TWI707992B

TWI707992B - 用於提拉單晶的方法與裝置及矽半導體晶圓

Info

Publication number: TWI707992B
Application number: TW108120612A
Authority: TW
Inventors: 迪耶特克內爾
Original assignee: 德商世創電子材料公司
Priority date: 2018-06-25
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2020-10-21
Also published as: DE102018210286A1; WO2020001939A1; TW202001010A

Abstract

本發明涉及一種使用具有坩堝的裝置（100）提拉單晶（150）的方法，該裝置係用於從該坩堝（130）中的熔體提拉單晶（150），其中使用的坩堝（130）是至少部分由半導體材料的氮化物所組成的坩堝，且在裝置（100）中將氮的分壓設定或控制到至少0.1毫巴的值；及／或在熔體表面的高度處提供圍繞坩堝的冷卻板（121），其係與圍繞該冷卻板（121）及坩堝（130）的冷卻裝置（120）熱接觸；及／或在該坩堝面向該熔體的表面（131）上由該半導體材料的氮化物形成晶針（156）；及／或其中藉由一加熱裝置（135），在每種情況下至少部分地藉由該加熱裝置所產生的熱輻射（W）從上方直接加熱待熔化的固體半導體材料（153）及／或從下方直接加熱坩堝（130），以及本發明涉及該種裝置（100）。

Description

用於提拉單晶的方法與裝置及矽半導體晶圓

本發明涉及一種使用坩堝裝置提拉單晶的方法、該種裝置、及一種單晶矽半導體晶圓。

可藉由自半導體材料的熔體提拉來製造諸如矽的半導體材料的單晶。為此目的，通常將所謂的晶種（seed）引入至熔體中然後將其拉起。該過程也稱為柴可斯基法（Czochralski method）。熔體本身通常係藉由將通常作為塊狀材料（bulk material）引入至坩堝中的多晶（即，固體半導體材料）熔化而獲得。

通常，目前希望使這種單晶的氧含量保持盡可能低。藉由使用合適的材料，通常可將裝置或元件中的雜質保持在最小值。

然而，諸如矽的半導體材料本身通常塗覆有氧化物，或者半導體材料在空氣中氧化。在矽的情況下，此會產生二氧化矽。例如，已知JP 2196082 A藉由將裝置中的半導體材料加熱到指定的溫度達一段特定的時間來去除該種自然氧化層。然後將該裝置抽真空或形成鈍氣（inert gas）氣氛。

此外，例如從US2005/0118461A1中已知在這種裝置中使用氮化矽坩堝來提拉矽單晶，從而避免如在使用傳統二氧化矽或矽石（silica）坩堝之情況下受到來自坩堝的氧而污染的危險。然而，當有時在非常高的溫度下使用由氮化矽或其他氮化物製成的坩堝時（在提拉單晶時經常需要），可能出現各種問題或缺點。

在此背景下，任務是在使用由半導體材料的氮化物所製成的坩堝來提拉由該半導體材料製成的單晶時，改進製造或提拉製程。

根據本發明，提出具有以下之特徵的用於提拉單晶的方法與裝置及單晶。有利的設計係以下描述的主題。

本發明之一目的在於提供一種使用具有坩堝的裝置提拉半導體材料的單晶的方法，該裝置係用於從該坩堝中的熔體中提拉單晶，其中該坩堝至少部分係由該半導體材料的氮化物所組成，該方法包含在該裝置中將氮的分壓（p）設定或調節到至少0.1毫巴（mbar）的值，及／或在該熔體表面的高度（level）處提供冷卻板，該冷卻板圍繞該坩堝且係與圍繞該冷卻板及坩堝的冷卻裝置熱接觸，及／或在該坩堝面向該熔體的表面上由該半導體材料的氮化物形成晶針（crystal needle），及／或藉由一加熱裝置至少部分地從上方直接加熱待熔化的固體半導體材料及／或從下方直接加熱坩堝，該加熱裝置產生熱輻射（W）。

