专利名称：单晶提拉装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及从双坩埚蓄有的半导体熔体中提拉单晶的单晶提拉装置，特别涉及配备原料供应管的装置，通过该供应管将粒状原料注入双坩埚配置的内坩埚里面承载的熔融半导体内。
引上(CZ)生长技术是当今生长诸如硅(Si)或砷化镓(GaAs)半导体单晶公知方法之一的一个实例。
由于这种CZ(提拉)技术能够简单地生产大直径、高纯度没有位错或者特别低程度晶格缺陷的单晶，它们广泛用于生长各种半导体晶体。
近几年来，需要较大直径较高纯度并具有氧浓度含量和杂质浓度均匀的单晶，业已各种方式改良这种提拉生长技术以满足这些需要。
对前述目的提拉生长技术的改进之一是一种应用连续磁场提拉技术(下文记作CMCZ)，其中使用双坩埚。这种方法的特点是，通过施加外部磁场于坩埚内部的半导体熔体，抑制半导体熔体对流，以此方式，使得生长单晶的单晶棒具有良好的无滑移比并且对氧浓度含量有特别良好的控制；还有，通过许可连续供应原料到内外坩埚之间的位置能够简单生产半导体材料的长单晶。结果，认为这种方法是得到半导体材料的大直径长单晶的最好方法之一。
图19是JP平4-305091A报导单晶硅提拉装置的一个实例，其中采用上述CMCZ技术。在这种单晶提拉装置101中，双坩埚103、加热器104和原料供应管105位于空心气密舱室102内，磁体106位于舱室102外部。
双坩埚103包括石英(SiO2)制造的近似半球形外坩埚111和石英制造的内坩埚112，其中一个圆筒状部件装配在外坩埚111之内。内坩埚112侧壁具有多个连接小孔113将内外坩埚112和111之间的区域连接，即111(原料熔化区)和内坩埚112内部(晶体生长区)。
双坩埚103安置在坩埚托115上，座落在位于舱室102底部中央的纵轴114上，可以在水平方向以特定的角速度绕轴114旋转。双坩埚103里面储存半导体熔体121(产生半导体单晶的原料，通过加热熔化)。
加热器104加热并熔化坩埚里面的半导体原料，还保持由此产生半导体熔体121的温度。通常使用电阻加热。原料供应管105用来连续注入特定容积的半导体原料110至内外坩埚111和112之间的半导体熔体的表面。
磁体106用来外部施加磁场到双坩埚103内部的半导体熔体121，并在熔体121内产生劳伦兹力，从而进行半导体熔体121之内的对流控制、氧浓度控制和表面振荡的抑制。
通过上述原料供应管105供应原料110的实例包括多晶硅，它已通过粉碎器粉碎成碎片形式，或者用热分解将气态原料沉积成多晶硅颗粒；如果必要，可进一步供应公知掺杂剂的元素添加剂，诸如硼(B)(在制备P型单晶硅的情况)和磷(P)(在制备N型单晶硅的情况)。
在砷化镓(GaAs)的情况下，进行的操作同前述方式，但是所用元素添加剂或者是锌(Zn)或者是硅(Si)。
上述单晶提拉装置101中，籽晶125从提拉轴124起悬挂并位于内坩埚112上方且覆盖轴线，半导体单晶126在半导体熔体121表面上方围绕籽晶125的核生长。
然而如JP昭63-303894A所公开的，这种类型的单晶提拉装置中，单晶生长首先需要诸如多晶硅块料的多晶原料熔化，所得半导体熔体121储存在坩埚111之内，随后通过将内坩埚112定位于外坩埚111上方之后将其下降安置在外坩埚111上形成双坩埚103。
熔化多晶硅原料之后形成双坩埚103的理由是为使多晶硅原料进行完全熔化，以便得到半导体熔体121，外坩埚111之内原料的温度需要使用加热器104来提高到比单晶生长温度更热的温度。如果内坩埚112在熔化步骤之前就配置在外坩埚上，则发生内坩埚112的巨大热形变。结果，通过完全熔化原料之后将内坩埚112配置到外坩埚111上并随之降低加热器104施加的热，避免了初始原料熔化步骤所需要的高温，抑制了内坩埚的形变。
另外，内坩埚112的连接小孔113设定为预定的孔径小至足以保证添加原料时，半导体熔体仅仅从外坩埚111流入内坩埚112。这种限制的理由是，如果发生因对流使半导体熔体121能够从晶体生长区回流到原料熔化区的现象，则晶体生长期间掺杂浓度的控制和熔体温度的控制将有问题。
原料供应管105的上端配置在舱室102上壁且从该点使管大约垂直悬挂，该管(参看图20A)下端的开口105a以特定高度固定在半导体熔体121表面的上方。为了防止沾污，出于结构考虑，原料供应管105包括矩形截面的石英管。此外，为了保证以合适的降落速度供应高纯度颗粒硅，在原料供应管105内配置交错梯形隔板(挡板)，下文详述。
然而，原料供应管105下端开口在半导体熔体表面上方有几个厘米，原料储存在舱室102上部，不暴露在加热器104或半导体熔体121的辐射热下。结果，注入的原料从原料供应管105上部垂直落入半导体熔体121的表面，以巨大速度落入半导体熔体121中。原料浸入熔体表面会造成半导体熔体121的溅起并包裹环境气体进入半导体熔体，这就能抑制优良半导体单晶的生长。
如果添加注入的原料特别重的落下，或者集块落下，则原料又快又深地落入半导体熔体，造成相当大的影响。
为了解决这个特殊问题，JP平2-255589A和JP平3-164493A提供一种装置，其中原料供应管低端配置一种降低原料落下速度的装置。采用降低原料落下速度装置的一个实例是在原料供应管内配置隔板或挡板棒，如下文讨论。
如图20A和20B所示，原料供应管105是矩形截面管，带有固定在向管的内表面107a，107b成对的挡板108a，108b。另外，分别固定在表面107a，107b上的任何成对挡板之间的纵向距离最好保持大距离，以便防止原料堵塞原料供应管105，因此使用矩形截面的原料供应管105。原料供应管105配置这些挡板108a，108b以降低原料下降速度，使原料下降进入半导体熔体时造成的波动和振动能得到控制，因此防止晶体缺陷诸如位错的产生。
