專利名稱：拉單晶裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種拉單晶裝置，該裝置采用連續(xù)加料磁場CZ工藝(以下簡稱為CMCZ工藝)來制備如硅(Si)或砷化鎵(GaAs)等半導體單晶，并特別涉及一種拉單晶裝置，其中由引導添加源材料所產(chǎn)生的影響可以減少。
采用CZ工藝的拉單晶裝置包括一密封腔，置于腔內(nèi)的裝半導體熔化物的坩堝，加熱半導體熔化物的加熱器，以及拉制半導體單晶的拉晶機構(gòu)。在這種裝置中，半導體單晶籽晶浸入坩堝內(nèi)的半導體熔化物中，然后把籽晶逐漸向上拉。生長出具有和籽晶相同晶向的大直徑半導體單晶。
近年來出現(xiàn)了對CMCZ工藝的大量改進方法，即在向坩堝連續(xù)加入源材料的過程中進行拉晶操作的各種CZ工藝。在CMCZ工藝中使用了包括內(nèi)坩堝和外坩堝的雙坩堝，內(nèi)外坩堝在底部相連，半導體單晶從內(nèi)坩堝中拉制出，同時通過由石英制成的源材料供應(yīng)管把源材料加到內(nèi)外坩堝之間的半導體熔化物區(qū)域。源材料供應(yīng)管從腔的上部懸下，該管的低端接近外坩堝內(nèi)的半導體熔化物表面。在CMCZ工藝中，通過源材料供應(yīng)管加入的源材料在半導體熔化物中逐漸熔化，最終穿過內(nèi)坩堝底邊的使內(nèi)外坩堝相連的連接部分，流進內(nèi)坩堝中，并在此被向上拉制成半導體單晶。對半導體單晶中空位產(chǎn)生原因的研究表明產(chǎn)生空位的物質(zhì)(這里稱作空位產(chǎn)生源)向源材料添加區(qū)的半導體熔化物大范圍地擴散，是妨礙半導體單晶正常生長的一個因素。特別地，如果被加入的源材料下落力較大，或源材料成塊落下，源材料穿入到半導體熔化物中的深度增加，空位生成源的擴散的影響也特別明顯。
本發(fā)明考慮以上情況，其目的是提供一種拉單晶裝置，該裝置可使由于添加源材料而使空位產(chǎn)生源擴散而引起的影響最大限度地降低，這種影響被認為是妨礙半導體單晶正常生長的主要原因之一。
權(quán)利要求1的發(fā)明是一種拉單晶裝置，包括一密封容器；在密封容器中裝半導體熔化物的雙坩堝，該雙坩堝包括在底邊相連的外坩堝和內(nèi)坩堝；以及源材料供應(yīng)裝置，用來在外坩堝和內(nèi)坩堝之間的位置向半導體熔化物中加入源材料，其特征在于一種限制流動的部件設(shè)置在外坩堝和內(nèi)坩堝之間的半導體熔化物區(qū)域中，以限制半導體熔化物的流動。
權(quán)利要求2的發(fā)明的特征在于，所述限制流動的部件是限制對流的部件，可限制在外坩堝和內(nèi)坩堝之間區(qū)域的半導體熔化物中的對流。
權(quán)利要求3的發(fā)明的特征在于限制流動的部件設(shè)置為可以加長源材料加入點到外坩堝和內(nèi)坩堝之間的底邊連接部分的路徑。


圖1是本發(fā)明第一實施方案主要元件的剖面示意圖；圖2是本發(fā)明第二實施方案主要元件的剖面示意圖；圖3是本發(fā)明第三實施方案主要元件的剖面示意圖；以及圖4是本發(fā)明所有實施方案都使用的拉單晶裝置的一般結(jié)構(gòu)的示意圖。
以下是參照附圖對本發(fā)明每個實施方案的詳述。首先，在敘述每個實施方案之前，參照圖4對所有實施方案都使用的一般結(jié)構(gòu)加以說明。
如圖4所示，雙坩堝3，加熱器4和源材料供應(yīng)管(源材料供應(yīng)器件)5固定在拉單晶裝置1的腔2中。雙坩堝3包括一個由石英制成的約為半球形的外坩堝11和一個由石英制成的內(nèi)坩堝12，內(nèi)坩堝是固定在外坩堝11中的圓筒狀隔離體。連接內(nèi)坩堝12和外坩堝11的連接部分12a形成在內(nèi)坩堝12的壁的下部。
雙坩堝3安裝在基座15上，基座15裝在位于腔2下部中心的垂直軸14上，雙坩堝3可繞軸14的軸線以特定的角速度在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。另外，半導體熔化物(用于生長半導體單晶的源材料，通過加熱熔化)21裝在雙坩堝3內(nèi)。加熱器4加熱并使外坩堝11中的半導體源材料熔化，還維持所產(chǎn)生的半導體熔化物21的溫度。加熱器4位置應(yīng)圍繞基座15和雙坩堝3，加熱器4的外面圍有熱屏蔽層(圖中未畫出)以實現(xiàn)保溫。
