CN105986309A - 类单晶的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种类单晶的制备方法，其包含下列步骤。设置多个坩埚于炉体内。于每一坩埚中设置一单晶晶种。于每一坩埚中设置硅料于单晶晶种上。进行长晶步骤，以利用每一坩埚中的硅料与单晶晶种形成一类单晶晶碇。借此，可在长晶时达到无晶界面的目的，并可减少晶碇的缺陷。

Description

类单晶的制备方法

技术领域

本发明是有关于一种硅材的制作方法，且特别是有关于一种类单晶(mono-like silicon)的制备方法。

背景技术

类单晶成长技术是一种半融法技术。在类单晶成长技术中，是先在坩埚内先铺设一些单晶来作为长晶的晶种，再于这些单晶上铺设硅材。接着，在长晶炉内加热坩埚内的硅材，借以融化这些硅材。在加热硅材的期间，透过温控方式，使硅材由上而下融化，且控制硅材的融化高度于单晶晶种的位置。当硅材融化至单晶晶种的位置时，将长晶炉切换成长晶模式，此时硅晶的成长沿着单晶晶种成长，而得到单晶晶碇。但因为这样的方式所成长的单晶晶碇并非柴氏(Czochralski)长晶技术所得，因而并非无缺陷，故一般称为类单晶。

类单晶无法有效量产的原因之一在于晶碇品质难以控制。晶碇品质不好控制的主因在于，受限于单晶晶种的尺寸，坩埚内需铺设多片单晶晶种方能大致布满坩埚的整个底面，而晶种与晶种之间的晶界在长晶过程中容易形成缺陷起始区或双晶的诱发区。如此一来，将导致所成长的晶碇品质变差，或无法维持单晶晶向。其中，双晶的诱发区是发生在缺陷严重的情况下，硅晶的成长可能会长出多晶，而造成晶碇内有单晶与多晶均存在的现象。

类单晶无法有效量产的另一原因在于，由于类单晶制程的成本较多晶制程的成本高，因此需考量铸碇过程中所能获得的单晶比率与品质。此外，大尺寸的晶碇所需的晶种厚度相对较大，如此也会增加制程成本。

发明内容

因此，本发明的一目的就是在提供一种类单晶的制备方法，其在同一长晶炉的炉体内设置多个坩埚，并于每个坩埚中各设置一个单晶晶种，如此一来可在长晶时达到无晶界面的目的，并可减少晶碇的缺陷。

本发明的另一目的是在提供一种类单晶的制备方法，其可在相邻坩埚之间设置加热器，如此可在长晶过程中，有效控制每个坩埚内的热场，进而可较准确的控制长晶的固液介面。

本发明的又一目的是在提供一种类单晶的制备方法，其可在每个坩埚的底部中央区域的下方设置高热传导系数元件，或可额外再于坩埚的底部外缘区域的下方设置低热传导系数元件，借此可更有效地控制每个坩埚内的热场，而更准确地控制长晶的固液介面，使得固液介面呈现中间凸且外侧低，以使固液介面的外侧均为张应力，进而可减少晶界面的缺陷。此外，由于固液介面可获得有效控制，因此有利于减少过融(over-melt)程度，避免单晶晶种的局部区域，特别是外缘区域被融光。

本发明的再一目的是在提供一种类单晶的制备方法，其中每个坩埚为长方形，因此于晶片切割时，可使晶碇获得较有效率的利用。

根据本发明的上述目的，提出一种类单晶的制备方法，其包含下列步骤。设置多个坩埚于炉体内。于每一坩埚中设置一单晶晶种。于每一坩埚中设置硅料于单晶晶种上。进行长晶步骤，以利用每一坩埚中的硅料与单晶晶种形成一类单晶晶碇。

