CN101173368B - 在晶体生长过程中具有熔体掺杂功能的晶体生长装置 - Google Patents

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Abstract

一种在晶体生长过程中具有熔体掺杂功能的晶体生长装置，它包括：生长室，该室内有一用于熔化生产晶体原料的坩埚；位于生长室上方，用于接收从坩埚内的熔体中提拉出的晶体的提拉室；拉晶工具，拉晶工具在其下端处有一籽晶夹持器；同时设置了用于升降带籽晶的拉晶工具的装置，在生长室的侧上方装有一个独立在提拉室以外，与生长室相通且保持真空密闭的掺杂装置。掺杂装置与生长室相通且保持真空密闭，因此在进行掺杂时不需要进行生长室/提拉室的隔离操作。不占用提拉室内拉晶工具，具备了在拉晶过程中对熔体进行掺杂的功能，且装置结构紧凑，操作方便，能缩短生产掺杂晶体时间，尤其适合于掺杂低熔点、易升华掺杂剂的硅晶体生长过程。

Description

在晶体生长过程中具有熔体掺杂功能的晶体生长装置
技术领域
本发明涉及一种用于生长掺杂晶体的装置，特别是涉及一种生长掺杂硅晶体时以低熔点元素为掺杂剂的晶体生长装置，也是一种回熔后对熔体进行掺杂的装置。
背景技术
晶体硅材料常用作集成电路的初始材料。典型生产单晶硅的方法是Czochralski法(即CZ工艺)。首先将原料多晶硅熔化在石英坩埚中，在多晶硅已完全熔化并且温度达到平衡之后，将一个晶种浸入熔体并且随后慢慢提起，通常在提起的同时要不断地转动晶体，这样单晶就逐渐生长成比较大的硅晶体。
在生长高品质的硅晶体时，一些影响晶体生长的条件必须小心地加以控制，比如温度、压力、提拉速度和熔体中的杂质。为了控制晶体材料的导电类型和导电能力，一些特定的杂质会被有意识地加到熔融态硅中做掺杂剂。低熔点的高纯元素如磷、砷、锑作为掺杂剂被导入熔融态硅中。
随着电子产品的小型化和可移动性能的提高，对相应器件的工作电压和能量消耗尤其是待机功耗提出了严格的要求。这种趋势反映到对晶体材料的导电能力提出更高的要求，具体地讲晶体中的实际杂质浓度需要达到10E+18——10E+20个/cm3，这对生长大直径晶体以及以低熔点的高纯元素如磷、砷、锑作为掺杂剂晶体，提出了严峻的挑战。
目前，在晶体生长过程中掺杂其它元素需要与多晶硅混合，随后再熔化，造成部分掺杂剂的挥发损失。对于低熔点的掺杂元素，由于低熔点的掺杂元素的升华温度比较低，在硅熔化后再加入掺杂剂，可以显著减少掺杂剂由于升华蒸发带来的损失，从而有利于改善晶锭的电阻率调控。
在专利01136694.X《一种用于直拉单晶制备中的掺杂方法及其装置》中介绍了一种掺杂的方法和装置。在该方法中装载掺杂剂的料斗结合在拉晶装置的提拉轴之中，完成掺杂后必须移出料斗换上籽晶后才能进行拉晶。移出料斗、换装籽晶的过程延长了掺杂到拉晶的时间，造成部分掺杂剂的挥发损失，影响理想电阻率的高掺杂硅晶体的收率。
另一个中国专利200310117761.7《用于重掺直拉硅单晶制造的掺杂方法及其掺杂漏斗》中，介绍了一种熔体掺杂的方法，在多晶硅完全熔化后掺杂漏斗降至熔体上方对熔体进行掺杂，完成掺杂后仍然需要移出掺杂漏斗装上籽晶后才能拉晶。
上述方法完成掺杂后都需要换装籽晶，在掺杂后到晶体等径生长的过程中，掺杂剂持续的由熔体表面蒸发损失，计算和经验表明蒸发损失达到一定程度必须再进行再掺杂。再掺杂需要将籽晶更换为掺杂料斗或掺杂漏斗，完成掺杂后再次换成籽晶才能继续拉晶，在此过程中熔体中挥发出来的SiO极易在单晶炉内沉积，造成单晶炉的污染，污染后严重影响无位错单晶的收率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在晶体生长过程中或回熔后对熔体进行掺杂(或再掺杂)的装置，该装置结构紧凑，操作方便，不需要隔离上下炉室和重装籽晶，效果好。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
这种在晶体生长过程中具有熔体掺杂功能的晶体生长装置，它包括：生长室，该室内有一用于熔化生产晶体原料的坩埚；位于生长室上方，用于接收从坩埚内的熔体中提拉出的晶体的提拉室；拉晶工具，拉晶工具在其下端处有一籽晶夹持器；同时设置了用于升降带籽晶的拉晶工具的装置，其特征在于：在生长室的侧上方装有一个独立在提拉室以外，与生长室相通且保持真空密闭的掺杂装置。
所述的掺杂装置包括装置主体，一个置于主体内的石英材质的掺杂工具，所述的装置主体包括：真空波纹管，移动挡板，真空波纹管的一端与移动档板连接，形成密封，档板套在金属丝杆上，金属丝杆连接手柄，移动档板与导柱配合，真空波纹管的另一端与底板连接；所述的掺杂工具接在位于移动档板内侧的卡套内。
本发明的优点：掺杂装置与生长室相通且保持真空密闭，因此在进行掺杂时不需要进行生长室/提拉室的隔离操作。不占用提拉室内拉晶工具，可以立即在其中继续进行晶体生长过程的装置，具备了在拉晶过程中对熔体进行掺杂的功能。且装置结构紧凑，操作方便，能缩短生产掺杂晶体时间，尤其适合于掺杂低熔点、易升华掺杂剂的硅晶体生长过程。
附图说明
图1a：掺杂装置主体的主视图
图1b：图1a的俯视图
图1c：图1a的侧视图
图2：掺杂装置结构示意图
图3：本发明提供的具有熔体掺杂功能的晶体生长装置
具体实施方式
图1、图2中，5为移动挡板，真空波纹管2的一端与移动档板连接，形成密封，档板套在金属丝杆7上，7带有标尺，金属丝杆连接手柄8，移动档板与导柱9配合，真空波纹管的另一端与底板连接，所述的掺杂工具1接在位于移动档板内侧的卡套4内。6为观察口。金属丝杆7连接有手柄8。掺杂工具1的封闭端放有掺杂剂3。
如图3所示，生长室11，该室内有一坩埚22，用于生长晶体的原材料在此坩埚中熔化，形成熔体23；提拉室17，它在生长室11的正上方，用于接收从坩埚内的熔体23中提拉出的晶体19，掺杂装置20，它位于生长室11的侧上方，用于盛放掺杂工具1，图中，18为提拉室观察孔，21为排气口，10为加热器，12为热场组件，13为籽晶，14为晶籽夹持器，15为钢缆，16为进气口。
装炉时将低熔点的掺杂元素D计量后装入掺杂工具1内，多晶硅熔化、温度平衡后籽晶接触硅熔体，在合适的温度条件下引出晶种并放肩生长到预计直径进入等径生长。启动掺杂装置20将掺杂元素D逐渐导入熔体23，实现在引晶、放肩、等径的生长过程中对熔体进行持续掺杂，以获得理想电阻率的晶体材料。
装炉前，低熔点、易升华的掺杂剂3放置于一个石英材质的长圆柱形的掺杂工具1的封闭端。在放置掺杂剂时，块状的掺杂剂从开口放入，掺杂工具的封闭端向下，大小适中的块(粒)状的掺杂剂落入封闭端。为了避免掺杂剂掉落，在圆柱状掺杂工具的封闭端内设有台阶。经过计量的掺杂剂放入掺杂工具后，小心地将掺杂工具旋转180度，让掺杂剂停留在台阶上。
移动档板内设一个固定卡套，卡套有一挡板，掺杂工具的台阶位于卡套的挡板上。带手柄金属丝杠转动时带动档板沿导柱上下移动。档板移动时压缩或拉伸真空波纹管，从而实现档板在移动时掺杂装置的真空密封。
压缩或拉伸真空波纹管时，掺杂工具也相应的移动。
压缩真空波纹管时石英掺杂工具的开口端逐渐接近熔体，熔体的辐射热量使石英掺杂工具内的固态掺杂剂气化、升华，气态的掺杂剂从掺杂工具开口端逸出，从而实现对熔体进行气相掺杂。
进行掺杂时启动掺杂装置的手柄，石英掺杂工具的位置用标尺指示，通过控制标尺的位置控制固态掺杂剂气化、升华的速度；同时可以通过观察口查看掺杂剂气化、升华状况。
在掺杂前装置的波纹管处于拉伸状态，即掺杂剂处于低温端，在该位置掺杂剂不会升华、挥发。多晶熔化以后，在籽晶浸入熔体前和/或在引晶、放肩、转肩、等径初期晶体生长过程中，启动掺杂前装置，压缩波纹管，掺杂工具向熔体方向移动。掺杂工具向熔体方向移动，放置掺杂剂端的石英掺杂工具被熔体辐射热加热，低熔点的掺杂剂受热以后升华成气体。因掺杂工具只有一个开口，该开口位于熔体上方，低熔点的掺杂剂升华成气体后从该开口逸出，实现对熔体的持续掺杂。通过对波纹管压缩量的控制，控制低熔点的掺杂剂受热以后升华的速度，实现对掺杂的控制。

