專利名稱：拉晶機(jī)用的熱屏蔽裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于生長(zhǎng)單晶半導(dǎo)體材料的拉晶機(jī)，并且更特別地涉及供這樣的拉晶機(jī)用的熱屏蔽裝置。
單晶半導(dǎo)體材料是制作許多電子部件的原料，其通常采用Czochralski(“Cz”)方法制造。在該方法中，將多晶半導(dǎo)體原材料如多晶體的硅(“多晶硅”)在坩堝中熔化。然后將一籽晶降下到熔融材料中并慢慢升起以生長(zhǎng)一單晶棒，在使棒生長(zhǎng)時(shí)，通過(guò)降低拉出率和/或熔化溫度形成上端圓錐體，借此加大棒的直徑，直到達(dá)到一目標(biāo)直徑為止。一旦達(dá)到了目標(biāo)直徑，便通過(guò)控制拉出率和熔化溫度來(lái)形成棒的圓柱形主體以補(bǔ)償降低的熔化程度。在接近生長(zhǎng)過(guò)程結(jié)束但在坩堝變空以前，減小目標(biāo)直徑以形成下端圓錐體，該下端圓錐體從熔體中分離出來(lái)而生產(chǎn)出半導(dǎo)體材料的成品棒。
雖然傳統(tǒng)的Cz方法對(duì)于生長(zhǎng)供各種各樣用途之用的單晶半導(dǎo)體材料是令人滿意的，但進(jìn)一步改善半導(dǎo)體材料的質(zhì)量是需要的。例如，當(dāng)半導(dǎo)體制造廠要減小半導(dǎo)體上形成的集成電路線的寬度時(shí)，材料中存在的顯微缺陷就成為很大的問(wèn)題。單晶半導(dǎo)體材料中的缺陷是晶體在拉晶機(jī)中固化和冷卻時(shí)形成的。這樣的缺陷的產(chǎn)生部分地是由于存在著過(guò)量的所謂空位和晶隙的固有的點(diǎn)缺陷(即密度超過(guò)可溶性極限)所致。
從單晶棒切成的晶片的質(zhì)量的一個(gè)重要的度量是柵氧化層完整性(Gate Oxide Integrity)(“GOI”)。空位，如其名稱所提示的，是由于一硅原子在晶格中不存在或“空位”造成的。當(dāng)由坩堝中的熔融硅向上拉出晶體時(shí)，其立即開(kāi)始冷卻。當(dāng)晶棒的溫度下降時(shí)，可熔性極限也降低。因而高溫下存在的點(diǎn)缺陷成顯微缺陷(空穴)的形式析出，或者它們移向晶體的側(cè)表面。這一般發(fā)生在晶體經(jīng)由1150℃至1500℃的溫度范圍冷卻時(shí)。
由棒切成的并按照傳統(tǒng)的方法制造的硅片往往包括在晶片表面上形成的氧化硅層。電子電路組件例如金屬—氧化物—硅集成電路(MOS)組件是在這樣的氧化硅層上制作的。由在生長(zhǎng)的晶體中存在的結(jié)塊而造成的晶片表面上的缺陷導(dǎo)致該氧化層不良的生長(zhǎng)。氧化層的質(zhì)量經(jīng)常指的是氧化膜介電質(zhì)的擊穿強(qiáng)度，其可以通過(guò)在氧化層上制作MOS組件和實(shí)驗(yàn)該組件定量地來(lái)測(cè)定。晶體的柵氧化層完整性(GOI)是在由晶體加工的晶片的氧化層上操作的組件的百分?jǐn)?shù)。
業(yè)已確定由Czochralski方法生長(zhǎng)的晶體的GOI可以通過(guò)延長(zhǎng)生長(zhǎng)的棒保持在高于1000℃的溫度范圍內(nèi)的時(shí)間，并更特別是延長(zhǎng)保持在1150℃～1050℃范圍內(nèi)的時(shí)間來(lái)改善。如果棒經(jīng)由這個(gè)溫度范圍冷卻過(guò)快，空位將沒(méi)有足夠的時(shí)間凝結(jié)在一起，而在棒內(nèi)產(chǎn)生大量的小結(jié)塊。這種不良情況導(dǎo)致大量的小空穴散布在晶片的表面上，從而對(duì)GOI產(chǎn)生不利的影響。降低棒的冷卻率以使其溫度在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)保持一較長(zhǎng)時(shí)間而使更多的空位可以在棒內(nèi)形成更大的結(jié)塊。其結(jié)果是小量的大結(jié)塊，從而由于減少了用來(lái)構(gòu)成MOS組件的晶片上存在的缺陷數(shù)量而改善GOI。
