專利名稱：用于生長單晶錠的拉晶機和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于生長單晶半導(dǎo)體材料的拉晶機和方法，更具體地涉及一種用于生長具有預(yù)期(想要的)缺陷特性的晶錠或晶體的拉晶機和方法。
背景技術(shù)：
近年來，人們已認(rèn)識到隨著晶錠從凝固溫度冷卻，在拉晶機(有時被稱為熱區(qū))內(nèi)會形成許多位于單晶硅中的缺陷。更具體地，隨著晶錠冷卻，本征點缺陷例如晶格空位或硅自間隙在硅晶格中仍保持可溶解，直到達到一定溫度閾值，在該溫度閾值之下本征點缺陷的給定濃度變成臨界過飽和。在冷卻到此溫度閾值之下時，會發(fā)生反應(yīng)或附聚(agglomeration)，從而形成附聚的本征點缺陷。
隨著晶錠從凝固溫度(即，大約1410℃)冷卻到高于大約1300℃(即，大約1325℃、1350℃或更大)的溫度，在硅中的這些本征點缺陷的類型和初始濃度被確定；即，這些缺陷的初始類型和初始濃度由比率v/G0控制，其中v是生長速度，G0是在此溫度范圍內(nèi)的平均軸向溫度梯度。通常，在v/G0的臨界值附近會發(fā)生從自間隙為主的生長到空位為主的生長的轉(zhuǎn)變，根據(jù)目前可以利用的信息，v/G0的臨界值大約為2.1×10-5cm2/sK，其中G0是在該軸向溫度梯度在上述溫度范圍內(nèi)保持恒定的條件下確定的。因此，可以控制工藝條件例如生長速度(其影響v)以及熱區(qū)構(gòu)造(其影響G0)，以確定單晶硅中的初始本征點缺陷主要是空位(v/G0通常大于該臨界值)還是自間隙(v/G0通常小于該臨界值)。
與晶格空位的附聚有關(guān)的缺陷，或者空位本征點缺陷包括可以觀測到的晶體缺陷，如D缺陷、流型缺陷(FPDs)、柵氧化層完整性(GOI)缺陷、晶體原生顆粒(COP)缺陷，以及晶體原生光點缺陷(LPDs)，以及通過紅外線散射技術(shù)(例如掃描紅外顯微術(shù)和激光掃描層析x射線攝影術(shù))可以觀測到的特定級別的體缺陷。在過?？瘴坏膮^(qū)域內(nèi)還存在作為用于形成氧化誘生堆垛層錯(OISF)的核的缺陷。據(jù)推測該特定缺陷是由于存在過?？瘴欢呋母邷鼐吆搜醭恋砦?。
與硅自間隙的附聚有關(guān)的缺陷包括諸如A缺陷和B缺陷(有時被稱為A類型漩渦缺陷和B類型漩渦缺陷)的可觀測到的晶體缺陷。A缺陷被認(rèn)為是與間隙有關(guān)的位錯環(huán)。B缺陷被認(rèn)為是三維間隙附聚物。
除了作為溶質(zhì)存在于單晶硅內(nèi)的點缺陷之外，許多雜質(zhì)例如摻雜劑和氧也作為溶質(zhì)存在于Cz硅中，并可能影響附聚的本征點缺陷(例如A、B和D缺陷以及OSF核和OSF)乃至共附聚的本征點缺陷的形成。附聚缺陷作為游離相存在于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隨著熔體/晶體界面處的生長條件以及Cz硅晶體中的各個位置的時間-溫度(或熱)過程而變化。
參照圖3，附聚缺陷的形成涉及多個物理和化學(xué)過程。但是，簡單地說，可在晶體內(nèi)在一個給定溫度范圍內(nèi)確定一組速度控制步驟。例如，可確定附聚缺陷的形成中的一些重要步驟，以及其中各步驟起主要作用的溫度范圍。這些步驟包括1)點缺陷的結(jié)合(該步驟)涉及通過點缺陷的擴散和復(fù)合(再結(jié)合，recombination)之間的相互作用在十分接近熔體/晶體界面處建立一種的新的點缺陷分布。已表明，通過控制晶體生長速度(平均為拉晶速度v)，和在熔體/晶體界面處的晶體中的軸向溫度梯度(Gs，f，z)的大小，可以控制距該界面很短距離內(nèi)的初始點缺陷的類型和濃度。
2)向外擴散和復(fù)合在此階段內(nèi)，本征點缺陷(硅自間隙和/或晶格空位)可向外擴散到晶體表面，或者硅自間隙和晶格空位可向彼此擴散并共同復(fù)合從而彼此湮滅。
3)成核當(dāng)主要點缺陷充分過飽和時會發(fā)生成核(核形成)?？瘴煌ǔＴ趶拇蠹s1273K到大約1473K、從大約1298K到大約1448K、從大約1323K到大約1423K，或從大約1348K到大約1398K的范圍內(nèi)的溫度下發(fā)生附聚。控制在此范圍內(nèi)的冷卻速度會影響附聚的空位缺陷的密度。硅自間隙通常在從大約1373K到大約1073K或從大約1323K到大約1173K的范圍內(nèi)的溫度下發(fā)生附聚。隨著被結(jié)合的空位濃度的減小，主要空位成核發(fā)生的溫度也降低。換句話說，空位濃度越低，成核速度以及發(fā)生成核的溫度也越低。
4)生長在成核后，穩(wěn)定的核進行生長。
5)氧沉淀物在存在空位的情況下氧會成核，并且在1323K-973K之間逐漸生長。在存在空位的情況下會增加氧沉淀物。即，晶格空位和氧間隙可共附聚以形成氧沉淀物核，或者如果形成為足夠大則形成氧沉淀物。
6)雜質(zhì)沉淀其它雜質(zhì)也可能形成沉淀物。此步驟的溫度范圍取決于雜質(zhì)的類型和濃度。
圖4是一生長晶體的示意圖，其示出該晶體內(nèi)的順序的缺陷動力學(xué)特性。一個晶體區(qū)段依次經(jīng)歷初始點缺陷結(jié)合(I)、擴散和復(fù)合(DR)、成核(N)和生長(G)。在成核和生長期間產(chǎn)生氧沉淀物(OP)。很明顯，在熔體/晶體界面處的晶體中的溫度梯度以及晶體生長速度在初始點缺陷的結(jié)合中起重要作用。隨后的過程例如成核和生長則受局部冷卻速度，即，在本征點缺陷的初始結(jié)合之后晶體的熱過程的影響。在生長期間，局部冷卻速度由v×Gs，f，z給出，其中Gs，f，z是局部溫度梯度。因此，晶體中的溫度分布圖對于控制所有沉淀物的成核速度和生長很重要。
在許多應(yīng)用中，優(yōu)選地，隨后將被切成硅片的硅晶體的一部分或全部基本沒有附聚缺陷。存在一些用于生長無缺陷或缺陷受控的硅晶體的方法。在一種方法中，控制比率v/Gs，f，z以確定本征點缺陷的初始類型和濃度?？刂齐S后的熱過程以延長擴散時間，以便抑制本征點缺陷的濃度，并防止在晶體的一部分或全部內(nèi)形成附聚的本征點缺陷。例如，可參見美國專利Nos.6287380、6254672、5919302、6312516和6328795，這些專利的全部公開內(nèi)容因而結(jié)合在此處作為參考。在另一種有時被稱為快速冷卻硅(RCS)生長工藝的方法中，控制比率v/Gs，f，z以確定本征點缺陷的初始類型和濃度?？刂齐S后的熱過程以快速冷卻晶體到目標(biāo)成核溫度，以防止形成附聚的本征點缺陷。此方法還可包括允許延長在成核溫度之上的冷卻時間，以便在快速冷卻晶體到該目標(biāo)成核溫度之前減小本征點缺陷的濃度，以防止形成附聚的本征點缺陷。例如，可參見國際公開號為WO 01/21861的2001年3月29日公布的國際申請No.PCT/US00/25525，該專利的全部公開內(nèi)容結(jié)合在此處作為參考。在一種類似的方法中，控制生長條件、v/Gs，f，z以及通向目標(biāo)成核溫度的冷卻速度，以便限制在從中得到的單晶硅片中的與空位有關(guān)的附聚缺陷的尺寸和在某些情況下的密度，以及任選地剩余空位濃度。例如，可參見國際公開號為WO 02/066714的2002年8月29日公開的PCT申請No.PCT/US02/01127，該專利的全部公開內(nèi)容因而結(jié)合在此處作為參考。
但是，根據(jù)硅片的應(yīng)用場合，生產(chǎn)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，可以接受或希望生產(chǎn)這樣的材料，該材料的一部分或全部包含D缺陷、OSF、OSF核、B缺陷或A缺陷，或它們的組合。例如，在一些應(yīng)用中，硅晶體在其中D缺陷在整個晶體中形成的條件下生長。然后，對從這種包含D缺陷的晶體切下的硅片進行熱退火以從硅片的表面區(qū)域除去D缺陷，或進行外延淀積過程，其中通過在硅片表面上沉積外延層來填充顯現(xiàn)在硅片表面上的D缺陷例如COPs。在其它應(yīng)用中，可能希望在其中B缺陷在整個晶體中形成的條件下生長晶體?？蓪倪@種包含B缺陷的晶體切下的硅片進行快速熱退火以溶解B缺陷。例如，可參見國際公開號為WO 01/21865的2001年3月29日公開的國際申請No.PCT/US/00/25524。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于生長具有預(yù)期缺陷特性的單晶硅晶體的裝置和方法。更具體地，本發(fā)明提供一種用于控制在熔體/晶體界面附近的生長參數(shù)v/Gs，f，z以及在多個相關(guān)溫度范圍內(nèi)的晶體區(qū)段的時間-溫度過程，以便控制附聚缺陷的形成和分布的裝置和方法。
在本發(fā)明的一個方面中，一種用于根據(jù)Czochralski方法生長單晶錠的拉晶機包括一殼體和一位于該殼體內(nèi)的用于容納半導(dǎo)體源材料熔體的坩堝。該拉晶機還包括與該坩堝相鄰的用于加熱該坩堝的一側(cè)面加熱器(sideheater)，以及用于從熔體的上表面向上拉出生長晶錠的拉制機構(gòu)。熔體的上表面的一部分在生長晶錠期間保持暴露，并具有一定的面積。一熔體熱交換器的大小和形狀使得其可圍繞該晶錠，并且該熔體熱交換器設(shè)置成與該熔體的暴露的上表面部分相鄰。該熱交換器包括一設(shè)置成朝向該熔體的暴露的上表面部分的熱源。該熱源的用于將熱量輻射給該熔體的面積的大小至少為熔體的暴露上表面部分的面積的30％，以便控制在熔體的上表面處的傳熱。熔體熱交換器適于減少在該暴露上表面部分處的熱損失。
在另一方面，用于拉晶機的一反射器組件包括一蓋罩，該蓋罩設(shè)置在熔體上方并具有一中心開口，該開口的大小和形狀使得其可在從熔體中拉制晶錠時圍繞該晶錠。一晶體熱交換器至少部分地安裝在該蓋罩內(nèi)，并適于設(shè)置在熔體上方并且基本圍繞該晶錠，以便冷卻與熔體/晶體界面相鄰的生長晶錠的第一區(qū)段。一熔體熱交換器至少部分地安裝在該蓋罩內(nèi)，并適于緊鄰熔體表面圍繞該晶錠，以便控制該熔體表面處的傳熱。
在另一方面，用于拉晶機中的一反射器包括一晶體熱交換器，該晶體熱交換器的大小和形狀使得其可放置在熔體上方并基本圍繞該晶錠，以便冷卻緊鄰熔體/晶體界面的生長晶錠的第一區(qū)段。一下部晶體加熱器設(shè)置在該晶體熱交換器上方并基本圍繞該晶錠，以便保持該晶錠的第二區(qū)段處于預(yù)定溫度。
在另一方面，該拉晶機包括一反射器，該反射器包括一環(huán)形熔體熱交換器，該熔體熱交換器的大小和形狀使得其可圍繞該晶錠并設(shè)置成鄰近熔體的暴露上表面部分。該熱交換器包括一熱源，該熱源適于設(shè)置成朝向該熔體的暴露的上表面部分并位于距該熔體的暴露的上表面部分50mm內(nèi)。該熱源的面積的大小至少為該熔體的暴露的上表面部分的面積的40％，以便控制在該熔體的上表面處的傳熱。該熔體熱交換器適于減少在該暴露的上表面部分處的熱損失，并且一晶體熱交換器的大小和形狀使得其可設(shè)置在熔體上方并基本圍繞該晶錠，以便冷卻該生長晶錠的第一區(qū)段。
本發(fā)明的另一方面涉及一種生長單晶錠的方法。該方法包括在坩堝中形成半導(dǎo)體源材料的熔體，從該熔體的表面拉出半導(dǎo)體源材料，以便該源材料凝固成單晶錠，并使用一設(shè)置成朝向該熔體的暴露的上表面部分的熱源選擇性地控制在熔體的表面處的傳熱。該熱源的用于向該熔體輻射熱量的面積的大小至少為該熔體的暴露的上表面部分的面積的30％。
