專利名稱：制造單晶硅的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用引上法(chochralcki法)制造單晶硅的設(shè)備。
早已知道利用引上法連續(xù)裝入硅料(以下簡稱CC-CZ法)制造單晶硅的方法(例如日本專利公開40-10184，第一頁，第20-35行)。圖8示出該方法的示意結(jié)構(gòu)。
在該圖中數(shù)字1表示石英坩堝，4表示熔融硅，5表示硅單晶，6表示加熱器，11表示隔離件，12表示穿過隔件11形成的小孔，16表示粒狀硅料。A是物料熔化區(qū)，B是單晶硅生長區(qū)。
這種CC-CZ法的優(yōu)點(diǎn)在于由石英坩堝1熔解的氧量始終是恒定的。原因是相同重量的粒狀硅料16隨著正在被拉出單晶硅5的重量增加被連續(xù)送入熔融硅中，以致石英坩堝1中的熔體數(shù)量始終保持恒定。因此，沿單晶硅5長度方向的氧濃度在任何部位始終保持恒定。這時(shí)單晶硅中摻雜物的濃度也是一樣。也就是說，如果相同數(shù)量的摻雜物作為進(jìn)入正被拉制的單晶硅5的摻雜物量被連續(xù)加入熔融硅中時(shí)，則單晶硅中的摻雜物濃度沿其長度方向可保持恒定。與傳統(tǒng)的引上法(以下簡稱CZ法)相比，可以制造出高質(zhì)量和高產(chǎn)量的單晶硅。
如上所述，在圖8中所示基本結(jié)構(gòu)的CC-CZ法優(yōu)于傳統(tǒng)的CZ法。尤其是它能前所未有地制造出沿整個(gè)長度方向相同氧濃度的單晶硅。
但是，氧濃度水平與傳統(tǒng)引上法生產(chǎn)的單晶硅中的氧濃度水平相比是相當(dāng)高的。其原因尚不清楚，而且降低氧濃度水平已成難題。
硅中的氧濃度是控制ICs質(zhì)量的重量因素。它對于將氧濃度水平至少降低到利用傳統(tǒng)的CZ法達(dá)到的水平是必要的，而且直到現(xiàn)在尚未提出作為降低氧濃度的這種技術(shù)。
本發(fā)明人已經(jīng)指出，由于下列原因利用CC-CZ方法生長的單晶中的氧濃度是相當(dāng)高的。
熔融硅中的氧是由石英坩堝溶解所提供的。氧濃度受石英坩堝的溶解量所控制。坩堝溶解量受熔體和坩堝之間的接觸面積及坩堝表面溫度所控制。在普通的CZ法和在石英坩堝中使用含有一個(gè)石英隔件類型的雙坩堝結(jié)構(gòu)的CC-CZ法之間存在下列差別。
首先，使用雙坩堝結(jié)構(gòu)顯著增加熔融硅和石英之間的接觸面積。因此，隨接觸面積增加，溶解的氧量也增加。此外，石英坩堝溶解氧情況隨溫度升高而顯著提高。例如，如果石英坩堝溫度從約1460℃增加10℃，則每單位面積的石英坩堝的熔解度增加約20%。而且使用雙坩堝結(jié)構(gòu)需要一個(gè)比普通單結(jié)構(gòu)坩堝大得多的坩堝，以便提供一個(gè)附加的物料熔化區(qū)，用于加熱和熔化連續(xù)加入的硅料。
于是，爐體尺寸增加，并且坩堝上方的開口加寬。因此，與傳統(tǒng)的CZ法相比，來自單晶體生長區(qū)中的熔體表面的、直接與單晶中氧濃度有關(guān)的熱擴(kuò)散量增大。即使熔融硅的溫度與普通的CZ法相同，與普通的CZ法相比，必須增加輸入熔融硅中的熱量。必然需提高作為主要熱源的石英坩堝的溫度。還有，在使用雙坩堝結(jié)構(gòu)的CC-CZ方法情況下，石英坩堝的表面溫度提高并且生成氧源的石英坩堝的溶解比普通的CZ法更劇烈。
