CN109923248A - 单晶提拉装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单晶提拉装置。掺杂剂供给单元具备：设置于腔室的外部并收纳掺杂剂且将其投入到腔室内的投入装置、设置于腔室的内部且对从投入装置投入的掺杂剂进行保持并使其升华的升华室、向该升华室导入载气的载气导入装置、以及将在升华室中升华了的掺杂剂与载气一起向原料熔液面吹送的吹送装置，吹送装置具备与升华室连结的管和多个吹送口，使升华了的掺杂剂经由管从多个吹送口向原料熔液面分散地吹送。由此，能够提供一种单晶提拉装置，当掺杂升华性掺杂剂时，能够以尽量短的时间高效地掺杂掺杂剂。

Description

单晶提拉装置

技术领域

本发明涉及一种用切克劳斯基法从收容于坩埚的原料融液中提拉单晶硅的单晶提拉装置。

背景技术

就低击穿电压的功率器件而言，对于N型低电阻率基板的要求日益增强。

作为分开制作多个规格的器件的方法，有一种被称为AB分割的提拉两根单晶的方法，该方法是先提拉获得电阻率高的X产品，并在向剩下的熔融液(原料熔液)中另外追加掺杂剂后再提拉获得电阻率低的Y产品。

如果想要更加高效地进行制造，则有一种提拉一个单晶的方法，该方法从高(TOP)侧获取通过在初期投入的磷而结晶的目标电阻率高的X产品，并在直体的提拉途中追加掺杂剂来制造电阻率低的Y产品。在途中掺杂速度越快，就越能够减少损耗。

另外，在仅制造电阻率低的晶体时，向提拉前的熔融液中投入大量的掺杂剂，但会产生如下问题：如果掺杂剂的投入量大，则容易在单晶生长的锥体工序中发生位错。这是因为：在锥体工序的初期，用于分割设置于液面上的熔体、来自加热器的辐射热的屏蔽物与熔体表面之间的气体的线速较慢，因此蒸发的掺杂剂、以及其氧化物附着于晶体。

而且，也存在以下问题：N型的掺杂剂具有挥发性，如果在晶种投放(種付け)前投入则会有一部分在形成产品的直体工序的提拉之前蒸发。

因此，有时也会采用如下方法：以掺杂剂浓度低的熔体进行锥体工序，并在直体提拉过程中进行途中掺杂(例如专利文献1)，但是在这种情况下也是途中掺杂的速度越快就越能够减少损耗。

当进行途中掺杂时，大多会采用如下方法：由于磷、砷具有升华的性质，因此利用炉内的热量使其升华，并将其通过管与载气一起向熔体吹送来进行掺杂。

进行磷的途中掺杂的HZ(热区)的结构如图5所示。在主腔室102a之外设置有红磷投入装置116。其中收纳有红磷并具有通过晃动而使红磷以期望的速度下落的功能(专利文献2)。下落的红磷在连结管120内通过，并下落到设置于炉内的升华室117。另外，载气也在该连结管120内流动。由于升华室117达到1000℃以上，因此下落的红磷升华成为气体，并与载气一起通过掺杂管121向熔体吹送。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开2008-266093号公报

专利文献2：日本专利公开2013-129551号公报

发明内容

(一)要解决的技术问题

期望在短时间内进行上述那样的途中掺杂。

但是，如果提高途中掺杂的速度，则进行了掺杂的部分的熔体的浓度会升高，因此该区域中的蒸发物增加，会产生如下问题：无法如所期望那样对熔体进行掺杂，或者是蒸发物附着于晶体而导致位错。

本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于，提供一种单晶提拉装置，当掺杂升华性掺杂剂时，能够以尽量短的时间高效地掺杂掺杂剂。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明提供一种单晶提拉装置，其具备：用于对收容于坩埚的原料进行加热而制成原料熔液的加热器、容纳该加热器和所述坩埚的腔室、以及向所述原料熔液供给升华性的掺杂剂的掺杂剂供给单元，且用切克劳斯基法从所述原料熔液中提拉单晶硅，所述单晶提拉装置特征在于，所述掺杂剂供给单元具备：设置于所述腔室的外部并收纳所述掺杂剂且将其投入到所述腔室内的投入装置、设置于所述腔室的内部且对从所述投入装置投入的掺杂剂进行保持并使其升华的升华室、向该升华室导入载气的载气导入装置、以及将在所述升华室中升华了的掺杂剂与来自该载气导入装置的载气一起向所述原料熔液面吹送的吹送装置，该吹送装置具备与所述升华室连结的管和多个吹送口，使所述升华了的掺杂剂经由所述管从所述多个吹送口向所述原料熔液面分散地吹送。

