恰克拉斯基法硅晶體生長系統的快速冷卻技術方案

一種生產單晶硅棒的恰克拉斯基法，其中，單晶硅棒從裝在生長室內的坩堝中的硅熔體中拉出，在單晶硅棒從生長室內的硅熔體中拉出以后，通過向所說的生長室內引入在８００°Ｋ的熱導率至少為約５５×１０↑［－５］ｇ.ｃａｌ．／（ｓｅｃ.ｃｍ↑［２］）（℃／ｃｍ）的氣體冷卻所說的生長室。優選的冷卻氣體是含氦氣體。（*該技術在2017年保護過期，可自由使用*）

Rapid cooling of Si based crystal growth system

A production of monocrystalline silicon Czochralski method, the silicon rods being pulled from a silicon melt installed in the crucible in the growth chamber, after being pulled from a silicon melt growth chamber in monocrystalline silicon, by introducing 800 DEG K in the thermal conductivity ratio of at least about 55 x 10 = 5 / g.cal. / to the growth chamber said (sec.cm = 2) (C / cm) growth chamber gas cooling said. The preferred cooling gas is helium gas.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及生長單晶硅的方法，更具體的是涉及冷卻用于恰克拉斯基(CZ)硅晶體生長法中的晶體生長系統的方法。大多數用于制備固態電子工業用的硅晶片的單晶硅是用CZ法生產的。簡單地說，這種方法包括在特別設計的爐子中的石英坩堝中熔融高純多晶硅塊形成硅熔體。一般使氬氣通過所說的爐子作為通過真空系統流出所說的爐子的氣體。把一個較小的晶種放在位于所說的坩堝上方的提拉絲上，該提拉絲可以使所說的晶種提高和降低。使所說的坩堝旋轉，并使所說的晶種降低與坩堝內的熔融硅接觸。當晶種開始熔化時，在熱平衡后，從熔融硅中把晶種緩慢拉出并開始生長，從熔體中拉出硅。在提拉完成后，繼續通入氬氣以便幫助晶體、爐子、和附屬元件冷卻到200℃。為了人員的安全，并且該系統的某些部件如果在太高的溫度下暴露于空氣中，其性能會急劇惡化，冷卻是必要的。冷卻后，可以使氬氣流入爐內使內部壓力增大到接近大氣壓，使爐子可以打開，并準備生長另一個晶體。該方法的一個缺點是冷卻較慢，一般需要2～5小時。由于在系統冷卻到足以打開之前，所說的提拉機不能準備下一個晶體的生長操作，所以降低了生產率。在本專利技術的幾個目的和特征中，可以注意到，提供了一種CZ硅晶體生長方法，特點在于使CZ爐的準備比以前的方法更快地進行快速冷卻操作；提供了一種CZ晶體生長方法，特點在于提高了生產率；提供了一種CZ晶體生長設備，該設備促進了更快速度的冷卻，并提高了生產率。因此，簡單地說，本專利技術涉及一種生產單晶的恰克拉斯基法，其中，從裝在生長室內的坩堝中的硅熔體中拉出單晶硅棒。所說的方法包括通過使在800℃的熱導率至少為55×10-5g·cal./(sec·cm2)(℃/cm)的氣體流進生長室來冷卻所說的生長室。本專利技術還涉及一種恰克拉斯基法，包括在拉出晶體后使含氦氣體流進生長室來冷卻所說的生長室。本專利技術還涉及在通過恰克拉斯基法生產單晶的晶體提拉設備內冷卻單晶的一種方法，所說的晶體提拉設備包括一個生長室、在生長室中的一個坩堝、在生長室上方的一個提拉室、在提拉室內的用于加熱坩堝的一個加熱設備、生長室內并排布在加熱設備的周圍的用于阻止坩堝的熱損失的隔熱材料、和排布在隔熱材料周圍的用于冷卻坩堝的冷卻設備。該方法包括在提拉晶體之后抽空生長室；為冷卻設備提供能量；向所說的生長室內引入在800℃時的熱導率至少為55×10-5g·cal./(sec·cm2)(℃/cm)的惰性氣流；在生長室內維持惰性氣流以增大冷卻設備的冷卻效果。本專利技術還涉及在用連續的惰性氣流吹洗生長室并通過向生長室施加真空使坩堝和生長室內部保持在約500℃以上的溫度和1torr以下的壓力時，從生長室內的坩堝中的硅熔體提拉單晶硅棒的恰克拉斯基法。該方法包括在坩堝和生長室內部的溫度至少為500℃時，中止引入生長室內的惰性氣流并中止對生長室施加真空；向生長室內引入含氦氣流，從而增大生長室內的壓力到至少50torr；通過維持生長室內的壓力在至少50torr冷卻生長室直到生長室內部的溫度低于約250℃。本專利技術還涉及在維持坩堝的溫度和生長室內部的溫度至少為約500℃時，從生長室內的坩堝中的硅熔體提拉單晶硅棒的恰克拉斯基法。