專利名稱：制取硅單晶的設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用丘克拉爾斯基單晶拉制法制取硅單晶的設備。
根據(jù)丘克拉爾斯基單晶拉制法的硅單晶拉制工藝在過去已被使用并且該工藝幾乎成為完整的技術。然而，在規(guī)格要求嚴格的場合，由于摻雜物和氧分布不均，有效晶片的產(chǎn)量將減小到小于50%。
作為解決上述問題的有效手段，已經(jīng)知道一種方法，其中硅原料被連續(xù)送入雙層結(jié)構(gòu)的坩鍋中，以保持熔融物料表面水平恒定(特開昭40-10184)。特別是高質(zhì)量粒狀多晶硅的制取近來已成為可能，并且將這種粒狀硅以恒定的喂料速率送入熔融物料中已被認為是比較容易的，從而導致了某些發(fā)明和論文的發(fā)表(特開昭58-130195和63-95195，以及實用新型公開昭59-141578，論文Ann。Rev.Mater，Sci，1987，Vol。17，P273-278)。
在這些出版物中所披露的發(fā)明等，都是使用雙層結(jié)構(gòu)石英玻璃坩鍋類型的，特別是在特開昭62-241889的文本中指出的，并且在內(nèi)坩鍋的表面和熔融硅表面之間相接觸的部位有傾向于產(chǎn)生凝固的問題，因而使得難于將爐溫降低到單晶穩(wěn)定生長所需要的溫度。如果通過保持高的熔融硅的溫度進行單晶的拉制以防止發(fā)生凝固，那么就會不僅降低凝固速率，而且還會頻繁地引起位錯的發(fā)生，從而使穩(wěn)定地制取單晶成為不可能。此外，在特開昭61-36197文本中所披露的發(fā)明，使用雙層結(jié)構(gòu)的坩鍋，并且還使用了配置在外層物料熔融部位上方的絕熱材料以及配置在坩鍋底部的單獨加熱器，以便促進所供入原料的熔融。然而，這項發(fā)明還是沒有包括防止由內(nèi)坩鍋的內(nèi)表面和熔融硅表面相接觸的部位散熱以便防止發(fā)生凝固的設計方案。此外，使用在坩鍋底部的加熱器加熱會降低沿坩鍋側(cè)面配置的其它加熱器的溫度，因而促進了凝固的發(fā)生。
在上述使用檔板式或內(nèi)坩鍋(關于檔板參看下文)類型的制取方法中，特別是在制取12～30厘米的大直徑硅單晶的方法中，由檔板內(nèi)側(cè)的散熱，趨于降低檔板內(nèi)側(cè)的熔融物料的溫度，特別是降低與檔板接觸的熔融物料的溫度。這被認為是由以下事實引起的檔板材料是透明的石英玻璃，它具有顯著大于熔融硅的熱輻射系數(shù)。此外大量的熱由檔板向坩鍋上方的水汽套散失。再有，由于坩鍋是雙層結(jié)構(gòu)，所以熔融硅的熱對流受到限制，并且檔板內(nèi)側(cè)的溫度具有較小的升高趨勢。
此外，雖然為保證單晶的生長，檔板內(nèi)部(晶體生長部位)熔融硅的溫度必須剛好保持在硅的熔點以上，但由于上述現(xiàn)象，還是存在有在檔板和檔板內(nèi)側(cè)熔融物料表面之間的接觸部位造成開始凝固的問題。
然而，上述現(xiàn)有技術并沒有提供防止這種凝固發(fā)生的方法。
已完成的本發(fā)明正是為了克服上述現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一套用于制取硅單晶，更具體說是制取直徑12～30厘米的大圓柱形硅單晶的設備，在該設備中，粒狀或塊狀的原料被連續(xù)裝入盛有熔融物料的坩鍋內(nèi)，并且該設備能夠防止在浸入坩鍋內(nèi)的檔板與檔板內(nèi)側(cè)熔融物料表面之間的接觸部位發(fā)生凝固。
已完成的本發(fā)明正是為了解決上述問題和達到上述目的，并因而提供了一套改進的硅單晶制取設備，其中盛有熔融硅物料的旋轉(zhuǎn)坩鍋被具有至少一個貫穿小孔的成形檔板隔開，該檔板的成形方式是使其環(huán)繞著直徑為12-30厘米的大圓柱形硅單晶，在旋轉(zhuǎn)的同時拉制單晶，并且熔融硅料通過孔平穩(wěn)地移動，而硅單晶在檔板內(nèi)側(cè)生長，同時將硅料連續(xù)裝入檔板的外側(cè)。該設備具有以下基本特征檔板的全部或一部份由泡沫石英玻璃制成，或者檔板與熔融硅料接觸的部份由泡沫石英玻璃制成，而其余部份由透明石英玻璃構(gòu)成。
