專利名稱：拉晶爐用熱屏蔽的制作方法
背景技術：
本發明涉及生長單晶半導體材料的拉晶爐，具體涉及用于這種拉晶爐的熱屏蔽。
作為制造許多電子元件原料的單晶半導體材料通常用提拉法制作(Czochralski，“CZ”)。該方法中，在坩堝內熔化諸如多晶硅(“多硅”)的多晶半導體原料。然后將籽晶降至熔體材料再緩慢升高生長單晶毛坯。生長毛坯時，通過降低拉速和/或熔體溫度形成上部尾錐，從而擴大毛坯直徑直至達到目標直徑。一旦達到目標直徑，通過控制拉速和熔體溫度形成毛坯的圓柱主體以補償熔體平面降低。接近生長工藝后期并在坩堝變空之前，縮減毛坯直徑形成下部尾錐，下部尾錐離開熔體得到半導體材料的最終毛坯。
為了控制毛坯直徑，必須在貫穿拉晶工藝期間測量毛坯的實際直徑。一般在坩堝上方安裝攝像機自動測定正在提拉的毛坯直徑。在毛坯和熔體上表面之間形成的彎月面上，攝像機至少測量三個點的位置。攝像機能夠區分彎月面和周圍的材料，因為彎月面比周圍的材料更加明亮。利用本領域公知的幾何公式就能從這些點來計算毛坯直徑。
盡管提拉法能令人滿意地生長用途廣泛的單晶半導體材料，仍然需要進一步改良半導體材料的質量。例如，作為半導體制作商要降低半導體上形成集成電路的線寬，則材料內存在的缺陷至關重要。單晶半導體材料內的缺陷是在拉晶爐內晶體固化和冷卻時形成的。這種缺陷的增加，部分由于存在過量的(亦即超過溶解度極限的濃度)公知為空位和自間隙子的內在點缺陷。空位，顧名思義是晶格中缺少或“空缺”一個或多個原子所至。自間隙子則是晶格內存在一個或多個外來原子所至。兩種缺陷皆對半導體材料的質量起反作用。
毛坯生長時一般帶有過量的一種或另一種內在點缺陷，亦即或者是晶格空位或者是自間隙子。應當了解，毛坯內這些在其固化時變成固定不變的點缺陷的種類和起始濃度可以控制，通過在毛坯固化時生長速度(拉速，v)與瞬時軸向溫度梯度(溫梯)(G0)的比率控制。當這個比值(v/G0)超過臨界值時，空位濃度增大。反過來，該比值低于臨界值時，自間隙子濃度增大。盡管任何種類的缺陷都不合要求，半導體工業一般寧愿要產生更多空位的生長機制。通過將v/G0比值控制到生長晶格空位占優勢這樣的晶格，并且通過改變(通常是降低)硅毛坯在其拉晶期間大約1150-1050℃溫度范圍時的溫梯來減少附聚缺陷的成核速度，就能降低內在點缺陷的密度。
為了得到富空位的毛坯并避免在毛坯內存在徑向的空位/自間隙子邊界環，就要盡可能高地控制v/G0比值。增大該比值的一種方式是提高毛坯拉速(亦即生長速度v)。然而拉速還對其他參數起作用，例如毛坯直徑。因此，提高拉速的量受到限制。
增大該比值的另一種方式是降低毛坯溫梯G0。就此而言，可將熱屏蔽定位在坩堝內熔體表面上方來保存毛坯和熔體材料之間界面處的熱量，防止其從熔體表面散失。按照這種方式，就降低了界面處瞬時軸向溫梯G0，也就是增大了比值v/G0。這些熱屏蔽通常包括一個中央開口，讓毛坯從熔體生長時提拉從中穿過。以前，中央開口盡可能作得大一些，以便讓攝像機測量毛坯直徑時通過開口能看到彎月面上的點。否則熱屏蔽會阻礙攝像機觀察。由于要使攝像機看到這些點，中央開口就相當大，過去的熱屏蔽散失大量熱，從而明顯降低熱屏蔽的效果。
