专利名称：单晶硅锭和硅片、及其生长装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种单晶硅锭和硅片、及其生长装置和方法，尤其涉及一种使用柴式长晶法(Czochralski法)生长单晶硅锭时，控制由于工程上的异常原因而发生的“花瓣”(Flower)现象，使顾客所要求的多种(适合于半导体设备的)氧浓度沿着长度方向及径向分布均匀的单晶硅及硅片的生长装置及其方法。
背景技术：
基于现有柴式长晶法的单晶硅锭生长方法中，为了装入熔化的熔硅必须使用石英坩埚。从这种石英坩埚中被放出的氧气，与熔硅进行反应被熔解到熔夜内部从而转化成SiOx的形态，最终被混入单晶硅内部，一方面增加硅片的强度并形成微小的内部缺陷，从而在半导体工程中，对金属杂质起除气点(Gettering site)的作用，另一方面却诱发各种缺陷及分离，其结果对半导体装置的产量起恶劣的影响。
而在单晶硅锭的生长时，由于晶体(body)后半部的抽泵(pumping)现象，间隙氧(interstitial Oxygen；下称“Oi”)在晶体长度方向上的浓度增加。
另外，由于坩埚或籽晶(seed)的旋转速度等原因，不让单晶硅锭生长为圆柱形，而让其生长为表面呈弯曲形状从而引起“花瓣”现象(相似花瓣而被如此命名)。迄今为止尚无对“花瓣”现象的机理的明确解释，但存在与熔液的对流有关的各种理论。
为控制此种结晶中的氧浓度及“花瓣”现象，迄今为止主要采用控制石英坩埚和硅锭的转速、硅锭的拉引速度、压力、氩Ar流速等方法，或通过调节加热器长度或隔热材料的性质等热区(hot zone)的设计变更来调节发热面积及位置，从而控制氧浓度和单晶硅的冷却热史的方法。
然而，上述的方法存在着每次替换热区时所需的时间及费用等问题，尤其热区的变更会影响氧浓度等的质量，因此需要消耗很多时间用于设定新的条件。
另外，作为控制上述“花瓣”现象的最有效的方法，已公开的有降低拉引速度(pulling speed，以下简称为P/S)，改善籽晶及石英坩埚的转速比的方法。但是这些方法由于在工序中产生的控制因素的变动，导致产品质量变化，因此仍然存在生产率下降、给为了与生产最低缺陷的近期的硅锭质量要求接轨的质量向上带来变化等问题。
发明内容
本发明鉴于上述问题而作，其目的在于提供一种无需增加热区的替换，利用不对称磁场均匀地控制结晶长度方向上氧浓度的单晶硅锭和硅片、及其生长装置和方法。
本发明的目的在于提供，与取决于单晶的口径及炉料尺寸的单晶硅的长度无关地控制沿着单晶的长度方向分布均匀的氧浓度，从而提高生产效率的单晶硅锭及硅片，及其生长装置和方法。
本发明的目的在于还提供，没有增加热区的替换、P/S的下降或籽晶转速(SeedRotation；SR)的变化等损失的情况下，通过不对称磁场的控制来消除“花瓣”现象引起的单晶口径直径未达(under diameter)的单晶硅锭和硅片，及其生长装置和方法。
本发明的目的在于还提供，具有高的生产效率及质量的单晶硅锭和硅片，及其生长装置和方法。
为了实现上述目的，本发明中使用柴式长晶法生产单晶硅锭的单晶硅锭的生长装置，包括，生长室(Chamber)；设置在生长室的内部，且装有熔硅的石英坩埚；设置在上述石英坩埚的侧方并加热上述熔硅的加热器；拉引从上述熔硅生长出的单晶硅的拉引机构；及设置在上述生长室的外部，对上述熔硅施加不对称磁场的不对称结构的磁铁部件。
另外，本发明中使用柴式长晶法生产单晶硅锭的单晶硅锭的生长方法是，在单晶硅锭的生长装置外侧，施加不对称会切磁场的状态下，实行从单晶熔硅拉引单晶薄片的步骤，而且上述不对称磁场包括，由配置在上述单晶硅锭的生长装置外侧的上部及下部线圈部件产生的上部磁场和下部磁场，上述上部和下部磁场强度被施加到上述上部及下部线圈部件中的至少一个部件的电流和磁感应部件中的至少一个部件调整。
图1是概略地表示根据本发明的一实施例的单晶硅锭生长装置的结构图。
图2是概略地表示根据本发明的另一实施例的单晶硅锭生长装置的结构图。
图3是根据本发明的一实施例的单晶硅锭生长方法的沿着单晶硅锭长度方向的氧浓度的均匀度与以往例相比较的图表。
图4是表示根据本发明的一实施例的单晶硅锭生长方法的氧浓度调节状态的图表。
图5是在本发明的一实施例的单晶硅锭生长方法中，按多种不对称磁场比率来表示氧浓度等级的图表，以及按磁场比率表示氧浓度等级的定量值的表。
图6是在本发明的另一实施例的单晶硅锭生长方法中，维持相同的不对称磁场比率的状态下，按磁场强度大小表示氧浓度等级的表及图表，以及按磁场强度大小表示氧浓度等级定量值的表。
图7a至图7d是适用了本发明的一实施例的单晶硅锭生长方法的不对称磁场的模拟结果示意图。
图8a至图8d是表示适用了本发明的一实施例的单晶硅锭生长方法的SR核单元变化的示意图。
图9是沿着使用本发明的一实施例的单晶硅锭生长方法制造的硅片径向的氧浓度等级示意图。
