用于生产硅的单晶体的设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明提供了一种用于生产硅的单晶体的设备和方法，利用其可以加工做为原材料的颗粒状硅以产生单晶体。该设备包括具有中央开口及从中央开口指向下的管的板、用于计量至板上的颗粒状硅的装置、设置在板上方的第一感应加热线圈和设置在板下面的第二感应加热线圈。
【背景技术】
[0002]US2003145781 Al和US2011185963 Al描述了具有上述特征的设备，以及使用这种设备来生产单晶体的方法。首先，使管的下端靠近固态的硅，并且借助于第二感应加热线圈加热该管，以便在封闭的管的下端形成液态硅。随后，使单晶的籽晶与液态硅接触，转动并降下，并且同时从管的下端熔化进一步的硅。当降下籽晶时，液态硅在籽晶上结晶。在被称为颈缩并且起到使结晶部分脱位至其表面目的的阶段之后，最后出现了生长的单晶体。在生长晶体的顶端处，存在支持单晶体进一步生长的小体积的熔化硅。生长单晶体的熔化体积和直径在进一步的阶段不断地增大直到已经达到目标直径。此后，允许单晶体按大致圆柱形方式生长，以便在稍后阶段进一步处理已经圆柱形地生长的那部分以给出半导体晶片。在已经熔化了封闭管的下端的固态硅之后，进一步提供了生长单晶体所需的液态硅。为了该目的，将颗粒状硅沉积到板上并借助于第一感应加热线圈来熔化并且同时转动该板。将液态硅从板的顶侧传送至板的中央开口处并且在生长单晶体时穿过管到达熔化处。
[0003]US2003145781 Al提出了将由石英制成的器皿或者由硅制成的板用作该板，并且在该板的顶侧上提供了隆起，这形成了通道以便将用于熔化硅的流动路径延伸至中央开口。流动路径的延伸被认为在固态硅到达生长单晶体之前促进了来源于颗粒状硅的固态硅的完全熔化。如果没有这种通道，则建议通过第一感应加热线圈的作用在板的顶侧上、在中央开口的部位中安设固态硅的障碍部。如此选择该障碍部的高度，即，使颗粒状硅不能越过该障碍部，除非其已经被完全熔化。
【发明内容】
[0004]本发明的发明人已经发现，由硅制成的板的顶侧通过第一感应加热线圈的作用被更改至如此程度，即，该板用于生产进一步的单晶体的用途不是仅在大量重新调整之后才有的选择或者是可能的。另外，发现，当使用由石英制成的板时，减损了液态硅从顶侧的外边缘的部位至顶侧的内边缘的传送，甚至当没有延长流动路程的通道时。
[0005]本发明的目的是使板能有简单的重复使用性并且利于液态硅从板的顶侧外边缘至板的顶侧内边缘的传送。
[0006]该目的通过一种用于生产硅的单晶体的设备来实现，包括
[0007]板，其具有带外边缘和内边缘的顶侧、邻接内边缘的中央开口和从中央开口延伸到板的底侧下面的管；
[0008]用于计量至板的顶侧上的颗粒状硅的装置；
[0009]第一感应加热线圈，其设置在板的上方并且提供来用于熔化沉积的颗粒状硅；
[0010]第二感应加热线圈，其设置在板的下面并且提供来用于稳定硅的熔体，在生长硅的单晶体时出现熔体，其中板的顶侧是由陶瓷材料构成的并且具有隆起，相邻的隆起的中间部之间在径向方向上的距离不小于2mm并且不大于15mm。
[0011]本发明还提供了一种用于生产硅的单晶体的方法，包括
[0012]提供上述设备；
[0013]将颗粒状硅沉积到板的顶侧上、在顶侧的外边缘的部位中而同时转动所述板；
[0014]熔化颗粒状的硅，并且使熔化的硅经过隆起、通过板中的中央开口并且通过管直到在生长硅的单晶体时其为熔体。
