生长富空位单晶硅的热屏蔽组件和方法

专利名称：生长富空位单晶硅的热屏蔽组件和方法
背景技术：
本发明在总体上涉及用于制造电子元件的半导体级单晶硅的生产，更具体地说，涉及用于这种半导体材料生长的热屏蔽组件。
单晶硅是用于大多数制造半导体电子元件方法的原材料，它通常用所谓的直拉(“Cz”)法制备。单晶硅的生长最普遍是在拉晶炉中进行。在这种方法中，将多单硅装到坩埚中并熔化，使籽晶与熔化的硅接触，并用慢引出法生长单晶。在收颈完全后，通过降低提拉速率和/或熔体温度来增大单晶的直径，直至达到理想的或目标直径时为止。然后通过控制提拉速率和熔体温度，同时补偿不断下降的熔体液面，生长出圆柱形的单晶主体，则该圆柱形单晶主体具有近似恒定的直径。长生过程接近结束，但在坩埚排空熔化了的硅之前，单晶的直径必须逐渐减小，以便形成一个端部锥体。典型的是，通过增加拉晶速率和供给坩埚的热量，来形成端部锥体。当直径变得足够小时，才将单晶与熔体分开。
尽管常用的直拉生长法对生长在各种应用中有用的单晶硅已经令人满意，但还希望进一步改善半导体材料的质量。当减小在半导体材料上形成的集成电路线宽度时，单晶中缺陷的存在有很大关系。当单晶在固化之后冷却时，单晶硅中的许多缺陷在单晶生长室中形成。这些缺陷产生部分是由于存在过量的(亦即浓度超过溶解度限)本征点缺陷，这些点缺陷被称之为空位和自填隙。空位，正如它们的名字所暗示的，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过量硅原子产生的。两种缺陷都对半导体材料的质量产生不利的影响。
由熔体生长的硅单晶一般是在与过量的一类或另一类点缺陷(或是晶格空位，或者硅自填隙)一起生长。应该理解，硅中的这些点缺陷类型和起始浓度在固化时是固定的，它们受v/Go比值控制，此处v是生长速度，而Go是固化时单晶中的瞬时轴向温度梯度。当v/Go值超过临界值时，空位的浓度增加。同样，当v/Go值降到低于临界值时，自填隙的浓度增加。尽管两种缺陷形式都不理想，但产生绝大多数空位的生长情况一般被半导体工业优选。
已知通过控制v/Go来生长晶格(其中晶格空位是主要的本征点缺陷)，及通过在拉晶过程中改变(一般是，通过慢化)硅锭料从约1100℃到1050℃的冷却速率，降低聚集的缺陷成核速率，来降低本征点缺陷的数量密度。处理聚集的本征点缺陷问题的另一种途径包括一些方法，这些方法集中在聚集的本征点缺陷形成之后取消或清除这些缺陷上。通常，这是通过采用对片状硅进行高温热处理来实现的。例如，Fusegawa等人在欧洲专利申请503,816A1中提出，以超过0.8mm/min的生长速率来生长硅锭料，并在1150℃-1280℃的温度范围内对由锭料切成的硅片进行热处理，以便消除在单晶生长过程中形成的缺陷。这类热处理业已表明，减少了靠近硅片表面的一薄层区域里的缺陷密度。所必需的特殊处理将随硅片中聚集的本征点缺陷的浓度和位置而变。一种这类缺陷没有均匀的轴向浓度的硅单晶，由其切出的不同硅片可能要求不同的后生长处理条件。此外，这类硅片热处理成本较高，有可能将金属杂质引入硅片，并且不是对所有与单晶有关的缺陷类型普遍有效。
处理聚集的本征点缺陷问题还有另一个途径，它是在单晶硅片表面上外延淀积一薄层晶体硅。这种方法提供一种单晶硅片，该单晶硅片具有基本上没有聚集的本征点缺陷的表面。然而，外延淀积显著增加了硅片的生产成本。
为了有利于绝大多数空位缺陷，并避免在单晶中存在径向空位/自填隙边界环，控制使v/Go尽可能高。增加v/Go比值的一种方法是增加单晶的拉晶速率(生长速度)。然而，例如单晶的直径控制限制了提拉速率的量等另一些因素可能增加。解决该问题的另一种方法是减小单晶中的热梯度Go。在那方面，可以在坩埚内部设置一个热屏蔽，该热屏蔽通过形成局部热腔，保存液-气-固界面处的热量，该热量从自由的熔体表面损耗。这样，使界面处的瞬时轴向热梯度(Go)减小，从而增加了v/Go比。然而，将其固定在拉晶炉中的这种类型热屏蔽妨碍坩埚，使它在熔化之前难以将新的半导体原材料装进坩埚。尽管可以将热屏蔽移开，但不容易重新放上该热屏蔽，因为原材料的熔化一旦开始，炉子必须保持基本上密封。此外，许多常用的拉晶炉在单晶生长室中的空间如此之小，以致在该室中安装固定的热屏蔽是不实际的。