另一種生長單晶錠的方法包括從熔體向上拉制生長晶錠。該拉晶機包括一與該坩堝鄰近的用于加熱該坩堝的側(cè)面加熱器，以及一面對該熔體表面的暴露部分的至少30％以便加熱該暴露部分的熔體熱交換器。該方法還包括控制該熔體熱交換器和側(cè)面加熱器的溫度以便控制在該晶錠內(nèi)形成缺陷。
另一種生長單晶錠的方法包括通過控制在熔體/晶體界面處的溫度場來控制在該界面處的軸向溫度梯度。
另一種生長單晶錠的方法包括控制熔體熱交換器和側(cè)面加熱器輻射出的熱量以控制界面形狀，并且控制下部加熱器輻射出的熱量以控制該生長晶錠的區(qū)段的熱過程。
本發(fā)明的其它目標(biāo)和特征部分很明顯，部分在下文指出。


圖1是一種新型拉晶機的一實施例的示意性剖視圖；圖2是該新型拉晶機的另一實施例的示意性剖視圖(具有熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))；圖3和4是缺陷動力學(xué)的示意圖；圖5A-5B是利用最大坩堝溫度隨熔體/晶體界面處的負(fù)的熔體側(cè)溫度梯度的變化對具有和不具有熔體熱交換器(MHE)的拉晶機進行的比較，圖5A是使傳統(tǒng)拉晶機與該新型拉晶機相比較的最大坩堝溫度的圖，圖5B是用加熱器功率代替最大坩堝溫度的圖。
圖6示出對于不同的Gs，f，z，在熔體/晶體界面處的v/Gs，f，z和Gl，f，z之間的關(guān)系。
圖7是對于固定的v/Gs，f，z，在界面處的參數(shù)的變化的定量圖；圖8是傳統(tǒng)拉晶機的示意圖，圖8A是坩堝溫度隨熔體/晶體界面處的熔體側(cè)溫度梯度而變化的圖；圖9是與拉晶機設(shè)計的品質(zhì)有關(guān)的坩堝溫度和在界面及在開放表面處的熔體側(cè)溫度梯度之間的關(guān)系的圖；圖10是界面形狀與熔體熱交換器(MHE)的功率的可能的定性關(guān)系的圖。
圖11是傳統(tǒng)拉晶機和具有起作用的熔體熱交換器(MHE)和晶體熱交換器(CHE)的新型拉晶機的界面處的Gs，f，z的徑向分布圖；圖12A示出具有起作用的熔體熱交換器(MHE)和晶體熱交換器(CHE)的新型拉晶機中的晶體內(nèi)的軸向溫度分布圖與傳統(tǒng)拉晶機的比較，圖12B示出具有起作用的熔體熱交換器(MHE)和晶體熱交換器(CHE)的新型拉晶機中的晶體內(nèi)的局部軸向溫度梯度(Gs，z＝-_Ts/_z)與傳統(tǒng)拉晶機的比較；圖13是具有各種熱源和吸熱器(heat sink)的新型拉晶機中的軸向溫度分布圖和傳統(tǒng)拉晶機中的分布圖；圖14是傳統(tǒng)拉晶機中Gs，f，z相對于拉晶速度的變化的圖；圖15示出基線傳統(tǒng)拉晶機中的模擬溫度場；圖16A是在傳統(tǒng)生長晶體中的軸向溫度分布圖；圖16B是作為徑向位置的函數(shù)的在熔體/晶體界面處的晶體側(cè)負(fù)軸向溫度梯度(Gs，f，z)的圖。
圖17是具有起作用的上部加熱器(UH)和不起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)和下部加熱器(LH)的被很好地絕緣的新型拉晶機中的模擬溫度場；圖18A示出傳統(tǒng)拉晶機和具有起作用的上部加熱器(UH)的絕緣的新型拉晶機中的軸向溫度分布圖；圖18B示出對傳統(tǒng)拉晶機和具有起作用的上部加熱器(UH)的絕緣的新型拉晶機的在界面處的Gs，f，z的比較；圖18C示出傳統(tǒng)拉晶機和具有起作用的上部加熱器(UH)的絕緣的新型拉晶機的比率qfusion，z/qi，f，z的徑向變化；圖19是具有起作用的晶體熱交換器(CHE)和上部加熱器(UH)以及不起作用的下部加熱器(LH)和熔體熱交換器(MHE)的新型拉晶機中的模擬溫度場；圖20A示出傳統(tǒng)拉晶機、具有起作用的上部加熱器(UH)的絕緣的新型拉晶機，以及具有起作用的晶體熱交換器(CHE)和上部加熱器(UH)的新型拉晶機的軸向溫度分布的比較；圖20B示出傳統(tǒng)拉晶機、具有起作用的上部加熱器(UH)的絕緣的新型拉晶機，以及具有起作用的晶體熱交換器(CHE)和上部加熱器(UH)的新型拉晶機的Gs，f，z的比較；圖20C示出傳統(tǒng)拉晶機、具有起作用的上部加熱器(UH)的絕緣的新型拉晶機，以及具有起作用的晶體熱交換器(CHE)和上部加熱器(UH)的新型拉晶機的比率qfusion，z/qi，f，z的變化；圖21是具有起作用的晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH)并具有不起作用的熔體熱交換器(MHE)的新型拉晶機中的模擬溫度場；圖22A是傳統(tǒng)拉晶機和多種配置的新型拉晶機的軸向溫度分布的比較；圖22B是傳統(tǒng)拉晶機和多種配置的新型拉晶機的Gs，f，z的比較；圖22C是傳統(tǒng)拉晶機和多種配置的新型拉晶機的比率qfusion，z/qi，f，z的變化；圖23A-23B是傳統(tǒng)拉晶機和不同配置的新型拉晶機的最大坩堝溫度和側(cè)面加熱器功率的直方圖；圖24A-24B是不同配置的新型拉晶機的從熔體表面的熱損失(根據(jù)Gl，os，z)與側(cè)面加熱器功率之間的關(guān)系的直方圖；圖25是多種配置的新型拉晶機在界面處的Gs，f，z的徑向變化的直方圖；圖26是新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))在MHE的溫度等于2100K并且UH功率等于20kW的情況下的模擬溫度場；圖27示出新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))的熔體熱交換器(MHE)的溫度對開放的熔體表面處的傳熱的影響；圖28示出新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))的熔體熱交換器(MHE)的溫度對最大坩堝溫度的影響；圖29示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中，熔體熱交換器(MHE)的溫度對側(cè)面加熱器功率的影響；圖30示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)和下部加熱器(LH))中，側(cè)面加熱器的功率對熔體熱交換器(MHE)溫度的敏感性；圖31A-31D是示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中，界面形狀與MHE溫度的關(guān)系的模擬溫度場；圖32示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中，v/Gl，f，z隨熔體熱交換器(MHE)溫度的增加而減?。粓D33A示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))內(nèi)所生長的晶體中，熔體熱交換器(MHE)的溫度對界面處的Gs，f，z的影響；圖33B示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中Gs，f，z的徑向變化；圖33C示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中在不同的MHE溫度下所生長的晶體中的軸向溫度分布圖；圖34示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中在MHE的功率等于大約27.02kW的情況下的模擬溫度場；圖35示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中熔體熱交換器(MHE)的功率對Gl，os，z的影響；圖36示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中熔體熱交換器(MHE)的功率對最大坩堝溫度的影響；圖37示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中熔體熱交換器(MHE)的功率對側(cè)面加熱器的功率的影響；圖38A-38D示出所模擬的在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中界面形狀根據(jù)熔體熱交換器(MHE)的功率而變化的情況；圖39示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中Gl，f，z與熔體熱交換器(MHE)的功率的關(guān)系；圖40A示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中熔體熱交換器(MHE)的功率對Gs，f，z的影響；圖40B示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中熔體熱交換器(MHE)的功率對Gs，f，z的相對均勻性的影響；
圖40C示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中熔體熱交換器(MHE)的功率對晶體區(qū)段的時間-溫度過程的影響；圖41示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中熔體熱交換器(MHE)的溫度對最大坩堝溫度的影響；圖42A示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中熔體熱交換器(MHE)的溫度對Gs，f，z(r)的影響；圖42B示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中熔體熱交換器(MHE)的溫度對Gs，f，z(r)的相對均勻性的影響；圖42C示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中熔體熱交換器(MHE)的溫度對晶體區(qū)段的時間-溫度過程的影響；圖43示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中拉晶速度對MHE和熔體之間的熱傳遞的影響；圖44示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中，在MHE的溫度固定在1900K、LH和UH功率分別固定在2.28kW和20kW的情況下，拉晶速度對側(cè)面加熱器的功率的影響；圖45是在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中在MHE的溫度固定在1900K的情況下，增加拉晶速度對最大坩堝溫度的影響；圖46示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中在MHE溫度固定在1900K的情況下，拉晶速度對熔體側(cè)軸向溫度梯度的影響；
