專利名稱：單晶硅生產(chǎn)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按照切克勞斯基法生產(chǎn)大直徑單晶硅的設(shè)備。更具體地說，本發(fā)明涉及單晶硅的這樣一種生產(chǎn)設(shè)備，該生產(chǎn)設(shè)備包括一裝熔融硅的旋轉(zhuǎn)式石英坩堝;一電阻式加熱器，用以從石英坩堝的側(cè)面加熱石英坩堝;一石英分隔件，用以在石英坩堝中將熔融石英分隔成內(nèi)單晶生長分區(qū)和外原料熔融分區(qū)，分隔件上具有多個(gè)小孔供熔融硅從其中通過;和原料進(jìn)料裝置，用以將原料饋入原料熔融分區(qū)中。
在大規(guī)模集成電路技術(shù)領(lǐng)域中，對單晶硅直徑的要求一年比一年大。目前，最新的器件采用了直徑6英寸的單晶硅。據(jù)說將來會(huì)需要直徑10英寸或以上的晶體，例如，直徑12英寸的晶體。
按照切克勞斯基法(CZ法)，這是一種周知的生產(chǎn)大直徑單晶硅的方法，坩堝中熔融硅的量是隨單晶的生長而減少的。因此隨著晶體的生長，晶體中摻雜劑的濃度增加，而氧的濃度減小。換句話說，晶體的性能沿晶體的生長方向變化。鑒于對單晶硅質(zhì)量的要求隨著大規(guī)模集成電路集成度年復(fù)一年的提高而日益嚴(yán)格，上述問題必須解決。
作為解決上述問題的一個(gè)措施，有一種已知的老方法是用具有許多供熔融硅流通用的小孔的石英坩堝將普通切克勞斯基法的石英坩堝內(nèi)部加以分隔，使其內(nèi)側(cè)形成單晶生長分區(qū)，其外側(cè)形成原料熔融分區(qū)，從而在原料硅連續(xù)饋入原料熔融分區(qū)的同時(shí)，內(nèi)側(cè)上生長出圓柱形的單晶硅。此外，迄今已公開了許多這方面有關(guān)的專利(日本專利公報(bào)40-10184，日本公開專利62-241889，日本公開專利63-233092，日本公開專利63-319287，日本公開專利64-76992和日本公開專利1-96087)。
但象上述那樣在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上采用里面加了分隔件的雙層結(jié)構(gòu)坩堝來制造單晶硅時(shí)，熔融硅中的熱環(huán)境正好與采用不帶任何分隔件的普通單層結(jié)構(gòu)坩堝的情況相反。
圖9和10分別為上述單層結(jié)構(gòu)坩堝和雙層結(jié)構(gòu)坩堝的縱向剖視圖。該二圖中，編號(hào)21表示坩堝，22為分隔件，4為熔融硅，5為提拉單晶硅，12為通過分隔件22供熔融硅流通用的小孔。此外，圖中箭頭表示熔融硅的對流方向。圖9的情況是坩堝側(cè)壁部分的溫度比坩堝底部部分高。就是說，通過坩堝側(cè)壁比起通過坩堝底部部分供應(yīng)的熱量多。這一事實(shí)即反映在石英坩堝21中的熔融硅的對流主要是按圖9箭頭所示的流動(dòng)方向進(jìn)行。但與圖9的情況相比，要使

圖10的情況中通過坩堝側(cè)面提供給單晶生長分區(qū)的熱量，比通過坩堝21的底部部分輸入的熱量比例有所增加。這是因?yàn)榉指艏?2的側(cè)面遠(yuǎn)離熱源，而且在溫度方面，原料熔融分區(qū)的熔融硅4中的溫度分布在底部部分的溫度要比其余部分高。在通過底部部分輸入的熱量比例大的熱環(huán)境下，單晶生長分區(qū)中熔融硅的熱對流必然主要取圖10所示的對流方式，而這正好與圖9的相反。在這種對流情況下，坩堝21底部部分中的高溫熔融硅直接移動(dòng)到單晶硅的固-液界面，于是產(chǎn)生了妨得單晶硅平穩(wěn)提拉的問題。
本發(fā)明即根據(jù)上述情況提出的，因而本發(fā)明的目的是提供這樣一種單晶硅生產(chǎn)設(shè)備，該設(shè)備采用帶分隔件的雙層結(jié)構(gòu)坩堝，使坩堝底部部分中的高溫熔融硅不致移動(dòng)到固-液界面，從而確保單晶硅的平穩(wěn)提拉。