本發明之另一目的在於提供一種用於提拉半導體材料的單晶的裝置，該裝置包含坩堝，在該坩堝中可容納可從中提拉單晶的熔體，其中該坩堝至少部分係由該半導體材料的氮化物所組成，其中，該裝置係經安置而使得在操作期間內在裝置中氮的分壓（p）係經設定或調節到至少0.1毫巴的值，及／或其中，在該熔體表面的高度處提供一冷卻板，該冷卻板圍繞該坩堝且係與圍繞該冷卻板及坩堝的冷卻裝置熱接觸，及／或其中，該裝置的設置係使得在操作期間內在該坩堝面向該熔體的表面上由該半導體材料的氮化物形成晶針，及／或其中，提供一加熱裝置，該加熱裝置係經設置而使得在各個情況下可至少部分地藉由該加熱裝置所產生的熱輻射（W）從上方直接加熱待熔化的固體半導體材料及／或從下方直接加熱坩堝。

本發明之又一目的在於提供一種單晶矽半導體晶圓，其氧含量係小於1×10¹⁶ 原子／立方公分（atoms per cm³），以及氮含量係大於1×10¹⁵ 原子／立方公分。

本發明係基於一種使用坩堝裝置提拉單晶的方法，該坩堝裝置用於從坩堝中的熔體中提拉單晶。所用的坩堝是至少部分、但較佳完全由半導體材料的氮化物所組成的坩堝。在矽作為半導體材料的特別佳的情況中，此為氮化矽（Si₃ N₄ ）。

欲形成單晶的半導體材料（較佳為矽）通常係以固體形式、特別是以多晶形式引入至坩堝中。此亦可特別以塊狀物來進行，即將單個較小片（piece）及／或較大片的半導體材料引入至坩堝中。除了坩堝之外，該種裝置通常還具有合適的提拉裝置用於從熔體中提拉單晶，如下所述，所述熔體是由半導體材料獲得的。此外，通常提供隔熱罩（heat shield），其下端設計為一種鍋邊（pot brim）。有關該裝置的更詳細的描述，請參考以下說明，尤其是附圖說明。在提拉單晶之前加熱坩堝中的半導體材料，使得半導體材料熔化。例如，超過1410℃的溫度係常用或有利的。

如果提拉位於由矽石或二氧化矽所製成之傳統坩堝中的矽單晶，則從坩堝材料中會釋放出氧氣，且該氧氣可藉由降低裝置中的壓力而以一氧化矽（SiO）的形式從熔體中除去。然而，如果使用例如氮化矽作為坩堝材料，則熔體會溶解氮直至溶體飽和。沒有任何化學化合物具有比矽有效更高的蒸氣壓而可用於藉由在裝置中產生真空來從熔體中除去氮。

另外，氮化矽在所述溫度下在常壓下不再是化學穩定的且分解成矽及氮。在常壓下該分解理論上在約1380℃下開始，在真空中在約1200℃下開始。在常壓下氮化矽的分解也是可能的。此對於通常在約1410℃的所述溫度下進行的單晶提拉過程會導致化學不穩定的坩堝的問題。

根據本發明之一方案，目前意圖在裝置中將氮的分壓設定或控制到至少0.1毫巴（mbar）、較佳至少1毫巴的值。較佳地，在裝置中還設定或調節至少50毫巴、較佳至少200毫巴的總氣壓（ total atmospheric pressure）。通常，壓力可隨意增加，但例如當使用實際用於真空的裝置時，可達到800毫巴的實際上限，因為這種裝置不適合用於更高的壓力。除了氮之外，建議在氣氛中另提供至少一種惰性氣體（noble gas），特別是氬氣。這種惰性氣體係用作保護氣體。

這意味著不再嘗試盡可能地抽真空裝置，而是設定特定的壓力，從而特別是使用氮的分壓（即在大氣中存在有氮）來減少或甚至防止氮化物從組成坩堝的半導體材料中分解。在傳統二氧化矽或矽石坩堝中使用抽真空，特別是用以蒸發氧氣，這對於在坩堝中使用氮化矽或其他氮化物既不必要也不適宜。