改善GOI的另一種方法是控制在棒內(nèi)生長(zhǎng)的空位數(shù)量。當(dāng)然空位和自身晶隙的型式和原始密度受控于生長(zhǎng)速度(即拉出率)(v)與在固化時(shí)間內(nèi)棒內(nèi)當(dāng)?shù)氐妮S向溫度梯度(Go)的比值，其中空位和自身晶隙在棒固化時(shí)在棒內(nèi)變成固定的。當(dāng)該比值(v/Go)的值超過(guò)一臨界值時(shí)?？瘴坏拿芏仍黾樱瑯?，當(dāng)v/Go的值低于該臨界值時(shí)，自身晶隙的密度增加。
增加這個(gè)比值的一種方法是提高棒的拉出率(即生長(zhǎng)速率，v)。然而，拉出率的提高在給棒以足夠的時(shí)間冷卻和固化時(shí)將造成棒直徑上的扭曲。為此，已知在坩堝內(nèi)熔體表面的上方在坩堝側(cè)壁與生長(zhǎng)的棒之間設(shè)置一熱屏蔽裝置以便保護(hù)棒不受坩堝側(cè)壁的熱之影響。傳統(tǒng)的熱屏蔽裝置一般包括一外反射罩和一內(nèi)反射罩。傳統(tǒng)的熱屏蔽的壁的示意的截面示于圖2中。其外反射罩OR通過(guò)沿環(huán)形上下固定位置間隔開(kāi)的合適的固定件(未示出)固定于內(nèi)反射罩IR使得外反射罩在這些位置直接接觸內(nèi)反射罩。外反射罩OR顯著地短于內(nèi)反射罩IR以使熱屏蔽裝置的上部包括唯一的非絕熱層。反射罩OR、IR成形為限定一容納絕熱材料IN的絕熱腔用以阻止從外反射罩向內(nèi)反射罩的熱傳導(dǎo)。
絕熱材料IN是用來(lái)將內(nèi)反射罩IR的中間部分M與來(lái)自外反射罩OR的熱傳導(dǎo)隔絕以便來(lái)自坩堝壁的熱不能傳給內(nèi)反射罩。提供內(nèi)反射罩IR的較冷卻部分可以使棒在棒被向上拉到與熱屏的部分徑向?qū)R時(shí)較快的冷卻。然而，由于外反射罩OR與內(nèi)反射罩IR之間在上下固定位置處的大表面面積接觸，相當(dāng)多的熱量從外反射罩不希望地直接傳到內(nèi)反射罩上使得內(nèi)反射罩不能象要求的那樣冷卻。這顯著地限制了生長(zhǎng)的棒的拉出率。
由晶棒切成的晶片的質(zhì)量的一個(gè)附加的度量涉及氧誘層積缺陷(Oxygen Induced Stacking Faults)(OISF)。OISF是由當(dāng)棒在熔體表面上固化時(shí)生長(zhǎng)于棒內(nèi)的缺陷引起的。該缺陷是棒的中心與棒的外表面間的軸向溫度梯度的差異的結(jié)果。OISF是按照從晶片的周邊向內(nèi)隔開(kāi)一定距離的環(huán)的方式來(lái)測(cè)定的。也可以測(cè)定在晶片表面的一特定面積內(nèi)的層積缺陷的密度。界面的梯度隨r變化，其導(dǎo)致不同密度的點(diǎn)缺陷。因此，通過(guò)選擇合適的拉出率可以達(dá)到各密度而得到較好的OISF性能。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)的若干目的和特征當(dāng)中可以指出的是，提供一熱屏蔽裝置和一拉晶機(jī)，其便于高質(zhì)量單晶棒的生長(zhǎng)；提供這樣的熱屏蔽裝置和拉晶機(jī)，其減小晶體的軸向溫度梯度上的徑向變化；提供這樣的熱屏蔽裝置和拉晶機(jī)，其具有較快的拉出率，從而提高拉晶機(jī)的產(chǎn)量；提供這樣的熱屏蔽裝置和拉晶機(jī)，其改善GOI和防止OISF的生長(zhǎng)；提供這樣的熱屏蔽裝置。其能夠在拉晶機(jī)內(nèi)有限的空間中操作；以及提供這樣的熱屏蔽裝置，其容易適合于現(xiàn)有的拉晶機(jī)。
