用于生长单晶锭的拉晶机和方法

专利名称：用于生长单晶锭的拉晶机和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于生长单晶半导体材料的拉晶机和方法，更具体地涉及一种用于生长具有预期(想要的)缺陷特性的晶锭或晶体的拉晶机和方法。
背景技术：
近年来，人们已认识到随着晶锭从凝固温度冷却，在拉晶机(有时被称为热区)内会形成许多位于单晶硅中的缺陷。更具体地，随着晶锭冷却，本征点缺陷例如晶格空位或硅自间隙在硅晶格中仍保持可溶解，直到达到一定温度阈值，在该温度阈值之下本征点缺陷的给定浓度变成临界过饱和。在冷却到此温度阈值之下时，会发生反应或附聚(agglomeration)，从而形成附聚的本征点缺陷。
随着晶锭从凝固温度(即，大约1410℃)冷却到高于大约1300℃(即，大约1325℃、1350℃或更大)的温度，在硅中的这些本征点缺陷的类型和初始浓度被确定；即，这些缺陷的初始类型和初始浓度由比率v/G0控制，其中v是生长速度，G0是在此温度范围内的平均轴向温度梯度。通常，在v/G0的临界值附近会发生从自间隙为主的生长到空位为主的生长的转变，根据目前可以利用的信息，v/G0的临界值大约为2.1×10-5cm2/sK，其中G0是在该轴向温度梯度在上述温度范围内保持恒定的条件下确定的。因此，可以控制工艺条件例如生长速度(其影响v)以及热区构造(其影响G0)，以确定单晶硅中的初始本征点缺陷主要是空位(v/G0通常大于该临界值)还是自间隙(v/G0通常小于该临界值)。
与晶格空位的附聚有关的缺陷，或者空位本征点缺陷包括可以观测到的晶体缺陷，如D缺陷、流型缺陷(FPDs)、栅氧化层完整性(GOI)缺陷、晶体原生颗粒(COP)缺陷，以及晶体原生光点缺陷(LPDs)，以及通过红外线散射技术(例如扫描红外显微术和激光扫描层析x射线摄影术)可以观测到的特定级别的体缺陷。在过剩空位的区域内还存在作为用于形成氧化诱生堆垛层错(OISF)的核的缺陷。据推测该特定缺陷是由于存在过剩空位而催化的高温具核氧沉淀物。
与硅自间隙的附聚有关的缺陷包括诸如A缺陷和B缺陷(有时被称为A类型漩涡缺陷和B类型漩涡缺陷)的可观测到的晶体缺陷。A缺陷被认为是与间隙有关的位错环。B缺陷被认为是三维间隙附聚物。
除了作为溶质存在于单晶硅内的点缺陷之外，许多杂质例如掺杂剂和氧也作为溶质存在于Cz硅中，并可能影响附聚的本征点缺陷(例如A、B和D缺陷以及OSF核和OSF)乃至共附聚的本征点缺陷的形成。附聚缺陷作为游离相存在于Cz硅中，并且包括D缺陷、A和B缺陷、OSF核和OSF、氧化物、氮化物、硅化物和其它沉淀物。附聚缺陷的形成和分布随着熔体/晶体界面处的生长条件以及Cz硅晶体中的各个位置的时间-温度(或热)过程而变化。
参照图3，附聚缺陷的形成涉及多个物理和化学过程。但是，简单地说，可在晶体内在一个给定温度范围内确定一组速度控制步骤。例如，可确定附聚缺陷的形成中的一些重要步骤，以及其中各步骤起主要作用的温度范围。这些步骤包括1)点缺陷的结合(该步骤)涉及通过点缺陷的扩散和复合(再结合，recombination)之间的相互作用在十分接近熔体/晶体界面处建立一种的新的点缺陷分布。已表明，通过控制晶体生长速度(平均为拉晶速度v)，和在熔体/晶体界面处的晶体中的轴向温度梯度(Gs，f，z)的大小，可以控制距该界面很短距离内的初始点缺陷的类型和浓度。
2)向外扩散和复合在此阶段内，本征点缺陷(硅自间隙和/或晶格空位)可向外扩散到晶体表面，或者硅自间隙和晶格空位可向彼此扩散并共同复合从而彼此湮灭。
3)成核当主要点缺陷充分过饱和时会发生成核(核形成)。空位通常在从大约1273K到大约1473K、从大约1298K到大约1448K、从大约1323K到大约1423K，或从大约1348K到大约1398K的范围内的温度下发生附聚。控制在此范围内的冷却速度会影响附聚的空位缺陷的密度。硅自间隙通常在从大约1373K到大约1073K或从大约1323K到大约1173K的范围内的温度下发生附聚。随着被结合的空位浓度的减小，主要空位成核发生的温度也降低。换句话说，空位浓度越低，成核速度以及发生成核的温度也越低。
4)生长在成核后，稳定的核进行生长。
5)氧沉淀物在存在空位的情况下氧会成核，并且在1323K-973K之间逐渐生长。在存在空位的情况下会增加氧沉淀物。即，晶格空位和氧间隙可共附聚以形成氧沉淀物核，或者如果形成为足够大则形成氧沉淀物。
6)杂质沉淀其它杂质也可能形成沉淀物。此步骤的温度范围取决于杂质的类型和浓度。
图4是一生长晶体的示意图，其示出该晶体内的顺序的缺陷动力学特性。一个晶体区段依次经历初始点缺陷结合(I)、扩散和复合(DR)、成核(N)和生长(G)。在成核和生长期间产生氧沉淀物(OP)。很明显，在熔体/晶体界面处的晶体中的温度梯度以及晶体生长速度在初始点缺陷的结合中起重要作用。随后的过程例如成核和生长则受局部冷却速度，即，在本征点缺陷的初始结合之后晶体的热过程的影响。在生长期间，局部冷却速度由v×Gs，f，z给出，其中Gs，f，z是局部温度梯度。因此，晶体中的温度分布图对于控制所有沉淀物的成核速度和生长很重要。
在许多应用中，优选地，随后将被切成硅片的硅晶体的一部分或全部基本没有附聚缺陷。存在一些用于生长无缺陷或缺陷受控的硅晶体的方法。在一种方法中，控制比率v/Gs，f，z以确定本征点缺陷的初始类型和浓度。控制随后的热过程以延长扩散时间，以便抑制本征点缺陷的浓度，并防止在晶体的一部分或全部内形成附聚的本征点缺陷。例如，可参见美国专利Nos.6287380、6254672、5919302、6312516和6328795，这些专利的全部公开内容因而结合在此处作为参考。在另一种有时被称为快速冷却硅(RCS)生长工艺的方法中，控制比率v/Gs，f，z以确定本征点缺陷的初始类型和浓度。控制随后的热过程以快速冷却晶体到目标成核温度，以防止形成附聚的本征点缺陷。此方法还可包括允许延长在成核温度之上的冷却时间，以便在快速冷却晶体到该目标成核温度之前减小本征点缺陷的浓度，以防止形成附聚的本征点缺陷。例如，可参见国际公开号为WO 01/21861的2001年3月29日公布的国际申请No.PCT/US00/25525，该专利的全部公开内容结合在此处作为参考。在一种类似的方法中，控制生长条件、v/Gs，f，z以及通向目标成核温度的冷却速度，以便限制在从中得到的单晶硅片中的与空位有关的附聚缺陷的尺寸和在某些情况下的密度，以及任选地剩余空位浓度。例如，可参见国际公开号为WO 02/066714的2002年8月29日公开的PCT申请No.PCT/US02/01127，该专利的全部公开内容因而结合在此处作为参考。
但是，根据硅片的应用场合，生产具有任何上述缺陷的硅可能是可接受到的或甚至希望的。即，可以接受或希望生产这样的材料，该材料的一部分或全部包含D缺陷、OSF、OSF核、B缺陷或A缺陷，或它们的组合。例如，在一些应用中，硅晶体在其中D缺陷在整个晶体中形成的条件下生长。然后，对从这种包含D缺陷的晶体切下的硅片进行热退火以从硅片的表面区域除去D缺陷，或进行外延淀积过程，其中通过在硅片表面上沉积外延层来填充显现在硅片表面上的D缺陷例如COPs。在其它应用中，可能希望在其中B缺陷在整个晶体中形成的条件下生长晶体。可对从这种包含B缺陷的晶体切下的硅片进行快速热退火以溶解B缺陷。例如，可参见国际公开号为WO 01/21865的2001年3月29日公开的国际申请No.PCT/US/00/25524。

发明内容
本发明涉及一种用于生长具有预期缺陷特性的单晶硅晶体的装置和方法。更具体地，本发明提供一种用于控制在熔体/晶体界面附近的生长参数v/Gs，f，z以及在多个相关温度范围内的晶体区段的时间-温度过程，以便控制附聚缺陷的形成和分布的装置和方法。
在本发明的一个方面中，一种用于根据Czochralski方法生长单晶锭的拉晶机包括一壳体和一位于该壳体内的用于容纳半导体源材料熔体的坩埚。该拉晶机还包括与该坩埚相邻的用于加热该坩埚的一侧面加热器(sideheater)，以及用于从熔体的上表面向上拉出生长晶锭的拉制机构。熔体的上表面的一部分在生长晶锭期间保持暴露，并具有一定的面积。一熔体热交换器的大小和形状使得其可围绕该晶锭，并且该熔体热交换器设置成与该熔体的暴露的上表面部分相邻。该热交换器包括一设置成朝向该熔体的暴露的上表面部分的热源。该热源的用于将热量辐射给该熔体的面积的大小至少为熔体的暴露上表面部分的面积的30％，以便控制在熔体的上表面处的传热。熔体热交换器适于减少在该暴露上表面部分处的热损失。
在另一方面，用于拉晶机的一反射器组件包括一盖罩，该盖罩设置在熔体上方并具有一中心开口，该开口的大小和形状使得其可在从熔体中拉制晶锭时围绕该晶锭。一晶体热交换器至少部分地安装在该盖罩内，并适于设置在熔体上方并且基本围绕该晶锭，以便冷却与熔体/晶体界面相邻的生长晶锭的第一区段。一熔体热交换器至少部分地安装在该盖罩内，并适于紧邻熔体表面围绕该晶锭，以便控制该熔体表面处的传热。
在另一方面，用于拉晶机中的一反射器包括一晶体热交换器，该晶体热交换器的大小和形状使得其可放置在熔体上方并基本围绕该晶锭，以便冷却紧邻熔体/晶体界面的生长晶锭的第一区段。一下部晶体加热器设置在该晶体热交换器上方并基本围绕该晶锭，以便保持该晶锭的第二区段处于预定温度。
在另一方面，该拉晶机包括一反射器，该反射器包括一环形熔体热交换器，该熔体热交换器的大小和形状使得其可围绕该晶锭并设置成邻近熔体的暴露上表面部分。该热交换器包括一热源，该热源适于设置成朝向该熔体的暴露的上表面部分并位于距该熔体的暴露的上表面部分50mm内。该热源的面积的大小至少为该熔体的暴露的上表面部分的面积的40％，以便控制在该熔体的上表面处的传热。该熔体热交换器适于减少在该暴露的上表面部分处的热损失，并且一晶体热交换器的大小和形状使得其可设置在熔体上方并基本围绕该晶锭，以便冷却该生长晶锭的第一区段。
本发明的另一方面涉及一种生长单晶锭的方法。该方法包括在坩埚中形成半导体源材料的熔体，从该熔体的表面拉出半导体源材料，以便该源材料凝固成单晶锭，并使用一设置成朝向该熔体的暴露的上表面部分的热源选择性地控制在熔体的表面处的传热。该热源的用于向该熔体辐射热量的面积的大小至少为该熔体的暴露的上表面部分的面积的30％。
另一种生长单晶锭的方法包括从熔体向上拉制生长晶锭。该拉晶机包括一与该坩埚邻近的用于加热该坩埚的侧面加热器，以及一面对该熔体表面的暴露部分的至少30％以便加热该暴露部分的熔体热交换器。该方法还包括控制该熔体热交换器和侧面加热器的温度以便控制在该晶锭内形成缺陷。
