生長富空位單晶硅的熱屏蔽組件和方法

專利名稱：生長富空位單晶硅的熱屏蔽組件和方法
背景技術：
本發明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?？瘴唬缢鼈兊拿炙凳镜?，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。
發明概述在本發明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，因而單晶具有占絕大多數的空位缺陷和低密度聚集的空位缺陷。
本發明的另一些目的和特點一部分是顯而易見的，并且一部分在下文中指出。
對附圖的簡要說明

圖1是拉晶機示意性的局部垂直剖面圖，它示出熱屏蔽在單晶硅錠料生長期間的位置；圖1A是拉晶機支承結構的頂部平面圖，該支承結構支承熱屏蔽；圖2是熱屏蔽組件的透視圖，同時該組件的一部分中間熱屏蔽被切去；圖3是一個吊架的部件分解透視圖，該吊具用于將熱屏蔽組件連接到拉晶機的提拉機構上；圖4是吊具的橫截面圖；圖5是在拉晶機中開始形成熔體期間，一部分拉晶機的示意性橫截面圖；和圖6是在拉晶機中開始形成熔體期間，后期一部分拉晶機的橫截面圖。
在附圖的全部視圖中，對應的標號表示對應的部件。
優選實施例的詳細說明現在參看附圖，尤其是參看圖1和2，按照本發明的原理所制造的熱屏蔽組件在總體上以10表示，該熱屏蔽組件最好是供一類拉晶機使用，該類拉晶機在總體上以12表示，用來按照直拉法(Czochralski法)生長單晶硅錠料(如圖1中的錠I)。拉晶機12包括一個用于隔離內部的殼體(總體上以14表示)，該內部包括一個下面的晶體生長室16和一個上面的提拉室18。提拉室具有比生長室小的橫向尺寸。石英坩堝20裝有熔融的半導體原材料M，從該半導體原材料M生長出單晶硅錠料I。坩堝20包括一個圓筒形側壁，并安裝在一個轉臺22上，用于圍繞一垂直軸旋轉。坩堝20還能在生長室內升起，以便當錠I生長并且從熔體中移去原材料時，使該熔融原材料的表面保持處于相同的水平面上。
加熱器包括在總體上垂直安裝的加熱板24，該加熱板24一部分與坩堝20的側壁對準。加熱板24將坩堝20和拉晶機12的內部加熱到溫度高于原材料(例如硅)的熔點。設置保溫層26以便將熱量限制在殼體14的內部。此外，在殼體14及拉晶機12中另外地方有一些通道，用于冷卻水的循環。這些通道的其中某些在圖1中用標號28表示。提拉機構包括一個提拉軸29，該提拉軸29從提拉室18上方的一個絞盤向下延伸。拉晶機12可以具有一根提拉線而不是提拉軸，這取決于拉晶機的類型。提拉軸終止于一籽晶夾具30上，該籽晶夾具30夾持用來生長單晶硅錠料I的籽晶32。在圖1中提拉軸29已經部分地切去，用于清楚地圖示出籽晶夾具30和錠料I的一個升起位置，該夾具30和錠料I的升起位置用虛線示出。除了下面更充分闡明的范圍之外，拉晶機12的一般結構和操作為該領域的普通專業人員所熟知，因而不作進一步說明。
在單晶錠料I的生長期間，應用本發明的熱屏蔽組件10來控制錠料的加熱和冷卻，以便有利地生產一種具有更少缺陷的單晶。熱屏蔽組件10包括一個上熱屏蔽36，該上熱屏蔽36位于坩堝20的上方，它不與拉晶機殼體14接觸。上熱屏蔽36一般是管狀，它具有一個中央通道，用于容納穿過上熱屏蔽的錠料I。上熱屏蔽36最好是完全包圍容納在中央通道中的錠料I的任何部分，并插入錠料I和殼體14的最接近的內壁之間。利用該上熱屏蔽36來阻止錠料I和殼體各比較冷的內壁之間的熱傳遞，來降低坩堝20上方熱屏蔽內錠料中聚集的缺陷的成核速率。
