本申请要求2016年3月29日提交的美国临时专利申请no.62/314,562的权益，其全部内容通过引用并入本文。
本公开的领域涉及晶体生长装置以及尤其涉及用于连续拉引硅锭的晶体生长装置，其中熔融硅不接触含氧的坩埚。
背景技术
半导体级单晶硅用于生产各种电子器件。单晶硅可以通过所谓的czochralski方法(切克劳斯基法)制备，其中从保持在拉晶机装置内的坩埚内的硅熔融体中提取(抽取)出硅锭。半导体级单晶硅的规格越来越需要更低的原生氧规格，并且要求更低和更严格的碳规格。通过czochralski方法可能难以实现这样的规格，因为用于保持熔融硅的坩埚通常由含氧的二氧化硅组成。在与熔融硅接触时，来自二氧化硅坩埚的氧可进入熔融体。生长的晶锭可以吸收氧，从而导致“原生(生长引入，grown-in)”的氧。氧还可以与通过多晶硅原料本身或通过保持坩埚的基座而引入到系统中的碳反应，产生可溶于熔融硅中的碳氧化物。碳氧化物也被生长的晶锭吸收，这会降低器件性能。
存在对能够使用czochralski拉引技术来生长具有减少的原生氧和碳的单晶硅锭的拉晶装置的需求。
本部分旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求保护的本公开的各个方面有关的技术的各个方面。相信该讨论有助于向读者提供背景信息以促进对本公开的各个方面的更好的理解。因此，应该理解，这些陈述应该从这个角度来阅读，而不是作为对现有技术的承认。
技术实现要素：
本公开的一个方面涉及一种用于从硅熔融体连续制备硅锭的晶体生长装置。该装置具有竖直轴线，硅锭相对于竖直轴线被向上拉引。晶体生长装置包括用于保持固体硅支撑体的基座，该固体硅支撑体具有成形为用于保持硅熔融池、硅稳定池和硅生长池的顶表面。晶体生长装置包括进料入口，用于将连续的硅材料源提供到硅熔融池中。第一环形加热器安装在硅熔融池上方，用于熔融硅材料或用于将硅材料保持在熔融状态。第二环形加热器安装在硅稳定池上方。第二环形加热器位于第一环形加热器内。至少一个第三环形加热器安装在硅生长池上方。第三环形加热器位于第二环形加热器内。
存在关于本公开的上述方面提到的特征的各种改进。其他特征也可以结合在本公开的上述方面中。这些改进和附加特征可以单独存在或以任何组合存在。例如，以下关于本公开的任何所示实施例讨论的各种特征可以单独或以任何组合结合到本公开的任何上述方面中。
附图说明
图1是具有固体硅支撑体的拉晶装置的示意性剖视图；
图2是拉晶装置的下部的详细示意图；以及
图3是在基座下方具有冷却室的拉晶装置的示意性剖视图。
在所有各附图中，相应的附图标记表示相应的部件。
具体实施方式
参考图1，晶体生长装置(在此也可简称为“拉晶机”)整体上用“1”表示。晶体生长装置1包括壳体5和壳体5内的用于保持固体硅支撑体13的基座9。底架14承载基座9和固体硅支撑体13。底架14可在拉晶期间旋转以改善晶体生长期间的温度和成分梯度。
拉晶机1包括平行于拉引晶锭15的方向的中心竖直轴线a。拉晶机1还包括围绕晶锭15的冷却套19，以保持晶锭15中的优选的温度梯度。开放区域17将冷却套与隔绝体23分开。可以使用其他拉晶机布置方式，包括其中具有至少部分地围绕晶锭15的隔热罩的实施例(未示出)或者其中冷却套19被去除并且隔绝体23进一步朝向晶锭15延伸的实施例。无论如何布置，开口78定位在晶锭附近以使惰性气体进入坩埚拉晶机系统。
固体硅支撑体13由多晶硅坯料、单晶硅坯料或硅板制成。如本文所述，“硅支撑体”由元素硅制成，并且旨在排除硅的化合物(例如，二氧化硅、碳化硅)。固体硅支撑体13可包括各种杂质；但是，杂质的量不应超过使硅锭质量降低到可接受水平以下的量。固体硅支撑体13包括顶表面24，顶表面24成形为用于保持三个硅材料池。固体硅支撑体13可以通过硅支撑体的靶向/目标(有针对性的)熔融(例如，在拉晶机1中或在放入拉晶机1之前)或通过机械加工硅支撑体来成形。