源材料供應(yīng)管5用來向在外坩堝11和內(nèi)坩堝12之間的半導體熔化物表面21a連續(xù)加入半導體熔化物21的粒狀源材料?？赏ㄟ^源材料供應(yīng)管5加入的源材料實例包括可在粉碎機中粉碎成片狀的多晶硅，或用熱分解由氣相源材料淀積而成的多晶硅顆粒，如果需要，還可加入稱作摻雜劑的元素添加物，如硼(B)生產(chǎn)P型單晶硅和磷(P)(生產(chǎn)n型單晶硅)。對砷化鎵，其制備過程和上述相同，不過所用的元素添加物是鋅(Zn)或硅(Si)。
拉晶機構(gòu)和把如氬(Ar)等惰性氣體引入腔2中的入口(二者在圖中都被省略)置于腔2的上部。構(gòu)成拉晶機構(gòu)一部分的拉晶桿24被設(shè)計成可連續(xù)旋轉(zhuǎn)地在雙坩堝上面上下移動。半導體單晶籽晶通過夾盤附在拉晶桿的頂端。籽晶浸入內(nèi)坩堝12內(nèi)的半導體熔化物21中，然后被向上提拉，這樣以籽晶為起始點在如氬(Ar)的惰性氣體環(huán)境中拉制出連續(xù)生長的半導體單晶。
通過源材料供應(yīng)管5，源材料由管的上端進入，并從下端開口5a引出。源材料供應(yīng)管在其上端被支撐并懸掛，以使下端開口接近于外坩堝11的外壁。為了防止污染，也為了便于加工，源材料供應(yīng)管5由具有矩形截面的石英管構(gòu)成。另外，為了保證高質(zhì)量的粒狀半導體源材料以合適的下落速度加入到半導體熔化物21中，源材料供應(yīng)管的內(nèi)部裝有交替梯狀斜片，這在圖中未畫出。
另外，限制流動的部件(圖4中省略)裝在外坩堝11和內(nèi)坩堝12之間的半導體熔化物21a區(qū)域中，這是為了限制這一區(qū)域中半導體熔化物21a的流動。限制流動的部件主要通過限制半導體熔化物21a中的對流(這樣起到限制對流部件的作用)，抑制了前述空位產(chǎn)生源在大范圍區(qū)域中的擴散，從而使源材料加入點和連接外坩堝11與內(nèi)坩堝12的底邊連接部分12a之間區(qū)域中的穩(wěn)定濃度梯度得到保證。
接下來是對各個實施方案的說明。
第一實施方案如圖1所示。在這一實例中，作為限制流動部件和限制對流部件的水平擋板31在熔化物表面下以合適的深度放在外坩堝11和內(nèi)坩堝12之間的半導體熔化物21a區(qū)域中。在如圖所示的實例中，擋板31是環(huán)形的，并和外坩堝11和內(nèi)坩堝12同心，在擋板31的內(nèi)邊緣和內(nèi)坩堝12之間以及在擋板31的外邊緣和外坩堝11之間留有連接空隙31a，以連接擋板31的上下區(qū)域。擋板31可由內(nèi)坩堝12或源材料供應(yīng)管5支撐。另外，擋板31不需要連續(xù)環(huán)繞整個圓周，只要擋板覆蓋住源材料供應(yīng)管5下面的預定區(qū)域，在這種情況中，優(yōu)選的是擋板31由源材料供應(yīng)管5支撐。
在這種結(jié)構(gòu)中由于擋板31的存在，在源材料添加過程中源材料對半導體熔化物21a的沖擊減小。通過添加源材料而引起的空位產(chǎn)生源逐漸擴散進環(huán)繞擋板31內(nèi)外邊緣的半導體熔化物21a中。此時，半導體熔化物21a中對流的影響，圖中用箭頭(T)標出，被擋板31阻斷而不會擴展到擋板31以上部分，所以除了在添加源材料過程中的緩和沖擊效應(yīng)外，空位產(chǎn)生源的擴散也被抑制到最小程度，并在從半導體熔化物21a表面到連接外坩堝11和內(nèi)坩堝12的連接部分12a底邊的區(qū)域中維持了穩(wěn)定的濃度梯度。
第二實施方案如圖2所示。在這一實例中，多個擋板32(所示實例中有兩層擋板)一個安裝在另一個下面。還有，通過向坩堝內(nèi)或向坩堝外錯開每一層擋板，連接每個擋板32上下區(qū)域的連接間隙32a交替出現(xiàn)在各個擋板32的外部和內(nèi)部。因此，從源材料加到半導體熔化物21a的加入點到外坩堝11和內(nèi)坩堝12之間的底邊連接部分12a的路徑長度得到增加。
在這種結(jié)構(gòu)中由于存在多個擋板32，半導體熔化物21a中的對流受到進一步抑制，空位產(chǎn)生源的擴散也被進一步限制。因為從源材料到半導體熔化物21a的加入點到外坩堝11和內(nèi)坩堝12之間的底邊連接部分12a的路徑長度較長。源材料加入點的影響擴展到遠至內(nèi)坩堝12的可能性減小，從而保證了更為穩(wěn)定的濃度梯度。
另外，代替獨立地一個位于另一個下面的多個擋板，也可使用連續(xù)的螺旋形板。