另一种生长单晶锭的方法包括通过控制在熔体/晶体界面处的温度场来控制在该界面处的轴向温度梯度。
另一种生长单晶锭的方法包括控制熔体热交换器和侧面加热器辐射出的热量以控制界面形状，并且控制下部加热器辐射出的热量以控制该生长晶锭的区段的热过程。
本发明的其它目标和特征部分很明显，部分在下文指出。


图1是一种新型拉晶机的一实施例的示意性剖视图；图2是该新型拉晶机的另一实施例的示意性剖视图(具有熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))；图3和4是缺陷动力学的示意图；图5A-5B是利用最大坩埚温度随熔体/晶体界面处的负的熔体侧温度梯度的变化对具有和不具有熔体热交换器(MHE)的拉晶机进行的比较，图5A是使传统拉晶机与该新型拉晶机相比较的最大坩埚温度的图，图5B是用加热器功率代替最大坩埚温度的图。
图6示出对于不同的Gs，f，z，在熔体/晶体界面处的v/Gs，f，z和Gl，f，z之间的关系。
图7是对于固定的v/Gs，f，z，在界面处的参数的变化的定量图；图8是传统拉晶机的示意图，图8A是坩埚温度随熔体/晶体界面处的熔体侧温度梯度而变化的图；图9是与拉晶机设计的品质有关的坩埚温度和在界面及在开放表面处的熔体侧温度梯度之间的关系的图；图10是界面形状与熔体热交换器(MHE)的功率的可能的定性关系的图。
图11是传统拉晶机和具有起作用的熔体热交换器(MHE)和晶体热交换器(CHE)的新型拉晶机的界面处的Gs，f，z的径向分布图；图12A示出具有起作用的熔体热交换器(MHE)和晶体热交换器(CHE)的新型拉晶机中的晶体内的轴向温度分布图与传统拉晶机的比较，图12B示出具有起作用的熔体热交换器(MHE)和晶体热交换器(CHE)的新型拉晶机中的晶体内的局部轴向温度梯度(Gs，z＝-_Ts/_z)与传统拉晶机的比较；图13是具有各种热源和吸热器(heat sink)的新型拉晶机中的轴向温度分布图和传统拉晶机中的分布图；图14是传统拉晶机中Gs，f，z相对于拉晶速度的变化的图；图15示出基线传统拉晶机中的模拟温度场；图16A是在传统生长晶体中的轴向温度分布图；图16B是作为径向位置的函数的在熔体/晶体界面处的晶体侧负轴向温度梯度(Gs，f，z)的图。
图17是具有起作用的上部加热器(UH)和不起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)和下部加热器(LH)的被很好地绝缘的新型拉晶机中的模拟温度场；图18A示出传统拉晶机和具有起作用的上部加热器(UH)的绝缘的新型拉晶机中的轴向温度分布图；图18B示出对传统拉晶机和具有起作用的上部加热器(UH)的绝缘的新型拉晶机的在界面处的Gs，f，z的比较；图18C示出传统拉晶机和具有起作用的上部加热器(UH)的绝缘的新型拉晶机的比率qfusion，z/qi，f，z的径向变化；图19是具有起作用的晶体热交换器(CHE)和上部加热器(UH)以及不起作用的下部加热器(LH)和熔体热交换器(MHE)的新型拉晶机中的模拟温度场；图20A示出传统拉晶机、具有起作用的上部加热器(UH)的绝缘的新型拉晶机，以及具有起作用的晶体热交换器(CHE)和上部加热器(UH)的新型拉晶机的轴向温度分布的比较；图20B示出传统拉晶机、具有起作用的上部加热器(UH)的绝缘的新型拉晶机，以及具有起作用的晶体热交换器(CHE)和上部加热器(UH)的新型拉晶机的Gs，f，z的比较；图20C示出传统拉晶机、具有起作用的上部加热器(UH)的绝缘的新型拉晶机，以及具有起作用的晶体热交换器(CHE)和上部加热器(UH)的新型拉晶机的比率qfusion，z/qi，f，z的变化；图21是具有起作用的晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH)并具有不起作用的熔体热交换器(MHE)的新型拉晶机中的模拟温度场；图22A是传统拉晶机和多种配置的新型拉晶机的轴向温度分布的比较；图22B是传统拉晶机和多种配置的新型拉晶机的Gs，f，z的比较；图22C是传统拉晶机和多种配置的新型拉晶机的比率qfusion，z/qi，f，z的变化；图23A-23B是传统拉晶机和不同配置的新型拉晶机的最大坩埚温度和侧面加热器功率的直方图；图24A-24B是不同配置的新型拉晶机的从熔体表面的热损失(根据Gl，os，z)与侧面加热器功率之间的关系的直方图；图25是多种配置的新型拉晶机在界面处的Gs，f，z的径向变化的直方图；图26是新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))在MHE的温度等于2100K并且UH功率等于20kW的情况下的模拟温度场；图27示出新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))的熔体热交换器(MHE)的温度对开放的熔体表面处的传热的影响；图28示出新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))的熔体热交换器(MHE)的温度对最大坩埚温度的影响；图29示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中，熔体热交换器(MHE)的温度对侧面加热器功率的影响；图30示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)和下部加热器(LH))中，侧面加热器的功率对熔体热交换器(MHE)温度的敏感性；图31A-31D是示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中，界面形状与MHE温度的关系的模拟温度场；图32示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中，v/Gl，f，z随熔体热交换器(MHE)温度的增加而减小；图33A示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))内所生长的晶体中，熔体热交换器(MHE)的温度对界面处的Gs，f，z的影响；图33B示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中Gs，f，z的径向变化；图33C示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中在不同的MHE温度下所生长的晶体中的轴向温度分布图；图34示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中在MHE的功率等于大约27.02kW的情况下的模拟温度场；图35示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中熔体热交换器(MHE)的功率对Gl，os，z的影响；图36示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中熔体热交换器(MHE)的功率对最大坩埚温度的影响；图37示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中熔体热交换器(MHE)的功率对侧面加热器的功率的影响；图38A-38D示出所模拟的在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中界面形状根据熔体热交换器(MHE)的功率而变化的情况；图39示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中Gl，f，z与熔体热交换器(MHE)的功率的关系；图40A示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中熔体热交换器(MHE)的功率对Gs，f，z的影响；图40B示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中熔体热交换器(MHE)的功率对Gs，f，z的相对均匀性的影响；
图40C示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中熔体热交换器(MHE)的功率对晶体区段的时间-温度过程的影响；图41示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中熔体热交换器(MHE)的温度对最大坩埚温度的影响；图42A示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中熔体热交换器(MHE)的温度对Gs，f，z(r)的影响；图42B示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中熔体热交换器(MHE)的温度对Gs，f，z(r)的相对均匀性的影响；图42C示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中熔体热交换器(MHE)的温度对晶体区段的时间-温度过程的影响；图43示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中拉晶速度对MHE和熔体之间的热传递的影响；图44示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中，在MHE的温度固定在1900K、LH和UH功率分别固定在2.28kW和20kW的情况下，拉晶速度对侧面加热器的功率的影响；图45是在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中在MHE的温度固定在1900K的情况下，增加拉晶速度对最大坩埚温度的影响；图46示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中在MHE温度固定在1900K的情况下，拉晶速度对熔体侧轴向温度梯度的影响；