但是在采用类似图19，图20A和20B所示这类型技术的装置中，尽管原料110从原料供应管105底端开口105a以预定的下降速度降落，降落进入半导体熔体的位置并非足够靠近使其迅速熔化的外坩埚111侧壁。在侧壁迅速熔化是加热器104围绕双坩埚103所构造的装置所至，造成外坩埚内半导体熔体121越靠近坩埚111侧壁其温度越高。
此外，当原料110降落进入半导体熔体的位置没有充分远离内坩埚112时，气泡可能通过连接小孔113移至坩埚112内，该气泡是由注入原料110时进入熔体内分气体产生的，这大大提高产生诸如位错的晶格缺陷的危险。
再者，将矩形截面的原料供应管插入内坩埚112和外坩埚111之间狭窄的空间会带来另外的问题。
本发明第一个目的是提供一种单晶提拉装置，其中能使降落的原料迅速熔化，并减少发生诸如位错的晶格缺陷。
另外，从研究结果看，本发明人发现，简单降低原料降落速度不能解决原料降落时集块产生的大冲击问题。
结果，本发明第二个目的是提供一种单晶提拉装置，其中尽可能地降低原料通过原料供应管添加到半导体熔体所产生的冲击。
现在说明原料供应到上述原料供应管的配置。采用CZ生长技术的单晶提拉装置1的图显示在图21。这种单晶提拉装置1能够连续补充粒状半导体原料。类似图19装置的单晶提拉装置1包括空心管状舱室102，其内有双坩埚103可盛有粒状半导体原料或起半导体原料作用的多晶半导体粗块，加热器104用以加热双坩埚并将半导体原料转换成半导体熔体Sc2，单晶提拉装置包括提拉轴6用以从半导体熔体Sc2提拉半导体单晶Sc3，和原料供应管7a用以将粒状半导体原料Sc1供应到双坩埚103。
原料供应管7a包括储存供应装置8a用以储存并供应粒状半导体原料Sc1，原料供应管9用以将粒状半导体原料Sc1从储存供应装置8a在自然流动条件下供应到双坩埚103。原料供应管9包括固定连接在一起的多个管。
另外，原料供应管7a必须用合适的定时来供应合适量的粒状半导体原料Sc1，同时还保证粒状半导体原料Sc1的供应是足够小到不使半导体熔体Sc2波动。出于这个原因，粒状半导体原料Sc1的短暂降落时间和低的降落速度是可取的。为了满足这两种相矛盾的要求，原料供应管9的倾斜角需要以最佳角度设定。
然而这种类型的单晶提拉装置1中，如果由于受到外部原因诸如湿气或空气温度，或内部原因诸如安装角度的偏差，这些难以改变的影响使得原料供应管9的倾斜角偏离最佳角度，则会出现问题。
所以，本发明第三个目的是提供一种单晶提拉装置，其中可以方便地调节粒状半导体原料的降落时间和降落速度。
现在说明上述原料供应管的支承结构。单晶提拉装置1如图22所示，类似于图21所示装置，包括双坩埚103，用以盛有粒状半导体原料Sc1或起半导体原料作用的多晶半导体粗块，加热器104，用以加热双坩埚并将半导体原料转换成半导体熔体Sc2，单晶提拉装置205包括提拉轴205a，用以从半导体熔体Sc2提拉半导体单晶Sc3，舱室206，用于将双坩埚103，加热器104，和单晶提拉装置205包含在密封气体气氛中，和原料供应管7a，用以将粒状半导体原料Sc1供应到双坩埚103。原料供应管207包括设置在舱室206内部的内管208和设置在舱室206外部的外管209。内管208由石英构成，如图25所示，内部配置多个阶梯式面向下的挡板208a来降低颗粒半导体原料Sc1的降落速度。内管208上部208b由比底部园管直径大的筒状管构成，并且在这个上部208b的底部扩展处的管外表面上形成一个接合表面208c。
图22中的双坩埚103包括一个由石英(SiO2)制造近似半球形的外坩埚111，和石英制造置于外坩埚111之内的圆筒状内坩埚112。内坩埚112侧壁底部具有多个连接小孔113，将外坩埚111与内坩埚112连接起来。另外，双坩埚103安置在坩埚托115上，坐落在位于舱室206底部中央的纵轴114上，它可以特定角速度在水平方向绕轴114的CT轴线旋转。另外，为了加热器104加热和熔解外坩埚111里的半导体材料，维持这样生产的半导体熔体Sc2的温度，并在这特殊结构中采用电阻加热。另外，为了保持热量的目的，围绕加热器104装有隔热板216。
舱室206一般包括上部敞开的主舱221，密封开口的舱盖222。舱盖222配置供应管插入部分223，它含有一个插入小孔223a，原料供应管207的内管208插入通过该小孔。供应管插件223配置供应管中止件225。
类似图24所示，供应管中止件225一般由两件滑动模件226、227和含有装配小孔229a的滑动模件支承件229组成，两个滑动模件226和227固定在一起时可进入该小孔229a而固定，如图23所示。两个滑动模件226和227配置在一起时形成一个接合小孔228，如图24所示。如图23所示，接合小孔228孔壁底部在直径上显得狭窄，形成一种面向上的接合表面228a。内管208的上部208b插入并配合进入接合小孔228，同时上部208b的接合表面208c设置并接合在接合小孔228孔壁的接合表面228a。
另外，如图22所示，内管208底部插入管状导管231，这个导管231支承在环形附件232上，该附件232配置在隔热板216上。
现在说明使用上述单晶提拉装置1形成半导体单晶Sc3的方法。
