具有降低金属含量的硅晶体的制备方法和设备技术

公开了一种生产降低污染物的单晶硅的方法和设备。在一个实施方案中，由石墨构成并位于晶体提拉设备热区内的结构件有两个防护层。第一防护层直接涂敷在石墨部件上。第二防护层是硅层，涂敷在第一防护层上并覆盖第一防护层。在第二个实施方案中，由石墨构成并位于晶体提拉设备热区内的结构件有一个单一的防护层。所述单一防护层直接涂敷在石墨上并且由碳化硅和硅的混合物组成。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种减少污染物含量的单晶硅晶体的制备方法及设备。更具体地，本专利技术涉及一种单晶硅晶体的制备方法和设备，其中，在Czochralski晶体提拉设备的晶体生长室中的结构石墨部件已经涂敷了两个防护层，包括第一防护层，如碳化硅或玻璃碳，和硅第二防护层，或者涂敷一个包含碳化硅和硅混合物的单一防护层。作为大多数半导体元件制造过程的原料，单晶硅通常用所谓提拉法(Czochralski)法制备。在这种方法中，把多晶的硅(“多晶硅”)装入坩埚中，熔化所述多晶硅，把籽晶浸入熔融的硅中，通过缓慢的提拉使单晶硅锭长到要求的直径。在提拉法中通常使用的晶体提拉设备包含在装有熔融硅的坩埚周围的许多内部部件。这些内部部件用石墨构成并且一般称为“热区”部件。这些热区部件，如基座、发热体、热屏蔽、热反射体或隔热材料，控制坩埚周围的热流和生长晶体的冷却速度。一段时间以来，在该领域中已经认识到，虽然在晶体提拉设备中所用的石墨部件不与熔融硅或生长的晶体直接接触，在熔融多晶硅和生长所得的晶体必需的高温下，使用这些部件可能导致颗粒的放气，产生高含量污染物的熔体，因此产生含有钼、铁、铜、镍、及其它不希望的污染物的生长晶体。众所周知，铁和钼等金属降低硅晶片中的少数载流子寿命，铜和镍可以导致所得晶体中的氧诱导堆垛层错。同时，在晶体生长过程中，通过硅熔体与坩埚的相互作用产生的氧存在于石墨部件附近，可能引起石墨氧化，导致颗粒从石墨的气孔中进一步放出，并且弱化石墨结构，引起部件变形。为了降低由于位于生长晶体周围的石墨部件放气产生的污染物污染晶体的危险，通常对所有在热区中的石墨部件涂敷防护阻挡层，如碳化硅或玻璃碳涂层。由于其高温抗氧化性，碳化硅广泛用于涂敷在晶体提拉设备热区中使用的石墨部件。碳化硅涂层通过密封石墨表面，提供了一个对杂质放出的阻挡层，因此要求杂质通过晶界和体积扩散机制通过涂层。使用这种涂层容纳在晶体提拉过程中由石墨产生的不希望的污染物。碳化硅层一般约75-150微米厚，并覆盖石墨表面。Scheiffarth和Wagner在Surface and Coatings Technology(表面和涂层技术)，54/55(1992)第13-18页中描述了在石墨上沉积碳化硅层的一种方法。类似于碳化硅涂层，使用玻璃碳涂层容纳在暴露于高温过程中石墨产生的不希望的污染物。Lewis等人在美国专利No.5,476,679中描述了在石墨体上提供玻璃碳涂层的方法。虽然在石墨上使用碳化硅涂层或玻璃碳涂层降低了进入硅熔体和/或生长晶体中的不希望污染物的量，但是，这两种方法在完全消除由石墨产生的颗粒污染问题以及因此对生长晶体的污染方面都不成功。即使使用碳化硅或玻璃碳涂层，来自石墨的铁污染仍然是主要问题。不希望的金属(如铁)似乎能够以足以降低所得晶体质量的量穿透这些涂层。同时，还认为工业提供的典型碳化硅涂层本身被约1ppma的铁污染。当这种涂层在硅晶体生长环境中加热时，铁可能扩散到表面，蒸发，并结合到生长的晶体上。所以，在半导体工业中，仍然需要进一步降低由于在晶体提拉设备热区内部件产生的颗粒在晶体生长过程中进入硅熔体的污染物量。所以，在本专利技术的目的中，包括提供一种制备降低污染物含量的单晶硅的方法；提供一种用硅层涂敷石墨部件上涂敷的碳化硅或玻璃碳的方法；提供一种用硅和碳化硅混合物涂敷石墨部件的方法；提供一种在其进入熔体或晶体之前吸收引起硅晶体缺陷的污染物的方法；提供一种降低金属污染物含量的硅单晶的提拉设备；提供一种具有能降低生长晶体中总金属污染物含量的两个防护层的石墨部件；提供一种具有能降低生长晶体中总金属污染物含量的单一防护层的石墨部件；提供增加总单晶硅产量的方法。