概括地說(shuō)，一種供拉晶機(jī)用的熱屏蔽裝置包括一外反射罩和一內(nèi)反射罩。各反射罩大體上同軸線對(duì)準(zhǔn)并且其中心開(kāi)口的尺寸和形狀確定成在從熔融的材料中拉出棒時(shí)圍繞著該棒。當(dāng)從拉晶機(jī)內(nèi)的原材料中向上拉出該棒時(shí)各反射罩總體上插在該棒與坩堝之間。各反射罩成形為限定一容納絕熱材料的絕熱腔。內(nèi)反射罩支承于拉晶機(jī)中與外反射罩和沿內(nèi)反射罩的至少一部分的絕熱材料總體上成間隔開(kāi)的關(guān)系以阻止從外反射罩和絕熱材料向內(nèi)反射罩的熱傳導(dǎo)使得內(nèi)反射罩與外反射罩和絕熱材料間隔開(kāi)的部分在拉晶機(jī)操作過(guò)程中顯著地冷于外反射罩。
在本發(fā)明的另一方面，拉晶機(jī)具有一熱屏。
本發(fā)明的其他目的和特征在下文將更為清楚并部分地指出。
附圖簡(jiǎn)述

圖1為拉晶機(jī)的示意的局部垂直剖面，并具有第一實(shí)施例的熱屏蔽裝置；圖2為現(xiàn)有技術(shù)的熱屏蔽裝置的一部分的示意的截面；圖3為本發(fā)明熱屏蔽裝置的第二實(shí)施例的一部分之示意的截面；圖4為本發(fā)明熱屏蔽裝置的第三實(shí)施例的一部分之示意的截面；圖5為本發(fā)明熱屏蔽裝置的第四實(shí)施例的一部分之示意的截面。
在所有的附圖的幾個(gè)視圖中相同的標(biāo)記表示相同的部件。
優(yōu)選實(shí)施例的詳述現(xiàn)在參照附圖，特別是圖1，總體上用標(biāo)號(hào)10表示拉晶機(jī)。拉晶機(jī)用于生長(zhǎng)制造半導(dǎo)體芯片用的那種單晶棒I。拉晶機(jī)10包括一水冷的外殼(總體用12表示)，其內(nèi)部包括晶體生長(zhǎng)室14和設(shè)置在生長(zhǎng)室上方的拉出室16。石英坩堝20設(shè)置在生長(zhǎng)室14內(nèi)用以容納熔融的半導(dǎo)體原材料S，由該材料S生長(zhǎng)出單晶硅棒I。坩堝20固定在裝有電機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)22上，轉(zhuǎn)臺(tái)22繞一垂直軸線旋轉(zhuǎn)坩堝并提升坩堝以便在棒I生長(zhǎng)和從熔體中取走原材料時(shí)將熔融的原材料保持在一恒定的水平。
圍繞著坩堝20的電阻加熱器24熔化坩堝20中的原材料S。加熱器24受外部的控制系統(tǒng)(未示出)控制以便在整個(gè)的拉出過(guò)程中精確地控制熔融的原材料的溫度。圍繞著加熱器24的絕熱體26減少通過(guò)外殼12的各側(cè)面的熱量損失并有助于降低拉晶機(jī)的各內(nèi)壁上的熱載荷，同時(shí)可以使過(guò)程溫度保持在一較低的加熱器功率。
一拉出機(jī)構(gòu)(圖1中只示出其下垂的拉出軸30)旋轉(zhuǎn)一籽晶C并使其通過(guò)生長(zhǎng)室14和拉出室16上下移動(dòng)。首先，拉出機(jī)構(gòu)降低籽晶C通過(guò)室14、16直到其接觸熔融的原材料C的表面。一旦籽晶開(kāi)始熔化，拉出機(jī)構(gòu)便慢慢升起籽晶C通過(guò)室14、16以便生長(zhǎng)單晶棒I。拉出機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)籽晶C的速度和拉出機(jī)構(gòu)升起籽晶的速度(即拉出率v)受控于外部的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)還控制坩堝20在拉出過(guò)程中的移動(dòng)速度。拉晶機(jī)10的總體結(jié)構(gòu)和操作，除以下更充分地說(shuō)明的范圍以外，是傳統(tǒng)的和由本領(lǐng)域的那些普通技術(shù)人員所知道的。