圖47示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中，隨著拉晶速度增加由凝固產(chǎn)生的放熱的作用(貢獻)增加；圖48示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中拉晶速度對Gs，f，z(r)的均勻性和幅值的影響；圖49示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中Gs，f，z隨拉晶速度產(chǎn)生的相對變化；圖50示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中，v和v/Gs，f，z之間的非線性關(guān)系；圖51示出在新型拉晶機(起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH))中生長的晶體中的作為拉晶速度的函數(shù)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度分布圖；圖52A-52D示出在具有起作用的熔體熱交換器(MHE)、晶體熱交換器(CHE)、下部加熱器(LH)和上部加熱器(UH)的新型拉晶機中，在MHE的溫度固定在1900K的情況下，隨拉晶速度而變化的模擬界面形狀；圖53A示出在具有起作用的熔體熱交換器(MHE)和晶體熱交換器(CHE)的新型拉晶機中，在拉晶速度等于0.5mm/分鐘、MHE的功率固定在40.53kW并且CHE溫度固定在300K的情況下的模擬溫度場；圖53B示出在具有起作用的熔體熱交換器(MHE)和晶體熱交換器(CHE)的新型拉晶機中，在拉晶速度等于2.5mm/分鐘的情況下的模擬溫度場；圖54示出對于具有起作用的熔體熱交換器(MHE)和晶體熱交換器(CHE)的新型拉晶機，在開放表面處的熔體側(cè)的負(fù)軸向溫度梯度隨拉晶速度而產(chǎn)生的徑向變化；
圖55示出在具有起作用的熔體熱交換器(MHE)和晶體熱交換器(CHE)的新型拉晶機中，隨著拉晶速度而變化的側(cè)面加熱器的功率；圖56示出在具有起作用的熔體熱交換器(MHE)和晶體熱交換器(CHE)的新型拉晶機中，隨著拉晶速度的增加最大坩堝溫度降低；圖57示出在具有起作用的熔體熱交換器(MHE)和晶體熱交換器(CHE)的新型拉晶機中，Gs，f，z隨著拉晶速度而產(chǎn)生的徑向變化；圖58示出在具有起作用的熔體熱交換器(MHE)和晶體熱交換器(CHE)的新型拉晶機中，Gs，f，z隨著拉晶速度的增加而產(chǎn)生的相對徑向變化；圖59示出在具有起作用的熔體熱交換器(MHE)和晶體熱交換器(CHE)的新型拉晶機中，隨著拉晶速度的增加由凝固產(chǎn)生的放熱的作用增加對晶體中的熱傳導(dǎo)(根據(jù)v/Gl，f，z測量)的影響；圖60A-60C示出在具有起作用的熔體熱交換器(MHE)和晶體熱交換器(CHE)的新型拉晶機中，隨拉晶速度而變化的模擬界面形狀；圖61示出在具有起作用的熔體熱交換器(MHE)和晶體熱交換器(CHE)的新型拉晶機中，在生長晶體內(nèi)的軸向溫度分布圖；以及圖62示出在具有起作用的熔體熱交換器(MHE)和晶體熱交換器(CHE)的新型拉晶機中，隨拉晶速度而變化的v/Gs，f，z。
在這些附圖中，對應(yīng)的參考標(biāo)號表示對應(yīng)的部件。
具體實施例方式
參照圖1，新型拉晶機CP的一個實施例包括殼體H，以及一位于該殼體內(nèi)的用于容納半導(dǎo)體材料(例如硅)熔體M的石英坩堝CR。固定在該殼體內(nèi)并適于朝該坩堝延伸的拉制機構(gòu)P(合適地為軸或拉制線)適于從熔體中連續(xù)拉出固態(tài)單晶錠或晶體C。適當(dāng)?shù)毓潭ㄔ跉んwH的生長室中的管狀石墨反射器R(或熱屏蔽)包括蓋罩GC，該蓋罩合適地由石墨制成并且具有一中心開口，該中心開口的大小和形狀設(shè)計成用以圍繞該生長晶體。環(huán)形熔體熱交換器MHE安裝在蓋罩GC內(nèi)以面對暴露的熔體表面MS。熔體熱交換器MHE包括一熱源例如電動加熱器。該熔體熱交換器MHE還包括吸熱結(jié)構(gòu)。晶體熱交換器CHE(或起作用冷卻夾套)也安裝在該蓋罩GC內(nèi)以圍繞并面對生長晶體C。晶體熱交換器CHE設(shè)置在熔體熱交換器MHE之上并盡可能地靠近熔體/晶體界面F，以便晶體熱交換器CHE冷卻緊鄰該界面的一個晶體區(qū)段(或從中除去熱量)。該晶體熱交換器CHE由常用的冷卻液(通常為水)冷卻，不過也可使用其它傳熱介質(zhì)。晶體熱交換器CHE還可包括加熱器。在一個實施例中，通過調(diào)整通過熔體熱交換器的電流(功率)可控制熔體熱交換器的溫度(以及獲得的傳熱能力)。晶體熱交換器的溫度適當(dāng)?shù)赝ㄟ^調(diào)整冷卻液的溫度和流量來控制。
反射器R的蓋罩GC也可填充或至少部分填充有絕緣體INS，例如以防止暴露的熔體表面MS(熔體的暴露的上表面部分)與晶體外表面之間發(fā)生輻射熱傳遞。具有合適導(dǎo)熱性的絕緣體INS任選地可設(shè)置在熔體熱交換器MHE和開放的熔體表面MS之間，以進一步控制(例如阻止)該熔體表面和MHE之間的傳熱。此外，具有要求的導(dǎo)熱性的絕緣體INS設(shè)置在晶體熱交換器CHE和晶體C之間。應(yīng)指出，除了控制熔體熱交換器MHE和晶體熱交換器CHE的溫度之外，還可適當(dāng)?shù)剡x擇絕緣體INS的導(dǎo)熱性以控制傳熱?？筛鶕?jù)所需的傳熱來選擇絕緣體INS的導(dǎo)熱性、厚度和材料。熔體熱交換器MHE可構(gòu)造成具有一可控的徑向和/或軸向功率分布圖，而晶體熱交換器CHE也可類似地構(gòu)造成具有可控的徑向和/或徑向冷卻分布圖。如從圖1中可見，反射器R比常規(guī)反射器厚得多。反射器R在其大部分高度上具有比較恒定的內(nèi)徑和外徑，從而形成厚度至少為200mm、300mm、400mm或在一些實施例中至少為500mm的反射器。絕緣體的主要部分的厚度幾乎與反射器R相同。
通過熔體熱交換器MHE的操作可有效控制暴露的熔體表面MS的熱損失，以增加Gl，f，z(界面處的負(fù)的熔體側(cè)溫度梯度)而不會大大提高坩堝溫度Tcr。通過能動改變暴露的熔體表面MS之上的環(huán)境，即熔體“看到”的環(huán)境的有效溫度，可比現(xiàn)有技術(shù)的被動屏蔽和反射器更有效地控制熔體表面的熱損失。如果熔體表面僅由現(xiàn)有技術(shù)中的反射和絕緣材料覆蓋，則沒有對有效溫度進行能動控制。因此，通過在此實施例中設(shè)置在熔體熱交換器MHE中的能動熱源，可更加能動地控制從開放的熔體表面MS的熱損失。
熔體熱交換器MHE的能動熱源的尺寸應(yīng)設(shè)計成盡可能多地覆蓋或面對該熔體表面。該熱源的面積可為該暴露的熔體表面MS(暴露的上表面部分)的面積的至少30％，更優(yōu)選地至少為40％，更優(yōu)選地至少為50％，更優(yōu)選地至少為60％，甚至更優(yōu)選地至少為75％。應(yīng)指出，暴露的熔體表面MS的相關(guān)面積不包括被晶體C占據(jù)的部分。熱源設(shè)置成與熔體表面相對，并且在一個實施例中熱源大致平行于熔體表面延伸。應(yīng)指出，在本發(fā)明的范圍內(nèi)熱源或其部分可相對于熔體表面成一定角度。熱源，尤其是熱源的下表面適于設(shè)置成緊鄰該熔體表面，例如在100mm、50mm并且在一些實施例中為30mm的范圍內(nèi)。應(yīng)指出，隨著熔體M被消耗，熔體熱交換器MHE的熱源與暴露的熔體表面MS之間的間距可能改變。在晶體生長期間，通常利用合適的裝置使坩堝CR向上移動，以便減小這種間距的變化，但是也可以考慮移動該反射器R或其中的元件。優(yōu)選地，不需要取下拉晶機CP的結(jié)構(gòu)元件或?qū)⑵涮砑拥皆摾C中以生產(chǎn)預(yù)期產(chǎn)品。但是，在晶體生長期間每個元件不必一定在起作用或操作。
熔體熱交換器MHE的操作將減小開放的熔體表面MS的熱損失，但是將增加到晶體表面的傳熱，從而增加晶體溫度并減小Gs，f，z(在熔體/晶體界面處的晶體側(cè)的負(fù)溫度梯度)。這種增加會導(dǎo)致拉晶速度的降低，并從而減小生產(chǎn)率。晶體熱交換器CHE的操作應(yīng)補償熔體熱交換器MHE的影響，并用于增加Gs，f，z。根據(jù)晶體熱交換器CHE的冷卻能力，Gs，f，z的增加可以較高，這樣可大大提高生產(chǎn)率。優(yōu)選地，使熔體熱交換器MHE和晶體熱交換器CHE之間的傳熱路徑絕緣以便可相對獨立地調(diào)整(控制)該MHE和CHE。另外，通過使CHE和熔體熱交換器MHE之間的傳熱最小，可更好地利用晶體熱交換器CHE對晶體C的益處(即冷卻效果)。
圖5A中定性地示出與傳統(tǒng)拉晶機相比在新型拉晶機CP中坩堝溫度隨熔體側(cè)溫度梯度的變化。圖5B示出用于同樣拉晶機的側(cè)面加熱器(sideheater)的功率。在晶體區(qū)段中獲得預(yù)期的微缺陷分布的重要參數(shù)包括控制熔體/晶體界面F處的v/Gs，f，z，v/Gs，f，z的徑向變化以及該區(qū)段的時間-溫度或熱過程。
熔體/晶體界面處的生長條件整體溫度場控制晶體生長是動態(tài)過程。為使晶體生長所必須滿足的必要條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是溫度，α是導(dǎo)熱率，(-ΔH)是熔化焓，v是拉晶速度，{n}是垂直于界面的單位向量，并且q是熱通量。下標(biāo)s表示固體(晶體)，l表示液體，f表示界面情況，n表示垂直方向，fusion表示熔解。等式(1)說明，熔體側(cè)的傳導(dǎo)熱與由凝固生成的熱量的總和通過傳導(dǎo)被傳遞給晶體C。該平衡式假設(shè)晶體C即使在高溫下也不會作為熱管，并且對晶體的傳熱模式是傳導(dǎo)。
在此部分中，為了簡便對等式(1)進行一維分析。但是該一維分析可幫助了解多維的問題。在一維情況下，等式(1)可寫成@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)說明，對于給定的Gs，f，z，當(dāng)界面處的熔體側(cè)溫度梯度Gl，f，z等于零時可實現(xiàn)最大拉晶速度。為了實際應(yīng)用，熔體M應(yīng)是等溫的，以便對于給定的晶體側(cè)溫度梯度可使拉晶速度最大。此后，除非有特別說明，否則術(shù)語“梯度”就是指軸向梯度。通過將Gl，f，z設(shè)為零可獲得界面處的最大v/Gs，f，z
其中下標(biāo)mx表示最大值。因此(v/Gs，f，z)mx通常與材料特性有關(guān)，并且對于硅該值在0.5和1之間。此范圍的寬度是由硅的熔解熱的聲稱值(reported values)的變化確定的。
方程式(3)對于給定的界面處的v/Gs，f，z有無窮解，這意味著通過改變界面處的Gl，f，z，在允許晶體以給定的v/Gs，f，z生長的拉晶機設(shè)計中可有無窮的變化。參照圖6，這些解可繪制在v/Gs，f，z與Gl，f，z的圖中。將恒定Gs，f，z的點連接在一起以顯示一組恒定Gs，f，z的線。每個線代表對于固定的Gs，f，z可由方程式(3)給出的直線。每條線的截距代表(v/Gs，f，z)mx，并且斜率等于[-αlρs(-ΔH)Gs,f,z].]]>隨著線的斜率減小，溫度梯度增加。拉晶速度沿恒定Gs，f，z線而改變。朝恒定Gs，f，z線與v/Gs，f，z軸線的交點的運動表示增加拉晶速度，而遠離該交點的運動表示降低拉晶速度。很明顯，以這種方式改變拉晶速度改變了v/Gs，f，z比率。因此，缺陷受控的晶體的拉晶速度或生產(chǎn)率不能以這種方式增加。
為了增加缺陷受控的晶體(例如除了D類型之外的完美、半完美和快速冷卻硅RCS)的生產(chǎn)率，在增加拉晶速度的同時保持v/Gs，f，z相對恒定是有益的。圖7示出圖6中畫出的恒定v/Gs，f，z線。對于給定的v/Gs，f，z，增加生產(chǎn)率(拉晶速度)意味著跨過恒定Gs，f，z的線。因此，對于給定的v/Gs，f，z，增加拉晶速度使熔體/晶體界面F處的熔體側(cè)溫度梯度Gl，f，z增加。在傳統(tǒng)拉晶機中在界面處的高熔體側(cè)溫度梯度下操作會導(dǎo)致問題。使用圖8中示出的僅包含熔體M、晶體C、坩堝CR和側(cè)面加熱器SH的拉晶機的示意圖可解釋此問題。在熔體/晶體界面F處，溫度固定在Tf，對于硅為1685K。如圖8A中所示，隨著界面處的熔體側(cè)溫度梯度(Gl，f，z)增加時，距離界面越遠熔體M越熱。通常通過增加側(cè)面加熱器的功率Qsh來提高熔體溫度。坩堝CR由石英制成且對高溫敏感，并具有最高坩堝溫度Tcr，mx。對于界面處的熔體側(cè)梯度的給定閾值[Gl，f，z]，td，會使坩堝CR超過其最大容許溫度。因此根據(jù)坩堝溫度的最大容許值Tcr，mx，對界面處的熔體側(cè)溫度梯度的最大容許值設(shè)置一上限。因此，對于給定的v/Gs，f，z，拉晶速度還受到坩堝溫度的最大容許值Tcr，mx的限制。