熱屏蔽組件10的一個底部熱屏蔽制造成放置在拉晶機殼體14內的一個環形支承結構38上，并向下延伸到坩堝20中。在圖示的實施例中，底部熱屏蔽包括一個中間熱屏蔽40和一個下熱屏蔽42(二標號都在總體上表示它們的對象)。中間熱屏蔽40一般是管狀，并具有一個中央通道，用于容納穿過該熱屏蔽的錠料I。下熱屏蔽42通常是碗形，并具有一個中央通道，用于容納進入下熱屏蔽中的一部分錠料I。下熱屏蔽42的下邊緣向里彎曲。下熱屏蔽的下端在熱屏蔽組件10最下面位置中的熔體M表面的上方彼此間隔開，用于促進熔體表面液-氣-固界面處從加熱板24經過坩堝20側壁到錠料I的熱傳遞。
下熱屏蔽42由一種合適的材料如涂敷碳化硅的石墨制成，并包括一個下面的碗形部分和兩個臂44，兩個臂44從碗形部分的頂部向上和向內延伸到一個套環46上。正如在圖2中最清楚看到的那樣，兩個臂44位于碗形部分頂部沿周上向隔開的部分處，以便下熱屏蔽42在其碗形部分上方的側邊在本質上是敝開的。上熱屏蔽36的下邊緣容納在套環46中，并利用合適的緊固件將其固定到該套環上，以便將上、下熱屏蔽36、42在徑向上連接在一起，用于共同移動。
中間熱屏蔽40在其頂部邊緣處具有一個徑向上向外擴口的環形唇邊48。唇邊48具有一種形狀，該形狀與支承結構384個徑向上向內伸出的翼片50(圖1A)的形狀互補，并且唇邊48放置在這些翼片上。當熱屏蔽組件10處于其工作位置時，支承結構38將中間熱屏蔽40夾持在坩堝20上方一預定的垂直部位。在圖示的實施例中，中間熱屏蔽40向下延伸到坩堝20中一個短的距離。導向/隨動板52安裝在中間熱屏蔽40上，并穿過唇邊48中對應的孔容納在中間熱屏蔽的相對兩邊上。在中間熱屏蔽40的外部，各導向和隨動板52的徑向上外端具有切口54，切口54容納一部分對應的石英導柱56，該石英導柱56安裝在拉晶機12內的支承結構38上。導向/隨動板52能沿著導柱56的高度滑動，以便當它在拉晶機12內升降時，導柱給熱屏蔽組件10導向。
導銷58安裝穿過相應導向/隨動板52的徑向上內端部的孔，穿過下熱屏蔽中的弧形切口(未示出)并進入中間熱屏蔽40中的凹槽(未示出)。導銷58與導向/隨動板52、中間熱屏蔽40和下熱屏蔽42之間沒有固定的連接，但在工作時保持與中間熱屏蔽處于固定位置。導銷58給上熱屏蔽36和下熱屏蔽42相對于中間熱屏蔽40在一延伸的位置(圖1)和一縮回的位置(圖2和圖6)之間的運動導向。在完全縮回的位置，下熱屏蔽42接觸導向/隨動板52，以便上熱屏蔽36和下熱屏蔽42的任何進一步向上運動將造成中間熱屏蔽40的共同向上運動。在完全延伸的位置，下熱屏蔽42上的一個唇邊60放置在中間熱屏蔽40上的一個唇邊62上，以便上熱屏蔽36和下熱屏蔽42不能相對于中間熱屏蔽進一步向下運動。因此，在該延伸的位置中間熱屏蔽40，支承上熱屏蔽36和下熱屏蔽42。然而，上熱屏蔽36和下熱屏蔽42能相對于中間熱屏蔽40在延伸的位置和縮回的位置之間移動，同時下熱屏蔽沿著導銷58滑動，并被導銷58導向。
在一個優選實施例中，上熱屏蔽36用涂敷碳化硅的石黑制成，但也可以用其它的適用于拉晶機12外圍設備的材料制造。例如，設想可以用一種多層鉬結構(未示出)代替石墨。上熱屏蔽36適合于罩住一部分錠料I，該錠料I具有溫度范圍為1150℃～1000℃，該1000℃是來自拉晶機殼體14各比較冷側壁的溫度。因此，在錠料I和拉晶機12之間的熱傳遞減少，并且錠料中聚集的缺陷數量密度減少。上熱屏蔽36的上端形成具有三個一般是J形的凹槽64，該J形凹槽64能使一個旋轉吊架(一般以66表示)可松開、卡口式連接到上熱屏蔽上。
如圖3和圖4所示，吊架66包括一個架體68，該架體68安裝三個支桿70，該三個支桿70在圍繞架體的三個等角間隔開的位置處從該架體徑向向外伸出。每個支桿都具有一個直徑減小的端部72，該端部72可安放于上熱屏蔽36內相應的其中一個J形凹槽64中，以便將吊架66連接到該上熱屏蔽上。利用一個固定板76將一安裝部件74夾持在架體68上，固定板76用一對螺釘附接到架體上。固定板76具有一個中央軸80，該中央軸80安放在安裝部件74底部的一個孔(未示出)中。將一個緩沖板82和滾珠軸承84插在安裝部件74和架體之間的架體68內部，同時允許架體在安裝部件上旋轉。因此，當吊架66保持固定時，提拉軸和籽晶夾具30可以旋轉。