圖2為現(xiàn)有技術(shù)的熱屏蔽裝置A的一個(gè)側(cè)面的示意的垂直截面，其適用于固定于拉晶機(jī)的生長(zhǎng)室內(nèi)以便在熱屏蔽生長(zhǎng)的棒免受坩堝側(cè)壁34的熱輻射的影響?，F(xiàn)有的熱屏蔽裝置A包括一外反射罩OR和一內(nèi)反射罩IR。外反射罩OR通過(guò)合適的固定件(未示出)固定于內(nèi)反射罩IR使得外反射罩分別沿上下環(huán)形的固定位置F1、F2接合內(nèi)反射罩。固定件在圖中沒(méi)有示出。外反射罩OR顯著地短于內(nèi)反射罩IR以使熱屏蔽裝置A的上部U包括唯一的非絕熱層。反射罩OR、IR成形為限定一容納絕熱材料IN的絕熱腔IC用以阻止從外反射罩OR向內(nèi)反射罩IR的熱傳導(dǎo)。裝置A是平截頭錐體的并具有一中心開(kāi)口(未示出)，開(kāi)口尺寸確定成使其在通過(guò)該裝置向上拉出單晶棒時(shí)圍繞著該棒(未示出)。
絕熱材料IN是用來(lái)將內(nèi)反射罩IR的一部分M與來(lái)自外反射罩OR的熱傳導(dǎo)隔絕以便阻止來(lái)自坩堝側(cè)壁34(圖1)的熱傳給內(nèi)反射罩。提供內(nèi)反射罩IR的較冷卻部分M使在棒進(jìn)入與內(nèi)反射罩徑向?qū)R時(shí)增加遠(yuǎn)離該棒的熱傳導(dǎo)，從而提高該棒的冷卻率。熱屏蔽裝置A供較快的拉出率之用而并不造成生長(zhǎng)的棒的扭曲。然而，由于外反射罩OR與內(nèi)反射罩IR之間在上下固定位置F1、F2處的大表面面積接觸，相當(dāng)多的熱量從外反射罩不希望地直接傳到內(nèi)反射罩上，顯著地降低熱屏蔽裝置A的效能和限制拉出率。
再參照?qǐng)D1，總體用50表示的本發(fā)明的熱屏蔽裝置，固定在熔融的原材料S的表面的上方的生長(zhǎng)室14中。在該所述實(shí)施例中，熱屏蔽裝置50總體上包括在同軸線設(shè)置的內(nèi)外反射罩54、56之間容納的絕熱材料52。外反射罩56大體上為圓錐形的并且具有從反射罩頂部徑向向外延伸的環(huán)形凸緣58。凸緣58的尺寸使其可以固定在設(shè)置在生長(zhǎng)室14中的環(huán)形支承環(huán)62上以便支承熱屏蔽裝置50(圖1)。該外反射罩56從環(huán)形凸緣58向內(nèi)和向下傾斜并向下延伸到坩堝20內(nèi)熔體表面上方的一個(gè)位置以便該外反射罩至少部分地插在坩堝側(cè)壁34與生長(zhǎng)的棒I之間。
第二或下環(huán)形凸緣64從外反射罩56的底部徑向向內(nèi)延伸以限定熱屏蔽裝置50的底部。一環(huán)形支承凸緣68從下凸緣64的內(nèi)周邊緣垂直向上延伸以便支承內(nèi)反射罩54，如以下將進(jìn)一步描述的。外反射罩56優(yōu)選由石墨材料構(gòu)成，更特別地由碳化硅涂覆的石墨構(gòu)成。外反射罩56具有限定熱屏蔽裝置50的中心開(kāi)口之中心開(kāi)口72。中心開(kāi)口72的尺寸和形狀確定成使其在使棒生長(zhǎng)和通過(guò)熱屏蔽裝置50在生長(zhǎng)室14內(nèi)向上拉出時(shí)可以圍繞著棒I。例如，所示實(shí)施例的中心開(kāi)口72大體上是圓形的以適應(yīng)圓柱形棒I的大體上圓形截面。
內(nèi)反射罩54也大體上是平截頭錐體的，具有錐形主部分74和從該內(nèi)反射罩錐形主部分的底部大體上垂直向下延伸的固定部分76。如圖1中所示，內(nèi)反射罩54的固定部分76包括從固定部分的頂部大體上徑向向內(nèi)延伸的環(huán)形凸邊78以便固定在外反射罩56的支承凸緣68上。內(nèi)反射罩54由此倚靠在外反射罩56的支承凸緣68上，而使內(nèi)反射罩的固定部分76的底部在外反射罩56的下凸緣64的上方稍稍與之隔開(kāi)。
