熔化區(qū)中，從而制出直徑不小于12cm并且不大于30cm的硅單晶，其改進在于，所述隔離元件由孔含量(體積百分數)在0.01%至15%之間的多孔石英玻璃制成，石英坩堝的孔含量大于隔離元件的孔含量的1.3倍以上，借此使通過所述隔離元件的輻射熱散失減少到非多孔石英玻璃輻射熱散失的5/1000至40/100倍。
2.如權利要求1的設備，其中所述石英玻璃隔離元件的透光率為非多孔石英玻璃透光率的5/1000至40/100倍，所述隔離元件的透光率超過所述石英坩堝透光率的2倍。
3.如權利要求2的設備，其中調節(jié)所述隔離元件及所述石英坩堝的表面粗糙度和凸紋密度，從而使所述隔離元件的透光率為非多孔石英玻璃透光率的5/1000至40/100倍，所述隔離元件的透光率超過所說石英坩堝透光率的2倍。
4.如權利要求2的設備，其中調節(jié)所述隔離元件和所述石英坩堝的孔含量(體積百分數)、表面粗糙度和凸紋密度，使所述隔離元件的透光率為非多孔石英玻璃透光率的5/1000至40/100倍，所述隔離元件的透光率超過所述石英坩堝透光率的2倍。
全文摘要
一種制造硅單晶的設備，其中有一個隔離元件安裝于旋轉石英坩堝中，使它環(huán)繞著一邊旋轉一邊拉制的大圓柱形硅單晶，該隔離元件至少有一個小孔通過其下部。隔離元件的全部或一部分由多孔石英玻璃制成，其孔含量(體積百分數)在0.01至15％之間?；蛘咝∮?.01％，但利用來熔化硅原料的熱使其增加到0.01％至15％，這樣就防止了與隔離元件內側接觸的熔融物料的溫度降低，并防止了該部位的熔融物料發(fā)生凝固。
文檔編號C30B15/14GK1055964SQ9110202
公開日1991年11月6日 申請日期1991年4月2日 優(yōu)先權日1990年4月27日
發(fā)明者島芳延, 神尾寬, 鈴木真 申請人:日本鋼管株式會社