第一種發(fā)明的單晶硅生產(chǎn)設(shè)備包括一裝熔融硅的旋轉(zhuǎn)式石英坩堝;一電阻式加熱器，用以從石英坩堝的側(cè)面加熱石英坩堝;一石英分隔件，配置得使其將坩堝中的熔融硅分隔成內(nèi)單晶生長分區(qū)和外原料熔融分區(qū)，石英分隔件上有許多小孔供熔融硅從其中通過;和原料進(jìn)料裝置，用以將原料硅連續(xù)送到原料熔融分區(qū)中;其特征在于，分隔件為坩堝式的，分隔件底部部分緊固在石英坩堝底部內(nèi)表面上，且分隔件在熔融硅表面上方的平均壁厚大于3毫米，但小于分隔件在熔融硅表面下方平均壁厚的80%。
第二種發(fā)明的單晶硅生產(chǎn)設(shè)備包括一裝熔融硅的旋轉(zhuǎn)式石英坩堝;一電阻式加熱器，用以從石英坩堝的側(cè)面加熱石英坩堝;一石英分隔件，配置得使其將石英坩堝中的熔融硅分隔成在內(nèi)側(cè)的單晶生長分區(qū)和在外側(cè)的原料熔融分區(qū)，石英分隔件上有許多小孔供熔融硅從其中通過;和原料進(jìn)料裝置，用以將原料硅連續(xù)送到原料熔融分區(qū)中;其特征在于，分隔件是坩堝式的，分隔件的底部部分緊固在石英坩堝的底部內(nèi)表面上，且分隔件底部部分的內(nèi)徑小于分隔件側(cè)面外徑，分隔件底部部分則支撐在外徑大于分隔件內(nèi)徑的圓柱形石英件上。由于這些特點(diǎn)，在單晶生長分區(qū)內(nèi)通過側(cè)面部分輸入的熱量比通過底部部分輸入的熱量增加，從而使熔融硅的熱環(huán)境與普通單層結(jié)構(gòu)坩堝內(nèi)的熱環(huán)境相同，而且還避免了分隔件經(jīng)一段長時(shí)間后下沉變形。
圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的單晶硅生產(chǎn)設(shè)備。圖2是該實(shí)施例分隔件的縱向剖視圖，分隔件上部分的厚度呈階梯式地減小。圖3是分隔件壁厚與下沉變形量的關(guān)系曲線。圖4是該實(shí)施例的分隔件的縱向剖視圖，分隔件上部分的厚度呈錐形地減小。圖5是支撐在圓柱形石英件上的分隔件的縱向剖視圖。圖6是圓柱形石英件內(nèi)徑與分隔件下沉變形量的關(guān)系曲線。圖7是支撐在圓柱形石英件上的分隔件變形的一個(gè)對比實(shí)例的縱向剖視圖。圖8是上部分和下部分的壁厚不同且支撐在圓柱形石英件上的分隔件的縱向剖視圖。圖9是熔融硅在單層結(jié)構(gòu)坩堝內(nèi)對流的示意圖。圖10是熔融硅在雙層結(jié)構(gòu)坩堝內(nèi)對流的示意圖。圖11是帶分隔件且單晶生長分區(qū)底部部分的石英厚度增加的普通坩堝的縱向剖視圖。圖12a是采用普通坩堝式分隔件時(shí)的縱向剖視圖。圖12b則是在圖12a同樣的情況下坩堝式分隔件變形時(shí)的縱向剖視圖。
各附圖中，編號(hào)1表示石英坩堝，2石墨坩堝，3軸架，4熔融硅，5單晶硅，6電阻式加熱器，7隔熱件，8爐室，11坩堝式分隔件，12小孔，14原料進(jìn)料裝置，30圓柱形石英件，31通孔。
首先要說明我們在發(fā)現(xiàn)本發(fā)明為止所進(jìn)行的調(diào)查研究。為克服上述圖10中所示在石英坩堝中配置了圓柱形分隔件的那種雙層結(jié)構(gòu)坩堝的缺陷，我們第一步研究了采用圖11所示的單晶生長分區(qū)底部部分的石英壁厚增加了的那種雙層結(jié)構(gòu)坩堝。圖中，編號(hào)1表示與分隔件11構(gòu)成一個(gè)整體的的坩堝，分隔件11具有小孔12，且其單晶生長分區(qū)底部的厚度比其它部分都已加大。
通過增加單晶生長分區(qū)底部中石英的厚度可以減少單晶生長分區(qū)內(nèi)通過底部供應(yīng)的熱量。結(jié)果可以相對增加通過單晶生長分區(qū)輸入的熱量，而且可以獲得與采用普通單層結(jié)構(gòu)坩堝情況時(shí)的相同的熱對流。但在工業(yè)上使用各不同部分的壁厚不均勻的坩堝，從生產(chǎn)成本的角度看是會(huì)有問題的。
