用于改进连续Czochralski方法中的晶体生长的堰的制作方法
【专利说明】用于改进连续Czochralski方法中的晶体生长的堰
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年11月29日提交的美国专利申请No. 13/689, 189的优先权，通 过引用将其全部公开内容全部并入本文中。
[0003] 领域
[0004] 本公开内容的领域一般性地涉及通过Czochralski方法生长单晶半导体材料。特 别地，本公开内容的领域涉及使用帽堰（cap weir)的连续Czochralski方法。配置帽堰用 于改进气体的流量和压力，这降低堰的腐蚀速率。
[0005] 背景
[0006] 在连续Czochralski (CZ)晶体生长方法中，熔体在晶体生长时补充或补给。这与 其中熔体由于晶体生长方法完成而消耗以后补给熔体的分批补给相反。在每种情况下，熔 体可用固体原料或熔融原料补充。
[0007] 与分批补给相反，连续Czochralski方法对生长结晶娃锭而言存在优点。恪体高 度保持基本恒定，因此熔体-晶体界面的生长条件可保持更加均匀用于最佳的晶体生长。 循环时间也可降低，因为熔体条件不会由于加入大量原料而突然改变。
[0008] 常规连续晶体生长坩埚中的常规堰排列显示于图1中。在常规Czochralski系统 中，坩埚100保持一些熔融硅102,单晶锭104在其中生长并以箭头105所示竖直方向从晶 体/熔体界面106拉引。通常成型为圆柱体的堰108置于坩埚100的底部并在所示熔体以 上竖直延伸。堰108限定内部生长区110和外部熔体补充区112。表面下通路114将第一 或熔体补充区112与内部生长区110连接。
[0009] 挡热板116的形状为圆锥形并以产生置于生长晶体或锭104周围的环形开口的角 度向下延伸以容许生长锭辐射其固化潜热和来自熔体的热流。挡热板116的顶部具有比形 成围绕锭104的环形开口的直径宽得多的第一直径。挡热板116的顶部由绝缘盖或绝缘包 装可支持地保持。为了简化，图中省略了绝缘盖。惰性气体如氩气流通常沿着如117所示 生长晶体的长度提供。
[0010] 进料供应118将一些硅原料供入坩埚100的熔体补充区112中。硅原料可以为直 接供入熔体区112中的硅原料固体块的形式。在每种情况下，将原料加入熔体区中通常伴 随由气体动力在堰108上传输的粉尘颗粒。粉尘或未熔融的硅颗粒污染生长区110并且可 能变得附着在生长锭104上，由此导致它失去其单硅结构。
[0011] 尽管图1中的常规堰108排列可借助从熔体补充区流入晶体生长区的熔体帮助限 制粉尘和未熔融硅颗粒的传送，但是它未解决堰的高腐蚀速率的问题。如图5所示，常规石 英堰108遭遇一氧化硅和氩气。将氩气泵送通过液态硅以除去一氧化硅气体并降低结合在 生长晶体中的氧气的浓度。氩气和一氧化硅气体由流线500指示。气流的副作用是堰在熔 体-气体接触管线119处由于表面动力而经历快速腐蚀，最终被一定程度地切穿使得它不 再充当对固体多晶硅而言的充分屏障。该腐蚀引起问题，因为它需要时常置换堰，导致停工 期和提高的置换成本。
[0012] 尽管该常规堰108排列可能足以防止未熔融的硅从熔体补充区到达晶体生长区， 但是该排列未解决堰的快速腐蚀问题。该快速腐蚀可提高方法的成本并且可通过导致停工 期以置换堰而降低生产量。
[0013] 该背景部分意欲向读者介绍下文描述和/或主张的本公开内容各方面可能涉及 的技术的各个方面。认为该讨论帮助提供给读者背景信息以便于对本公开内容的各个方面 的更好理解。因此，应当理解这些陈述就这点而言阅读，且不是对现有技术的认可。
[0014] 概述