具体实施例方式
下面，参照附图详细说明本发明的最佳实施例。
首先，对适用本发明的单晶硅锭生长方法的单晶硅锭生长装置进行说明。
图1是概略地表示适用了根据本发明的一实施例的单晶硅锭生长法的结晶生长装置的结构图。
参照图1，使用柴式长晶法生长单晶硅锭的装置包括生长室(未图示)，并且在该生长室的内部进行单晶硅锭10的生长。
而且，上述生长室内部设置有装入熔硅(SM)12的用石英制成的石英坩埚11，该石英坩埚11的外部围绕着石英坩埚11设置有由黑铅而成，且支撑石英坩埚11的支架13。
另外，上述的支架13被固定在旋转轴19上，该旋转轴19被驱动装置(未图示)旋转，从而使石英坩埚11旋转的同时上升，以便固-液体界面维持相同高度。并且上述支架13相隔规定的距离被圆筒状的加热器14围住，该加热器14被保温材料15围住。
另外，上述加热器14熔融装在石英坩埚11内的高纯度多晶硅块使之变成熔硅12，保温材料15防止加热器14散发的热量向生长室壁侧扩散，提高热效率。
另外，在上述生长室的上部设置有将电缆缠绕而向石英坩埚11的上方拉引的拉引装置(未图示)，并且在该电缆的下部设置有与石英坩埚11内的熔硅12接触并通过向上拉引，使单晶硅锭10生长的籽晶(种晶)。上述拉引装置，在单晶硅锭10生长时，一边将电缆缠绕而进行拉引，一边进行旋转运动，此时，单晶硅锭10，以与石英坩埚11的旋转轴19相同的轴为中心向石英坩埚11的旋转方向的反方向旋转的同时，被拉引。
另外，为促进单晶硅锭10的生长，一般采用从生长装置的上部注入氩(Ar)、氖(Ne)及氮(N)等惰性气体，并且从生长装置的底部放出已使用的惰性气体的方法。因此，图1中的符号3表示，为了促进单晶硅锭10的生长，从生长装置的上部注入惰性气体氩(Ar)后，从生长装置的底部放出的状态线。
在单晶硅锭10与石英坩埚11之间还设置有围绕着硅锭10的辐射绝热体(insulator)或隔热材料18。该隔热材料18是，在为了满足硅片表面特性等质的要求，并为了减少结晶径向上的垂直温度梯度的偏差而设计多种热区的过程中，被开发出来的，其作用是切断从硅锭10放射出的热量，调节硅锭10外周上的冷却速度。
上述的隔热材料18，由涂敷钼(Mo)、钨(W)、碳(C)或SiC的黑铅而成，并可制作成各种形状。因此，上述热保护材料18的形状不只限于图1所示的结构。
另外，根据本发明的一实施例，使用柴式长晶法(CZ)制造单晶硅锭时，该硅锭10的结晶生长中，对装在石英坩埚11内的熔硅12施加磁场，并为了变更该磁场的位置，设置上部及下部磁铁部件。此时，该磁铁部件具有沿着上述生长室的轴向施加不对称磁场的不对称结构。
具体而言，上述磁铁部件各具备，在上述生长室外侧具有环状螺线管结构的上部线圈部件16和其下部的下部线圈部件17。由上述上、下部线圈部件16、17，形成图1中以符号2所表示的磁场。在此，将位于上部及下部磁场中间、且其磁场强度为零的平面定义为ZGP(Zer Gauss Plane)，而将所述ZGP的中心部定义为ZGP_center。
参照图1可知，由上述上、下部线圈部件16、17形成的磁场不对称，其ZGP(Zer GaussPlane)位于熔液的上部。
通过上述不对称磁场，能够控制与氧的放出及放出后氧的移动相关的石英坩埚11内的熔液的对流。但，当上述ZGP位于熔液的上部时、或下部磁场强度大于上部磁场强度的强磁场时，熔液的流动及热的流动被抑制在与磁力线垂直的方向，并且尽可能地向与磁力线平行的方向移动，由此可获得更为显著的效果。
在本实施例中，上述上、下部线圈部件16、17，可以构成为以上述石英坩埚19的旋转轴为中心具有相同的半径、相同的线圈圈数的螺线管结构。
因而，由上述上、下部线圈部件16、17形成的磁场，只能面向上述生长室13，并根据施加在上述上、下部线圈部件16、17上的电流，能够改变磁场强度。
此时，为了对比上述上部线圈部件16更影响熔液对流的上述下部线圈部件17施加高电流，连接高电压电源为理想。即，把连接到上述上、下部线圈部件16、17的电压分别为V1、V2时，使其电压之比成为1.00≤Exp(V2/V1)≤135.00为佳。
因为只有满足这些条件，才能生产出顾客所要求的具有多种氧浓度的单晶硅锭。
另外，取代对上述上、下部线圈部件16、17不对称地施加电流，还可以具备能够在垂直于上述磁力线的方向及电流方向的方向进行匀加速运动的上部磁感应部件23及下部磁感应部件25。
尤其，也可以在上述下部线圈部件17的内部再具备铁芯，使上述的下部磁场强度大于上述上部磁场强度。在图1中，( )表示电流方向。
根据本发明的一实施例的上述诸多参数，由上述上部及下部线圈部件16、17施加磁场时，以上述加热器14的上部为基准，如果ZGP及上述熔硅的表面位置与上述加热器上部相一致，假设上部为“+”位置，下部为“-”位置时，使上述ZGP的位置和上述熔硅的表面之间的关系满足0≤ZGP_center-熔硅表面≤500。