当试图在1100℃～1050℃的温度范围内减小单晶中的热梯度时，空间的问题甚至变得更为重要。实际上，此温度范围是基本上在坩埚内熔体上方的单晶硅中一个位置处出现。因此，为了提供在液-气-固界面处集中热量及阻止坩埚上方的热传递，将需要甚至更大的热屏蔽。因此，目前需要一种小型的、容易操纵的热屏蔽组件，该热屏蔽组件能将液-气-固界面处的热量集中，并阻止坩埚上方的热传递。
发明概述在本发明的一些目的和特点中，可以注意到用于一种有利于生长高质量、低缺陷单晶的拉晶炉的一种热屏蔽组件和方法；阻止单晶生长过程中缺陷聚集的这种热屏蔽组件和方法；有利于拉晶机中高生产量的这种热屏蔽组件的和方法；能在拉晶机内有限空间中操作的这种热屏蔽组件和方法；能很容易在现有拉晶机中使用的这种热屏蔽组件和方法；能用现有拉晶机提拉机构升降的这种热屏蔽组件；及容易使用的这种热屏蔽组件的构造和方法。
通常，供在拉晶机中使用的热屏蔽组件，围绕在该拉晶机中生长的硅单晶锭料，以便影响单晶的冷却速率，所述热屏蔽组件包括一个上热屏蔽，该上热屏蔽具有一个中央通道，用于这样将单晶容纳于其中，以便上热屏蔽包围单晶。上热屏蔽具有一个连接器装置，用于将热屏蔽组件连接到拉晶机的提拉机构上，以便在拉晶机内升降热屏蔽组件。一个中间热屏蔽具有一个中央通道，用于容纳穿过中间热屏蔽的单晶，使该中间热屏蔽包围单晶。将中间热屏蔽做成拉晶机中的接触结构，以便在拉晶机中支承热屏蔽组件。一个下热屏蔽具有一个中央通道，用于容纳穿过该下热屏蔽的单晶，使下热屏蔽包围单晶。下热屏蔽连接到上热屏蔽上用于与其同时移动，并滑动伸缩式容纳于中间热屏蔽中。上热屏蔽和下热屏蔽在一下降位置和一升起位置之间活动，在该下降位置中，下热屏蔽伸出到中间热屏蔽的外面，并接触支承上热屏蔽和下热屏蔽的中间热屏蔽，而在升起位置中，下热屏蔽向上伸入中间热屏蔽，接触中间热屏蔽，用于支承中间热屏蔽，以便向上与上热屏蔽和下热屏蔽一起移动。
通常，生长富空位单晶的方法包括以下步骤将固态的半导体原材料放入拉晶机的坩埚中，并将一个可伸缩的热屏蔽组件悬挂在一个提拉机构上，该提拉机构位于坩埚上方的拉晶机中。热屏蔽组件当悬挂在提拉机构上时，处于一种收缩后的结构。将固体半导体原材料加热以使该原材料熔化。将热屏蔽组件放下到与拉晶机中的支承结构接触，该支承结构通常位于坩埚的上方，热屏蔽组件采用一种延伸后的位置，因而一部分热屏蔽在接近坩埚中熔化的半导体原材料表面处延伸到坩埚中。将热屏蔽组件与提拉机构分开，并将籽晶附接到提拉机构上。将籽晶放下到与拉晶机坩埚中熔化的半导体原材料的熔体接触，然后，如此从熔体中升起，使来自熔体的半导体材料凝固在籽晶上，以便形成单晶。从坩埚侧壁辐射出来的热量，用热屏蔽组件保存在邻近熔体表面并位于坩埚顶部下方的一个区域内，用于防止该区域内单晶中高的瞬时轴向热梯度，因而单晶没有空位/自填隙边界环或引起堆垛层错环的氧化作用。用热屏蔽组件以热的方法将单晶罩在熔体表面上方的一个位置处，以便使单晶在约1150℃～1000℃的温度范围内的冷却慢下来，因而单晶具有占绝大多数的空位缺陷和低密度聚集的空位缺陷。
本发明的另一些目的和特点一部分是显而易见的，并且一部分在下文中指出。
对附图的简要说明

