專利名稱:一種直拉法生長單晶硅用硅籽晶夾持器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種直拉法生長單晶硅用硅籽晶夾持器。
背景技術(shù):
硅單晶體作為一種半導(dǎo)體材料,一般用于制造集成電路和其它電子元件。大部分的半導(dǎo)體硅單晶體采用直拉法制造,直拉法制造硅單晶的單晶爐剖面示意圖見附圖1。在直拉法制造的硅單晶生長方法中,硅晶體在生長室內(nèi)生長,生長室包括不銹鋼筒8、保溫筒7、石墨發(fā)熱體6、石英坩堝11、石墨制的石英坩堝支持器10等,硅晶體在生長時用惰性氣體氬氣做保護氣體,一般采用如下制造方法多晶硅被裝進石英坩堝11內(nèi),加熱熔化,然后,將熔硅略做降溫,給予一定的過冷度,把一支特定晶向的硅單晶體1(稱做籽晶)裝入硅籽晶夾持器13中,硅籽晶夾持器13的上端通過連接件與籽晶軸12連接,籽晶固定于夾持器13的下端,并且使籽晶1與硅熔體3接觸,通過調(diào)整熔體的溫度和籽晶向上的提升速度,使籽晶體長大,當(dāng)硅晶體2的直徑接近目標(biāo)直徑時,提高提升速度,使單晶體近恒直徑生長。在生長過程的尾期,石英坩堝11內(nèi)的硅熔體3尚未完全消失,通過增加晶體的提升速度和調(diào)整石英堝內(nèi)的供給熱量,使晶體漸漸減小,從而形成一個尾形錐體,當(dāng)錐體的尖足夠小時,晶體就會與熔體脫離,從而完成晶體的生長過程。
在直拉硅單晶制造過程中,需要一種有特定晶向的硅單晶體,通常稱為籽晶。它是由一定晶向的硅單晶切割或鉆取而成。常用的晶向為<100>、<111>、<110>、<511>等。籽晶一般為圓柱體或長方體,它上面有一個或多個缺口,用銷子或金屬絲把籽晶固定在稱做硅籽晶夾持器的工件中。
在直拉硅單晶制造過程中,硅籽晶夾持器是必需部件,籽晶需要很好地固定到硅籽晶夾持器中,確保在提升籽晶過程中籽晶不至于脫落,最終使硅單晶生長過程順利完成,所以硅籽晶夾持器下端結(jié)構(gòu)要與所夾持的硅籽晶的形狀相配合。一般來說,硅籽晶夾持器由金屬鉬材料或石墨制成,有一與籽晶軸聯(lián)接的聯(lián)接件,硅籽晶夾持器下端可用于固定硅籽晶,其形狀根據(jù)與所夾持的硅籽晶的形狀不同而不同。
目前國內(nèi)籽晶一般采用長方體,在長方體的上端一側(cè)開有多個缺口,硅籽晶夾持器13下端為有一垂向缺口的圓柱,形狀與長方體籽晶相配合,籽晶1半嵌于夾持器13的下端,用金屬鉬絲15將二者固定在一起,鉬絲15正好進入籽晶1的缺口中,起到固定籽晶1的作用。國內(nèi)籽晶與硅籽晶夾持器示意圖見附圖2。此種夾持器適合制造小直徑的硅晶體,一般只能制造直徑小于160毫米,重量不超過60Kg的硅晶體。當(dāng)籽晶用于制造大于此范圍的晶體時,就容易在籽晶的缺口部位斷裂,降低使用次數(shù),增加成本。同時由于金屬鉬與硅的膨脹系數(shù)不同,在多次使用后容易造成鉬絲松動,使籽晶落入熔體中,導(dǎo)致制備過程失敗。
國外采用的還有一種籽晶的形狀為圓柱體,圓柱體的一側(cè)有凹槽,硅籽晶夾持器13下端的形狀為中空的圓柱體,其中也有與金屬鉬銷子14相同大小的孔,圓柱體籽晶1可裝入夾持器13的下端,籽晶1的凹槽與夾持器側(cè)邊孔相對,金屬鉬銷子14插入孔中,起到固定籽晶1的作用。國外籽晶及硅籽晶夾持器示意圖見附圖3。此種夾持器也只適合制造小直徑的硅晶體,一般可制造直徑小于160毫米,重量不超過60Kg的硅晶體。當(dāng)制造大直徑的晶體時,或在多次使用后,籽晶也容易在有孔處斷裂,使籽晶落入熔體中,同樣也導(dǎo)致制備過程失敗。