其次，公知方法中在物料熔化區(qū)上方安裝一個(gè)圓環(huán)形蓋板和一個(gè)加熱元件，以便迅速熔化連續(xù)輸入的硅料(日本專利申請公平成平1-96087)。但是，如果使用該方法，物料熔化區(qū)中的熔融硅的溫度顯著高于單晶生長區(qū)溫度。這意味著，在物料熔化區(qū)中的每單位面積石英坩堝的熔解度顯著高于單晶生長區(qū)。因此，如果讓物料熔化區(qū)中的熔融硅大量流入單晶生長區(qū)，則單晶生長區(qū)中的氧濃度就大大增加。此外，這種方法還顧及隔熱和物料熔化區(qū)的加熱，所以它沒有防止來自單晶生長區(qū)中的熔融硅表面熱輻射的作用。還要想到和普通的CZ法相比，單晶生長區(qū)周圍的石英坩堝的溫度要增高。
由于上述原因，雖然按照連續(xù)供料的，使用現(xiàn)有雙坩堝結(jié)構(gòu)的CZ法生產(chǎn)的單晶硅，沿長度方向上的氧濃度是恒定的，但氧濃度水平高。
以解決由于上述認(rèn)定的原因造成的問題為目的，本發(fā)明業(yè)已完成，本發(fā)明的目的是提供制造單晶硅的設(shè)備，該設(shè)備是如此設(shè)計(jì)的，即它利用CC-CZ法的優(yōu)點(diǎn)，且降低熔融硅中的氧量，以便降低沿單晶硅長度方向上的氧濃度水平。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明提供一種單晶硅制造設(shè)備，該設(shè)備裝有一個(gè)安裝在熔融硅上方的熱輻射防護(hù)屏，以調(diào)整來自熔融硅表面的熱輻射量，從而控制在單晶生長區(qū)內(nèi)熔融中的氧濃度。熱輻射屏可以是下述結(jié)構(gòu)中的任一種(a)熱輻射屏由一種耐火纖維材料構(gòu)成，而且耐火材料的數(shù)量可以調(diào)節(jié)，以控制屏蔽熱輻射的程度。此外，纖維耐火材料用一種金屬板覆蓋。
(b)熱輻射屏由多層金屬薄板組合件構(gòu)成，各個(gè)金屬薄板之間有一間距，而且金屬薄板的數(shù)目可以調(diào)節(jié)，以控制屏蔽熱輻射的程度。
(c)熱輻射屏由一電阻加熱元件構(gòu)成，而且可以調(diào)節(jié)電流，以控制屏蔽熱輻射的程度。
此外，該設(shè)備包括一個(gè)機(jī)械裝置，利用它使熔融硅以所需要的量從物料熔化區(qū)流向單晶生長區(qū)，以保持物料熔化區(qū)和單晶生長區(qū)的熔融硅量彼此相等。
通過使用本發(fā)明的上述設(shè)備，利用雙坩堝結(jié)構(gòu)的設(shè)備從單晶生長區(qū)拉制硅單晶，可以產(chǎn)生下述作用。
首先，借助在坩堝上方安裝熱輻射屏，可以降低來自單晶生長區(qū)中的熔融硅表面和隔離件上部的熱輻射。其次，單晶生長區(qū)周圍的石英坩堝壁的溫度變得均勻，而且其平均溫度也降低。因此，單晶生長區(qū)周圍的石英坩堝的熔解量降低。
此外，從物料熔化區(qū)向單晶硅生長區(qū)流動的熔融硅被迫使以一個(gè)方向和僅以所需要的量流暢地流動，這個(gè)需要的量是使物料熔化區(qū)和單晶生長區(qū)的熔融硅水平面保持恒定。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，從物料熔化區(qū)進(jìn)入單晶生長區(qū)的氧量，和由于單晶生長區(qū)周圍的石英坩堝溶解而帶入的氧量相比，只占百分之幾，而且可以忽略不計(jì)。也就是說，物料熔化區(qū)石英坩堝的溶解量對單晶生長區(qū)中熔融硅的氧濃度幾乎沒有影響。因此，只需考慮從環(huán)繞單晶生長區(qū)的石英坩堝表面帶入的氧量。在這種情況下，作為產(chǎn)生氧源的石英坩堝的面積基本上等于普通CZ法使用的、載有相同數(shù)量熔融硅的石英坩堝面積。