如果是这样的单晶提拉装置，则能够抑制：在对升华性掺杂剂进行气体掺杂时，原料熔液中的掺杂剂存在于局部。因此，能够防止以往那样的情况，即：在存在于局部的区域中，掺杂剂的蒸发量增加，因蒸发物等(蒸发的掺杂剂及其氧化物)附着而使提拉晶体发生位错，或者是无法如期待的那样向原料熔液进行掺杂。因而，能够提高实际熔解到原料熔液中并取入到晶体中的掺杂剂的实际掺杂速度，能够在短时间内高效地进行掺杂。因此，能够减少掺杂的损耗并降低制造成本。

另外，所述吹送装置的所述管分支成两根以上，在该分支的各前端开设的一个以上的孔构成所述多个吹送口。

另外，在所述吹送装置的所述管的前端开设的多个孔构成所述多个吹送口。

如果具有这样的多个吹送口，则能够高效地防止在向原料熔液进行掺杂时掺杂剂存在于局部。

或者可以是，所述吹送装置在所述管的前端装备有可装卸的转换件(日文：アダプタ)，在该转换件开设的多个孔构成所述多个吹送口。

采用这种在转换件上具有多个吹送口的方式，也能够高效地防止在向原料熔液进行掺杂时掺杂剂存在于局部。

而且在上述的情况下，可以是，所述吹送装置的所述管分支成两根以上，在该分支的各前端装备有所述转换件。

如果是这样的结构，则能够进一步地防止掺杂剂存在于局部，且更加高效地进行掺杂。

另外可以是，所述吹送装置具备对所述多个吹送口进行封堵的可装卸的盖子。

如果具备这样的盖子，则能够根据例如提拉条件等而对不需要的吹送口用盖子进行封堵，而仅使需要的多个吹送口敞开来进行掺杂。通过装卸盖子而能够调整掺杂量、掺杂剂向原料熔液的吹送区域。

另外可以是，所述掺杂剂为磷或者砷。

磷或者砷以往就常用作升华性掺杂剂，因此适合于本发明。

(三)有益效果

如上所述，本发明能够抑制：在对升华性掺杂剂进行气体掺杂时，原料熔液中的掺杂剂存在于局部。因而能够防止因掺杂剂存在于局部而引起的蒸发量的增加、因蒸发物等的附着而造成的提拉晶体的位错、掺杂量的不足，能够在短时间内高效地进行掺杂。其结果为，单晶的制造成品率提高。

附图说明

图1是表示本发明的单晶提拉装置的一例的概要图。

图2A是表示吹送装置的一例的侧视图。

图2B是表示吹送装置的一例的俯视图。

图3是表示吹送装置的另一例的概要图。

图4是表示吹送装置的另一例的概要图。

图5是表示现有的单晶提拉装置的一例的概要图。

图6是表示现有的吹送装置的一例的概要图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式进行说明，但本发明并不限定于此。

图1表示本发明的基于切克劳斯基法的单晶提拉装置的一例。该单晶提拉装置1具有腔室2(主腔室2a、提拉腔室2b)。在配置于主腔室2a内的石墨坩埚6内的石英坩埚5的内部充满硅熔体(原料熔液)4，单晶硅3是从该原料熔液4提拉并被向提拉腔室2b内提拉。用于对原料熔液4进行加热的加热器7设置于石墨坩埚6的外周，且为了对来自加热器7的热进行隔热而在该加热器7的外周设置有隔热部件8和石墨护罩9。

在单晶提拉装置1内充满的氩气等非活性气体从气体导入口10导入，且气体沿着气体整流筒13流动，并从气体流出口11排出。另外，在气体整流筒13的原料熔液4侧，设置有对来自加热器7、原料熔液4的辐射进行隔绝的隔热部件12。

而且，在单晶提拉装置1外部设置有放射温度计14，在该位置将隔热部件8的一部分除去而能够测量石墨护罩9的温度。

另外，掺杂剂供给单元15在单晶生长过程中向原料熔液4供给升华性掺杂剂(也简称为掺杂剂)，掺杂剂供给单元15具备投入装置16、升华室17、载气导入装置18、吹送装置19。