內(nèi)反射罩54的錐形的主部分74從固定部分76向上和向外傾斜。內(nèi)反射罩54的頂部大體上與外反射罩的上凸緣58對(duì)齊。在該優(yōu)選的實(shí)施例中，內(nèi)反射罩54的錐形的主部分74與外反射罩56徑向間隔開(kāi)一小的距離以便在內(nèi)外反射罩之間只在內(nèi)反射罩的凸邊78固定在外反射罩的凸緣68處接觸。該間隔還可以使外反射罩56在拉晶機(jī)操作過(guò)程中隨著受熱和冷卻而膨脹和收縮并不會(huì)接合和擠壓內(nèi)反射罩54。以這種方式將內(nèi)反射罩54與外反射罩56間隔開(kāi)降低從外反射罩向內(nèi)反射罩傳遞的熱量。在圖1和3所示實(shí)施例中，外反射罩56成形為在內(nèi)外反射罩之間限定一環(huán)形絕熱腔80。絕熱材料52優(yōu)選由具有低熱導(dǎo)率的材料構(gòu)成并容納在絕熱腔80內(nèi)以便進(jìn)一步使內(nèi)反射罩54的一部分絕熱而阻止從外反射罩56向內(nèi)反射罩的熱傳導(dǎo)。內(nèi)反射罩54與腔80中的絕熱材料52成間隔開(kāi)的關(guān)系以阻止從絕熱材料向內(nèi)反射罩的熱傳導(dǎo)。內(nèi)反射罩54優(yōu)選由如外反射罩56一樣的材料構(gòu)成。然而，當(dāng)然內(nèi)外反射罩54、56可以由其他的材料構(gòu)成而并不偏離本發(fā)明的范圍。
在操作中，將多晶硅存放于坩堝20中并通過(guò)來(lái)自坩堝加熱器24的熱輻射使之熔化。使籽晶C進(jìn)入與熔融的硅原材料S接觸并且通過(guò)由拉出機(jī)構(gòu)30慢慢地拉出而生長(zhǎng)單晶棒I。當(dāng)在生長(zhǎng)室14內(nèi)向上拉出生長(zhǎng)的棒I時(shí)，坩堝壁34受加熱器24和坩堝20內(nèi)熔融的原材料S的加熱。熱量從坩堝壁34傳給熱屏蔽裝置50的外反射罩56。然而，絕熱腔80內(nèi)的絕熱材料52和內(nèi)外反射罩54、56之間的極小的直接接觸阻止從外反射罩向內(nèi)反射罩的熱傳導(dǎo)從而內(nèi)反射罩基本上沿內(nèi)反射罩的全長(zhǎng)顯著地冷于外反射罩。將內(nèi)反射罩54與絕熱材料52間隔開(kāi)進(jìn)一步阻止從絕熱材料向內(nèi)反射罩的熱傳導(dǎo)。當(dāng)將棒I向上拉到與較冷的內(nèi)反射罩54徑向?qū)R時(shí)，從棒向內(nèi)反射罩較迅速地傳熱。由于棒I被較迅速地冷卻，拉晶機(jī)10的拉出率可以顯著地提高而并不扭曲生長(zhǎng)的棒。
圖3示出本發(fā)明熱屏蔽裝置150的第二實(shí)施例，其中外反射罩156類似于內(nèi)反射罩154成形并與內(nèi)反射罩基本上沿內(nèi)反射罩的全長(zhǎng)以平行而間隔開(kāi)的關(guān)系設(shè)置。省去了第一實(shí)施例的絕熱腔80和絕熱材料52。內(nèi)外反射罩154、156之間的間隔阻止熱從外反射罩向內(nèi)反射罩的傳導(dǎo)，從而基本上沿內(nèi)反射罩的全長(zhǎng)形成較冷卻的內(nèi)反射罩。實(shí)例1在具有熱屏蔽裝置的拉晶機(jī)中生長(zhǎng)出直徑約為200mm的晶棒，該熱屏蔽裝置按照?qǐng)D2的現(xiàn)有技術(shù)的熱屏蔽裝置或本發(fā)明第一(圖1)和第二(圖3)實(shí)施例的熱屏蔽裝置50、150構(gòu)成。通過(guò)測(cè)定不使生長(zhǎng)的棒發(fā)生扭曲的最快拉出率確定了每一實(shí)施例的最大拉出率。當(dāng)采用本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的熱屏蔽裝置時(shí)最大拉出率分別為0.90mm/min和0.80mm/min。這可以與采用現(xiàn)有技術(shù)的熱屏蔽裝置A時(shí)的最大拉出率約0.65mm/min相比。
圖4示出本發(fā)明的第三實(shí)施例，其中將熱屏蔽裝置250進(jìn)一步構(gòu)成以達(dá)到良好的GOI和減小或防止OISF同時(shí)仍可使拉出率高于與現(xiàn)有技術(shù)的熱屏蔽裝置A相關(guān)的最大拉出率。內(nèi)反射罩254的長(zhǎng)度顯著地短于外反射罩256的以使熱屏蔽裝置250的上部282由外反射罩限定。由具有低熱導(dǎo)率的材料構(gòu)成的環(huán)形環(huán)262固定在外反射罩256的凸緣268上。該材料還優(yōu)選具有高純度和低粒子產(chǎn)生。一特別優(yōu)選的材料是石英。內(nèi)反射罩254的凸邊278固定在環(huán)形環(huán)262上而不是在外反射罩256的凸緣268上以進(jìn)一步使內(nèi)反射罩254熱隔離外反射罩。外反射罩256的下凸緣264顯著地厚于第一和第二實(shí)施例的以便提高從坩堝向熱屏蔽裝置250的底部的熱傳導(dǎo)。該下凸緣264顯著地厚于外反射罩256的任何其他部分并且優(yōu)選至少為外反射罩其余部分厚度的約二倍。
