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TWI263713B - Heat shield and crystal growth equipment - Google Patents

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TWI263713B
TWI263713B TW093133599A TW93133599A TWI263713B TW I263713 B TWI263713 B TW I263713B TW 093133599 A TW093133599 A TW 093133599A TW 93133599 A TW93133599 A TW 93133599A TW I263713 B TWI263713 B TW I263713B
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Taiwan
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vertical wall
obtuse angle
crystal
heat shield
crystal growth
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Jyh-Chen Chen
Ging-Jung Chen
Gwo-Jiun Sheu
Farn-Shiun Hwu
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Univ Nat Central
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Description

1263713 14717twf.doc/m 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種矽晶圓製程的長晶設備及熱遮 罩，且特別是有關於一種使用於柴式法的長晶設備及長度 可調式複合角度熱遮罩。 【先前技術】 半導體的發展從製造6吋晶圓板、8吋晶圓板，一直 到目前12 口寸晶圓板，隨著晶圓板的大口徑化，長晶設備以 及技術都必須不斷的更新及進步。 。在sa圓‘私中，塊狀單晶石夕為石夕晶圓板的基石，而塊 狀單日日石夕的‘成方去有分為柴式法(。卻也以化丨)及浮溶區 法(Floating Zone)。其中利用柴式長晶設備提煉矽單晶是目 前最為普遍使用的方法。 ^ 1繪示為使用習知熱遮罩的柴式長晶設備剖面示意 圖π參考圖1 ’在拉晶室(Cz〇chralski puller)1〇〇中配置 一坩堝110，坩堝110中裝有半導體原料熔融液112,且在 闕110外側放置加熱器1〇2以加熱半導體原料溶融液 112。拉晶室100巾還有—晶種(Seed)n6置於半導體原料 熔融液112之液面，將晶種116往上拉起，吸附在晶種116 上的半導體補縣液m遇冷會開始_成單邮 crystt)114。另外，支撐架104配置於拉晶室100中以及 加熱器102的外側，而熱遮罩118置入坩堝11〇之後，其 懸臂130水平放置於支撐架1〇4上，並可藉 ⑽ 來支撐熱遮罩118之所有重量。 牙木 1263713 14717twf.doc/m 上述之單晶114的製程是先將半導體原料置於財禍 1 1 0之中’將半導體原料於局溫炼融成半導體原料炫融液 112後’接者力疋轉掛禍110 ’並將晶種116與半導體原料少容 融液112相接觸’然後' —方面使晶種116緩慢的金掛禍||0 之旋轉方向相反轉動並且拉起’此時被拉起的部分凝固生 成單晶114。