图47示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中，随着拉晶速度增加由凝固产生的放热的作用(贡献)增加；图48示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中拉晶速度对Gs，f，z(r)的均匀性和幅值的影响；图49示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中Gs，f，z随拉晶速度产生的相对变化；图50示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中，v和v/Gs，f，z之间的非线性关系；图51示出在新型拉晶机(起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH))中生长的晶体中的作为拉晶速度的函数的准稳态温度分布图；图52A-52D示出在具有起作用的熔体热交换器(MHE)、晶体热交换器(CHE)、下部加热器(LH)和上部加热器(UH)的新型拉晶机中，在MHE的温度固定在1900K的情况下，随拉晶速度而变化的模拟界面形状；图53A示出在具有起作用的熔体热交换器(MHE)和晶体热交换器(CHE)的新型拉晶机中，在拉晶速度等于0.5mm/分钟、MHE的功率固定在40.53kW并且CHE温度固定在300K的情况下的模拟温度场；图53B示出在具有起作用的熔体热交换器(MHE)和晶体热交换器(CHE)的新型拉晶机中，在拉晶速度等于2.5mm/分钟的情况下的模拟温度场；图54示出对于具有起作用的熔体热交换器(MHE)和晶体热交换器(CHE)的新型拉晶机，在开放表面处的熔体侧的负轴向温度梯度随拉晶速度而产生的径向变化；
图55示出在具有起作用的熔体热交换器(MHE)和晶体热交换器(CHE)的新型拉晶机中，随着拉晶速度而变化的侧面加热器的功率；图56示出在具有起作用的熔体热交换器(MHE)和晶体热交换器(CHE)的新型拉晶机中，随着拉晶速度的增加最大坩埚温度降低；图57示出在具有起作用的熔体热交换器(MHE)和晶体热交换器(CHE)的新型拉晶机中，Gs，f，z随着拉晶速度而产生的径向变化；图58示出在具有起作用的熔体热交换器(MHE)和晶体热交换器(CHE)的新型拉晶机中，Gs，f，z随着拉晶速度的增加而产生的相对径向变化；图59示出在具有起作用的熔体热交换器(MHE)和晶体热交换器(CHE)的新型拉晶机中，随着拉晶速度的增加由凝固产生的放热的作用增加对晶体中的热传导(根据v/Gl，f，z测量)的影响；图60A-60C示出在具有起作用的熔体热交换器(MHE)和晶体热交换器(CHE)的新型拉晶机中，随拉晶速度而变化的模拟界面形状；图61示出在具有起作用的熔体热交换器(MHE)和晶体热交换器(CHE)的新型拉晶机中，在生长晶体内的轴向温度分布图；以及图62示出在具有起作用的熔体热交换器(MHE)和晶体热交换器(CHE)的新型拉晶机中，随拉晶速度而变化的v/Gs，f，z。
在这些附图中，对应的参考标号表示对应的部件。
具体实施例方式
参照图1，新型拉晶机CP的一个实施例包括壳体H，以及一位于该壳体内的用于容纳半导体材料(例如硅)熔体M的石英坩埚CR。固定在该壳体内并适于朝该坩埚延伸的拉制机构P(合适地为轴或拉制线)适于从熔体中连续拉出固态单晶锭或晶体C。适当地固定在壳体H的生长室中的管状石墨反射器R(或热屏蔽)包括盖罩GC，该盖罩合适地由石墨制成并且具有一中心开口，该中心开口的大小和形状设计成用以围绕该生长晶体。环形熔体热交换器MHE安装在盖罩GC内以面对暴露的熔体表面MS。熔体热交换器MHE包括一热源例如电动加热器。该熔体热交换器MHE还包括吸热结构。晶体热交换器CHE(或起作用冷却夹套)也安装在该盖罩GC内以围绕并面对生长晶体C。晶体热交换器CHE设置在熔体热交换器MHE之上并尽可能地靠近熔体/晶体界面F，以便晶体热交换器CHE冷却紧邻该界面的一个晶体区段(或从中除去热量)。该晶体热交换器CHE由常用的冷却液(通常为水)冷却，不过也可使用其它传热介质。晶体热交换器CHE还可包括加热器。在一个实施例中，通过调整通过熔体热交换器的电流(功率)可控制熔体热交换器的温度(以及获得的传热能力)。晶体热交换器的温度适当地通过调整冷却液的温度和流量来控制。
反射器R的盖罩GC也可填充或至少部分填充有绝缘体INS，例如以防止暴露的熔体表面MS(熔体的暴露的上表面部分)与晶体外表面之间发生辐射热传递。具有合适导热性的绝缘体INS任选地可设置在熔体热交换器MHE和开放的熔体表面MS之间，以进一步控制(例如阻止)该熔体表面和MHE之间的传热。此外，具有要求的导热性的绝缘体INS设置在晶体热交换器CHE和晶体C之间。应指出，除了控制熔体热交换器MHE和晶体热交换器CHE的温度之外，还可适当地选择绝缘体INS的导热性以控制传热。可根据所需的传热来选择绝缘体INS的导热性、厚度和材料。熔体热交换器MHE可构造成具有一可控的径向和/或轴向功率分布图，而晶体热交换器CHE也可类似地构造成具有可控的径向和/或径向冷却分布图。如从图1中可见，反射器R比常规反射器厚得多。反射器R在其大部分高度上具有比较恒定的内径和外径，从而形成厚度至少为200mm、300mm、400mm或在一些实施例中至少为500mm的反射器。绝缘体的主要部分的厚度几乎与反射器R相同。
通过熔体热交换器MHE的操作可有效控制暴露的熔体表面MS的热损失，以增加Gl，f，z(界面处的负的熔体侧温度梯度)而不会大大提高坩埚温度Tcr。通过能动改变暴露的熔体表面MS之上的环境，即熔体“看到”的环境的有效温度，可比现有技术的被动屏蔽和反射器更有效地控制熔体表面的热损失。如果熔体表面仅由现有技术中的反射和绝缘材料覆盖，则没有对有效温度进行能动控制。因此，通过在此实施例中设置在熔体热交换器MHE中的能动热源，可更加能动地控制从开放的熔体表面MS的热损失。
熔体热交换器MHE的能动热源的尺寸应设计成尽可能多地覆盖或面对该熔体表面。该热源的面积可为该暴露的熔体表面MS(暴露的上表面部分)的面积的至少30％，更优选地至少为40％，更优选地至少为50％，更优选地至少为60％，甚至更优选地至少为75％。应指出，暴露的熔体表面MS的相关面积不包括被晶体C占据的部分。热源设置成与熔体表面相对，并且在一个实施例中热源大致平行于熔体表面延伸。应指出，在本发明的范围内热源或其部分可相对于熔体表面成一定角度。热源，尤其是热源的下表面适于设置成紧邻该熔体表面，例如在100mm、50mm并且在一些实施例中为30mm的范围内。应指出，随着熔体M被消耗，熔体热交换器MHE的热源与暴露的熔体表面MS之间的间距可能改变。在晶体生长期间，通常利用合适的装置使坩埚CR向上移动，以便减小这种间距的变化，但是也可以考虑移动该反射器R或其中的元件。优选地，不需要取下拉晶机CP的结构元件或将其添加到该拉晶机中以生产预期产品。但是，在晶体生长期间每个元件不必一定在起作用或操作。
熔体热交换器MHE的操作将减小开放的熔体表面MS的热损失，但是将增加到晶体表面的传热，从而增加晶体温度并减小Gs，f，z(在熔体/晶体界面处的晶体侧的负温度梯度)。这种增加会导致拉晶速度的降低，并从而减小生产率。晶体热交换器CHE的操作应补偿熔体热交换器MHE的影响，并用于增加Gs，f，z。根据晶体热交换器CHE的冷却能力，Gs，f，z的增加可以较高，这样可大大提高生产率。优选地，使熔体热交换器MHE和晶体热交换器CHE之间的传热路径绝缘以便可相对独立地调整(控制)该MHE和CHE。另外，通过使CHE和熔体热交换器MHE之间的传热最小，可更好地利用晶体热交换器CHE对晶体C的益处(即冷却效果)。
图5A中定性地示出与传统拉晶机相比在新型拉晶机CP中坩埚温度随熔体侧温度梯度的变化。图5B示出用于同样拉晶机的侧面加热器(sideheater)的功率。在晶体区段中获得预期的微缺陷分布的重要参数包括控制熔体/晶体界面F处的v/Gs，f，z，v/Gs，f，z的径向变化以及该区段的时间-温度或热过程。
熔体/晶体界面处的生长条件整体温度场控制晶体生长是动态过程。为使晶体生长所必须满足的必要条件是以下的能量平衡@界面-{αs_Ts}·{n}＝-{αl_Tl}·{n}+{-ΔHρsv}·{n} (1)qs，f，n＝ql，f，n+qfusion，f，n其中T是温度，α是导热率，(-ΔH)是熔化焓，v是拉晶速度，{n}是垂直于界面的单位向量，并且q是热通量。下标s表示固体(晶体)，l表示液体，f表示界面情况，n表示垂直方向，fusion表示熔解。等式(1)说明，熔体侧的传导热与由凝固生成的热量的总和通过传导被传递给晶体C。该平衡式假设晶体C即使在高温下也不会作为热管，并且对晶体的传热模式是传导。
在此部分中，为了简便对等式(1)进行一维分析。但是该一维分析可帮助了解多维的问题。在一维情况下，等式(1)可写成@界面-α2∂Ts∂z=-α1∂Tl∂z+ρsv(-ΔH)---(2)]]>_αsGs，f，z＝αlGl，f，z+ρsv(-ΔH)重新整理等式(2)，可得到下式vGs,f,z=αsρs(-ΔH)-αlGl,f,zρs(-ΔH)Gs,f,z---(3)]]>方程式(3)说明，对于给定的Gs，f，z，当界面处的熔体侧温度梯度Gl，f，z等于零时可实现最大拉晶速度。为了实际应用，熔体M应是等温的，以便对于给定的晶体侧温度梯度可使拉晶速度最大。此后，除非有特别说明，否则术语“梯度”就是指轴向梯度。通过将Gl，f，z设为零可获得界面处的最大v/Gs，f，z
其中下标mx表示最大值。因此(v/Gs，f，z)mx通常与材料特性有关，并且对于硅该值在0.5和1之间。此范围的宽度是由硅的熔解热的声称值(reported values)的变化确定的。
方程式(3)对于给定的界面处的v/Gs，f，z有无穷解，这意味着通过改变界面处的Gl，f，z，在允许晶体以给定的v/Gs，f，z生长的拉晶机设计中可有无穷的变化。参照图6，这些解可绘制在v/Gs，f，z与Gl，f，z的图中。将恒定Gs，f，z的点连接在一起以显示一组恒定Gs，f，z的线。每个线代表对于固定的Gs，f，z可由方程式(3)给出的直线。每条线的截距代表(v/Gs，f，z)mx，并且斜率等于[-αlρs(-ΔH)Gs,f,z].]]>随着线的斜率减小，温度梯度增加。拉晶速度沿恒定Gs，f，z线而改变。朝恒定Gs，f，z线与v/Gs，f，z轴线的交点的运动表示增加拉晶速度，而远离该交点的运动表示降低拉晶速度。很明显，以这种方式改变拉晶速度改变了v/Gs，f，z比率。因此，缺陷受控的晶体的拉晶速度或生产率不能以这种方式增加。