首先，将多晶半导体粗块作为半导体原料置于外坩埚111，通过盖板222的供应管入口小孔223a和滑动模件支承件229的装配小孔229a将内管208上部208b推入滑动模件支承件229的上部。其次，两件滑动模件226和227配置在一起，且模件装配进入滑动模件支承件229的装配小孔229a，同时内管208的上部接合在两滑动模件226和227形成的接合小孔228中。这就使得内管208被装入，造成管底端设置在外坩埚111和内坩埚112之间，如图22所示。之后外管部件209连接到内管208的上端。盖住盖板222并使内管208插入导管231定位于舱室206的主舱221里面。
随后，将罩住双坩埚103的舱室206用真空泵或类似物抽真空，到达真空后充入诸如氩气(Ar)的惰性气体，在舱室内造成惰性气氛，轴114以恒定的角速度绕CT轴水平旋转。随着双坩埚103以恒定角速度旋转，接通加热器，加热双坩埚103内的原料使温度超过单晶生长温度，熔化原料，形成半导体熔体Sc2。
一旦原料全部熔化形成半导体熔体Sc2，调节加给加热器104的功率使半导体熔体Sc2中间区域的表面温度保持在单晶生长温度，悬挂在单晶提拉装置205提拉轴205a的籽晶Sc4接触半导体熔体Sc2之后，以恒定速度向上提拉籽晶Sc4，半导体单晶Sc3绕这个籽晶Sc4的核进行生长。而后随着无位错籽晶Sc4的制备，单晶Sc3的直径逐渐增大，以制备特定直径的半导体单晶Sc3。
还有，在此单晶生长工艺中，颗粒半导体原料Sc1在外坩埚111外边和内坩埚112之间处连续地从原料供应管207添加到双坩埚103，其添加速度与单晶半导体的生长速度(提拉速度)成一定比例，颗粒半导体原料Sc1在外坩埚111内熔化并通过连接小孔112进入内坩埚112，得到连续加料。使用上述工艺能够生长高结晶度(晶体结构)的半导体单晶Sc3。
然而就这种类型的单晶提拉装置1而言，存在的问题是原料供应管的内管208的复杂安装，如图23所示，这种安装包括复杂和复合工作，即先将两件滑动模件226和227装配在一起形成接合小孔，然后将闭合模件装配入滑动模件上部229的装配小孔229a内。另外，如果必须变换图22所用双坩埚103的直径，必须使用特定弯曲内管218，进而增加复杂性，类似图26所示，弯曲程度取决于使用双坩埚103的直径。另一个问题是半导体单晶Sc3生长期间，来自单晶的热量辐射到供应管中止件225，造成内管208(218)的上部208b(218a)过热，降低内管208(218)的使用寿命。
本发明第四个目的是提供一种单晶提拉装置，其中原料供应管内管的安装可以迅速容易地完成，易于更换坩埚，并且可以延长内管寿命。
满足上述第一个目的的单晶提拉装置(权利要求1)包括一个气密容器；气密容器内的一个坩埚以盛有半导体熔体；一个从气密容器上部悬挂的原料供应管，其底端开口要定位，以便令颗粒原料添加到坩埚内盛有的半导体熔体上；和配备在原料供应管底部的一个倾斜部分，以便保证从原料供应管底部开口出来的原料降落进入邻近坩埚侧壁的半导体熔体处。
另外，坩埚包括彼此相通的外坩埚和内坩埚，原料供应管，将从底部开口出来进入半导体熔体的原料引入外坩埚和内坩埚之间，并且邻近外坩埚侧壁处。
根据本发明，由于原料供应管底部配备倾斜部分，原料供应管下落的原料落入邻近外坩埚侧壁的半导体熔体，使得打破半导体熔体表面的位点足够远离内坩埚。
结果，添加的原料被加热器迅速熔化，并且进入点尽可能地远离内坩埚，由随原料结合进入熔体的气体在半导体熔体产生的任何气泡，不会通过连接小孔进入内坩埚。这就保证最大程度地减少诸如位错的晶格缺陷的产生。
根据本发明单晶提拉装置(权利要求6)可满足前述第二个目的，倾斜部分起原料散布装置的作用，它将力的水平分量施加给原料使之从原料供应管降落，因之散布到半导体熔体表面上方。
根据本发明，由于在原料供应管底部配备原料散布装置，从原料供应管降落的原料被赋予水平分量的力，因此能使原料散布在宽阔区域。这样，落入半导体熔体的原料集块问题解决了，诸如熔体局部温度降低的问题去除了，并且原料进入半导体熔体的严重冲击可被抑制到最小，从而消除了抑制生长优良半导体单晶的一个因素。
如本发明的单晶提拉装置(权利要求15)可满足前述第三个目的，配备储存供应装置可储存原料并将原料供应到原料供应管，原料供应管包括一个柔韧部分。
根据本发明，由于储存供应装置可以相对于坩埚自由移动，通过改变储存供应装置在坩埚上方相对高度的方式，能够容易地调节粒状半导体原料从储存供应装置到坩埚的流动时间，以及调节原料进入坩埚的流动速度。另外，通过在原料供应管中松弛柔韧管底部的方式，能够迅速地降低粒状半导体原料在该底部的流动速度，造成粒状半导体原料流动速度的降低而并不将流动时间减少到当前观察到的程度之下。
如本发明单晶提拉装置(权利要求17)可满足前述第四个目的，原料供应管穿过气密舱室的舱盖部分；原料供应管有个内管定位于气密舱室之内且在其较低端部的外表面具有一个上部直径宽的接合表面，通过该接合表面中止式地接合；气密舱室的舱盖部分与插入内管的供应管插入部分一起形成；供应管插入部分有个接合小孔，通过该小孔内管可以插入并且其后可以中止式地接合，接合小孔的孔壁配备供应管中止部分，它是通过向上的面向接合表面而形成的；此外，供应管中止部分与定位于邻近接合小孔的插入小孔一起形成的，即用于内管上端部插入的小孔，连接小孔设置在插入小孔和接合小孔之间使内管从插入小孔通过直至接合小孔。
根据本发明，原料供应管内管在气密舱室内定位并安装的时候，内管上部可向上插入通过供应管中止部分的插入小孔，通过内管穿过供应管中止部分的连接小孔直至接合小孔的方式实现内管的安装，将内管上部外表面上的接合表面装配并接合进入接合小孔的接合表面。当今使用的方法需要两件滑动模件装配在一起形成接合小孔，之后靠紧的模件装配进入滑动模件支承部件的装配小孔，结果，同这种当今使用的方法相比，本发明能够容易且迅速地安装内管。
