[其他]單晶生長裝置

無效

• 申請號: 85106561
• 申請日: 1985-08-31
• 公開（公告）號: CN85106561A
• 公開（公告）日: 1987-03-25
• 發明（設計）人: 松谷欣也
• 申請（專利權）人: 株式會社東芝
• 主分類號: C30B15/22
• 分類號: C30B15/22;C30B35/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利代理部
• 代理人: 李強

本發明涉及一種單晶生長裝置，該裝置的用途是當磁場作用于熔化的單晶原料時，從中拉制出單晶。

當按照切克勞斯基（Czochralski）生長法來生長單晶時，存放放在坩鍋12中的單晶原料熔體2被加熱器14加熱，以防止該熔體凝固，如圖1所示。在此狀態下一個粒晶8浸到該熔體（2）中，當粒晶由一個按粒晶軸向提升并放置裝置10以預定的速度拉出時，在固態-液態界面層4上就生出了晶體，從而制備出單晶。

在加熱器14的作用下，熔體2按各個箭頭16所指方向進行對流傳熱。該熱對流是由于流體的熱膨脹所引起的浮力與粘帶性不平衡而導致的。表示浮力與粘帶力之間平衡的無量綱數是格拉曉夫（Grashof）數：

N_GR＝g·a·△T·R/V……（1）

其中：α：熔體的熱膨脹系數。

△△T：沿坩鍋徑向的溫度差。

R：坩鍋的半徑，

熔體的動力貯滯系數

當V格拉曉夫（Grashof）數NGR超過由幾何尺寸及該熔體的熱邊界條件所決定的臨界值時，在熔體中就會發生熱對流。一般地，當NGR超過10⁵時，此對流將引起湍流。當格拉曉夫（Grashof）數NGR超過10⁹時，此對流將引起紊亂，在正常操作時，通過格拉粒晶可得到直徑為3-4英寸的單晶錠。然而，在這種情況下，熔體處于紊亂狀態。由于這個原因，熔體表面和固-液界面層4會產生波動。

當熱對流引起紊亂時，在固態-液態界面上的溫度變化將會加劇。而界面層4的厚度將會發生局部或隨時間的變化，由于這個原因，晶體在生長過程中會發生微觀上的再溶解，從而在晶體中形成位錯環和堆垛層錯。這些缺陷是沿著單晶拉制方向不規則地產生出來的，因為-液界面層是在不規則地變化的，在一定溫度（例如1，500℃）熔體2同坩鍋14內辟相接觸，從而使雜質從坩鍋12溶入溶體2中。這些游離雜質由于熱對流而擴散到整個溶體中，由于這些雜質層，在堆垛層錯中得到吸收或捕獲，從而產生位錯環，使在單晶錠或臺基中形成了各種缺陷及生長條紋，從而降低了單晶的質量。

當切割這種單晶錠以制備集成電路（LSl）晶片時，含有缺陷的晶片是無法使用的，因此只能將其除去。因為有缺陷的晶片的特性被降低了。正是由于這個原因，晶片的產量是比較低的，盡量有增加單晶錠直徑的要求，但當坩鍋的半徑增加時，依據等式（1），格拉曉夫（Grashof）數NGR將增加，結果將使熔體2中的熱對流更為嚴重，從而使單晶錠的質量降低。

在如圖2A所示的單晶生長裝置中，用線圈18把直流磁場加到熔體2上，以便在適當的熱和化學平衡條件下，通過抑制熱對流來拉取單晶。線圈18產生的均勻磁場按箭頭20所指方向作用于溶體2，溶體成為導電體。當溶體2由于熱對流而沿不與磁場方向相平行的方向移動時，按照楞次定律，該溶體將受到阻滯，原料中的熱對流受到了抑制。一般來說，代表由于磁場作用而產生的阻滯的磁滯系數VE可由下面的方程（2）表示出來：

VE＝（MHD）²O/P ……（2）

其中????M：熔體的磁導率

H：磁場強度

D：坩鍋直徑

O：熔體的電導率

P：熔體密度

由方程（2）可以看出，當磁場強度增加時，磁滯系統VE也將增加，而當粘滯系數V增加時格拉曉夫（Grashof）數NGR將大為減小。當磁場強度超過一特定值時，格拉曉夫（Grashof）數將減至給定的臨界值之下。當超過特定值的磁場強度作用于熔體2時，熔體2中的熱對流幾乎停止。因此，雜質不會進入單晶錠中心堆垛層錯。這樣，也就不會形成位錯環，其它缺陷及生長條紋。單晶錠沿拉取方向的特性是一致的，從而提高了單晶錠的產量。

然而，在用來生產直徑超過4英寸（inches）的單晶生長裝置中，坩鍋12的直徑將超過6英寸，從而使坩鍋要做得很大。另外，用來放置坩鍋12及加熱器14的容器21的內部直徑也將達到數百毫米。這樣，整個單晶生長裝置的尺寸將非常大。

一般而言，坩鍋12的直徑要比其深度大。當坩鍋中裝入最大數量的溶體時，其半徑基本上與其深度相等。當把磁場加于坩鍋12中的熔體時，其磁場強度分布如圖2B所示。由于直徑/高度比，溫度分布沿坩鍋12的高度方向是一致的。在界面層4中的磁場強度B₁與坩鍋12下P中的磁場強度B₂間的關系由下面的不等式給出，

1（B₁-B₂）/B₁1＜5%