于是，作為第二步，我們這樣考慮為構(gòu)制一個(gè)單晶分區(qū)底部部分的石英厚度加大了的雙層結(jié)構(gòu)坩堝，在石英坩堝內(nèi)加一個(gè)堝腔比石英坩堝的堝腔小的坩堝式分隔件可以達(dá)到同樣的效果。
但將堝腔不同的兩個(gè)石英坩堝裝配起來構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu)坩堝會(huì)產(chǎn)生下列問題。換句話說，從生產(chǎn)的觀點(diǎn)看，普通石英坩堝的底部不可避免地會(huì)有一個(gè)曲率半徑。就是說，普通石英坩堝的形狀取決于其堝腔、坩堝底部部分的曲率半徑和坩堝底部和側(cè)面部分的連接部分的曲率半徑。將堝腔不同的兩個(gè)石英坩堝裝配起來構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu)坩堝時(shí)，在石英坩堝內(nèi)表面與坩堝式分隔件底部外表面之間形成對應(yīng)于曲率半徑之差的空間。
為將上述空間減小到最小程度，首先必須使石英坩堝底部內(nèi)表面的曲率半徑R1與坩堝式分隔件底部外表面的曲率半徑R3彼此相等，如圖2所示。此外，坩堝式分隔件R4的值必須盡可能小。但按照一般制造方法，要將R4值完全減到零是不可能的。舉例說，若在直徑20英寸的石英坩堝中設(shè)置一個(gè)直徑14英寸、R3等于R1、R4為50毫米的坩堝式分隔件，由此構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu)坩堝，則在坩堝式分隔件底部外表面與石英坩堝底部內(nèi)表面之間形成最大約15毫米的空間。
這種形狀的雙層結(jié)構(gòu)坩堝使用20小時(shí)以上時(shí)會(huì)有這樣的問題坩堝式分隔件浸漬在高溫熔融硅的部分軟化，于是隨著時(shí)間的推移，坩堝式分隔件在自身重量的作用下下沉。圖12a和12b分別為壁厚均勻的坩堝式分隔件11同心配置在坩堝1中的示意縱向剖視圖，編號(hào)12表示熔融硅4流通用的小孔。圖12a示出了單晶生長前的情況，圖12b示出了單晶生長后的情況。坩堝1和坩堝式分隔件11在單晶生長之前是一樣的，但在單晶生長之后坩堝式分隔件下沉，其高度變小了。
由于坩堝式分隔件下沉，熔融硅的位置變了或單晶生長分區(qū)和原料熔融分區(qū)的體積分別發(fā)生變化，因而晶體生長情況隨時(shí)間而變。此外還產(chǎn)生了其它問題，例如貫穿坩堝式分隔件供熔融硅流通的小孔堵塞，坩堝式分隔件外側(cè)熔融硅的量減少等等。
現(xiàn)在談?wù)劚景l(fā)明基于上述想法作為第三步驟的一個(gè)實(shí)施例。圖1采用上述石英坩堝提拉單晶硅時(shí)所采用的單晶硅生產(chǎn)設(shè)務(wù)的剖視圖。圖中，編號(hào)1表示裝在石墨坩堝2中的石英坩堝，石墨坩堝2可垂直移動(dòng)，且可轉(zhuǎn)動(dòng)地支撐在軸架3上。編號(hào)4表示裝在坩堝1中的熔融硅，生長成圓柱形的單晶硅5則從熔融硅4中提拉。編號(hào)6表示圍繞石墨坩堝2的電阻式加熱器，7為熱區(qū)隔熱件，8則為呈密閉容器形式的爐室。這些零部件基本上與普通切克勞斯基法提拉單晶的設(shè)備的一樣。編號(hào)14表示硅原料進(jìn)料裝置，17為硅原料，15和16為溫度檢測器。
圖2是圖1所示的單晶硅生產(chǎn)設(shè)備中坩堝1經(jīng)放大的縱向剖視圖。圖中，編號(hào)1表示石英坩堝，11為坩堝式分隔件。坩堝式分隔件11在石英坩堝1中同心配置。坩堝式分隔件11事先熔合到石英坩堝1上。編號(hào)12表示貫穿分隔件形成的小孔，這樣在單晶硅5生長的過程中熔融硅就單向地從分隔件外側(cè)供應(yīng)到內(nèi)側(cè)。按照本實(shí)施例，石英坩堝1包括一石英坩堝，這個(gè)石英坩堝的內(nèi)徑為484毫米，外徑為500毫米，底部內(nèi)表面的曲率半徑R1為500毫米，底部部分與側(cè)面部分的連接部分的曲率半徑R2為120毫米，坩堝高度為250毫米。坩堝式分隔件11包括這樣的石英坩堝，其外徑為350毫米，R3為500毫米，R4為50毫米，坩堝高度為250毫米。坩堝式分隔件從其底部延伸到110毫米高的部分的平均壁厚選取14毫米，其余上部分的平均壁厚選取5毫米。