图1是本发明单晶提拉装置第一个实施方案的双坩埚和原料供应管透视图；图2是图1的侧剖视图；图3是图1的平面图；图4A第一个实施方案所示原料供应管纵剖面图，图4B是相应的剖视图；图5A是图4A和4B所示原料供应管底部放大图，图5B是图4B所示挡板放大图，图5C是图4A和4B所示原料供应管横向剖视图；图6是图5A所示原料供应管改良实例的底部放大图；图7如同图3，但表示原料供应管没有倾斜部分的状况；
图8A是本发明第二实施方案原料供应管基本要素透视图，而图8B是第二实施方案改良实例的视图。
图9是本发明第三个实施方案双坩埚的侧剖面图；图10是本发明第四个实施方案双坩埚透视图；图11是本发明第五个实施方案双坩埚的侧剖面图；图12是本发明单晶提拉装置第六个实施方案示意图；图13是本发明单晶提拉装置第七个实施方案示意图；图14是本发明单晶提拉装置第八个实施方案的原料供应管中止部分(供应管中止装置)的前视剖面图；图15是图14供应管中止部分主体的前视剖面图；图16是图15主体的平面图；图17是图14供应管中止部分主体支承部件的侧示意图；图18是图17主体支承部件的平面图；图19是当今使用单晶提拉装置基本特征的示意图；图20A是图19所示原料供应管纵剖视图，而图20B是图19所示原料供应管横剖视图；图21是结合当今使用原料供应管的单晶提拉装置几近完整的示意图；图22是结合当今使用供应管中止部分的单晶提拉装置示意示意图；图23是图22供应管中止部分实例的示意图；图24是图23供应管中止部分滑动模件的平面图；图25是原料供应管内管实例的侧视图；和图26是原料供应管内管另个实例的前视图。
如图1-3所示，硅单晶提拉装置的第一个实施方案类似于图19所示装置，数字3，5，11，12和21分别表示以特定角速度旋转(参照箭头A)的双坩埚，原料供应管，外坩埚，内坩埚和半导体熔体，内坩埚12配置多个前述连接小孔7。
原料供应管5是一种将粒状原料8连续供应到外坩埚11和内坩埚12之间半导体熔体21(本实施例中为硅熔体)的熔体表面的一点上的装置。通过原料供应管5供应的原料实例包括压碎机压碎成小碎片形式的铸造多晶硅，或者用热分解将气态原料沉积的多晶硅粒，如果需要，可添加公知的诸如硼(B)和磷(P)的元素添加剂。
现在说明本发明的特征部分。
原料供应管5支承在舱室2内并近似地垂直悬挂。原料8供应到原料供应管5的上端，并且从下端开口5a处出去。另外，如图4A和4B所示，原料供应管5构造成上部管件20是直的并且具有环形截面，而其下部管件23连接到上部管件20底端并且具有横截面。原料供应管5的定位是，相应于横截面两个长边的壁5b，5c分别面向内坩埚12和外坩埚11。即壁5b和5c的定位垂直于双坩埚3的径向。数字22代表两个管件20，23之间的连接(连接部件)。还有，管件20的上部是个串通部分并由舱室2的舱盖部分支承。
原料供应管5的下部管件23，配置多个挡板，沿相应于横截面两个短边5d和5e的两个内壁25a和25b交错向下排列。即梯形撞板26a，26b是交错配置的。
挡板26a和26b的斜角θ(参看图5B)大约45°，但并非限制在这个特殊数值。另外，为了使原料8在下部管件23下端处从开口5a降落的速度最小化，挡板26a，26b之间的间距在下部管件23的下端内要最小化，但这并非限制该装置。
另外，两个内壁25a，25b和挡板26a，26b的前缘之间的距离(参看图4B和图5C)大约是9mm，同样并非限制该装置。
此外，交错挡板26a，26b的前缘大约重叠1mm，决非限制该装置。但是，如果这个重叠量太大，就有在原料供应管内形成集块的危险。
面向内坩埚的原料供应管5的下端包括一个倾斜部分13，使得从下部管的下端处开口5a中降落的原料定向到邻近外坩埚11侧壁的半导体熔体21区域。倾斜部分13朝向外坩埚11倾斜，而开口5a在下部管下端是呈水平面的。
原料8，由于原料供应管5内挡板26a，26b充分降低它的降落速度，也因为原料供应管5的下端倾斜部分13而进入邻近外坩埚侧壁的半导体熔体21，使得它进入半导体熔体21的位置尽可能地远离内坩埚。还有，从原料供应管5下端处开口5a降落的某些原料会在进入半导体熔体21之前接触外坩埚11侧壁。
在这种情况下，进入半导体熔体的原料8被加热器迅速熔化(图中未画)，熔体结合气体产生的气泡不大可能通过内坩埚12的连接小孔7进入内坩埚12。这就最大程度地减少诸如位错的晶格缺陷的产生。
根据上述第一个实施方案，使原料供应管5定位，相应于矩形截面两个长边的壁5b和5c分别面向内坩埚12和外坩埚11，而且交错挡板26a，26b配备到原料供应管5的相应于矩形截面的两个短边5d，5e的两个内壁25a，25b。这就使得原料供应管5插入内坩埚12和外坩埚11之间狭窄的空间非常容易，同时还防止原料在原料供应管内集块。另外，本装置并非局限于上述配置，原料供应管5也可以这样定位，相应于矩形截面两个短边的壁5d，5e还可分别面向外坩埚11和内坩埚12。
原料供应管5的倾斜部分13的结构并不局限于前述，例如图6所示的配置也是合适的。图6中，内坩埚侧壁上原料供应管50的下端(图中未画)扩展一点点，并且弯曲朝向外坩埚11(图中未画)形成倾斜部分24，这样，原料供应管5所示开口50a在下部管的下端是倾斜的，不同于图1-图5所示情况。
图7所示的实例情况是如图4和图6的原料供应管5不包括倾斜部分，在这种情况下，从原料供应管5降落的原料8以集块形式进入半导体熔体21，并且在外坩埚3的圆周方向，使圆周方向产生类似的涡流，这是不合要求的。
一种CNCZ技术可用于该单晶提拉装置，但条件是该装置应有双坩埚结构，其他单晶制备方法也可使用。例如一种连续加载的不包括施加磁场的CZ生长技术(CCZ技术)就可以使用。