可是現(xiàn)在半導(dǎo)體硅材料的發(fā)展非常迅速,晶體逐漸向大直徑、高重量方向發(fā)展,直徑已增加到450毫米,重量也超過250Kg。在這種情況下,目前已有的籽晶及其夾持裝置已不能滿足要求,也不安全,籽晶容易發(fā)生斷裂,為了減少這種情形,一般采用每支籽晶只用1~5個晶體生長,這樣就增加了制造成本。為了滿足并促進硅材料的發(fā)展,需要設(shè)計出一種適合于制備大直徑晶體的硅籽晶夾持器。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種直拉法制備硅單晶所用的硅籽晶夾持器,此發(fā)明克服了上述缺點,能保證硅籽晶的安全使用,避免硅籽晶斷裂,可以用于制備重量高達500Kg的硅晶體。
為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的硅籽晶夾持器13上端為一與籽晶軸12連接的聯(lián)接件13c,其特征在于所述的硅籽晶夾持器13下端包括硅籽晶夾持器上部13a和硅籽晶夾持器下部13b,所述的硅籽晶夾持器上部13a與所述的硅籽晶夾持器下部13b之間為可拆卸聯(lián)接,所述的硅籽晶夾持器下部13b內(nèi)含一上大下小且上下貫通的空腔。
所述的硅籽晶夾持器下部13b的空腔至少包含有一個倒臺狀孔,或為兩個成階梯狀的柱孔,所述的倒臺狀孔為倒圓臺孔或倒棱臺孔,所述的柱孔為圓柱孔或棱柱孔。
所述的硅籽晶夾持器下部13b的空腔除有一個倒臺狀孔外,還在倒臺狀孔下方有一柱孔,或在倒臺狀孔上方有一柱孔,或在倒臺狀孔上、下方各有一柱孔。
所述的棱柱孔或倒棱臺孔的邊數(shù)為3~16個,優(yōu)選的邊數(shù)為4~10個。
所述倒棱臺孔或倒圓臺孔的側(cè)邊與垂直線之間的夾角θ為10°~<90°,優(yōu)選的θ為10°~60°。
所述的硅籽晶夾持器下部13b的空腔依次分別為一倒圓臺孔和一圓柱孔、一倒棱臺孔和一棱柱孔、一圓柱孔和一倒圓臺孔和一圓柱孔、一棱柱孔和一倒棱臺孔和一棱柱孔、一倒圓臺孔、一倒棱臺孔、兩個階梯狀圓柱孔或兩個階梯狀棱柱孔等其中的一種。
所述的夾持器與籽晶軸12連接的聯(lián)接件13c可為螺紋聯(lián)接或銷聯(lián)接,所述的夾持器上部13a與所述的夾持器下部13b之間可為螺紋聯(lián)接或銷聯(lián)接。
本發(fā)明對所述的夾持器上部13a和下部13b的外部形狀沒有限制??蔀閳A柱體、棱柱體、圓臺與圓柱的組合體或棱臺與棱柱的組合體等其中的一種。
所述的硅籽晶夾持器由金屬鉬或石墨制成。
所述的硅籽晶夾持器是為了滿足硅籽晶形狀的要求,使籽晶可以卡嵌在夾持器下部13b,以承受不斷長大的硅單晶的重量。
本發(fā)明所述的夾持器所夾持的硅籽晶包括相互連為一體的硅籽晶上部1a和硅籽晶下部1b,其中所述的硅籽晶上部1a為倒圓臺、倒棱臺或柱體中的一種,所述的硅籽晶下部1b為柱體,當(dāng)所述的硅籽晶上部1a為柱體時,所述的硅籽晶上部1a柱體的橫截面大于所述的硅籽晶下部1b柱體的橫截面。所述的柱體為圓柱體或棱柱體。
所述的棱柱體或倒棱臺的邊數(shù)為3~16個,優(yōu)選的邊數(shù)為4~10個。
所述的硅籽晶上部1 a倒圓臺或倒棱臺的側(cè)邊與軸的夾角θ為10°~<90°,優(yōu)選的夾角θ為10°~60°。
為了提高籽晶的強度,在籽晶的上部1a還有一個柱體1c,所的柱體1c為圓柱體或棱柱體。所述的棱柱體的邊數(shù)為3~16個,優(yōu)選的邊數(shù)為4~10個。此時硅籽晶由相互連為一體的三個橫截面不同的柱體組成。