開放熔體的熱損失的影響在本發(fā)明中，因為在一些參數(shù)之間進行動態(tài)控制，所以與傳統(tǒng)拉晶機相比，新型拉晶機CP對于給定的v/Gs，f，z可提供更高的拉晶速度。新型拉晶機CP能夠使界面處的熔體側(cè)溫度梯度的變化相對于坩堝溫度的變化大很多。這樣，在保持坩堝CR低于最大容許坩堝溫度Tcr，max的同時，可獲得非常高的界面處的熔體側(cè)溫度梯度。因此，在新型拉晶機中，界面處的熔體側(cè)溫度梯度(Gl，f，z以及平均梯度)的變化與坩堝溫度的變化的比率增加。圖9示出該比率與拉晶機設(shè)計的品質(zhì)(無單位)之間的關(guān)系。隨著坩堝溫度和界面處的熔體側(cè)溫度梯度之間的關(guān)系變得更加高效，晶體C的拉晶速度，進而生產(chǎn)率都得以提高。
通常，隨著坩堝溫度增加，熔體M會變得更熱，并且從暴露的熔體表面MS的熱損失增加。利用垂直于該開放熔體表面MS的熱通量的增加，即利用MS處的熔體側(cè)溫度梯度，可測量該熱損失。在開放或暴露的熔體表面處的負(fù)的熔體側(cè)溫度梯度由Gl，ms，z表示。下標(biāo)ms表示暴露的熔體表面MS。在晶體生長過程中，通過控制側(cè)面加熱器的功率可交互地設(shè)定坩堝溫度，以在熔體/晶體界面F處建立滿足方程式(1)(或在1維情況下為方程式(2))的條件。但是，如由方程式(1)所示，從熔體M進入晶體C的熱量與從開放熔體表面MS的全部熱損失相比可以忽略不計。半穩(wěn)態(tài)熱平衡說明隨著從開放熔體表面MS的熱損失增加，從側(cè)面加熱器(通過坩堝的側(cè)面)進入熔體M的熱量增加。本質(zhì)上，該平衡會導(dǎo)致側(cè)面加熱器的功率以及坩堝溫度增加。因此，希望減小從熔體表面MS的熱損失以控制或限制坩堝溫度的升高。換句話說，為了使坩堝溫度的變化最小，暴露的熔體表面MS處的軸向熔體側(cè)溫度梯度的變化與坩堝溫度的變化的比率應(yīng)當(dāng)較小(見圖9)。因此，對于給定的v/Gs，f，z，用于在增加生產(chǎn)率(拉晶速度)的同時控制坩堝溫度的條件如下 ΔGl,f,zΔTcr,mx>td1,]]>并且ΔGl,os,zΔTcr,mx<td2]]>(5)其中td1和td2是兩個極限閾值。因此，很明顯，應(yīng)控制暴露的熔體表面MS的溫度梯度以控制在界面處的熔體側(cè)溫度梯度和坩堝溫度之間的配合。換句話說，應(yīng)協(xié)作地控制從暴露的熔體表面MS的熱損失，以有效地控制坩堝溫度以及其對熔體/晶體界面F處的熔體側(cè)溫度梯度的影響。考慮到坩堝溫度和側(cè)面加熱器功率之間存在直接關(guān)系，方程式(5)可寫成 ΔGl,f,zΔQsh>td3,]]>以及ΔGl,os,zΔQsh<td4]]>(6)其中td3和td4是分別限定界面的熔體側(cè)溫度梯度和開放表面的熔體側(cè)溫度梯度對側(cè)面加熱器的功率Qsh的靈敏性的閾值。在物理意義上，方程式(6)說明，隨著從開放熔體表面MS的熱損失減小，晶體C生長所需的加熱器功率變小，并且坩堝溫度的增加也相應(yīng)地減小。
在熔體/晶體界面處的生長條件結(jié)合點缺陷控制如上所述，生長晶體中的初始的點缺陷的結(jié)合至少部分地取決于(v/Gs，f，z)。實際上，界面的形狀將為曲線。因此，應(yīng)說明在(曲線的)熔體/晶體界面F處的溫度梯度的影響以理解點缺陷結(jié)合。
Gs，f，z的徑向變化定性分析結(jié)合點缺陷場中的徑向均勻性至少部分地取決于界面形狀。對于具有任意形狀的界面，需要進行工藝調(diào)整(例如，控制部件中的熔體熱交換器、晶體熱交換器)以獲得預(yù)期的Gs，f，z(r)。為了理解Gs，f，z的徑向變化，對于該拉晶機的一軸向?qū)ΨQ二維模型應(yīng)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)下標(biāo)r和z表示r和z方向。下標(biāo)fusion表示熔體凝固所產(chǎn)生的熱通量，下標(biāo)n表示垂直通量。應(yīng)指出，當(dāng)n沒有用作下標(biāo)時，其表示垂直于界面的單位矢量。很明顯，隨著通量(qs，f，z)的徑向均勻性增加，梯度(Gs，f，z)的徑向均勻性增加。對于熔體側(cè)也是如此。
因為均勻的點缺陷結(jié)合需要梯度(Gs，f，z)徑向均勻，因此下文的討論針對于保持此均勻性。但是，當(dāng)界面形狀不能用拋物線逼近時，梯度(Gs，f，z)通常沿該界面變化以使點缺陷結(jié)合徑向均勻。因此，可控制或調(diào)整新型拉晶機CP以改變位于或接近熔體/晶體界面F處的局部溫度場，從而獲得所要求的預(yù)定梯度(Gs，f，z(r))。
對曲線界面控制徑向均勻性和梯度(Gs，f，z)變化實際上，難以預(yù)先預(yù)測界面的形狀及其根據(jù)r而變化的曲率。在一些情況下，界面不能用平均狀態(tài)逼近。因此，新型拉晶機CP能夠操控和調(diào)整(或控制)界面的形狀，以便獲得對Gs，f，z的最優(yōu)徑向控制，并使得可以進行有效生長過程。例如對于固定的拉晶速度，拉晶機的操控和調(diào)整界面形狀的能力，使得尤其可以生產(chǎn)缺陷受控的硅。
熔體/晶體的界面F的形狀根據(jù)位于或接近該界面處的溫度場(局部溫度場)而改變。大部分進入熔體的熱量通過暴露的熔體表面MS傳遞到環(huán)境中。因此，使用例如熔體熱交換器MHE的熱源控制來控制通過該開放熔體表面MS的傳熱，可有效地改變?nèi)垠wM和晶體C中的溫度場(并從而改變該局部溫度場)。當(dāng)硅凝固時局部溫度場通常影響本征點缺陷的初始類型和濃度。局部溫度場通常在從凝固溫度(即，大約1410℃)到大于大約1300℃(即，大約1325℃、1350℃或更高)的溫度的范圍內(nèi)。起作用熔體熱交換器MHE也可改變整體溫度場(遠離界面的溫度場)。熔體熱交換器MHE的溫度影響來自熔體表面的熱通量的幅值和方向。應(yīng)指出，可通過控制通過熔體熱交換器MHE的電流(功率)來操控該熔體熱交換器MHE的溫度。當(dāng)熔體熱交換器MHE的功率(因而溫度)增加時，從熔體表面的熱損失減小。即使在較低的功率溫度下操作熔體熱交換器MHE也將使側(cè)面加熱器的溫度降低。通常，當(dāng)熔體熱交換器MHE的功率增加時，所需的側(cè)面加熱器的功率減小。因為熔體M的遠離界面的部分主要由側(cè)面加熱器加熱，所以降低側(cè)面加熱器的功率(從而降低側(cè)面加熱器的溫度)會使至少遠離該界面的熔體部分的熔體溫度降低。此外，熔體熱交換器MHE的操作會導(dǎo)致熔體/晶體界面F向下移動。晶體熱交換器CHE的操作也有助于該界面向下移動。因此，通過選擇性地操控或控制熔體熱交換器MHE的功率和晶體熱交換器CHE的溫度，可以操控和控制熔體/晶體界面F的形狀。操控該界面形狀有助于控制進入晶體C的軸向熱通量的徑向變化和均勻性。
圖10定性地示出界面形狀隨熔體熱交換器MHE功率的增加而產(chǎn)生的變化。如上所述，熔體熱交換器MHE和晶體熱交換器CHE可用于在界面處保持較高的梯度(Gs，f，z)。盡管晶體熱交換器CHE提高了從晶體表面的徑向傳熱，但是仍希望操作熔體熱交換器MHE以保持對梯度(Gs，f，z(r))進行很好的控制。新型拉晶機CP可提供較高的生產(chǎn)率(較高的拉晶速度)并可控制界面處的Gs，f，z(r)。圖11示出新型拉晶機CP與傳統(tǒng)拉晶機之間對于界面處的梯度(Gs，f，z)的徑向變化的比較。新型拉晶機CP比傳統(tǒng)拉晶機的效果好得多。
熔體熱交換器MHE的操作將使熔體M的整體溫度降低。熔體M也變得更恒溫，并從而促使在熔體/晶體界面F的熔體側(cè)上的軸向溫度梯度均勻。熔體熱交換器MHE結(jié)合側(cè)面加熱器共同形成一分布式熱源以提高徑向均勻性。新型拉晶機CP能夠控制界面處的v/Gs，f，z的徑向均勻性和變化，并限制坩堝CR的溫度。熔體熱交換器MHE的功率應(yīng)保持較低到中等。當(dāng)熔體熱交換器MHE的功率溫度大大升高時，熔體M會變得非常熱，并且該界面會開始向上移動并遠離M。但是即使熔體M變得非常熱，仍可利用對熔體熱交換器MHE的功率的操控來調(diào)整或控制界面形狀和Gs，f，z(r)的徑向變化。
熱(時間-溫度)過程用于生產(chǎn)快速冷卻硅(RCS)的拉晶機對于給定的晶體C的部分或區(qū)段，在熔體/晶體界面F處的生長條件會影響該區(qū)段中的初始的點缺陷結(jié)合。但是，隨后的缺陷動力學(xué)(過程)則與晶體區(qū)段的熱過程有關(guān)。當(dāng)晶體C生長時該晶體中的溫度場會變化。但是，為了簡便起見，合理地假設(shè)在晶體C中的與靜態(tài)熔體/晶體界面的距離固定的位置，即使晶體C生長時其溫度也不會有重大變化。換句話說，可以假設(shè)所有晶體區(qū)段橫穿同一溫度場。因此，通過了解與時間和溫度場有關(guān)的拉晶速度的歷史過程，可獲得晶體區(qū)段的時間-溫度路徑。
新型拉晶機CP可很好地制造例如任何快速冷卻硅RCS產(chǎn)品。圖12A定性地給出圖1的實施例中生長的晶體C的軸向溫度分布圖。圖12A還比較了典型的傳統(tǒng)拉晶機中的晶體C的軸向溫度分布圖與在新型拉晶機中利用起作用的熔體熱交換器MHE和晶體熱交換器CHE生長的晶體中的軸向溫度分布圖。由于對晶體C的有效冷卻，具有起作用的熔體熱交換器MHE和晶體熱交換器CHE的新型拉晶機CP中的晶體C中的溫度在非常接近熔體/晶體界面F的位置以高得多的速度下降。如圖12B中所示，對于新型拉晶機CP，由拉晶速度和負(fù)的軸向溫度梯度的乘積(vGs，z)確定的晶體區(qū)段的局部冷卻速度非常高。
如圖12B中所示，對于具有起作用的熔體熱交換器MHE和晶體熱交換器CHE的新型拉晶機CP，晶體通過選定缺陷的成核溫度的冷卻速度較高。成核溫度由成核速度相對于溫度曲線的最大值確定。如果通過成核溫度的冷卻速度非常高，則通常僅發(fā)生不重要的成核。因此，圖12A和12B中的成核溫度僅表示成核速度的理論最大值，而不是形成的核的數(shù)量。在快速冷卻硅RCS產(chǎn)品中，盡管所有晶體區(qū)段都穿過最大的成核速度，但是微缺陷的數(shù)量非常少。新型拉晶機CP可比現(xiàn)有技術(shù)中的拉晶機更有效地控制界面處的梯度Gs，f，z。因此，實際上在圖1中所示的新型拉晶機CP中可生產(chǎn)所有快速冷卻硅RCS產(chǎn)品。
應(yīng)指出，圖1中的新型拉晶機CP主要表明了對界面條件的控制和操控。因此，需要將附加的部件(例如加熱器)添加到該設(shè)計中，如圖2所示，以操控和控制給定晶體區(qū)段的時間-溫度路徑。