现在说明本发明其他实施方案。
本发明第二实施方案如图8A所示。在第二实施方案中，有个原料捕集板51a(倾斜部分，原料散布装置)配置在原料供应管55的下端开口55a之下，它捕集开口55a出来的原料40(如箭头所示)。捕集板51a有比下端开口55a更大的表面区域，并且配置四条支柱52，支柱是从原料供应管55下端伸展的。在原料供应管55下端和捕集板51a之间保持合适的间隔53，以保证原料40降落在捕集板51a的边缘外边。另外，捕集板51a至少朝着一个方向倾斜向下，或者是双坩埚3的旋转方向(参看图9)，或者是朝向外坩埚11的外壁(参看图9)。
对于原料供应管55的出口结构，通过原料供应管55降落的所有原料40都被捕集板51a捕集，而且是被该板降低降落速度之后从板51a的边缘洒落。这种方法中，捕集板51a的作用，或者换言之原料在捕集板上累积成堆，将水平分量的力施加给原料40的移动，使得原料散布的区域比捕集板51a的区域更宽。结果，由于降落速度降低和捕集板51a的散布作用，原料进入半导体熔体仅有非常小的冲击。
捕集板51a朝着双坩埚3旋转方向倾斜向下(参看图9)的情况下，因为原料接触半导体熔体的同时，运动方向相同于半导体熔体表面的运动方向，则在接触时刻的冲击特别小，原料40渗入熔体的深度减小。结果减小了对半导体熔体所造成的影响。此外，捕集板51a朝向外坩埚11外壁倾斜向下的情况下，添加到熔体的新原料发生在离内坩埚12的最远位置，对内坩埚12单的半导体熔体产生的影响被抑制到最小。
还可使用如图8B所示类似的弯曲捕集板51b。
本发明第三个实施方案如图9所示。对于第三个实施方案，捕集板51c被分开的支承件54支承，并且不是被原料供应管直接支承。其余结构如同图8A。
如前所述，在原料供应管55下端提供作为散布原料的捕集板51a(51b，51c)，并且这种捕集板将水平分量的力施加给通过原料供应管5落下的原料40，可使原料40散布更宽的区域。结果，原料40能够以不集块的形式进入半导体熔体21，诸如原料进入半导体熔体21发生的冲击问题和熔体局部温度降低的问题因而被抑制到最小，消除了抑制优良半导体单晶生长的一个因素。
还有，通过捕集板51a(51b，51c)提供原料散布装置(倾斜部分)，使得原料40降落速度降低，通过原料供应管落下的原料40可以散布到更宽区域的半导体熔体21表面。在这种情况下，通过特定方向(双坩埚3的旋转方向，或朝向外坩埚侧壁的方向)倾斜捕集板51a(51b，51c)方式，使散布作用最大化成为可能。在捕集板51a被原料供应管55支承的情况下，没有必要提供分开的支承结构，而在捕集板51c被分开的支承件54支承的情况下，捕集板51c的支承结构可以非常简单。
本发明第四个实施方案如图10所示。根据本发明第四个实施方案，原料散布装置以弯曲部分57提供在原料供应管56下端，形成朝向水平方向弯曲的管，这个弯曲部分57的端部开口56a面向双坩埚3的旋转方向(箭头A)。
根据这种配置，通过原料供应管56落下的原料40其速度已降低，水平分量的力经过弯曲部分57被施加到原料的移动，之后被散布到半导体熔体21表面上方。由于原料从弯曲部分57端部出料的方向相同于半导体熔体21表面的运动方向，出于这个原因，获得了良好的散布作用。而且，原料40进入熔体的位置远离内坩埚12侧壁，意味着对内坩埚12里的半导体熔体21的任何影响被抑制到最小。
本发明第五个实施方案如图11所示。根据第五个实施方案，以连接到外坩埚11外壁11a边缘的斜壁58方式提供原料散布装置，斜壁斜向坩埚，同时原料供应管59底端开口59a定位于这个斜壁上方。
从原料供应管59底端的开口59a出来的原料40冲撞斜壁58并且失去了速度，之后落下斜壁进入半导体熔体21。在这种情况下，落下斜壁58的原料40在天约水平的方向运动，意味着散布到半导体熔体21表面更宽的区域而且降低冲击地接触熔体。再者，原料进入熔体的位置紧靠外坩埚11外壁，意味着对内坩埚12里的半导体熔体21的任何影响被抑制到最小。
原料散布装置的结构可以简单地通过在原料供应管下端配置弯曲部分57的方式获得，弯曲部分面向双坩埚3的旋转方向，如图10所示，或者在外坩埚11外壁上部边缘配置斜壁58的方式获得，如图11所示。
在上述第二、三、四和五个实施方案中，原料供应管内的挡板(未画出)配置与第一个实施方案的相同。
本发明第六个实施方案如图12所示。第六个实施方案的单晶提拉装置基本是当今使用的如图21所示的单晶提拉装置，用一种改良的原料供应管70取代原料供应管7a。其余结构如图21所示，双坩埚103包括石英(SiO2)制造的合适半球形的外坩埚11，和配置在外坩埚11之内石英制造的圆筒状内坩埚12，内坩埚12侧壁底部具有多个连接外坩埚11和内坩埚12的连接小孔7。
双坩埚3安置在坩埚托115上，坐落在位于舱室2底部中央的纵轴114上，它可以特定角速度在水平方向绕轴114的轴线旋转。半导体熔体Sc2储存在这个双坩埚3内。
加热器104加热和熔化外坩埚111内的粒状半导体原料Sc1，或可选择的是作为半导体原料的多晶硅粗块，以及保持由此产生半导体熔体Sc2的温度，在这种特定的配置中使用电阻加热。另外出于保温考虑，热屏蔽16围绕加热器104。
前述粒状半导体原料Sc1合适的实例是热分解气相原料沉积的多晶硅，为了保持生长轴方向电阻率恒定，必要时添加熟知的元素添加剂，诸如硼(B)(制备P-型单晶硅的情况)和磷(P)(制备N-型单晶硅的情况)。
原料供应管70包括储存供应装置71，用于储存粒状半导体原料Sc1和掺杂剂Sc12以及随后供应它们，和原料供应管80，用于引导储存供应装置71供应的粒状半导体原料Sc1和掺杂剂Sc12自然流动降落，并且将其供应到双坩埚3。