投入装置16设置于腔室2的外部，具备连结管20，并与设置于腔室2内部的升华室17连结。另外，投入装置16收纳有掺杂剂，并经由连结管20向升华室17投入掺杂剂。只要具有能够适当调整所收纳的掺杂剂的投入量的机构即可。例如，能够利用晃动而以规定速度投入掺杂剂。

只要掺杂剂具有升华性并能够向原料熔液进行气体掺杂则并无特别限定，例如可举出以往常用的磷、砷。

升华室17是对从投入装置16投入的掺杂剂进行保持的空间。而且，升华室17也是设置于腔室2的内部，并利用腔室2内的气氛的热使所保持的升华性掺杂剂升华的空间。为了能够高效地进行升华，可以适当确定升华室17在腔室2内的配置。

另外，升华室17经由连结管20也与载气导入装置18连结。载气导入装置18经由连结管20向升华室17导入例如氩气等载气。导入到升华室17的载气与所升华了的掺杂剂一起通过吹送装置19而到达原料熔液面。

关于所导入的载气的流量，优选是升华后的掺杂剂到达原料熔液4所需的流量，并且处于不会因吹送掺杂剂而导致原料熔液4发生影响单晶正常生长程度的振动的范围。

另外，吹送装置19将来自升华室17的升华了的掺杂剂和载气吹送到原料熔液面。在本发明中，该吹送装置19具备与升华室17连结的管(并且在此是指掺杂管21)和多个吹送口22。

下面对该吹送装置19(掺杂管21和多个吹送口22)的实施方式进行详细说明，但是并不限定于这些实施方式。

(第一实施方式)

在图2A和图2B中表示吹送装置的一例。图2A是侧视图，图2B是俯视图。

掺杂管21分支成两根以上。在此作为一例而示出分支成七根的例子，但分支数并无限定，可根据期望的掺杂速度等而适当地确定。即，由于取决于期望的条件，因此无法限定分支数的上限。但是分支数多则结构复杂，因此分支数优选为十根以下。

另外，在分支的各个掺杂管21的前端开设有一个孔，来自升华室17的掺杂剂与载气一起从该孔向原料熔液面吹送。即，该孔起到吹送口22的作用。由于从多个分支的前端的孔吹送掺杂剂，因此能够向原料熔液面分散地进行吹送。

分支的掺杂管21例如能够如图2B所示那样，以围绕于所提拉的单晶硅3周围的方式配置成环状。虽然在此示出了配置于单晶硅3周围1/3程度的范围的例子，但是并不限定于此，也可以以整周围绕的方式配置。

另一方面，在现有装置的结构中，例如是如图6所示那样，掺杂管121没有分支而仅为一个，且吹送口122也仅有一个，从而导致向原料熔液面的一个区域集中地吹送掺杂剂。在这样的现有装置中，产生掺杂剂存在于局部，因此导致掺杂剂的蒸发量增加。而且，会导致蒸发的掺杂剂、其氧化物悬浮而附着于提拉过程中的晶体，而引起位错。另外，由于蒸发量多，因此无法使预定的量掺杂到单晶中。

与此相对，在本发明的单晶提拉装置1中，尤其是如上述的吹送装置19那样形成有多个吹送口22，因此能够防止向原料熔液面的一处集中地吹送的问题，并能够抑制原料熔液中的掺杂剂存在于局部。由此，能够抑制提拉晶体的位错、掺杂不足这样现有的问题。能够提高实际熔解到原料熔液中的掺杂剂的实际掺杂速度，较之以往能够以极短的时间高效地进行掺杂。其结果为，较之以往能够降低制造成本。

这样，通过使用图2A、图2B那样的掺杂管21的分支，能够切实、简便且高效地防止掺杂剂存在于局部。

此外，如图2A所示那样可以具备盖子23，所述盖子23能够对上述的前端的孔(吹送口22)进行封堵并可以装卸。

在图2A所示的例子中，在分支有七个的掺杂管21各自前端所开设的孔中，五个被盖子23封堵，两个敞开。在实际提拉单晶硅时进行气体掺杂的情况下，只要七个中的两个以上的孔敞开即可。能够通过盖子23的安装、卸下来进行掺杂量、掺杂剂的吹送区域的调整。根据各种条件而自由地确定盖子23的装卸即可，并能够作为掺杂条件的调整单元使用。

(第二实施方式)

图3表示吹送装置的另一例。在该例中，虽然掺杂管21没有分支而仅为一个，但是在其前端开设有多个孔(吹送口22)。通过形成多个这样的小孔，也能够使掺杂剂的吹送分散，并防止掺杂剂存在于局部。在这种情况下，不限于掺杂管21的前端，也可以在侧面设置吹送口22。