特別佳的是，將氮的分壓設定或調節到1毫巴至10毫巴、較佳2毫巴至5毫巴的值。以此方式，在以矽作為半導體材料的情況下，可盡可能地接近氮化矽、固態矽及液態矽之間的三相點。有關更詳細的說明，請參閱圖式說明及相應的圖表或相圖。

當使用由半導體材料的氮化物所製成的坩堝時的另一重點是：當從熔體中提拉單晶時，來自半導體材料的氮化物的晶體（例如，氮化矽晶體）係在熔體中沉澱。熔融的半導體材料將坩堝的材料溶解到溶解度極限，因此最大溶解度通常係強烈地依賴於溫度（temperature-dependent）。

來自半導體材料的氮化物的這種晶體在熔體中不僅因為溫度差異而生長，且還因為晶體提拉期間的偏析（segregation）而生長。生長中的單晶含有較熔體少得多的氮，這就是為何氮在熔體中富集（enrich）的原因。在此方面，建議在合適的位置從系統中除去該過量的氮，使得來自半導體材料的氮化物的顆粒不會導致在單晶中形成差排（dislocation）。

根據本發明的另一方案，因此意圖在熔體表面的高度處（此處特別參考重力方向）提供一圍繞坩堝的冷卻板，特別是環形（annular）冷卻板，該冷卻板係與圍繞冷卻板及坩堝的冷卻裝置熱接觸。這種「冷卻板」是由特別導熱的材料所製成的板或不同形狀的單元。此使得熱或熱量可特別好地遠離熔體或坩堝的表面而傳導。例如，所述冷卻裝置可為用於設備護套（plant jacket）的水冷卻系統。以此方式，坩堝區域中的溫度可保持盡可能地低，以此防止或減少來自半導體材料的氮化物的分解。特別地，熔體的表面可盡可能靠近冷卻板，反之亦然。

藉由冷卻板加熱裝置來設定或控制冷卻板的冷卻能力（cooling capacity）也是特別有用的。此能夠更精確地調整或控制散失的熱。為此所需的溫度可在合適的位置測量，例如藉由溫度感測器、尤其是高溫溫度感測器（pyrometric temperature sensor）測量。在沒有這種冷卻板加熱裝置的情況下或者通常，冷卻板的冷卻能力也可透過其厚度（即，在重力方向上的膨脹）來一次性地選擇或設定。

根據本發明的另一方案，由半導體材料的氮化物（特別是氮化矽）所製成的晶針將在坩堝面向熔體的表面上形成或生長。這種晶體生長可藉由如下而改變：例如，藉由改變所述保護氣體或惰性氣體的分壓及／或藉由改變所述保護氣體或惰性氣體通過該裝置的流速。特別地，在坩堝的內側上在與熔體表面大致相同的高度上形成半導體材料的氮化物的脊（ridge），這種晶體可在該處繼續生長。

在本文中特別佳的是，在坩堝面向熔體的表面上（即在其內側）提供具有結晶核（crystallization nuclei）、特別是具有三個晶邊（crystal edge）的塗層。這種層可藉由化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）來製備。此係藉由CVD製程條件實現，CVD製程條件產生此晶體方向之特別強的晶體生長，從而確定適當取向的晶胚（germ）。這是特別良好的且容易確保晶針接著在垂直於坩堝表面的方向上生長，從而可形成特別大量的晶針且可在該等晶針中結合特別大量的氮。

此外，較佳的是，在坩堝上方提供並操作（即主動用於加熱）圍繞待提拉之單晶的另一、特別是環形的加熱裝置。以此方式，可防止所提到的晶針生長得太靠近待提拉的單晶，否則此可能導致單晶中不希望的差排。可調整或控制該種加熱裝置使得單晶周圍足夠寬的區域維持沒有氮化矽晶針。熔體表面的溫度（特別是輻射溫度）與熔體（較低的）環境溫度之間的適當差異較佳為3℃至8℃。可調節熔體的溫度與（較低的）環境溫度之間的差異，使得單晶周圍足夠寬的範圍維持沒有晶針。