發明概述本發明的幾個目的和特點是提供一種促進生長高質量單晶硅毛坯的熱屏蔽和拉晶爐；提供的這種熱屏蔽和拉晶爐能降低鄰近熔體表面處晶體的瞬時軸向溫梯；提供的這種熱屏蔽和拉晶爐并不干擾自動測量晶體直徑的裝置；提供的這種熱屏蔽能促進拉晶爐提高生產率；提供的這種熱屏蔽能在拉晶爐有限空間內作業；提供的這種熱屏蔽很容易適合現有的拉晶爐；并且提供這種熱屏蔽組件和易于使用的方法。
本發明的裝置主要是一種拉晶爐用熱屏蔽，它圍繞由單晶爐內裝填半導體熔體原料的坩堝中生長出來的單晶毛坯。熱屏蔽包括一種反射器，其所具有環繞正在生長毛坯的中央開口的尺寸和形狀能減少來自坩堝的傳熱。反射器適合安放在拉晶爐內熔體材料和攝像機之間，攝像機對準毛坯和熔體材料上表面之間所形成彎月面上至少三個隔開的點。反射器有至少三個通道伸展通過反射器。每個通道沿著攝像機和彎月面上一個點之間的一條假想線定位。這就允許攝像機看到這些點，使得攝像機能測定這些點的位置來計算毛坯直徑，同時將穿過通道的熱散失減至最小。
在本發明的另一個目的中，本發明裝置是生長單晶毛坯的拉晶爐。拉晶爐包括裝載半導體原料熔體并從中生長單晶的坩堝和加熱坩堝的加熱器。拉晶爐還包括從熔體提拉毛坯的提拉機械和位于熔體上方的攝像機。攝像機對準毛坯和熔體材料上表面之間所形成彎月面上至少三個隔開的點。此外，拉晶爐也包括位于熔體和攝像機之間的熱屏蔽。環繞正在生長毛坯的熱屏蔽中央開口所具有的尺寸和形狀，要能降低來自坩堝的傳熱。熱屏蔽有至少三個通道伸展通過反射器。每個通道沿著攝像機和彎月面上一個點之間的一條假想線定位。這就允許攝像機看到這些點，使得攝像機能測定這些點的位置來計算毛坯直徑，同時將穿過通道的熱散失減至最小。
本發明再一個目的中，本發明裝置是一種熱屏蔽，包括這樣一種反射器，其環繞正在生長毛坯的中央開口能降低來自坩堝的傳熱。中央開口的直徑在其圓周的至少大約325度周圍不超過毛坯預定最大目標直徑的百分之十。
本發明的其他目的和特點一部分清晰可見一部分將在下文指出。
圖1是本發明熱屏蔽和拉晶爐的部分縱向剖視圖；
圖2是熱屏蔽的外反射器頂視圖；圖3沿圖2中3-3線處所視上平面圖；圖4曲線說明毛坯內軸向溫梯與毛坯沿其長度的表面溫度之函數關系；圖5曲線說明固化界面處毛坯內軸向溫梯與半徑的函數關系。
幾個附圖中相應參考字符代表相應部件。
優選實施方案詳述現參看附圖特別是圖1，參考字符10指定整個拉晶爐。拉晶爐10用來生長制造半導體晶片類型的單晶毛坯I。拉晶爐10包括水冷夾套(一般以12代表)，其內部包括晶體生長室14和安放在晶體生長室上方的提拉室16。石英坩堝20位于生長室14內裝載半導體原料熔體S并從中生長單晶硅毛坯I。坩堝20安放在機動化的旋轉臺22上，在生長毛坯I并從熔體消耗原料時，讓坩堝繞縱軸旋轉并升高坩堝，將熔體原料S的表面維持在恒定水平。
環繞坩堝20的加熱器24熔化坩堝20內的原料S。加熱器24通過外部控制系統(未畫出)控制，使得熔體原料的溫度在貫穿提拉工藝期間受到精確控制。圍繞加熱器24的絕熱體26減少通過夾套12側壁的熱散失量并有助于保持拉晶爐外壁相對涼爽。