而且，这些参数，在施加上述会切磁场时，将检测出的下部的磁场强度称为G_lower，上部的磁场强度称为G_upper，还使上述上、下部的磁场的比率满足1.00≤Exp(G_lower/G_upper)≤135.00，使上述ZGP对上述单晶硅生长装置内部的径向，满足Y＝C1-C2X-C3X2，C1≤500，以及1≤Exp(C3/C2)≤25.。在此，Y是ZGP的位置，X是上述石英坩埚内部的径向位置，C1、C2、C3是适用磁场比率时的系数。
下面，参照图2说明适用了本发明的另一实施例的单晶硅锭生长方法的结晶生长装置。
图2是概略地表示适用了本发明的另一实施例的单晶硅锭生长方法的结晶生长装置的结构图，除了磁铁部件以外包括图1的构成因素，因而对与图1的构成因素相同的构成因素省略其说明。
参照图2，磁铁部件，除图1的磁铁部件之外，在生长室13的下方还可以配置附加的磁铁部件25，并且在上述生长室13的外侧，沿着上述生长室的长度方向(图纸上为Z方向)连续地具备多个线圈部件，根据上、下部磁场的比率、以及电流方向及电流的施加可以选择性地选择上、下部线圈部件。例如，上述上部线圈部件还可利用电流方向相同的2个线圈部件，下部线圈部件还可利用电流方向相反的3个线圈部件。
并且，为了构成沿着上述生长室13的轴向施加不对称磁场的不对称结构，可以使上述上、下部线圈部件16、17的线圈方向互为相反(顺时针方向和逆时针方向)，增大上述下部线圈部件17的直径，并卷绕相同圈数的线圈。
另外，还可以使上述上、下部线圈部件16、17的线圈方向互为相反(顺时针方向和逆时针方向)，并使上述上、下部线圈部件16、17的直径相同，之后卷绕不同圈数的线圈。
根据本发明的另一实施例的上述上部线圈部件与下部线圈部件的直径分别为D1、D2时，满足1.00≤Exp(D1/D2)≤135.00，上述上部线圈部件的线圈圈数与上述下部线圈部件的线圈圈数分别为N1、N2时，满足1.00≤Exp(N2/N1)≤135.00为理想。
根据本发明的另一实施例的上述诸多参数，由上述上部及下部线圈部件16、17施加磁场时，以上述加热器14的上部为基准，如果ZGP及上述熔硅的表面位置与上述加热器上部相一致，假设上部为“+”位置，下部为“-”位置时，使上述ZGP的位置和上述熔硅的表面之间的关系满足0≤ZGP_center-熔硅表面≤500。
而且，这些参数，在施加上述会切磁场时，将检测出的下部的磁场强度称为G_lower，上部的磁场强度称为G_upper，还使上述上、下部的磁场的比率满足1.00≤Exp(G_lower/G_upper)≤135.00，使上述ZGP对上述单晶硅生长装置内部的径向，满足Y＝C1-C2X-C3X2，C1≤500，以及1≤Exp(C3/C2)≤25。在此，Y是ZGP的位置，X是上述石英坩埚内部的径向位置，C1、C2、C3是适用磁场比率时的系数。
下面说明，为了无需增加热区(H/Z)及参数的变更，只靠磁场的特殊控制来满足硅片表面的均匀特性及所需多种氧浓度的范围，并且实现氧浓度的质量要求的同时，通过扩大理论长度，提高硅锭的生长速度从而提高生产效率而被选择的这些参数。
实验例1首先，在本发明的另外实施例中，也为了利用图1的单晶硅生长装置制作8英寸大小的硅片，将籽晶10的旋转速度设定为大约13rpm以上，16至17rpm为理想；将上述石英坩埚12的转速设定为7rpm以下，1rpm以下为理想，0.5至0.7rpm为最理想；将氩气(Ar)的流动率及压力控制在大约70至60lpm和大约25至50torr之间；将硅锭10的拉引速度(mm/min)设定为0.60mm/min以上，0.64至0.69mm/min为理想。
此时，根据以往例，在不施加磁场的状态下进行单晶硅锭的生长，根据本发明的一实施例，则对上述上部及下部线圈部件16、17分别施加例如100V及200V的电压，从而在施加有不对称磁场的状态下进行单晶硅锭的生长。
并且，通过变更上述上部及下部线圈部件16、17的磁场的不对称比率或强度，图1的ZGP以ZGP的中心位置“H”作为基准将位于熔硅12表面的上方。本实施例中，虽然ZGP以ZGP的中心位置“H”作为基准将位于熔硅12的表面上方，但本发明并不限定于此。
如此，适用以往例及本发明的一实施例的单晶硅锭生长方法，得到了如图3所示的结果。
图3是根据本发明的一实施例的单晶硅锭生长方法的沿着单晶硅锭长度方向的氧浓度的均匀度与以往例相比较的图表。
参照图3可以看出，根据以往例，由于在硅锭生长时的长度方向尤其在晶体中，后半部的氧浓度(间隙氧)的抽泵现象，硅锭长度方向的氧浓度的均质度下降，以对所希望氧浓度的大概的上/下限值(细实线)对比目标值(大约为10.50ppma(parts permillion atoms))作为基准时，硅锭长度方向的氧浓度的均质度下降。