可通過使晶體C的全部或主要部分在相關(guān)點缺陷種類的成核范圍之上生長，然后在冷卻室中快速冷卻該晶體來制造一些晶體類型。此外，一些晶體的制造還依賴于，在點缺陷的成核速度達到其最大值之前延長晶體區(qū)段通過高溫區(qū)的停留時間。因為停留時間以點缺陷的有效擴散為特征，所以停留時間經(jīng)常被稱為“擴散時間”。在僅具有起作用的熔體熱交換器MHE和晶體熱交換器CHE的新型拉晶機中所生長的晶體的軸向溫度下降較高。換句話說，與熔體/晶體界面F間隔開或遠離該界面F的晶體區(qū)段可能冷卻得太快。因此，可對新型拉晶機CP進行一些改變，以該晶體區(qū)段中保持較高的溫度或減緩冷卻。
參照圖2，第二實施例的新型拉晶機CP通常允許晶體C在一設(shè)定溫度之上生長并延長擴散時間。第二實施例包含前一實施例的部件，包括反射器R、熔體熱交換器MHE和晶體熱交換器CHE。另外，還包括管狀下部晶體加熱器LH和管狀上部加熱器UH。該下部加熱器LH設(shè)置在該蓋罩GC內(nèi)并位于晶體熱交換器CHE上方，以便保持晶體溫度高于所要求的成核溫度范圍。如圖所示，盡管試圖使該下部加熱器與晶體熱交換器間隔開，但在晶體熱交換器CHE和下部加熱器LH之間的間隔很小或沒有間隔。下部晶體加熱器LH適當(dāng)?shù)赜秒娂訜?，這基本與熔體熱交換器MHE類似，并且其功率可通過調(diào)節(jié)從中通過的電流來控制。如上所述，下部和上部加熱器(LH和UH)可構(gòu)造成具有可控制的軸向功率分布圖，熔體熱交換器MHE可構(gòu)造成具有可控制的徑向和/或軸向功率分布圖，并且晶體熱交換器CHE可類似地構(gòu)造成具有可控制的軸向和/或徑向冷卻分布圖。下部加熱器LH的分布圖和溫度通常取決于由晶體熱交換器CHE提供的冷卻以及目標(biāo)成核溫度范圍。
下部加熱器LH提供的熱量可使遠離界面的晶體區(qū)段在延長的一段時間內(nèi)保持較熱，從而延長了點缺陷以及其它雜質(zhì)的擴散和相互作用時間。成核溫度的軸向位置距離熔體/晶體界面越高，擴散時間就越長。另外，一些晶體類型依靠延長擴散時間來使點缺陷擴散和湮滅，然后快速驟冷(急冷)通過成核溫度。通常，通過使整個晶體在低于成核溫度的條件下生長，然后將其傳送到一位于拉晶機內(nèi)部的任選的冷卻室(未示出)，可實現(xiàn)擴散時間的延長以及快速驟冷。熔體/晶體界面F與相關(guān)成核溫度的軸向位置之間的距離決定了與擴散時間有關(guān)的晶體的長度。
上部加熱器UH設(shè)置在下部加熱器LH上方。上部加熱器UH可用于在生長晶體的延長的長度上進行分布式軸向加熱，例如延長擴散時間。應(yīng)指出，至少部分地由于拉晶機CP和反射器R的實際尺寸的限制，不能設(shè)置一非常長的下部加熱器LH以提供所需的軸向分布式加熱，以便生長更長的晶體。因此，上部加熱器UH適于設(shè)置在反射器R的上方和外部，并與下部加熱器LH間隔很大。應(yīng)指出，可在上部加熱器UH上方設(shè)置一冷卻室(未示出)，以便例如在延長擴散和相互作用時間的條件下生長之后進行快速驟冷。優(yōu)選地，不需要從拉晶機除去或添加結(jié)構(gòu)部件以生產(chǎn)預(yù)期的產(chǎn)品。但是，在晶體生長期間各部件不需要一定在操作。
參照圖13，利用起作用的(操作的)熔體熱交換器MHE、晶體熱交換器CHE、下部加熱器LH和上部加熱器UH，晶體C中存在一預(yù)期的較平直的軸向溫度分布曲線。圖13還比較了具有操作的熔體熱交換器MHE和晶體熱交換器CHE的新型拉晶機CP中的生長晶體C中的溫度分布圖與傳統(tǒng)拉晶機中的溫度分布圖。在具有起作用的熔體熱交換器MHE、晶體熱交換器CHE、下部加熱器LH和上部加熱器UH的新型拉晶機CP中，界面處的Gs，f，z的徑向分布曲線和幅值仍保持與第一實施例(圖11)中的相類似。
具有熔體熱交換器MHE、晶體熱交換器CHE、下部加熱器LH和上部加熱器UH的新型拉晶機CP是通用的，并且可在拉晶機中建立生長多種晶體類型所需要的不同溫度場。根據(jù)所需的溫度場，可打開或關(guān)閉多個熱源(熔體熱交換器MHE、下部加熱器LH、上部加熱器UH)和吸熱器(晶體熱交換器CHE)?？梢圆倏丶訜崞?熔體熱交換器MHE、下部加熱器LH、上部加熱器UH)的幅值和功率分布圖，以及晶體熱交換器CHE的冷卻能力的幅值和軸向分布圖。例如，通過關(guān)閉下部和上部加熱器(LH和UH)，第二實施例的拉晶機可生成與第一實施例相同的溫度場。使用新型拉晶機CP可生產(chǎn)許多不同的晶體類型。
下面，通過起作用的熱源(加熱器)和吸熱器(晶體熱交換器CHE)來確定新型拉晶機CP的操作模式。例如，具有起作用的熔體熱交換器MHE和上部加熱器UH的新型拉晶機CP意味著CP在操作時，MHE和UH起作用，而晶體熱交換器CHE和下部加熱器LH關(guān)閉。因此，通過指定起作用的熱源和吸熱器可區(qū)分新型拉晶機CP的操作，同時拉晶機本身通常被稱為CP。
數(shù)值實驗通過進行各種數(shù)值試驗可驗證新型拉晶機CP。該研究是通過將新型拉晶機CP的性能與傳統(tǒng)拉晶機的相比較來完成的。例如，通過模擬新型拉晶機CP的溫度場并分析結(jié)果來完成數(shù)值實驗。
模型使用一個描述晶體生長的合格的定量模型來進行新型拉晶機CP中的生長過程的數(shù)值模擬。合格的晶體生長模型包括熔體M和氣氛中的動量平衡，以及拉晶機的所有部件中的能量平衡。氬氣氛是用于晶體生長的典型氣氛。每個階段內(nèi)的能量平衡通過由傳導(dǎo)、輻射和對流所限定的邊界條件相耦合。對于包括輻射傳熱的湍流，由動量平衡和能量平衡形成的系統(tǒng)方程難以求解。當(dāng)坩堝CR的尺寸增加時，浮力驅(qū)動的熔體流變成湍流。實際上所有目前的拉晶機都是如此。對包括許多通過所有能量傳遞模式來交換能量的固相和液相的系統(tǒng)(其中流體表現(xiàn)為湍流)進行直接數(shù)值模擬會非常昂貴并且不切實際。因此，在本文中，用于數(shù)值模擬的合格的模型包括合理的假設(shè)。在此研究中我們使用Virzi所使用的通用模型。作出如下假設(shè)
●該系統(tǒng)是軸向?qū)ΨQ的。
●該系統(tǒng)是準(zhǔn)靜態(tài)的，即該系統(tǒng)處于偽穩(wěn)態(tài)。
●必要時，用有效固體導(dǎo)熱率來逼近動量平衡。
●兩個固體很好地接觸。
●從開放邊緣的能量傳遞通過輻射和對流進行。
●固體-液體界面處的能量平衡對于預(yù)測界面形狀是重要的。
●利用對流傳熱系數(shù)可相當(dāng)好地預(yù)測對流。
●恒定的溫度Dirichlet條件精確地代表計算域的邊界。
●為熱源和吸熱器指定能量產(chǎn)生速度分布圖或溫度分布圖。
偽穩(wěn)態(tài)的假設(shè)可節(jié)省大量計算時間。晶體區(qū)段的熱過程可通過在不同長度的晶體中生成穩(wěn)態(tài)溫度場來獲得。通過假設(shè)所有的晶體區(qū)段均通過一個r和z固定的溫度場可進行進一步簡化。對于例如大于800mm的長晶體，此固定的溫度場可計算一次。因此，通過獨立于晶體長度來固定溫度場可使問題變得更簡單。但是，不必需假設(shè)晶體溫度場獨立于晶體長度。通過在溫度場之間進行插值，可以模擬多個描述不同晶體長度的偽穩(wěn)態(tài)溫度場并可計算出晶體區(qū)段的熱過程。
因為熔體M假設(shè)為固體，所以描述熔體M中的能量平衡的方程式與用于固體的方程式相同。通常，固體(包括熔體)的能量平衡由下式給出_·{α_T}-{ρCpv}·{_T}+SH＝0 (10)其中，T如上文所限定的為任何固體的溫度，α是導(dǎo)熱率，ρ是密度，Cp是熱容量，SH是體積放熱速度，如果是吸收熱則SH是負(fù)值。該放熱項SH僅對于熱源和吸熱器存在。只有當(dāng)固體物理地移動時才存在固體平流(advection)，因此固體平流僅應(yīng)用于生長晶體。因此，利用固體平流的傳熱{ρCpv}·{_T}僅存在于晶體C的能量平衡中。對于相接觸的固體，假設(shè)很好地接觸。因而，兩個固體表面之間的法向通量平衡描述了相接觸的兩個固體之間的邊界。
{α1_T1}·{n}＝{α2_T2}·{n} (11)其中，{n}是垂直于接觸表面的單位矢量。下標(biāo)1和2表示相接觸的兩個固體。通過使法向傳導(dǎo)熱通量與輻射和對流熱通量平衡可給出拉晶機內(nèi)部的開放固體表面的邊界條件。
-{α▿T}·{n}=h{T-Tg}+ϵσ(T4-Teff4)---(12)]]>其中h是固體和溫度為Tg的氣氛之間的對流傳熱系數(shù)，ε是輻射率，σ是Stefan-Boltzmann常數(shù)，Teff是固體感受到的環(huán)境的有效溫度。假設(shè)灰體輻射傳熱，則固體感受到的環(huán)境的有效溫度用Gebhardt因數(shù)表示。假設(shè)完全被外部冷卻夾套覆蓋的拉晶機的外邊界處于恒定的冷卻水溫度Tcoolant。另外，還可假設(shè)其它冷卻器處于冷卻水溫度。
T＝Tcoolant(13)熔體/晶體界面F由處于凝固溫度的等溫線限定Ts，f＝Tl，f＝Tm(14)其中下標(biāo)s代表晶體，l代表熔體M，m代表熔化或凝固條件。在氣體、熔體和固體相互接觸的三相接合節(jié)點(tri-junction node)處，溫度限定為等于凝固溫度。
Tslg＝Tm(15)其中下標(biāo)slg表示三相接合節(jié)點。該三相接合節(jié)點限定了熔體/晶體界面F與外部晶體表面的交點。三相接合節(jié)點的空間位置是固定的。因此，由處于熔化溫度的等溫線限定的熔體/晶體界面F固定在該三相接合節(jié)點處。如方程式(1)中所示，穿過熔體/晶體界面F的能量平衡由來自熔體側(cè)的傳導(dǎo)熱通量與單位面積的熔解放熱速度的總和與穿過界面進入晶體的總傳導(dǎo)通量之間的平衡給出。
@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是熱通量。下標(biāo)f表示界面條件，fusion表示熔解。上文說明了方程式(1)的能量平衡的細(xì)節(jié)。對稱情況使該問題是二維的。
{_T}·{nr}＝0(16)
其中{nr}是沿徑向方向的單位矢量。
利用方程式(10)到(16)以及方程式(1)的聯(lián)立解可預(yù)測拉晶機內(nèi)的溫度場。界面形狀由在三相接合節(jié)點處固定的處于熔點的等溫線給定。
在拉晶過程中，可以假設(shè)晶體的基本所有部分都橫穿晶體的在偽穩(wěn)態(tài)下和在其最終長度上計算出的溫度場。在晶體區(qū)段形成后研究該區(qū)段的熱過程時，此假設(shè)是相當(dāng)準(zhǔn)確的。但是，初始的點缺陷結(jié)合對熔體/晶體界面F處的梯度中的微小變化是非常敏感的。因此，不能假設(shè)界面處的v/Gs，f，z條件在整個晶體生長過程中恒定。需要進行工藝調(diào)整(熱控制)以在界面處保持預(yù)期的v/Gs，f，z條件。因此，應(yīng)對處于不同晶體長度的溫度場進行模擬，以精確地繪制出生長晶體中的溫度場。但是，在更廣泛的意義上，通過針對晶體C的最終長度模擬拉晶機中的溫度場可獲得對該過程的基本理解。最好是假設(shè)晶體區(qū)段僅在拉晶過程中橫穿該固定的溫度場。在晶體C完成生長之后，每個晶體區(qū)段通常具有唯一的熱過程。因此，晶體區(qū)段的熱過程可通過由隨后的區(qū)段生長所限定的拉晶期間的時間-位置歷史、以及在此生長過程之后的其最終的冷卻來計算。因此，在晶體生長期間和在晶體生長之后相比晶體區(qū)段的冷卻條件之間存在差別。在晶體生長期間，任何區(qū)段的冷卻速度由拉晶速度與局部軸向溫度梯度的乘積(v Gs，z)給出。在晶體生長之后，區(qū)段的冷卻速度最好通過能量平衡計算來計算出。