附圖的簡要說明

圖1、2和3是示意表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的剖面圖。
圖4是用來說明本發(fā)明效果的圖。
圖5、6和7表示本發(fā)明的其它實(shí)施例的局部剖面圖。
圖8是一個(gè)示意圖，說明使用雙坩堝結(jié)構(gòu)的CC-CZ法制造單晶硅的設(shè)備。
優(yōu)選的實(shí)施陳述圖1是一個(gè)示意，表示按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的單晶硅制造設(shè)備。在圖1中，數(shù)字1表示放置在石墨坩堝2內(nèi)的石英坩堝。石墨坩堝2支撐在支座3上，以使它垂直移動并轉(zhuǎn)動。數(shù)字4表示容納在坩堝1中的熔融硅。旋轉(zhuǎn)并提拉硅單晶5，使其從熔融硅長成園柱形。數(shù)字6表示環(huán)繞石墨坩堝2的加熱器，而7表示圍繞加熱器6的高溫區(qū)絕熱材料。這些部件與普通CZ法制造單晶體的設(shè)備的對應(yīng)部件基本相同。
數(shù)字11表示由高純石英制成的圓筒形隔離件(在坩堝內(nèi))。數(shù)字14表示熱輻射屏。熱輻射屏14的外園邊緣支撐在高溫區(qū)絕熱材料7上，并且它被安置來遮蔽熔融料4。數(shù)字13表示粒狀原料輸送器，15表示用作粒狀硅料16進(jìn)料道而制成的孔，而17表示圓形開口，它應(yīng)制成不妨礙單晶提拉，但能調(diào)節(jié)熱輻射量。
圖2示出熱輻射屏。圖2(a)是一個(gè)剖視圖，而圖2(b)是一個(gè)平面圖。該屏用一金屬薄板包圍的耐火纖維材料構(gòu)成。該熱輻射屏14安裝在熔融硅上方，并且務(wù)必不使它成為污染源?？梢韵胂螅涫褂闷诔^一定長的時(shí)間時(shí)，耐火纖維材料會剝落并成為熔融硅的污染源。因此，熱輻射屏應(yīng)用金屬薄板覆蓋，正如本實(shí)施例中那樣。
圖3示出隔離件11。該隔離件11被制成附有8個(gè)直徑3-2mm的小孔12，并且這些小孔與坩堝中心勻稱排列。物料熔化區(qū)A中的高溫熔融原料通過小孔12流暢地流向單晶生長區(qū)B。
在如上所述構(gòu)思的本發(fā)明中，熱輻射屏14起到某種絕熱作用。通過調(diào)節(jié)熱輻射屏14的厚度或開口17的面積，能夠任意減少和控制來自熔融硅4的熱輻射量。
如果來自熔融硅的熱輻射量被熱輻射屏14所屏蔽，則可以降低加熱器6的溫度。結(jié)果，被加熱器6所圍繞的石英坩堝1的溫度降低并減少石英坩堝向熔融硅的溶解量。因此，可以降低熔融硅中的氧濃度。
此外，物料熔化區(qū)與單晶生長區(qū)之間通過小孔的連通，對于從物料熔化區(qū)以最低需要量流入單晶生長區(qū)的熔融硅量具有限制作用。因此，從物料熔化區(qū)進(jìn)入單晶生長區(qū)的氧量可減少到忽略不計(jì)的程度。也就是說，單晶生長區(qū)的氧量僅由單晶生長區(qū)中石英坩堝所圍繞熔融硅的溶解量來決定。
如上所述，可以通過熱輻射屏控制石英坩堝的溶解量。因此，它能夠生產(chǎn)出氧濃度比不用本發(fā)明的方法情況下得到的氧濃度低3-6ppm的單晶硅。利用傳統(tǒng)的CC-CZ法還從未制造出如此低氧濃度的單晶硅。