使用由半導體材料的氮化物所製成的坩堝的另一重點是：如承上所述，應盡可能少地將不必要的熱量引入至系統中，特別是坩堝中，以盡可能避免坩堝的劣化（degradation）。

因此，根據本發明的另一方案，意圖藉由加熱裝置而至少部分地藉由該加熱裝置所產生的熱輻射從上方（沿重力的方向看）直接加熱待熔化的固體半導體材料（位於坩堝中）及／或從下方（也沿重力的方向看）加熱坩堝。此處的直接加熱係指藉由加熱裝置所產生的熱輻射不受阻礙地到達待加熱的相關元件。對於由二氧化矽或矽石所製成的傳統坩堝，通常係藉由圍繞坩堝之側面或周邊的加熱裝置來間接加熱待熔化的矽，即藉由加熱裝置來加熱坩堝。通常還存在諸如基座（susceptor）的其他元件，該等元件在該過程中被加熱，然後作為非必要或非期望的熱源。

因此，藉由熱輻射直接加熱坩堝中待熔化的半導體材料或矽可在很大程度上避免不需要的熱量或不需要的熱源。為此目的，可將坩堝移動到裝置內的加熱位置。然後，在該加熱位置中特別安置加熱裝置而使得其圍繞坩堝且相對於重力在坩堝上方的上端處向內（特別是在徑向方向上）彎曲。這使得坩堝可向下移動來熔化半導體材料，且經彎曲的加熱裝置係直接加熱半導體材料並因此熔化半導體材料。然後，可再次向上移動坩堝，以便可提拉單晶。

此外，在本文中特別佳的是，坩堝安置在具有至少一個開孔（opening）的支撐工具上，使得藉由加熱裝置而藉由該加熱裝置產生的熱輻射直接加熱坩堝，所述熱輻射通過所述至少一個開孔。例如，這種支撐工具可為在管壁中具有開孔或凹槽（recess）的管，使得熱輻射可盡可能不受阻礙並因此直接地加熱坩堝，而不會非必要地加熱其他元件，否則所述其他元件將再次成為裝置中不希望的熱源。應該注意的是，當坩堝向上移動以提拉單晶時，這是特別有用的。然後，通常不再能夠直接加熱坩堝中的半導體材料，因此必須藉由坩堝間接加熱半導體材料。然而，在這種情況下，使用所提出的載具媒介（carrier agent）還可在很大程度上防止非必要的熱量輸入。

為了執行所提出之需要設置或調節數值或參數的步驟，可使用合適的計算單元或控制單元。

上述每個方案均有助於解決上述當使用由半導體材料的氮化物所製成的坩堝時的問題，其係藉由減少坩堝或其材料的劣化來解決。儘管該等不同方案亦可單獨使用，但使用該等方案中的若干方案、特別是所有該等方案時係可顯著改善劣化的減少。

本發明還包含一種用於提拉單晶的裝置，該裝置包含坩堝，在該坩堝中可存在有可從中提拉單晶的熔體，該坩堝至少部分係由半導體材料的氮化物所組成。根據第一方案，該裝置係經安置而使得在操作期間內在裝置中的氮氣的分壓係經設定或調節到至少0.1毫巴、較佳至少1毫巴的值。為此目的，可提供例如計算單元或控制單元。根據另一方案，在坩堝高度處提供一冷卻板，特別是環形冷卻板，該冷卻板圍繞坩堝且係與圍繞冷卻板及坩堝的冷卻裝置熱接觸。根據另一方案，該裝置係經設置而使得在操作期間內在坩堝面向熔體的表面上由半導體材料的氮化物形成晶針。此處亦可提供上述或額外的計算單元或控制單元。根據另一方案，提供一加熱裝置，該加熱裝置係經安置而使得可至少部分地藉由加熱裝置所產生的熱輻射從上方直接加熱待熔化的固體半導體材料及／或從下方加熱坩堝。