檔板的泡沫石英玻璃部份由氣泡含量(體積百分數(shù))不小于0.01%和不大于15%的泡沫石英玻璃制成?；蛘邠Q個方法，檔板的泡沫石英玻璃由氣泡含量(體積百分數(shù))小于0.01%的石英玻璃制成，并通過用于熔化予先裝入坩鍋內(nèi)的硅原料的熱量將其氣泡含量增至不小于0.01%和不大于15%。


圖1是示意表明本發(fā)明一個實施例的垂直剖視圖。
圖2是沿圖1Ⅰ-Ⅰ線所取的剖視圖。
圖3是表示所實施檔板的側(cè)視圖。
圖4a和圖4b是表明檔板其它實施例的示意圖。
圖5a和圖5b是用于比較透明石英玻璃和泡沫石英玻璃工作的圖。
在這些圖中數(shù)字1代表坩鍋，2-石墨坩鍋，3-支座，4-熔融物件，5-硅單晶，6-加熱器，7-絕熱材料，8-室，11-檔板，12氣泡，13-小孔，14-原料喂料器，15和16-測溫計，17-絕熱蓋，18-裝入的原料。
首先敘述構(gòu)成本發(fā)明主要部份的檔板的基本結(jié)構(gòu)。參看圖5，其中用示意圖表明了透明石英玻璃21a和泡沫石英玻璃11a浸入熔融物料時各自的狀態(tài)。在圖5a所示出的透明石英玻璃21a的情況下，可看出熔融物料4和玻璃21a之間的接觸部位是透明的，因而由熔融物料表面通過玻璃的散熱量增加。此外，透明石英玻璃21a的散熱量如此之大，以致于與玻璃21a接觸的熔融物料4的部位溫度降低，并且在該部位趨于發(fā)生凝固。
反之，在泡沫石英玻璃11a的情況下，玻璃中存在的氣泡12，具有散射由熔融物料4和泡沫石英玻璃11a之間的接觸部位散失的熱量的作用，因而與透明石英玻璃21a相比較，由熔融物料表面通過玻璃11a的散熱減少。此外，由于熱傳導造成的冷卻因氣泡的存在而減小。其結(jié)果是，熔融物料4與泡沫石英玻璃11a接觸部位的溫度實際上不降低，因而防止了熔融物料4的凝固。此外，由于熔融物料4通過玻璃散熱減小，泡沫石英玻璃11a的另一作用是，在與泡沫石英玻璃11a接觸的熔融物料4的部位中，有減小溫度變化和浸潤變化的作用。
圖1是示意地表明本發(fā)明一個實施例的剖視圖，圖2是沿圖1中Ⅰ-Ⅰ線所取的剖面圖。在這兩圖中;數(shù)字1代表在石墨坩鍋2中的石英坩鍋裝置，并且石墨坩鍋2可垂直移動并可旋轉(zhuǎn)地支持在支座3上。數(shù)字4代表裝在坩鍋1中的熔融硅料，生長成直徑為12-30厘米的大圓柱形的硅單晶5由熔融硅料4拉出。數(shù)字6代表環(huán)繞石墨坩鍋2的加熱器，7代表環(huán)繞加熱器6的熱區(qū)絕熱材料。這些組成部份與按照丘克拉爾斯基單晶拉制法的原有單晶拉制設備的組成部份基本相同。
數(shù)字11代表由高純度泡沫石英玻璃制成并與坩鍋1同心配置的檔板，如圖3實例的方式所示，大致在它的高度方向的中心部位以下區(qū)域至少形成一個小孔13。當裝入原料時，檔板11隨原料一起在坩鍋1內(nèi)定位，以便在原料熔融后，檔板浸在熔融物料4中以環(huán)繞著單晶5，并且檔板的上部露出熔融物料表面。此外，檔板的下緣部位實際上與坩鍋1熔合并因而防止了它的浮動。結(jié)果，檔板11外側(cè)的熔融物料4只能通過小孔13移動到其內(nèi)側(cè)。應該意的是，檔板11可以予先熔合到坩鍋1上。
數(shù)字9代表在不與檔板11外側(cè)熔融物料相通的室8上形成的開口，并且用于送入粒狀或塊狀原料的喂料器14被固定地嵌入開口9中。喂料器14的前端對著檔板11外側(cè)的熔融物料表面。喂料器14與配置在室8外部的原料喂料室(未示出)相接，從而連續(xù)地裝入粒狀或塊狀原料。
數(shù)字15和16代表測溫計，例如裝在室8上部的輻射溫度計，測溫計15測量檔板11外側(cè)的熔融物料表面的溫度，而另一個測溫計測量其內(nèi)側(cè)的熔融物料溫度。
數(shù)字17代表絕熱蓋，在此實施例中，它提供了對檔板11進一步提高絕熱的作用，盡管泡沫石英玻璃檔板11本身具有防止發(fā)生凝固的功能。