在圖1所示的單晶硅生產(chǎn)設(shè)備中，用圖2所示的那種雙層結(jié)構(gòu)石英坩堝熔化25公斤硅原料之后就提拉單晶，這樣不僅減少了通過單晶生長分區(qū)底部部分輸入的熱量，而且實(shí)際上防止了坩堝式分隔件的下沉，這樣一來，即使經(jīng)過長時(shí)間之后，也可以平穩(wěn)地提拉單晶硅。
為證實(shí)本發(fā)明實(shí)施例的效果，我們觀察了坩堝式分隔件11在下列情況下的下沉變形量坩堝式分隔件11在熔融硅表面下(坩堝式分隔件底部部分與下方110毫米之間的部分)的平均壁厚分別取7毫米和14毫米，熔融硅上方部分的平均壁厚在上述各情況不同。圖3示出下列實(shí)驗(yàn)中下沉變形的測定結(jié)果往石英坩堝1中加入25公斤硅原料，加熱并熔融之，經(jīng)過40小時(shí)之后測定坩堝式分隔件11的下沉變形量。
從圖3可以看到，在坩堝式分隔件11的壁厚均勻增大(從7毫米變到14毫米時(shí))的情況下，坩堝的剛度是增加了，但其熔融硅上方圓柱形部分的重量也增加了，因此坩堝底部部分變形。我們發(fā)現(xiàn)，熔融硅表面上方坩堝式分隔件11的平均壁厚選取小于熔融硅下方分隔件平均壁厚的80%可以避免分隔件有任何下沉?xí)r對單晶生長的產(chǎn)生的影響。我們還發(fā)現(xiàn)，如果把熔融硅上方部分的平均壁厚減小到3毫米以下，則可以防止坩堝式分隔件的任何下沉變形，但在熔融硅上方的部分卻產(chǎn)生彎曲變形。
圖4是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，該實(shí)施例系設(shè)計(jì)得使坩堝式分隔件側(cè)面部分的壁厚往上端呈錐形地減小。
此外如圖1或圖4所示上下部分平均壁厚值不同的坩堝結(jié)構(gòu)可用這樣的二部結(jié)構(gòu)代替，該二部結(jié)構(gòu)包括上部分和下部分，兩部分分別制造，使用時(shí)適于連接在一起。例如圖2中厚壁的下部分11a和有待暴露在熔融硅表面的薄壁上部分11b可以分別制造，可以在下部分11a中設(shè)一些凹口，這樣就可以在凹口處將上部分11b與下部分11a適配起來。不然下部分11也可以不設(shè)凹口而在下部分11a的頂部焊上棘爪狀的石英凸出物，用這些突出物與上部分11b接合。
參看圖5，圖中示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。分隔件11的底部部分支撐在圓柱形石英件30上。圖5中，石英坩堝1的尺寸和形狀與圖1所示的坩堝1相同。分隔件11外表面的形狀與圖1所示的分隔件11相同，壁厚均勻，為7毫米。另一方面，圓柱形石英件30的內(nèi)徑為336毫米，壁厚為7毫米，高度為15毫米，其側(cè)面開有直徑5毫米的通孔，在八處等間距配置。
圖6示出了為證實(shí)圖5所示實(shí)施例的效果而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)采用了圓柱形石英件30進(jìn)行，該石英件壁厚均勻，為7毫米，但有不同的內(nèi)徑。此外，為適應(yīng)雙層結(jié)構(gòu)石英坩堝的形狀，要將各圓柱形石英件的高度取得使圓柱形石英件既與石英坩堝的底部內(nèi)表面接觸，也與坩堝式分隔件底部外表面接觸。坩堝中裝25公斤硅原料。圖6示出了在上述實(shí)驗(yàn)條件下熔化硅原料之后40小時(shí)期滿時(shí)坩堝式分隔件的下沉變形量與圓柱形石英件內(nèi)徑之間的關(guān)系。
從圖6可以看出，若圓柱形石英件30的內(nèi)徑大于350毫米，圓柱形石英件和坩堝式分隔件彼此不接觸，因此當(dāng)然不會(huì)產(chǎn)生防止坩堝式分隔件產(chǎn)生任何下沉的效果。