本發(fā)明所述的夾持器上部13a與所述的夾持器下部13b之間為可拆卸聯(lián)接,因此在所述的硅籽晶用于在直拉法硅單晶生長時,先將所述的夾持器上部13a與所述的夾持器下部13b拆卸開,然后將所述的硅籽晶從上面裝入所述的夾持器下部13b,再將所述的夾持器上部13a與所述的夾持器下部13b聯(lián)接,這樣硅籽晶就固定于所述的夾持器中,可以用于大體積、高重量的硅單晶的生長。
所述的硅籽晶用于直拉法硅單晶的生長,硅單晶在生長室內(nèi)生長,在生長時用惰性氣體氬氣做保護氣體,先將石英坩堝11放入石墨制的石英坩堝支持器10內(nèi),把多晶硅放入石英坩堝11內(nèi),所述的硅籽晶1裝入硅籽晶夾持器下部13b,夾持器上部13a與夾持器下部13b聯(lián)接,夾持器13再與籽晶軸12固定,合上爐室,并抽真空,然后加熱使硅熔化,等硅完全熔化后,逐步降低熔硅的溫度至硅熔點附近。使石英坩堝11在石墨中軸9的帶動下與硅籽晶夾持器13在籽晶軸12的帶動下旋轉(zhuǎn),將硅籽晶1慢慢下降,并與熔硅接觸,然后以一定的速度向上提升籽晶,此過程的目的主要是消除籽晶中因熱沖擊形成的位錯缺陷。待籽晶提升到一定長度時,將提升速度減慢,同時略降低熔體的溫度,使籽晶直徑加大,當(dāng)籽晶直徑增大到比目標(biāo)直徑約低10毫米左右時,增加提升速度,使晶體近乎等直徑生長。在石英坩堝11內(nèi)存儲硅料不多時,再提高提升速度,同時適當(dāng)增加加熱的功率,使晶體直徑變化至一個倒錐形,當(dāng)錐尖足夠小時,它會脫離硅熔體,這時晶體的生長過程結(jié)束。等晶體冷卻到近乎室溫時,可將晶體取下。
本發(fā)明設(shè)計出了特殊形狀的硅籽晶夾持器,能夠滿足半導(dǎo)體硅材料的發(fā)展需要,可用于制造集成電路和其它電子元件的半導(dǎo)體級硅單晶的制備。采用本發(fā)明的硅籽晶夾持器可以大大延長籽晶的使用壽命,可以使硅籽晶使用次數(shù)達到40次以上,降低硅晶體的加工成本,生產(chǎn)的硅晶體重量高達500Kg時,能保證硅籽晶的安全使用,避免硅籽晶斷裂,可以用于制備重量高達500Kg的硅晶體。
圖1所示為直拉法制造硅單晶的單晶爐剖面示意2所示為已有國內(nèi)籽晶和硅籽晶夾持器示意3所示為已有國外籽晶和硅籽晶夾持器示意4所示為本發(fā)明硅籽晶夾持器剖視5所示為本發(fā)明硅籽晶夾持器與籽晶示意6所示為本發(fā)明硅籽晶夾持器下部剖視7所示為本發(fā)明另一硅籽晶夾持器下部剖視8所示為本發(fā)明又一硅籽晶夾持器下部剖視9所示為本發(fā)明另一硅籽晶夾持器下部剖視中,1為硅籽晶,2是硅單晶棒,3是硅熔體,4是上蓋,5是碳保溫材料,6是石墨發(fā)熱體,7是保溫筒,8是不銹鋼筒,9是石墨中軸,10是石墨制的石英坩堝支持器,11是石英坩堝,12是籽晶軸,13是夾持器,13a是夾持器上部,13b是夾持器下部,13c是夾持器聯(lián)接件,14是鉬銷子,15是鉬絲,1a是硅籽晶上部,1b是硅籽晶下部,1c是硅籽晶上部添加的柱體。
具體實施例方式
以下是本發(fā)明的實施例,本發(fā)明給出的實施例是為了進一步說明本發(fā)明的具體實施例方案,而不是用來限制本發(fā)明的保護范圍。
實施例1圖4所示為本發(fā)明所述的硅籽晶夾持器的剖視圖。本發(fā)明的硅籽晶夾持器包括一與籽晶軸12連接的聯(lián)接件13c、與聯(lián)接件連為一體的夾持器上部13a、夾持器下部13b,所述的夾持器下部13b為一含上大下小且上下貫通的空腔的圓柱體,所述的夾持器上部13a為圓柱體。
