CN100532657C - 用于支撑生长中的半导体材料单晶的支撑装置以及制造单晶的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在根据Czochralski坩埚拉伸法工作的拉晶设备内支撑半导体材料单晶(8)的细颈(81)处的增粗部分(82)的支撑装置(1)，其在下部区域内具有中心开口的承重装置(121、122)，中心点位于垂直轴(16)上的直径为D₁的圆在水平面内与中心开口内接，承重装置(121、122)通过一个或更多个连接元件(132、133、134)与至少一个固定元件(14)相连，固定元件(14)适于固定在拉晶设备的升降装置(2)上，安装连接元件(132、133、134)使紧临承重装置(121、122)上方的区域内留有自由的空间，中心点位于轴(16)上且其直径大于D₁的圆在任意水平面内与空间内接，其特征在于，支撑装置(1)本身是固定的。本发明还涉及利用支撑装置制造半导体材料单晶的方法。

Description

用于支撑生长中的半导体材料单晶的支撑装置以及制造单晶的方法

技术领域

本发明涉及用于在根据Czochralski坩埚拉伸法工作的拉晶设备内支撑半导体材料单晶细颈处的增粗部分的支撑装置，以及利用该支撑装置制造单晶的方法。

背景技术

在实施Czochralski坩埚拉伸法期间，首先生长横截面大幅变细的晶颈，以防止已存在于晶种内的晶体缺陷或由接触熔液的晶种引起的晶体缺陷的进一步生长，如单晶的圆柱形部分中的位错。该变细的晶颈称作细颈(Dash neck)。

然后，调节拉伸法的参数，使圆锥形部分之后是具有明显更大的且几乎保持不变的直径的圆柱形部分。该拉伸法重新以圆锥形部分结束。通常仅对例如可用于电子工业中的产品的圆柱形部分感兴趣。出于经济原因，近年来单晶的直径逐步增加。例如，目前直径为300毫米的硅单晶已大规模生产。同时，尝试制造具有尽可能长的圆柱形部分的单晶。总之，这使得单晶的质量持续增加。

这导致的问题是：该细颈无法承载与增加的质量相关的拉力。通常细颈不能可靠地承载质量超过约250至300千克的硅单晶。因此，已开发出若干方法和装置，以在其制造过程中额外支撑沉重的单晶。在绝大多数此类方法中，使位于特定轴向位置处的细颈变粗，以形成增粗部分。可在该增粗部分处安装承载一部分拉力的支撑装置。在此期间，已知依照该原理工作的大量不同的支撑装置，例如参见第5,879,448或6,077,347号美国专利。第5,879,448号美国专利描述了可在拉晶设备内垂直移动并且可用夹钳缩小其内径的支撑装置。在拉伸晶体的增粗部分之后，该支撑装置可夹持该晶体。如第6,077,347号美国专利所公开的，另一种可选择的方式是：在拉伸增粗部分之后，具有U形承重面的支撑装置在该增粗部分的下方转动。

但发现所有已知的支撑装置均会产生微粒(例如由于磨损)，这些微粒会导致单晶被金属污染。这并不符合电子工业中的高纯度要求。而且在拉晶期间，金属或硅氧化物(SiO_x)的微粒会形成位错。此外，冷凝的一氧化硅(SiO)会导致支撑装置的轴承及接头发生故障。

发明内容

所以，本发明的目的在于可靠地避免支撑装置产生微粒。

该目的是通过用于在根据Czochralski坩埚拉伸法工作的拉晶设备内支撑半导体材料单晶8的细颈81处的增粗部分82的支撑装置1而实现的，其中该支撑装置1在其下部区域内具有中心开口的承重装置121、122，使中心点位于垂直轴16上的直径为D₁的圆在水平面内与该中心开口内接，而该承重装置121、122通过一个或更多个连接元件132、133、134与至少一个安装在承重装置121、122上方的固定元件14相连，该固定元件14适合于固定在该拉晶设备的升降装置2上，安装这些连接元件132、133、134，使紧临承重装置121、122上方的区域内留有自由的空间，中心点位于轴16上且其直径D₂大于直径D₁的圆在任意的水平面内与该空间内接，其特征在于，该支撑装置1本身是固定的。

