生長富空位單晶硅的熱屏蔽組件和方法技術

在直接法拉晶機中采用熱屏蔽組件，用于有選擇地保護半導體材料的單晶錠料，以便控制錠料單晶結構中聚集的缺陷類型和數據密度。熱屏蔽組件具有一個上熱屏蔽，該上熱屏蔽連接到一個下熱屏蔽上。上熱屏蔽和下熱屏蔽相互連接，并滑動式連接到一個中間熱屏蔽上。下熱屏蔽能夠向上伸入中間熱屏蔽，以便使位于拉晶機單晶生長室內部的熱屏蔽組件的外形減至最小。然而，當必須控制單晶錠料的形成時，下熱屏蔽可以從中間熱屏蔽延伸，并向下伸入拉晶機坩堝中，以便非常靠近坩堝中熔化的半導體原材料的上表面。還公開了應用熱屏蔽組件的方法。（*該技術在2018年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

技術介紹
本專利技術在總體上涉及用于制造電子元件的半導體級單晶硅的生產，更具體地說，涉及用于這種半導體材料生長的熱屏蔽組件。單晶硅是用于大多數制造半導體電子元件方法的原材料，它通常用所謂的直拉(“Cz”)法制備。單晶硅的生長最普遍是在拉晶爐中進行。在這種方法中，將多單硅裝到坩堝中并熔化，使籽晶與熔化的硅接觸，并用慢引出法生長單晶。在收頸完全后，通過降低提拉速率和/或熔體溫度來增大單晶的直徑，直至達到理想的或目標直徑時為止。然后通過控制提拉速率和熔體溫度，同時補償不斷下降的熔體液面，生長出圓柱形的單晶主體，則該圓柱形單晶主體具有近似恒定的直徑。長生過程接近結束，但在坩堝排空熔化了的硅之前，單晶的直徑必須逐漸減小，以便形成一個端部錐體。典型的是，通過增加拉晶速率和供給坩堝的熱量，來形成端部錐體。當直徑變得足夠小時，才將單晶與熔體分開。盡管常用的直拉生長法對生長在各種應用中有用的單晶硅已經令人滿意，但還希望進一步改善半導體材料的質量。當減小在半導體材料上形成的集成電路線寬度時，單晶中缺陷的存在有很大關系。當單晶在固化之后冷卻時，單晶硅中的許多缺陷在單晶生長室中形成。這些缺陷產生部分是由于存在過量的(亦即濃度超過溶解度限)本征點缺陷，這些點缺陷被稱之為空位和自填隙。空位，正如它們的名字所暗示的，是由晶格中硅原子不存在或“空缺”造成的。自填隙由晶格中存在過量硅原子產生的。兩種缺陷都對半導體材料的質量產生不利的影響。由熔體生長的硅單晶一般是在與過量的一類或另一類點缺陷(或是晶格空位，或者硅自填隙)一起生長。應該理解，硅中的這些點缺陷類型和起始濃度在固化時是固定的，它們受v/Go比值控制，此處v是生長速度，而Go是固化時單晶中的瞬時軸向溫度梯度。當v/Go值超過臨界值時，空位的濃度增加。同樣，當v/Go值降到低于臨界值時，自填隙的濃度增加。盡管兩種缺陷形式都不理想，但產生絕大多數空位的生長情況一般被半導體工業優選。已知通過控制v/Go來生長晶格(其中晶格空位是主要的本征點缺陷)，及通過在拉晶過程中改變(一般是，通過慢化)硅錠料從約1100℃到1050℃的冷卻速率，降低聚集的缺陷成核速率，來降低本征點缺陷的數量密度。處理聚集的本征點缺陷問題的另一種途徑包括一些方法，這些方法集中在聚集的本征點缺陷形成之后取消或清除這些缺陷上。通常，這是通過采用對片狀硅進行高溫熱處理來實現的。