在拉起晶種116及固化之單晶114時，使用 適當長度與流速設計之熱遮罩118加以隔絕加熱器ι〇2所 施予的熱’同日守上方的惰性氣體14〇經由抽氣裝置(未繪示) 通入拉晶室100中，惰性氣體140沿著路徑流入熱遮罩118 與單晶114之間。其中，因為惰性氣體14〇通過熱遮罩118 之底緣時，其流通間距縮小，加速惰性氣體14〇的流率， 迅速將半導體原料熔融液112表面反應生成的氧化矽帶離 半導體原料熔融液112表面。由於惰性氣體14〇的流速很 快’因此可錄止反應生成的氧切嘛至半導體原料溶 融液112中而造成二次污染。 然而，在惰性氣體140流動的路徑設計上 =角度_垂直壁132與延伸段136之間的角度 二118 a守’相對需要大量的氮氣才能有效將單晶…;人 巧過大而提高成本。先前雖然有人利; 2 或是改變熱遮罩形狀來輔助晶體生長，唯 狀二過程卻過於繁雜；加上各廠商所製造之爐體幾何带 ί =影響熱遮草裝設位置，形成-賴必須3 c罩’間接加重負擔成本。 1263713 14717twf.doc/m 單曰t就是在提供—種熱遮罩，以達到增加石夕 早日日生長卩口質，提昇石夕單 量，以降低晶體生長成本。 。口本發明的再一目的是提供一 矽單晶生長品質，提昇矽單晶的 晶的生長拉速及降低氬氣使用 曰 虿 種長晶設備’以達到增加 生長拉速及降低氬氣使用 甘山L. 括—懸臂，一垂直壁以及一延伸片。 ^ 具有水平表面，而垂直壁連接於縣臂之 水平表面下且呈一圓、， 及设％心穿之 片呈圓筒形，並具有第具^第—長度。此外’延伸 F。長度，為可調整地配置在垂直壁 :第Π:之底緣依序具有第-斜面與第二斜面， 而第-斜面與缝料衫—鈍肖， 具有第二鈍角’其中第-鈍角小於第二純角。土 依照本發明的較佳實施例所述之熱遮罩，上述之懸 與垂直壁例如-體成型，其材質例如為石英或氧化銘： 依知、本务明的較佳貫施例所述之熱遮罩，延伸片之材 質例如為石英或氧化|呂。 依照本發明的較佳實施例所述之熱遮罩，上述之延伸 片具有不同角度之第一與第二斜面，而延伸片的第一純角 例如介於100-130度，最佳角度例如120度。延伸片的第 二鈍角例如介於130-160度，最佳角度例如14〇度。 依照本發明的較佳實施例所述之熱遮罩，上述之延伸 片更有一調整件，例如為螺絲，並使用此螺絲將垂直壁與 1263713 14717twf.doc/m 延伸片可拆卸地連結固定。 為達上述目的，本發明提出一種長晶設備，此設備 加熱器、一熱遮罩以及一抽氣 坩堝 包括-~拉晶室 衣置。上述之拉晶至疋用來上拉晶種。掛禍則配置於拉晶 室中’將半導體原料炫融液放置其中以供作用。加熱器則 配置在坩堝之外，用以加熱半導體原料形成熔融液，再藉 由提拉方式以形成單晶於晶種上。而熱遮罩置入坩堝之後 可藉由支撐架來支撐熱遮罩。此熱遮罩主要包括一殮劈， -垂直壁以及-延伸片。其中，上述熱遮罩之懸料有水 平表面，而垂直壁連接於懸臂之水平表面下且呈一圓筒 形’並具有第-長度。此外，延伸片呈一圓筒形，並具有 第二長度，為可調整地配置在垂直壁下。上述之延伸片 底緣依序具有第-斜面與第二斜面H斜面與垂直壁 ^有第-鈍角’且第二斜面與垂直壁具有第二鈍角，並^ =鈍角小於第二鈍角。此外，—惰性氣體經由抽氣裝置 j於熱遮罩及晶種之間’且惰性氣體流過該第一斜 的速度小於流過該第二斜面的速度。 質例發明的較佳實施例所述之長㈣備，賴的材 依照本發明的較佳實施例所述 質例如石，墨。 丨κ長曰曰汉備’加熱益材 依照本發明的較佳實施例所述之長晶設備，熱遮罩的 1263713 14717twf.doc/m 懸臂與垂直壁例如-體成型，其材質例如為石英或氧化叙。 依照本發明的較佳實施例所述之長晶設備，熱遮罩 延伸片的材質例如為石英或氧化铭。 