關於其他較佳設計以及裝置的優點，特別是針對各別方案，係參考上述對該方法的解釋，其在此處係相應地適用，以避免重複。然而，此處還應該注意，可單獨使用該等不同方案，但是亦可使用且較佳係使用該等方案中的若干方案，特別是所有方案。

本發明之目的還在於一種由單晶矽製成的半導體晶圓，該半導體晶圓係從根據本發明所製造的單晶藉由例如線狀鋸（wire saw）分離而獲得。單晶矽半導體晶圓的直徑較佳為至少300毫米，且氧含量係小於1×10¹⁶ 原子／立方公分，其中所述氧含量應被理解為係根據標準新ASTM。藉由使用由半導體材料的氮化物所製成的坩堝，可實現單晶中特別低的氧含量。

對於根據本發明方法所製備的由矽製成的單晶半導體材料，氮含量通常係大於1×10¹⁵ 原子／立方公分。

本發明的其他優點及設計可由說明書及圖式得出。

不言而喻，上述特徵及下面將說明的特徵不僅可以所示的組合使用，且可以其他組合或在獨特的位置中使用，而不脫離本發明的範圍。

本發明係使用一實例而於附圖中示意性地示出，且於下文參考圖式對其進行描述。

第1圖示意性地示出用於提拉單晶的較佳設計的裝置100。該裝置100可用於實施根據本發明的方法，下文將以較佳設計基於裝置100更詳細地解釋該方法。

第2圖示出於進行根據本發明的製程時在不同位置的第1圖的裝置100。在下文中，係以綜合方式描述第1圖及第2圖。

坩堝130係安置於裝置100中，可在坩堝130中引入固體半導體材料。在第1圖所示的實例中，半導體材料係以元件符號153表示且係例如為矽（此處為塊狀物的形式，即，許多單獨的片（此處為多晶片（polycrystalline piece）的形式））。坩堝130係至少部分地、但特別是完全地由半導體材料的氮化物所組成，例如由氮化矽（Si₃ N₄ ）所組成。

該固體半導體材料被熔化而使得在坩堝130中得到熔體或熔化的半導體材料154，如第2圖所示。為此目的，提供圍繞坩堝130的加熱器135。該加熱器135可為例如爐子等。

隔熱罩136係安裝在半導體材料153或熔體154及坩堝130上方，其可用於保留隨後由熔體154發出的熱量，以減少能量消耗。

然後，可如第1圖中部分示出或暗示，使用提拉裝置140從熔體形成單晶150。本發明並不旨在提供有關提拉晶體的更詳細描述，因為此與已知方法基本上並無不同。

在第1圖所示的坩堝130的位置，即加熱位置P_H 中，藉由加熱裝置135所產生的熱輻射（此處以箭頭W表示）可直接加熱固體半導體材料153。為此目的，加熱裝置135係在上端或上部區域處徑向地朝內彎曲，使得熱輻射W可更直接且在更大的區域上到達固體半導體材料153。以此方式，可減少經由坩堝130或其壁對固體半導體材料153的間接加熱，否則將導致裝置內非期望的熱源而助於坩堝130的劣化。當然，為此目的，必須能夠以合適的方式將坩堝130移動到加熱位置P_H 。

在固體半導體材料153被熔化且形成熔體154之後，可將坩堝移動到提拉位置P_Z ，於提拉位置P_Z 中單晶150可從熔體154中提拉出，如第2圖所示。

坩堝130係安置於例如管或類似之形式的支撐工具161上，支撐工具161又被安置於收集槽（collecting trough）160中或收集槽160上。此時在支撐工具161中提供開孔，這裡例示性地以162標記。該等開孔162較佳係圍繞支撐工具161周邊的至少50%（相對於重力方向的軸線）延伸，使得特別是在提拉位置P_Z 中，由加熱裝置135產生的熱輻射W可直接到達坩堝130或其壁，特別是還可到達在使用傳統支撐工具時會被隱藏的地方或區域中。