与此相反，适用本发明的一实施例时，从晶体的初半部分至后半部分得到了均匀的氧浓度。
下面说明，通过变更不对称磁场的比率，可以在硅锭长度方向得到顾客所希望的多种氧浓度。
实验例2图4是表示根据本发明的一实施例的单晶硅锭生长方法的氧浓度调节状态的图表。
在本发明的另外实施例中，也为了利用图1的单晶硅生长装置制作8英寸大小的硅片，将籽晶10的旋转速度设定为大约13rpm以上，16至17rpm为理想；将上述石英坩埚12的转速促设定为7rpm以下，1rpm以下为理想，0.5至0.7rpm为最理想；将氩Ar的流动率及压力控制在大约70至60lpm和大约25至50torr之间；将硅锭10的拉引速度(mm/min)设定为0.60mm/min以上，0.64至0.69mm/min为理想。
此时，如图4所示，Test1及Test2中，通过改变施加在上、下部线圈部件16、17的电流的比率，改变磁场的比率。
可以看出，在本发明的单晶硅锭的生长方法中，通过改变上、下部磁场的比率或强度，可以生长出具有不同氧浓度的单晶硅。
下面，通过改变磁场的比率或强度的试验，说明在硅锭的长度方向具有均匀的氧浓度，并且能够提供顾客所希望的氧浓度的理想的磁场比率的范围。
实验例3图5是在本发明的一实施例的单晶硅锭生长方法中，按多种不对称磁场比率来表示氧浓度等级的图表，以及按磁场比率表示氧浓度等级的定量值的表。
在本实施例中，也为了利用图1的单晶硅生长装置制作8英寸大小的硅片，将籽晶10的旋转速度设定为大约13rpm以上，16至17rpm为理想；将上述石英坩埚12的转速设定为7rpm以下，1rpm以下为理想，0.5至0.7rpm为最理想；将氩Ar的流动率及压力控制在大约70至60lpm和大约25至50torr之间；将硅锭10的拉引速度设定为0.60mm/min以上，0.64至0.69mm/min为理想。
此时，如图5的样品1、2、3、4、5及6，根据数学式1，在实际生长单晶硅时，不对称地适用磁场上、下部的电流，将磁场比率设定为2.718、3.896、7.389、20.491、，59.740及134.290。此时，可以看出对上述磁场比率的氧浓度的定量值分别为12.900、10.500、9.000、8.100、7.090及6.453。
如上所述，这表示，随着不对称磁场比率的增加氧浓度的等级降低。这是因为，随着施加在石英坩埚11内壁上的磁场成分不同，溶解在熔硅中的氧浓度也不同。
实验例4图6是在本发明的另一实施例的单晶硅锭生长方法中，维持相同的不对称磁场比率的状态下，按磁场强度大小表示氧浓度等级的表及图表，以及按磁场强度大小表示氧浓度等级定量值的表。
在本实施例中，也为了利用图1的单晶硅生长装置制作8英寸大小的硅片，将籽晶10的旋转速度设定为大约13rpm以上，16至17rpm为理想；将上述石英坩埚12的转速设定为7rpm以下，1rpm以下为理想，0.5至0.7rpm为最理想；将氩Ar的流动率及压力控制在大约70至60lpm和大约25至50torr之间；将硅锭10的拉引速度设定为0.60mm/min以上，0.64至0.69mm/min为理想。
如图6所示，在磁场比率为2的NO.2，也可以通过磁场强度的强弱之差，得到氧浓度分别为12.549和8.961的单晶硅锭。
而且，在磁场比率为3的NO.3，通过改变磁场的强度，可以得到氧浓度分别为12.35，10.57及8.392的单晶硅锭。
即，可以确定，具有相同比率的不对称磁场时，根据磁场强度的大小可以调节氧浓度的等级；具有相同的比率时，弱磁场比强磁场实现相对高等级的氧浓度。
而且，如同NO.2及NO.3，即使磁场比率不同，也可以通过适当地调节磁场强度来调节氧浓度的等级。
根据这些试验结果，在本发明的单晶硅锭的生长方法中，被施加的上、下部磁场表现为抛物线时，将检测出的下部的磁场强度称为G_lower，上部的磁场强度称为G_upper，上、下部磁场比率满足如下数学式1。
1.0≤Exp(G_lower/G_upper)≤135.00根据图5，上述数学式1可以变更如下。
2.718≤Exp(G_lower/G_upper)≤134.29
从中可以看出，上述上、下部磁场比率的数值越大，不对称性也随之增大。因而，在不移动上、下部线圈部件16、17的物理位置，改变所连接的电源来改变磁场比率时，如图1所示，随着不对称性增大，ZGP的中心“H”能够移动到熔硅12的上部，其结果能够实现低等级的氧浓度。
此时，由上部及下部线圈部件16、17施加磁场时，以加热器14的上部为基准，如果ZGP及熔硅12的表面位置与加热器14的上部相一致，假设上部为“+”位置，下部为“-”位置，则ZGP的位置和熔硅12的表面之间的关系满足如下数学式2。
0≤ZGP_center-熔硅的表面≤500上述数学式2表示，ZGP的位置至少应位于熔硅12的表面的上方。如前所述，只要能够通过ZGP的位置确定氧浓度，本发明就不受上述限制。
