晶体生长过程中的液态硅的电磁抽吸制造技术

本发明专利技术公开了一种与根据直拉法工艺生长单晶体晶锭的晶体生长装置一起使用的方法和系统。晶体生长装置具有容纳半导体熔体的被加热的坩埚，从该熔体拉制晶锭。晶锭在从熔体拉制的籽晶上生长。在晶锭拉制期间在熔体上施加时变的外部磁场。该磁场被选择性地调节以在熔体内生成抽吸力，以便在从熔体拉制晶锭的同时控制熔体流动速度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及生产可用于制造电子元件等的半导体等级单晶硅。更具体地，本专利技术涉及用于通过使用时变磁场在熔体内产生抽吸力(pumping force)来控制熔体流动的系统和方法。
技术介绍
单晶硅是大多数用于制造半导体电子元件的工艺中的原料，它通常根据所谓的直拉法(Czochralski)工艺准备。在此工艺中，将多晶体硅或者多晶硅填充到坩埚内并进行熔化，使籽晶与熔融的硅接触，并通过较缓慢的抽拔来生长单晶体晶锭。在完成颈部的形成之后，减小拉晶速率和/或熔体温度以使晶体的直径扩大，直到达到预期或目标直径。然后，通过控制拉晶速率和熔体温度并同时补偿降低的熔体液面来生长晶体的大致为圆柱形的具有基本恒定的直径的主体。在生长过程接近结束但是坩埚内的熔融硅清空之前，使晶体直径逐渐减小以形成端部圆锥。通常，增加拉晶速率以及提供给坩埚的热量可形成端部圆锥。然后，当直径变得足够小时，使晶体与熔体分离。 如本领域内已知的，熔融硅(处于大约1420摄氏度(℃))将使容纳熔体的硅石(SiO2)坩埚的表面溶解。一些被溶解的硅石作为SiO(一氧化硅)从熔体的表面蒸发，而一些被溶解的硅石则结合在生长的晶体内。其余的被溶解的硅石会保留在熔体内。这样，容纳硅熔体的坩埚就成为在通过传统直拉法工艺生长的硅晶体内发现的氧的来源。 硅晶体内的氧既具有有利的也具有不利的影响。在各种电气设备的制造期间的各种热处理过程中，晶体内的氧会导致晶体缺陷例如沉淀物、位错环和堆垛层错，或者会引起导致设备具有较差运行特性的电活性缺陷。但是，晶体内的氧固溶体会增加硅晶片的机械强度，并且晶体缺陷可通过俘获重金属的污染物提高合格产品的产量。因此，硅晶体内的氧含量是影响产品品质的重要因素，应该根据硅晶片的最终应用小心控制。 在工业中占主导的直拉法条件下所生长的传统硅晶体内的氧浓度沿晶体的长度改变。例如，在籽晶端部的浓度通常高于在晶体的中部和/或在底部或柄脚端(tang end)的浓度。另外，氧浓度通常沿晶体的横截面切片的半径改变。 为了解决氧控制问题，已经注意到利用磁场来稳定金属和半导体熔体内的对流以便控制氧浓度和径向分布从而除去掺杂物条痕等。例如，可利用根据感应电流和施加的磁场在导电熔体内生成的洛伦兹力来减缓自然对流和湍流。对流是指通过流体自身的运动在流体内进行热传递的过程。 通常，存在两种对流自然对流和强制对流。当熔体的运动例如是由于存在加热器导致的密度梯度时会发生自然对流。当熔体的运动是由于外部因素例如坩埚和/或晶体的旋转时会发生强制对流。在普通直拉法工艺中，熔体流动由坩埚和正在生长的晶体的运动以及系统内的热流控制。由于熔体处于高温(＞1412C)并且存在大的热通量，所以熔体内的温度梯度会很大，从而热对流在确定熔体流动方面起很大作用。可使用柱面坐标系统的分量(例如r，θ，z)来描述轴对称的拉晶机内的熔体流动。例如，由于旋转坩埚3导致的强制对流通常会产生在方位角上沿θ方向的熔体运动(见图1A)，而自然对流通常会产生整体性热对流滚动(roll)，其中熔体沿r方向径向移动并且沿z方向垂直移动(见图1B)。如本领域内已知的并且在下文详细说明的，导电液体(例如熔体)的运动方向以及施加于熔体的磁场的形状确定了将在熔体内感应出的电场和/或电流的方向。当电荷(例如电流)移入磁场时，将会有力作用在该移动的电荷上(即楞次定律)。鉴于这些原理，已经利用各种磁场形态在硅熔体内产生力以便在晶体生长期间稳定对流，控制氧浓度，以及除去掺杂物条痕，等等。 存在三种传统类型的用于稳定导电熔体内的对流的磁场形态，即轴向、水平和会切(cusped)。 轴向(或垂直)磁场形态(例如见图2A)具有平行于晶体生长方向的磁场。在此形态中，熔体沿θ方向的运动会感应出沿r方向的电场，然而该电场最小，即使在熔体内有任何电流流动。