此外，也可以对第一实施方式、第二实施方式进行组合。即，虽然在图2A、图2B所示的例子中，说明了分支有七个的掺杂管21在前端都各自只开设有一个孔的情况，但是也可以开设多个孔。由此，在通过掺杂管21的分支而分散至七处的基础上，还能够从各个分支前端的多个孔中进一步分散地向原料熔液面吹送掺杂剂。其结果为，能够进一步地防止掺杂剂存在于局部，并将其均匀地取入到原料熔液中。在每一个前端对于孔的上限数并无特别限定，可以根据期望的条件而适当地确定，但是孔的数量多则必然导致掺杂管21***，因此优选孔的数量为10以下。

(第三实施方式)

图4表示吹送装置的另一例。在该例中，在掺杂管21的前端可装卸地安装有转换件24。在转换件24上开设有多个孔，它们构成多个吹送口22。转换件24的形状、孔的数量等可以自由地确定。只要能够安装于掺杂管21，并能够从多个吹送口22分散地向原料熔液面吹送掺杂剂即可。

而且，也可以对第一实施方式、第三实施方式进行组合，使掺杂管21分支成多个，并在各分支的前端装配上述转换件24。

另外，在第三实施方式中也能够可装卸地安装上述盖子23。可以根据需要来进行盖子23的安装、卸下，并且能够在制造单晶硅3时使多个吹送口22敞开而分散地吹送掺杂剂。

实施例

下面示出实施例和比较例来具体地说明本发明，但本发明不限于此。

(实施例1、2、比较例)

准备本发明的单晶提拉装置和现有的单晶提拉装置，并以多种掺杂速度一边进行气体掺杂一边提拉单晶硅。更具体而言，作为喷涂装置而准备了如下两种，即：图5和图6所示的现有的装置(装置A)，其掺杂管没有分支而从一处向原料熔液进行掺杂(比较例)；以及图2A和图2B所示的本发明的装置(装置B)，其掺杂管分支有七个(实施例1、2)，并利用各装置实施了单晶的提拉。

此外，装置B的掺杂管以围绕所提拉的单晶的方式呈环状配置。另外，也可以在装置B的管的前端装设盖子来封堵孔。

将多晶硅添加到石英坩埚中，使原料熔融并投入掺杂剂，之后进行晶种投放。

由于N型的低电阻率晶体容易在锥体工序中发生位错，因此在制造时需要仔细注意。如果锥体的扩展方式过强则会产生(111)的面(日文：ファセット)，并在该位置发生位错，因此以使锥体的扩展速度比普通晶体更慢地制作较长的锥体。

此时，如果使锥体过长则也会过多耗费时间，掺杂剂的蒸发量会进一步增加。

关于初期掺杂，是在直体为0cm时预先进行初期掺杂以达到1.25mΩcm。在直体工序的途中，在规定的区间进行了途中掺杂(磷的气体掺杂)。当达到规定的长度时则进行圆化工序，并进行后续加热工序，且在单晶冷却后将其取出。

如果在途中晶体发生了位错，在此情况下使晶体重新熔解则操作时间会变长，相应地将推定为蒸发了的磷直接投入到原料熔液中进行掺杂，之后再次进行晶种投放工序。

在此，将掺杂速度最小的条件表示为1.0的速度。在DF(无位错)的成功情况下，以逐渐提高速度的方式对晶体进行了提拉。

作为比较例，在装置A的情况下，途中掺杂用的载气设定为1.5L/min。载气在不进行途中掺杂时也持续流通。在无位错的情况下将掺杂速度从1.0提高到3.0。在掺杂速度为3.0的情况下，掺杂区间为50cm，掺杂后的电阻率为0.87mΩcm。

进一步地，设定掺杂速度为4.0，在几次试验中都发生了位错。

作为实施例1，在装置B敞开了七处的情况下，从掺杂速度6.0开始试验。关于途中掺杂用的载气，最初以3.0L/min进行了试验，但是电阻率没有变低。也就是说，由于磷未充分掺杂到原料熔液中，因此最终成为5.0L/min。如果载气过量流通，则异物容易到达晶体而容易发生位错，如果载气量过少则会飞散到主要的Ar气体中而导致磷难以掺杂到原料熔液中，因此平衡很重要。结果是，在掺杂速度为6.0和9.0的情况下，晶体无位错(DF)，此时掺杂区间为30cm，电阻率为0.86mΩcm。