对于结晶生长炉内部的径向，测定以上述数学式1，2的条件施加的磁场的ZGP，其结果满足如下数学式3的关系。
Y＝C1-C2X-C3X2其中，Y是ZGP的位置，X是上述石英坩埚内部的径向位置，C1、C2、C3是适用磁场比率时的系数。
上述数学式3是，表示以试验数据为依据，利用统计性的工具导出了回归式的结果的关系式。如数学式3所述，其为2次方程式，磁场表现为抛物线形状。
而且，根据磁铁部件的物理移动或上、下部磁场比率的变更，适用数学式1及数学式2得到的数学式3的系数C的值在如下的数学式4及5的范围内。
C1≤500上述数学式4用于表示数学式3的截取值，其与数学式2一同表示ZGP中心的位置“H”位于500mm以下的位置。
1≤Exp(C3/C2)≤25上述数学式5，表示数学式3的系数C2及C3的关系，从中可以看出，随着该数值的增大不对称性也增大。
即，根据上述数学式4及数学式5观察数学式3，C1为截取值，当ZGP的中心“H”的位置位于500以下的范围，且对结晶生长炉-石英坩埚11内的径向，ZGP位置的比率在1至25的范围内时，显示出良好的结果。
综上所述，上述所有数学式意味着，当磁场的不对称性满足上述数学式，ZGP的位置位于熔硅12表面的上部，且在所明示的范围内时，能够将氧浓度控制在所要求的等级上。
虽然用生长8英寸单晶硅锭的实施例更具体地说明了本发明，但是上述实施例只用于说明，并不限定本发明的保护范围。
可以确定，在实际现场适用时，只要满足上述数学式1至5的任意一个条件，只靠磁场强度大小也能控制氧浓度的等级。
而且，本发明的单晶硅锭的生长方法，不仅根据10.5ppma以下的低氧浓度，根据顾客所要求的氧浓度等级，无需增加热区的变更，通过调节磁场的比率或强度，也能够进行调节，并且如图6所示，在数学式1至5的范围内轻易地调节各等级的氧浓度。
因而，通过适用本发明的单晶硅锭的生长方法，可调节不同顾客所要求的各种等级的氧浓度，并且不出现增加热区的变更引起的损失，就可以生长出在单结晶的长度方向具有均匀的质量分布的单结晶，尤其，由于后半部的氧浓度抽泵的抑制效果，通过最佳长度的最大化，有望提高生产效率。
接着，参照图7a到7d及图8a至8d说明，本发明的一实施例的单晶硅锭的生长方法可以抑制单晶硅锭生长时的“花瓣”现象。
图7a至图7d是适用了本发明的单晶硅锭生长方法的不对称磁场的模拟结果示意图，图8a至图8d是表示适用了本发明的单晶硅锭生长方法的SR核单元变化的示意图。
在本发明的一实施例中，为了利用如图1所示的本发明的一实施例的单晶硅生长装置，制作8英寸大小的硅片，将籽晶10的旋转速度设定为大约13rpm以上，16至17rpm为理想；将上述石英坩埚12的转速设定为7rpm以下，1rpm以下为理想，0.5至0.7rpm为最理想；将氩Ar的流动率控制在大约70至60lpm，其压力控制在大约25至50torr之间；将硅锭10的拉引速度(mm/min)设定为0.60mm/min以上，0.64至0.69mm/min为理想。
此时，通过对设置在生长室外部的上部及下部线圈部件16、17施加不同的的电压，如图7a至图7d，图示了将上述上部、下部磁场的比率增加至1.0～4.09时的模拟结果。
可以看出，在如图7a的在现有条件下生长的单结晶上出现“花瓣”现象，从图7b起“花瓣”现象开始减少，图7c后被完全抑制。
即，将下部线圈部件17的磁场强度称为G_lower，上部线圈部件16的磁场强度称为G_upper，当上部及下部磁场的比率满足下述数学式6时，“花瓣”现象被控制。
1≤G_lower/G_upper在此，随着磁场比率的增加熔硅的对流速度从4.467e-2m/s减少到4.279e-2m/s。这可以解释为，通过对称的磁场，由下部线圈部件17施加的强磁场抑制了熔硅的对流。
另外，图8a至图8d表示，改变根据本发明的单晶硅锭的生长方法的上、下部磁场比率后，以相同速度旋转籽晶时的SR核单元的位置变化。
参照图8a至图8d可以看出，随着上、下部磁场的比率由1.0增加到4.09，SR所产生的单元中心向硅锭侧移动。这表明，增加上、下部磁场的比率，可以有效地控制SR所产生的单元的位置。
如上所述，磁场的上、下比率从1.0增大到4.09的具体意义在于，施加到上部及下部线圈部件16、17的电流比可以是不对称的。这可以通过简单的操作，如施加在上部及下部线圈部件16、17的数值的输入，能够实现。
如表示试验范围的表1所示，越大于1(对称)“花瓣”现象则减少，并且试验一直进行到其比率为4.09为止。从试验结果看，未确定其上限值的原因在于，如图7a至8d所示，比率越大抑制“花瓣”现象的效果越大。
这与熔硅内的对流现象有关，即籽晶及石英坩埚11的旋转所产生的单元被不对称磁场抑制，尤其是SR所产生的单元的扩张被不对称磁场抑制的结果，抑制了“花瓣”现象。