提拉機械30(圖1僅畫出部分)旋轉籽晶C并使其上下移動通過生長室14和提拉室16。首先，提拉機械30降低籽晶C通過艙室14和16直至接觸熔體原料S的表面。然后提拉機械30緩慢升高晶體C穿過艙室14和16來生長單晶毛坯I。提拉機械30旋轉晶體C和升高晶體C的兩個速度(拉速為v)被外部控制體系控制。控制體系還控制提拉期間坩堝移動的速度。
窗口部分32延伸通過夾套12，使安放在其上方的攝像機能看到正在生長的毛坯I。攝像機34對準進入生長室16，使其能看到毛坯I和熔體原料S上表面之間形成彎月面M上三個隔開的點P(圖1中僅示其一)。由這三個點P的位置用公知算法計算毛坯I的直徑，以便調整諸如拉速和材料溫度的運行參數來控制毛坯直徑。除下文更全面詳述以外，拉晶爐的一般構造和運行皆為本領域技術人員所公知的常識。
一般記作40的熱屏蔽安放在熔體原料上表面S的上方。盡管在本發明范圍內可預想有其他配置，優選實施方案中的熱屏蔽40一般包括夾在同軸定位的內、外反射器44和46各自之間的絕熱層42。內反射器44是圓錐形的，其朝內向下的錐形使其能將熱量向上反射朝向正在生長的毛坯。內反射器44有中央開口48能讓毛坯I穿過熱屏蔽40。環繞中央開口48的內反射器44底部邊緣支托在外反射器46中形成的溝槽50上。外反射器46是碗狀，能向下反射毛坯I散失的熱量，并在空氣流上升穿越坩鍋20時直接將其向外傳送。圍繞外反射器48上部邊緣配置的凸緣52包括洞孔54，用來讓緊固件將熱屏蔽40可拆卸式結合拉晶爐10。盡管可用其他材料制造內外反射器44和46而并不背離本發明精神范圍，在優選實施方案中用8mm厚的石英制造。在優選實施方案中使用的絕熱層43是碳粘合的碳纖維絕熱材料制造。
如圖2所示，外反射器46有中央開口60，它對準內反射器44的中央開口48，并且其尺寸和形狀能環繞正在生長的毛坯I。例如，優選實施方案的中央開口60一般是圓形的，以適應圓柱狀毛坯I的常規圓形截面。另外，優選實施方案的中央開口60的直徑，在打算用拉晶爐生長毛坯I的通常最大目標直徑是200mm時大約是220mm。盡管可以使用不同尺寸中央開口60的反射器46而并不背離本發明精神范圍，在最優選實施方案中，中央開口的直徑大于預定最大目標直徑不超過大約百分之十(亦即1.1倍)。因此，就熱屏蔽開口而言，熱屏蔽開口60所具有的直徑等于毛坯最大目標直徑加容許量，亦即直徑和提拉機械30的偏斜容差所計算的一些差額。
如圖2進一步所示，外反射器46有三個通道62a-62c在毗鄰中央開口60處伸展通過反射器。如圖1所說明的，當熱屏蔽40安置在拉晶爐10內的熔體材料S和攝像機34之間時，這些通道62a-62c的每一個都沿著攝像機和彎月面上被攝像機對準的一個點P之間的一條假想線L(圖1僅示出其一)定位。這些通道62a-62c允許攝像機34看到這些點P，以便測定這些點的位置來計算毛坯I的直徑。盡管本實施方案只顯示了三個通道62a-62c，如果打算讓攝像機34看到彎月面M上更多點P時熱屏蔽40可有更多通道。