[0015] -方面，公开了用于通过Czochralski方法生长锭的设备。锭在由结晶原料补充 的一些熔融硅中从熔体/晶体界面生长。该设备包含限定配置用于使吹扫气体围绕生长锭 循环的腔的生长室，和在生长室中提供且配置用于保持熔融硅的坩埚。堰安装在坩埚中并 配置用于将熔融硅分离成围绕熔体/晶体界面的内部生长区与配置用于接收结晶原料的 外部区域。堰包含至少一个竖直延伸的侧壁和基本垂直于侧壁延伸的帽。
[0016] 另一方面，公开了连续Czochralski晶体生长。对于该方法，一个或多个晶体锭在 生长室中从包含由原料补充的熔融结晶材料的坩埚中限定的熔体/晶体界面拉引。该方法 包括使用堰将熔融结晶材料分离成围绕熔体/晶体界面的内部生长区和用于接收原料的 外部区域。惰性气体与堰和熔体接触地流动使得从熔体释放的一氧化硅气体的分压在最大 堪腐蚀点处提尚。
[0017] 又一方面，公开了通过Czochralski方法生长锭的系统。锭在由结晶原料补充的 一些熔融硅中从熔体/晶体界面拉引。该设备包含限定配置用于使吹扫气体围绕生长锭循 环的腔的生长室和在生长室中提供且配置用于保持熔融硅的坩埚。进料供应用于供应结晶 原料。加热器加热结晶原料和熔融硅。堰支撑于坩埚中并配置用于将熔融硅分离成围绕熔 体/晶体界面的内部生长区与配置用于接收结晶原料的外部区域。堰包含至少一个竖直延 伸的侧壁和基本垂直于侧壁延伸的帽。
[0018] 附图简述
[0019] 图1为显示Czochralski晶体生长系统中具有外围加热器的常规坩埚的部分示意 图。
[0020] 图2为显示根据本公开内容的一个实施方案的Czochralski晶体生长系统中的帽 堰的部分示意图。
[0021] 图3为显示围绕帽堰的气流线的帽堰放大图。
[0022] 图4为显示根据另一实施方案的Czochralski晶体生长系统中另一帽堰的示意 图。
[0023] 图5为显示气流线的图1的常规坩埚的放大图。
[0024] 详述
[0025] 参考图2,根据本公开内容的一个实施方案，帽堰208在坩埚200中提供。帽堰208 通常具有圆柱形状，具有竖直延伸的侧壁222,安装在限定硅熔体202中的生长区的坩埚 200底部。硅熔体202中的生长区210定义为由侧壁222包围的区域（即侧壁径向向内）。 外部熔体补充区212定义为侧壁222外部的区域（即侧壁径向向外）。因而，帽堰208将 生长区210与第一区或外部熔体补充区212分开，以分离和防止热和机械干扰影响生长区 210中的生长晶体。
[0026] 在一些实施方案中，通路214限定于侧壁222中以控制外部熔体补充区212与生 长区210之间的熔体流。进料供应221将固体硅原料来源供入外部熔体补充区212中。可 提供挡热板216以屏蔽熔体/晶体界面206和锭204以防热扰动。在示例实施方案中，挡 热板的形状为圆锥形，且在下游方向上径向向内成角或渐缩，使得挡热板顶部比挡热板底 部宽得多。圆锥形挡热板216的侧壁从底部并以一定角度向下悬垂，使得挡热板的较小直 径末端限定足够大的中心环形开口 205以在所示将单晶锭204竖直拉引时接收生长锭。在 一些实施方案中，一个或多个底部加热器218和侧加热器219与坩埚200热连通以将热供 给熔体202。除侧加热器219外，底部加热器可以为独立控制的环形加热器218,其以径向 方式置于坩埚200的基底下面，这可提供在整个外部熔体补充区212更可控的温度分布。
[0027] 帽堰208包括从侧壁222的上部伸出的帽207。在示例实施方案中，帽以径向向内 方向和径向向外方向基本垂直于侧壁222延伸。在其它实施方案中，帽207可仅以径向向 外方向从侧壁222伸出，或者仅以径向向内方向从侧壁222伸出。
[0028] 帽堰208包含安装在坩埚200基底上的通常圆柱形体。帽堰208的侧壁222向上 竖直延伸以形成并限定具有熔体202的改进流动区215。应当理解通过以使