CN1958875A - 拉制半导体单晶的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种拉制半导体单晶的装置及方法，其特征在于：在第一激磁线圈(3)的上端部、第二激磁线圈(4)下端部、第一激磁线圈和第二激磁线圈之间分别设置一个环状导磁体(5、6、7)，在第一激磁线圈(3)和第二激磁线圈(4)的外侧设置一个筒状导磁体(8)，同现有技术比较，本发明的优点是：1)采用这种磁场结构后，在相同激磁线圈和通电电流的条件下，在坩埚侧壁液面处，磁场强度增强50％以上，或者在相同磁场强度下，电耗节省50％以上；2)同时有助于改善单晶生长条件和提高单晶质量，如掺杂剂在单晶内分布均匀，含氧量降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种自熔融液提拉法生长单晶，特别涉及一种拉制半导体单晶的装置及方法。
背景技术
用直拉法制造的半导体单晶中，掺杂剂的分布和缺陷的形成取决于晶体生长时坩埚中熔体的流动状况。晶体生长时施加磁场可以通过抑制坩埚中熔体的对流来控制熔体中流动的速度和方向，从而控制杂质向晶体的掺入，最终获得较高的晶体质量和成品率，这已被证明是行之有效的方法。现代，随需要制造的晶体直径越来越大和对晶体质量要求越来越高，使用磁场的重要性越来越大。
硅单晶生长时，高温熔融的硅熔液在坩埚内随坩埚旋转，由熔液拉制的硅晶体与坩埚同轴，以相反的方向旋转。对坩埚内熔液流动进行流体力学分析可知，使熔液内部发生相对运动的驱动力包括：由晶体和坩埚旋转通过液体粘性引起的离心力，由受热和冷却路径不同所导致熔体各部分温度不同引起密度不同而产生的重力(Grashof流)，和由熔液表面温度梯度引起的表面张力三种。硅熔液在这三种力联合作用下在内部形成循环流动。在熔液内各个位置上掺杂剂(包括由坩埚溶入的氧)浓度分布受这种循环流动的作用发生变化，最后导致硅单晶中掺杂剂的特定分布。施加磁场对坩埚内各部位熔液不同流向液流的作用也不同。为了使晶体有均匀的掺杂剂分布，并且降低硅单晶中氧含量，希望在熔液上表面位置(包括晶体生长的固液界面和暴露的表面)磁场的轴向分量尽可能小，而坩埚侧壁位置磁场径向分量尽可能大。
直拉法晶体生长炉的磁场可用不同的方式施加：横向，纵向，和Cusp磁场，其作用和效果各不相同。横向磁场的轴线方向与拉晶轴线正交，如Hoshi资料所述J.ECS，132，693(1985)。横向磁场对熔体中上下方向对流的抑制作用明显，对控制晶体中氧含量有效。但是，它没有旋转对称性，会引起晶体生长条件的微起伏，并且需要配置庞大的磁体和巨大的电力消耗来提供足够控制熔体液流的磁场，达到1000-3000Gass。纵向磁场轴线与拉晶轴线一致，磁场方向基本垂直，具有旋转对称性，它对熔体径向的流动有抑制作用，对上下方向的对流抑制作用不明显，而使生长界面层的径向梯度增大，造成不利的径向掺杂不均匀。Cusp磁场是由上下两个线圈同轴堆叠反向通电而成，具有旋转对称性，如Hirata所述JP58-217493/USP5178720，适当设置磁场相对于坩埚内熔液面的高度，可以使磁力线方向基本与坩埚壁垂直，对抑制熔体中的对流比较有利，可以用较低的场强300-600Gass获得所需的控制作用，对稳定熔体、控制晶体中氧含量有效。