依据本发明的一实施例，上述每一坩埚的底面的长与宽分别较单晶晶种的底面的长与宽大10mm至100mm。

依据本发明的另一实施例，上述每一坩埚的底面与单晶晶种的底面的尺寸实质相同。

依据本发明的又一实施例，上述的单晶晶种具有相同的晶向。

依据本发明的再一实施例，上述的晶向为[100]晶向。

依据本发明的再一实施例，上述每一坩埚的形状为长方形。

依据本发明的再一实施例，于进行该长晶步骤前，上述类单晶的制备方法还包含设置数个加热器分别位于相邻的坩埚之间，其中进行长晶步骤时包含利用这些加热器加热坩埚。

依据本发明的再一实施例，于进行长晶步骤前，上述类单晶的制备方法还包含于每一坩埚的底部中央区域的下方设置高热传导系数元件。

依据本发明的再一实施例，于进行长晶步骤前，上述类单晶的制备方法还包含于每一坩埚的底部中央区域的下方设置高热传导系数元件、以及于每一坩埚的底部外缘区域的下方设置低热传导系数元件。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1是绘示依照本发明的一实施方式的一种类单晶的制备方法的流程图；

图2A是绘示依照本发明的一实施方式的一种成长类单晶的装置的剖面示意图；

图2B是绘示依照本发明的一实施方式的一种成长类单晶的装置的上视示意图；

图2C是绘示依照本发明的一实施方式的一种类单晶成长时的示意图；

图3是绘示依照本发明的另一实施方式的一种成长类单晶的装置的剖面示意图；

图4是绘示依照本发明的又一实施方式的一种成长类单晶的装置的剖面示意图；

图5A是绘示依照本发明的再一实施方式的一种成长类单晶的装置的剖面示意图；以及

图5B是绘示依照本发明的再一实施方式的一种成长类单晶的装置的上视示意图。

具体实施方式

有鉴于传统成长类单晶时，因单晶晶种与晶种之间大都有晶界存在，而导致所成长的晶碇品质变差，甚至无法使晶碇维持单晶晶向，以及制程控制不易等问题。因此，本发明在此提出一种类单晶的制备方法，其在同一长晶炉体中设置多个坩埚，并于每一坩埚中设置单一片单晶晶种，借此可达到无晶界面，而可有效减少类单晶晶碇的缺陷，大幅提升晶碇品质。此外，本发明的制备方法更可在相邻二坩埚之间额外设置加热器，及/或于每个坩埚底部的中央区域与外缘区域分别设置高热传导系数元件与低热传导系数元件，借此可有效控制每个坩埚内的热场，提升长晶过程中对固液介面的控制。故，除了可提高晶碇品质，更可降低过融程度。

请参照图1、图2A与图2B，其中图1是绘示依照本发明的一实施方式的一种类单晶的制备方法的流程图，图2A与图2B是分别绘示依照本发明的一实施方式的一种成长类单晶的装置的剖面示意图与上视示意图。在本实施方式中，制备类单晶时，可先进行步骤100，以提供多个坩埚200，并将这些坩埚200均设置在同一长晶炉的炉体202内的反应室204中，如图2A所示。这些坩埚200可以彼此邻设的方式排列在反应室204中。每个坩埚200包含底部206与侧壁208，其中侧壁208沿着底部206的边缘而设立在底部206上，且底部206与侧壁208定义出长晶空间210。在一些例子中，如图2B所示，每个坩埚200的形状为长方形。长方形的坩埚设计，可使所成长出的类单晶晶碇为长方体，如此一来，于晶片切割时，可切出较多晶片，使类单晶晶碇获得较佳的利用效率，但此处长方形坩埚仅为较佳实施例的说明，坩埚形状并不限于长方形。