为了增加缺陷受控的晶体(例如除了D类型之外的完美、半完美和快速冷却硅RCS)的生产率，在增加拉晶速度的同时保持v/Gs，f，z相对恒定是有益的。图7示出图6中画出的恒定v/Gs，f，z线。对于给定的v/Gs，f，z，增加生产率(拉晶速度)意味着跨过恒定Gs，f，z的线。因此，对于给定的v/Gs，f，z，增加拉晶速度使熔体/晶体界面F处的熔体侧温度梯度Gl，f，z增加。在传统拉晶机中在界面处的高熔体侧温度梯度下操作会导致问题。使用图8中示出的仅包含熔体M、晶体C、坩埚CR和侧面加热器SH的拉晶机的示意图可解释此问题。在熔体/晶体界面F处，温度固定在Tf，对于硅为1685K。如图8A中所示，随着界面处的熔体侧温度梯度(Gl，f，z)增加时，距离界面越远熔体M越热。通常通过增加侧面加热器的功率Qsh来提高熔体温度。坩埚CR由石英制成且对高温敏感，并具有最高坩埚温度Tcr，mx。对于界面处的熔体侧梯度的给定阈值[Gl，f，z]，td，会使坩埚CR超过其最大容许温度。因此根据坩埚温度的最大容许值Tcr，mx，对界面处的熔体侧温度梯度的最大容许值设置一上限。因此，对于给定的v/Gs，f，z，拉晶速度还受到坩埚温度的最大容许值Tcr，mx的限制。
开放熔体的热损失的影响在本发明中，因为在一些参数之间进行动态控制，所以与传统拉晶机相比，新型拉晶机CP对于给定的v/Gs，f，z可提供更高的拉晶速度。新型拉晶机CP能够使界面处的熔体侧温度梯度的变化相对于坩埚温度的变化大很多。这样，在保持坩埚CR低于最大容许坩埚温度Tcr，max的同时，可获得非常高的界面处的熔体侧温度梯度。因此，在新型拉晶机中，界面处的熔体侧温度梯度(Gl，f，z以及平均梯度)的变化与坩埚温度的变化的比率增加。图9示出该比率与拉晶机设计的品质(无单位)之间的关系。随着坩埚温度和界面处的熔体侧温度梯度之间的关系变得更加高效，晶体C的拉晶速度，进而生产率都得以提高。
通常，随着坩埚温度增加，熔体M会变得更热，并且从暴露的熔体表面MS的热损失增加。利用垂直于该开放熔体表面MS的热通量的增加，即利用MS处的熔体侧温度梯度，可测量该热损失。在开放或暴露的熔体表面处的负的熔体侧温度梯度由Gl，ms，z表示。下标ms表示暴露的熔体表面MS。在晶体生长过程中，通过控制侧面加热器的功率可交互地设定坩埚温度，以在熔体/晶体界面F处建立满足方程式(1)(或在1维情况下为方程式(2))的条件。但是，如由方程式(1)所示，从熔体M进入晶体C的热量与从开放熔体表面MS的全部热损失相比可以忽略不计。半稳态热平衡说明随着从开放熔体表面MS的热损失增加，从侧面加热器(通过坩埚的侧面)进入熔体M的热量增加。本质上，该平衡会导致侧面加热器的功率以及坩埚温度增加。因此，希望减小从熔体表面MS的热损失以控制或限制坩埚温度的升高。换句话说，为了使坩埚温度的变化最小，暴露的熔体表面MS处的轴向熔体侧温度梯度的变化与坩埚温度的变化的比率应当较小(见图9)。因此，对于给定的v/Gs，f，z，用于在增加生产率(拉晶速度)的同时控制坩埚温度的条件如下 ΔGl,f,zΔTcr,mx>td1,]]>并且ΔGl,os,zΔTcr,mx<td2]]>(5)其中td1和td2是两个极限阈值。因此，很明显，应控制暴露的熔体表面MS的温度梯度以控制在界面处的熔体侧温度梯度和坩埚温度之间的配合。换句话说，应协作地控制从暴露的熔体表面MS的热损失，以有效地控制坩埚温度以及其对熔体/晶体界面F处的熔体侧温度梯度的影响。考虑到坩埚温度和侧面加热器功率之间存在直接关系，方程式(5)可写成 ΔGl,f,zΔQsh>td3,]]>以及ΔGl,os,zΔQsh<td4]]>(6)其中td3和td4是分别限定界面的熔体侧温度梯度和开放表面的熔体侧温度梯度对侧面加热器的功率Qsh的灵敏性的阈值。在物理意义上，方程式(6)说明，随着从开放熔体表面MS的热损失减小，晶体C生长所需的加热器功率变小，并且坩埚温度的增加也相应地减小。
在熔体/晶体界面处的生长条件结合点缺陷控制如上所述，生长晶体中的初始的点缺陷的结合至少部分地取决于(v/Gs，f，z)。实际上，界面的形状将为曲线。因此，应说明在(曲线的)熔体/晶体界面F处的温度梯度的影响以理解点缺陷结合。
Gs，f，z的径向变化定性分析结合点缺陷场中的径向均匀性至少部分地取决于界面形状。对于具有任意形状的界面，需要进行工艺调整(例如，控制部件中的熔体热交换器、晶体热交换器)以获得预期的Gs，f，z(r)。为了理解Gs，f，z的径向变化，对于该拉晶机的一轴向对称二维模型应用方程式(1)。
{αs(Gs，f，z+Gs，f，r)}·{n}＝{αl(Gl，f，z+Gl，f，r)}·{n}+{(-ΔH)ρv}·{n}(7)
{qs，f，z+qs，f，r}·{n}＝{ql，f，z+ql，f，r·{n}+{qfusion，f，z}·{n} (8){qs，f，n}＝{ql，f，n}+{qfusion，f，n}_qs，f，n＝ql，f，n+qfusion，f，n(9)下标r和z表示r和z方向。下标fusion表示熔体凝固所产生的热通量，下标n表示垂直通量。应指出，当n没有用作下标时，其表示垂直于界面的单位矢量。很明显，随着通量(qs，f，z)的径向均匀性增加，梯度(Gs，f，z)的径向均匀性增加。对于熔体侧也是如此。
因为均匀的点缺陷结合需要梯度(Gs，f，z)径向均匀，因此下文的讨论针对于保持此均匀性。但是，当界面形状不能用抛物线逼近时，梯度(Gs，f，z)通常沿该界面变化以使点缺陷结合径向均匀。因此，可控制或调整新型拉晶机CP以改变位于或接近熔体/晶体界面F处的局部温度场，从而获得所要求的预定梯度(Gs，f，z(r))。
对曲线界面控制径向均匀性和梯度(Gs，f，z)变化实际上，难以预先预测界面的形状及其根据r而变化的曲率。在一些情况下，界面不能用平均状态逼近。因此，新型拉晶机CP能够操控和调整(或控制)界面的形状，以便获得对Gs，f，z的最优径向控制，并使得可以进行有效生长过程。例如对于固定的拉晶速度，拉晶机的操控和调整界面形状的能力，使得尤其可以生产缺陷受控的硅。
熔体/晶体的界面F的形状根据位于或接近该界面处的温度场(局部温度场)而改变。大部分进入熔体的热量通过暴露的熔体表面MS传递到环境中。因此，使用例如熔体热交换器MHE的热源控制来控制通过该开放熔体表面MS的传热，可有效地改变熔体M和晶体C中的温度场(并从而改变该局部温度场)。当硅凝固时局部温度场通常影响本征点缺陷的初始类型和浓度。局部温度场通常在从凝固温度(即，大约1410℃)到大于大约1300℃(即，大约1325℃、1350℃或更高)的温度的范围内。起作用熔体热交换器MHE也可改变整体温度场(远离界面的温度场)。熔体热交换器MHE的温度影响来自熔体表面的热通量的幅值和方向。应指出，可通过控制通过熔体热交换器MHE的电流(功率)来操控该熔体热交换器MHE的温度。当熔体热交换器MHE的功率(因而温度)增加时，从熔体表面的热损失减小。即使在较低的功率温度下操作熔体热交换器MHE也将使侧面加热器的温度降低。通常，当熔体热交换器MHE的功率增加时，所需的侧面加热器的功率减小。因为熔体M的远离界面的部分主要由侧面加热器加热，所以降低侧面加热器的功率(从而降低侧面加热器的温度)会使至少远离该界面的熔体部分的熔体温度降低。此外，熔体热交换器MHE的操作会导致熔体/晶体界面F向下移动。晶体热交换器CHE的操作也有助于该界面向下移动。因此，通过选择性地操控或控制熔体热交换器MHE的功率和晶体热交换器CHE的温度，可以操控和控制熔体/晶体界面F的形状。操控该界面形状有助于控制进入晶体C的轴向热通量的径向变化和均匀性。
图10定性地示出界面形状随熔体热交换器MHE功率的增加而产生的变化。如上所述，熔体热交换器MHE和晶体热交换器CHE可用于在界面处保持较高的梯度(Gs，f，z)。尽管晶体热交换器CHE提高了从晶体表面的径向传热，但是仍希望操作熔体热交换器MHE以保持对梯度(Gs，f，z(r))进行很好的控制。新型拉晶机CP可提供较高的生产率(较高的拉晶速度)并可控制界面处的Gs，f，z(r)。图11示出新型拉晶机CP与传统拉晶机之间对于界面处的梯度(Gs，f，z)的径向变化的比较。新型拉晶机CP比传统拉晶机的效果好得多。
熔体热交换器MHE的操作将使熔体M的整体温度降低。熔体M也变得更恒温，并从而促使在熔体/晶体界面F的熔体侧上的轴向温度梯度均匀。熔体热交换器MHE结合侧面加热器共同形成一分布式热源以提高径向均匀性。新型拉晶机CP能够控制界面处的v/Gs，f，z的径向均匀性和变化，并限制坩埚CR的温度。熔体热交换器MHE的功率应保持较低到中等。当熔体热交换器MHE的功率温度大大升高时，熔体M会变得非常热，并且该界面会开始向上移动并远离M。但是即使熔体M变得非常热，仍可利用对熔体热交换器MHE的功率的操控来调整或控制界面形状和Gs，f，z(r)的径向变化。
热(时间-温度)过程用于生产快速冷却硅(RCS)的拉晶机对于给定的晶体C的部分或区段，在熔体/晶体界面F处的生长条件会影响该区段中的初始的点缺陷结合。但是，随后的缺陷动力学(过程)则与晶体区段的热过程有关。当晶体C生长时该晶体中的温度场会变化。但是，为了简便起见，合理地假设在晶体C中的与静态熔体/晶体界面的距离固定的位置，即使晶体C生长时其温度也不会有重大变化。换句话说，可以假设所有晶体区段横穿同一温度场。因此，通过了解与时间和温度场有关的拉晶速度的历史过程，可获得晶体区段的时间-温度路径。
新型拉晶机CP可很好地制造例如任何快速冷却硅RCS产品。图12A定性地给出图1的实施例中生长的晶体C的轴向温度分布图。图12A还比较了典型的传统拉晶机中的晶体C的轴向温度分布图与在新型拉晶机中利用起作用的熔体热交换器MHE和晶体热交换器CHE生长的晶体中的轴向温度分布图。由于对晶体C的有效冷却，具有起作用的熔体热交换器MHE和晶体热交换器CHE的新型拉晶机CP中的晶体C中的温度在非常接近熔体/晶体界面F的位置以高得多的速度下降。如图12B中所示，对于新型拉晶机CP，由拉晶速度和负的轴向温度梯度的乘积(vGs，z)确定的晶体区段的局部冷却速度非常高。
如图12B中所示，对于具有起作用的熔体热交换器MHE和晶体热交换器CHE的新型拉晶机CP，晶体通过选定缺陷的成核温度的冷却速度较高。成核温度由成核速度相对于温度曲线的最大值确定。如果通过成核温度的冷却速度非常高，则通常仅发生不重要的成核。因此，图12A和12B中的成核温度仅表示成核速度的理论最大值，而不是形成的核的数量。在快速冷却硅RCS产品中，尽管所有晶体区段都穿过最大的成核速度，但是微缺陷的数量非常少。新型拉晶机CP可比现有技术中的拉晶机更有效地控制界面处的梯度Gs，f，z。因此，实际上在图1中所示的新型拉晶机CP中可生产所有快速冷却硅RCS产品。