依照本發明的較佳實施例所述之熱遮罩，上述之延 片更有δ周整件，例如為螺絲，並使用此螺絲將垂直壁斑 延伸片可拆卸地連結固定。 〃 依照本發明的較佳實施例所述之長晶設備，上述 2片具有不同角度之第-與第二斜面，其中第—純 ^1〇(Μ30度，最佳角度例如12〇度。而第二純 ”於130-160度，最佳角度例如14〇产。 例如例崎‘晶設備，惰性氣體 為，本發二月之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 明如;舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 【實施方式】 圖。請參關2A,圖2心示為本發明之熱遮罩之立體示意 熱遮罩218主要係由—懸臂23〇，— 一延伸片234所組成。其中，埶 土幻2,以及 英或氧化銘。上述之垂直壁232呈 J材質例如為石 度…而延伸片234則可利用調且具有第-長 直壁232之下，且延伸片234具 (^、、、胃不）配置在垂 單218之總長度可視情況加以調整，'度因此熱遮 一長度L2 <熱遮 1263713 14717twf.doc/m 罩之總長度〈第—長度Ll +第二長度L2。此外，延伸片 234底緣依序具有第—斜面⑽貞第二斜面238,分別與垂 直壁232，成第一鈍角Θ 1及第二鈍角Θ2,其中第-鈍角 θ 1小於第一鈍角θ 2。在本實施例中，利用延伸片的 可拆卸@整性f ’可以針對不同廠商所製造之㈣來調整 熱遮罩218中第一斜面238與半導體原料炼融液212液面 的相=距，’並能郎省重覆設計製造熱遮罩之成本。
β月參妝圖2B ’其繪示為使用本發明之熱遮罩的柴式長晶 設備剖面示意圖。
π〇長晶設備主要包括—拉晶室200、一坩堝210、一加熱 為2〇2、一熱遮罩218以及-抽氣裝置(未繪示）。其中，掛 禍210配置於拉晶室2〇〇巾，而半導體原料炼融液犯放 置掛堝210中以供長晶之用。此外，加熱器搬則配置在 ，210之外’用以加熱半導體原料熔融液212，以 早晶214於晶種216上。此外’另有一支樓架綱配置於 拉晶室200中，並且在加熱器2〇2之外側。另外，熱遮罩 218配置於掛網別±，並以其懸臂謂水平配置在支樓 f 2〇4 ^，以·支揮架2G4來切熱遮罩218之整體重 里抽氣I置之配置為用以輸送惰性氣體24〇 體240例如為氬氣。 生孔 單晶214之製造方法大致描述如下，首先，將放置 導體原料溶融液212 _網210配置於拉晶室中，其 中半導體原料溶融液212材質例如為石夕，_21〇材質例 如為石英。然後慢慢旋轉㈣21〇。再將晶種216斑半導 10 1263713 14717twf.doc/m
體原料熔融液2丨2相接觸，然後一方面使晶種216緩慢的 與掛禍210之旋轉方向相反轉動並且拉起，此時被拉起的 部分凝固生成單晶214。在拉起單晶214日夺，使用本發明 之熱遮罩218加以隔絕加熱器2〇2所施予的熱，同時上方 的惰性氣體240經過抽氣裝置之後通入拉晶室2〇〇，沿著 路徑流入熱遮罩218與晶種216之間Q 一值得注意的是，熱遮罩218之延伸片234底緣依序具 ^第一斜面236與第二斜面238，分別與垂直壁232形成 第一鈍角01及第二鈍角02，其中第一鈍角Θ1小於第二 鈍角0 2。上述之兩段式角度設計中第一鈍角㊀丨具有氣導 效果，能夠導引惰性氣體240集中於單晶214周圍，有效 輔助冷卻單晶214，降低微缺陷成核的機率。此外，上述 之兩段式角度設計中的第二鈍角θ2可加速惰性氣體24〇 的流率’將反應生成的氧化矽快速帶離坩堝21〇，提昇單 晶214與半導體原料熔融液212介面處的溫度梯度，以加 速早晶214的成長拉速。 圖3繪示為裝設本發明之熱遮罩與未裝設熱遮罩之單 晶、溫度場分佈圖。