圖4是一個(gè)表示實(shí)施本發(fā)明情況下和氧濃度之間的關(guān)系圖。在該圖中，曲線(a)表示傳統(tǒng)方法的情況，而曲線(b)表示本發(fā)明方法的情況，當(dāng)方法是用日本專利申請公開成平1-96087所公開的設(shè)備進(jìn)行時(shí)，結(jié)果基本上與曲線(a)相同，并可看出，傳統(tǒng)方法對降低氧濃度起的作用不大。
圖5示出熱輻射抑制件14的另一實(shí)施例。利用隔片(23)將金屬薄板(22)制成多層結(jié)構(gòu)。為了提高熱屏蔽作用，應(yīng)考慮防止各個(gè)金屬薄板彼此互相接觸。金屬薄板必須與其使用環(huán)境要相稱。更確切地說，這些金屬薄板必須具有這樣的性能，如耐熱性、耐化學(xué)反應(yīng)性和高溫強(qiáng)度。在本發(fā)明實(shí)施中，使用0.5mm厚的鉬板。但是，當(dāng)在增高的溫度下鉬板與碳接觸時(shí)往往形成一種氧化物。因此，在熱輻射屏14和高溫區(qū)絕熱材料7之間插入石英玻璃。
圖6示出熱輻射屏的另一實(shí)施例。圖6(B)是一個(gè)平面圖。圖6(A)是一個(gè)沿?zé)彷椛淦?B)的A-A線的剖面圖。按此實(shí)施例，熱輻射屏14由一個(gè)電阻加熱元件24構(gòu)成。在這種結(jié)構(gòu)中，加熱元件24的溫度可調(diào)節(jié)，以便控制來自熔融硅4的熱輻射量?？梢酝ㄟ^控制，流通過接線端子25的電流量來實(shí)現(xiàn)這種溫度控制。與使用上述的耐火纖維材料20作熱輻射屏相比，它能夠?qū)崿F(xiàn)更完善的抑制熱輻射控制。必須注意的是，熱輻射屏14是從上方通過接線端子25和支撐部件26進(jìn)行固定并安裝在適當(dāng)位置，以使它不與高溫區(qū)絕熱材料7接觸。
圖7示出本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中裝有一根石英管33，該石英管沿隔離部件的圓周方向延伸布置。按照這種實(shí)施方式，一根內(nèi)徑10mm、長度10cm的石英管被安裝在隔離部件的內(nèi)側(cè)。甚至靠這根石英管，就能實(shí)現(xiàn)熔融硅從物料熔化區(qū)向單晶生長區(qū)的單向流動。
由前述可知，按照本發(fā)明的制造單晶硅的設(shè)備包括一個(gè)容納熔融硅的旋轉(zhuǎn)石英坩堝、一個(gè)將石英坩堝內(nèi)部分隔成內(nèi)單晶生長區(qū)和外物料熔化區(qū)的石英隔離件(該部件上有多個(gè)小穿孔)、一個(gè)構(gòu)成環(huán)繞石英坩堝外側(cè)的加熱器，以及向物料熔化區(qū)連續(xù)輸送硅原料的裝置?？梢缘玫较率鲂Ч?br> 根據(jù)安裝在熔融硅上方的熱輻射屏蔽部件的材料和形狀可以控制單晶生長區(qū)內(nèi)的石英坩堝溶解量。
此外，可令熔融硅以一個(gè)方向從物料熔化區(qū)流向單晶生長區(qū)，因此可以將物料熔化區(qū)帶入單晶生長區(qū)的氧量降低到忽略不計(jì)的程度。也就是說，單晶生長區(qū)內(nèi)的氧濃度僅取決于環(huán)繞單晶生長區(qū)的石英坩堝的溶解量。
所以，即使借助CC-CZ法也能生長出低氧濃度水平的單晶硅。本發(fā)明的工作具有重大意義。
權(quán)利要求