但是，对Cusp磁场，建立磁场的电力消耗仍是一个关键问题。为获得对熔体流动的必要控制，线圈的激磁电流必需相当大，电流通过线圈的电阻消耗功率。同时，因单晶炉操作的要求，在炉膛附近可设置磁场的空间有限，设置大截面线圈受到限制，线圈电阻不能随意降低，因此增强磁场受到激磁功耗的限制。目前普通的Cusp磁场工作时，线圈的功耗很大，甚至与单晶炉加热器的功率相接近，使制造晶体的电耗即成本明显增高。有使用超导Cusp磁场来降低磁场功耗的方案，但超导磁场的材料、设备和低温维持费用很高，难以实用。因此虽然目前Cusp磁场已经商业化，但使用受到较大限制。
本发明提出一种新的Cusp磁场结构，使维持必要磁场强度的功耗大幅度减少，并且磁场方向的分布能更好地符合控制熔液流动的要求，使掺杂剂在晶体内的浓度和分布更符合需要，从而以较低的能耗生长优质的单晶。
发明内容
单晶生长时施加磁场控制坩埚内熔体的流动，重要的条件是磁场具有足够的强度，并且具有特定的磁场方向和分布。用较低的功耗实现这两个条件就是本发明的目的。
根据电磁学理论可以知道，形成Cusp磁场的两个线圈配置，反向通电时，两个线圈产生的磁场互相叠加，总的结果是轴向分量互相抵消，径向分量可以加强。实施时，为了产生足够强的磁场，必需有足够的安匝数，由于单晶炉膛周围空间有限，线圈绕组必需紧密靠近。根据磁场叠加原理，当相反通电的两个同轴线圈靠得较近时，它们产生的径向磁场分量有一部分是互相抵消的。也就是说，激磁所消耗的功率实际上有一部分并不起作用。本发明的要点就是减少这种无效的功耗，利用铁磁性材料的高导磁性，在Cusp磁场线圈的适当部位设置由高导磁材料制成的结构，改变线圈周围磁场分布和走向，减少两个线圈产生磁场的抵消作用，同时减少磁场向外的弥散，使磁场向中部压缩，起到增强坩埚内熔体部位磁感应强度的效果，因此同样的激磁电流可以获得较大的有用磁场强度。同时，通过这种手段，由于磁场分布和走向的变化，维持了对坩埚侧面附近熔液流动的抑制，但不抑制晶体生长界面和熔液自由表面附近的流动，这样有利于改善晶体生长时熔体中杂质输运的控制，进一步了改善磁场生长晶体的条件。此外，由于铁磁结构集中了磁场分布，减少了磁场向外的杂散，也有利于操作人员的安全。
本发明提出的Cusp磁场结构是在激磁线圈的不同部位引入了铁磁材料的部件，这些铁磁部件形成半封闭的磁路，激磁线圈通电时形成的磁场分布在导磁磁路和线圈内部的空间。通过改变铁磁结构的形状和尺寸可以调制磁场的磁力线分布。可用的铁磁材料包括各种软磁芯材料，如：软铁，硅钢，或铁粉、铁硅铝粉芯材料等。导磁体的厚度，根据单晶炉磁场的大小和所用材料的性能加以选定。
采用本发明上面所述的Cusp磁场结构，在晶体生长时，在线圈中根据所需磁场的强度通以适当的电流，在坩埚区域内建立一个磁场分布：在坩埚侧壁附近具有与埚壁正交的磁场径向分量。借助铁磁材料的高磁导率和饱和磁感应强度值，磁场向中央部位集中，于是，在同样的激磁电流下，可以获得较高的径向磁场强度；同时，在晶体与熔液的生长界面部位，无论轴向或径向的磁场强度都很弱，在此磁场在此磁场对流体的流动几乎没有抑制作用。通过这样的安排，可以获得所需的对熔液流动的控制作用：一方面减弱了坩埚侧面由熔体密度变化引起的熔液对流，减少了对坩埚壁的侵蚀即氧的引入；另一方面又不抑制熔液表面和晶体生长界面的流动，不减弱氧由熔液表面的蒸发，维持生长界面边界层的均匀度。这是晶体生长控制杂质引入的有利条件。在整个晶体生长过程中，随晶体从头至尾的生长，磁场线圈相对于坩埚液面的位置、线圈的电流、以及上下线圈电流的比例可进行程序控制，较合适的是线圈电流逐渐减少直至到零，从而维持掺杂剂均匀分布、且氧含量低而可控的生长晶体的熔液流动的最佳状态。