[0015]板和管优选制成单一件。板的顶侧由陶瓷材料构成，陶瓷材料在接触液态硅时是热稳定的并且以外来物质污染液态硅至最小程度。板和管可以由涂覆有陶瓷材料的基础结构构成。板和管也可以完全由陶瓷材料构成。用于基础结构的可能材料是能涂覆有陶瓷材料的高热稳定性的抗断裂材料，例如，金属和碳。特别优选的是，基础结构是由碳制成的。陶瓷材料优选是例如氧化铝(Al2O3)、氮化硼(BN)、六硼化镧(LaB6)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氧化钇(Y2O3)、氧化锆(ZrO2)或者石英(S12)。特别优选的是碳化硅。
[0016]因为隆起，所以板的顶侧不是平坦的而是结构化的。隆起之间是凹部，优选是闭合的凹部。闭合凹部是板的表面上完全被隆起包围的区域。存在于凹部之一中的液态硅形成了由隆起围住的池。这种隆起分布在板的顶侧的外边缘与内边缘之间。凹部可以具有例如环形、正方形、矩形、螺旋形或者菱形形状的外形。优选是，在板的外边缘处的凹部与径向地靠近板中的中央开口的凹部之间存在梯度。该梯度具有优选不小于1°并且不大于15°、更优选不小于1°并且不大于5°的倾斜角度。因此，液态硅具有从板的外边缘流向板中的中央开口的倾向。
[0017]发明人已经发现，隆起是合适的，以便促进液态硅从板的顶侧的外边缘至板的顶侧的内边缘的传送。如果没有隆起，则减损了液态硅至中央开口的传送。其原因是液态硅对陶瓷材料的中等可润湿性。在缺少隆起的板上，形成了缓慢移动的液态硅岛，这仅少量地湿润了板的顶侧并且几乎未显示出流向中央开口的任何倾向。
[0018]根据本发明提议的在板的顶侧上有隆起的构造结果在熔化沉积的颗粒状硅的过程中在凹部中形成了液态硅池。随着时间的推移，这种池的体积增大，直到隆起不能再将液态硅保持在凹部中，并且池溢出。溢出的液态硅不会显示出形成岛的任何倾向并且最后流过隆起至板中的中央开口。在此过程中，溢出的液态硅结合并覆盖板的顶侧的较大区域。
[0019]凹部底与界定出凹部的隆起的最高点之间的高度差优选不小于0.1mm并且不大于5mm，更优选不小于0.5mm并且不大于3mm。为了使液态硅能在隆起上进行质量转移，相邻隆起的中间部之间在径向方向上的距离不小于2mm并且不大于15mm，优选不小于3mm并且不大于6臟。
[0020]本发明的设备具有可以省去冷却装置的额外优点，如果板由硅构成，则需要冷却装置以便冷却该板。本发明的设备不需要任何这种冷却装置。
[0021]在本发明的特别优选的实施例中，当从上方观察时，隆起和凹部形成了围绕中央开口同心地设置的环。另外，隆起和凹部可以还出现在管的内表面上。
[0022]板的顶侧的外边缘可以被壁围绕，并且由于该原因，该板可以被称为盘。
【附图说明】
[0023]以下参照附图来阐明本发明。
[0024]图1显示了用于生产硅的单晶体的本发明设备的特别优选实施例的剖视图。
图2显示了从上方观察的具有相对于中央开口同心的环形的隆起和凹部的板。
【具体实施方式】
[0025]根据图1的设备包括板I，该板I有顶侧2，该顶侧2具有外边缘3和内边缘4。在板的中间是邻接内边缘的中央开口，和从中央开口延伸到板的底侧6下面的管5。该设备还包括设置在板上方的第一感应加热线圈7和设置在板下面的第二感应加热线圈8。第一感应加热线圈7用来熔化颗粒状的硅，并且较低的感应加热线圈8在生长硅的单晶体10时稳定现有硅的熔体9。借助于计量装置12穿过第一感应加热线圈7将颗粒状的硅11施加到(例如，播散)到板的顶侧。优选按如此方式供应，即，其首先在靠近外边缘的外部区域中与板的顶侧接触。