表1表示，针对以往方法的根据本发明的方法的实际“花瓣”现象的发生比率。表1中，9表示发生了“花瓣”现象，3表示所发生的“花瓣”现象微不足道，1表示完全控制了“花瓣”现象。
表1
其结果，通过改变施加在单晶硅锭生长装置的上、下部线圈部件16、17上的电流值，无需调节加热器的长度或上、下部隔热材料所供给的功率等，也可以控制石英坩埚的熔解速度及熔硅的对流。
即，施加上述不对称磁场时，通过调节下部磁场与上部磁场的比率，使SR所产生的单元中心位于上述熔硅表面半径的30-80％以内，以此控制“花瓣”现象。
使SR单元中心位于上述熔硅表面半径的60％以内，以此控制花瓣现象更为理想。
根据本发明的一实施例，降低SR的转速，会伴随垂直温度梯度(G)值下跌，因而不会出现质量的变化引起的生产效率的低下，而且通过适用不对称磁场，可以抑制SR核单元的位置向石英坩埚11侧的移动。这意味着，适用相同的高速SR时，不降低SR速度的条件下，借助不对称磁场能够抑制SR单元向石英坩埚11侧的移动。
如上所述，只将SR单元中心的位置设定为熔硅表面半径的60％以内，不确定其下限值的原因在于，SR单元的位置移动到内侧时不会发生由SR单元的位置引发的“花瓣”现象。实际上也进行过SR为1rpm时的试验，但未发生“花瓣”现象。
而且，通过调节上、下部磁场的比率，使SR单元中心，与发生“花瓣”现象时相比，移动到硅锭10侧。
具体而言，由于各装置之间的偏差，实际被驱动的对流形式会出现若干偏差，例如，适用相同条件时，在一个装置内不发生“花瓣”现象，但在另一装置内可能会发生“花瓣”现象。此时，为了抑制“花瓣”现象，可以适用根据本发明的制造方法。
而且还可以看出，在适用上、下部磁场的比率为1以上的磁场的工序中，利用不对称磁场能够抑制“花瓣”现象。其被利用为通过适用不对称磁场，控制SR核单元的位置，使其位于抑制“花瓣”现象的位置的控制手段。
但是，SR核单元的位置，可以通过ZGP的位置(比率或磁铁部件的物理移动)随意移动，并且随之对流形式也发生改变，因而能够随意改变SR核单元的位置。而且还意味着，如上所述，发生“花瓣”现象，不仅仅是因为SR的位置，还有多种原因，但不管是何种原因，只要适用不对称磁场技术就能够抑制“花瓣”现象。
因而可以看出，随着上、下部磁场比率的增大，“花瓣”现象将完全被控制。
图9是沿着使用本发明的一实施例的单晶硅锭生长方法制造的硅片径向的氧浓度等级示意图。
从中可以看出，在使用本发明的一实施例的单晶硅锭生长方法制造的硅片，沿着径向的氧浓度分布误差在8％范围内几乎相同，并且由“花瓣”现象引起的直径未达现象，也仅在生长直径为207mm的单晶硅锭时，出现在径向方向两端上，且其直径未达现象仅为2mm左右，可以说几乎不出现。
不难看出，根据本发明的一实施例的单晶硅锭生长装置及生长方法，能够容易制造质优的单晶硅锭和硅片。
如上所述，本发明的单晶硅锭生长装置及生长方法具有如下效果。
本发明的一实施例的单晶硅锭生长装置及方法，与所生产单晶硅锭的氧、电阻率、粘结性等多种质量等级无关，均可适用，而且对所有范围的产品(硅锭、硅片)具有抑制“花瓣”现象的效果，因而能够制造质优的单晶硅锭和硅片。
而且，根据本发明的一实施例的单晶硅锭生长装置及方法，适用不对称磁场时，不仅垂直温度梯度(G)的影响较之SR的变化引起的垂直温度梯度(G)的变化更为显著，而且还可以抑制在硅锭10的长度方向上的氧浓度的变化。
另外，根据本发明的一实施例的单晶硅锭生长装置及方法，通过适用不对称磁场，能够完全抑制单晶生长时出现的“花瓣”现象，而且不会对发生“花瓣”现象时不可避免地出现的直径未达引起的最佳长度的低下及P/S下降等参数的变更引起的生产效率的低下带来影响。
即，在工序中抑制“花瓣”现象时，通过不对称磁场的控制，尤其控制SR引起的熔硅界面附近的对流，防止单晶口径的直径未达，从而能够生长出生产效率高、质优的单晶硅。
根据本发明，在不仅制造中小口径还制造200mm以上的大口径单晶的柴式长晶法，通过不对称磁场的控制，在不出现增加热区(H/Z)的替换，P/S下降，SR的变化等损失的情况下，能够进行对生长单晶时发生的“花瓣”现象的控制。
而且，通过不对称磁场的控制，与取决于口径及炉料尺寸的单晶硅的长度无关，能够在所有单晶硅的长度方向均匀地控制直径，从而能够实现高的生产效率。
另外，在不仅制造中小口径还制造200mm以上的大口径单晶的柴式长晶法，通过不对称磁场的控制，对各种要求的氧浓度，在不出现增加热区(H/Z)的替换及参数的替换等损失的情况下，可以使氧浓度沿着结晶长度方向分布均匀。
控制单晶硅的氧浓度时，使ZGP的位置位于熔硅表面的上部，并通过不对称磁场的控制，尤其均匀地控制结晶后半部的氧浓度，可以提高生产效率，生长出高品质的单晶硅。
本发明作为参考说明了在附图中图示的一实施例，但是其只不过是例示，只要是所属技术领域的技术人员，从中能够推导出多种变更例及同等的实施例。因此，本发明的真正的保护范围应依据权利要求书的范围而被确定。