本發(fā)明的第三實施方案如圖3所示。在這一實例中，兩個垂直隔離壁34置于內(nèi)圈和外圈，并相互向上或向下錯開，從而在外圈隔離壁34b的底邊和內(nèi)圈隔離壁34c的頂邊留有連接部分34a，以使每層壁的內(nèi)外區(qū)域保持連通。因此，這種結(jié)構(gòu)使得從源材料到半導體熔化物21a的加入點(直接在源材料供應(yīng)管5的下端開口5a下面的熔化物表面點)到外坩堝11和內(nèi)坩堝12之間的底邊連接部分12a的路徑得到加長。
由于存在兩個垂直隔離板34b、34c，半導體熔化物21a中的大對流被抑制，由對流引起的大范圍區(qū)域中空位產(chǎn)生源的擴散也被抑制。另外，因為從源材料加入點到外坩堝11和內(nèi)坩堝12之間的底邊連接部分12a的路徑長度較長，使穩(wěn)定的濃度梯度得到保證。
另外，限制流動部件的安裝方式不只局限于在上述實施方案中所采用的方法，任何可形成在半導體熔化物21a中顯示有抑制對流效應(yīng)和限制所有流動的實施方案的安裝方法都是可用的。
正如以上所解釋的，在根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)明中，限制流動部件裝在外坩堝和內(nèi)坩堝之間的半導體熔化物區(qū)域中，所加的源材料在這一區(qū)域中熔化，這樣使這一區(qū)域中的所有流動可得到限制，由添加源材料所引起的空位產(chǎn)生源的擴散也可被抑制。因此，妨礙半導體單晶正常生長的一個主要因素能被降低到最低限度。
另外，在根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)明中，主要在外坩堝和內(nèi)坩堝之間區(qū)域的半導體熔化物中的對流通過限制流動部件被抑制，從而對流作用在空位產(chǎn)生源的擴散上的加速影響可得到抑制，保證了半導體單晶的正常生長。
另外，在根據(jù)權(quán)利要求3的發(fā)明中，在從源材料加入點到半導體熔化物流經(jīng)進內(nèi)坩堝內(nèi)部的部分的路徑被加長的情況下，可沿該路徑形成穩(wěn)定的濃度分布，能進一步阻止半導體單晶中空位的產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1.一種拉單晶裝置，包括一密封容器；在密封容器內(nèi)的、用于裝半導體熔化物的雙坩堝，該雙坩堝包括在底邊相連的外坩堝和內(nèi)坩堝；以及用于在外坩堝和內(nèi)坩堝之間的位置向半導體熔化物加入源材料的源材料供應(yīng)裝置；其特征在于一限制流動部件裝在外坩堝和內(nèi)坩堝之間的半導體熔化物區(qū)域中，以限制半導體熔化物的流動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的拉單晶裝置，其中，所述限制流動部件是限制對流部件，可限制在外坩堝和內(nèi)坩堝之間區(qū)域的半導體熔化物中的對流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的拉單晶裝置，其中，所述限制流動部件設(shè)置為可加長從源材料加入點到外坩堝和內(nèi)坩堝之間的底邊連接部分的路徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2中任一項權(quán)利要求的拉單晶裝置，其中，所述限制流動部件是做成環(huán)狀、與外坩堝11和內(nèi)坩堝12同心的擋板，并水平地安裝在半導體熔化物的表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的拉單晶裝置，其中，所述擋板裝在源材料供應(yīng)裝置的一部分之下，并由該源材料供應(yīng)裝置支撐。
全文摘要
一種拉單晶裝置包括一密封容器；在密封容器內(nèi)、用于裝半導體熔化物的雙坩堝，該雙坩堝包括在底邊相連的外坩堝和內(nèi)坩堝；以及用于在外坩堝和內(nèi)坩堝之間的位置向半導體熔化物加入源材料的源材料供應(yīng)裝置；其特征在于一個限制流動部件裝在外坩堝和內(nèi)坩堝之間的半導體熔化物區(qū)域中，以限制半導體熔化物的流動。
文檔編號C30B29/10GK1160779SQ97101020
公開日1997年10月1日 申請日期1997年1月10日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月12日
發(fā)明者熱海貴, 田口裕章, 降屋久, 喜田道夫 申請人:三菱麻鐵里亞爾硅材料株式會社, 三菱麻鐵里亞爾株式會社