所以，简言之，本专利技术涉及一种用Czochralski法生长具有降低金属污染物含量的单晶硅的设备。所述设备包含一个有石英坩埚和其中布置的结构部件的生长室。所述结构部件由石墨构成，并用两个不同的防护层涂敷。在石墨结构表面上的第一防护层直接涂敷在石墨上，可以是碳化硅或玻璃碳。第二防护层覆盖第一层，并由硅组成。本专利技术还涉及一种用Czochralski法生长具有降低金属污染物含量的单晶硅的设备。所述设备包含一个有石英坩埚和其中布置的结构部件的生长室。所述结构部件由石墨构成，并且涂有一个防护层，所述防护层由碳化硅和硅的混合物构成。本专利技术还涉及一种用Czochralski法生长具有降低金属污染物含量的单晶硅的方法。所述方法包括在启动晶体生长过程之前用两个独立的防护层涂敷由石墨构成并布置在生长室内的结构件。在石墨表面上的第一防护层由碳化硅或玻璃碳构成。第二个涂层由硅构成并覆盖在第一个涂层上。在向所述部件上涂敷硅涂层之后，启动晶体提拉过程。本专利技术还涉及一种用Czochralski法生长具有降低金属污染物含量的单晶硅的方法。所述方法包括在启动晶体生长过程之前用一个由碳化硅和硅构成的防护层涂敷由石墨构成的结构件。在涂敷所述防护层之后，启动晶体提拉过程。本专利技术还涉及一种有两个防护层的石墨部件。第一防护层由碳化硅或石墨碳构成，第二防护层是硅。本专利技术还涉及一种有一个防护层的石墨部件。所述防护层由碳化硅和硅的混合物构成。本专利技术的其它目的和特征将会部分清楚，部分在下文指出。附图说明图1是单晶硅提拉设备图。图2是表示通过四个不同试样产生的监测晶片上铁污染量的试验结果图。图3是表示在石墨上的碳化硅和硅混合物防护涂层的效果的理论计算图。相同的参考数字在所有的图中表示相同的部件。根据本专利技术，已经发现，在石墨部件上涂敷的碳化硅或玻璃碳上涂敷硅防护涂层，或者向位于晶体提拉设备的生长室内的石墨部件上涂敷碳化硅和硅的混合物防护涂层，明显减少了在生长晶体中所产生的金属污染物。有利的是，覆盖涂敷在石墨上的碳化硅或玻璃碳上的硅层，或者与碳化硅混合的硅，作为在生长晶体所需的高温下从石墨部件或碳化硅涂层中向外扩散的污染物(如铁)的吸收体，防止污染金属进入硅熔体或生长的晶体。现在参考图，特别是图1，其中表示了一般在2表示的晶体提拉设备。所述设备包含一个晶体生长室4和晶体室6。在晶体生长室内包含的是二氧化硅坩埚8，其中含有用于生长硅单晶的熔融多晶26。在操作过程中，使用连接在绕线装置上的提拉丝10缓慢提拉生长的晶体。在晶体生长室4内还包含几个由石墨构成的结构部件，围绕在所述坩埚周围，如用于固定坩埚的基座14、加热硅熔体的发热体16、和用于使热量保持在坩埚附近的热屏蔽18。如前所述，这些位于晶体生长室中的“热区”内的结构部件由石墨构成，并控制坩埚周围的热流和硅单晶的冷却速度。熟悉该领域的技术人员应该认识到，由石墨构成的其它结构件，如反射体、气体净化管、观察口通道或隔热材料，也可能位于热区内，并且可以根据本专利技术的方法制备。用于构造热区部件的石墨一般为至少约99.9％的纯石墨，优选的是至少约99.99％或更纯的石墨。同时，所述石墨含有小于约20ppm的总金属含量，如铁、钼、铜、和镍，优选的是小于约5ppm的总金属含量，如铁、钼、铜、和镍。一般来说，随着石墨纯度提高，在高温加热过程中产生的颗粒量降低。在本专利技术的一个实施方案中，上述结构件有覆盖所述部件的碳化硅或玻璃碳第一防护层。硅化硅或玻璃碳第一防护涂层的厚度一般在约75和约150微米之间，优选的是约1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过提拉法生长具有降低金属污染物含量的单晶硅的晶体提拉设备，所述设备包括： 一个生长室；和 布置在生长室内的结构件，所述部件包含石墨并具有覆盖石墨的第一防护层和在第一个防护层上的第二防护层，所述第二防护层是硅并且覆盖第一防护层上。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：JD厚德尔，SM卓斯林，HW寇博，
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]