接下来，可进行步骤102，以在每个坩埚200的长晶空间210中放置一个单晶晶种212。在每个坩埚200中，单晶晶种212是铺放在坩埚200的底面214上。在一些例子中，每个坩埚200的底面214的尺寸较单晶晶种212的底面216大。举例而言，每个坩埚200的底面214的长与宽分别较位于其上的单晶晶种212的底面216的长与宽大10mm至100mm，即每个单晶晶种212的底面216的每一边分别与其所在的坩埚200的底面214中的邻近一边相隔约5mm至50mm。在一些特定例子中，每个坩埚200的底面214与位于其上的单晶晶种212的底面216的尺寸实质相同。此外，在一些例子中，放在这些坩埚200内的单晶晶种212具有不同的晶向；或者，这些单晶晶种212的晶向不全然相同，即一些单晶晶种212的晶向相同，另一些单晶晶种212的晶向不同。在一些特定例子中，所有的单晶晶种212具有相同的晶向，例如[100]晶向。

完成单晶晶种212的设置后，可进行步骤104，以在每个坩埚200中的单晶晶种212上设置硅料218。这些硅料218可例如为硅块。接着，可进行长晶的步骤106，以利用加热方式融化每个坩埚200内的硅料218。在长晶的步骤106期间，透过控制炉体202的反应室204内的热场分布，使硅料218由上而下融化。并且，控制每个坩埚200内的硅料218的融化高度在单晶晶种212的上表面处，避免融穿全部或局部的单晶晶种212。

请同时参照图2A与图2C，其中图2C是绘示依照本发明的一实施方式的一种类单晶成长时的示意图。当每个坩埚200中的硅料218已融化至单晶晶种212的上表面处的位置时，即可将炉体202的反应室204的操作条件切换成长晶模式。此时，硅晶就会沿着单晶晶种212的晶格在坩埚200的长晶空间210中成长，而得到类单晶晶碇。在长晶的过程中，固态的类单晶220由单晶晶种212处开始往上成长，因而此时液态硅222会在固态的类单晶220的上方，且二者之间会形成有一固液介面224。在本实施方式中，在长晶期间，可控制固液介面224，使其呈现中央凸且外侧低。通过这样的介面控制，可使张应力在中央区而压应力产生在外侧，如此若有晶格缺陷，这样的应力分布会使得这些晶格缺陷形成在类单晶220的外侧边。当完成类单晶晶碇后，通常会将类单晶晶碇的外侧的部分切除，因而可将形成在类单晶220外侧的缺陷一并切除。故，可减少类单晶220成品的缺陷，而可大幅提升类单晶220的品质。

请同时参照图1与图3，其中图3是绘示依照本发明的另一实施方式的一种成长类单晶的装置的剖面示意图。在本实施方式中，可在长晶的步骤106进行前，于每个坩埚200的底部206的中央区域228下方设置高热传导系数元件226。这些高热传导系数元件226可在类单晶220的长晶过程中，使坩埚200的底部206的中央区域228上方的硅融汤较快速地凝结成长，借此可有利于使固液介面224呈中央凸且外侧低凹的状态。故，这样的装置设计有利于控制固液介面224，而可有效减少晶格缺陷，进而可提高类单晶220成品的品质。

请同时参照图1与图4，其中图4是绘示依照本发明的又一实施方式的一种成长类单晶的装置的剖面示意图。在本实施方式中，可在长晶的步骤106进行前，于每个坩埚200的底部206的中央区域228下方设置高热传导系数元件226、以及于每个坩埚200的底部206的外缘区域230的下方设置低热传导系数元件232。在一些例子中，如图4所示，这些坩埚的低热传导系数元件232可整合成一结构层，且高热传导系数元件226可嵌设在低热传导系数元件232的结构层中。在类单晶220的长晶过程中，这些高热传导系数元件226可使坩埚200的底部206的中央区域228上方的硅融汤较快速地凝结成长，而这些低热传导系数元件232可使坩埚200的底部206的外缘区域230上方的硅融汤较中央缓慢地凝结成长，借此可更有利于控制固液介面224呈中央凸且外侧低凹的状态。因此，这样的装置设计更有助于控制固液介面224，而可更有效减少晶格缺陷，进而可更有助于类单晶220成品的品质的提升。