如圖2所示，優選實施方案的通道62a-62c是U型缺口連通外反射器46的中央開口60。每個這些通道62a-62c都定位在弧線上，使邊側通道62a、62c與中央通道62b以大約15-50°的角度定向，最優選的是它們與中央通道有大約35°的角度定向。本領域技術人員應當了解，這種通道定向可讓攝像機34看到彎月面M上以45°間隔的三個點P。經驗表明，這種點間隔將得到精確測量毛坯I的直徑。
如圖3所示，通道62a-62c具有垂直于相應假想線L的有效觀看測量寬度W，其足夠寬到讓攝像機34看到彎月面M上足夠的區域以便能夠辨別彎月面上毛坯I和熔體材料S表面，則能精確測定點P的位置。然而，通道62a-62c的寬度W又必須減至最小，以便減少通過通道的熱散。盡管通道62a-62c可以有其他有效觀察寬度W而并不背離本發明精神范圍，優選實施方案的通道有效觀看寬度大約10mm。這就造成圖2所示每個邊側通道62a、62c比中央通道62b寬，考慮到沿假想線L通過邊側通道所產生的照透視法縮小。而且，熱屏蔽40的中央開口60適應200mm或更大的毛坯I直徑，這就造成中央開口直徑在其圓周的至少大約325度周圍不超過毛坯預定最大目標直徑的百分之十。因此，通過中央開口60和通道62a-62c的熱散就被降至最小。通道62a-62c的徑向外邊緣是圓形的，以便減少反射器46的應力集中。每個通道62a-62c的長度D大約40mm，考慮到沿假想線L照透視法縮小，并讓攝像機34甚至在熔體材料表面S改變時也能看到點P。在優選實施方案中，通道62a-62c的總面積低于大約30.4平方厘米。如此配置，通道就能讓攝像機34看到彎月面M上所選擇的點P，則能計算毛坯I的直徑，而且還有效地防止熔體材料表面的熱散。
為了證實上述熱屏蔽40的效果，對本發明熱屏蔽和現有技術熱屏蔽進行毛坯I的溫梯分析。現有技術的熱屏蔽沒有通道。而且現有技術的熱屏蔽中央開口要大到足夠讓攝像機通過開口看到彎月面。因此，現有技術熱屏蔽中央開口的直徑大約是最大目標直徑的大約1.5倍，與本發明實施方案的熱屏蔽分析對照，其中央開口的直徑是最大目標直徑的大約1.1倍。分析結果見圖4和圖5。
圖4表明貫穿毛坯I的軸向溫梯G0與毛坯表面溫度的函數關系。從頭至尾的最大溫梯一般應降至最小，而毛坯又應快速固化直至達到出現缺陷成核的溫度范圍(例如對硅大約是1150℃和大約1050℃之間)，以便使該工藝持續時間最小化。在缺陷成核的溫度范圍，溫梯G0必須盡可能低以避免引發缺陷。表面溫度落入成核溫度之后，毛坯應當再次快速冷卻以縮短缺陷產生附聚的時間。本發明熱屏蔽(圖4的虛線)同現有技術的熱屏蔽(圖4的實線)相對照表明，本發明比現有技術更加有效。
從圖4曲線右邊處最大可以看出，本發明和現有技術的熱屏蔽相對照，固化界面處(亦即一般接近1425℃的熔體表面)發生的整個最大軸向溫梯要低一些。而且，本發明和現有技術的熱屏蔽相比，在大約1400-1250℃的表面溫度范圍內軸向溫梯要高一些。這就使毛坯冷卻更快而縮短了拉晶工藝持續時間。在發生缺陷成核和附聚的溫度范圍內(亦即低于1150℃)，現有技術和本發明兩者的熱屏蔽都導致大致相同的軸向溫梯。因此，同現有技術相比，本發明熱屏蔽減小了整個溫梯，降低了大量缺陷并縮短了工藝時間。