制造一個轉接器86，用于以與籽晶32相同的方式(并代替該籽晶32)安裝在籽晶夾具30上。轉接器86具有一個內部向下的孔腔，該孔腔易于通過該轉接器一側中的一個一般是匙形的孔88?？?8的較大部分將一連接纜(一般以92表示)的球形端90安放在該孔腔中。其匙形孔88的較窄部分這樣安放連接纜92的較細的柄94，以便將球形端90夾持在孔腔中，并且柄向下伸出到轉接器86的下方。吊架66的安裝部件74還具有一個內部空腔，連接纜92可以通過一個匙形孔96進入該內部空腔中，該匙形孔易于通過架體68中的一個孔(未示出)。將連接纜92的對面的球形端98穿過匙形孔96的較大部分安放，并安放在安裝部件74中。連接纜92的柄94穿過孔96的較窄部分安放，并向下伸出安裝部件74和架體68。一旦球端98進入空腔，則它就被夾持在安裝部件74中。這樣，吊架66就吊掛在轉接器86上并通過籽晶夾具30和提拉軸承載。
現在參看圖1、5和6，將要說明熱屏蔽組件10的使用。一開始，將拉晶機殼體14的圓頂蓋部分100和提拉室部分102吊起離開該殼體的生長室部分104，并將固體的多晶硅S放入坩堝20中。在圖5中示出在吊離開圓頂蓋100和提拉室部分102情況下的拉晶機12。固體硅S在各附圖中僅示意示出，但它也可以是普通的塊狀或流化層多晶硅。拉晶機12中的加熱板24是不活動的，并且拉晶機的內部與房間相通。將許多個(在圖示的實施例中是3個)一般是U形支承件106安放在拉晶機12內的支承結構38上。然后，將熱屏蔽組件10安放在晶體生長室16中，以便中間熱屏蔽40的唇邊48放置在支承件106上。將下熱屏蔽42完全從中間熱屏蔽40中伸出，以便下熱屏蔽的唇邊60放置在中間熱屏蔽的唇邊62上，并且上熱屏蔽36和下熱屏蔽42由中間熱屏蔽支承。
然后，將殼體14的圓頂蓋部分100和提拉室部分102吊回到晶體生長室部分104的上方，并且如此升起熱屏蔽組件10，以便上熱屏蔽36延伸穿過圓頂蓋部分100，到生長室16的外面，并進入提拉室18。盡管沒有圖示出，但這時圓頂蓋部分100不是坐落在殼體14的生長室部分104上，而是在生長室上方稍微間隔開。提拉室18易于通過殼體14提拉室部分102側邊中的一個門(未示出)。吊架66和轉接器86已經通過分別將連接纜92的球形端90，98穿過匙形孔插入轉接器和安裝部件74中預先裝配好了。將轉接器86插入夾具30中并加以固定(如通過以一種普通的方式銷住)。通過降下提拉軸降下吊架66并如此導向，以便將每個支桿70安放在上熱屏蔽36內其中之一J形凹槽64中。然后，如此轉動吊架66，以便各支桿的減小直徑端72與J形凹槽64的更小的趾端108對準。
開動絞盤來升起吊架66，以便將各支桿70的減小直徑端72安放在J形凹槽64的趾端108中，并且將熱屏蔽組件10升起脫離支承件106。當向上移動吊架66時，上熱屏蔽36和下熱屏蔽42開始與吊架一起移動，而中間熱屏蔽40仍保持固定在支承件106上。當下熱屏蔽42部分插入中間熱屏蔽40中時，上熱屏蔽36和下熱屏蔽42由導銷58導向。在各導銷58的頂部附近，下熱屏蔽42如此接觸導向隨動板52，以致中間熱屏蔽40現在被下熱屏蔽支承。吊架66的進一步向上移動與上熱屏蔽36和下熱屏蔽一起共同承載中間熱屏蔽40，并將該中間熱屏蔽升起脫離各支承件。中間熱屏蔽40被導柱56夾持住，抵抗生長室16中任何顯著的旋轉或橫向移動，導柱56被安放在導向/隨動板52外端內的切口54中。從支承結構38中移去支承件106并取出生長室16。