按照本發(fā)明，由于檔板11由泡沫石英玻璃制成的事實，由檔板11內(nèi)表面和熔融硅料4之間的接觸部位的散熱減少，防止了熔融物料4在檔板11上凝固。這種通過泡沫石英玻璃防止熔融物料凝固的作用通常是由0.01%或更高的氣泡含量(體積百分比)產(chǎn)生的。在泡沫石英玻璃具有的氣泡含量(體積百分比)小于0.01%的情況下，如果通過由熔化硅物料的熱量而產(chǎn)生新的氣泡，或者如果由于已存在的氣泡膨脹使氣泡含量(體積百分比)增加到大于0.01%，則也可獲得類似的防止熔融物料凝固的作用。
另一方面，在泡沫石英玻璃中氣泡含量大于15%的情況下，由于玻璃的剝離，阻礙單晶生長的可能性將極度增長。
由這些結(jié)果看來，硅單晶的生長是通過使用具有優(yōu)選的氣泡含量為0.01-15%(體積百分比)的泡沫石英玻璃而實現(xiàn)的。
如果泡沫石英玻璃僅僅處于熔融物料4和檔板11之間的接觸部位，那么由于上述的泡沫石英玻璃，就能夠保證檔板11的防止熔融物料凝固的作用。例如，檔板11是圖4a的實例所示的類型，即由從底部延伸到熔融物料表面之上大約1厘米的泡沫石英玻璃制成的，以及如圖4b所示的另一類型，即僅僅是延伸在熔融物料表面上下大約1厘米的部位由泡沫石英玻璃制成的，它們都具有防止凝固的作用。
由以上的敘述可以看出，按照本發(fā)明的硅單晶制取設備，其中盛有熔融硅料的旋轉(zhuǎn)坩鍋被具有至少一個貫穿的小孔的成形檔板所隔開，檔板的成形方式為它環(huán)繞著直徑為12-30厘米的大圓柱形硅單晶，該單晶在旋轉(zhuǎn)的同時被拉出，將硅原料連續(xù)裝入檔板的外側(cè)時，熔融硅料平穩(wěn)地移動，并且硅單晶在檔板內(nèi)側(cè)生長，檔板的整體或一部份由泡沫石英玻璃制成，以使由鄰近檔板的熔融物料散熱減小，并且防止熔融物料在其與檔板的接觸部位發(fā)生凝固，從而拉出完好的硅單晶。因此，本發(fā)明的工作有巨大的效果由于在硅單晶拉制方向上質(zhì)量均勻而改進了產(chǎn)量，生產(chǎn)率也獲得改進，等等。
權(quán)利要求
1.硅單晶的制取設備，其中盛有熔融硅料的旋轉(zhuǎn)石英坩堝被具有至少一個貫穿小孔的成形檔板隔開，所述檔板的成形方式是使其環(huán)繞著直徑12-30厘米的大圓柱形硅單晶，該單晶被旋轉(zhuǎn)并拉出，當連續(xù)地將硅原料裝入所述檔板外側(cè)時，上述熔融物料可以平穩(wěn)地移動，并且所述硅單晶在所述檔板內(nèi)側(cè)生長，其中的改進是所述檔板的全部或一部份由泡沫石英玻璃制成。
2.權(quán)利要求1所述的設備，其中所述檔板與熔融硅料相接觸的部位由泡沫石英玻璃制成，其余部份由透明石英玻璃制成。
3.權(quán)利要求1或2所述的設備，其中所述檔板的泡沫石英玻璃部位由氣泡含量(體積百分比)不小于0.01%，并且不大于15%的泡沫石英玻璃制成。
4.權(quán)利要求1或2所述的設備，其中所述檔板的泡沫石英玻璃部位由氣泡含量(體積百分比)小于0.01%的泡沫石英玻璃制成，并且通過為熔化予先裝入所述坩鍋的硅原料的熱量，使其中所述的氣泡含量(體積百分比)增加到不小于0.01%，并且不大于15%。
全文摘要
一種硅單晶的制取設備，其中在旋轉(zhuǎn)石英坩堝內(nèi)配置具有至少一個穿過其下部的小孔的成形擋板，使其環(huán)繞著大圓柱形硅單晶，該硅單晶被旋轉(zhuǎn)并被拉出。擋板的全部或一部份由泡沫石英玻璃制成，該泡沫石英玻璃的氣泡含量(體積百分比)為0.01-15％，或者小于0.01％，但此時通過用于熔化硅原料的熱量使其增加到0.01-15％。因此，防止了與擋板內(nèi)側(cè)接觸的熔融物料溫度的降低，并且防止了熔融物料在此部位的凝固。
文檔編號C30B29/06GK1042954SQ89109188
公開日1990年6月13日 申請日期1989年11月11日 優(yōu)先權(quán)日1988年11月11日
發(fā)明者神尾寬, 島芳延 申請人:日本鋼管株式會社