所述的夾持器上部13a與所述的夾持器下部13b之間為螺紋聯(lián)接,所述的夾持器與籽晶軸12連接的聯(lián)接件13c為銷聯(lián)接,聯(lián)接件13c為一雙耳結(jié)構(gòu)。
所述的夾持器下部13b的空腔為一倒圓臺孔和一圓柱孔,倒圓臺孔的側(cè)邊與軸的夾角θ為15°。
圖5所示為本發(fā)明硅籽晶夾持器與籽晶示意圖。所述的夾持器上部13a與所述的夾持器下部13b拆卸開,籽晶1裝入硅籽晶夾持器下部13b,所述的夾持器下部13b的空腔形狀與所夾持的籽晶1形狀相匹配,起到夾持并固定籽晶的作用。
圖6所示為本發(fā)明硅籽晶夾持器下部13b的剖視圖。夾持器下部13b的空腔為一倒圓臺孔和一圓柱孔,倒圓臺孔的側(cè)邊與軸的夾角θ為15°,硅籽晶夾持器下部13b有一螺紋結(jié)構(gòu),與夾持器上部13a聯(lián)接。
實施例2圖7所示為本發(fā)明另一硅籽晶夾持器下部13b剖視圖。與實施例1不同的是,所述的夾持器下部13b空腔為一倒圓臺。
實施例3圖8所示為本發(fā)明又一硅籽晶夾持器下部13b剖視圖。與實施例1不同的是,所述的夾持器下部13b空腔為兩個階梯狀的圓柱孔,上圓柱孔的孔徑大于下圓柱孔的孔徑。
實施例4與實施例1不同的是,所述的夾持器上部13a與所述的夾持器下部13b之間為銷連接,所述的夾持器下部13b空腔為一倒六棱臺孔和一六棱柱孔,倒六棱臺孔側(cè)邊與軸的夾角θ為60°。
實施例5圖9所示為另一硅籽晶夾持器下部13b剖視圖。
與實施例1不同的是,所述的夾持器下部13b的空腔為上大下小且上下貫通的孔,形狀為一圓柱孔、一倒圓臺孔、和一圓柱孔。
實施例6與實施例3不同的是,所述的夾持器下部13b空腔為倒六棱臺孔和六棱柱孔。
實施例7
與實施例5不同的是,所述的夾持器下部13b的空腔形狀分別為一棱柱孔、一倒棱臺孔、和一棱柱孔,棱臺孔和棱柱孔的邊數(shù)為8,棱臺側(cè)邊與軸的夾角θ為75°。
本發(fā)明設(shè)計出的硅籽晶夾持器,能夠在硅晶體重量高達500Kg時,保證籽晶本身不會發(fā)生斷裂。這樣硅籽晶可以反復(fù)使用,大大延長籽晶的使用壽命,降低硅晶體的加工成本??梢杂糜谥圃旒呻娐泛推渌娮釉陌雽?dǎo)體級硅單晶的制備,滿足半導(dǎo)體硅材料的發(fā)展需要。
權(quán)利要求
1.一種直拉法生長單晶硅用硅籽晶夾持器,所述的硅籽晶夾持器(13)上端為一與籽晶軸(12)連接的聯(lián)接件(13c),其特征在于所述的硅籽晶夾持器(13)下端包括硅籽晶夾持器上部(13a)和籽晶夾持器下部(13b),所述的硅籽晶夾持器上部(13a)與所述的硅籽晶夾持器下部(13b)之間為可拆卸聯(lián)接,所述的硅籽晶夾持器下部(13b)內(nèi)含一上大下小且上下貫通的空腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅籽晶夾持器,其特征在于所述的硅籽晶夾持器下部(13b)的空腔為至少包含有一個倒臺狀孔,或為兩個成階梯狀的柱孔,所述的倒臺狀孔為倒圓臺孔或倒棱臺孔,所述的柱孔為圓柱孔或棱柱孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅籽晶夾持器,其特征在于所述的硅籽晶夾持器下部(13b)的空腔除有一個倒臺狀孔外,還在倒臺狀孔下方有一柱孔,或在倒臺狀孔上方有一柱孔,或在倒臺狀孔上、下方各有一柱孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅籽晶夾持器,其特征在于所述的棱柱孔或倒棱臺孔的邊數(shù)為3~16個。