图1是拉晶机示意性的局部垂直剖面图，它示出热屏蔽在单晶硅锭料生长期间的位置；图1A是拉晶机支承结构的顶部平面图，该支承结构支承热屏蔽；图2是热屏蔽组件的透视图，同时该组件的一部分中间热屏蔽被切去；图3是一个吊架的部件分解透视图，该吊具用于将热屏蔽组件连接到拉晶机的提拉机构上；图4是吊具的横截面图；图5是在拉晶机中开始形成熔体期间，一部分拉晶机的示意性横截面图；和图6是在拉晶机中开始形成熔体期间，后期一部分拉晶机的横截面图。
在附图的全部视图中，对应的标号表示对应的部件。
优选实施例的详细说明现在参看附图，尤其是参看图1和2，按照本发明的原理所制造的热屏蔽组件在总体上以10表示，该热屏蔽组件最好是供一类拉晶机使用，该类拉晶机在总体上以12表示，用来按照直拉法(Czochralski法)生长单晶硅锭料(如图1中的锭I)。拉晶机12包括一个用于隔离内部的壳体(总体上以14表示)，该内部包括一个下面的晶体生长室16和一个上面的提拉室18。提拉室具有比生长室小的横向尺寸。石英坩埚20装有熔融的半导体原材料M，从该半导体原材料M生长出单晶硅锭料I。坩埚20包括一个圆筒形侧壁，并安装在一个转台22上，用于围绕一垂直轴旋转。坩埚20还能在生长室内升起，以便当锭I生长并且从熔体中移去原材料时，使该熔融原材料的表面保持处于相同的水平面上。
加热器包括在总体上垂直安装的加热板24，该加热板24一部分与坩埚20的侧壁对准。加热板24将坩埚20和拉晶机12的内部加热到温度高于原材料(例如硅)的熔点。设置保温层26以便将热量限制在壳体14的内部。此外，在壳体14及拉晶机12中另外地方有一些通道，用于冷却水的循环。这些通道的其中某些在图1中用标号28表示。提拉机构包括一个提拉轴29，该提拉轴29从提拉室18上方的一个绞盘向下延伸。拉晶机12可以具有一根提拉线而不是提拉轴，这取决于拉晶机的类型。提拉轴终止于一籽晶夹具30上，该籽晶夹具30夹持用来生长单晶硅锭料I的籽晶32。在图1中提拉轴29已经部分地切去，用于清楚地图示出籽晶夹具30和锭料I的一个升起位置，该夹具30和锭料I的升起位置用虚线示出。除了下面更充分阐明的范围之外，拉晶机12的一般结构和操作为该领域的普通专业人员所熟知，因而不作进一步说明。
在单晶锭料I的生长期间，应用本发明的热屏蔽组件10来控制锭料的加热和冷却，以便有利地生产一种具有更少缺陷的单晶。热屏蔽组件10包括一个上热屏蔽36，该上热屏蔽36位于坩埚20的上方，它不与拉晶机壳体14接触。上热屏蔽36一般是管状，它具有一个中央通道，用于容纳穿过上热屏蔽的锭料I。上热屏蔽36最好是完全包围容纳在中央通道中的锭料I的任何部分，并插入锭料I和壳体14的最接近的内壁之间。利用该上热屏蔽36来阻止锭料I和壳体各比较冷的内壁之间的热传递，来降低坩埚20上方热屏蔽内锭料中聚集的缺陷的成核速率。
热屏蔽组件10的一个底部热屏蔽制造成放置在拉晶机壳体14内的一个环形支承结构38上，并向下延伸到坩埚20中。在图示的实施例中，底部热屏蔽包括一个中间热屏蔽40和一个下热屏蔽42(二标号都在总体上表示它们的对象)。中间热屏蔽40一般是管状，并具有一个中央通道，用于容纳穿过该热屏蔽的锭料I。下热屏蔽42通常是碗形，并具有一个中央通道，用于容纳进入下热屏蔽中的一部分锭料I。下热屏蔽42的下边缘向里弯曲。下热屏蔽的下端在热屏蔽组件10最下面位置中的熔体M表面的上方彼此间隔开，用于促进熔体表面液-气-固界面处从加热板24经过坩埚20侧壁到锭料I的热传递。
下热屏蔽42由一种合适的材料如涂敷碳化硅的石墨制成，并包括一个下面的碗形部分和两个臂44，两个臂44从碗形部分的顶部向上和向内延伸到一个套环46上。正如在图2中最清楚看到的那样，两个臂44位于碗形部分顶部沿周上向隔开的部分处，以便下热屏蔽42在其碗形部分上方的侧边在本质上是敝开的。上热屏蔽36的下边缘容纳在套环46中，并利用合适的紧固件将其固定到该套环上，以便将上、下热屏蔽36、42在径向上连接在一起，用于共同移动。