应指出，图1中的新型拉晶机CP主要表明了对界面条件的控制和操控。因此，需要将附加的部件(例如加热器)添加到该设计中，如图2所示，以操控和控制给定晶体区段的时间-温度路径。
可通过使晶体C的全部或主要部分在相关点缺陷种类的成核范围之上生长，然后在冷却室中快速冷却该晶体来制造一些晶体类型。此外，一些晶体的制造还依赖于，在点缺陷的成核速度达到其最大值之前延长晶体区段通过高温区的停留时间。因为停留时间以点缺陷的有效扩散为特征，所以停留时间经常被称为“扩散时间”。在仅具有起作用的熔体热交换器MHE和晶体热交换器CHE的新型拉晶机中所生长的晶体的轴向温度下降较高。换句话说，与熔体/晶体界面F间隔开或远离该界面F的晶体区段可能冷却得太快。因此，可对新型拉晶机CP进行一些改变，以该晶体区段中保持较高的温度或减缓冷却。
参照图2，第二实施例的新型拉晶机CP通常允许晶体C在一设定温度之上生长并延长扩散时间。第二实施例包含前一实施例的部件，包括反射器R、熔体热交换器MHE和晶体热交换器CHE。另外，还包括管状下部晶体加热器LH和管状上部加热器UH。该下部加热器LH设置在该盖罩GC内并位于晶体热交换器CHE上方，以便保持晶体温度高于所要求的成核温度范围。如图所示，尽管试图使该下部加热器与晶体热交换器间隔开，但在晶体热交换器CHE和下部加热器LH之间的间隔很小或没有间隔。下部晶体加热器LH适当地用电加热，这基本与熔体热交换器MHE类似，并且其功率可通过调节从中通过的电流来控制。如上所述，下部和上部加热器(LH和UH)可构造成具有可控制的轴向功率分布图，熔体热交换器MHE可构造成具有可控制的径向和/或轴向功率分布图，并且晶体热交换器CHE可类似地构造成具有可控制的轴向和/或径向冷却分布图。下部加热器LH的分布图和温度通常取决于由晶体热交换器CHE提供的冷却以及目标成核温度范围。
下部加热器LH提供的热量可使远离界面的晶体区段在延长的一段时间内保持较热，从而延长了点缺陷以及其它杂质的扩散和相互作用时间。成核温度的轴向位置距离熔体/晶体界面越高，扩散时间就越长。另外，一些晶体类型依靠延长扩散时间来使点缺陷扩散和湮灭，然后快速骤冷(急冷)通过成核温度。通常，通过使整个晶体在低于成核温度的条件下生长，然后将其传送到一位于拉晶机内部的任选的冷却室(未示出)，可实现扩散时间的延长以及快速骤冷。熔体/晶体界面F与相关成核温度的轴向位置之间的距离决定了与扩散时间有关的晶体的长度。
上部加热器UH设置在下部加热器LH上方。上部加热器UH可用于在生长晶体的延长的长度上进行分布式轴向加热，例如延长扩散时间。应指出，至少部分地由于拉晶机CP和反射器R的实际尺寸的限制，不能设置一非常长的下部加热器LH以提供所需的轴向分布式加热，以便生长更长的晶体。因此，上部加热器UH适于设置在反射器R的上方和外部，并与下部加热器LH间隔很大。应指出，可在上部加热器UH上方设置一冷却室(未示出)，以便例如在延长扩散和相互作用时间的条件下生长之后进行快速骤冷。优选地，不需要从拉晶机除去或添加结构部件以生产预期的产品。但是，在晶体生长期间各部件不需要一定在操作。
参照图13，利用起作用的(操作的)熔体热交换器MHE、晶体热交换器CHE、下部加热器LH和上部加热器UH，晶体C中存在一预期的较平直的轴向温度分布曲线。图13还比较了具有操作的熔体热交换器MHE和晶体热交换器CHE的新型拉晶机CP中的生长晶体C中的温度分布图与传统拉晶机中的温度分布图。在具有起作用的熔体热交换器MHE、晶体热交换器CHE、下部加热器LH和上部加热器UH的新型拉晶机CP中，界面处的Gs，f，z的径向分布曲线和幅值仍保持与第一实施例(图11)中的相类似。
具有熔体热交换器MHE、晶体热交换器CHE、下部加热器LH和上部加热器UH的新型拉晶机CP是通用的，并且可在拉晶机中建立生长多种晶体类型所需要的不同温度场。根据所需的温度场，可打开或关闭多个热源(熔体热交换器MHE、下部加热器LH、上部加热器UH)和吸热器(晶体热交换器CHE)。可以操控加热器(熔体热交换器MHE、下部加热器LH、上部加热器UH)的幅值和功率分布图，以及晶体热交换器CHE的冷却能力的幅值和轴向分布图。例如，通过关闭下部和上部加热器(LH和UH)，第二实施例的拉晶机可生成与第一实施例相同的温度场。使用新型拉晶机CP可生产许多不同的晶体类型。
下面，通过起作用的热源(加热器)和吸热器(晶体热交换器CHE)来确定新型拉晶机CP的操作模式。例如，具有起作用的熔体热交换器MHE和上部加热器UH的新型拉晶机CP意味着CP在操作时，MHE和UH起作用，而晶体热交换器CHE和下部加热器LH关闭。因此，通过指定起作用的热源和吸热器可区分新型拉晶机CP的操作，同时拉晶机本身通常被称为CP。
数值实验通过进行各种数值试验可验证新型拉晶机CP。该研究是通过将新型拉晶机CP的性能与传统拉晶机的相比较来完成的。例如，通过模拟新型拉晶机CP的温度场并分析结果来完成数值实验。
模型使用一个描述晶体生长的合格的定量模型来进行新型拉晶机CP中的生长过程的数值模拟。合格的晶体生长模型包括熔体M和气氛中的动量平衡，以及拉晶机的所有部件中的能量平衡。氩气氛是用于晶体生长的典型气氛。每个阶段内的能量平衡通过由传导、辐射和对流所限定的边界条件相耦合。对于包括辐射传热的湍流，由动量平衡和能量平衡形成的系统方程难以求解。当坩埚CR的尺寸增加时，浮力驱动的熔体流变成湍流。实际上所有目前的拉晶机都是如此。对包括许多通过所有能量传递模式来交换能量的固相和液相的系统(其中流体表现为湍流)进行直接数值模拟会非常昂贵并且不切实际。因此，在本文中，用于数值模拟的合格的模型包括合理的假设。在此研究中我们使用Virzi所使用的通用模型。作出如下假设
●该系统是轴向对称的。
●该系统是准静态的，即该系统处于伪稳态。
●必要时，用有效固体导热率来逼近动量平衡。
●两个固体很好地接触。
●从开放边缘的能量传递通过辐射和对流进行。
●固体-液体界面处的能量平衡对于预测界面形状是重要的。
●利用对流传热系数可相当好地预测对流。
●恒定的温度Dirichlet条件精确地代表计算域的边界。
●为热源和吸热器指定能量产生速度分布图或温度分布图。
伪稳态的假设可节省大量计算时间。晶体区段的热过程可通过在不同长度的晶体中生成稳态温度场来获得。通过假设所有的晶体区段均通过一个r和z固定的温度场可进行进一步简化。对于例如大于800mm的长晶体，此固定的温度场可计算一次。因此，通过独立于晶体长度来固定温度场可使问题变得更简单。但是，不必需假设晶体温度场独立于晶体长度。通过在温度场之间进行插值，可以模拟多个描述不同晶体长度的伪稳态温度场并可计算出晶体区段的热过程。
因为熔体M假设为固体，所以描述熔体M中的能量平衡的方程式与用于固体的方程式相同。通常，固体(包括熔体)的能量平衡由下式给出_·{α_T}-{ρCpv}·{_T}+SH＝0 (10)其中，T如上文所限定的为任何固体的温度，α是导热率，ρ是密度，Cp是热容量，SH是体积放热速度，如果是吸收热则SH是负值。该放热项SH仅对于热源和吸热器存在。只有当固体物理地移动时才存在固体平流(advection)，因此固体平流仅应用于生长晶体。因此，利用固体平流的传热{ρCpv}·{_T}仅存在于晶体C的能量平衡中。对于相接触的固体，假设很好地接触。因而，两个固体表面之间的法向通量平衡描述了相接触的两个固体之间的边界。
{α1_T1}·{n}＝{α2_T2}·{n} (11)其中，{n}是垂直于接触表面的单位矢量。下标1和2表示相接触的两个固体。通过使法向传导热通量与辐射和对流热通量平衡可给出拉晶机内部的开放固体表面的边界条件。
-{α▿T}·{n}=h{T-Tg}+ϵσ(T4-Teff4)---(12)]]>其中h是固体和温度为Tg的气氛之间的对流传热系数，ε是辐射率，σ是Stefan-Boltzmann常数，Teff是固体感受到的环境的有效温度。假设灰体辐射传热，则固体感受到的环境的有效温度用Gebhardt因数表示。假设完全被外部冷却夹套覆盖的拉晶机的外边界处于恒定的冷却水温度Tcoolant。另外，还可假设其它冷却器处于冷却水温度。
T＝Tcoolant(13)熔体/晶体界面F由处于凝固温度的等温线限定Ts，f＝Tl，f＝Tm(14)其中下标s代表晶体，l代表熔体M，m代表熔化或凝固条件。在气体、熔体和固体相互接触的三相接合节点(tri-junction node)处，温度限定为等于凝固温度。
Tslg＝Tm(15)其中下标slg表示三相接合节点。该三相接合节点限定了熔体/晶体界面F与外部晶体表面的交点。三相接合节点的空间位置是固定的。因此，由处于熔化温度的等温线限定的熔体/晶体界面F固定在该三相接合节点处。如方程式(1)中所示，穿过熔体/晶体界面F的能量平衡由来自熔体侧的传导热通量与单位面积的熔解放热速度的总和与穿过界面进入晶体的总传导通量之间的平衡给出。
@界面-{αs_Ts}·{n}＝-{αl_Tl}·{n}+{-ΔHρsv}·{n} (1)qs，f，n＝ql，f，n+qfusion，f，n其中(-ΔH)是熔化焓，v是拉晶速度，q是热通量。下标f表示界面条件，fusion表示熔解。上文说明了方程式(1)的能量平衡的细节。对称情况使该问题是二维的。
{_T}·{nr}＝0(16)
其中{nr}是沿径向方向的单位矢量。
利用方程式(10)到(16)以及方程式(1)的联立解可预测拉晶机内的温度场。界面形状由在三相接合节点处固定的处于熔点的等温线给定。
在拉晶过程中，可以假设晶体的基本所有部分都横穿晶体的在伪稳态下和在其最终长度上计算出的温度场。在晶体区段形成后研究该区段的热过程时，此假设是相当准确的。但是，初始的点缺陷结合对熔体/晶体界面F处的梯度中的微小变化是非常敏感的。因此，不能假设界面处的v/Gs，f，z条件在整个晶体生长过程中恒定。需要进行工艺调整(热控制)以在界面处保持预期的v/Gs，f，z条件。因此，应对处于不同晶体长度的温度场进行模拟，以精确地绘制出生长晶体中的温度场。但是，在更广泛的意义上，通过针对晶体C的最终长度模拟拉晶机中的温度场可获得对该过程的基本理解。最好是假设晶体区段仅在拉晶过程中横穿该固定的温度场。在晶体C完成生长之后，每个晶体区段通常具有唯一的热过程。因此，晶体区段的热过程可通过由随后的区段生长所限定的拉晶期间的时间-位置历史、以及在此生长过程之后的其最终的冷却来计算。因此，在晶体生长期间和在晶体生长之后相比晶体区段的冷却条件之间存在差别。在晶体生长期间，任何区段的冷却速度由拉晶速度与局部轴向温度梯度的乘积(v Gs，z)给出。在晶体生长之后，区段的冷却速度最好通过能量平衡计算来计算出。