请同时参照图1、图5A与图5B，其中图5A与图5B是分别绘示依照本发明的再一实施方式的一种成长类单晶的装置的剖面示意图与上视示意图。在本实施方式中，可在长晶的步骤106进行前，先在任二相邻的坩埚200之间额外设置加热器234。由于坩埚200彼此邻设排列，且这些加热器234是分别设置在相邻二坩埚200之间，因此这些加热器234分别位于每个坩埚200的侧面，即每个坩埚200的侧墙208旁。在一些例子中，如图5A所示，这些加热器234为石墨棒。如图5B所示，这些加热器234可分别排列在相邻二坩埚200之间。或者，这些加热器234可分别环绕住每个坩埚200。完成加热器234的设置后，即可在类单晶220的长晶过程中，利用这些加热器234从每个坩埚200的侧面来加热坩埚200，借以在长晶过程中协助控制固液介面224，以利减少类单晶220的晶格缺陷，进而达到提升类单晶220成品的品质的效果。

由上述的实施方式可知，本发明的一优点就是因为本发明的类单晶的制备方法是在同一长晶炉的炉体内设置多个坩埚，并于每个坩埚中各设置一个单晶晶种，因此可在长晶时达到无晶界面的目的，并可减少晶碇的缺陷。

由上述的实施方式可知，本发明的另一优点就是因为本发明的类单晶的制备方法可在相邻坩埚之间设置加热器，如此可在长晶过程中，有效控制每个坩埚内的热场，进而可较准确的控制长晶的固液介面。

由上述的实施方式可知，本发明的又一优点就是因为本发明的类单晶的制备方法可在每个坩埚的底部中央区域的下方设置高热传导系数元件，或可额外再于坩埚的底部外缘区域的下方设置低热传导系数元件，借此可更有效地控制每个坩埚内的热场，而更准确地控制长晶的固液介面，使得固液介面呈现中间凸且外侧低，以使固液介面的外侧均为张应力，进而可减少晶界面的缺陷。由于固液介面可获得有效控制，因此有利于减少过融程度，避免局部区域的单晶晶种被融光。

由上述的实施方式可知，本发明的再一优点就是因为在本发明的类单晶的制备方法中，每个坩埚可为长方形，因此于晶片切割时，可使晶碇获得较有效率的利用。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何在此技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种类单晶的制备方法，其特征在于，包含：

设置多个坩埚于一炉体内；

于每一所述坩埚中设置一单晶晶种；

于每一所述坩埚中设置一硅料于该单晶晶种上；以及

进行一长晶步骤，以利用每一所述坩埚中的该硅料与该单晶晶种形成一类单晶晶碇。

2.根据权利要求1的类单晶的制备方法，其特征在于，每一所述坩埚的底面的长与宽分别较该单晶晶种的底面的长与宽大10mm至100mm。

3.根据权利要求1的类单晶的制备方法，其特征在于，每一所述坩埚的底面与该单晶晶种的底面的尺寸相同。

4.根据权利要求1的类单晶的制备方法，其特征在于，所述单晶晶种具有相同的一晶向。

5.根据权利要求4的类单晶的制备方法，其特征在于，该晶向为[100]晶向。

6.根据权利要求1的类单晶的制备方法，其特征在于，每一所述坩埚的形状为长方形。

7.根据权利要求1的类单晶的制备方法，其特征在于，于进行该长晶步骤前，还包含设置多个加热器分别位于相邻的所述坩埚之间，其中进行该长晶步骤时包含利用所述加热器加热所述坩埚。

8.根据权利要求1的类单晶的制备方法，其特征在于，于进行该长晶步骤前，还包含于每一所述坩埚的底部中央区域的下方设置一高热传导系数元件。

9.根据权利要求1的类单晶的制备方法，其特征在于，于进行该长晶步骤前，还包含：

于每一所述坩埚的底部中央区域的下方设置一高热传导系数元件；以及

于每一所述坩埚的底部外缘区域的下方设置一低热传导系数元件。