1.一種制造單晶硅的設(shè)備包括一個(gè)容納熔融硅的可旋轉(zhuǎn)石英坩堝；一個(gè)將上述石英坩堝內(nèi)部分隔成一個(gè)內(nèi)側(cè)單晶生長區(qū)和一個(gè)外側(cè)物料熔化區(qū)的石英隔離件；至少一個(gè)小孔被加工成可穿通上述石英隔離件；一個(gè)環(huán)繞上述石英坩堝的結(jié)構(gòu)加熱器；連續(xù)向上述物料熔化區(qū)輸送硅料的裝置；以及一個(gè)熱輻射屏，它包括用于屏蔽來自上述單晶硅生長區(qū)中熔融硅表面的熱輻射部件，一個(gè)靠近上述屏蔽部件中心的、用來調(diào)節(jié)熱輻射量的開口，該熱輻射屏安裝在上述單晶生長區(qū)上方，以減少和調(diào)節(jié)熔融硅中的氧量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1制造單晶硅的設(shè)備，其中所說的熱輻射屏由耐火纖維材料構(gòu)成，借助調(diào)節(jié)該耐火材料的數(shù)量來提供一個(gè)合適的熱輻射量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2制造單晶硅的設(shè)備，其中所說的耐火纖維材料用一塊金屬板覆蓋。
4.根據(jù)權(quán)利要求1制造單晶硅的設(shè)備，其中所說的熱輻射屏包括一個(gè)多層金屬薄板組合件，在其各金屬薄板之間有一個(gè)隔片，因而通過調(diào)節(jié)上述金屬薄板數(shù)量可形成一個(gè)合適的熱輻射量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1制造單晶硅的設(shè)備，其中所說的熱輻射屏包括一個(gè)電阻加熱元件，借助控制電流量來調(diào)節(jié)熱輻射量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1制造單晶硅的設(shè)備，其中所說的多個(gè)小孔加工成穿通上述石英隔離件，這樣就使上述熔融硅以所需要的量從上述物料熔化區(qū)流暢地流向上述單晶生長區(qū)，以保持上述物料熔化區(qū)和上述單晶生長區(qū)中的熔融硅在同一水平面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1制造單晶硅的設(shè)備，其中一根石英管沿上述石英隔離件的圓周方向延伸安裝在其中內(nèi)側(cè)，這樣就使上述熔融硅以所需要的量從上述物料熔化區(qū)流暢地流向上述單晶生長區(qū)，所述的需要量是指上述物料熔化區(qū)和上述單晶生長區(qū)中的該熔融硅保持在相同水平面上。
全文摘要
在本發(fā)明的單晶硅制造設(shè)備中，有一熱輻射屏在單晶生長區(qū)上方，以屏蔽和調(diào)節(jié)來自單晶生長區(qū)中熔融硅表面的熱輻射，而降低坩堝溫度從而降低單晶中的氧濃度以減少熔融硅中的氧量。該熱輻射屏包括一用金屬板覆蓋的耐火纖維材料，一多層金屬薄板組合件或一電阻加熱元件。此外，坩堝內(nèi)部還被一加工成許多小孔在隔離部件隔開，或一石英管沿該隔離件的圓周方向延伸安裝在其內(nèi)側(cè)，使熔融硅從物料熔化區(qū)流暢地流向單晶生長區(qū)并從而提供有效的措施。
文檔編號C30B15/12GK1048900SQ9010247
公開日1991年1月30日 申請日期1990年3月30日 優(yōu)先權(quán)日1989年3月30日
發(fā)明者神尾寬, 荒木健治, 兼頭武, 島芳延 申請人:日本鋼管株式會社