最后，除非另外說明，否則就使用等于0.5mm/分鐘的拉晶速度來完成全部數(shù)值實驗。盡管Gs，f，z在一定程度上隨拉晶速度而改變，但是假設(shè)在拉晶速度等于0.5mm/分鐘的情況下計算出的Gs，f，z可用于表示拉晶速度在0.2mm/分鐘和0.8mm/分鐘之間的情況下的Gs，f，z值是合理的。圖14表明，由于拉晶速度的微小變化而引起的晶體的Gs，f，z的變化可以忽略。由于凝固速度隨拉晶速度的變化而發(fā)生的變化被來自熔體的熱傳導(dǎo)速度的相反變化所補償，所以該假設(shè)是合理的。
新型拉晶機的性能上文說明了拉晶過程中的不同變量之間的關(guān)系，這些變量為例如坩堝溫度、界面處的晶體側(cè)和熔體側(cè)的溫度梯度、熔體表面處的熔體側(cè)溫度梯度、加熱器功率等。在此章節(jié)中，給出各種數(shù)值實驗的結(jié)果以驗證迄今所進行的討論。
傳統(tǒng)拉晶機圖15中示出傳統(tǒng)拉晶機的典型設(shè)計及其溫度場。(使用市場上可買到的基于有限元的軟件(MARC)模擬拉晶機中的溫度場。)在此研究中，該傳統(tǒng)拉晶機是對缺陷受控晶體限定了生產(chǎn)率上限的拉晶機。該傳統(tǒng)拉晶機被很好地絕緣。被動反射器(沒有主動的加熱或冷卻)可屏蔽晶體與熔體表面進行輻射熱交換，并且上部加熱器(上部熱交換器)或UH保持晶體更熱，以便相關(guān)成核溫度(在此情況下為自間隙的成核溫度，1173K)的軸向位置在熔體/晶體界面F上方大約900mm。圖16A中示出使用傳統(tǒng)拉晶機生長的較長晶體中的軸向溫度分布圖。圖16B中示出界面處的負(fù)的軸向晶體側(cè)溫度梯度(Gs，f，z)的相應(yīng)的徑向變化。
新型拉晶機的配置不具有熔體通量控制的配置將其中熔體熱交換器MHE、晶體熱交換器CHE和下部加熱器LH都不起作用(不操作)的強力絕緣(heavily insulated)的新型拉晶機的性能與傳統(tǒng)拉晶機相比較。在兩種情況下，上部加熱器UH都向生長晶體提供熱量(功率固定在大約20kW)以保持其溫度高于間隙成核溫度范圍。圖17示出在強力絕緣的新型拉晶機CP中的溫度場。圖18A示出強力絕緣的新型拉晶機CP保持900mm長的晶體的溫度高于自間隙的成核溫度?？梢姡瑥娏^緣的新型拉晶機CP的Gs，f，z的徑向變化大大減小(圖18)。但是，由于增加了傳導(dǎo)路徑，所以Gs，f，z的絕對值非常低。在新型拉晶機CP中，凝固放熱速度與來自熔體M的軸向傳熱速度的比率非常高。此比率可由不同徑向位置處的v/Gl，f，z(或v/Gs，f，z)表示。圖18C示出該被絕緣的拉晶機和傳統(tǒng)拉晶機的這一比率的徑向變化。圖18C不應(yīng)用于傳統(tǒng)拉晶機和強力絕緣的新型拉晶機CP之間的直接比較。
上部加熱器UH幫助保持晶體C高于目標(biāo)成核溫度。因此，除非特別說明，否則對于本文的所有模擬該上部加熱器UH都是起作用的(操作的)。
下面研究在熔體熱交換器MHE和下部熱交換器LH不起作用時晶體熱交換器CHE的作用。圖19示出在具有起作用的晶體熱交換器CHE和上部加熱器UH的新型拉晶機CP中生長的晶體C中的溫度場。圖20A和20B分別示出軸向溫度曲線和Gs，f，z的徑向變化。在具有起作用的晶體熱交換器CHE的情況下晶體C被快速冷卻，以便在成核溫度附近的原位(in-situ)冷卻速度非常高。對于等于0.134K.mm2/s的(在界面處)的目標(biāo)v/Gs，f，z，可實現(xiàn)大約1.1mm/分鐘的拉晶速度。但是，界面處的Gs，f，z的徑向變化非常重要，并且低于成核溫度的晶體C的長度可減小到小于150mm。這種配置的比率v/Gs，f，z非常低(圖20C)。Gs，f，z的變化會導(dǎo)致結(jié)合的點缺陷濃度發(fā)生很大變化。由于陡的軸向溫度分布圖，所以允許特定晶體區(qū)段減小點缺陷濃度的成核前的擴散時間也非常少。這種變化要求在成核溫度附近有非常高的原位冷卻速度，以便驟冷或控制微缺陷的形成。在許多情況下，不能實現(xiàn)這樣的原位冷卻速度。因此，鑒于這種v/Gs，f，z的徑向變化，用于制造對缺陷敏感的晶體可行方案可包括通過啟動下部加熱器LH來增加點缺陷在成核之前的擴散和湮滅時間。
圖21中示出具有起作用的晶體熱交換器CHE和下部加熱器LH的新型拉晶機CP中的溫度場。圖22A示出下部加熱器LH對軸向溫度分布圖的影響。高于間隙成核溫度的晶體C的長度也大約為900mm。陡的軸向溫度梯度(圖22B)允許在臨界v/Gs，f，z處有較高的拉晶速度例如大約1mm/分鐘。但是，這種起作用的晶體熱交換器CHE和下部加熱器LH的配置仍可能因v/Gs，f，z的徑向變化而產(chǎn)生問題。從圖22C可見，與熔體側(cè)傳導(dǎo)的作用相比，熔解熱對Gs，f，z的作用非常小，對此將在下文說明。
在上述拉晶機配置中，沒有主動控制從開放的熔體表面MS的熱損失(或熔化通量)。因此，從熔體M的熱損失非常高，對于大多數(shù)實際拉晶操作來說，這會使側(cè)面加熱器的功率以及坩堝溫度過高。圖23A-B示出各種配置的最大坩堝溫度Tcr，mx和側(cè)面加熱器功率Qsh。如圖所示，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，側(cè)面加熱器的功率在大約80KJ/s到大約160KJ/s的范圍內(nèi)，盡管該功率可低到40KJ/s，或甚至低到0KJ/s。從圖24A-B中可見，如上所述，增加側(cè)面加熱器的功率Qsh會使從開放的熔體表面MS的熱損失(用Gl，os，z測量)增加。因此，實際操作中需要控制暴露的熔體表面的通量。此外，對于迄今所討論的配置，除了強力絕緣的新型拉晶機CP之外，Gs，f，z的徑向變化都較高(圖25)。通過改變?nèi)垠w表面“看到”的環(huán)境的有效溫度，可以實現(xiàn)對暴露熔體表面的通量的控制。在新型拉晶機CP中，通過控制熔體熱交換器MHE的溫度并從而控制熱通量，來實現(xiàn)通量控制。
MHE控制提高暴露的熔體表面MS的環(huán)境(熔體表面“看到”的環(huán)境)的溫度可減小從開放熔體表面MS的熱損失。通過提高熔體熱交換器MHE的溫度可提高環(huán)境溫度。圖26示出在MHE的溫度固定在大約2100K的情況下，具有起作用的熔體熱交換器MHE、晶體熱交換器CHE(固定在大約300K)、下部加熱器LH(固定在大約17.6kW)和上部加熱器UH(固定在大約20kW〔除了特別說明，否則對于所有模擬UH均固定在20kW〕)的新型拉晶機CP的溫度場。圖27示出改變?nèi)垠w熱交換器MHE的溫度對Gl，os，z的影響?？梢?，通過控制熔體熱交換器MHE的溫度可有效地抑制從熔體表面的熱損失。結(jié)果，側(cè)面加熱器的功率以及坩堝CR的溫度降低(分別為圖28和29)。抑制從熔體表面MS的熱損失將使坩堝溫度從基本不可操作區(qū)域轉(zhuǎn)移到基本可操作區(qū)域。坩堝的朝向加熱器一側(cè)的溫度隨著側(cè)面加熱器的功率單調(diào)減小。由于在熔體側(cè)上的最大坩堝溫度的位置和幅值受到熔體熱交換器MHE的溫度和側(cè)面加熱器的功率兩者的影響，因此增加MHE的溫度不會使熔體側(cè)的溫度單調(diào)減小。增加熔體熱交換器MHE的溫度和協(xié)作地減小側(cè)面加熱器的功率對熔體側(cè)坩堝溫度具有相反的作用。在大多數(shù)情況下，熔體熱交換器MHE的溫度不會足夠占優(yōu)勢以使熔體側(cè)坩堝溫度增加到不可操作的區(qū)域。熔體側(cè)坩堝溫度將主要受到熔體熱交換器MHE的溫度和側(cè)面加熱器功率的共同影響，并因此不會變化很大。但是，希望熔體側(cè)溫度低于最大容許溫度，從而不會對晶體C的生長造成問題。如圖30中所示，增加熔體熱交換器MHE的溫度使得可減小，例如同時減小側(cè)面加熱器的功率(Qsh)。在本發(fā)明中，在晶體C生長期間還可增加熔體熱交換器MHE的溫度以減小坩堝CR的溫度。應(yīng)注意不能將熔體熱交換器MHE的溫度增加到超過最大容許溫度，在該最大容許溫度下熔體側(cè)坩堝溫度對于大多數(shù)實際操作來說過高。
圖31A-D示出在增加熔體熱交換器MHE的溫度、下部加熱器LH的功率固定在大約17.6kW，晶體熱交換器CHE的溫度固定在大約300K且上部加熱器UH的功率固定在20kW的情況下，界面形狀的變化。當(dāng)熔體熱交換器MHE的溫度增加時，保持熔體M處于一定溫度下所需的側(cè)面加熱器的功率減小。同時，熔體/晶體界面向下移動以使較接近界面的晶體C中的徑向熱通量增加，但是不會顯著增加軸向通量。另外，除了在晶體邊緣附近之外，通過提高熔體熱交換器MHE的溫度可提高熔體側(cè)軸向熱通量的徑向均勻性。從而通過控制界面形狀可控制Gs，f，z的徑向均勻性或變化。當(dāng)通過提高熔體熱交換器MHE的功率并減小側(cè)面加熱器的功率而使界面以下的熔體M變得較冷時，從熔體M進入晶體C的軸向熱通量減小。圖32示出通過增加熔體熱交換器MHE的溫度來減小來自熔體側(cè)的軸向熱通量v/Gl，f，z的作用。如上所述，通過提高熔體熱交換器MHE的溫度可提高熔體側(cè)軸向熱通量的徑向均勻性，這可增加熔解熱通量與熔體側(cè)軸向熱通量的比率，并有助于提高Gs，f，z的徑向均勻性。圖33A比較了改變?nèi)垠w熱交換器MHE的溫度對Gs，f，z的影響。應(yīng)指出，從熔體熱交換器MHE向晶體C有一些熱漏失。但是，實際結(jié)果(凈效應(yīng))是晶體C中Gs，f，z(r)的徑向均勻性和幅值增加(圖33B)。增加熔體熱交換器MHE的溫度可補償將由晶體熱交換器CHE引入的徑向非均勻性。當(dāng)熔體熱交換器MHE的溫度至少為大約1950K時，具有起作用的(操作的)熔體熱交換器MHE、晶體熱交換器CHE、下部加熱器LH和上部加熱器UH的新型拉晶機CP的Gs，f，z的徑向均勻性好于傳統(tǒng)拉晶機。使用該新型拉晶機CP還允許有較高的G，從而在相同或相近的v/Gs，f，z下允許有較高的拉晶速度。圖33C中示出隨著熔體熱交換器MHE的溫度的變化而改變的晶體C中的軸向溫度分布圖。設(shè)計新型拉晶機CP(具有起作用的熔體熱交換器MHE、晶體熱交換器CHE、下部加熱器LH和上部加熱器UH)的一個目標(biāo)是不考慮MHE的影響來控制晶體區(qū)段的熱過程。從圖33C可見，熔體熱交換器MHE的溫度對熱過程的影響很小。
操控熔體熱交換器MHE的功率而不是MHE的溫度還可改變?nèi)垠w表面的環(huán)境的有效溫度。實際上，在實踐中控制功率比控制溫度容易得多。因此，在下面的章節(jié)中說明了一些基于改變有效的熔體熱交換器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體熱交換器MHE、晶體熱交換器CHE、下部加熱器LH和上部加熱器UH的新型拉晶機CP可保持v/Gs，f，z(r)更接近其臨界值，同時在發(fā)生相關(guān)類型的有效成核(一般指形成和生長)之前為點缺陷提供足夠的擴散和湮滅時間。與傳統(tǒng)拉晶機相比新型拉晶機CP還可實現(xiàn)更高的生產(chǎn)率。通過操控或控制熔體熱交換器MHE的功率/溫度可實現(xiàn)對熔體通量的控制。此外，通過操控和控制晶體熱交換器CHE可以控制界面處的Gs，f，z的幅值。通過操控和控制下部加熱器LH和上部加熱器UH，可提供在間隙成核溫度范圍之上的延長的擴散和湮滅時間。