請同時參考圖2B與圖3，本發明中熱遮 罩218的第一鈍角Θ1例如介於100度〜130度之間，且最 佳角度例如120度，具有最佳的氣導效果。上述之第一個 鈍角，主要是導引氬氣流經單晶214時帶走單晶214 上的熱’輔助冷卻單晶214。參考圖3比較有/無裝設熱遮 罩之單晶214在微缺陷成核溫度（1 170K〜1420K)區間内 的單晶214熱歷史差距會有12(M80k。因此，裝設熱遮罩 1263713 14717twf.doc/m 218之後可以縮短單晶214在生長過程中通過微缺陷成核 的溫度帶寬（1170K-1420K)，降低微缺陷成核的機率。人 圖4繪示為本發明之熱遮罩與未裝設熱遮罩之軸向固 液介面溫度梯度比較圖◦請同時參考圖2B與圖4，在本實 施例中熱遮罩218的第二鈍角0 2例如介於12〇度〜 度之間，而最佳角度例如140度，其目的在於將軸向固液 介面處提升至最佳溫度梯度變化，進而提高單晶214的生 長拉速。由圖4可以知道裝設熱遮罩218之後固液介面的 溫度梯度變化較大，可以加速介面處的長晶速度。 在鼠氣>’il動的路位设计上’早晶214與熱遮罩218間 的距離因為複合角度的設計使氬氣通道變小，將氬氣兩段 式加速’能夠快速帶走卓晶214上的熱以冷卻單晶214。 由此可知，複合角度0 1、02造成流速加快，能夠有效利 用氬氣來增加軸向固液介面溫度梯度，藉以調變單晶214 的生長拉速來降低微缺陷成核機率，以提昇單晶214的生 長品質。 圖5繪示為裝設本發明之熱遮罩與未裴設熱遮罩之液 面氣流速度向量圖。請參考圖5，裝設熱遮罩218之後， 能夠讓氬氣將反應生成的氧化矽快速帶離坩堝21〇，並且 防止氧化石夕回、j：容至半導體原料容融液212中造成二次污 另外，熱遮罩218利用長度可調的延伸片234來調整 延伸片234之底緣與半導體原料熔融液212之間的距離， 使熱遮罩218可應用於不同廠商所設計之掛禍210，省下 1263713 14717twf.doc/m 製作成本。 綜上所述，在本發明之結構，至少具有下列優點： 1·就熱遮罩的角度設計而言，兩段式角度設計具有導 引氣流、加快氬氣流速、有效利用氬氣冷卻單晶、 增加軸向固液介面溫度梯度、提高晶體的拉速、降 低單晶微缺陷成核機率、增加單晶生長品質，同睹 減少氬氣使用量等優點。此外，還可改善爐體内的 ML%，避免反應生成的氧化石夕回炫至半導體原料疼 融液中，改善二次污染現象。 2.就熱遮罩的長度可調式設計而言，延伸片可應用於 不同廠商所製造之不同幾何形狀的坩堝，避免製造 個別坩堝適用之單一規格長度熱遮罩，可以 作成本。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 ^定本發明，任何熟習此技藝者，在残縣發明之精神 ，圍内’當可作些許之更動與潤飾，因此本發明 甲 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 ”叹 【圖式簡單說明】 # 圖 圖 1繪示為使用習知熱遮罩的柴式長晶設備剖面示意 設備剖面 圖2Α繪示為本發明之熱遮罩之立體示意圖。 圖2Β繪不為使用本發明之熱遮罩的柴式長』 1263713 14717twf.doc/m 圖3繪示為裝設本發明之熱遮罩與未裝設熱遮罩之單 晶溫度場分佈圖。 圖4繪示為本發明之熱遮罩與未裝設熱遮罩之軸向固 液介面溫度梯度比較圖。 圖5繪示為裝設本發明之熱遮罩與未裝設熱遮罩之液 面氣流速度向量圖。 【主要元件符號說明】 100 :拉晶室 102 :加熱器 104 :支撐架 110 :坩堝 112 :半導體原料熔融液 114 ·•單晶 116 .晶種 118 :習知之熱遮罩 130 :熱遮罩懸臂 132 :熱遮罩垂直臂 136 :熱遮罩斜面 140 :惰性氣體 200 :長晶室 202 :加熱器 204 :支撐架 210 :坩堝 212 :半導體原料熔融液 1263713 14717twf.doc/m 214 :單晶 216 •晶種 218 :熱遮罩 230 :懸臂 232 :垂直壁 234 :延伸片 236 :第一斜面 238 :第二斜面 240 ••惰性氣體 242 :調整件 θ 1 :第一鈍角 Θ2 :第二鈍角 LI : 第一長度 L2 ： 第二長度