本发明的目的在于提供一种拉制半导体单晶的装置及方法。在本装置中设置一种新型的磁场结构，采用这种磁场结构后，在相同激磁线圈和通电电流的条件下，在坩埚侧壁液面处，磁场强度增加50％以上，或者在相同磁场强度下，电耗降低50％以上；同时有助于改善单晶生长条件和提高单晶质量，如掺杂剂在单晶内分布均匀，含氧量降低。
一种拉制半导体单晶的装置，包括拉晶炉膛1，石英坩埚2，炉膛外侧上下设有两个同轴布置的激磁线圈，其第一激磁线圈3和第二激磁线圈4通电电流方向相反，其特征在于：在第一激磁线圈3的上端部、第二激磁线圈4下端部、第一激磁线圈和第二激磁线圈之间分别设置一个环状导磁体5、6、7，在第一激磁线圈3和第二激磁线圈4的外侧设置一个筒状导磁体8；环状导磁体5和6的厚度分别为10～40mm，环状导磁体7的厚度为20～120mm，筒状导磁体8的厚度为10～40mm；优先选用环状导磁体5和6的厚度为15～30mm，环状导磁体7的厚度为30～60mm，筒状导磁体8的厚度为15～30mm；环状导磁体7中间平面与石英坩埚内的原料熔液液面位于同一个水平面附近。
一种拉制半导体单晶的方法，用直拉法由装有原料熔液的坩埚拉制半导体单晶，其特征在于：第一激磁线圈3和第二激磁线圈4产生施加于熔液抑制其中的对流的磁场，其磁力线方向和坩埚侧壁基本垂直，且在晶体与熔液界面处和熔液的自由表面处的纵向磁场强度接近于零；在晶体拉制过程中，第一激磁线圈3和第二激磁线圈4的电流逐渐减少到零。
同现有技术比较，本发明具有如下突出的优点：1)采用这种磁场结构后，在相同激磁线圈和通电电流的条件下，在坩埚侧壁液面处，磁场强度增加50％以上，或者在相同磁场强度下，电耗降低50％以上；2)同时有助于改善单晶生长条件和提高单晶质量，如掺杂剂在单晶内分布均匀，含氧量降低。
附图说明
图1为常规的拉制半导体单晶的装置结构示意图。图中1为拉晶炉膛，2为石英坩埚，坩埚盛有原料熔液，图中3和4分别为第一激磁线圈和第二激磁线圈，虚线表示磁场的磁力线分布，省略热场和机构部件。
图2为本发明的拉制半导体单晶的装置结构示意图。图中5、6、7分别为环状导磁体，8为筒状导磁体。虚线表示磁场的磁力线分布，省略外部较弱的磁力线分布。
图3为实施例1所述磁场在坩埚内熔液不同深处的磁场径向分量分布图。横坐标为径向距离，纵坐标为磁场强度，A为熔液液面处的磁场强度，B为液面下100mm处的磁场强度，C为液面下200mm处的磁场强度，D、E、F分别为常规装置的液面、液面下100mm、液面下200mm处的磁场强度。
具体实施方式
实施例1：
一种拉制半导体单晶的装置，包括拉晶炉膛1，石英坩埚2，炉膛外侧上下设有两个同轴布置的激磁线圈，其第一激磁线圈3和第二激磁线圈4通电电流方向相反，其特征在于：在第一激磁线圈3的上端部、第二激磁线圈4下端部、第一激磁线圈和第二激磁线圈之间分别设置一个环状导磁体5、6、7，在第一激磁线圈3和第二激磁线圈4的外侧设置一个筒状导磁体8；第一激磁线圈3和第二激磁线圈4其外径为1700mm，内径为1300mm，总高度为1000mm，环状导磁体5和6其厚度皆为20mm，环状导磁体7的厚度为40mm，筒状导磁体8的厚度为20mm，导磁体的材质为硅铁，两个激磁线圈通电电流皆为300A，通电电流方向相反。检测结果：在通电电流相同情况下，磁场强度增加69.5％，或者在相同磁场强度情况下，电耗节省62％。