Claims (2)

1.一种在晶体生长过程中具有熔体掺杂功能的晶体生长装置，它包括：生长室，该室内有一用于熔化生产晶体原料的坩埚；位于生长室上方，用于接收从坩埚内的熔体中提拉出的晶体的提拉室；拉晶工具，拉晶工具在其下端处有一籽晶夹持器；同时设置了用于升降带籽晶的拉晶工具的装置，其特征在于：在生长室的侧上方装有一个独立在提拉室以外，与生长室相通且保持真空密闭掺杂装置，所述的掺杂装置包括装置主体，一个置于主体内的石英材质的掺杂工具，所述的装置主体包括：真空波纹管，移动挡板，真空波纹管的一端与移动挡板连接，形成密封，挡板套在金属丝杆上，金属丝杆带有标尺，金属丝杆连接手柄，移动挡板与导柱配合，真空波纹管的另一端与底板连接；所述的掺杂工具接在位于移动挡板内侧的卡套内，所述的石英材质的掺杂工具为长圆柱形，它的一端有一个开口，另一端是封闭端，封闭端内设有台阶。
2.根据权利要求1所述的一种晶体生长装置，其特征在于：所述的掺杂工具中放置掺杂剂的封闭端台阶接在卡套的挡板上，掺杂工具开口端朝向熔体。
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