圖7示出了這樣一個(gè)對比情況圓柱形石英件30的外徑小于分隔件11的內(nèi)徑，可以看出，在圖6各實(shí)驗(yàn)條件和單晶生長之后的情況下，坩堝式分隔件會(huì)產(chǎn)生下沉變形。
圖8示出了本發(fā)明國另一個(gè)實(shí)施例，其中圖1所示上下部分壁厚不同的分隔件系支撐在上述圓柱形石英件30上。按照本實(shí)施例，單晶硅可提拉得比圖5實(shí)施例的情況更穩(wěn)定。
按照本發(fā)明制造單晶硅的坩堝，由于分隔個(gè)是坩堝式的，分隔件在熔融硅表面上方部分的壁厚減小，且分隔件系支撐在圓柱形石英件上，因而改善了單晶生長分區(qū)內(nèi)熔融硅的熱環(huán)境，而且防止了坩堝式分隔件的任何下沉變形，從而使單晶硅的提拉能平穩(wěn)進(jìn)行。
作為單晶硅生產(chǎn)設(shè)備，本發(fā)明不僅適宜制造硅材料的單晶，而且也適宜制造硅以外的其它材料的單晶。
權(quán)利要求
1.一種單晶硅生產(chǎn)設(shè)備，包括一裝熔融硅的旋轉(zhuǎn)式石英坩堝；一電阻式加熱器，用以從石英坩堝的側(cè)面加熱石英坩堝；一石英分隔件，配置得使其將所述熔融硅分隔成在其內(nèi)側(cè)的單晶生長分區(qū)和在其外側(cè)的原料熔融分區(qū)，所述分隔件上有許多小孔供所述熔融硅從其中通過；和原料進(jìn)料裝置，用以將原料硅連續(xù)提供給所述原料熔融分區(qū)中，所述設(shè)備的特征如下所述分隔件是坩堝式的；所述分隔件的外表面緊固在所述石英坩堝的底部內(nèi)表面上；且所述分隔件在所述熔融硅表面上方的壁厚為3毫米或以上，且小于所述分隔件在所述熔融硅表面下方平均壁厚值的80%。
2.一種單晶硅生產(chǎn)設(shè)備，包括一裝熔融硅的旋轉(zhuǎn)式石英坩堝;一電阻式加熱器，用以從石英坩堝的側(cè)面加熱石英坩堝;一石英分隔件，用以將所述熔融硅分隔成在其內(nèi)側(cè)的單晶生長分區(qū)和在其外側(cè)的原料熔融分區(qū)，所述分隔件上有許多小孔供熔融硅從其中通過;和原料進(jìn)料裝置，用以將原料硅連續(xù)提供給所述原料熔融分區(qū)中;所述設(shè)備的特征如下;所述分隔件是坩堝式的;所述分隔件底部外表面的中心部分緊固在所述石英坩堝的底部內(nèi)表面上;且所述分隔件底部部分的內(nèi)徑小于所述分隔件側(cè)面外徑，且所述分隔件底部部分支撐在外徑大于所述分隔件內(nèi)徑的圓柱形石英件上。
3.如權(quán)利要求1所述的單晶硅生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于，所述分隔件的底部部分支撐在外徑大于所述分隔件內(nèi)徑的圓柱形石英件上，且其內(nèi)徑小于所述隔件的側(cè)面外徑。
4.如權(quán)利要求2所述的單晶硅生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于，所述圓柱形石英件上開有許從小孔通過其外徑和內(nèi)徑。
5.如權(quán)利要求3所述的單晶硅生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于，所述圓柱形石英件上開有許多小孔通過其外徑和內(nèi)徑。
全文摘要
一種單晶硅生產(chǎn)設(shè)備，用以按照坩堝旋轉(zhuǎn)的切克勞斯基法高速提拉大直徑單晶硅。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于，分隔件是坩堝式的，熔融硅表面上方分隔件的厚度不小于3毫米，且不大于熔融硅表面下方分隔件厚度的80％，分隔件的底部部分緊固在坩堝底部部分上，且分隔件支撐在圓柱形石英件上。
文檔編號(hào)H01L21/208GK1056137SQ9110292
公開日1991年11月13日 申請日期1991年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1990年4月27日
發(fā)明者兼頭武, 神尾寬 申請人:日本鋼管株式會(huì)社