在操作中，當(dāng)從原材料S中拉出生長(zhǎng)的棒I時(shí)熱從坩堝壁34傳給外反射罩256。內(nèi)反射罩254離外反射罩256的間隔和在各反射罩之間設(shè)置的環(huán)形環(huán)262阻止從外反射罩向內(nèi)反射罩的熱傳導(dǎo)。因此，由內(nèi)反射罩254的長(zhǎng)度限定的熱屏蔽裝置250的中間部分249冷于在內(nèi)反射罩上方和下方設(shè)置的外反射罩256的各暴露的部分。因此熱屏蔽裝置250從底部至頂部采取的外形是具有在裝置的底部的較熱區(qū)域、中間的較冷區(qū)域和再向裝置的頂部的較熱區(qū)域。
當(dāng)將生長(zhǎng)的棒I從原材料S中通過(guò)熱屏蔽裝置250的中心開(kāi)口(未示出，但類似于圖1所示第一實(shí)施例的中心開(kāi)口72)向上拉出時(shí)，該棒升到與熱屏蔽裝置的較冷的內(nèi)反射罩254徑向?qū)R。從而棒I更迅速地冷卻到約1150℃的溫度。當(dāng)棒I進(jìn)入與在內(nèi)反射罩的上方延伸的外反射罩256的部分對(duì)齊時(shí)，來(lái)自外反射罩的熱阻止該棒的進(jìn)一步迅速冷卻，從而當(dāng)棒經(jīng)由約1150℃～1050℃的溫度范圍冷卻時(shí)顯著地降低了該棒的軸向溫度梯度。
在高于1150℃時(shí)提高棒I的冷卻率可以提高拉出率而并不造成生長(zhǎng)的棒的扭曲。在熱屏的底部提供一較熱區(qū)域可阻止棒I靠近于原材料S的表面冷卻。這促進(jìn)在熔體的表面上橫過(guò)棒I的直徑的更均勻的軸向溫度梯度，從而阻止OISF的生長(zhǎng)。最后，提供向熱屏蔽裝置250的頂部的較熱區(qū)域降低棒I在其向上拉到與該較熱區(qū)對(duì)齊時(shí)的冷卻率，從而在棒I從1150℃冷卻到1050℃時(shí)降低其軸向溫度梯度，而改善GOI。
圖5示出本發(fā)明類似于第三實(shí)施例的熱屏350的第四實(shí)施例。在該第四實(shí)施例中，將外反射罩356以類似于第一實(shí)施例的外反射罩56的方式(見(jiàn)圖1)成形以限定一絕熱腔380。絕熱腔380中容納類似于關(guān)于第一實(shí)施例所述的絕熱材料352。該實(shí)施例與圖4所示熱屏蔽裝置250相比為熱屏蔽裝置350提供了更冷的中間部分。實(shí)例2在具有熱屏蔽裝置的拉晶機(jī)中生長(zhǎng)出直徑約為200mm的晶棒，該熱屏蔽裝置分別按照本發(fā)明第三(圖4)和第四(圖5)實(shí)施例的熱屏蔽裝置250和350構(gòu)成。通過(guò)測(cè)定不使生長(zhǎng)的棒發(fā)生扭曲的最快拉出率確定了每一實(shí)施例的最大拉出率。當(dāng)采用第三實(shí)施例的熱屏蔽裝置250時(shí)最大拉出率約為0.70mm/min。對(duì)于第四實(shí)施例的熱屏蔽裝置350，其最大拉出率約為0.80mm/min。這些拉出率可以與采用以上關(guān)于實(shí)例1所述的現(xiàn)有技術(shù)的熱屏蔽裝置A的最大拉出率約0.65mm/min相比。實(shí)例3在裝有熱屏蔽裝置的拉晶機(jī)中生長(zhǎng)出直徑約為200mm的晶棒，該熱屏蔽裝置按照本發(fā)明第四實(shí)施例的熱屏蔽裝置350和按照現(xiàn)有技術(shù)的熱屏蔽裝置A構(gòu)成。通過(guò)在棒中確定一由氧沉積物造成的缺陷的環(huán)來(lái)確定OISF并且測(cè)定一給定面積上的缺陷數(shù)量。采用現(xiàn)有技術(shù)的熱屏蔽裝置A生長(zhǎng)的晶體具有位于從棒的周邊徑向向內(nèi)約5mm～10mm處的OISF環(huán)并具有氧沉積物密度1000/cm2。采用第四實(shí)施例的熱屏蔽裝置350生長(zhǎng)的晶體沒(méi)有可測(cè)定的缺陷環(huán)并且其總?cè)毕菝芏刃∮?/cm2。