該方法包括通過用含氦氣體滲入隔熱材料的氣孔來增大隔熱材料的熱導率從而使熱量從坩堝和生長室內部排出。本專利技術還涉及在用連續的惰性氣流吹洗生長室并通過向生長室抽真空使坩堝和生長室內部保持在約500℃以上的溫度和1torr以下的壓力時，從生長室內的坩堝中的硅熔體提拉單晶硅棒的恰克拉斯基法。該方法包括在坩堝和生長室內部的溫度至少為500℃時，中止引入生長室內的惰性氣流并中止對生長室抽真空；向生長室內引入含氦氣流，從而增大生長室內的壓力到至少50torr，并用含氦氣體滲入隔熱材料的氣孔，從而增大隔熱材料的熱導率和隔熱材料使熱量從坩堝和生長室內排出的速率；通過維持生長室內的壓力在至少50torr冷卻生長室直到生長室內部的溫度低于約250℃。此外，本專利技術還涉及一種恰克拉斯基法，其中，通過對生長室和坩堝施加熱源，把坩堝和生長室加熱到至少約500℃的溫度，并且在以每分鐘約20～150升的流量用連續的惰性氣流吹洗生長室并通過抽真空使生長室和坩堝保持在約500℃以上的溫度和約1torr以下的壓力時，從生長室內的坩堝中的硅熔體提拉單晶硅棒。該方法包括當坩堝和生長室內部的溫度至少為約500℃時中止加熱；中止引入生長室的惰性氣流并中止對生長室施加的真空；向生長室內引入含有至少70vol％的氦氣的惰性氣體，增大生長室內的壓力到至少約50torr，并且用含有至少約70vol％的氦氣的氣體滲入隔熱材料的氣孔，從而增大隔熱材料的熱導率和隔熱材料使熱量從坩堝和生長室內排出的速率；通過保持生長室內的壓力在至少約50torr來冷卻坩堝和生長室內部到約250℃以下直到生長室內部和坩堝的溫度低于約250℃。本專利技術的其它目的和特征將是明顯的，部分將在后面指出。附圖說明圖1是用于根據本專利技術的方法的本專利技術的CZ法晶體生長設備的斷面圖。圖2是氦充填法和氬吹洗法的冷卻時間的對比的圖解表示。現在參看圖1，圖解表示了用于根據本專利技術的CZ晶體生長設備。在真空室1內是由電阻加熱器5圍繞的坩堝3。坩堝驅動裝置7使坩堝按箭頭所指的方向沿順時針方向轉動，并按需要升高和降低坩堝。坩堝3內是具有熔體液面11的硅熔體9，用連接在提拉軸或提拉索17上的晶種15開始，從硅熔體9拉出單晶13。坩堝3和單晶13具有共同的對稱軸19。借助晶體驅動裝置21，提拉軸或提拉索17沿逆時針方向旋轉并按需要升高和降低。加熱器電源供給裝置23供給電阻加熱器5能量。隔熱材料25襯在真空室的內壁上。在通過真空泵31從真空室內排出氣體時，通過氣流控制器29從氣瓶27向真空室1送入氬氣。圍繞真空室的是真空室冷卻套33，從水罐35向冷卻套送入冷卻水。然后把冷卻水排出到冷卻水回收裝置37中。光電管39測量熔體表面溫度，直徑傳感器41測量單晶13的直徑。它們的信號由控制單元43處理。該控制單元可以是編程的數字計算機或模擬控制器；它控制坩堝和單晶驅動裝置7和21、加熱器電源供給裝置23、泵31和氣流控制器29。在一個實施方案中，該設備還有螺旋線圈和附屬部件以便在尖點磁場(CUSP magnetic field)的存在下促進硅晶體的生長，如美國專利No.5,178,720所提出的，其提出的全部內容引入本文作為參考。在晶體生長操作完成后，結束氬氣流，并從氦氣源30(例如，瓶裝的氦氣)通過氣體導管28向真空室1送入氦氣。氣流控制器(例如，由控制單元43控制的閥門29)調整通過氣體導管28的氦氣流。為了生長硅單晶，把一定量的多晶硅裝入坩堝3中，電流通過加熱器5熔化裝入料。硅熔體還可以含有一些摻雜劑，如現有技術中已知的，引入摻雜劑的目的是改進硅的電性能。在通過真空泵31從晶體生長室排出空氣時，向真空室內送入氬氣等惰性氣體，以便在多晶硅熔化和晶體生長操作過程中連續地吹洗系統。惰性氣體流量部分依賴于真空室的尺寸，但是對于典型的系統至少為約30升/分鐘，優選的是在約20～150l/min之間，更優選的是在約30～130l/min之間。在晶體提拉操作過程中，保持真空室內的壓力在約10～20torr之間，優選的是在約10～15torr之間。降低晶種15使其與熔本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種生產單晶的恰克拉斯基法，其中，所說的單晶硅棒從真空室內的坩堝中裝載的硅熔體中拉出，該方法包括：在單晶硅從硅熔體中拉出之后，通過向所說的真空室內引入在８００°Ｋ的熱導率至少為約５５×１０↑［－５］ｇ.ｃａｌ．／（ｓｅｃ.ｃｍ↑［２］） （℃／ｃｍ）的氣體來冷卻所說的真空室。

【技術特征摘要】
...

【專利技術屬性】
技術研發人員：M巴南，HW科布，KM基姆，
申請(專利權)人：MEMC電子材料有限公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]