附图说明

下面通过附图更详细地阐述本发明。

图1及图2所示为根据本发明的支撑装置的具体实施方案。

图3所示为可用于将支撑装置与拉晶设备的升降装置相连接的装配装置。

图4所示为单晶结构的示意图，以及支撑装置与装配装置的纵切面。为了更清楚，将该装配装置向左侧旋转90°。

图5至图12所示为使用本发明支撑装置实施拉晶方法的流程。

具体实施方式

根据本发明，支撑装置1(图1、2及4)在其下部区域内具有中心开口的承重装置。该承重装置例如可为具有内径D₁的封闭的圆形环122(图2)。在此情况下，该环122上方的内侧支撑增粗部分82的下部。如图1所示，该承重装置也可具有对称装配且位于相同高度的至少两个，优选更多个承重元件121，它们沿该中心开口的方向朝内凸出，其中每个承重元件121安装在连接元件132上。装配这些承重元件121，使直径为D₁且其中心点位于支撑装置1的轴16上的圆在水平面(即垂直于轴16的平面)内与中心开口内接。在拉晶期间，轴16优选与细颈81的轴重合。如图4所示，该承重元件121可从下向上以合适的方式支撑增粗部分82。

通过一个或更多个连接元件132、133、134，将整个承重装置121、122与至少一个安装在承重装置121、122上方的固定元件14相连接。这些连接元件132、133、134优选设计为杆状。装配这些连接元件132、133、134，使它们在紧临该承重装置121、122上方的区域内留有自由的空间，中心点位于轴16上且其直径D₂大于直径D₁的圆在任意的水平面(即垂直于轴16的平面)内与该空间内接。这意谓着，在这些连接元件132、133、134不接触该增粗部分82的情况下，该增粗部分82可置于这些连接元件132、133、134之间的自由空间内。

为了稳定该支撑装置1并防止在单晶的负荷下发生断裂，优选通过其他连接元件，例如通过横梁131，将承重元件121和/或连接元件132、133、134彼此上下相连接。

如图1或图2所示，优选将这些承重装置121、122及连接元件131、132、133、134连接在一起形成笼状结构。该笼状结构优选不具有从该承重装置121、122下端贯穿到至少一个固定元件14上端的垂直开口。在拉晶过程中，由于缺少贯穿的垂直开口，此类支撑装置1不能从侧面向该增粗部分82移动，例如转动，从而用该承重装置121、122支撑该增粗部分82。在拉晶过程开始时，通常必须将该支撑装置1浸入半导体材料的熔液4内，使该承重装置121、122位于熔液4表面的下方。在拉晶过程中，该笼状结构环绕着该细颈81及该增粗部分82，但并不接触该细颈81。在垂直提升支撑装置1之后，从该拉晶过程的预定时间开始，仅有该增粗部分82于其下侧由承重装置121、122加以支撑。

构成至少一个固定元件14，使其适合于固定在该拉晶设备的升降装置2上。该升降装置2用于垂直移动，即提升或降低支撑装置1，并且由一根或优选更多根缆绳组成。如图3所示，例如可用两件式装配装置9将支撑装置1固定在该升降装置2上。两个半部分91均围绕着垂直安装的圆柱形连接元件134，使该球状固定元件14置于装配装置9的圆锥形接触区域92上(参见图4)。该两个半部分91用螺栓93相互连接。螺栓94具有导引升降装置2的缆绳的空心孔。若该升降装置2的缆绳长度不同，则螺栓23可垂直调节该装配装置。该装配装置9及该升降装置2的缆绳优选由钼制成。但由钨制成的缆绳同样也是优选的。

该整个支撑装置1本身是固定的。该支撑装置1不具有可相对移动的部件。在本发明的范畴内，“支撑装置”一词不包括装配装置9及升降装置2，仅包括优选呈笼状、优选由石英玻璃制成的单件式支撑体，如图1或图2所示。

因为在拉晶过程的起始阶段将支撑装置1浸入半导体材料的熔液4内(图6至图9)，构成该支撑装置1的材料优选能够承受熔液4及其中的高温。

在制造硅单晶的情况下，该支撑装置1优选由石英玻璃制成。在使用石英玻璃时，应注意结晶过程及腐蚀现象仅允许使用有限次，因此在使用一定次数之后，必须更换该支撑装置1。

为使单晶8的生长过程不受熔液滴的干扰，这些熔液滴在支撑装置1从熔液4升起时附着在支撑装置1上，随后落回熔液4中，优选地构成该支撑装置1，使得所有与熔液4接触的区域的表面上均不会形成悬挂的熔液滴。整个支撑装置1优选具有使熔液更容易从表面流下的形状。