实施例2：
第一激磁线圈3和第二激磁线圈4其外径为1700mm，内径为1300mm，总高度为1000mm，环状导磁体5和6其厚度皆为30mm，环状导磁体7的厚度为90mm，筒状导磁体8的厚度为30mm，导磁体的材质为硅铁，两个激磁线圈通电电流皆为300A，通电电流方向相反。其余与实施例1相同。检测结果：在通电电流相同情况下，磁场强度增加104.7％，或者在相同磁场强度情况下，电耗节省73.4％。
实施例3：
第一激磁线圈3和第二激磁线圈4其外径为1700mm，内径为1300mm，总高度为1000mm，环状导磁体5和6其厚度皆为15mm，环状导磁体7的厚度为30mm，筒状导磁体8的厚度为15mm，导磁体的材质为硅铁，两个激磁线圈通电电流皆为300A，通电电流方向相反。其余与实施例1相同。检测结果：在通电电流相同情况下，磁场强度增加53.4％，或者在相同磁场强度情况下，电耗节省54.2％。
实施例4：
第一激磁线圈3和第二激磁线圈4其外径为1700mm，内径为1300mm，总高度为1000mm，环状导磁体5和6其厚度皆为30mm，环状导磁体7的厚度为90mm，筒状导磁体8的厚度为30mm，导磁体的材质为硅铁，第一激磁线圈通电电流为550A，第二激磁线圈通电电流为600A，通电电流方向相反。其余与实施例1相同。检测结果：在通电电流相同情况下，磁场强度增加67.4％，或者在相同磁场强度情况下，电耗节省61％。
Claims (6)
1.一种拉制半导体单晶的装置，包括拉晶炉膛(1)，石英坩埚(2)，炉膛外侧上下设有两个同轴布置的激磁线圈，其第一激磁线圈(3)和第二激磁线圈(4)通电电流方向相反，其特征在于：在第一激磁线圈的上端部、第二激磁线圈(4)下端部、第一激磁线圈和第二激磁线圈之间分别设置一个环状导磁体(5，6，7)，在第一激磁线圈(3)和第二激磁线圈(4)的外侧设置一个筒状导磁体(8)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：环状导磁体(5和6)的厚度分别为10～40mm，环状导磁体(7)的厚度为20～120mm，筒状导磁体(8)的厚度为10～40mm。
3.根据权利要求1和2所述的装置，其特征在于：环状导磁体(5和6)的厚度为15～30mm，环状导磁体(7)的厚度为30～60mm，筒状导磁体(8)的厚度为15～30mm。
4.根据权利要求1和2所述的装置，其特征在于：环状导磁体(7)中间平面与石英坩埚内的原料熔液液面位于同一个水平面附近。
5.一种拉制半导体单晶的方法，用直拉法由装有原料熔液的坩埚拉制半导体单晶，其特征在于：第一激磁线圈(3)和第二激磁线圈(4)产生施加于熔液抑制其中的对流的磁场，其磁力线方向和坩埚侧壁基本垂直，且在晶体与熔液界面处和熔液的自由表面处的纵向磁场强度接近于零。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在晶体拉制过程中，第一激磁线圈(3)和第二激磁线圈(4)的电流逐渐减少到零。
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