中间热屏蔽40在其顶部边缘处具有一个径向上向外扩口的环形唇边48。唇边48具有一种形状，该形状与支承结构384个径向上向内伸出的翼片50(图1A)的形状互补，并且唇边48放置在这些翼片上。当热屏蔽组件10处于其工作位置时，支承结构38将中间热屏蔽40夹持在坩埚20上方一预定的垂直部位。在图示的实施例中，中间热屏蔽40向下延伸到坩埚20中一个短的距离。导向/随动板52安装在中间热屏蔽40上，并穿过唇边48中对应的孔容纳在中间热屏蔽的相对两边上。在中间热屏蔽40的外部，各导向和随动板52的径向上外端具有切口54，切口54容纳一部分对应的石英导柱56，该石英导柱56安装在拉晶机12内的支承结构38上。导向/随动板52能沿着导柱56的高度滑动，以便当它在拉晶机12内升降时，导柱给热屏蔽组件10导向。
导销58安装穿过相应导向/随动板52的径向上内端部的孔，穿过下热屏蔽中的弧形切口(未示出)并进入中间热屏蔽40中的凹槽(未示出)。导销58与导向/随动板52、中间热屏蔽40和下热屏蔽42之间没有固定的连接，但在工作时保持与中间热屏蔽处于固定位置。导销58给上热屏蔽36和下热屏蔽42相对于中间热屏蔽40在一延伸的位置(图1)和一缩回的位置(图2和图6)之间的运动导向。在完全缩回的位置，下热屏蔽42接触导向/随动板52，以便上热屏蔽36和下热屏蔽42的任何进一步向上运动将造成中间热屏蔽40的共同向上运动。在完全延伸的位置，下热屏蔽42上的一个唇边60放置在中间热屏蔽40上的一个唇边62上，以便上热屏蔽36和下热屏蔽42不能相对于中间热屏蔽进一步向下运动。因此，在该延伸的位置中间热屏蔽40，支承上热屏蔽36和下热屏蔽42。然而，上热屏蔽36和下热屏蔽42能相对于中间热屏蔽40在延伸的位置和缩回的位置之间移动，同时下热屏蔽沿着导销58滑动，并被导销58导向。
在一个优选实施例中，上热屏蔽36用涂敷碳化硅的石黑制成，但也可以用其它的适用于拉晶机12外围设备的材料制造。例如，设想可以用一种多层钼结构(未示出)代替石墨。上热屏蔽36适合于罩住一部分锭料I，该锭料I具有温度范围为1150℃～1000℃，该1000℃是来自拉晶机壳体14各比较冷侧壁的温度。因此，在锭料I和拉晶机12之间的热传递减少，并且锭料中聚集的缺陷数量密度减少。上热屏蔽36的上端形成具有三个一般是J形的凹槽64，该J形凹槽64能使一个旋转吊架(一般以66表示)可松开、卡口式连接到上热屏蔽上。
如图3和图4所示，吊架66包括一个架体68，该架体68安装三个支杆70，该三个支杆70在围绕架体的三个等角间隔开的位置处从该架体径向向外伸出。每个支杆都具有一个直径减小的端部72，该端部72可安放于上热屏蔽36内相应的其中一个J形凹槽64中，以便将吊架66连接到该上热屏蔽上。利用一个固定板76将一安装部件74夹持在架体68上，固定板76用一对螺钉附接到架体上。固定板76具有一个中央轴80，该中央轴80安放在安装部件74底部的一个孔(未示出)中。将一个缓冲板82和滚珠轴承84插在安装部件74和架体之间的架体68内部，同时允许架体在安装部件上旋转。因此，当吊架66保持固定时，提拉轴和籽晶夹具30可以旋转。
制造一个转接器86，用于以与籽晶32相同的方式(并代替该籽晶32)安装在籽晶夹具30上。转接器86具有一个内部向下的孔腔，该孔腔易于通过该转接器一侧中的一个一般是匙形的孔88。孔88的较大部分将一连接缆(一般以92表示)的球形端90安放在该孔腔中。其匙形孔88的较窄部分这样安放连接缆92的较细的柄94，以便将球形端90夹持在孔腔中，并且柄向下伸出到转接器86的下方。吊架66的安装部件74还具有一个内部空腔，连接缆92可以通过一个匙形孔96进入该内部空腔中，该匙形孔易于通过架体68中的一个孔(未示出)。将连接缆92的对面的球形端98穿过匙形孔96的较大部分安放，并安放在安装部件74中。连接缆92的柄94穿过孔96的较窄部分安放，并向下伸出安装部件74和架体68。一旦球端98进入空腔，则它就被夹持在安装部件74中。这样，吊架66就吊挂在转接器86上并通过籽晶夹具30和提拉轴承载。