最后，除非另外说明，否则就使用等于0.5mm/分钟的拉晶速度来完成全部数值实验。尽管Gs，f，z在一定程度上随拉晶速度而改变，但是假设在拉晶速度等于0.5mm/分钟的情况下计算出的Gs，f，z可用于表示拉晶速度在0.2mm/分钟和0.8mm/分钟之间的情况下的Gs，f，z值是合理的。图14表明，由于拉晶速度的微小变化而引起的晶体的Gs，f，z的变化可以忽略。由于凝固速度随拉晶速度的变化而发生的变化被来自熔体的热传导速度的相反变化所补偿，所以该假设是合理的。
新型拉晶机的性能上文说明了拉晶过程中的不同变量之间的关系，这些变量为例如坩埚温度、界面处的晶体侧和熔体侧的温度梯度、熔体表面处的熔体侧温度梯度、加热器功率等。在此章节中，给出各种数值实验的结果以验证迄今所进行的讨论。
传统拉晶机图15中示出传统拉晶机的典型设计及其温度场。(使用市场上可买到的基于有限元的软件(MARC)模拟拉晶机中的温度场。)在此研究中，该传统拉晶机是对缺陷受控晶体限定了生产率上限的拉晶机。该传统拉晶机被很好地绝缘。被动反射器(没有主动的加热或冷却)可屏蔽晶体与熔体表面进行辐射热交换，并且上部加热器(上部热交换器)或UH保持晶体更热，以便相关成核温度(在此情况下为自间隙的成核温度，1173K)的轴向位置在熔体/晶体界面F上方大约900mm。图16A中示出使用传统拉晶机生长的较长晶体中的轴向温度分布图。图16B中示出界面处的负的轴向晶体侧温度梯度(Gs，f，z)的相应的径向变化。
新型拉晶机的配置不具有熔体通量控制的配置将其中熔体热交换器MHE、晶体热交换器CHE和下部加热器LH都不起作用(不操作)的强力绝缘(heavily insulated)的新型拉晶机的性能与传统拉晶机相比较。在两种情况下，上部加热器UH都向生长晶体提供热量(功率固定在大约20kW)以保持其温度高于间隙成核温度范围。图17示出在强力绝缘的新型拉晶机CP中的温度场。图18A示出强力绝缘的新型拉晶机CP保持900mm长的晶体的温度高于自间隙的成核温度。可见，强力绝缘的新型拉晶机CP的Gs，f，z的径向变化大大减小(图18)。但是，由于增加了传导路径，所以Gs，f，z的绝对值非常低。在新型拉晶机CP中，凝固放热速度与来自熔体M的轴向传热速度的比率非常高。此比率可由不同径向位置处的v/Gl，f，z(或v/Gs，f，z)表示。图18C示出该被绝缘的拉晶机和传统拉晶机的这一比率的径向变化。图18C不应用于传统拉晶机和强力绝缘的新型拉晶机CP之间的直接比较。
上部加热器UH帮助保持晶体C高于目标成核温度。因此，除非特别说明，否则对于本文的所有模拟该上部加热器UH都是起作用的(操作的)。
下面研究在熔体热交换器MHE和下部热交换器LH不起作用时晶体热交换器CHE的作用。图19示出在具有起作用的晶体热交换器CHE和上部加热器UH的新型拉晶机CP中生长的晶体C中的温度场。图20A和20B分别示出轴向温度曲线和Gs，f，z的径向变化。在具有起作用的晶体热交换器CHE的情况下晶体C被快速冷却，以便在成核温度附近的原位(in-situ)冷却速度非常高。对于等于0.134K.mm2/s的(在界面处)的目标v/Gs，f，z，可实现大约1.1mm/分钟的拉晶速度。但是，界面处的Gs，f，z的径向变化非常重要，并且低于成核温度的晶体C的长度可减小到小于150mm。这种配置的比率v/Gs，f，z非常低(图20C)。Gs，f，z的变化会导致结合的点缺陷浓度发生很大变化。由于陡的轴向温度分布图，所以允许特定晶体区段减小点缺陷浓度的成核前的扩散时间也非常少。这种变化要求在成核温度附近有非常高的原位冷却速度，以便骤冷或控制微缺陷的形成。在许多情况下，不能实现这样的原位冷却速度。因此，鉴于这种v/Gs，f，z的径向变化，用于制造对缺陷敏感的晶体可行方案可包括通过启动下部加热器LH来增加点缺陷在成核之前的扩散和湮灭时间。
图21中示出具有起作用的晶体热交换器CHE和下部加热器LH的新型拉晶机CP中的温度场。图22A示出下部加热器LH对轴向温度分布图的影响。高于间隙成核温度的晶体C的长度也大约为900mm。陡的轴向温度梯度(图22B)允许在临界v/Gs，f，z处有较高的拉晶速度例如大约1mm/分钟。但是，这种起作用的晶体热交换器CHE和下部加热器LH的配置仍可能因v/Gs，f，z的径向变化而产生问题。从图22C可见，与熔体侧传导的作用相比，熔解热对Gs，f，z的作用非常小，对此将在下文说明。
在上述拉晶机配置中，没有主动控制从开放的熔体表面MS的热损失(或熔化通量)。因此，从熔体M的热损失非常高，对于大多数实际拉晶操作来说，这会使侧面加热器的功率以及坩埚温度过高。图23A-B示出各种配置的最大坩埚温度Tcr，mx和侧面加热器功率Qsh。如图所示，在本发明的范围内，侧面加热器的功率在大约80KJ/s到大约160KJ/s的范围内，尽管该功率可低到40KJ/s，或甚至低到0KJ/s。从图24A-B中可见，如上所述，增加侧面加热器的功率Qsh会使从开放的熔体表面MS的热损失(用Gl，os，z测量)增加。因此，实际操作中需要控制暴露的熔体表面的通量。此外，对于迄今所讨论的配置，除了强力绝缘的新型拉晶机CP之外，Gs，f，z的径向变化都较高(图25)。通过改变熔体表面“看到”的环境的有效温度，可以实现对暴露熔体表面的通量的控制。在新型拉晶机CP中，通过控制熔体热交换器MHE的温度并从而控制热通量，来实现通量控制。
MHE控制提高暴露的熔体表面MS的环境(熔体表面“看到”的环境)的温度可减小从开放熔体表面MS的热损失。通过提高熔体热交换器MHE的温度可提高环境温度。图26示出在MHE的温度固定在大约2100K的情况下，具有起作用的熔体热交换器MHE、晶体热交换器CHE(固定在大约300K)、下部加热器LH(固定在大约17.6kW)和上部加热器UH(固定在大约20kW〔除了特别说明，否则对于所有模拟UH均固定在20kW〕)的新型拉晶机CP的温度场。图27示出改变熔体热交换器MHE的温度对Gl，os，z的影响。可见，通过控制熔体热交换器MHE的温度可有效地抑制从熔体表面的热损失。结果，侧面加热器的功率以及坩埚CR的温度降低(分别为图28和29)。抑制从熔体表面MS的热损失将使坩埚温度从基本不可操作区域转移到基本可操作区域。坩埚的朝向加热器一侧的温度随着侧面加热器的功率单调减小。由于在熔体侧上的最大坩埚温度的位置和幅值受到熔体热交换器MHE的温度和侧面加热器的功率两者的影响，因此增加MHE的温度不会使熔体侧的温度单调减小。增加熔体热交换器MHE的温度和协作地减小侧面加热器的功率对熔体侧坩埚温度具有相反的作用。在大多数情况下，熔体热交换器MHE的温度不会足够占优势以使熔体侧坩埚温度增加到不可操作的区域。熔体侧坩埚温度将主要受到熔体热交换器MHE的温度和侧面加热器功率的共同影响，并因此不会变化很大。但是，希望熔体侧温度低于最大容许温度，从而不会对晶体C的生长造成问题。如图30中所示，增加熔体热交换器MHE的温度使得可减小，例如同时减小侧面加热器的功率(Qsh)。在本发明中，在晶体C生长期间还可增加熔体热交换器MHE的温度以减小坩埚CR的温度。应注意不能将熔体热交换器MHE的温度增加到超过最大容许温度，在该最大容许温度下熔体侧坩埚温度对于大多数实际操作来说过高。
图31A-D示出在增加熔体热交换器MHE的温度、下部加热器LH的功率固定在大约17.6kW，晶体热交换器CHE的温度固定在大约300K且上部加热器UH的功率固定在20kW的情况下，界面形状的变化。当熔体热交换器MHE的温度增加时，保持熔体M处于一定温度下所需的侧面加热器的功率减小。同时，熔体/晶体界面向下移动以使较接近界面的晶体C中的径向热通量增加，但是不会显著增加轴向通量。另外，除了在晶体边缘附近之外，通过提高熔体热交换器MHE的温度可提高熔体侧轴向热通量的径向均匀性。从而通过控制界面形状可控制Gs，f，z的径向均匀性或变化。当通过提高熔体热交换器MHE的功率并减小侧面加热器的功率而使界面以下的熔体M变得较冷时，从熔体M进入晶体C的轴向热通量减小。图32示出通过增加熔体热交换器MHE的温度来减小来自熔体侧的轴向热通量v/Gl，f，z的作用。如上所述，通过提高熔体热交换器MHE的温度可提高熔体侧轴向热通量的径向均匀性，这可增加熔解热通量与熔体侧轴向热通量的比率，并有助于提高Gs，f，z的径向均匀性。图33A比较了改变熔体热交换器MHE的温度对Gs，f，z的影响。应指出，从熔体热交换器MHE向晶体C有一些热漏失。但是，实际结果(净效应)是晶体C中Gs，f，z(r)的径向均匀性和幅值增加(图33B)。增加熔体热交换器MHE的温度可补偿将由晶体热交换器CHE引入的径向非均匀性。当熔体热交换器MHE的温度至少为大约1950K时，具有起作用的(操作的)熔体热交换器MHE、晶体热交换器CHE、下部加热器LH和上部加热器UH的新型拉晶机CP的Gs，f，z的径向均匀性好于传统拉晶机。使用该新型拉晶机CP还允许有较高的G，从而在相同或相近的v/Gs，f，z下允许有较高的拉晶速度。图33C中示出随着熔体热交换器MHE的温度的变化而改变的晶体C中的轴向温度分布图。设计新型拉晶机CP(具有起作用的熔体热交换器MHE、晶体热交换器CHE、下部加热器LH和上部加热器UH)的一个目标是不考虑MHE的影响来控制晶体区段的热过程。从图33C可见，熔体热交换器MHE的温度对热过程的影响很小。
操控熔体热交换器MHE的功率而不是MHE的温度还可改变熔体表面的环境的有效温度。实际上，在实践中控制功率比控制温度容易得多。因此，在下面的章节中说明了一些基于改变有效的熔体热交换器MHE的功率的示例。
示例完美和半完美硅使用具有起作用的熔体热交换器MHE、晶体热交换器CHE、下部加热器LH和上部加热器UH的新型拉晶机CP可保持v/Gs，f，z(r)更接近其临界值，同时在发生相关类型的有效成核(一般指形成和生长)之前为点缺陷提供足够的扩散和湮灭时间。与传统拉晶机相比新型拉晶机CP还可实现更高的生产率。通过操控或控制熔体热交换器MHE的功率/温度可实现对熔体通量的控制。此外，通过操控和控制晶体热交换器CHE可以控制界面处的Gs，f，z的幅值。通过操控和控制下部加热器LH和上部加热器UH，可提供在间隙成核温度范围之上的延长的扩散和湮灭时间。