以此方式，可避免或減少裝置內不需要的熱源，否則這將助於坩堝130的劣化。

裝置100還包括冷卻裝置120，冷卻裝置120係圍繞坩堝130且可例如為水冷卻系統。還提供環形冷卻板121，環形冷卻板121亦圍繞坩堝130（至少在第2圖中所示的位置中）且係與冷卻裝置120熱接觸。

冷卻板係由具有良好導熱性的材料（例如等壓壓製石墨（isostatically pressed graphite））所製成。在冷卻板121上方有數個由絕熱材料（例如碳氈（carbon felt）或碳硬氈）製成的板122。以此方式，坩堝130或熔體154中產生或存在的熱量可特別有效且快速地消散，如箭頭F所示，其表示熱流。藉由使用板122，熱流可被引導至外部。

另外，提供冷卻板加熱裝置125，藉由該冷卻板加熱裝置125可調節或調整冷卻板121的冷卻能力。特別地，如果需要，則可針對性地減小冷卻板與冷卻裝置120一起設計的最大能力。

此外，在裝置100中提供另一加熱裝置138，特別是圈狀（ring-shaped）加熱裝置138，其面向熔體154的表面且圍繞待提拉的單晶150。藉由此額外的加熱裝置138，可使得在熔體中及在坩堝面向熔體的表面上所形成的晶針不會生長得太遠而到達單晶150。請參考第4圖及第5圖的說明。

第3圖顯示矽或氮化矽的相圖，其中繪製氮分壓（以毫巴為單位的壓力p）相對於溫度T（以℃為單位）的對數表示（logarithmic representation）。顯示出三相，其中P1是固態氮化矽（Si₃ N₄ ）的相，P2是固態矽的相，P3是液態矽的相。

該相圖顯示矽轉化為氮化矽與溫度T及氮分壓P的相關性。相圖示出氮化矽中的溫度T及氮分壓P。

從該相圖可看出，在高於矽的熔化溫度（此處為約1420℃）的溫度下，將氮的特定分壓保持在一範圍（盡可能接近三相點）是有用的，在該範圍內所涉及的所有相均為穩定的，或者技術上而言轉化係無關且緩慢的。特別不希望氮化矽轉化為矽及氮、以及液態矽轉化為氮化矽。只有液態矽轉化為結晶（即固體矽）才是期望的過程。

特定而言，1毫巴至10毫巴、特別佳2毫巴至5毫巴的範圍係特別適用於此。此特別適用於例如藉由本發明所提出之其他措施而將熔體的溫度保持在盡可能接近矽的固化溫度的情況。

為此所需的氮氣可例如經由第1圖及第2圖中所示的開孔101而引入至裝置100中，以及藉由設計為控制單元的計算單元110進行調節或調整。另外，裝置中的氣氛可含有惰性氣體如氬氣，如前文已更詳細地說明者。

第4圖示意性地以較佳形式示出根據本發明裝置的坩堝130的一部分，如同例如第1圖及第2圖所示。

此處可看出，脊155係於熔體的表面151之高度處在坩堝130面向熔體的表面131上形成。其背景是從熔體中除去矽以形成單晶會增加熔體中氮的比例。此導致不平衡，且係反映於結晶氮化矽的形成中。

在熔體中及熔體表面上自由浮動的游離氮化矽晶體（free crystals of silicon nitride）是不希望的，因為該等會導致在單晶中形成差排。

由於此原因，特別於該脊155處的表面131上形成氮化矽晶針。此係如下進行：在此時藉由外部的冷卻板來冷卻坩堝壁，且從而也冷卻內部及局部冷卻相鄰的半導體材料的熔體。該冷卻僅能夠使氮化矽結晶。由於溫度保持高於矽的固化溫度，此時只有氮化矽可於已存在的晶胚上結晶。此外，該等晶針形成編織物（braid），其中任何偶然發生的自由浮動晶體都會纏結於編織物中並因此無害。

冷卻位置係始終保持與熔體高度相同的高度，因為在晶體提拉過程中坩堝必須連續地升高。此即為何晶針係於塗佈有熔體表面的坩堝內壁的整個高度上形成。該種晶針係指示為156作為例示。