储存供应装置71包括粒状原料储存供应装置72，它储存粒状半导体原料Sc1，并利用微小振动连续地供应合适量的粒状半导体原料Sc1；控制器73，它控制供应来自粒状半导体原料储存供应装置72的粒状半导体原料Sc1；掺杂剂储存供应装置74，以储存掺杂剂Sc12并间歇式供应合适量的掺杂剂Sc12；控制器75，以控制供应来自掺杂剂储存供应装置74的掺杂剂Sc12；漏斗76，它捕集粒状半导体原料储存供应装置72的粒状半导体原料Sc1和由掺杂剂储存供应装置74供应的掺杂剂Sc12，并随后引导它们流动降落。
原料供应管80包括一个石英制造的上管81，它连接漏斗76的出口；一个石英制造的下管82，它贯穿舱室2的舱盖并面向内坩埚12外壁定位，配置在双坩埚3的外坩埚11之内；和柔韧管83，它定位于上管81和下管82之间并与之连接在一起。这个柔韧管83代表原料供应管80的柔韧部分，本实施方案中柔韧管83采用柔韧的聚四氟乙烯管。
现在详述使用上述单晶提拉装置100生成半导体单晶Sc1的方法。
首先，将包括多晶硅半导体粗块的半导体原料置于外坩埚11，用真空泵等抽空舱室2产生真空。
其次，引入惰性气体如氩气(Ar)在舱室2内产生惰性气氛，轴114在水平面以恒定的角速度绕轴线旋转，外坩埚11随之以恒定的角速度旋转，然后激活加热器104，将外坩埚11内的原料加热到超过单晶生长温度以熔化原料并形成半导体熔体Sc2。
一旦原料熔化形成半导体熔体Sc2，在外坩埚11上安放内坩埚12形成双坩埚3。之后调节加给加热器104的电功率使得半导体熔体Sc2中央区域的表面温度保持在单晶生长温度，悬挂在单晶提拉器6提拉轴6a的籽晶Sc$接触半导体熔体Sc2后，向上垂直提拉籽晶Sc4，围绕籽晶Sc4的核生长半导体单晶Sc3。随着无位错籽晶Sc4的生成，单晶Sc3的直径逐步加大而得到特定直径的单晶半导体Sc3。
按照这种单晶生长工艺，首先，使用原料供应管70的控制器73、75将粒状半导体原料从粒状半导体原料储存供应装置72连续供应到漏斗76，其数量要依据半导体单晶Sc3的生长速度(提拉速度)，并且间歇式地将合适量的掺杂剂Sc12从掺杂剂储存供应装置74供应到漏斗76。这样一来，粒状半导体原料Sc1和掺杂剂Sc12混和在一起，流动落入原料供应管80，并进入内坩埚12之外侧的外坩埚11内。这样，粒状半导体原料Sc1在内坩埚12之外，外坩埚11之内熔化，然后通过连接小孔13的通道连续地供应到内坩埚12之内。
本实施方案中在一部分原料供应管80中采用柔韧管83，其跨越的距离在供应粒状半导体原料Sc1的储存供应装置71和双坩埚3之间，使得粒状半导体原料Sc1从储存供应装置71到双坩埚3的流动时间，和原料进入双坩埚3的流动速度可以方便地被调节，调节方式是相对于双坩埚3移动储存供应装置71和相对于双坩埚3变换储存供应装置71的高度，如图12所示的虚线(点划线)。另外，还可通过原料供应管80柔韧管83底部的松弛方式调节，如图12虚线所示，粒状半导体原料Sc1的流动速度在这个底部被迅速降低，同当今使用的装置(图21)相比，可以降低半导体原料Sc1的流动速度而并不减少流动时间。
结果，完成了半导体原料Sc1的供应，同时并不使储存在双坩埚3内的半导体熔体Sc2表面有明显波动，同目前使用的装置实例(图21)相比，能够以相应于半导体单晶Sc3生长速度(提拉速度)更加合适的时间供应合适量的半导体原料Sc1。再者，半导体原料Sc1的掺杂剂Sc12也可以更加合适的时间供应。使用上述工艺可生成高结晶度的半导体单晶Sc3。
本发明第七个实施方案如图13所示。按照第七个实施方案，前述第六个实施方案中原料供应管80的柔韧管83被一对硬管91，92代替，这一对硬管通过柔韧连接件连接在一起并定位于上管81和下管82之间，一个硬管91通过柔韧连接件连接到上管81，另一个硬管连接到下管82，如图13所示。弯曲部分93在硬管91和上管81之间形成，另一个弯曲部分94在两个硬管91、92之间形成。弯曲部分93、94用诸如聚四氟乙烯管或尼龙管的柔韧管形成最佳。柔韧管上端连接到上管81，中间部分插入进硬管91、92内，下端连接到下管82，这种配置也是可行的。
根据原料供应管90的这种配置，主要利用弯曲部分94的特性，储存供应装置71可相对于双坩埚3旋转和移动，能够改变双坩埚3上方储存供应装置71的相对高度，使得粒状半导体原料Sc1从储存供应装置71到双坩埚3的流动时间，及其进入双坩埚3的流动速度可以方便地被调节。还有，使用原料供应管90的柔韧部件94可以保证配置在柔韧部件94以下硬管92的斜率比配置在柔韧部件94上方硬管91的斜率更小，在下端硬管92内半导体原料Sc1的流动速度可迅速降低，同目前使用的装置(图21)相比，可以降低半导体原料Sc1的流动速度而不减少流动时间。结果，获得了图12实施方案的相同效果。再者，由于在硬管91和上管81之间配置柔韧部件93，储存供应装置71可以保持该装置轴线垂直的同时来移动。另外，通过在下端硬管92和下管82之间提供柔韧部件，得到下端硬管92的斜率也可自由调节的配置，则粒状半导体原料Sc1的流动速度甚至可更加容易和自由地调节。
包括多晶硅粒的粒状半导体原料Sc1可用砷化镓(GaAs)代替。亦即使用如粒状的砷化镓原料由砷化镓熔体提拉砷化镓单晶。此时使用诸如锌(Zn)或硅(Si)的元素作掺杂剂Sc12。此外，上述配置采用连续供应粒状半导体原料Sc1，但是间歇式供应粒状半导体原料Sc1的配置也是可行的。例如，可以设定补充粒状半导体原料Sc1直至双坩埚3内半导体熔体Sc2的熔体水平降落到预定高度以下，当半导体熔体Sc2的熔体水平降落到预定值下限以下时，添加粒状半导体原料Sc1直至半导体熔体水平恢复到预定的标准熔体水平。