固定MHE功率在下面的数值实验中，下部加热器LH的功率固定在大约2.8kW，上部加热器UH的功率固定在大约20kW，并且晶体热交换器CHE的温度固定在大约1173K。图34中示出在MHE的功率大约为27kW的情况下新型拉晶机CP(具有操作的熔体热交换器MHE、晶体热交换器CHE、下部加热器LH和上部加热器UH)中的温度场。如所预期的，通过增加熔体热交换器MHE的功率可减小Gl，os，z(图35)。结果，侧面加热器的功率和加热器侧的最大坩埚温度降低，从而允许操作在低于阈值坩埚温度的情况下进行(分别为图36和37)。由于熔体加热交换器MHE和侧面加热器的功率都会影响熔体侧的最大坩埚温度的位置和幅值，所以当MHE的功率增加时，熔体侧温度不会单调降低。增加熔体热交换器MHE的功率和减小侧面加热器的功率(通过增加MHE的功率)对熔体侧的坩埚温度具有相反的作用。熔体热交换器MHE的功率不应增加到对于晶体C的生长有害的程度。图38A-D示出在不同熔体热交换器MHE的功率情况下的界面形状。当熔体热交换器MHE的功率增加时，侧面加热器的功率降低，并且该界面朝熔体M向下移动。界面曲率的增加减少了较接近晶体C表面处的Gs，f，z的显著增加。实际结果是提高了Gs，f，z的径向均匀性。图39中示出用v/Gl，f，z表示的来自熔体侧的轴向热通量的相应减小。图40A中示出对于改变的熔体热交换器MHE的功率，Gs，f，z的径向变化。在界面处可获得非常高的Gs，f，z值。Gs，f，z的径向均匀性允许在临界v/Gs，f，z拉晶速度大约为0.6mm/分钟(图40B)。如图40C所示，熔体热交换器MHE对晶体区段的时间-温度过程的影响可忽略。
MHE的温度通过控制熔体热交换器MHE的温度可高效地制造包含完美硅晶体产品的晶体C。不同参数之间的关系与具有熔体热交换器MHE功率控制的拉晶机中所显示出的关系相同。因此，在此章节，仅相对于特定参数例如Gs，f，z和Tcr，mx来讨论在不同的固定熔体交换器MHE温度下获得的结果。
在具有起作用的MHE、晶体热交换器CHE、下部加热器LH和上部加热器UH的新型拉晶机CP中，在不同熔体热交换器MHE温度下进行多个数值实验。下部加热器LH的功率固定在2.28kW，晶体热交换器CHE的温度固定在900K。UH(上部加热器)在20kW下操作。
图41示出在加热器侧和在熔体侧，熔体热交换器MHE的温度对最大坩埚CR温度的影响。如所预期的，随着熔体热交换器MHE的温度增加，坩埚温度降低。在此情况下，熔体热交换器MHE的温度和侧面加热器的功率的累积效应使得熔体侧坩埚温度净减小。在熔体热交换器MHE的温度高于1700K的情况下可完成晶体生长。图42A中示出与熔体热交换器MHE的温度有关的Gs，f，z的径向变化。如图42B中所示，在熔体热交换器MHE的温度高于1700K的情况下，拉晶机CP中的Gs，f，z的径向均匀性要好于传统拉晶机。在临界v/Gs，f，z可获得接近0.68mm/分钟的拉晶速度。晶体区段的时间-温度路径允许延长在间隙成核温度范围之上的扩散时间(图42C)。长晶体C例如至少900mm长的晶体(包括冠部和锥体)可以此方式生长。
完全绝缘如前面章节中所示，在强力绝缘的新型拉晶机CP中的v/Gs，f，z的径向均匀性要优于前文研究的所有情况。对于平顺的和抛物线形的界面形状，径向均匀性可提高结合的点缺陷场的均匀性，并降低所需的扩散时间。但是，提高Gs，f，z的径向均匀性的代价是降低其幅值(图17和18A-C)，从而会降低拉晶速度和生产率。
拉晶速度的影响上述数值实验是在等于0.5mm/分钟的拉晶速度下完成的。随着拉晶速度的增加，Gs，f，z增加并且Gl，f，z减小以允许进行由界面F处的放热速度的增加所要求的热传递。通过减小侧面加热器功率可至少部分地获得较高的拉晶速度。侧面加热器的功率的减小会降低熔体M的温度，并且熔体中的温度变化减小。以下结果是在熔体热交换器MHE的温度等于1900K、晶体热交换器CHE的温度等于900K、下部加热器LH的功率等于2.28kW且上部加热器UH的功率等于20kW的条件下获得的。
图43中示出与拉晶速度有关的在熔体表面MS处的负熔体侧梯度Gl，os，z的径向变化。熔体热交换器MHE向除了非常接近晶体表面的区域之外的熔体M传递热量，这会减小侧面加热器的功率(图44)以及坩埚CR的温度(图45)。当侧面加热器的功率减小时，加热器侧和熔体侧的最大坩埚CR温度减小，而熔体热交换器MHE的温度保持不变。当侧面加热器的功率减小时，熔体M的温度降低。因此，如图46中所示，在熔体/晶体界面F下面的梯度减小。与熔解有关的热通量的相对作用随拉晶速度的增加而增大(图47)。这种改变提高了Gs，f，z(r)的径向均匀性。如图48和49中所示，加热器功率的降低可冷却晶体C并增加Gs，f，z。图50中示出v/Gs，f，z和v之间的非线性关系。该非线性是由于Gs，f，z随v的变化而变化所造成的。晶体区段(生长)后的轴向分布图不会随拉晶速度发生显著改变(图51)。因此，假设原位冷却速度随拉晶速度成线性变化是合理的。图52A-D中示出界面形状随拉晶速度的变化。
示例快速冷却硅(RCS)在晶体C生长时，快速冷却硅RCS依赖于通过相关成核温度的晶体区段的高原位冷却速度。通过点缺陷成核温度(其通常在1473K到1173K之间)的快速冷却通常会导致在较低温度下有较高的残留点缺陷浓度。快速冷却可使点缺陷与其它杂质例如氧在低于1323K的温度下相互作用。优选地，可使晶体区段快速冷却通过从1523K到973K的较宽温度范围。由vGs，z给定的局部冷却速度足以控制微缺陷以及其它沉淀物的成核和生长。在生成一完整的晶体C之后，晶体C的一些部分仍保持高于成核温度范围。连续拉制晶体C可保持晶体区段所需的冷却速度。但是，可采用更高的拉晶速度。用于制造所有类型的快速冷却硅RCS的方法基本相同。制造快速冷却硅RCS的主要特征是在熔体/晶体界面F处保持所需的v/Gs，f，z条件，并实现所需的冷却速度。
在新型拉晶机CP中所执行的快速冷却硅RCS工艺的一个有利特征是，在大部分晶体C中有非常高的拉晶速度和较高的局部冷却速度，这优选地可通过操作至少该晶体热交换器CHE来实现。在此快速冷却RCS工艺中不必操作下部加热器LH和上部加热器UH。操作熔体热交换器MHE以保持最大坩埚温度低于最大容许温度。因此，在此实施例中，新型拉晶机CP仅与起作用的熔体热交换器MHE和晶体热交换器CHE一起操作。为使冷却速度最大，可将晶体热交换器CHE的温度保持在300K。为了在如此高的冷却速度下控制坩埚温度，熔体热交换器MHE应保持在较高的功率(40.5kW)。
考虑到快速冷却硅RCS产品的很大范围，可以采用较宽范围的拉晶速度。可采用非常高的拉晶速度来制造D类型的快速冷却硅RCS，而采用中等高的拉晶速度来制造完美的RCS。图53A和53B中分别示出在中等拉晶速度(0.5mm/分钟)和在较高拉晶速度(2.5mm/分钟)下制造快速冷却硅RCS类型的产品的新型拉晶机CP(具有起作用的(操作的)熔体热交换器MHE和晶体热交换器(CHE))中的模拟温度场。对于0.5mm/分钟和2.5mm/分钟之间的所有拉晶速度，熔体热交换器MHE均向熔体M传递大量的热量(图54)，并从而减小所需的侧面加热器的功率。另外，拉晶速度的增加会使Gs，f，z增加并使Gl，f，z减小，从而进一步降低侧面加热器的功率(图55)。因此，随着拉晶速度增加，坩埚温度将下降(图56)。图56还示出对于所有拉晶速度，坩埚温度都处于可操作的区域。由于熔解效应的增加(图59)Gs，f，z的径向均匀性将随着拉晶速度的增加(图57和58)而提高。图60A-C中示出随着拉晶速度的增加，界面形状的变化情况。应指出，通过降低界面附近的熔体温度和降低晶体温度，可以影响随着变化的拉晶速度的界面的形状和位置的变化情况。从图61中可见晶体C中的冷却速度非常高。对于在2.5mm/分钟和0.5mm/分钟之间的拉晶速度，在1473K的典型冷却速度在22.5K/分钟和4.5K/分钟之间。通过间隙和氧沉淀范围可获得类似的冷却速度。图62示出，比率v/Gs，f，z随拉晶速度非线性变化。结果表明，可以此方式以较高的拉晶速度生长完美的硅产品，而其它硅产品可以基本较高的速度生长。例如，快速冷却硅RCS的高原位冷却速度使得可以充分控制成核和颗粒生长，以便改变的拉晶速度和冷却速度可生产出从D类型RCS到完美RCS的多种产品。
在点缺陷初始结合时，晶体区段会经历一个冷却周期，在该冷却周期中相关点缺陷的充分过饱和建立，以开始沉淀物的有效成核和生长。成核速度与过饱和以及冷却速度有关。成核温度由最大成核速度限定。如果冷却的时标远小于成核的时标，则可有效地避免有效成核，或者成核被抑制。在成核之前的晶体区段中的点缺陷浓度依赖于初始结合以及其在成核温度之上的停留时间，该停留时间被定义为扩散时间。在此扩散时间中，空位和间隙相互扩散和湮灭，并向外扩散到表面。因此，成核温度本身可根据这些条件而改变。空位在1473K和1323K之间附聚，而间隙在1223K和1173K之间附聚。空位成核温度可以被推到非常低的值，在此情况下空位促使杂质例如氧发生替代成核。因此在很宽的温度范围上会形成沉淀物。改变在相关成核温度之前和通过该成核温度时的冷却速度，会影响微缺陷和沉淀物的尺寸和密度。可使用快速冷却来控制或抑制附聚缺陷的形成(见国际申请No.PCT/US00/25525)。因此，除了控制熔体/晶体界面F处的v/Gs，f，z条件之外，控制晶体区段的时间-温度过程也是重要的。晶体C中的温度场随着其生长而改变。但是，为了简便起见，假设在晶体C中的与静态熔体/晶体界面F的距离固定的位置即使在C生长时温度也不会有显著变化是合理的。换句话说，所有晶体区段都横穿一足够长的晶体的同一温度场。因此，仅通过了解与该足够长的晶体中的时间和温度场有关的拉晶速度的历史过程，就可获得晶体区段的时间-温度路径或热过程。这些预期的特性给出了由本发明解决的问题。
为了有效地控制结合的点缺陷场，应调整(或控制)梯度(Gs，f，z)的径向分布图。在本发明中，该控制是通过调整位于或邻近界面处的局部温度场来实现的，该局部温度场可通过熔体热交换器MHE、晶体热交换器CHE、下部加热器LH和/或上部加热器UH的操作来控制。