Claims (1)

1263713 14717twf.doc/m 十、申請專利範圍： 1. 一種熱遮罩，適用於一柴式長晶設備中，該熱遮罩 包括： 一懸臂，具有一水平表面； 一垂直壁，連接於該懸臂之該水平表面下，該垂直壁 呈一圓筒形，並具有一第一長度；以及 一延伸片，可調整地配置在該垂直壁下，該延伸片呈 一圓筒形，並具有一第二長度，該延伸片之底緣依序具有 一第一斜面與一第二斜面，而該第一斜面與該垂直壁具有 一第一鈍角，且該第二斜面與該垂直壁具有一第二鈍角， 其中該第一鈍角小於該第二鈍角。 2. 如申請專利範圍第1項所述之熱遮罩，其中該懸臂 與該垂直壁係一體成型。 3. 如申請專利範圍第1項所述之熱遮罩，其中該懸臂 與該垂直壁之材質為石英或氧化鋁。 4. 如申請專利範圍第1項所述之熱遮罩，其中該延伸 片之材質為石英或氧化銘。 5. 如申請專利範圍第1項所述之熱遮罩，更包括一調 整件，可拆卸地連接於該垂直壁與該延伸片之間。 6. 如申請專利範圍第5項所述之熱遮罩，其中該調整 件包括螺絲。 7. 如申請專利範圍第1項所述之熱遮罩，其中該第一 鈍角介於100〜130度。 8. 如申請專利範圍第1項所述之熱遮罩，其中該第二 16 1263713 14717twf.doc/m 鈍角介於130〜160度之間。 9. 一種長晶設備，包括： 一拉晶室’用以上拉一晶種， 一坩堝，配置於該拉晶室中，用以放置一半導體原料 溶融液； 一加熱器，配置於該坩堝之外圍，用以加熱該半導體 原料熔融液，以形成一單晶於該晶種上； 一熱遮罩，配置於該坩堝上，該熱遮罩包括： 一懸臂，具有一水平表面，固定於該拉晶室中； 一垂直壁，連接於該懸臂之該水平表面下，該垂 直壁呈一圓筒形，並具有一第一長度；及 一延伸片，可調整地配置在該垂直壁下，該延伸 片呈一圓筒形，並具有一第二長度，該延伸片之底緣 依序具有一第一斜面與一第二斜面，而該第一斜面與 該垂直壁具有一第一鈍角，且該第二斜面與該垂直壁 具有一第二鈍角，其中該第一鈍角小於該第二鈍角； 以及 一抽氣裝置，用以將惰性氣體通過該熱遮罩與該結晶 體之間，且該惰性氣體流過該第一斜面的速度小於流過該 第二斜面的速度。 10. 如申請專利範圍第9項所述之長晶設備，其中該懸 臂與該垂直壁係一體成型。 11. 如申請專利範圍第9項所述之長晶設備，其中該懸 臂與該垂直壁之材質為石英或氧化鋁。 17 1263713 14717twf.doc/m 12. 如申請專利範圍第9項所述之長晶設備，其中該延 伸片之材質為石英或氧化I呂。 13. 如申請專利範圍第9項所述之長晶設備，更包括一 調整件，可拆卸地連接於該垂直壁與該延伸片之間。 14. 如申請專利範圍第13項所述之長晶設備，其中該 調整件包括螺絲。 15. 如申請專利範圍第9項所述之長晶設備，其中該第 一鈍角介於100〜130度。 16. 如申請專利範圍第9項所述之長晶設備，其中該第 二鈍角介於130〜160度之間。 17. 如申請專利範圍第9項所述之長晶設備，其中該坩 堝之材質為石英。 18. 如申請專利範圍第9項所述之長晶設備，其中該半 導體原料熔融液為矽。 19. 如申請專利範圍第9項所述之長晶設備，其中該惰 性氣體為氬氣。
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