但是，如图1B内所示的熔体在r-z平面内的运动会感应出沿θ方向的电流，该电流在熔体顶部附近沿逆时针流动并在熔体底部附近沿顺时针流动(例如见图2B)。应指出，在坩埚的右侧出现的“X”和左侧出现的对应的“.”表示从坩埚顶部看的逆时针方向，在坩埚的左侧出现的“X”和右侧出现的对应的“.”表示从坩埚顶部看的顺时针方向。由于熔体沿θ方向的运动的结果是感应出最小电流，所以即使存在的话，在熔体内也仅产生最小的力以减速沿θ方向的熔体流动。但是，由于在r-z平面内的对流而在熔体内感应出的电流会在熔体内产生这样的力，该力会减速产生该力的熔体流动。 在水平(或横向)磁场形态中(见图3)，两个磁极(未示出)相对地放置以生成垂直于晶体生长方向的磁场。水平形态的优点是有效地抑制熔体表面处的对流。但是当在大直径的直拉法生长过程中施加水平磁场形态时，其轴向和径向的不均匀性以及复杂和庞大的设置会带来另外的设计考虑。在此形态中，减速力不是轴对称的，从而将失去系统的方位角对称性。 会切磁场形态(例如见图4A)与轴向和水平磁场形态相比具有一些优势。同轴地放置在熔体-固体界面之上和之下的并且以反向电流模式操作的一对线圈(未示出)生成磁场，该磁场在熔体表面附近具有纯径向场分量并在熔体中心附近具有纯轴向场分量。这样，会切磁场形态试图在熔体和晶体之间的界面处保持方位角对称性。文中使用的“方位角对称性(azimuthal symmetry)”是指这样的特性，即具有与方位角位置无关的相同值同时在不同的径向位置具有不同的值。在此形态中，熔体沿θ方向的运动会感应出导致电流在熔体边缘向下流动并且在中心向上流动的电场(见图4B)，并且如图1B内所示的熔体在r-z平面内的运动会感应出沿θ方向的电流，该电流在熔体顶部附近沿逆时针方向流动而在熔体底部附近沿顺时针方向流动(见图4C)。由于沿θ方向和在r-z平面内的熔体流动而在熔体内感应出的电流均在熔体内产生力。由感应电流产生的力会减速产生各个电流的熔体流动。 由于这些传统的磁场通常仅限于减速熔体流动，所以需要一种改进的对晶体生长过程的控制，以解决这些传统磁场形态不能选择性地在熔体内产生加速熔体流动的力的问题。
技术实现思路
本专利技术通过提供一种系统和方法来满足以上要求并克服现有技术的一个或多个缺陷，该系统和方法在短期和长期两种规模的生长过程期间将时变磁场施加于熔体以便在熔体内生成抽吸力从而控制熔体流动。通过在直拉法(Cz)晶体生长过程中影响液态硅的流动，可以控制熔体内的热传递和物质传递，从而确定从熔体生长出的晶体的成分和特性以及生长过程本身。此外，本专利技术提供了所需的具有改进的效率、灵活性和能力的熔体流动控制，其结合了三种传统磁场形态的优点并且同时具有另外的优点。 根据本专利技术的一个方面，提供一种用于控制晶体生长装置内的晶体生长的方法。晶体生长装置具有容纳半导体熔体的被加热的坩埚，从该熔体根据直拉法工艺生长单晶体晶锭。该晶锭在从熔体拉出的籽晶上生长。该方法包括将影响熔体内的对流的磁场施加于熔体。该方法还包括感测从熔体拉出的晶锭的生长参数。该方法还包括将感测的生长参数和目标生长参数相比较以确定功率调节参数。该方法还包括根据所确定的功率调节参数在从熔体拉制晶锭的同时改变磁场，以便在熔体内生成抽吸力从而改变熔体内的对流的速度。 根据本专利技术的另一个方面，提供一种用于控制晶体生长装置内的晶体生长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制晶体生长装置内的晶体生长的方法，所述晶体生长装置具有容纳半导体熔体的被加热的坩埚，从该熔体根据直拉法工艺生长单晶体晶锭，所述晶锭在从熔体拉制的籽晶上生长，所述方法包括：将磁场施加于熔体，所述磁场影响熔体内的对流；感测从熔体拉制的晶锭的生长参数；将感测的生长参数和目标生长参数相比较以确定功率调节参数；以及根据所确定的功率调节参数在从熔体拉制晶锭的同时改变磁场，以便在熔体内生成抽吸力以改变熔体内的对流的速度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：HW科布，
申请(专利权)人：MEMC电子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]