例如，Fusegawa等人在歐洲專利申請503,816A1中提出，以超過0.8mm/min的生長速率來生長硅錠料，并在1150℃-1280℃的溫度范圍內對由錠料切成的硅片進行熱處理，以便消除在單晶生長過程中形成的缺陷。這類熱處理業已表明，減少了靠近硅片表面的一薄層區域里的缺陷密度。所必需的特殊處理將隨硅片中聚集的本征點缺陷的濃度和位置而變。一種這類缺陷沒有均勻的軸向濃度的硅單晶，由其切出的不同硅片可能要求不同的后生長處理條件。此外，這類硅片熱處理成本較高，有可能將金屬雜質引入硅片，并且不是對所有與單晶有關的缺陷類型普遍有效。處理聚集的本征點缺陷問題還有另一個途徑，它是在單晶硅片表面上外延淀積一薄層晶體硅。這種方法提供一種單晶硅片，該單晶硅片具有基本上沒有聚集的本征點缺陷的表面。然而，外延淀積顯著增加了硅片的生產成本。為了有利于絕大多數空位缺陷，并避免在單晶中存在徑向空位/自填隙邊界環，控制使v/Go盡可能高。增加v/Go比值的一種方法是增加單晶的拉晶速率(生長速度)。然而，例如單晶的直徑控制限制了提拉速率的量等另一些因素可能增加。解決該問題的另一種方法是減小單晶中的熱梯度Go。在那方面，可以在坩堝內部設置一個熱屏蔽，該熱屏蔽通過形成局部熱腔，保存液-氣-固界面處的熱量，該熱量從自由的熔體表面損耗。這樣，使界面處的瞬時軸向熱梯度(Go)減小，從而增加了v/Go比。然而，將其固定在拉晶爐中的這種類型熱屏蔽妨礙坩堝，使它在熔化之前難以將新的半導體原材料裝進坩堝。盡管可以將熱屏蔽移開，但不容易重新放上該熱屏蔽，因為原材料的熔化一旦開始，爐子必須保持基本上密封。此外，許多常用的拉晶爐在單晶生長室中的空間如此之小，以致在該室中安裝固定的熱屏蔽是不實際的。當試圖在1100℃～1050℃的溫度范圍內減小單晶中的熱梯度時，空間的問題甚至變得更為重要。實際上，此溫度范圍是基本上在坩堝內熔體上方的單晶硅中一個位置處出現。因此，為了提供在液-氣-固界面處集中熱量及阻止坩堝上方的熱傳遞，將需要甚至更大的熱屏蔽。因此，目前需要一種小型的、容易操縱的熱屏蔽組件，該熱屏蔽組件能將液-氣-固界面處的熱量集中，并阻止坩堝上方的熱傳遞。專利技術概述在本專利技術的一些目的和特點中，可以注意到用于一種有利于生長高質量、低缺陷單晶的拉晶爐的一種熱屏蔽組件和方法；阻止單晶生長過程中缺陷聚集的這種熱屏蔽組件和方法；有利于拉晶機中高生產量的這種熱屏蔽組件的和方法；能在拉晶機內有限空間中操作的這種熱屏蔽組件和方法；能很容易在現有拉晶機中使用的這種熱屏蔽組件和方法；能用現有拉晶機提拉機構升降的這種熱屏蔽組件；及容易使用的這種熱屏蔽組件的構造和方法。通常，供在拉晶機中使用的熱屏蔽組件，圍繞在該拉晶機中生長的硅單晶錠料，以便影響單晶的冷卻速率，所述熱屏蔽組件包括一個上熱屏蔽，該上熱屏蔽具有一個中央通道，用于這樣將單晶容納于其中，以便上熱屏蔽包圍單晶。上熱屏蔽具有一個連接器裝置，用于將熱屏蔽組件連接到拉晶機的提拉機構上，以便在拉晶機內升降熱屏蔽組件。一個中間熱屏蔽具有一個中央通道，用于容納穿過中間熱屏蔽的單晶，使該中間熱屏蔽包圍單晶。將中間熱屏蔽做成拉晶機中的接觸結構，以便在拉晶機中支承熱屏蔽組件。