這意味著形成或提拉單晶的熔體區域盡可能地沒有該種自由浮動晶體，使得單晶中的差排係盡可能地少。

第5圖以較佳形式示出本發明裝置的坩堝表面的塗層170，例如，如同第4圖所示。

該塗層170特別是具有結晶核171的CVD層，其特別佳具有三計數晶邊（three-count crystal edge），如172所示。以此方式，可使得將於坩堝表面上形成的晶針在熔化表面上盡可能地垂直於坩堝壁而向內生長。

藉由使用參照第1圖及第2圖所說明之圍繞單晶的額外的、特別是圈狀的加熱裝置，還可確保該等晶針不會生長得太靠近單晶，因此避免單晶中的任何差排。

總體而言，所提出之方法或裝置可用於形成特別低氧含量的單晶，較佳為單晶矽，因為儘管使用例如氮化矽作為坩堝的材料，其產生的問題及缺點可如上所述被大量減少或避免。

100‧‧‧裝置 101、162‧‧‧開孔 110‧‧‧計算單元 120‧‧‧冷卻裝置 121‧‧‧冷卻板 122‧‧‧板 125、138‧‧‧加熱裝置 130‧‧‧坩堝 131、151‧‧‧表面 135‧‧‧加熱器／加熱裝置 136‧‧‧隔熱罩 140‧‧‧提拉裝置 150‧‧‧單晶 153、154‧‧‧半導體材料／熔體 155‧‧‧脊 156‧‧‧晶針 160‧‧‧收集槽 161‧‧‧支撐工具 170‧‧‧塗層 171‧‧‧結晶核 172‧‧‧三計數晶邊 F‧‧‧熱流 P_H‧‧‧加熱位置 P_Z‧‧‧提拉位置 W‧‧‧熱輻射

