專利名稱：用于制造半導(dǎo)體材料的單晶的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造半導(dǎo)體材料的單晶的方法，其中在具有由半導(dǎo) 體材料組成的排出管的圓盤(pán)上熔化半導(dǎo)體材料的顆粒，由熔化的顆粒形 成的熔體從排出管以熔體頸和熔體腰的形式延伸至相界面，利用具有開(kāi) 口的感應(yīng)加熱線圈向熔體輸入熱量，熔體頸通過(guò)該開(kāi)口，熔體在相界面 處結(jié)晶。
背景技術(shù)：
例如US 2003/145781 A描述了該方法。該方法能夠利用顆粒作為原 料制造半導(dǎo)體材料的單晶。US 2003/145781 A的圖4所示為適合于實(shí)施 該方法的設(shè)備。在圓盤(pán)上熔化顆粒，在圓盤(pán)的中心具有延伸至排出管的 通孔。設(shè)置在圓盤(pán)上方的第一感應(yīng)加熱線圈用于熔化顆粒。熔化的顆粒 首先形成薄膜，并在該方法隨后的過(guò)程中形成熔體，其在相界面處結(jié)晶， 并由此使生長(zhǎng)的單晶的體積增加。由新熔化的顆粒對(duì)應(yīng)的體積補(bǔ)償結(jié)晶 的體積。熔體從排出管延伸至相界面，在相界面處生長(zhǎng)單晶。其在排出 管的范圍內(nèi)具有熔體頸的形狀，該熔體頸穿過(guò)第二感應(yīng)加熱線圈的開(kāi)口， 并轉(zhuǎn)變?yōu)槲挥谏L(zhǎng)的單晶上的更寬的熔體腰。借助于第二感應(yīng)加熱線圈 將熱量輸入熔體，以控制單晶的生長(zhǎng)。
因?yàn)榕懦龉苡砂雽?dǎo)體材料組成，所以若能量輸入相應(yīng)地高，則其可 被第二感應(yīng)加熱線圈熔化。若由第二感應(yīng)加熱線圈提供的能量不足以保 持排出管范圍內(nèi)的熔體為液態(tài)，則排出管會(huì)相反地向下生長(zhǎng)。但是，排 出管與熔體之間界面的位置無(wú)法在軸向上任意地即向上或向下長(zhǎng)距離移 動(dòng)。若界面向上移動(dòng)得過(guò)遠(yuǎn)，則因?yàn)榕懦龉鼙蝗刍黾尤垠w頸的體積， 并導(dǎo)致熔體接觸第二感應(yīng)加熱線圈或者熔體頸變得過(guò)細(xì)而斷裂的危險(xiǎn)。因?yàn)榕懦龉茉谠摲较蛏仙L(zhǎng)，導(dǎo)致排出管凝 結(jié)及熔體流停止的危險(xiǎn)。因?yàn)檫@兩種情況阻止單晶進(jìn)一步生長(zhǎng)，所以均 不允許發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于改變?cè)摲椒?，從而能夠更有效控制界面?軸向位置。
該目的是通過(guò)用于制造半導(dǎo)體材料的單晶的方法實(shí)現(xiàn)的，該方法包 括在具有由半導(dǎo)體材料組成的排出管的圓盤(pán)上利用第一感應(yīng)加熱線圈 熔化半導(dǎo)體材料的顆粒；由熔化的顆粒形成熔體，其由排出管以熔體頸 和熔體腰的形式延伸至相界面；利用具有開(kāi)口的第二感應(yīng)加熱線圈將熱 量輸入熔體，熔體頸穿過(guò)該開(kāi)口；及熔體在相界面處結(jié)晶；其特征在于， 將冷卻氣體送至排出管及熔體頸，以調(diào)節(jié)排出管與熔體頸之間界面的軸 向位置。
此外，該目的是通過(guò)用于制造半導(dǎo)體材料的單晶的設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，其 包括以下特征
用于接收半導(dǎo)體材料顆粒的圓盤(pán)，其中該圓盤(pán)在其中心具有延伸至 排出管的開(kāi)口；
用于熔化圓盤(pán)上的顆粒的第一感應(yīng)加熱線圈；
用于將能量輸入由熔化的顆粒形成的熔體的第二感應(yīng)加熱線圈，其 中第二感應(yīng)加熱線圈在其中心具有熔體的通孔；及
用于將氣體受控制地導(dǎo)入由熔體形成的熔體頸與排出管相接觸的區(qū) 域內(nèi)的裝置。


圖1所示為特別適合于實(shí)施該方法的設(shè)備。
具體實(shí)施例方式