现在参看图1、5和6，将要说明热屏蔽组件10的使用。一开始，将拉晶机壳体14的圆顶盖部分100和提拉室部分102吊起离开该壳体的生长室部分104，并将固体的多晶硅S放入坩埚20中。在图5中示出在吊离开圆顶盖100和提拉室部分102情况下的拉晶机12。固体硅S在各附图中仅示意示出，但它也可以是普通的块状或流化层多晶硅。拉晶机12中的加热板24是不活动的，并且拉晶机的内部与房间相通。将许多个(在图示的实施例中是3个)一般是U形支承件106安放在拉晶机12内的支承结构38上。然后，将热屏蔽组件10安放在晶体生长室16中，以便中间热屏蔽40的唇边48放置在支承件106上。将下热屏蔽42完全从中间热屏蔽40中伸出，以便下热屏蔽的唇边60放置在中间热屏蔽的唇边62上，并且上热屏蔽36和下热屏蔽42由中间热屏蔽支承。
然后，将壳体14的圆顶盖部分100和提拉室部分102吊回到晶体生长室部分104的上方，并且如此升起热屏蔽组件10，以便上热屏蔽36延伸穿过圆顶盖部分100，到生长室16的外面，并进入提拉室18。尽管没有图示出，但这时圆顶盖部分100不是坐落在壳体14的生长室部分104上，而是在生长室上方稍微间隔开。提拉室18易于通过壳体14提拉室部分102侧边中的一个门(未示出)。吊架66和转接器86已经通过分别将连接缆92的球形端90，98穿过匙形孔插入转接器和安装部件74中预先装配好了。将转接器86插入夹具30中并加以固定(如通过以一种普通的方式销住)。通过降下提拉轴降下吊架66并如此导向，以便将每个支杆70安放在上热屏蔽36内其中之一J形凹槽64中。然后，如此转动吊架66，以便各支杆的减小直径端72与J形凹槽64的更小的趾端108对准。
开动绞盘来升起吊架66，以便将各支杆70的减小直径端72安放在J形凹槽64的趾端108中，并且将热屏蔽组件10升起脱离支承件106。当向上移动吊架66时，上热屏蔽36和下热屏蔽42开始与吊架一起移动，而中间热屏蔽40仍保持固定在支承件106上。当下热屏蔽42部分插入中间热屏蔽40中时，上热屏蔽36和下热屏蔽42由导销58导向。在各导销58的顶部附近，下热屏蔽42如此接触导向随动板52，以致中间热屏蔽40现在被下热屏蔽支承。吊架66的进一步向上移动与上热屏蔽36和下热屏蔽一起共同承载中间热屏蔽40，并将该中间热屏蔽升起脱离各支承件。中间热屏蔽40被导柱56夹持住，抵抗生长室16中任何显著的旋转或横向移动，导柱56被安放在导向/随动板52外端内的切口54中。从支承结构38中移去支承件106并取出生长室16。
将壳体14的圆顶盖部分100和提拉室部分102向下降低到生长室部分104上，如图6所示。再开动绞盘以便升起热屏蔽组件10直至最高位置。最好是，在生长室16中设置一个限制开关(未示出)，以便当热屏蔽组件10完全升起时，自动地关闭绞盘。在这种构造中，将上热屏蔽36设置在生长室16形成轴颈的部分内，并且还设置在提拉室18之内。将下热屏蔽42如此插入中间热屏蔽40中，以便热屏蔽组件10在生长室16内具有一很小的外形。将坩埚20升起到生长室16内，并在拉晶机12中抽真空。开动加热板24，以便在坩埚20中熔化固体的多晶硅S。
在固态硅S熔化之后，开动绞盘，以便向下朝坩埚20方向降低热屏蔽组件10。导向/随动板52沿着各导柱56滑动，以便当热屏蔽组件10向下移动时，使其移动稳定。中间热屏蔽40的唇边48接触支承结构38的翼片50，同时阻止中间热屏蔽进一步向下移动。在下热屏蔽沿着导销58滑动的情况下，上热屏蔽36和下热屏蔽42向下延伸。一旦下热屏蔽62的唇边60接触中间热屏蔽40的唇边62，则上热屏蔽36和下热屏蔽42的向下移动便停止。上和下热屏蔽被中间热屏蔽40支承，并且整个热屏蔽装置位于生长室16的内部。