此外，在掺杂速度为12.0的情况下，几次试验全部都发生了位错。

作为实施例2，对在装置B封堵五处而仅敞开两处的情况也进行了评价。在掺杂速度为5.0的情况下，无位错(DF)。此时，载气为3.0L/min，掺杂区间为40cm，掺杂后的电阻率为0.88mΩcm。

在掺杂速度为6.0的情况下，在几次试验中都发生了位错。

提拉得到的晶体被磨削成圆柱状，并从规定的位置切取样本对电阻率进行了测量。将测量得到的电阻率与计算程序的值进行比较，算出表示途中掺杂的磷有百分之几熔解到原料熔液中的转化率。

在计算程序中，在10个区间计算了磷的原料平衡。也就是说，10个区间中减去新制成的晶体中的磷和蒸发的磷后剩下的部分即为原料熔液中剩下的磷。虽然由于在途中掺杂区间进行途中掺杂的磷而添加的部分也会成为残留在原料熔液中的磷，但是残留在原料熔液中的磷仅设为乘以转化率的部分。

从晶体中的磷的浓度的曲线可得电阻率的曲线，并且是转化率的函数。能够通过与实际测量的电阻率进行拟合来计算转化率。

在表1中汇集了对应各装置的掺杂速度与单晶化的成功、失败、转化率、实际掺杂速度(掺杂速度×转化率)之间的关系。

(表1)

从汇编而成的表1可知，就仅从一处吹送掺杂剂的比较例而言，为了不产生位错地进行掺杂，最高也仅能够以3.0的掺杂速度进行掺杂。另外，实际掺杂速度为1.1左右。

与此相对，在从两处分散地吹送掺杂剂的实施例2中，则能够以5.0的掺杂速度进行掺杂，且实际掺杂速度为1.75。即相对于比较例约为1.6倍，能够高效地进行掺杂。

另外，在从七处分散地吹送掺杂剂的实施例1中，能够以9.0的掺杂速度进行掺杂，实际掺杂速度为2.7。即，相对于比较例约为2.5倍，能够高效地进行掺杂。

通过提高实际掺杂速度，从而能够在短时间内进行掺杂，减少晶体的损耗，并降低单晶的制造成本。

此外，本发明并不限定于上述实施方式。上述实施方式仅是例示，具有与记载于本发明的权利要求的技术思想实质上相同的结构，并实现同样的作用效果的技术方案，均包含于本发明的技术范围内。

Claims (7)

1.一种单晶提拉装置，其具备：用于对收容于坩埚的原料进行加热而制成原料熔液的加热器、容纳该加热器和所述坩埚的腔室、以及向所述原料熔液供给升华性的掺杂剂的掺杂剂供给单元，且用切克劳斯基法从所述原料熔液中提拉单晶硅，所述单晶提拉装置特征在于，

所述掺杂剂供给单元具备：设置于所述腔室的外部并收纳所述掺杂剂且将其投入到所述腔室内的投入装置、设置于所述腔室的内部且对从所述投入装置投入的掺杂剂进行保持并使其升华的升华室、向该升华室导入载气的载气导入装置、以及将在所述升华室中升华了的掺杂剂与来自该载气导入装置的载气一起向所述原料熔液面吹送的吹送装置，

该吹送装置具备与所述升华室连结的管和多个吹送口，使所述升华了的掺杂剂经由所述管从所述多个吹送口向所述原料熔液面分散地吹送。

2.根据权利要求1所述的单晶提拉装置，其特征在于，

所述吹送装置的所述管分支成两根以上，在该分支的各前端开设的一个以上的孔构成所述多个吹送口。

3.根据权利要求1或2所述的单晶提拉装置，其特征在于，

在所述吹送装置的所述管的前端开设的多个孔构成所述多个吹送口。

4.根据权利要求1所述的单晶提拉装置，其特征在于，

所述吹送装置在所述管的前端装备有可装卸的转换件，在该转换件开设的多个孔构成所述多个吹送口。

5.根据权利要求4所述的单晶提拉装置，其特征在于，

所述吹送装置的所述管分支成两根以上，在该分支的各前端装备有所述转换件。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的单晶提拉装置，其特征在于，

所述吹送装置具备对所述多个吹送口进行封堵的可装卸的盖子。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的单晶提拉装置，其特征在于，

所述掺杂剂是磷或者砷。