权利要求
1.一种单晶硅锭的生长装置，使用柴式长晶法生产单晶硅锭，其特征在于包括，生长室；设置在生长室的内部，且装有熔硅的坩埚；设置在上述坩埚的侧方、用以加热上述熔硅的加热器；拉引从上述熔硅生长出的单晶硅的拉引机构；及设置在上述生长室的外部，对上述熔硅施加不对称磁场的非对称结构的磁铁部件。
2.根据权利要求1所述的单晶硅锭的生长装置，其特征在于上述非对称结构的磁铁部件包括上下部的线圈部件。
3.根据权利要求2所述的单晶硅锭的生长装置，其特征在于上述上下部线圈部件，其线圈直径相同、线圈圈数相同，并且，连接在上述下部线圈的电源电压高于连接在上述上部线圈的电源电压。
4.根据权利要求2所述的单晶硅锭的生长装置，其特征在于上述上下部线圈部件分别为螺线管状，并且上述上部线圈部件的直径小于下部线圈部件的直径。
5.根据权利要求2所述的单晶硅锭的生长装置，其特征在于上述上下部线圈部件分别为螺线管状，上述上下部线圈部件的直径相同，并且上述上部线圈部件的线圈圈数小于上述下部线圈部件的线圈圈数。
6.根据权利要求2所述的单晶硅锭的生长装置，其特征在于上述上下部线圈部件分别为螺线管状，并且上述上下部线圈部件的直径相同，上述下部线圈部件还具备磁感应部件。
7.根据权利要求2所述的单晶硅锭的生长装置，其特征在于由上述上部及下部线圈部件施加磁场时，将位于上部及下部磁场中间、且其磁场强度为零的平面定义为ZGP，而将所述ZGP的中心部定义为ZGP_center时，以上述加热器的上部为基准，如果ZGP及上述熔硅的表面位置与上述加热器上部相一致，假设上部为“+”位置，下部为“-”位置，则上述ZGP的位置和上述熔硅的表面之间的关系满足0≤ZGP_center-熔硅表面≤500。
8.根据权利要求2所述的单晶硅锭的生长装置，其特征在于在施加上述会切磁场时，将检测出的下部的磁场强度称为G_lower，上部的磁场强度称为G_upper，则上述上、下部的磁场的比率满足1.00≤Exp(G_lower/G_upper)≤135.00。
9.根据权利要求2所述的单晶硅锭的生长装置，其特征在于上述ZGP，对上述单晶硅生长装置内部的径向，满足Y＝C1-C2X-C3X2，C1≤500，以及1≤Exp(C3/C2)≤25，其中，Y是ZGP上的位置，X是在上述坩埚内部的径向位置，C1、C2、C3分别是适用磁场比率时的系数。
10.一种单晶硅锭的生长方法，使用柴式长晶法生产单晶硅锭，其特征在于在单晶硅锭的生长装置外侧，施加不对称会切磁场的状态下，实行从单晶熔硅拉引单籽晶的步骤。
11.根据权利要求10所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于上述不对称磁场包括，由配置在上述单晶硅锭的生长装置外侧的上部及下部线圈部件产生的上部磁场和下部磁场，上述上部及下部磁场强度由被施加到上述上部及下部线圈部件中至少一个部件的电流和磁感应部件中的至少一个部件调整。
12.根据权利要求11所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于通过上部磁场和下部磁场之间比率的变化，使ZGP位于上述熔硅表面的上部。
13.根据权利要求11所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于上述上部和下部磁场强度互不相同，且下部磁场强度大于上述上部磁场强度。
14.根据权利要求11所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于通过上述不对称磁场的比率的变化，控制单晶锭长度方向的氧浓度。
15.根据权利要求11所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于通过上述不对称磁场强度的变化，控制单晶锭长度方向的氧浓度。
16.根据权利要求11所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于施加上述不对称会切磁场的步骤，利用由配置在单晶硅生长装置的外侧上下部的一对线圈部件产生的会切磁场，并且在施加上述会切磁场时，将检测出的下部的磁场强度称为G_lower，上部的磁场强度称为G_upper，则上述上、下部的磁场的比率满足1.00≤Exp(G_lower/G_upper)≤135.00。
17.根据权利要求11所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于由上述上部及下部线圈部件施加磁场时，将位于上部及下部磁场中间、且其磁场强度为零的平面定义为ZGP，而将所述ZGP的中心部定义为ZGP_center时，以上述加热器的上部为基准，如果ZGP及上述熔硅的表面位置与上述加热器上部相一致，假设上部为“+”位置，下部为“-”位置，则上述ZGP的位置和上述熔硅的表面之间的关系满足0≤ZGP_center-熔硅表面≤500。