優(yōu)選的邊數(shù)為4~10個。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅籽晶夾持器,其特征在于所述的棱柱孔或倒棱臺孔的邊數(shù)為4~10個。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅籽晶夾持器,其特征在于所述的倒棱臺孔或倒圓臺孔的側(cè)邊與垂直線之間的夾角θ為10°~<90°。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅籽晶夾持器,其特征在于所述的倒棱臺孔或倒圓臺孔的側(cè)邊與垂直線之間的夾角θ為10°~60°。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅籽晶夾持器,其特征在于所述的硅籽晶夾持器下部(13b)的空腔依次分別為一倒圓臺孔和一圓柱孔、一倒棱臺孔和一棱柱孔、一圓柱孔和一倒圓臺孔和一圓柱孔、一棱柱孔和一倒棱臺孔和一棱柱孔、一倒圓臺孔、一倒棱臺孔、兩個階梯狀圓柱孔或兩個階梯狀棱柱孔其中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅籽晶夾持器,其特征在于所述的夾持器與籽晶軸(12)連接的聯(lián)接件(13c)可為螺紋聯(lián)接或銷聯(lián)接,所述的夾持器上部(13a)與所述的夾持器下部(13b)之間可為螺紋聯(lián)接或銷聯(lián)接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅籽晶夾持器,其特征在于所述的夾持器上部(13a)和所述夾持器下部(13b)的外形為圓柱體、棱柱體、圓臺與圓柱的組合體或棱臺與棱柱的組合體其中的一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅籽晶夾持器,其特征在于所述的硅籽晶夾持器由金屬鉬或石墨制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直拉法生長單晶硅用硅籽晶夾持器,所述的硅籽晶夾持器(13)上端為一與籽晶軸(12)連接的聯(lián)接件(13c),其特征在于所述的硅籽晶夾持器(13)下端包括硅籽晶夾持器上部(13a)和硅籽晶夾持器下部(13b),所述的硅籽晶夾持器上部(13a)與所述的硅籽晶夾持器下部(13b)之間為可拆卸聯(lián)接,所述的硅籽晶夾持器下部(13b)內(nèi)含一上大下小且上下貫通的空腔。硅籽晶夾持器能保證硅籽晶的安全使用,避免硅籽晶斷裂,大大延長籽晶的使用壽命,可以用于制備重量高達500kg的硅晶體??梢杂糜谥圃旒呻娐泛推渌娮釉陌雽?dǎo)體級硅單晶的制備,滿足半導(dǎo)體硅材料的發(fā)展需要。
文檔編號C30B15/32GK1490436SQ0213118
公開日2004年4月21日 申請日期2002年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月15日
發(fā)明者屠海令, 戴小林, 吳志強, 周旗鋼, 張果虎, 萬關(guān)良, 王學(xué)鋒 申請人:北京有色金屬研究總院, 有研半導(dǎo)體材料股份有限公司