进一步如此降下吊架66，以使它的支杆70脱离J形凹槽64的狭窄趾端108。然后如此操作绞盘来转动吊架66，以便各支杆70与J形凹槽64的较宽部分对准，并且开动绞盘来升起吊架，同时使该吊架与上热屏蔽36分开。然后，可以向上升起吊架66离开生长室16并进入提拉室18。关闭拉晶机12的隔离阀，同时使生长室16与提拉室18隔离，以便在生长室中保持低压和高温状态。为了简化示图起见，在各附图中均未示出生长室16和提拉室18之间的隔离阀。在冷却之后，在吊架66处打开提拉室部分102的门，并从籽晶夹具30中取出转接器86。
将籽晶32安装在夹具30中，并关闭提拉室部分102的门。打开隔离阀并开动绞盘，以便向下降下籽晶32到坩埚20内熔化的硅M中。当籽晶32开始熔化时，开动绞盘以便向上拉出籽晶。硅以单晶结构凝固在籽晶32上，在直拉法之后，形成一般是圆柱形的锭料I(图1)。在下热屏蔽42的完全降下的位置中，它的底部边缘最好是坩埚20内熔体M表面的上方约50-60mm。除了下热屏蔽底部与熔体M表面之间的间距之外，下热屏蔽42防止热量从坩埚的各侧壁辐射到锭料I上。此外，将热屏蔽组件10设置在锭料I和壳体14各较冷的侧壁之间，同时阻止来自锭料的热传递。结果，将热量保存在熔体的表面(亦即，液-气-固界面)处，并增加了锭料I在该界面处的温度，因而降低了在界面处锭料中的瞬时轴向温度梯度Go。
在图1所示的位置中，锭料I(以实线示出)的上面部分已经进入下热屏蔽的中央通道。这部分锭料I被保护不受从坩埚20的侧壁辐射出热量的影响。在此较高位置的这部分锭料I还易于受到上热屏蔽36和下热屏蔽42之间两臂44所跨越的孔的影响。在下热屏蔽42内部的这部分锭料现在“看着”壳体14的冷的侧壁。在壳体14的水冷却的侧壁和锭料I之间发生显著的热传递，并且在下热屏蔽42内部有锭料的快速冷却。
锭料I继续生长，并且一部分进入上热屏蔽36，如图1中以虚线示出的。上热屏蔽36插在锭料的侧壁和壳体14的侧壁之间。上热屏蔽36如此定位，以使进入该上热屏蔽的这部分锭料I近似为1150℃。在上热屏蔽36的内部，从锭料I到壳体14侧壁的热传递如此显著地减少，以致瞬时温度梯度Go在上热屏蔽内的这部分锭料中变小。
因此，可以看出，利用本发明的热屏蔽组件10和拉晶机12，达到了本发明的一些目的和特点。热屏蔽组件10是小型的，并且被制造成当它升起时部分压缩，以便使在生长室16内操作所必需的空间减至最小。采用热屏蔽组件10，则通过减少坩埚20内液-气-固界面处锭料I中的热损耗，达到在液-气-固界面处有一很高的v/Go比。例如，梯度Go可以从无屏蔽的直拉法达到的22.84℃/cm降低到用本发明的热屏蔽组件和方法所达到的21.05℃/cm。v/Go比可以从0.000060cm2/℃·sec增加到0.000047cm2/℃·sec。因而，在晶体中处处都有占绝大多数的晶格空位，并且在锭料I中没有径向空位/自填隙边界环。v/Go比增加而没有改变提拉速率v.在该优选实施例中，被提拉的晶体的提拉速率分布图与平常未加屏蔽的直拉法相比没有显著的改变。然而，应该理解，可以应用提拉速率的改变来增加v/Go比。正如在上热屏蔽36和下热屏蔽42之间设置一个孔所希望的，在下热屏蔽42的内部达到了锭料I的快速冷却。再将锭料I屏蔽在该锭料温度近似在1150℃和1000℃之间的区域保温，以便减少锭料中空位的聚集。例如，在用本发明的热屏蔽组件和方法的情况下，在锭料I该区域的温度梯度可以从14.1℃/cm下降到11.7℃/cm。
本发明的方法一种说明如下。
