用于单晶硅连续生长的系统技术方案

用于单晶锭连续生长的基于Czochralski法的改进系统，包括低长宽比、大直径以及基本平坦的坩埚，该坩埚包括围绕晶体的任选堰。低长宽比坩埚基本消除对流并减少最终单晶硅锭中的氧含量。独立的水平可控硅预熔化室为生长坩埚提供熔融硅的连续源，有利地消除了在晶体提拉过程中对垂直移动以及坩埚抬升系统的需求。坩埚下面的多个加热器建立横跨熔体的相应热区。分别控制各加热器的热输出以提供横跨熔体以及在晶体/熔体界面处的最佳热分布。提供多个晶体提拉室用于连续加工和高生产量。

System for continuous growth of monocrystalline silicon

An improved Czochralski based method for the continuous growth of a single crystal ingot comprises a low aspect ratio, a large diameter and a substantially flat crucible. Low aspect ratio crucible substantially eliminates convection and reduces oxygen content in the final ingot. An independent horizontal silicon controlled pre melting chamber provides a continuous source of molten silicon for the growth crucible, which eliminates the need for the vertical movement and the crucible lifting system during the crystal pulling process. A plurality of heaters under the crucible establish a corresponding hot zone across the melt. The thermal output of each heater is controlled to provide optimum heat distribution across the melt as well as at the crystal / melt interface. A plurality of crystal pulling chambers are provided for continuous processing and high production.