这可通过以下方式实现：支撑装置1的表面不具有水平面，即不具有位于垂直于轴16的平面内的面。例如，图1所示的横梁131并不是水平的，而是倾斜装配的。倾斜装配使熔液更容易流下，并且防止形成附着在横梁131上的液滴。同理，连接元件133也不是水平的，而是倾斜装配的。在其最低点，连接元件133与垂直或倾斜走向的连接元件132相连，熔液可于该处继续向下流。承重元件121也不具有水平的面，而是以更容易使熔液流下的方式构成的。

此外，该支撑装置优选具有至少一个流下装置15，以确保在支撑装置1从熔液4升起时使熔液4流下。优选每个垂直或倾斜的连接元件132在其下端均装配有流下装置15，该流下装置15优选以连接元件132的圆锥形延伸体的方式构成。由此还可防止在与熔液4接触的支撑装置1的最后位置处，残留的熔液在支撑装置1上发生固化。固化的残留熔液在继续实施拉晶过程时会脱落，并以此方式干扰结晶过程。

本发明支撑装置的制造是玻璃吹制领域的技术人员所熟知的，所以不加以说明。

本发明还涉及借助于Czochralski坩埚拉伸法制造半导体材料单晶8的方法，该方法包括以下步骤：

a)将根据本发明的支撑装置1部分浸入半导体材料的熔液4内，从而将承重装置121、122置于熔液4表面的下方，

b)通过将晶种7从熔液4拉出，拉起直径为D₃的细颈81，其中该支撑装置1环绕着该细颈81而不与其接触，

c)拉起最大直径为D₄的增粗部分82，其中D₁<D₄<D₂，以及位于其下的最小直径为D₅的变细区域83，其中D₃<D₅<D₁，该支撑装置1环绕着该增粗部分82而不与其接触，

d)将支撑装置1从熔液4中升起，从而使该支撑装置1不再与熔液4接触，

e)拉起直径持续增加的单晶块84，

f)拉起直径为D₆的圆柱形单晶块85，其中D₆>D₅，及

g)将支撑装置1升起，从而使该承重装置121、122从下向上接触并支撑该增粗部分82。

根据本发明的方法如图5至图12所示。具有不同的区域和直径的单晶8及其与本发明支撑装置的关系在图4内放大加以图示。

在拉晶方法实际开始之前，将位于坩埚3内的根据现有技术通常为多晶的半导体材料熔化。图5所示为该半导体材料熔化后拉晶设备的状态。固定在拉晶设备内部的升降装置2上的支撑装置1位于坩埚3上方的等待位置。

在该方法的步骤a)内，将该支撑装置1部分浸入半导体材料的熔液4内，从而使该承重装置121、122位于该熔液4表面的下方(图6)。因此，该支撑装置1优选由在主要温度条件下能够基本上承受熔液4的材料制成。若该熔液4是硅，则例如石英玻璃适合作为该支撑装置1的材料。在浸入期间支撑装置1不绕其垂直轴16转动，或优选地使该支撑装置绕其垂直轴16的转动与坩埚3的转动同步，也是可以想象的。但特别优选为：在浸入熔液之前使该支撑装置1的转动与熔液4的转动同步。

在步骤b)中，根据现有技术将固定于晶种支架5上的晶种7浸入熔液4内(图7)，并以特定的速率再次提起。(该晶种支架5固定在进给装置6上。该进给装置6用于夹持并垂直移动，即提升及降低该晶种支架5。该进给装置6例如是杆状物或由一根或更多根缆绳组成。)调节拉伸速率，即该进给装置6垂直向上移动晶种7的速率，使邻近晶种7形成具有缩小的直径D₃的区域，其构成细颈81(图8)。拉伸速率、拉伸过程的其他参数和生长中的单晶8的直径之间的关系是本领域技术人员所熟知的，所以不作进一步说明。该细颈在浸入的支撑装置1内的熔液4的表面上生长，但不与该支撑装置1接触。优选调节该晶种7及支撑装置1，使晶种的轴与支撑装置1的轴16重合。这适用于本发明方法的所有其他过程。