生长富空位单晶的方法包括以下步骤将一个籽晶往下放到与拉晶机坩埚中熔化的半导体原材料的熔体接触；如此从熔体中升起籽晶，使来自熔体的半导体材料凝固在籽晶上，以便形成单晶；将从坩埚侧壁辐射出来的热量对着靠近熔体表面并位于坩埚顶部下方的一个区域，用于阻止在该区域内单晶中高的瞬时轴向热梯度，因而单晶没有空位/自填隙边界环或引起堆垛层错环的氧化作用；在熔体表面上方的一个位置处热屏蔽住单晶，以使单晶在大约1150℃-1000℃的温度范围内的冷却慢下来；因而，单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单晶锭料I内空位占优势的材料，而且当锭料在拉晶机中形成时减少了空位缺陷的聚集。这样，就减少了锭料I中引起堆垛层错的氧化作用。
鉴于上述情况，可以看出，本发明的几个目的都达到了，并且得到另一些有利的结果。
尽管不脱离本发明的范围，在上述结构中可以作各种改变，但我们打算将上述说明中所包括的或附图中所示的所有情况都看作是例证性的，而不是限制的意思。
权利要求
1.在拉晶机中使用的热屏蔽组件，它围绕在拉晶机中生长的单晶锭料，以便影响单晶的冷却速率，该热屏蔽装置包括一个上热屏蔽，它具有一个中央通道，用于这样将单晶容纳于其中，以使该上热屏蔽包围单晶，所述上热屏蔽具有连接器装置，用于将热屏蔽组件连接到拉晶机的一个提拉机构上，以便在拉晶机内部升降热屏蔽组件；一个中间热屏蔽，它具有一个中央通道，用于容纳单晶，该中央通道穿过中间热屏蔽，使该中间热屏蔽包围单晶，将中间热屏蔽做成用于拉晶机中的接触结构，以便支承拉晶机中的热屏蔽组件；一个下热屏蔽，它具有一个中央通道，用于容纳单晶，该中央通道穿过下热屏蔽，使该下热屏蔽包围单晶，下热屏蔽连接到上热屏蔽上，用于与上热屏蔽一起同时移动，并且该下热屏蔽滑动伸缩式容纳于中间热屏蔽中；上热屏蔽和下热屏蔽在拉晶机中一个下降位置和一个升起位置之间活动，在下降位置中，下热屏蔽伸到中间热屏蔽的外面并接触该中间热屏蔽，中间热屏蔽用于支承上热屏蔽和下热屏蔽，在升起位置中，下热屏蔽向上伸入中间热屏蔽，并接触中间热屏蔽，用于支承该中间热屏蔽，以便向上与上热屏蔽和下热屏蔽一起移动。
2.如权利要求1所述的热屏蔽组件，还包括一些导向件，用于给下热屏蔽在中间热屏蔽中的滑动导向。
3.如权利要求2所述的热屏蔽组件，其特征在于下热屏蔽包括一个套环，上热屏蔽容纳于该套环中，并在其中连接到下热屏蔽上。
4.如权利要求3所述的热屏蔽组件，其特征在于中间热屏蔽在其上部边缘处具有一个环形唇边，该唇边可与拉晶机中的结构接触，以便在其中支承热屏蔽组件。
5.如权利要求1所述的热屏蔽组件，还包括一个连接器，用于将该热屏蔽组件连接到在拉晶机提拉机构上的籽晶夹具上。
6.如权利要求5所述的热屏蔽组件，其特征在于连接器包括一个吊架，该吊架可与所述上热屏蔽的连接器装置选择式接触，用于将上热屏蔽连接到提拉机构上。
7.如权利要求6所述的热屏蔽组件，其特征在于所述连接器装置包括上热屏蔽中的多个一般是J形的凹槽，吊架包括一些支杆，各支杆容纳于相应凹槽中。
8.用于形成单晶锭料的拉晶机，该拉晶机包括一个壳体，用于将拉晶机的内部隔开，壳体包括一个单晶生长室和一个提拉室，提拉室具有比生长室小的横向尺寸；一个坩埚，用于装熔化的半导体原材料，单晶锭料就从该半导体原材料生长出来，坩埚包括一个侧壁并可在壳体内垂直活动，以保持熔体的表面处于基本上恒定的位置；一个加热器，用于加热坩埚和拉晶机的内部，加热器配置成至少一部分与侧壁垂直对齐；一个提拉机构，用于从熔化的半导体原材料中提拉锭料；支承结构；它设置在壳体的内部，一般在坩埚的上方；一个上热屏蔽，它位于坩埚的上方并且不与壳体接触，上热屏蔽具有一个中央通道，用于容纳锭料，上热屏蔽包围容纳在其中央通道中锭料的任何部分，并且基本上保护锭料不受与壳体热传递的影响，用于降低坩埚上方热屏蔽中这部分锭料的冷却速率；一个底热屏蔽，它被做成放置在支承结构上，并从该支承结构向下延伸到坩埚中，底热屏蔽具有一个中央通道，用于在底热屏蔽中容纳一部分锭料，使底热屏蔽插在坩埚的侧壁和锭料之间，用于保持锭料部分不受坩埚侧壁的影响，来促进坩埚内部锭料部分的冷却，底热屏蔽具有一个在熔化材料上方间隔开的下端，并在底热屏蔽下方的位置处促进从加热器穿过侧壁到锭料的热传递。