18.根据权利要求11所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于上述ZGP，对上述单晶硅生长装置内部的径向，满足Y＝C1-C2X-C3X2，以及C1≤500，其中，Y是ZGP上的位置，X是上述坩埚内部的径向位置，C1、C2、C3分别是适用磁场比率时的系数。
19.根据权利要求18所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于上述系数C2、C3的值满足1≤Exp(C3/C2)≤25。
20.根据权利要求11所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于通过上述不对称磁场的比率的变化，控制沿着单晶硅锭的圆周方向发生的“花瓣”现象。
21.根据权利要求11所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于通过上述不对称磁场的比率的变化，籽晶旋转单元中心被控制在上述熔硅表面半径的30％-80％之内。
22.根据权利要求21所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于上述籽晶旋转单元中心被控制在上述熔硅表面半径的60％以内。
23.根据权利要求11所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于上述籽晶旋转单元中心的控制，由施加到上述上部或下部线圈部件上的电流控制。
24.根据权利要求11所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于上述籽晶旋转单元中心的控制，被上述上部或下部线圈部件中的至少一个磁感应部件控制。
25.根据权利要求11所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于通过增加上述上、下部磁场的不对称比率，减少熔硅的对流速度。
26.根据权利要求10所述的单晶硅锭的生长方法，其特征在于籽晶的旋转速度控制为13rpm以上，坩埚的旋转速度控制为7rpm以下，氩气的流动率及压力分别控制为70～60lpm和25～50torr，单晶硅锭的的拉引速度设定为0.60mm/min以上。
27.一种单晶硅锭，其为由配置在单晶硅锭生长装置的外侧的上下部线圈部件，向上述单晶硅锭生长装置的上、下部不对称地施加会切磁场的状态下，使用柴式长晶法生产出的单晶硅锭，其特征在于在上述单晶硅锭的径向上，结晶生长方向几乎均匀，其全长的70％以上的范围内的晶格间氧浓度均匀。
28.根据权利要求27所述的单晶硅锭，其特征在于在施加上述会切磁场时，将检测出的下部的磁场强度称为G_lower，上部的磁场强度称为G_upper，上述上、下部的磁场的比率满足1.00≤Exp(G_lower/G_upper)≤135.00，则上述晶格之间的氧浓度为6ppma至14ppma。
29.根据权利要求28所述的单晶硅锭，其特征在于上述单晶硅锭直径为大于或等于200mm。
30.根据权利要27所述的单晶硅锭，其特征在于上述单晶硅锭的直径为207mm时，在其径向产生等于小于7mm的直径未达。
31.一种硅片，从由配置在单晶硅锭生长装置的外侧的上下部线圈部件，向上述单晶硅锭生长装置的上、下部不对称地施加会切磁场的状态下，使用柴式长晶法生产出的单晶硅锭制造，其特征在于上述硅片的直径大于或等于200mm，沿着径向，氧浓度的误差范围在等于或小于8％。
全文摘要
本发明涉及一种单晶硅锭和硅片，及其生长装置，以及生长方法。根据单晶硅锭的生长方法，由配置在使用柴式长晶法(柴式长晶法)从熔硅拉引单晶的单晶硅生长装置外侧的线圈部件，沿着生长室(Chamber)施加不对称磁场，并且无须电流控制等附加构成因素而控制上述不对称磁场的比率或强度，以使ZGP(Zero Gauss Plane)能够位于上述熔硅表面的上部。根据如上构成，有以下优点。在不仅制造中小口径还制造200mm以上的大口径单晶的柴式长晶法，通过不对称磁场的控制，对各种要求的氧浓度，在不出现增加热区(H/Z)的替换及参数的替换等损失的情况下，可以使氧浓度沿着结晶长度方向分布均匀。另外，还可以完全控制单晶生长时发生的“花瓣”现象，不受“花”现象发生时不可避免地发生的直径未达引起的最佳长度的下降和P/S下降等参数改变的影响。
文档编号C30B29/06GK1908249SQ20061009914
公开日2007年2月7日 申请日期2006年7月27日 优先权日2005年7月27日
发明者洪宁皓, 郭晚锡, 崔日洙, 赵铉鼎, 李洪雨 申请人:希特隆股份有限公司