图14显示本发明第八个实施方案的供应管中止部分(供应管中止装置)的一个实施方案正面视图。第八个实施方案的单晶提拉装置300包括如图23所示目前使用的单晶提拉装置1，其中供应管中止装置225已改良并用图14所示供应管中止装置350取代，如图22和图23所示舱室206的舱盖222以及相应的供应管插入部分223也被改良和分别用图1 4所示舱室306的舱盖322以及供应管插入部分323取代。如此，装置1和装置300两者相同的部件用相同数字表示，其余无需赘述。
如图14所示供应管中止装置350包括主体360，其外平面图是椭圆形，如图16所示；主体支承部件370，它具有装配小孔371且主体360装配在该小孔中；和装配到主体360的盖罩380。
主体支承部件370包括一个形成装配小孔371的内圆筒372，它的外平面图是椭圆形，如图18所示；一个外圆筒373，定位于内圆筒372的中心轴线，并围绕内圆筒372形成冷却剂流动通道R1；一个环形上板375，它封住内圆筒372和外圆筒373之间的冷却剂流动通道R1上端；一个环形下板376，它封住内圆筒372和外圆筒373之间的冷却剂流动通道R1下端，并且用螺栓固定到供应管插入部分323；一个隔开板377，它将内圆筒372和外圆筒373之间的冷却剂流动通道R1隔断，如图18所示；一个冷却剂入口378，它将诸如冰水的冷却剂引入冷却剂流动通道R1；一个冷却剂出口379，它将这种冰水排出，并且配备在外圆筒373之上隔开板377两侧。
还有，按照这种实施方案，舱室306的舱盖322是一种带有冷却剂流动通道R2的双板型结构，如图17所示，它的生成使冷却剂围绕供应管插入部分323的供应管插入小孔323a来循环。供应管插入部分323的上表面323b比装配小孔371更向内突出，这样，配置在装配小孔371内的主体360被上表面323b支承。
主体360具有接合小孔361，位置朝向主体的一边(即在图15中朝向左边)，并且从顶到底贯穿主体。接合小孔361在平面图上是环形，如图16所示。参看图15，接合小孔361孔壁底部361a其直径狭小，因此在所得锥形部分上边缘提供了接合表面361b。如图14所示，内管308的上部308b被插入并且装配进接合小孔361，上部308b的接合表面308c变成安装在接合小孔361孔壁上面的接合表面361a之上，并且因此中止接合。
再参看图15，主体360还具有一个插入小孔362，位置朝向主体的另一边(即在图15中朝向右边)，从顶到底贯穿主体。这个插入小孔362在平面图上是环形，如图16所示，而且其直径大于内管308上部308b的外表面，使得上部308b从底部插到插入小孔362内并且突出到头部以外。另外，插入小孔362孔壁的上边具有环形凹进部分。
此外，主体360还有连接小孔363从顶到底连接插入小孔362和接合小孔361(即在图16中平行于纸页的方向)，如图16所示。这个连接小孔的宽度D比图14内管308上部308b的外表面窄小，但是比内管308紧接上部308b以下的中部308d的外表面宽。
盖罩380包括配备在插入小孔362内的圆柱部分381，和圆板部分382，该圆板部分固定在圆柱部分381上端，其外沿装配在凹进部分362a内。
单晶提拉装置300包括上述配置，为了在舱室306内定位和安装原料供应管307的内管308，内管308上部308b穿过供应管中止装置350主体360的插入小孔362，该中止装置配置到舱盖322的供应管插入部分323，内管308的上部308b向上推入主体360，如图14所示。如此一来，紧接上部308b下面并有狭小直径的内管308的中部308d，定位于插入小孔362内。这个中部308d具有比上部308b小的直径，因而向前后滑动通过连接小孔363。内管308在这个位点水平移动穿过连接小孔363进入接合小孔361，之后降下内管308，则将内管308的上部308b装配在接合小孔361中，使接合表面308c安装并接合在上部308b的外表面，在接合小孔361的接合表面361b上。盖罩380随后装配在已空的接合小孔362内，防止内管308向回移动进入插入小孔362。依此方式安装内管308，然后封盖舱盖322，内管308插进到导管231里(见图22)，因之将其定位在舱室306的主室中(未画出)。将两件滑动模件226，227配置在一起形成接合小孔228，然后将闭合模件装配在滑动模件支承部件229的配合小孔29a中，这些是目前图23和图24中配置所要求的，结果，本实施方案能够将这个繁琐复杂的装配工作消除，并且使内管308的安装可以简单而迅速地完成。
再参看图14，由于主体360可以向上移动并自由地从主体支承部件370的配合小孔371取出，因此另一方法包括将主体360取出，将内管308上部308b穿过配合小孔371并上推进入主体支承部件370，在这个位点将主体360的插入小孔362配置在内管308上部308b上方，将内管移动穿过连接小孔363进入接合小孔361，之后将主体360与内管308的上部308b一起装配进入主体支承部件370的配合小孔371。
在图22所示双坩埚103被另一个这样的甚至更大直径的坩埚更换的情况下，将导管231的位置改变到离轴线CT更远的位置，依此方式内管308下端的位置可以容易地远离CT轴线来实现双坩埚103的更换(参看图22)，如下文详述。即首先使主体360向上移动并从主体支承部件370的配合小孔371中取出，并将主体360水平旋转180°。由于主体360是椭圆形，主体360水平旋转180°不会改变外观。结果，在这种旋转状态中可配置返回进入配合小孔371。如此一来，主体360的接合小孔361移动到上述远离CT轴线的位置，并且如果内管308的上部308b在接合小孔361配合及接合，则内管308的位置非常简单地移动到更远离CT轴线的位置。另外，将内管308的位置靠近CT轴线的位置这个相反操作也可简单地实现。如此，能够比目前配置更容易地以最合适的位置定位和安装内管308，并且更换双坩埚103也可容易地完成(参看图22)。