來(lái)自漏斗14的顆粒13在可旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)9上熔化，在圓盤(pán)的中心具 有延伸至排出管11的通孔。設(shè)置在圓盤(pán)上方的第一感應(yīng)加熱線圈用于熔 化顆粒13。第一感應(yīng)加熱線圈優(yōu)選以如下方式設(shè)計(jì)，使經(jīng)由線圈接線柱 5供應(yīng)的高頻電流主要流過(guò)線圈架1和線段2。線段在其下端通過(guò)細(xì)棒3 相互導(dǎo)電連接。線圈架1具有沿徑向取向的導(dǎo)電縫隙，其迫使電流在蛇 形路徑上流過(guò)線圈架。以此方式確保圓盤(pán)表面的全部范圍均勻地被電磁 場(chǎng)覆蓋。線圈架1在外部區(qū)域內(nèi)具有至少一個(gè)通孔6，以將半導(dǎo)體材料 的顆粒13送至旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)9上。此外，第一感應(yīng)加熱線圈裝配有冷卻系 統(tǒng)，其在線圈架1中包括冷卻槽7，諸如水的冷卻劑在冷卻槽中流過(guò)。 冷卻槽與線段接觸并經(jīng)由管橋8相互連接，以強(qiáng)烈冷卻線段2。管橋在 線圈架l的上側(cè)的中心達(dá)到線段2，并例如焊接或電焊在線段上。管橋8 單重或多重纏繞，以具有足夠高的電感。因此，高頻電流主要流過(guò)與線 段2相連的棒3，而不流過(guò)管橋8。由于電流流過(guò)，在棒范圍內(nèi)的場(chǎng)力線 密度特別高，在制造單晶10時(shí)位于棒3的直接相對(duì)位置的部分熔體被特 別有效地感應(yīng)加熱。在熔體和棒上優(yōu)選具有相等的電勢(shì)，特別優(yōu)選具有 相等的外殼電位。
圓盤(pán)9由與顆粒13相同的半導(dǎo)體材料組成，并優(yōu)選以如下方式設(shè)計(jì)， 例如DE 102 04 178 Al所述的容器，其內(nèi)容物也明顯地包括在內(nèi)。但也 可設(shè)計(jì)為具有中心排出管的單面的板。
在該方法中，熔化的顆粒形成熔體，其可被劃分成連續(xù)的薄膜12、 熔體頸18和熔體腰16。熔體在相界面4處結(jié)晶，在此生長(zhǎng)的單晶10的 體積增加。結(jié)晶的體積由新熔化的顆粒的對(duì)應(yīng)體積加以補(bǔ)償。熔體頸18 從排出管11的下端延伸至熔體腰16，并穿過(guò)第二感應(yīng)加熱線圈15的開(kāi) 口。與熔體頸相比更寬的熔體腰16位于生長(zhǎng)的單晶10上。借助于第二 感應(yīng)加熱線圈15將熱量輸入熔體，以控制單晶10的生長(zhǎng)。優(yōu)選由強(qiáng)烈冷卻的金屬板組成的護(hù)罩19設(shè)置在感應(yīng)加熱線圈之間，以使它們相互電 磁屏蔽。此外，護(hù)罩19冷卻圓盤(pán)9的底部。
設(shè)計(jì)一種設(shè)備以實(shí)施本發(fā)明方法，該設(shè)備能夠在排出管與熔體頸之 間界面17的范圍內(nèi)受控制地將冷卻氣體送至排出管11和熔體頸18。在 所示的實(shí)施方案中，該設(shè)備包括噴嘴20，優(yōu)選為氬氣的冷卻氣體通過(guò)噴 嘴從側(cè)向送至排出管11和熔體頸18。噴嘴20優(yōu)選集成在第二感應(yīng)加熱 線圈中。但也可安置在護(hù)罩19之中或之上。此外，該設(shè)備還包括用于光 學(xué)檢測(cè)界面17的軸向位置的相機(jī)21以及用于給噴嘴供應(yīng)冷卻氣體的控 制器22。相機(jī)、噴嘴和控制器相連形成控制回路。利用相機(jī)由排出管與 熔體之間亮度的明顯區(qū)別確定界面的軸向位置。優(yōu)選為PID控制器(由 比例控制器、積分控制器和微分控制器組成)的控制器取決于測(cè)定的界 面17的位置控制通過(guò)噴嘴的氣體體積流量。若界面17向上移動(dòng)高于容 許的上邊界位置，則控制器提高體積流量，從而半導(dǎo)體材料由于增強(qiáng)的 冷卻作用而在排出管的末端凝固，并使排出管變長(zhǎng)。結(jié)果是界面17向下 移動(dòng)。若界面17向下移動(dòng)低于容許的下邊界位置，則控制器減少體積流 量，從而由于減弱的冷卻作用而使排出管在其下端熔化。結(jié)果是界面向 上移動(dòng)。
從第二感應(yīng)加熱線圈15的中心至上下邊界位置的距離優(yōu)選不超過(guò) 10mm，更優(yōu)選不超過(guò)5mm。調(diào)節(jié)界面17的軸向位置，使得界面17優(yōu) 選保持在軸向長(zhǎng)度小于20mm，更優(yōu)選10mm的范圍內(nèi)。