新型拉晶机CP适于控制坩埚温度、界面形状、界面处的局部温度场、界面处的温度梯度，以及各晶体区段的在其生长后的冷却或热过程。如上所述，进入坩埚CR和熔体M的热量的很大一部分从熔体表面MS传递到环境中。使从该表面的这种热传递最小可降低对侧面加热器的功率需求。通过操作熔体热交换器MHE以允许热量通过熔体表面MS传递到熔体M内，可以进一步减小侧面加热器的功率。当侧面加热器的功率减小时，坩埚CR的温度也降低。通过改变从熔体M的开放表面MS传递到熔体M中的热传递速度，可以控制温度场。通常，通过控制流过熔体热交换器MHE的电流来控制MHE的温度和功率。在一个实施例中，熔体热交换器MHE设置在覆盖开放熔体表面MS的大部分的强力绝缘的热屏蔽或反射器R中并朝向熔体表面。如上所述，反射器R合适地为一环状或管状环，其内表面朝向晶体C，外表面朝向拉晶机CP的外部区域，底面朝向熔体M。为了防止热量从熔体热交换器MHE泄漏到晶体C的表面上，希望反射器R填充或至少部分地填充有绝缘体INS。图1和2的拉晶机CP的设计通过减小径向传热来减小晶体C内的温度梯度。尽管因此可以实现在界面处的径向均匀性，但是梯度的减小会使生产率受到影响。设置成朝向晶体C的晶体热交换器CHE使得可以有较高的拉晶速度。该设置通过增加晶体C和晶体热交换器CHE之间的径向传热，可大大提高晶体C中的温度梯度。但是，温度梯度的径向变化增加，并且由于陡的轴向温度下降，一些晶体的在附聚之前的扩散时间减小。
通过使整个晶体在周向稍微富含i的条件下而在中心稍微富含V的条件下生长，同时保持该晶体的所有区段都高于一目标温度并且随后通过将整个晶体移入冷却室中以对其骤冷，可制造目前技术水平的无微缺陷的晶体。在生长过程开始时所生长的区段与稍后生长的区段相比，应具有更长的用于相互湮灭的扩散时间。该晶体的很大一部分(优选地为整个晶体)保持高于该目标温度。但是，晶体热交换器CHE的存在会显著降低晶体C的温度。在此条件下，只有晶体C的一小部分保持高于此温度。为了使要求整个晶体C在该目标温度之上生长的工艺能够进行，在反射器R中，下部加热器LH应设置在晶体热交换器CHE上方。为了延长可使用新型拉晶机CP生长的晶体C的长度，上部加热器UH设置在下部加热器LH和反射器R上方。所述的设置使得晶体C的相当大的长度可以较高的速度在该目标温度之上生长，同时保持坩埚CR的温度低于最大容许温度。
对于给定的拉晶速度，当熔体热交换器MHE的温度或功率增加时，侧面加热器的功率减小，从而降低远离熔体/晶体界面F的熔体M的温度。因此，熔体/晶体界面F向下移动到熔体M中。尽管该移动会减小梯度(Gs，f，z)，但是晶体热交换器CHE的操作可保持该梯度较高。因此，可利用熔体热交换器MHE的功率来操控、控制或调整界面周围的局部温度场，并控制(调整)(远离该界面的)整体温度场。在制造缺陷受控的硅晶体时需要能够控制温度场。
当拉晶速度增加时，由凝固引起的在界面处的放热速度也提高。由于该热量被晶体侧的热传导速度与熔体侧的热传导速度之间的差所平衡，所以熔体侧的热传导速度减小而晶体侧的热传导速度增加。因此，侧面加热器的功率可与坩埚温度一起降低。晶体表面和较冷的环境之间的传热使得在晶体C周向的轴向和径向温度梯度非常高。通常，当凝固的(放热)作用增加时，晶体中心处的梯度(Gs，f，z)比周向的梯度Gs，f，z增加得多。考虑到晶体C的中心处的Gs，f，z低于周向的Gs，f，z，所以Gs，f，z的径向均匀性将随着拉晶速度的增加而提高。
具有起作用的熔体热交换器MHE、晶体热交换器CHE、下部加热器LH和上部加热器UH的新型拉晶机可以较高的拉晶速度生产完美的硅。可以甚至更高的速度生产由中心空位核和周向完美区域限定的半完美的硅。
在传统拉晶机中，由拉晶速度与轴向温度梯度的乘积确定的晶体区段的原位冷却速度不高。这些较低的冷却速度使得典型的缺陷受控晶体将完全在高于目标成核温度的温度下生长，然后通过将其快速移入单独的冷却室中而进行冷却。但是，在新型拉晶机CP中，当下部加热器LH和上部加热器UH不起作用时晶体区段的原位局部冷却速度非常高。通过1473K和1173K的冷却速度可高达5-20K/分钟。在许多情况下，这些冷却速度足以部分地或完全抑制成核反应。因此，在具有起作用的熔体热交换器MHE和晶体热交换器CHE，并且通常具有不起作用的下部加热器LH和上部加热器UH的新型拉晶机CP中，可以生产已知为快速冷却硅RCS的其它类缺陷受控产品。
新型拉晶机CP能够很好地控制每个晶体区段的生长条件和热过程。对生长条件和生长后条件的灵活控制使得可以高生产速度生产各种晶体。
当介绍本发明或其优选实施例中的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”是指存在一个或多个该元件。术语“包含”、“包括”和“具有”都是指包含，并意味着除了所列出的元件外还可能存在其它元件。
因为可在上述结构中进行多种改变而不会偏离本发明的范围，所以，上述说明中包含的或附图中示出的所有内容应解释为是说明性的而不是限制性的。
权利要求
1.一种根据直拉法生长单晶锭的拉晶机，该拉晶机包括壳体；位于该壳体内的用于容纳半导体源材料熔体的坩埚，该熔体具有一上表面；邻近该坩埚的用于加热该坩埚的侧面加热器；用于从该熔体的上表面向上拉出生长的晶锭的拉制机构，该熔体的该上表面的一部分在该晶锭生长期间保持暴露，该暴露的上表面部分具有一面积；以及环形熔体热交换器，熔体热交换器的尺寸和形状制成用于围绕该晶锭，并用于邻近该熔体的该暴露的上表面部分设置，该热交换器包括设置成朝向该熔体的该暴露的上表面部分的热源，该热源的用于向该熔体辐射热量的面积的大小制成至少为该熔体的该暴露的上表面部分的面积的30％，用以控制在该熔体的上表面处的传热，该熔体热交换器适于减少在该暴露的上表面部分处的热损失。
2.根据权利要求1所述的拉晶机，其特征在于，该热源的面积制成至少为该熔体的该暴露的上表面部分的面积的50％。
3.根据权利要求1所述的拉晶机，其特征在于，该热源适于设置在距该熔体的该暴露的上表面部分50mm内。
4.根据权利要求1所述的拉晶机，其特征在于，该拉晶机还包括一晶体热交换器，该晶体热交换器的尺寸和形状制成用于设置在该熔体上方并基本围绕该晶锭，以便冷却紧邻熔体/晶体界面的该生长的晶锭的第一区段。
5.根据权利要求4所述的拉晶机，其特征在于，该拉晶机还包括一下部晶体加热器，该下部晶体加热器设置在该晶体热交换器上方并适于基本围绕该晶锭，以便保持该晶锭的第二区段处于一预定温度。
6.根据权利要求5所述的拉晶机，其特征在于，该拉晶机还包括一上部晶体加热器，该上部晶体加热器设置在该下部晶体加热器上方并基本围绕该晶锭，以便保持该晶锭的第三区段处于一预定温度。
7.一种用于生长单晶锭的方法，该方法包括在坩埚中形成半导体源材料的熔体，该熔体具有一表面；将一热源设置成面向该熔体的暴露的上表面部分，该热源的用于向该熔体辐射热量的面积的大小制成至少为该熔体的暴露的上表面部分的面积的30％；从该熔体的表面拉出半导体源材料，以使该源材料凝固成单晶锭；使用该热源选择性地控制在该熔体的表面处的传热。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述选择性地控制传热的步骤包括通过将该热源设置在距该熔体表面100mm内而协同控制在该熔体表面处的传热和将热量施加到该熔体表面，以选择性地控制该晶锭内的缺陷。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该熔体/晶锭界面具有一种形状，该选择性的控制步骤包括改变从该熔体热交换器辐射出的热量以控制该界面形状。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法还包括使用一晶体热交换器在熔体/晶锭界面上方的一个位置处从该晶锭除热。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该除热步骤包括控制该晶体热交换器中的冷却液的温度，以便以预定的速度从该晶锭除热并将该晶锭保持在一预定温度之上。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法还包括允许在该晶体热交换器上方的该晶锭的一部分以大于该预定速度的速度冷却，以控制该晶锭内的缺陷的形成和/或生长。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法还包括使用设置在该晶体热交换器上方的一下部晶体加热器来加热与该熔体/晶体界面间隔开的该晶锭的一个区段。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，该方法还包括使用设置在该下部晶体加热器上方的一上部晶体加热器来加热与该熔体/晶体界面间隔开的该晶锭的一个区段。
15.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法没有除去或添加该拉晶机的结构部件的步骤。
16.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该控制步骤包括将一熔体的侧面加热器的功率控制在一预定范围内，以使得该坩埚的温度保持在一预定温度之下。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，该控制步骤包括减少从该熔体表面的热损失并同时降低该侧面加热器的温度，以便降低该坩埚的温度。
18.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括选择预期的轴向温度梯度，该控制步骤包括选择该熔体热交换器的温度以保持该预期的轴向温度梯度。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，该控制步骤包括操控在该熔体/晶锭界面处的温度场以影响该界面的形状。
全文摘要
本发明公开了一种用于生长单晶锭的拉晶机，包括一紧邻坩埚的用于加热该坩埚的侧面加热器，和一熔体热交换器，该熔体热交换器的尺寸和形状制成用于围绕该晶锭并邻近该熔体的表面设置。该热交换器包括一热源，该热源具有一用于向该熔体辐射热量的面积，以便控制在该熔体的上表面处的传热。该熔体热交换器适于减少在该暴露的上表面部分处的热损失。本发明还公开了用于生长具有预期缺陷特性的单晶硅晶体的方法。
文档编号C30B15/00GK1738930SQ200380108618
公开日2006年2月22日 申请日期2003年11月10日 优先权日2002年11月12日
发明者M·库尔卡尼 申请人:Memc电子材料有限公司