將殼體14的圓頂蓋部分100和提拉室部分102向下降低到生長室部分104上，如圖6所示。再開動絞盤以便升起熱屏蔽組件10直至最高位置。最好是，在生長室16中設置一個限制開關(未示出)，以便當熱屏蔽組件10完全升起時，自動地關閉絞盤。在這種構造中，將上熱屏蔽36設置在生長室16形成軸頸的部分內，并且還設置在提拉室18之內。將下熱屏蔽42如此插入中間熱屏蔽40中，以便熱屏蔽組件10在生長室16內具有一很小的外形。將坩堝20升起到生長室16內，并在拉晶機12中抽真空。開動加熱板24，以便在坩堝20中熔化固體的多晶硅S。
在固態硅S熔化之后，開動絞盤，以便向下朝坩堝20方向降低熱屏蔽組件10。導向/隨動板52沿著各導柱56滑動，以便當熱屏蔽組件10向下移動時，使其移動穩定。中間熱屏蔽40的唇邊48接觸支承結構38的翼片50，同時阻止中間熱屏蔽進一步向下移動。在下熱屏蔽沿著導銷58滑動的情況下，上熱屏蔽36和下熱屏蔽42向下延伸。一旦下熱屏蔽62的唇邊60接觸中間熱屏蔽40的唇邊62，則上熱屏蔽36和下熱屏蔽42的向下移動便停止。上和下熱屏蔽被中間熱屏蔽40支承，并且整個熱屏蔽裝置位于生長室16的內部。
進一步如此降下吊架66，以使它的支桿70脫離J形凹槽64的狹窄趾端108。然后如此操作絞盤來轉動吊架66，以便各支桿70與J形凹槽64的較寬部分對準，并且開動絞盤來升起吊架，同時使該吊架與上熱屏蔽36分開。然后，可以向上升起吊架66離開生長室16并進入提拉室18。關閉拉晶機12的隔離閥，同時使生長室16與提拉室18隔離，以便在生長室中保持低壓和高溫狀態。為了簡化示圖起見，在各附圖中均未示出生長室16和提拉室18之間的隔離閥。在冷卻之后，在吊架66處打開提拉室部分102的門，并從籽晶夾具30中取出轉接器86。
將籽晶32安裝在夾具30中，并關閉提拉室部分102的門。打開隔離閥并開動絞盤，以便向下降下籽晶32到坩堝20內熔化的硅M中。當籽晶32開始熔化時，開動絞盤以便向上拉出籽晶。硅以單晶結構凝固在籽晶32上，在直拉法之后，形成一般是圓柱形的錠料I(圖1)。在下熱屏蔽42的完全降下的位置中，它的底部邊緣最好是坩堝20內熔體M表面的上方約50-60mm。除了下熱屏蔽底部與熔體M表面之間的間距之外，下熱屏蔽42防止熱量從坩堝的各側壁輻射到錠料I上。此外，將熱屏蔽組件10設置在錠料I和殼體14各較冷的側壁之間，同時阻止來自錠料的熱傳遞。結果，將熱量保存在熔體的表面(亦即，液-氣-固界面)處，并增加了錠料I在該界面處的溫度，因而降低了在界面處錠料中的瞬時軸向溫度梯度Go。
在圖1所示的位置中，錠料I(以實線示出)的上面部分已經進入下熱屏蔽的中央通道。這部分錠料I被保護不受從坩堝20的側壁輻射出熱量的影響。在此較高位置的這部分錠料I還易于受到上熱屏蔽36和下熱屏蔽42之間兩臂44所跨越的孔的影響。在下熱屏蔽42內部的這部分錠料現在“看著”殼體14的冷的側壁。在殼體14的水冷卻的側壁和錠料I之間發生顯著的熱傳遞，并且在下熱屏蔽42內部有錠料的快速冷卻。
錠料I繼續生長，并且一部分進入上熱屏蔽36，如圖1中以虛線示出的。上熱屏蔽36插在錠料的側壁和殼體14的側壁之間。上熱屏蔽36如此定位，以使進入該上熱屏蔽的這部分錠料I近似為1150℃。在上熱屏蔽36的內部，從錠料I到殼體14側壁的熱傳遞如此顯著地減少，以致瞬時溫度梯度Go在上熱屏蔽內的這部分錠料中變小。