可以通過(guò)將第二感應(yīng)加熱線圈15側(cè)向移動(dòng)而促進(jìn)所述控制過(guò)程，從 而相對(duì)于圓盤(pán)和單晶的旋轉(zhuǎn)軸，熔體頸18不再軸對(duì)稱地穿過(guò)第二感應(yīng)加 熱線圈的開(kāi)口。這一措施在單晶的直徑變寬至最終直徑的階段是特別有 利的。第二感應(yīng)加熱線圈距離熔體頸越近，則總的能量輸入即輸入熔體 頸的總能量越多。在第二感應(yīng)加熱線圈接近熔體頸時(shí)，實(shí)現(xiàn)額外的能量 輸入，雖然在感應(yīng)加熱線圈側(cè)向移動(dòng)時(shí)至熔體頸一側(cè)的距離縮短，但是 同時(shí)至熔體頸相對(duì)一側(cè)的距離變長(zhǎng)。第二感應(yīng)加熱線圈從熔體頸軸對(duì)稱地穿過(guò)線圈開(kāi)口的位置向熔體頸側(cè)向移動(dòng)，這定性地等同于減少通過(guò)噴 嘴的冷卻氣體的體積流量的作用。
實(shí)施例
在根據(jù)圖1的設(shè)備中，制造多個(gè)直徑為70mm、 105 mm和150 mm 的硅單晶，以證明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1、用于制造半導(dǎo)體材料的單晶的方法，該方法包括在具有由半導(dǎo)體材料組成的排出管的圓盤(pán)上利用第一感應(yīng)加熱線圈熔化半導(dǎo)體材料的顆粒；由熔化的顆粒形成熔體，其由所述排出管以熔體頸和熔體腰的形式延伸至相界面；利用具有開(kāi)口的第二感應(yīng)加熱線圈將熱量輸入所述熔體，所述熔體頸穿過(guò)所述開(kāi)口；及熔體在相界面處結(jié)晶；其特征在于，將冷卻氣體送至所述排出管及所述熔體頸，以調(diào)節(jié)該排出管與該熔體頸之間界面的軸向位置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)所述界面的軸向位置， 使得所述界面保持在軸向長(zhǎng)度小于20 mm的范圍內(nèi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，通過(guò)向所述熔體頸移 動(dòng)所述第二感應(yīng)加熱線圈而軸向改變所述界面的軸向位置。
4、 用于制造半導(dǎo)體材料的單晶的設(shè)備，其包括 用于接收半導(dǎo)體材料顆粒的圓盤(pán)，該圓盤(pán)在其中心具有延伸至排出管的開(kāi)口；用于熔化該圓盤(pán)上的顆粒的第一感應(yīng)加熱線圈；用于將能量輸入由熔化的顆粒形成的熔體的第二感應(yīng)加熱線圈，該 第二感應(yīng)加熱線圈在其中心具有熔體的通孔；及用于將氣體受控制地導(dǎo)入由熔體形成的熔體頸與所述排出管相接觸 的區(qū)域內(nèi)的裝置。
5、根據(jù)權(quán)利要求4的設(shè)備，其特征在于，所述用于受控制地導(dǎo)入氣 體的裝置包括相機(jī)、控制器和噴嘴。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制造半導(dǎo)體材料的單晶的方法，該方法包括在具有由半導(dǎo)體材料組成的排出管的圓盤(pán)上利用第一感應(yīng)加熱線圈熔化半導(dǎo)體材料的顆粒；由熔化的顆粒形成熔體，其由該排出管以熔體頸和熔體腰的形式延伸至相界面；利用具有開(kāi)口的第二感應(yīng)加熱線圈將熱量輸入熔體，該熔體頸穿過(guò)該開(kāi)口；及熔體在相界面處結(jié)晶；其特征在于，將冷卻氣體送至該排出管及該熔體頸，以調(diào)節(jié)該排出管與該熔體頸之間界面的軸向位置。本發(fā)明還涉及用于實(shí)施該方法的設(shè)備。
文檔編號(hào)C30B13/00GK101649485SQ20091016576
公開(kāi)日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2009年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月13日
發(fā)明者H·里曼, J·菲舍爾, L·阿爾特曼紹夫爾, W·v·阿蒙 申請(qǐng)人:硅電子股份公司