保持固体硅支撑体13的基座9具有中心62(图2)并具有外周端部66，竖直轴线a穿过该中心62。如图1和2所示，基座9从外周端部66到其中心62向下方倾斜。在其他实施例中，基座不向下倾斜(例如，可以是水平的)。底座9的廓形可以设计成优化下面描述的各种熔融池的形状并改善拉晶机的热管理。
如图1所示，顶表面24包括至少三个用于保持/容纳熔融硅材料的凹陷：环形硅熔融池凹陷25、环形稳定池凹陷41和生长池凹陷47。环形熔融池凹陷25支撑硅熔融池27。硅通过进料入口30添加以提供连续的硅材料源进入熔融池27。硅可以以固体形式(例如，粒状硅)添加，其中硅在熔融池27内熔融。可用连续进料器(未示出)供应粒状硅。在其他实施例中，可以使用可以在拉晶机壳体5内部或外部的预熔器(未示出)将熔融硅供应到池27，在这种情况下，熔融硅材料在熔融池中保持为熔融状态。
在一些实施例中，去除了环形稳定池凹陷和相关联的池。然而，优选地，硅支撑体13包括稳定池以允许硅在进入生长池45之前完全熔融并保持一致的温度。固体硅支撑体13还可以包括多于三个的硅池，这可以改善温度和颗粒控制但可能会增加系统成本。
硅熔融池27保持在限定出凹陷25的外峰31(图2)和内峰33之间。外峰31可以是固体硅支撑体13的外架32的一部分。内峰33相对于竖直轴线a而言低于外峰31，以允许熔融材料越过(跨过，weirover)内峰33并进入稳定池39。固体支撑体13的顶表面24包括限定出环形稳定凹陷41的稳定池外峰33(其为熔融池27的内峰)和稳定池内峰43。相对于竖直轴线a而言，内峰43低于熔融池凹陷25的外峰31，以允许熔融硅越过内峰43并进入硅生长池45。内峰43可以比稳定池外峰33低、与其一样高或甚至更高。在一些实施例中，稳定池外峰33和内峰43之间的相对高度在拉晶期间改变以改变拉晶机系统的动态特性。
生长池凹陷47保持熔融硅生长池45，从该熔融硅生长池45中提取出晶锭15(图1)。保持生长池45的生长池凹陷47形成在稳定池内峰43之内。
熔融池凹陷25具有从外峰31延伸到内峰33的宽度w25，并且具有深度d25，深度d25是从其外峰31到凹陷25的底部52(即，凹陷的最低点)的竖直距离。稳定池凹陷41具有在其外峰33和其内峰43之间延伸的宽度w41，并且具有深度d41，深度d41是从熔融池凹陷25的外峰31到稳定池凹陷41的底部54的竖直距离。生长池凹陷47具有宽度w47(即直径)并且具有深度d47，深度d47是从熔融池凹陷25的外峰31到生长池凹陷47的底部56的竖直距离。
生长池凹陷47的深度d47大于熔融池凹陷25的深度d25和稳定池凹陷41的深度d41两者，以允许生长池凹陷47保持更大量的熔融硅。在各种实施例中，生长池凹陷47的深度d47可以是熔融池凹陷25的深度d25和稳定池凹陷41的深度d41中每一者的至少约两倍或甚至至少约三倍。熔融池凹陷25的深度d25、稳定池凹陷41的深度d41和生长池凹陷47的深度d47可以通过系统的被选择成产生稳定晶体生长的热梯度来控制。
类似地，生长池凹陷47的宽度w47大于熔融池凹陷25和稳定池凹陷41的宽度w25、w41，以提供适当的表面积来提取出晶锭15(图1)，并允许生长池含有足够量的熔融硅。在各种实施例中，生长池凹陷47的宽度w47可以是熔融池凹陷25和稳定池凹陷41的宽度w25、w41中每一者的至少约两倍或甚至至少约三倍。熔融池凹陷25和稳定池凹陷41可以具有相同或不同的深度d25、d41和宽度w25、w41。
示出固体硅支撑体13和硅池27、39、45和晶锭15(图1)以说明装置1的使用，除非另有说明，固体硅支撑体13和硅池27、39、45和晶锭15不是装置的组成部分。在一些实施例中，硅支撑体13是装置的一部分。
该装置包括第一、第二和第三环形加热器63、65、67，用于分别控制熔融池27、稳定池39和生长池45中的温度分布。第一环形加热器63安装在熔融池27上方，以熔融引入池27中的粒状硅(或者当熔融硅被引入池中时将硅保持在熔融状态)。第一环形加热器63可以在其中包括供固体或熔融硅通过的开口。