因此，可以看出，利用本發明的熱屏蔽組件10和拉晶機12，達到了本發明的一些目的和特點。熱屏蔽組件10是小型的，并且被制造成當它升起時部分壓縮，以便使在生長室16內操作所必需的空間減至最小。采用熱屏蔽組件10，則通過減少坩堝20內液-氣-固界面處錠料I中的熱損耗，達到在液-氣-固界面處有一很高的v/Go比。例如，梯度Go可以從無屏蔽的直拉法達到的22.84℃/cm降低到用本發明的熱屏蔽組件和方法所達到的21.05℃/cm。v/Go比可以從0.000060cm2/℃·sec增加到0.000047cm2/℃·sec。因而，在晶體中處處都有占絕大多數的晶格空位，并且在錠料I中沒有徑向空位/自填隙邊界環。v/Go比增加而沒有改變提拉速率v.在該優選實施例中，被提拉的晶體的提拉速率分布圖與平常未加屏蔽的直拉法相比沒有顯著的改變。然而，應該理解，可以應用提拉速率的改變來增加v/Go比。正如在上熱屏蔽36和下熱屏蔽42之間設置一個孔所希望的，在下熱屏蔽42的內部達到了錠料I的快速冷卻。再將錠料I屏蔽在該錠料溫度近似在1150℃和1000℃之間的區域保溫，以便減少錠料中空位的聚集。例如，在用本發明的熱屏蔽組件和方法的情況下，在錠料I該區域的溫度梯度可以從14.1℃/cm下降到11.7℃/cm。
本發明的方法一種說明如下。
生長富空位單晶的方法包括以下步驟將一個籽晶往下放到與拉晶機坩堝中熔化的半導體原材料的熔體接觸；如此從熔體中升起籽晶，使來自熔體的半導體材料凝固在籽晶上，以便形成單晶；將從坩堝側壁輻射出來的熱量對著靠近熔體表面并位于坩堝頂部下方的一個區域，用于阻止在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；在熔體表面上方的一個位置處熱屏蔽住單晶，以使單晶在大約1150℃-1000℃的溫度范圍內的冷卻慢下來；因而，單晶具有主要是空位缺陷和低密度聚集的空位缺陷。
本方法不但得到唯一的在單晶錠料I內空位占優勢的材料，而且當錠料在拉晶機中形成時減少了空位缺陷的聚集。這樣，就減少了錠料I中引起堆垛層錯的氧化作用。
鑒于上述情況，可以看出，本發明的幾個目的都達到了，并且得到另一些有利的結果。
盡管不脫離本發明的范圍，在上述結構中可以作各種改變，但我們打算將上述說明中所包括的或附圖中所示的所有情況都看作是例證性的，而不是限制的意思。
權利要求
1.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。
2.如權利要求1所述的熱屏蔽組件，還包括一些導向件，用于給下熱屏蔽在中間熱屏蔽中的滑動導向。
3.如權利要求2所述的熱屏蔽組件，其特征在于下熱屏蔽包括一個套環，上熱屏蔽容納于該套環中，并在其中連接到下熱屏蔽上。
4.如權利要求3所述的熱屏蔽組件，其特征在于中間熱屏蔽在其上部邊緣處具有一個環形唇邊，該唇邊可與拉晶機中的結構接觸，以便在其中支承熱屏蔽組件。
5.如權利要求1所述的熱屏蔽組件，還包括一個連接器，用于將該熱屏蔽組件連接到在拉晶機提拉機構上的籽晶夾具上。
6.如權利要求5所述的熱屏蔽組件，其特征在于連接器包括一個吊架，該吊架可與所述上熱屏蔽的連接器裝置選擇式接觸，用于將上熱屏蔽連接到提拉機構上。
7.如權利要求6所述的熱屏蔽組件，其特征在于所述連接器裝置包括上熱屏蔽中的多個一般是J形的凹槽，吊架包括一些支桿，各支桿容納于相應凹槽中。
8.用于形成單晶錠料的拉晶機，該拉晶機包括一個殼體，用于將拉晶機的內部隔開，殼體包括一個單晶生長室和一個提拉室，提拉室具有比生長室小的橫向尺寸；一個坩堝，用于裝熔化的半導體原材料，單晶錠料就從該半導體原材料生長出來，坩堝包括一個側壁并可在殼體內垂直活動，以保持熔體的表面處于基本上恒定的位置；一個加熱器，用于加熱坩堝和拉晶機的內部，加熱器配置成至少一部分與側壁垂直對齊；一個提拉機構，用于從熔化的半導體原材料中提拉錠料；支承結構；它設置在殼體的內部，一般在坩堝的上方；一個上熱屏蔽，它位于坩堝的上方并且不與殼體接觸，上熱屏蔽具有一個中央通道，用于容納錠料，上熱屏蔽包圍容納在其中央通道中錠料的任何部分，并且基本上保護錠料不受與殼體熱傳遞的影響，用于降低坩堝上方熱屏蔽中這部分錠料的冷卻速率；一個底熱屏蔽，它被做成放置在支承結構上，并從該支承結構向下延伸到坩堝中，底熱屏蔽具有一個中央通道，用于在底熱屏蔽中容納一部分錠料，使底熱屏蔽插在坩堝的側壁和錠料之間，用于保持錠料部分不受坩堝側壁的影響，來促進坩堝內部錠料部分的冷卻，底熱屏蔽具有一個在熔化材料上方間隔開的下端，并在底熱屏蔽下方的位置處促進從加熱器穿過側壁到錠料的熱傳遞。