[0026]板的顶侧由陶瓷材料(优选是，碳化硅)构成并且具有界定出闭合的凹部14的隆起13。当从上方观察时，隆起13和闭合的凹部14形成了环，所述环相对于中央开口同心地设置并且从板的顶侧的外边缘延伸至内边缘并还出现在管的内表面上。
[0027]图2显示了从上方观察的具有相对于中央开口同心的环形的隆起13和凹部14的板I。相邻隆起的中间部之间在径向方向上的距离D不小于2mm并且不大于15mm。板I的顶侧2上施加颗粒状硅的部位B具有例如由双箭头指示的径向位置和宽度。
[0028]实例和对比实例:
[0029]为了生产硅的单晶体，提供两种不同的设备。仅有的差别是，对于按非本发明方式生产，使用一种其顶侧上没有隆起的板的设备。对于按本发明方式生产，使用一种具有根据图2的板的本发明设备，该板具有出现在其顶侧的同心的环形隆起。
[0030]发现，当使用具有平滑的非结构化表面的板时，由于形成了缓慢移动的液态硅的岛而显著减损了液态硅的质量转移。当使用本发明的设备时不会出现该缺点。
【主权项】
1.一种用于生产硅的单晶体的设备，包括 板，其具有带外边缘和内边缘的顶侧、邻接该内边缘的中央开口和从该中央开口延伸到该板的底侧下面的管； 用于计量至该板的顶侧上的颗粒状硅的装置； 第一感应加热线圈，其设置在该板的上方并且提供来用于熔化沉积的颗粒状硅； 第二感应加热线圈，其设置在该板的下面并且提供来用于稳定硅的熔体，该熔体在生长硅的单晶体时出现，其中该板的顶侧是由陶瓷材料构成的并且具有隆起，相邻隆起的中间部之间在径向方向上的距离不小于2mm并且不大于15mm。2.如权利要求1所述的设备，其中该陶瓷材料从一组中选择，该组包括氧化铝、氮化硼、六硼化镧、碳化硅、氮化硅、氧化钽、氧化钇、氧化锆和石英。3.如权利要求1或权利要求2所述的设备，其中该隆起围绕该中央开口同心地设置。4.如权利要求1到3中任一项所述的设备，其中该板的顶侧的外边缘由壁围绕。5.一种用于生产硅的单晶体的方法，包括 提供如权利要求1到4中任一项所述的设备； 将颗粒状的硅沉积到该板的顶侧、在该顶侧的外边缘的部位中而同时转动该板； 熔化该颗粒状的硅，并且使熔化的硅经过该隆起、通过该板中的中央开口并且穿过该管直到在生长硅的单晶体时其为熔体。
【专利摘要】一种用于生产硅的单晶体的设备和方法。该设备包括板，该板具有带外边缘和内边缘的顶侧、邻接内边缘的中央开口和从中央开口延伸到板的底侧下面的管；用于计量至板的顶侧上的颗粒状硅的装置；第一感应加热线圈，其设置在板的上方并且提供来用于熔化沉积的颗粒状硅；第二感应加热线圈，其设置在板的下面并且提供来用于稳定硅的熔体，在生长硅的单晶体时出现熔体。该设备的特征在于，板的顶侧是由陶瓷材料构成的并且具有隆起，相邻的隆起的中间部之间在径向方向上的距离不小于2mm并且不大于15mm。
【IPC分类】C30B29/06, C30B13/20
【公开号】CN104975340
【申请号】CN201510161991
【发明人】G·布伦宁格, W·施泰因, M·黑伯伦
【申请人】硅电子股份公司
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年4月7日
【公告号】DE102014207149A1, EP2933358A1, US20150292109