优选在步骤a)已结束时，才开始步骤b)。所以，优选首先将支撑装置浸入熔液4内，然后才将晶种7送至熔液4或浸入其中。

在步骤c)中，提起具有最大直径D₄的增粗部分82。这通常是通过以下步骤实现的：降低拉伸速率，从而使生长中的单晶8的直径增加至最大值D₄，随后增加拉伸速率，从而使直径再次缩小。以此方式可制得增粗部分，如双锥体。该增粗部分82的最大直径D₄满足D₁<D₄<D₂的条件。所以该增粗部分82的最大直径D₄大于承重装置121、122区域内的支撑装置1的中心开口的直径D₁，但同时小于承重装置121、122上方区域内的支撑装置1的中心开口的直径D₂。这意谓着该增粗部分82可在该支撑装置1内部生长并找到位置，但不接触该支撑装置1。

在制成增粗部分82之后，拉伸变细的区域83。其最细处的直径为D₅，直径D₅满足D₃<D₅<D₁的条件。该变细区域83的直径D₅必须大于细颈81的直径D₃，这是因为在增粗部分82处额外支撑生长中的单晶8。所以，变细区域83的粗细必须能够可靠地承载单晶8的全部质量。但另一方面，该变细区域83的直径D₅必须小于承重装置121、122区域内的支撑装置1的中心开口的直径D₁，从而使该变细区域83可在该开口内以不接触的方式生长并找到位置。图9所示为拉伸变细区域83期间拉伸该增粗部分82之后的状况。该支撑装置1的下部仍浸入熔液4内。

在步骤d)中，用该升降装置2提升该支撑装置1，使其不再与该熔液4相接触(图10)。通过上述支撑装置1的设计，可防止在从熔液4提升该支撑装置1时于其上形成悬挂的熔液滴。落回熔液4中的液滴会干扰该结晶过程，并导致晶体缺陷。由于上述直径D₁、D₂、D₄及D₅相互匹配而确保在任何区域内，该支撑装置1不从侧面接触生长中的单晶8。在步骤d)中，优选仅提升该支撑装置1，使该承重装置121、122仍不从下向上接触该增粗部分82(图10)，这是因为该支撑装置仍在温度非常高的区域内，所以尚未达到机械稳定。优选在步骤c)期间实施步骤d)，特别优选在步骤c)的最终阶段，即拉伸变细区域83期间实施步骤d)。

在步骤e)中，优选通过降低拉伸速率拉起直径连续增加的单晶块84(图10)，直至达到预期的直径D₆。该单晶块84例如可采用圆锥形。所以该单晶块84也称作起始锥体。在该步骤期间，优选连续地提升该支撑装置1，使该支撑装置1不接触该增粗部分82。提升该支撑装置1的速率例如可与拉伸速率相同。

最后，在步骤f)中，拉起具有恒定直径D₆的圆柱形单晶块85。在该步骤的第一阶段，优选继续连续地提升该支撑装置1，使该支撑装置1仍不接触该增粗部分82，直至该支撑装置1充分冷却并且机械稳定，从而能够承载单晶8的一部分重量。

最后，在步骤g)中，提升该支撑装置1，使该承重装置121、122从下向上接触该增粗部分82，并承载生长中的单晶8的一部分重量(图11)。优选于预定的时间减缓提升，或在圆柱形单晶块85达到预定长度或该单晶8达到预定重量时减缓提升。优选在作用于支撑装置上的重量达到预定值时自动停止提升。

步骤g)原则上可在步骤c)中制造增粗部分82之后，即在步骤d)、e)或f)期间的任意时间实施。但优选在该支撑装置1冷却至能够承载重荷时，才开始步骤g)。在开始步骤g)时，该支撑装置已具有弹性，但仍在点负荷的作用下发生变形。点负荷下的轻微变形确保承重装置121、122对该增粗部分82提供最优的均匀支撑。实施步骤g)的精确时间优选适合于支撑装置1的材料特性。但步骤g)通常在步骤f)期间，即在拉起圆柱形单晶块85期间实施。优选使该支撑装置1绕其垂直轴16的旋转与单晶绕其纵轴的旋转同步，然后使该支撑装置从下向上接触该增粗部分82。

在继续实施步骤f)而圆柱形单晶块85的长度增长时，优选以与拉伸速率相同的速率提升该支撑装置1。通过继续提升，使该支撑装置持续地进一步远离该热熔液4，并且冷却得更快。所以，在步骤f)期间，该支撑装置可承载增大的负荷。

根据现有技术，通过拉起直径缩小的单晶块86以结束拉晶过程。该单晶块通常称作终端锥体。图12所示为拉晶设备中拉晶过程结束之后的状况。为了将该单晶8从该拉晶设备取下，优选借助于合适的装置从下方及从侧面加以支撑，并将该单晶的变细区域83切断。在取下具有区域84、85及86的单晶8的下部之后，可将晶种7连同该单晶的上部区域81及82去掉。