固定MHE功率在下面的數(shù)值實驗中，下部加熱器LH的功率固定在大約2.8kW，上部加熱器UH的功率固定在大約20kW，并且晶體熱交換器CHE的溫度固定在大約1173K。圖34中示出在MHE的功率大約為27kW的情況下新型拉晶機CP(具有操作的熔體熱交換器MHE、晶體熱交換器CHE、下部加熱器LH和上部加熱器UH)中的溫度場。如所預(yù)期的，通過增加熔體熱交換器MHE的功率可減小Gl，os，z(圖35)。結(jié)果，側(cè)面加熱器的功率和加熱器側(cè)的最大坩堝溫度降低，從而允許操作在低于閾值坩堝溫度的情況下進行(分別為圖36和37)。由于熔體加熱交換器MHE和側(cè)面加熱器的功率都會影響熔體側(cè)的最大坩堝溫度的位置和幅值，所以當(dāng)MHE的功率增加時，熔體側(cè)溫度不會單調(diào)降低。增加熔體熱交換器MHE的功率和減小側(cè)面加熱器的功率(通過增加MHE的功率)對熔體側(cè)的坩堝溫度具有相反的作用。熔體熱交換器MHE的功率不應(yīng)增加到對于晶體C的生長有害的程度。圖38A-D示出在不同熔體熱交換器MHE的功率情況下的界面形狀。當(dāng)熔體熱交換器MHE的功率增加時，側(cè)面加熱器的功率降低，并且該界面朝熔體M向下移動。界面曲率的增加減少了較接近晶體C表面處的Gs，f，z的顯著增加。實際結(jié)果是提高了Gs，f，z的徑向均勻性。圖39中示出用v/Gl，f，z表示的來自熔體側(cè)的軸向熱通量的相應(yīng)減小。圖40A中示出對于改變的熔體熱交換器MHE的功率，Gs，f，z的徑向變化。在界面處可獲得非常高的Gs，f，z值。Gs，f，z的徑向均勻性允許在臨界v/Gs，f，z拉晶速度大約為0.6mm/分鐘(圖40B)。如圖40C所示，熔體熱交換器MHE對晶體區(qū)段的時間-溫度過程的影響可忽略。
MHE的溫度通過控制熔體熱交換器MHE的溫度可高效地制造包含完美硅晶體產(chǎn)品的晶體C。不同參數(shù)之間的關(guān)系與具有熔體熱交換器MHE功率控制的拉晶機中所顯示出的關(guān)系相同。因此，在此章節(jié)，僅相對于特定參數(shù)例如Gs，f，z和Tcr，mx來討論在不同的固定熔體交換器MHE溫度下獲得的結(jié)果。
在具有起作用的MHE、晶體熱交換器CHE、下部加熱器LH和上部加熱器UH的新型拉晶機CP中，在不同熔體熱交換器MHE溫度下進行多個數(shù)值實驗。下部加熱器LH的功率固定在2.28kW，晶體熱交換器CHE的溫度固定在900K。UH(上部加熱器)在20kW下操作。
圖41示出在加熱器側(cè)和在熔體側(cè)，熔體熱交換器MHE的溫度對最大坩堝CR溫度的影響。如所預(yù)期的，隨著熔體熱交換器MHE的溫度增加，坩堝溫度降低。在此情況下，熔體熱交換器MHE的溫度和側(cè)面加熱器的功率的累積效應(yīng)使得熔體側(cè)坩堝溫度凈減小。在熔體熱交換器MHE的溫度高于1700K的情況下可完成晶體生長。圖42A中示出與熔體熱交換器MHE的溫度有關(guān)的Gs，f，z的徑向變化。如圖42B中所示，在熔體熱交換器MHE的溫度高于1700K的情況下，拉晶機CP中的Gs，f，z的徑向均勻性要好于傳統(tǒng)拉晶機。在臨界v/Gs，f，z可獲得接近0.68mm/分鐘的拉晶速度。晶體區(qū)段的時間-溫度路徑允許延長在間隙成核溫度范圍之上的擴散時間(圖42C)。長晶體C例如至少900mm長的晶體(包括冠部和錐體)可以此方式生長。
完全絕緣如前面章節(jié)中所示，在強力絕緣的新型拉晶機CP中的v/Gs，f，z的徑向均勻性要優(yōu)于前文研究的所有情況。對于平順的和拋物線形的界面形狀，徑向均勻性可提高結(jié)合的點缺陷場的均勻性，并降低所需的擴散時間。但是，提高Gs，f，z的徑向均勻性的代價是降低其幅值(圖17和18A-C)，從而會降低拉晶速度和生產(chǎn)率。
拉晶速度的影響上述數(shù)值實驗是在等于0.5mm/分鐘的拉晶速度下完成的。隨著拉晶速度的增加，Gs，f，z增加并且Gl，f，z減小以允許進行由界面F處的放熱速度的增加所要求的熱傳遞。通過減小側(cè)面加熱器功率可至少部分地獲得較高的拉晶速度。側(cè)面加熱器的功率的減小會降低熔體M的溫度，并且熔體中的溫度變化減小。以下結(jié)果是在熔體熱交換器MHE的溫度等于1900K、晶體熱交換器CHE的溫度等于900K、下部加熱器LH的功率等于2.28kW且上部加熱器UH的功率等于20kW的條件下獲得的。
圖43中示出與拉晶速度有關(guān)的在熔體表面MS處的負(fù)熔體側(cè)梯度Gl，os，z的徑向變化。熔體熱交換器MHE向除了非常接近晶體表面的區(qū)域之外的熔體M傳遞熱量，這會減小側(cè)面加熱器的功率(圖44)以及坩堝CR的溫度(圖45)。當(dāng)側(cè)面加熱器的功率減小時，加熱器側(cè)和熔體側(cè)的最大坩堝CR溫度減小，而熔體熱交換器MHE的溫度保持不變。當(dāng)側(cè)面加熱器的功率減小時，熔體M的溫度降低。因此，如圖46中所示，在熔體/晶體界面F下面的梯度減小。與熔解有關(guān)的熱通量的相對作用隨拉晶速度的增加而增大(圖47)。這種改變提高了Gs，f，z(r)的徑向均勻性。如圖48和49中所示，加熱器功率的降低可冷卻晶體C并增加Gs，f，z。圖50中示出v/Gs，f，z和v之間的非線性關(guān)系。該非線性是由于Gs，f，z隨v的變化而變化所造成的。晶體區(qū)段(生長)后的軸向分布圖不會隨拉晶速度發(fā)生顯著改變(圖51)。因此，假設(shè)原位冷卻速度隨拉晶速度成線性變化是合理的。圖52A-D中示出界面形狀隨拉晶速度的變化。
示例快速冷卻硅(RCS)在晶體C生長時，快速冷卻硅RCS依賴于通過相關(guān)成核溫度的晶體區(qū)段的高原位冷卻速度。通過點缺陷成核溫度(其通常在1473K到1173K之間)的快速冷卻通常會導(dǎo)致在較低溫度下有較高的殘留點缺陷濃度?？焖倮鋮s可使點缺陷與其它雜質(zhì)例如氧在低于1323K的溫度下相互作用。優(yōu)選地，可使晶體區(qū)段快速冷卻通過從1523K到973K的較寬溫度范圍。由vGs，z給定的局部冷卻速度足以控制微缺陷以及其它沉淀物的成核和生長。在生成一完整的晶體C之后，晶體C的一些部分仍保持高于成核溫度范圍。連續(xù)拉制晶體C可保持晶體區(qū)段所需的冷卻速度。但是，可采用更高的拉晶速度。用于制造所有類型的快速冷卻硅RCS的方法基本相同。制造快速冷卻硅RCS的主要特征是在熔體/晶體界面F處保持所需的v/Gs，f，z條件，并實現(xiàn)所需的冷卻速度。
在新型拉晶機CP中所執(zhí)行的快速冷卻硅RCS工藝的一個有利特征是，在大部分晶體C中有非常高的拉晶速度和較高的局部冷卻速度，這優(yōu)選地可通過操作至少該晶體熱交換器CHE來實現(xiàn)。在此快速冷卻RCS工藝中不必操作下部加熱器LH和上部加熱器UH。操作熔體熱交換器MHE以保持最大坩堝溫度低于最大容許溫度。因此，在此實施例中，新型拉晶機CP僅與起作用的熔體熱交換器MHE和晶體熱交換器CHE一起操作。為使冷卻速度最大，可將晶體熱交換器CHE的溫度保持在300K。為了在如此高的冷卻速度下控制坩堝溫度，熔體熱交換器MHE應(yīng)保持在較高的功率(40.5kW)。
考慮到快速冷卻硅RCS產(chǎn)品的很大范圍，可以采用較寬范圍的拉晶速度?？刹捎梅浅８叩睦俣葋碇圃霥類型的快速冷卻硅RCS，而采用中等高的拉晶速度來制造完美的RCS。圖53A和53B中分別示出在中等拉晶速度(0.5mm/分鐘)和在較高拉晶速度(2.5mm/分鐘)下制造快速冷卻硅RCS類型的產(chǎn)品的新型拉晶機CP(具有起作用的(操作的)熔體熱交換器MHE和晶體熱交換器(CHE))中的模擬溫度場。對于0.5mm/分鐘和2.5mm/分鐘之間的所有拉晶速度，熔體熱交換器MHE均向熔體M傳遞大量的熱量(圖54)，并從而減小所需的側(cè)面加熱器的功率。另外，拉晶速度的增加會使Gs，f，z增加并使Gl，f，z減小，從而進一步降低側(cè)面加熱器的功率(圖55)。因此，隨著拉晶速度增加，坩堝溫度將下降(圖56)。圖56還示出對于所有拉晶速度，坩堝溫度都處于可操作的區(qū)域。由于熔解效應(yīng)的增加(圖59)Gs，f，z的徑向均勻性將隨著拉晶速度的增加(圖57和58)而提高。圖60A-C中示出隨著拉晶速度的增加，界面形狀的變化情況。應(yīng)指出，通過降低界面附近的熔體溫度和降低晶體溫度，可以影響隨著變化的拉晶速度的界面的形狀和位置的變化情況。從圖61中可見晶體C中的冷卻速度非常高。對于在2.5mm/分鐘和0.5mm/分鐘之間的拉晶速度，在1473K的典型冷卻速度在22.5K/分鐘和4.5K/分鐘之間。通過間隙和氧沉淀范圍可獲得類似的冷卻速度。圖62示出，比率v/Gs，f，z隨拉晶速度非線性變化。結(jié)果表明，可以此方式以較高的拉晶速度生長完美的硅產(chǎn)品，而其它硅產(chǎn)品可以基本較高的速度生長。例如，快速冷卻硅RCS的高原位冷卻速度使得可以充分控制成核和顆粒生長，以便改變的拉晶速度和冷卻速度可生產(chǎn)出從D類型RCS到完美RCS的多種產(chǎn)品。
在點缺陷初始結(jié)合時，晶體區(qū)段會經(jīng)歷一個冷卻周期，在該冷卻周期中相關(guān)點缺陷的充分過飽和建立，以開始沉淀物的有效成核和生長。成核速度與過飽和以及冷卻速度有關(guān)。成核溫度由最大成核速度限定。如果冷卻的時標(biāo)遠小于成核的時標(biāo)，則可有效地避免有效成核，或者成核被抑制。在成核之前的晶體區(qū)段中的點缺陷濃度依賴于初始結(jié)合以及其在成核溫度之上的停留時間，該停留時間被定義為擴散時間。在此擴散時間中，空位和間隙相互擴散和湮滅，并向外擴散到表面。因此，成核溫度本身可根據(jù)這些條件而改變?？瘴辉?473K和1323K之間附聚，而間隙在1223K和1173K之間附聚?？瘴怀珊藴囟瓤梢员煌频椒浅５偷闹担诖饲闆r下空位促使雜質(zhì)例如氧發(fā)生替代成核。因此在很寬的溫度范圍上會形成沉淀物。改變在相關(guān)成核溫度之前和通過該成核溫度時的冷卻速度，會影響微缺陷和沉淀物的尺寸和密度?？墒褂每焖倮鋮s來控制或抑制附聚缺陷的形成(見國際申請No.PCT/US00/25525)。因此，除了控制熔體/晶體界面F處的v/Gs，f，z條件之外，控制晶體區(qū)段的時間-溫度過程也是重要的。晶體C中的溫度場隨著其生長而改變。但是，為了簡便起見，假設(shè)在晶體C中的與靜態(tài)熔體/晶體界面F的距離固定的位置即使在C生長時溫度也不會有顯著變化是合理的。換句話說，所有晶體區(qū)段都橫穿一足夠長的晶體的同一溫度場。因此，僅通過了解與該足夠長的晶體中的時間和溫度場有關(guān)的拉晶速度的歷史過程，就可獲得晶體區(qū)段的時間-溫度路徑或熱過程。這些預(yù)期的特性給出了由本發(fā)明解決的問題。
為了有效地控制結(jié)合的點缺陷場，應(yīng)調(diào)整(或控制)梯度(Gs，f，z)的徑向分布圖。在本發(fā)明中，該控制是通過調(diào)整位于或鄰近界面處的局部溫度場來實現(xiàn)的，該局部溫度場可通過熔體熱交換器MHE、晶體熱交換器CHE、下部加熱器LH和/或上部加熱器UH的操作來控制。