在该第一环形加热器63内(即，在加热器63的中心开口内)的是第二环形加热器65。第二环形加热器65安装在稳定池39上方。第二环形加热器65被控制成保持进入生长池45之前的硅的温度一致并且熔融从熔融池27越过的任何固体硅。第三环形加热器67在第二环形加热器65内(在加热器65的中心开口内)且安装在熔融池45上方。晶锭15通过第三加热器67的中心开口提取出。第三加热器67被控制成保持晶锭15中的优选温度梯度。
三个加热器63、65、67被独立地控制成向硅熔融池27、稳定池39和生长池45提供足够的热量而不熔融固体硅支撑体13。加热器63、65、67应该与池27、39、45间隔开一定距离，该距离提供适当的熔融和稳定温度，而不会使加热器引起熔融体污染(例如，由于加热器浸入到熔融体中)并且没有过多的热量传递到相邻的加热区域(即，到相邻的池)。
加热器63、65、67可以是电阻或射频(rf)加热器。虽然加热器63、65、67在这里可以描述为分立的加热器，但是加热器63、65、67也可以组合在单个加热单元中，该加热单元允许三个分立的部分被独立地控制以控制进入硅熔融池27、稳定池39和生长池45的热量输入。
隔绝体23(图1)在加热器63、65、67上方延伸。晶锭15穿过隔绝体23被向上拉引。外分隔器72在第一环形加热器63和第二环形加热器65之间从隔绝体23向下延伸。内分隔器74在第二环形加热器65和第三环形加热器67之间也从隔绝体向下延伸。第一气体入口76与开口78流体连通，晶锭15被拉引穿过该开口78。气体在晶锭15周围向下行进并到达生长池45的表面上以及经过稳定池39和熔融池27。分隔器72、74围绕拉晶机1的轴线a周向延伸并迫使气体以相对高的气体速度流过熔融硅的表面，以从粒状硅进料及任何冷却和沉淀的一氧化硅中带走诸如为灰尘的颗粒。
拉晶机1可包括第二气体入口75，其在外分隔器72和内分隔器74之间形成的空间中排出气体。可使用射流(未示出)来引导气体经过生长池45、稳定池39和熔融池27的表面。气体通过出口79离开系统，并且可以被冷却和进一步处理以重复使用。出口79可以定位在拉晶机1的其他部分处，例如在拉晶机1的底部。
可用在拉晶机1中并通过第一入口76和可选的第二入口75引入的气体是相对于硅而言为惰性的气体，并且可包括氩气、氮气或甚至氪气或氦气。
基座9可以由在基座9通常暴露于晶体生长环境中的温度和应力下能够支撑固体硅支撑体13和硅池27、39、45的任何材料构成。合适的材料可包括碳化硅、碳、石墨、石墨隔绝体和难熔金属，例如氧化铝或氧化锆。虽然在一些实施例中，可以去除基座9并且固体硅支撑体13直接连接到底架14，但是通常优选的是包含基座9以为拉晶系统提供足够的结构和刚度。基座9、支撑体13、隔绝体(如果有的话)和加热器63、65、67应该配置成防止硅池27、39、45延伸到基座9，同时使热损失最小化以降低功耗。
基座9可包括形成在其中的冷却通道77(图2)，用于冷却基座9和固体硅支撑体13。在其他实施例中并且如图3所示，基座9与冷却腔室80(即冷却套)流体接触，冷却流体在冷却腔室80中循环以冷却基座9和固体硅支撑体13。
优选地，该装置不包括在基座9下方的加热器或隔绝体，以允许基座适当地冷却。隔绝体(未示出)可以设置在基座9和固体硅支撑体13之间，以减少热损失。
加热器(未示出)可以嵌入固体硅支撑体13中，特别是在生长池45下方，以帮助将生长池45保持在熔融状态。这种加热器可以是电阻加热器，或者硅可以通过电感耦合的射频加热直接被加热。温度传感器(未示出)可以嵌入基座9或硅支撑体13中，以提供用作加热器功率输入反馈的温度场。
拉晶机1可以通过连续地(或间歇地)将硅源添加到进料入口30、同时从生长池45中提取出晶锭来操作。拉晶机1可以在半连续状态下操作，在该状态下在接近锭颈的重量极限或晶锭接近拉腔全长时，晶锭生长才停止。一旦晶锭生长停止，就将晶锭从生长室中取出并重新接种拉晶机并重新开始晶锭生长。