9.如权利要求8所述的拉晶机，其特征在于底热屏蔽包括一个敞开的上面部分，该上面部分使底热屏蔽的中央通道通向壳体，用于促进底热屏蔽中这部分锭料与壳体的热传递。
10.如权利要求9所述的拉晶机，其特征在于底热屏蔽连接到上热屏蔽上，用于当底热屏蔽放置在支承结构上时支承该上热屏蔽。
11.如权利要求10所述的拉晶机，其特征在于底热屏蔽包括一个中间热屏蔽和一个下热屏蔽，该下热屏蔽连接到上热屏蔽上，用于与其同时移动，并且它滑动伸缩式容纳在中间热屏蔽中，上热屏蔽和下热屏蔽在拉晶机内的一个下降位置和一个升起位置之间活动，在下降位置中，下热屏蔽伸到中间热屏蔽的外面并接触该中间热屏蔽。用于支承上热屏蔽和下热屏蔽，在升起位置中，下热屏蔽向上伸入中间热屏蔽并接触该中间热屏蔽，用于支承中间热屏蔽，以便与上热屏蔽和下热屏蔽一起向上移动。
12.如权利要求11所述的拉晶机，其特征在于中间热屏蔽在其上边缘处具有一环形唇边，该唇边可与拉晶机中的结构接触，以便支承上热屏蔽和下热屏蔽。
13.如权利要求11所述的拉晶机，还包括一个籽晶夹具和一个连接器，该籽晶夹具安装在提拉机构上，而连接器用于将上热屏蔽连接到籽晶夹具上
14.如权利要求5所述的拉晶机，其特征在于连接器包括一个吊架，该吊架可与上热屏蔽选择式接触，用于将上热屏蔽连接到提拉机构上。
15.如权利要求14所述的拉晶机，其特征在于上热屏蔽在该上热屏蔽中具有多个一般是J形的凹槽，吊架包括一些支杆，各支杆容纳于相应凹槽中。
16.生长富空位单晶的方法，包括以下步骤将固体半导体原材料放入拉晶机内的坩埚中；将一可伸缩的热屏蔽组件悬挂在一提拉机构上，该提拉机构位于坩埚上方的拉晶机中，当热屏蔽组件悬挂在提拉机构上时，处于一种伸缩式结构；将固体半导体原材料加热，以使该原材料熔化；将热屏蔽组件下降到一般是在坩埚上方与拉晶机中的支承结构接触，热屏蔽组件呈现一种延伸的位置，因而一部分热屏蔽在坩埚中熔化的半导体原材料的表面附近延伸到坩埚中；将热屏蔽组件与提拉机构分开；将一个籽晶附接到提拉机构上；将籽晶下降到与拉晶机内坩埚中熔化的半导体原材料的熔体接触；如此从熔体中升起籽晶，以使来自熔体的半导体材料凝固在籽晶上来形成单晶；用邻近熔体表面并位于坩埚顶部下方的一个区域中热屏蔽，将热量保存在坩埚中，用于抑制该区域内单晶中一种高的瞬时轴向热梯度，因而单晶没有空位/自填隙边界环或引起堆垛层错的氧化作用；用熔体表面上方一个位置处的热屏蔽组件，以热的方法保护单晶，以使单晶在温度约1150℃～1000℃范围内的冷却变缓慢；因而单晶具有占绝大多数的空位缺陷和低密度的空位缺陷。
全文摘要
在直接法拉晶机中采用热屏蔽组件,用于有选择地保护半导体材料的单晶锭料,以便控制锭料单晶结构中聚集的缺陷类型和数据密度。热屏蔽组件具有一个上热屏蔽,该上热屏蔽连接到一个下热屏蔽上。上热屏蔽和下热屏蔽相互连接,并滑动式连接到一个中间热屏蔽上。下热屏蔽能够向上伸入中间热屏蔽,以便使位于拉晶机单晶生长室内部的热屏蔽组件的外形减至最小。然而,当必须控制单晶锭料的形成时,下热屏蔽可以从中间热屏蔽延伸,并向下伸入拉晶机坩埚中,以便非常靠近坩埚中熔化的半导体原材料的上表面。还公开了应用热屏蔽组件的方法。
文档编号C30B15/00GK1265712SQ98807859
公开日2000年9月6日 申请日期1998年7月29日 优先权日1997年8月1日
发明者金永民, 威廉·L·鲁特, 李·W·费里, 罗伯特·J·布朗恩, 斯尔简·伊利克, 毛罗·迪奥达, 保罗·托西, 马尔科·格博, 安博托·马蒂尼 申请人:Memc电子材料有限公司