新型拉晶機CP適于控制坩堝溫度、界面形狀、界面處的局部溫度場、界面處的溫度梯度，以及各晶體區(qū)段的在其生長后的冷卻或熱過程。如上所述，進入坩堝CR和熔體M的熱量的很大一部分從熔體表面MS傳遞到環(huán)境中。使從該表面的這種熱傳遞最小可降低對側(cè)面加熱器的功率需求。通過操作熔體熱交換器MHE以允許熱量通過熔體表面MS傳遞到熔體M內(nèi)，可以進一步減小側(cè)面加熱器的功率。當(dāng)側(cè)面加熱器的功率減小時，坩堝CR的溫度也降低。通過改變從熔體M的開放表面MS傳遞到熔體M中的熱傳遞速度，可以控制溫度場。通常，通過控制流過熔體熱交換器MHE的電流來控制MHE的溫度和功率。在一個實施例中，熔體熱交換器MHE設(shè)置在覆蓋開放熔體表面MS的大部分的強力絕緣的熱屏蔽或反射器R中并朝向熔體表面。如上所述，反射器R合適地為一環(huán)狀或管狀環(huán)，其內(nèi)表面朝向晶體C，外表面朝向拉晶機CP的外部區(qū)域，底面朝向熔體M。為了防止熱量從熔體熱交換器MHE泄漏到晶體C的表面上，希望反射器R填充或至少部分地填充有絕緣體INS。圖1和2的拉晶機CP的設(shè)計通過減小徑向傳熱來減小晶體C內(nèi)的溫度梯度。盡管因此可以實現(xiàn)在界面處的徑向均勻性，但是梯度的減小會使生產(chǎn)率受到影響。設(shè)置成朝向晶體C的晶體熱交換器CHE使得可以有較高的拉晶速度。該設(shè)置通過增加晶體C和晶體熱交換器CHE之間的徑向傳熱，可大大提高晶體C中的溫度梯度。但是，溫度梯度的徑向變化增加，并且由于陡的軸向溫度下降，一些晶體的在附聚之前的擴散時間減小。
通過使整個晶體在周向稍微富含i的條件下而在中心稍微富含V的條件下生長，同時保持該晶體的所有區(qū)段都高于一目標(biāo)溫度并且隨后通過將整個晶體移入冷卻室中以對其驟冷，可制造目前技術(shù)水平的無微缺陷的晶體。在生長過程開始時所生長的區(qū)段與稍后生長的區(qū)段相比，應(yīng)具有更長的用于相互湮滅的擴散時間。該晶體的很大一部分(優(yōu)選地為整個晶體)保持高于該目標(biāo)溫度。但是，晶體熱交換器CHE的存在會顯著降低晶體C的溫度。在此條件下，只有晶體C的一小部分保持高于此溫度。為了使要求整個晶體C在該目標(biāo)溫度之上生長的工藝能夠進行，在反射器R中，下部加熱器LH應(yīng)設(shè)置在晶體熱交換器CHE上方。為了延長可使用新型拉晶機CP生長的晶體C的長度，上部加熱器UH設(shè)置在下部加熱器LH和反射器R上方。所述的設(shè)置使得晶體C的相當(dāng)大的長度可以較高的速度在該目標(biāo)溫度之上生長，同時保持坩堝CR的溫度低于最大容許溫度。
對于給定的拉晶速度，當(dāng)熔體熱交換器MHE的溫度或功率增加時，側(cè)面加熱器的功率減小，從而降低遠離熔體/晶體界面F的熔體M的溫度。因此，熔體/晶體界面F向下移動到熔體M中。盡管該移動會減小梯度(Gs，f，z)，但是晶體熱交換器CHE的操作可保持該梯度較高。因此，可利用熔體熱交換器MHE的功率來操控、控制或調(diào)整界面周圍的局部溫度場，并控制(調(diào)整)(遠離該界面的)整體溫度場。在制造缺陷受控的硅晶體時需要能夠控制溫度場。
當(dāng)拉晶速度增加時，由凝固引起的在界面處的放熱速度也提高。由于該熱量被晶體側(cè)的熱傳導(dǎo)速度與熔體側(cè)的熱傳導(dǎo)速度之間的差所平衡，所以熔體側(cè)的熱傳導(dǎo)速度減小而晶體側(cè)的熱傳導(dǎo)速度增加。因此，側(cè)面加熱器的功率可與坩堝溫度一起降低。晶體表面和較冷的環(huán)境之間的傳熱使得在晶體C周向的軸向和徑向溫度梯度非常高。通常，當(dāng)凝固的(放熱)作用增加時，晶體中心處的梯度(Gs，f，z)比周向的梯度Gs，f，z增加得多?？紤]到晶體C的中心處的Gs，f，z低于周向的Gs，f，z，所以Gs，f，z的徑向均勻性將隨著拉晶速度的增加而提高。
具有起作用的熔體熱交換器MHE、晶體熱交換器CHE、下部加熱器LH和上部加熱器UH的新型拉晶機可以較高的拉晶速度生產(chǎn)完美的硅。可以甚至更高的速度生產(chǎn)由中心空位核和周向完美區(qū)域限定的半完美的硅。
在傳統(tǒng)拉晶機中，由拉晶速度與軸向溫度梯度的乘積確定的晶體區(qū)段的原位冷卻速度不高。這些較低的冷卻速度使得典型的缺陷受控晶體將完全在高于目標(biāo)成核溫度的溫度下生長，然后通過將其快速移入單獨的冷卻室中而進行冷卻。但是，在新型拉晶機CP中，當(dāng)下部加熱器LH和上部加熱器UH不起作用時晶體區(qū)段的原位局部冷卻速度非常高。通過1473K和1173K的冷卻速度可高達5-20K/分鐘。在許多情況下，這些冷卻速度足以部分地或完全抑制成核反應(yīng)。因此，在具有起作用的熔體熱交換器MHE和晶體熱交換器CHE，并且通常具有不起作用的下部加熱器LH和上部加熱器UH的新型拉晶機CP中，可以生產(chǎn)已知為快速冷卻硅RCS的其它類缺陷受控產(chǎn)品。
新型拉晶機CP能夠很好地控制每個晶體區(qū)段的生長條件和熱過程。對生長條件和生長后條件的靈活控制使得可以高生產(chǎn)速度生產(chǎn)各種晶體。
當(dāng)介紹本發(fā)明或其優(yōu)選實施例中的元件時，冠詞“一”、“該”和“所述”是指存在一個或多個該元件。術(shù)語“包含”、“包括”和“具有”都是指包含，并意味著除了所列出的元件外還可能存在其它元件。
因為可在上述結(jié)構(gòu)中進行多種改變而不會偏離本發(fā)明的范圍，所以，上述說明中包含的或附圖中示出的所有內(nèi)容應(yīng)解釋為是說明性的而不是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種根據(jù)直拉法生長單晶錠的拉晶機，該拉晶機包括殼體；位于該殼體內(nèi)的用于容納半導(dǎo)體源材料熔體的坩堝，該熔體具有一上表面；鄰近該坩堝的用于加熱該坩堝的側(cè)面加熱器；用于從該熔體的上表面向上拉出生長的晶錠的拉制機構(gòu)，該熔體的該上表面的一部分在該晶錠生長期間保持暴露，該暴露的上表面部分具有一面積；以及環(huán)形熔體熱交換器，熔體熱交換器的尺寸和形狀制成用于圍繞該晶錠，并用于鄰近該熔體的該暴露的上表面部分設(shè)置，該熱交換器包括設(shè)置成朝向該熔體的該暴露的上表面部分的熱源，該熱源的用于向該熔體輻射熱量的面積的大小制成至少為該熔體的該暴露的上表面部分的面積的30％，用以控制在該熔體的上表面處的傳熱，該熔體熱交換器適于減少在該暴露的上表面部分處的熱損失。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拉晶機，其特征在于，該熱源的面積制成至少為該熔體的該暴露的上表面部分的面積的50％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拉晶機，其特征在于，該熱源適于設(shè)置在距該熔體的該暴露的上表面部分50mm內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拉晶機，其特征在于，該拉晶機還包括一晶體熱交換器，該晶體熱交換器的尺寸和形狀制成用于設(shè)置在該熔體上方并基本圍繞該晶錠，以便冷卻緊鄰熔體/晶體界面的該生長的晶錠的第一區(qū)段。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的拉晶機，其特征在于，該拉晶機還包括一下部晶體加熱器，該下部晶體加熱器設(shè)置在該晶體熱交換器上方并適于基本圍繞該晶錠，以便保持該晶錠的第二區(qū)段處于一預(yù)定溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的拉晶機，其特征在于，該拉晶機還包括一上部晶體加熱器，該上部晶體加熱器設(shè)置在該下部晶體加熱器上方并基本圍繞該晶錠，以便保持該晶錠的第三區(qū)段處于一預(yù)定溫度。
7.一種用于生長單晶錠的方法，該方法包括在坩堝中形成半導(dǎo)體源材料的熔體，該熔體具有一表面；將一熱源設(shè)置成面向該熔體的暴露的上表面部分，該熱源的用于向該熔體輻射熱量的面積的大小制成至少為該熔體的暴露的上表面部分的面積的30％；從該熔體的表面拉出半導(dǎo)體源材料，以使該源材料凝固成單晶錠；使用該熱源選擇性地控制在該熔體的表面處的傳熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述選擇性地控制傳熱的步驟包括通過將該熱源設(shè)置在距該熔體表面100mm內(nèi)而協(xié)同控制在該熔體表面處的傳熱和將熱量施加到該熔體表面，以選擇性地控制該晶錠內(nèi)的缺陷。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，該熔體/晶錠界面具有一種形狀，該選擇性的控制步驟包括改變從該熔體熱交換器輻射出的熱量以控制該界面形狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，該方法還包括使用一晶體熱交換器在熔體/晶錠界面上方的一個位置處從該晶錠除熱。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，該除熱步驟包括控制該晶體熱交換器中的冷卻液的溫度，以便以預(yù)定的速度從該晶錠除熱并將該晶錠保持在一預(yù)定溫度之上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，該方法還包括允許在該晶體熱交換器上方的該晶錠的一部分以大于該預(yù)定速度的速度冷卻，以控制該晶錠內(nèi)的缺陷的形成和/或生長。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，該方法還包括使用設(shè)置在該晶體熱交換器上方的一下部晶體加熱器來加熱與該熔體/晶體界面間隔開的該晶錠的一個區(qū)段。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該方法還包括使用設(shè)置在該下部晶體加熱器上方的一上部晶體加熱器來加熱與該熔體/晶體界面間隔開的該晶錠的一個區(qū)段。
15.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，該方法沒有除去或添加該拉晶機的結(jié)構(gòu)部件的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，該控制步驟包括將一熔體的側(cè)面加熱器的功率控制在一預(yù)定范圍內(nèi)，以使得該坩堝的溫度保持在一預(yù)定溫度之下。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，該控制步驟包括減少從該熔體表面的熱損失并同時降低該側(cè)面加熱器的溫度，以便降低該坩堝的溫度。
18.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，該方法還包括選擇預(yù)期的軸向溫度梯度，該控制步驟包括選擇該熔體熱交換器的溫度以保持該預(yù)期的軸向溫度梯度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，該控制步驟包括操控在該熔體/晶錠界面處的溫度場以影響該界面的形狀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于生長單晶錠的拉晶機，包括一緊鄰坩堝的用于加熱該坩堝的側(cè)面加熱器，和一熔體熱交換器，該熔體熱交換器的尺寸和形狀制成用于圍繞該晶錠并鄰近該熔體的表面設(shè)置。該熱交換器包括一熱源，該熱源具有一用于向該熔體輻射熱量的面積，以便控制在該熔體的上表面處的傳熱。該熔體熱交換器適于減少在該暴露的上表面部分處的熱損失。本發(fā)明還公開了用于生長具有預(yù)期缺陷特性的單晶硅晶體的方法。
文檔編號C30B15/00GK1738930SQ200380108618
公開日2006年2月22日 申請日期2003年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月12日
發(fā)明者M·庫爾卡尼 申請人:Memc電子材料有限公司