此外，在要求的1150℃～1050℃的溫度范圍內(nèi)測(cè)定出棒的軸向溫度梯度。對(duì)于采用現(xiàn)有技術(shù)的熱屏蔽裝置A生長(zhǎng)的棒在該范圍內(nèi)的軸向溫度梯度約為0.74℃/mm，而對(duì)于采用第四實(shí)施例的熱屏蔽裝置350生長(zhǎng)的棒在該范圍內(nèi)的軸向溫度梯度為0.48℃/mm。
根據(jù)以上所述，應(yīng)該看出其達(dá)到了本發(fā)明的若干目的并獲得了其他一些有利的結(jié)果。
由于在上述結(jié)構(gòu)方面可以做出各種不同的改變而并不偏離本發(fā)明的范圍，本文意圖是所有包括在以上描述中或示于附圖中的內(nèi)容應(yīng)該理解為示例性的而并沒(méi)有局限的意思。
權(quán)利要求
1.一種用于生產(chǎn)單晶棒的拉晶機(jī)，該拉晶機(jī)包括一坩堝用以容納熔融的半導(dǎo)體原材料，一熱連通坩堝的加熱器用以將坩堝加熱到足以熔化由坩堝容納的半導(dǎo)體原材料的溫度；一設(shè)置在坩堝上方的拉出機(jī)構(gòu)用以從由坩堝容納的熔融的材料中拉出單晶棒；以及一設(shè)置在由坩堝容納的熔融的原材料的上方的熱屏蔽裝置，該熱屏蔽裝置具有一中心開(kāi)口，其尺寸和形狀確定成使其在從熔融的材料中拉出所述單晶棒時(shí)圍繞著該棒，該熱屏蔽裝置在從拉晶機(jī)內(nèi)的原材料中向上拉出該棒時(shí)總體上插在該棒與坩堝之間，該熱屏包括一外反射罩和一內(nèi)反射罩，各反射罩成形為限定一容納絕熱材料的絕熱腔，內(nèi)反射罩支承在拉晶機(jī)中與外反射罩和沿內(nèi)反射罩的至少一部分的絕熱材料總體上成間隔開(kāi)的關(guān)系以阻止從外反射罩和絕熱材料向內(nèi)反射罩的熱傳導(dǎo)使得在拉晶機(jī)操作的過(guò)程中內(nèi)反射罩間隔開(kāi)的部分顯著地冷于外反射罩。
2.按照權(quán)利要求1所述的拉晶機(jī)，其特征在于，所述內(nèi)反射罩通過(guò)外反射罩支承于拉晶機(jī)中，該內(nèi)反射罩大體上鄰近外反射罩的底部固定在外反射罩上，內(nèi)反射罩與外反射罩和沿在外反射罩底部的上方的內(nèi)反射罩的基本上全長(zhǎng)的絕熱材料基本上是間隔開(kāi)的以阻止外反射罩與內(nèi)反射罩之間的熱傳導(dǎo)使得在拉晶機(jī)操作的過(guò)程中內(nèi)反射罩的基本上全長(zhǎng)冷于外反射罩。
3.按照權(quán)利要求1所述的拉晶機(jī)，其特征在于，所述內(nèi)反射罩通過(guò)外反射罩支承于拉晶機(jī)中，所述熱屏蔽裝置進(jìn)一步包括一大體上鄰近外反射罩的底部固定在外反射罩上的環(huán)，內(nèi)反射罩固定在該環(huán)上使得該環(huán)將內(nèi)反射罩隔離外反射罩從而內(nèi)反射罩基本上與外反射罩和絕熱材料沒(méi)有任何的接合，該環(huán)由具有低熱導(dǎo)率的材料構(gòu)成以阻止從外反射罩經(jīng)由該環(huán)向內(nèi)反射罩的熱傳導(dǎo)。
4.按照權(quán)利要求3所述的拉晶機(jī)，其特征在于所述環(huán)由石英構(gòu)成。
5.按照權(quán)利要求1所述的拉晶機(jī)，其特征在于所述外反射罩基本上沿內(nèi)反射罩的全長(zhǎng)延伸。
6.按照權(quán)利要求1所述的拉晶機(jī)，其特征在于，所述內(nèi)反射罩顯著地短于外反射罩，該內(nèi)反射罩相對(duì)于外反射罩設(shè)置成使外反射罩的一部分向上和向外超過(guò)內(nèi)反射罩延伸以便在從原材料中將單晶棒向上拉到與熱屏蔽裝置徑向?qū)R時(shí)該棒暴露于較冷的內(nèi)反射罩以迅速冷卻該棒，然后在繼續(xù)向上拉出該棒時(shí)其暴露于較熱的外反射罩以降低該棒的軸向溫度梯度。