【技术实现步骤摘要】

相关申请本专利申请要求享有在2004年2月27日提交的美国专利申请N0.10/789, 638的权益。本专利
一般涉及通过Czochralski (CZ)技术生长娃晶体。具体地,本专利
涉及基于Czochralski法改进的连续和快速生长超纯、高少数载流子寿命单晶娃的系统和方法。
技术介绍
参考图1A和1B，为了可用于制作半导体电子元件，硅必须形成为大的(约10-30cm直径)、几乎无缺陷的单晶，这是由于晶界以及其它晶体缺陷使器件性能降低。需要先进的技术以获得这种高质量的单晶。参考图1A和1B，为了可用于制作半导体电子元件，硅必须形成为大的(约10-30cm直径)、几乎无缺陷的单晶，这是由于晶界以及其它晶体缺陷使器件性能降低。需要先进的技术以获得这种高质量的单晶。参考图1A和1B，为了可用于制作半导体电子元件，硅必须形成为大(约10-30cm直径)、几乎无缺陷的单晶，这是由于晶界以及其它晶体缺陷使器件性能降低。需要先进的技术以获得这种高质量的单晶。这些晶体可以通过Czochralski (CZ)技术或浮区(FZ)法形成。参考图1A和1B，在常规的CZ技术中，多晶硅片首先在生长室102内部的熔融石英坩埚100中在刚好高于硅的熔点1412°c的温度下在惰性气氛(通常为氩)中熔融。然后将具有所需晶体取向的高质量籽晶101通过提拉室106下降到熔体122中同时旋转。坩埚100同时反方向旋转，以促使熔体中的混合和使温度不均匀最小化。部分籽晶溶解到熔融硅中，以去除被玷污(Strained)的外部以及暴露新的晶体表面。然后通过晶体提拉机构108从熔体122缓慢抬升或提拉籽晶。当籽晶上升时，它冷却并且来自熔体的材料粘附于它，因此形成较大的晶体或锭103。在生长期间维持的小心控制的条件下，新硅原子使已经固化物质的晶体结构延伸。通过常规反馈机制控制提拉速度和温度获得所需的晶体直径。以这种方法制造硅的圆柱形单晶锭。然后通过晶体提拉机构108缓慢从熔体122抬升或提拉籽晶。当籽晶上升时，它冷却并且来自熔体的材料粘附于它，因此形成较大的晶体或锭103。在生长期间维持的小心控制的条件下，新硅原子使已经固化物质的晶体结构延伸。通过常规反馈机制控制提拉速度和温度获得所需的晶体直径。以这种方法制造硅的圆柱形单晶锭。然后通过晶体提拉机构108缓慢从熔体122抬升或提拉籽晶。当籽晶上升时，它冷却并且来自熔体的材料粘附于它，因此形成较大的晶体或锭103。在生长期间维持的小心控制的条件下，新硅原子使已经固化物质的晶体结构延伸。通过常规反馈机制控制提拉速度和温度获得所需的晶体直径。以这种方法制造硅的圆柱形单晶锭。
技术实现思路
技术问题当利用布置在坩埚垂直壁周围的加热器元件在典型窄直径、高宽度、高长宽比坩埚100中加热熔融硅122的高温装料(charge)时，在常规CZ方法中出现了问题。驱使热通过坩埚壁以加热装料在坩埚上产生应力并且缩短其使用寿命。在每一个生长循环之后，残留在坩埚底部的熔融硅固化并且扩张到一定程度，以致可以使坩埚破裂。因此，在常规CZ方法中，坩埚通常是一次性使用的制品。硅必须持续加热以在坩埚中保持熔融。因此，参考图1B，在具有围绕坩埚垂直壁布置的加热器118的常规高长宽比、窄直径CZ坩埚100中，贯穿熔体的温度分布的特征在于，在坩埚的热壁和如109所示熔体/晶体界面处的固化区中晶体中心最冷点之间存在高的热梯度和大的温度差。因此，横跨熔 体/晶体界面处的固化区存在明显的径向温度梯度以及对流速度梯度，并且邻接壁的区域被加热到所不希望的高温并附带有过高的对流速度以及热扰动。这种条件对高质量无缺陷晶体的最大提拉速度而言不是最佳的。为了以更快的速度生长更高质量的硅，需要不同的坩埚以及加热器设计，以在熔体/晶体界面107处的固化区中提供具有最小化的热梯度和对流速度梯度的均匀温度分布。常规CZ生长的硅与理想的单晶硅不同，这是由于它包括在制作集成电路器件或高转换效率太阳能电池中所不希望的缺点或缺陷。在固化之后晶体冷却时，在晶体生长室中形成单晶硅中的缺陷。缺陷通常分为点缺陷或团聚体(三维缺陷)。点缺陷有两大类型:空位点缺陷和填隙点缺陷。在空位点缺陷中，硅晶格中硅原子从它的一个正常位置上缺失。这种空位产生点缺陷。当在硅晶体中发现硅原子在非晶格位置(填隙位置)时，出现填隙点缺陷。如果单晶硅内这种点缺陷的浓度达到临界饱和水平，以及如果点缺陷的迁移率足够高，则会发生反应或团聚事件。在常规CZ方法中，点缺陷通常在硅熔体和固态硅之间的界面处形成。这种缺陷的出现部分是由于晶体周围的热扰动，该热扰动是由对流以及不能够精密控制和或维持最佳温度分布而产生，特别是在晶体/熔体界面处的固化区中。因此，需要具有多个独立加热区的改进加热系统，以有助于控制晶体形成速度和缺陷密度。而且，这种结构应该基本消除导致形成点缺陷的对流以及热扰动。还希望使在生长期间照射晶体的辐射能最小，允许更快的晶体冷却和更高的提拉速度。在常规CZ方法中，最热的表面是没有浸没到熔体中的部分坩埚壁。高长宽比坩埚使得该表面紧密靠近冷却锭，很大程度上通过辐射加热抑制了锭的最佳冷却。常规CZ生长硅的另一个问题是，它含有大量的氧。这是由于典型高长宽比、窄直径坩埚的组成和结构，其中对流擦洗坩埚壁并且将杂质输送到熔体中并最终到达晶体本身。对流将氧加入到由容纳熔融硅的坩埚壁上熔融石英(二氧化硅)的缓慢溶解而产生的熔体中。将氧弓I入到熔体中会导致最终晶体中的缺陷。在光电以及其它应用中，硅中的高氧含量不利地影响少数载流子寿命和大大降低性能，并且在光电器件中降低转换效率。因此，需要可以使氧向熔体中的引入最小化以及提供以高的少数载流子寿命为特征的基本无氧硅的坩埚设计，用于光电和其它应用。对坩埚使用特殊涂层或材料会使坩埚抵抗由于熔融硅而引起的破坏，但是当前这并不切实可行，因为坩埚是一次性使用的制品并且在每一次使用后的冷却期间被未使用的硅的固化所损坏。因此，还需要新的坩埚设计，这种设计能够使可用坩埚寿命延长，经过许多操作循环而没有损坏，因此可使得潜在较高费用的惰性坩埚表面变得经济可行。常规CZ方法的其它问题是，不能够控制横跨熔体以及横跨所产生晶体的掺杂剂浓度。对于许多集成电路工艺，所需掺杂剂密度被加入硅中。这样的掺杂剂浓度是通过将小心控制的少量所需掺杂剂元素例如硼或磷结合到熔体中来获得的。为了精确控制，通常将少量重掺杂硅加入到未掺杂熔体中。在硅的提拉晶体中掺杂剂浓度通常小于熔体中掺杂剂浓度，这是由于当硅固化时掺杂剂从晶体中排出到熔体中。当晶体生长时这种偏析导致熔体中掺杂剂浓度不理想地增加。晶体的籽晶端因此不如尾端掺杂得重。偏析效应还是包括温度在内的条件的函数。因此通过固化区、晶体/熔体界面的非均匀温度分布沿晶体半径提供了不理想的掺杂剂浓度梯度以及伴随的电阻率梯度。因此，还需要简化的坩埚设计，该设计使偏析最小化并且使整个晶体的掺杂剂浓度以及电阻率能够基本均匀。技术解决方案为了克服常规CZ加工系统的上述缺点，本专利技术的一个方面提供用于连续晶体生长的系统，包括低长宽比、大直径以及基本平坦的坩埚，该坩埚包括围绕晶体的任选堰。大直径、低长宽比坩埚基本消除对流并减少最终单晶硅锭中的氧含量。多个晶体提拉室相对于坩埚布置，使得当晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从熔融晶体原料生长单晶锭的改进CZ系统，包括：包括底部和侧壁的低长宽比、宽直径坩埚，用于容纳与从熔融材料生长锭的籽晶相关的熔体/晶体界面处的一定量熔融材料，其中所述坩锅的低长宽比，直径对高度，为4∶1?10∶1；预熔化器，用于为坩埚提供熔融晶体原料的基本连续源，使得熔体/晶体界面维持在所需水平而没有坩埚的垂直移动；包括以辐射状模式布置在坩埚底部之下的独立可控加热元件的环形加热装置，对用于对每个加热元件施加功率的控制器作出响应，使得横跨熔体和生长晶体的半径建立代表对于晶体生长最佳的热分布的相应热区。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·L·本德，
申请(专利权)人：索拉克斯有限公司，
类型：发明
国别省市：