因为根据本发明省略了相互移动地放置的支撑装置部件，可以阻止磨损的形成，并因而抑制干扰性微粒的产生。此外，例如一氧化硅粉尘的沉积物不会导致承重元件或转动连接件发生故障。

在整个拉晶过程(即位于坩埚内的半导体材料的熔化、稳定化作用、晶种的初始运动及单晶第一区域的制造)中，根据现有技术的支撑装置均曝露在拉伸设备内的气氛中。所以，硅氧化物沉积在该支撑装置上。在该支撑装置移动时，该沉积的硅氧化物的碎屑会立即落下。与此相反，在根据本发明的方法中，拉晶过程的起始阶段，支撑装置的大部分表面位于熔液表面以下，所以未接触环境气氛。因此，硅氧化物几乎不可能沉积在该支撑装置的表面上。在浸入熔液前沉积的硅氧化物在浸没期间再次被溶解。

与仅公开了具有活动部件的支撑装置的现有技术相比，该情形连同活动部件的省略使产生微粒的频率显著降低。

虽然省略了活动部件，本发明可在晶颈区域内的增粗部分处可靠地支撑该生长中的单晶。

Claims (12)

1、支撑装置(1)，其用于在根据Czochralski坩埚拉伸法工作的拉晶设备内支撑半导体材料单晶(8)的细颈(81)处的增粗部分(82)，该支撑装置(1)在其下部区域内具有中心开口的承重装置(121、122)，中心点位于垂直轴(16)上的直径为D₁的圆在水平面内与该中心开口内接，而该承重装置(121、122)通过一个或更多个连接元件(132、133、134)与至少一个安装在承重装置(121、122)上方的固定元件(14)相连，该固定元件(14)适合于固定在该拉晶设备的升降装置(2)上，安装这些连接元件(132、133、134)，使紧临承重装置(121、122)上方的区域内留有自由的空间，中心点位于轴(16)上且其直径D₂大于直径D₁的圆在任意的水平面内与该空间内接，其特征在于，该支撑装置(1)本身是固定的。

2、根据权利要求1所述的支撑装置，其特征在于是由能够承受半导体材料的熔液(4)的材料构成的。

3、根据权利要求2所述的支撑装置，其特征在于是由石英玻璃构成的。

4、根据权利要求1至3之一所述的支撑装置，其特征在于，其结构使得在其表面上不会形成半导体材料的熔液(4)的悬挂的液滴。

5、根据权利要求4所述的支撑装置，其特征在于，其表面不具有任何水平面。

6、根据权利要求4述的支撑装置，其特征在于，其具有至少一个在该支撑装置(1)从熔液(4)升起时使熔液(4)流下的流下装置(15)。

7、借助于Czochralski坩埚拉伸法制造半导体材料单晶(8)的方法，该方法包括以下步骤：

a)将根据权利要求1至6之一所述的支撑装置(1)部分浸入半导体材料的熔液(4)内，从而将承重装置(121、122)置于熔液(4)的表面下方，

b)通过将晶种(7)从熔液(4)拉出，拉起直径为D₃的细颈(81)，其中该支撑装置(1)环绕着该细颈(81)而不与其接触，

c)拉起最大直径为D₄的增粗部分(82)，其中D₁<D₄<D₂，以及位于其下的最小直径为D₅的变细区域(83)，其中D₃<D₅<D₁，该支撑装置(1)环绕着该增粗部分(82)而不与其接触，

d)将支撑装置(1)从熔液(4)中升起，从而使该支撑装置(1)不再与熔液(4)接触，

e)拉起直径持续增加的单晶块(84)，

f)拉起直径为D₆的圆柱形单晶块(85)，其中D₆>D₅，及

g)将支撑装置(1)升起，从而使该承重装置(121、122)从下向上接触并支撑该增粗部分(82)。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤d)中仅提升该支撑装置(1)，使其仍不与该增粗部分(82)相接触。

9、根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在步骤e)中连续地提升该支撑装置(1)，使该支撑装置(1)仍不与该增粗部分(82)相接触。

10、根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在该支撑装置(1)冷却至能够承载负荷时，才实施步骤g)。

11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在步骤f)期间实施步骤g)。

12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，于步骤f)期间在实施步骤g)之后，对该支撑装置(1)施加持续增强的负荷。

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