另外，如圖5所示，本發明熱屏蔽造成毛坯外部區域較低的軸向溫梯G0。由于毛坯表面對流和輻射冷卻的作用，表面趨于冷卻更快，結果使外部表面溫梯趨于變高。表面溫梯越高，在毛坯外部區域形成的缺陷越多。理想地，在徑向各處的溫梯應當相同，亦即圖5曲線應當平直一些。按照圖4降低整個溫梯方式，降低了表面處整個溫梯就減少了表面處的大量缺陷。因此，本發明和現有技術熱屏蔽得到的毛坯相比，貫穿毛坯的缺陷分布更平均。
綜上所述可以看出，已達到本發明的若干目的并得到其他優越效果。
從上述構成中可作許多改變而并不背離本發明精神范圍，上述說明書所含全部內容和附圖所示僅供說明，絕非限制。
權利要求
1.一種拉晶爐用熱屏蔽，它環繞由單晶爐內裝填半導體熔體原料的坩堝中生長出來的單晶毛坯，該熱屏蔽包括一種反射器，其所具有環繞正在生長毛坯的中央開口的尺寸和形狀能減少來自坩堝的傳熱，反射器適合安放在拉晶爐內熔體材料和攝像機之間，所述攝像機對準毛坯和熔體材料上表面之間所形成彎月面上至少三個隔開的點，反射器有至少三個通道伸展通過反射器，每個通道沿著攝像機和彎月面上一個點之間的一條假想線定位，從而讓攝像機看到這些點，使攝像機能測定這些點的位置來計算毛坯直徑，同時將穿過通道的熱散失減至最小。
2.根據權利要求1的熱屏蔽，其中所述通道是連通反射器中央開口的缺口。
3.根據權利要求2的熱屏蔽，其中通道包括中央通道和定位在中央通道兩側的邊側通道。
4.根據權利要求3的熱屏蔽，其中每個通道都定位在弧線上，且每個邊側通道與中央通道沿弧線測量以大約15-50°的角度隔開。
5.根據權利要求4的熱屏蔽，其中每個邊側通道與中央通道沿弧線測量以大約35°的角度隔開。
6.根據權利要求5的熱屏蔽，其中每個邊側通道都比中央通道寬。
7.根據權利要求1的熱屏蔽，其中所述反射器是第一反射器且熱屏蔽進一步包括與第一反射器同軸的第二反射器，所述第二反射器的中央開口對準所述第一反射器的中央開口。
8.根據權利要求8的熱屏蔽，進一步包括在所述第一和第二反射器之間定位的絕熱層。
9.根據權利要求1的熱屏蔽，其中所述中央開口是圓形，且其直徑是毛坯直徑的大約1.1倍。
10.根據權利要求1的熱屏蔽，其中每個通道的有效觀測寬度垂直于所述相應的假想線測量大約十毫米。
全文摘要
一種熱屏蔽,用于拉晶爐內,它環繞由單晶爐內裝填半導體熔體原料的坩堝生長出來的單晶毛坯。該熱屏蔽包括一種反射器,其所具有環繞正在生長毛坯的中央開口的尺寸和形狀能減少來自坩堝的傳熱。反射器適合安放在拉晶爐內熔體材料和攝像機之間,攝像機對準毛坯和熔體材料上表面之間所形成彎月面上至少三個隔開的點。反射器有至少三個通道伸展通過反射器,每個通道沿著攝像機和彎月面上一個點之間的一條假想線定位,從而讓攝像機看到這些點,使攝像機能測定這些點的位置來計算毛坯直徑,同時將穿過通道的熱散失減至最小。
文檔編號C30B15/14GK1272146SQ98809651
公開日2000年11月1日 申請日期1998年9月24日 優先權日1997年9月30日
發明者W·L·魯特, L·W·法瑞 申請人:Memc電子材料有限公司