一個下熱屏蔽具有一個中央通道，用于容納穿過該下熱屏蔽的單晶，使下熱屏蔽包圍單晶。下熱屏蔽連接到上熱屏蔽上用于與其同時移動，并滑動伸縮式容納于中間熱屏蔽中。上熱屏蔽和下熱屏蔽在一下降位置和一升起位置之間活動，在該下降位置中，下熱屏蔽伸出到中間熱屏蔽的外面，并接觸支承上熱屏蔽和下熱屏蔽的中間熱屏蔽，而在升起位置中，下熱屏蔽向上伸入中間熱屏蔽，接觸中間熱屏蔽，用于支承中間熱屏蔽，以便向上與上熱屏蔽和下熱屏蔽一起移動。通常，生長富空位單晶的方法包括以下步驟將固態的半導體原材料放入拉晶機的坩堝中，并將一個可伸縮的熱屏蔽組件懸掛在一個提拉機構上，該提拉機構位于坩堝上方的拉晶機中。熱屏蔽組件當懸掛在提拉機構上時，處于一種收縮后的結構。將固體半導體原材料加熱以使該原材料熔化。將熱屏蔽組件放下到與拉晶機中的支承結構接觸，該支承結構通常位于坩堝的上方，熱屏蔽組件采用一種延伸后的位置，因而一部分熱屏蔽在接近坩堝中熔化的半導體原材料表面處延伸到坩堝中。將熱屏蔽組件與提拉機構分開，并將籽晶附接到提拉機構上。將籽晶放下到與拉晶機坩堝中熔化的半導體原材料的熔體接觸，然后，如此從熔體中升起，使來自熔體的半導體材料凝固在籽晶上，以便形成單晶。從坩堝側壁輻射出來的熱量，用熱屏蔽組件保存在鄰近熔體表面并位于坩堝頂部下方的一個區域內，用于防止該區域內單晶中高的瞬時軸向熱梯度，因而單晶沒有空位/自填隙邊界環或引起堆垛層錯環的氧化作用。用熱屏蔽組件以熱的方法將單晶罩在熔體表面上方的一個位置處，以便使單晶在約1150℃～1000℃的溫度范圍內的冷卻慢下來，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
在拉晶機中使用的熱屏蔽組件，它圍繞在拉晶機中生長的單晶錠料，以便影響單晶的冷卻速率，該熱屏蔽裝置包括：一個上熱屏蔽，它具有一個中央通道，用于這樣將單晶容納于其中，以使該上熱屏蔽包圍單晶，所述上熱屏蔽具有連接器裝置，用于將熱屏蔽組件連接到 拉晶機的一個提拉機構上，以便在拉晶機內部升降熱屏蔽組件；一個中間熱屏蔽，它具有一個中央通道，用于容納單晶，該中央通道穿過中間熱屏蔽，使該中間熱屏蔽包圍單晶，將中間熱屏蔽做成用于拉晶機中的接觸結構，以便支承拉晶機中的熱屏蔽組件；一個下 熱屏蔽，它具有一個中央通道，用于容納單晶，該中央通道穿過下熱屏蔽，使該下熱屏蔽包圍單晶，下熱屏蔽連接到上熱屏蔽上，用于與上熱屏蔽一起同時移動，并且該下熱屏蔽滑動伸縮式容納于中間熱屏蔽中；上熱屏蔽和下熱屏蔽在拉晶機中一個下降位置和一個升起 位置之間活動，在下降位置中，下熱屏蔽伸到中間熱屏蔽的外面并接觸該中間熱屏蔽，中間熱屏蔽用于支承上熱屏蔽和下熱屏蔽，在升起位置中，下熱屏蔽向上伸入中間熱屏蔽，并接觸中間熱屏蔽，用于支承該中間熱屏蔽，以便向上與上熱屏蔽和下熱屏蔽一起移動。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：金永民，威廉L魯特，李W費里，羅伯特J布朗恩，斯爾簡伊利克，毛羅迪奧達，保羅托西，馬爾科格博，安博托馬蒂尼，
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]