在添加固体硅(例如，粒状硅)的情况下，硅在其落入熔融池27内之后熔融。在添加熔融硅的情况下(例如，通过使用预熔器)，硅在池27中保持熔融状态。第一环形加热器63被供电以熔融硅和/或保持添加的硅处于熔融状态但不熔融固体硅支撑体13(包括熔融池凹陷25的内峰33)。在池27中加入硅使熔融硅越过内峰33(图2)并进入稳定池39。第二环形加热器65被供电和控制成在稳定池39中保持一致的温度(例如，通过来自温度传感器场的反馈)，这允许在生长池45中更严格的温度控制。硅越过稳定池内峰43并进入生长池45。第三环形加热器67被供电以控制池45中的对流和温度梯度以实现适当的晶锭生长。
如果需要对晶锭15掺杂(例如，以制备n型或p型硅)，掺杂剂可以与硅一起被连续添加，或者可以通过单独的入口(未示出)被添加。
通常，第一、第二和第三环形加热器63、65、67被连续供电。可以改变提供给加热器63、65、67的功率/电力，以基于来自温度传感器的反馈来控制熔融、稳定和生长条件。如果熔融池内峰33或稳定池内峰43无意中熔融，则可以重新形成以使硅从熔融池27适当转移到稳定池39和生长池45中。
与传统的拉晶装置相比，本发明的装置具有多个优点。基座和固体硅支撑体允许拉晶机在没有坩埚(即，具有通常由二氧化硅组成的底板和侧壁的容器)的情况下操作。当熔融硅接触固体硅支撑体而不是坩埚(例如含氧的二氧化硅坩埚)时，较少的氧或没有氧进入熔融体。较少的氧可用于与碳反应以产生可溶于熔融硅中的碳氧化物。较少的溶解氧和碳允许生产具有较少氧和碳的晶锭。由本公开的实施方案生产的这种晶锭可具有小于约3ppm的氧，并且在一些实施方案中，所得到的晶锭含有的氧的量小于氧的检测极限。作为替代或附加，晶锭可含有少于约0.001ppm的碳，甚至可含有低于碳检测极限的量的碳。
通过使用连续工艺，可以通过连续掺杂实现均匀的轴向和径向电阻率。如果在晶锭中需要氧，由于不通过坩埚将氧引入系统，熔融体可以掺杂氧化物以靶向地控制原生氧。
熔融体中较少的氧允许形成较少的氧化硅(sio)，sio能够在排放物中与含碳系统组件反应，这导致进一步的co和sic形成，这可能降低系统组件例如加热器装置的寿命。系统中减少的sio可以允许一些系统组件——例如排气过滤系统、真空泵和惰性气体流控制器——减小尺寸或去掉。通过减少来自熔融体的氧，系统组件可以由于较少的sio污垢而更长时间地运行，并且连续系统可以运行更长时间以降低运行成本。
通过减少或消除熔融体与含氧坩埚的接触，较少的氧进入熔融体并且系统压力不需要像在常规系统中运行那样低(例如，低于50托)，在常规系统中压力相对较低，以使氧从熔融体中扩散出来。由于只需较少的氧向外扩散，系统可以在较高压力下操作，这允许惰性气体(例如氩气)的流量降低，因为在较高压力下存在更多气体。
在拉晶机包括向下朝熔融体延伸的分隔器的实施例中，分隔器用于迫使气体朝向熔融体表面并且增加气体(其在真空系统中稀疏)的速度以使颗粒移动离开增长池、稳定池和熔融池。在内分隔器和外分隔器之间使用第二气体入口有助于气体在增加的拉晶机截面上向外移动时保持气体速度。在拉晶机具有朝其中心向下倾斜的基座的实施例中，基座与生长池、稳定池和熔融池之间的距离可以更均匀，这使得池的加热更均匀。
如本文所用，当术语“约”、“基本上”、“实质上”和“近似”与尺寸、浓度、温度或其他物理或化学性质或特性的范围结合使用时意在涵盖变化，该变化可以存在于性质或特性范围的上限和/或下限内，包括例如由舍入、测量方法或其他统计变化引起的变化。
当介绍本公开的要素或其实施例时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个要素。术语“包含”、“包括”、“含有”和“具有”旨在是包含性的，并且意味着可能存在除所列要素之外的其他要素。使用指示特定方向的术语(例如，“顶”、“底”、“侧面”等)是为了便于描述，并不需要所描述的项目的任何特定方向。
由于在不脱离本公开的范围的情况下可以对上述结构和方法进行各种改变，所以包含在以上描述中并且在附图中示出的所有内容应当被解释为说明性的并且不是限制性的。