还有，在半导体单晶Sc3生长期间，将冰水注入图18所示主体支承部件370的冷却剂入口378，围绕包围配合小孔371的冷却剂流动通道R1循环，从冷却剂出口379排出。冰水防止内管308的上部308b过热，如图14所示，流经装配在配合小孔371的主体，该内管308的上部308b装配并接合在主体360的接合小孔361中。结果可防止损害内管308，延长其使用寿命。此外，冰水通过舱盖322和供应管插入部分323的冷却剂流动通道R2，能够防止舱盖322和供应管插入部分323过热，因此能够防止损坏舱盖322和供应管插入部分323并延长其使用寿命。
在第八实施方案中，供应管中止装置350，其中主体360和主体支承部件370可自由分开，它可作为供应管中止部分来配置。然而还包括的实施方案中，供应管中止装置350包括集成一体的主体360和主体支承部件370，以及集成后进入舱盖322的供应管插入部分323。
再者，如果使用主体360和配合小孔371的外平面图是两个圆环的配置，那么主体360可相应于配合小孔371自由旋转，如此，主体360接合小孔361的位置可以调节并可从双坩埚103的中心线向外连续移动到坩埚边缘(参看图22)。在小孔位置处于调节距离外的情况下，可以使用类似图26所示的内管，其中接合部分218a偏离供应部分218b。
上述第六、七和八个实施方案中，原料供应管内挡板的配置(未画出)相同于第一个实施方案的配置。并且原料供应管底端倾斜部分的结构相同于第五个实施方案所述。
权利要求
1.一种单晶提拉装置，包括一个气密容器；所述气密容器内的一个坩埚以盛有半导体熔体；和一个从所述气密容器上部悬挂的原料供应管，其底端开口要定位，以便令颗粒原料添加到所述坩埚内盛有的半导体熔体上；其特征在于在所述原料供应管底部配备一个倾斜部分，以便保证从所述原料供应管底部开口出来的所述原料降落进入邻近所述坩埚侧壁的所述半导体熔体中。
2.根据权利要求1的单晶提拉装置，其中所述坩埚包括彼此相通的外坩埚和内坩埚，和所述原料供应管将从所述底部开口出来的所述半导体熔体原料引入所述外坩埚和所述内坩埚之间，并且邻近所述外坩埚侧壁处。
3.根据权利要求1和2之一的单晶提拉装置，其中于所述内坩埚侧壁所述原料供应管底部斜面上提供所述倾斜部分。
4.根据权利要求1-3的任一单晶提拉装置，其中所述原料供应管要定位，使所述原料供应管横截面的两个长边分别面向所述内坩埚和所述外坩埚，而且沿相应于横断截面的两个短边的两个内壁交错向下配备多个挡板，用于使原料在降落期间冲撞挡板，因此降低降落速度。
5.根据权利要求1-4的任一单晶提拉装置，其中所述倾斜部分起原料散布装置的作用，将水平分量的力施加给从所述原料供应管降下的原料，因此使原料散布到所述半导体熔体上方。
6.根据权利要求5的单晶提拉装置，其中所述原料散布装置是配备在所述原料供应管底部开口下方的捕集板，它捕集从所述底部开口出来的原料，和在所述原料供应管和所述捕集板之间保持间隔以便保证原料降落到所述捕集板边缘外侧。
7.根据权利要求6的单晶提拉装置，其特征在于所述捕集板在至少一个方向倾斜向下，或者是所述双坩埚旋转方向，或者是朝向所述外坩埚外壁的方向。
8.根据权利要求1-7的任一单晶提拉装置，其中提供储存供应装置以储存所述原料并供应原料到所述原料供应管，和所述原料供应管含有柔韧部分或可自由弯曲的弯曲部分。
9.根据权利要求1-8的任一单晶提拉装置，其中所述原料供应管穿过所述气密舱室舱盖部分，所述原料供应管具有定位于所述气密舱室中的内管，该内管由更宽直径的外表面底端部分的接合表面中止接合；和用于将所述内管插入的供应管插入部分一起形成所述气密舱室的所述舱盖部分；并且所述供应管插入部分具有接合小孔，所述内管通过该接合小孔插入并由此中止接合，由且向上的接合表面形成的供应管中止部分构成所述接合小孔孔壁；另外，与邻近所述接合小孔定位的插入小孔一起形成所述供应管中止部分，用于将所述内管上端部分的插入，以及一个位于所述插入小孔和所述接合小孔之间的连接小孔，以使所述内管从所述插入小孔穿过到所述接合小孔。
10.根据权利要求9的单晶提拉装置，其中所述供应管中止部分包括一个具有所述接合小孔的主体，所述插入小孔和所述连接小孔，及用于接合并支承所述主体的主体支承部件，所述主体及所述主体支承部件形成的形状是所述主体可用所述接合小孔相对于所述主体支承部件以两个或多个配置的定位来配备安装。
全文摘要
一种单晶提拉装置主结构，包括一舱室其内有一双坩埚(3)以存储半导体熔体(21)，双坩埚包括彼此相通的外坩埚(11)和内坩埚(12)，和一原料供应管(5)，它从舱室上部悬挂且定位使粒状原料(8)可从其底端开口(5a)引入到外坩埚(11)和内坩埚(12)之间的半导体熔体。一倾斜部分配备在原料供应管(5)底端内坩埚(12)一侧，以使从原料供应管底部开口(5a)出来的原料(8)降落进入邻近外坩埚(11)侧壁的半导体熔体(21)处。
文档编号C30B15/12GK1163949SQ9612396
公开日1997年11月5日 申请日期1996年12月28日 优先权日1995年12月28日
发明者田口裕章, 热海贵, 降屋久, 喜田道夫 申请人:三菱麻铁里亚尔硅材料株式会社, 三菱麻铁里亚尔株式会社