第1圖示出較佳設計的裝置的示意性縱向截面，該較佳設計係符合本發明，且可用該較佳設計來實施符合本發明的方法。

第2圖示意性地示出在不同位置的第1圖的裝置。

第3圖示出矽或氮化矽隨溫度及氮分壓變化的相圖。

第4圖示意性地以較佳形式示出本發明裝置的坩堝的一部分。

第5圖示意性地以較佳形式示出本發明裝置的坩堝表面的塗層。

100‧‧‧裝置

101、162‧‧‧開孔

110‧‧‧計算單元

120‧‧‧冷卻裝置

121‧‧‧冷卻板

122‧‧‧板

125、138‧‧‧加熱裝置

130‧‧‧坩堝

135‧‧‧加熱器/加熱裝置

136‧‧‧隔熱罩

140‧‧‧提拉裝置

153‧‧‧半導體材料/熔體

161‧‧‧支撐工具

P_H‧‧‧加熱位置

W‧‧‧熱輻射

Claims

一種使用具有坩堝的裝置(100)提拉矽單晶(150)的方法，該裝置係用於從該坩堝(130)中的熔體(154)中提拉該單晶(150)，其中該坩堝(130)至少部分係由氮化矽所組成，該方法包含在該裝置(100)中將氮的分壓(p)設定或調節到至少0.1毫巴(mbar)的值，在該熔體表面的高度(level)處提供冷卻板(121)，該冷卻板圍繞該坩堝且係與圍繞該冷卻板(121)及坩堝(130)的冷卻裝置(120)熱接觸，藉由冷卻板加熱裝置(125)來設定或調節該冷卻板的冷卻能力(cooling capacity)，在該坩堝面向該熔體的表面(131)上形成氮化矽的晶針(crystal needle)(156)，及藉由一加熱裝置(135)至少部分地從上方直接加熱待熔化的固體矽(153)及/或從下方直接加熱坩堝(130)，該加熱裝置產生熱輻射(W)。
如請求項1所述的方法，其包含在該裝置(100)中將氮的分壓(p)設定或調節到1毫巴至10毫巴的值。
如請求項1所述的方法，其包含在該裝置(100)中將氮的分壓(p)設定或調節到至少1毫巴的值，且在該裝置(100)中將總氣壓(total pressure of the atmosphere)設定或調節到至少50毫巴的值。
如請求項3所述的方法，其包含除了氮之外在該氣壓中還提供至少一種惰性氣體(noble gas)。
如請求項1或2所述的方法，其包含藉由在該坩堝面向該熔體的表面(131)上提供具有結晶核(crystallization nuclei)(171)的塗層，以在該坩堝面向該熔體的表面(131)上形成氮化矽的晶針。
如請求項1或2所述的方法，其包含在該坩堝面向該熔體的表面(131)上形成氮化矽的晶針(156)，以及在該坩堝(130)上方提供並操作圍繞待提拉之該單晶(150)的另一加熱裝置(138)。
如請求項1或2所述的方法，其包含藉由產生熱輻射(W)的該加熱裝置(135)從上方直接加熱待熔化的固體矽(153)，該加熱係藉由將該裝置(100)內的坩堝(130)定位在加熱位置(P_H)中來實現。
如請求項7所述的方法，其包含將該加熱裝置(135)安置為圍繞該坩堝(130)且在該坩堝上方的上端處在該加熱位置(P_H)中向內彎曲。
如請求項1或2所述的方法，其包含藉由產生熱輻射(W)的加熱器(135)從下方直接加熱該坩堝，該加熱係藉由如下來實現：將該坩堝放置在具有至少一個開孔(opening)(162)的支撐工具(161)上，使得藉由該加熱器，該坩堝被由該加熱器產生且通過該至少一個開孔(162)的熱輻射(W)直接加熱。
一種用於提拉矽單晶(150)的裝置(100)，該裝置包含坩堝(130)，在該坩堝中可容納可從中提拉該單晶(150)的熔體(154)，其中該坩堝(130)至少部分係由氮化矽所組成，其中，該裝置(100)係經安置而使得在操作期間內在裝置中氮的分壓(p)係經設定或調節到至少0.1毫巴的值，其中，在該熔體表面的高度處提供一冷卻板(121)，該冷卻板圍繞該坩堝且係與圍繞該冷卻板(121)及坩堝(130)的冷卻裝置(120)熱接觸，其中，提供一冷卻板加熱裝置(125)用於設定或調節該冷卻板(121)的冷卻能力，其中，該裝置(100)的設置係使得在操作期間內在該坩堝面向該熔體的表面(131)上形成氮化矽的晶針(156)，及其中，提供一加熱裝置(135)，該加熱裝置係經設置而使得在各個情況下可至少部分地藉由該加熱裝置所產生的熱輻射(W)從上方直接加熱待熔化的固體矽(153)及/或從下方直接加熱坩堝(130)。
如請求項10所述的裝置(100)，其中該裝置(100)係經設置而使得在該坩堝面向該熔體的表面(131)上形成氮化矽的晶針(156)，且在該坩堝面向該熔體的表面(131)上提供具有結晶核(171)的塗層。
如請求項10或11所述的裝置(100)，其中該裝置(100)係經設置而使得在該坩堝面向該熔體的表面(131)上形成氮化矽的晶針(156)，且在該坩堝(130)上方提供圍繞待提拉的單晶(150)的另一加熱裝置(138)。
如請求項10或11所述的裝置(100)，其中提供該加熱裝置(135)，其係經安置使得待熔化的固體矽(153)可藉由該加熱裝置產生的熱輻射(W)從上方直接加熱，且其中為此目的，坩堝可定位於該裝置內的加熱位置(P_H)中。
如請求項13所述的裝置(100)，其中該加熱裝置(135)係安置成圍繞該坩堝(130)且在該加熱位置(P_H)中在該坩堝上方的上端處向內彎曲。
如請求項11所述的裝置(100)，其中該加熱裝置(135)係安置成使得該坩堝能夠藉由該加熱裝置產生的熱輻射(W)從下方直接加熱，且其中該坩堝係安置於具有至少一個開孔(162)的支撐工具(161)上，使得藉由該加熱裝置，該坩堝可被由該加熱裝置產生且通過該至少一個開孔(162)的熱輻射(W)直接加熱。