7.按照權(quán)利要求6所述的拉晶機(jī)，其特征在于，內(nèi)反射罩的長(zhǎng)度選擇成使當(dāng)單晶棒與外反射罩向上和向外超過(guò)內(nèi)反射罩延伸的部分徑向?qū)R時(shí)該單晶棒具有約1150℃～1050℃的溫度范圍，所述較熱的外反射罩降低該棒在從約1150℃冷卻到1050℃時(shí)的軸向溫度梯度以便減少該棒中的缺陷的數(shù)量。
8.按照權(quán)利要求6所述的拉晶機(jī)，其特征在于，所述內(nèi)反射罩相對(duì)于外反射罩還設(shè)置成使外反射罩的下部在內(nèi)反射罩以下延伸而在坩堝中的熔融的原材料的上方成間隔開(kāi)的關(guān)系，當(dāng)從熔融的原材料中向上拉出所述棒時(shí)該棒在進(jìn)入與較冷的內(nèi)反射罩對(duì)齊以前先暴露于較熱的外反射罩的下部，該較熱的外反射罩的下部促進(jìn)在從熔融的厚材料中拉出該棒時(shí)棒的均勻的軸向溫度梯度。
9.一種用于生產(chǎn)單晶棒的拉晶機(jī)，該拉晶機(jī)包括一坩堝用以容納熔融的半導(dǎo)體原材料；一熱連通坩堝的加熱器用以將坩堝加熱到足以熔化由坩堝容納的半導(dǎo)體原材料的溫度；一設(shè)置在坩堝上方的拉出機(jī)構(gòu)用以從由坩堝容納的熔融的材料中拉出單晶棒；以及一設(shè)置在熔融的原料的上方的熱屏蔽裝置，該熱屏蔽裝置具有一中心開(kāi)口，其尺寸和形狀確定成使其在從熔融的材料中拉出所述單晶棒時(shí)圍繞著該棒，該熱屏蔽裝置在從拉晶機(jī)內(nèi)的原材料中向上拉出該棒時(shí)總體上插在該棒與坩堝之間，該熱屏蔽裝置包括一外反射罩和一內(nèi)反射罩，該內(nèi)反射罩固定在外反射罩的下部上大體上與之成熱接合，內(nèi)反射罩的其余部分大體上處處與外反射罩間隔開(kāi)以阻止外反射罩與內(nèi)反射罩之間的熱傳導(dǎo)以使在拉晶機(jī)操作的過(guò)程中內(nèi)反射罩顯著地冷于外反射罩。
10.一種供拉晶機(jī)用的熱屏蔽裝置用以從拉晶機(jī)內(nèi)坩堝中容納的熔融的半導(dǎo)體原材料中生長(zhǎng)單晶棒，該熱屏蔽裝置包括一外反射罩和一內(nèi)反射罩，各反射罩大體上同軸線對(duì)準(zhǔn)并且其中心開(kāi)口尺寸和形狀確定成使其在從熔融的材料中拉出該棒時(shí)圍繞著該棒，在從拉晶機(jī)內(nèi)的原材料中向上拉出該棒時(shí)各反射罩總體上插在該棒與坩堝之間，所述各反射罩成形為限定一容納絕熱材料的絕熱腔，內(nèi)反射罩支承于拉晶機(jī)中與外反射罩和沿內(nèi)反射罩的至少一部分的絕熱材料總體上成間隔開(kāi)的關(guān)系以阻止從外反射罩和絕熱材料向內(nèi)反射罩的熱傳導(dǎo)使得在拉晶機(jī)操作的過(guò)程中內(nèi)反射罩與外反射罩和絕熱材料間隔開(kāi)的部分顯著地冷于外反射罩。
11.按照權(quán)利要求10所述的熱屏蔽裝置，其特征在于，所述外反射罩具有一下凸緣，其徑向厚度大于外反射罩上任何其他部位的徑向厚度以便防止直接鄰近于熔體的晶體中的熱損失。
全文摘要
一種拉晶機(jī)用的熱屏蔽裝置,其具有一內(nèi)反射罩和一外反射罩。內(nèi)外反射罩相互間隔開(kāi)并具有減小的相互接觸的表面積。一生長(zhǎng)單晶棒的改善了的熱屏蔽減少其缺陷并且可以使由拉晶機(jī)生產(chǎn)的單晶棒有較大的產(chǎn)量。
文檔編號(hào)C30B15/14GK1341168SQ00804241
公開(kāi)日2002年3月20日 申請(qǐng)日期2000年2月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月26日
發(fā)明者李·費(fèi)里, 石井安廣 申請(qǐng)人:Memc電子材料有限公司