9.如權利要求8所述的拉晶機，其特征在于底熱屏蔽包括一個敞開的上面部分，該上面部分使底熱屏蔽的中央通道通向殼體，用于促進底熱屏蔽中這部分錠料與殼體的熱傳遞。
10.如權利要求9所述的拉晶機，其特征在于底熱屏蔽連接到上熱屏蔽上，用于當底熱屏蔽放置在支承結構上時支承該上熱屏蔽。
11.如權利要求10所述的拉晶機，其特征在于底熱屏蔽包括一個中間熱屏蔽和一個下熱屏蔽，該下熱屏蔽連接到上熱屏蔽上，用于與其同時移動，并且它滑動伸縮式容納在中間熱屏蔽中，上熱屏蔽和下熱屏蔽在拉晶機內的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。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該中間熱屏蔽，用于支承中間熱屏蔽，以便與上熱屏蔽和下熱屏蔽一起向上移動。
12.如權利要求11所述的拉晶機，其特征在于中間熱屏蔽在其上邊緣處具有一環形唇邊，該唇邊可與拉晶機中的結構接觸，以便支承上熱屏蔽和下熱屏蔽。
13.如權利要求11所述的拉晶機，還包括一個籽晶夾具和一個連接器，該籽晶夾具安裝在提拉機構上，而連接器用于將上熱屏蔽連接到籽晶夾具上
14.如權利要求5所述的拉晶機，其特征在于連接器包括一個吊架，該吊架可與上熱屏蔽選擇式接觸，用于將上熱屏蔽連接到提拉機構上。
15.如權利要求14所述的拉晶機，其特征在于上熱屏蔽在該上熱屏蔽中具有多個一般是J形的凹槽，吊架包括一些支桿，各支桿容納于相應凹槽中。
16.生長富空位單晶的方法，包括以下步驟將固體半導體原材料放入拉晶機內的坩堝中；將一可伸縮的熱屏蔽組件懸掛在一提拉機構上，該提拉機構位于坩堝上方的拉晶機中，當熱屏蔽組件懸掛在提拉機構上時，處于一種伸縮式結構；將固體半導體原材料加熱，以使該原材料熔化；將熱屏蔽組件下降到一般是在坩堝上方與拉晶機中的支承結構接觸，熱屏蔽組件呈現一種延伸的位置，因而一部分熱屏蔽在坩堝中熔化的半導體原材料的表面附近延伸到坩堝中；將熱屏蔽組件與提拉機構分開；將一個籽晶附接到提拉機構上；將籽晶下降到與拉晶機內坩堝中熔化的半導體原材料的熔體接觸；如此從熔體中升起籽晶，以使來自熔體的半導體材料凝固在籽晶上來形成單晶；用鄰近熔體表面并位于坩堝頂部下方的一個區域中熱屏蔽，將熱量保存在坩堝中，用于抑制該區域內單晶中一種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的氧化作用；用熔體表面上方一個位置處的熱屏蔽組件，以熱的方法保護單晶，以使單晶在溫度約1150℃～1000℃范圍內的冷卻變緩慢；因而單晶具有占絕大多數的空位缺陷和低密度的空位缺陷。
全文摘要
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?？拷釄逯腥刍陌雽w原材料的上表面。還公開了應用熱屏蔽組件的方法。
文檔編號C30B15/00GK1265712SQ98807859
公開日2000年9月6日 申請日期1998年7月29日 優先權日1997年8月1日
發明者金永民, 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 申請人:Memc電子材料有限公司