Получение кристаллов
Изобретение относится к конструкции «горячей зоны» при выращивании кристаллов из расплава методом Чохральского, которая включает область расплава, тигель и теплоизолирующий экранирующий элемент, включающий диск 33а, изолятор 33b, колпак 33с, выполненный с возможностью разделения входящего потока продувочного газа II на первый частичный поток IIa и второй частичный поток IIb таким образом, что первый частичный поток IIa направляется через область расплава, а второй частичный поток IIb направляется вдоль канала 34 внутри теплоизолирующего экранирующего элемента в обход пространства в тигле, расположенного над указанным расплавом, перед выходом его из «горячей зоны». Изобретение обеспечивает повышение экономической эффективности получения кристаллов. Это достигается за счет конструкции «горячей зоны», организации потоков газов и процесса роста, которые могут снизить потребление энергии, увеличить срок службы деталей «горячей зоны» и повысить производительность, например - за счет наличия устройств для открывания «горячей зоны» и легкой адаптации «горячей зоны» к различным диаметрам кристалла. 4 н. и 9 з п. ф-лы, 9 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к устройству и способу получения кристаллов с использованием метода Чохральского в общих чертах, но, более конкретно, к устройству и способу, которые повышают экономическую эффективность получения кристаллов, особенно - полупроводниковых кристаллов. Изобретение относится к устройству для организации потоков согласно ограничительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к устройству для организации потоков. Изобретение относится к системе для организации потоков согласно ограничительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к системе для организации потоков. Изобретение относится к устройству для регулирования температуры согласно ограничительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к устройству для регулирования температуры. Изобретение относится к системе для регулирования температуры согласно ограничительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к системе для регулирования температуры. Изобретение относится к конструкции «горячей зоны» согласно ограничительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к конструкции горячей зоны. Изобретение относится к печи согласно ограничительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к печи. Изобретение относится к способу выращивания кристаллов согласно ограничительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к способу выращивания кристаллов. Изобретение также относится к кристаллу согласно ограничительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к кристаллу.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Одиночные полупроводниковые кристаллы обычно получают с использованием способа Чохральского. Полупроводниковый материал, например - кремний, плавят в тигле, изготовленном, например, из диоксида кремния, с помощью нагревательного элемента (или элементов), расположенных в камере вокруг тигля. Поток инертного газа, обычно - аргона, используют для продувки печи и поверхности расплава. Термостойкие детали, расположенные внутри основной вакуумной камеры печи для выращивания кристаллов способом вытягивания, образующей так называемую «горячую зону», обычно изготовлены из графита и теплоизолирующего мягкого и/или жесткого графитового войлока. Известно, что в определенном объеме в «горячей зоне» могут быть использованы различные другие материалы (например, металлы, композитные или огнеупорные материалы) или покрытия (например, SiC на графите). Тигель, нагреватель и изолированный трубчатый теплозащитный экран вокруг нагревателя являются некоторыми из типичных частей «горячей зоны» в известных техниках. Известно, что в базовом процессе выращивания кристаллов для регулирования потока расплава и/или свойств кристаллов, например - концентрации кислорода, и для повышения выхода кристаллов может быть использовано магнитное поле. Также из предшествующего уровня техники известно, что во время плавления и/или выращивания кристалла можно использовать дополнительный нижний нагреватель, расположенный под тиглем, для сокращения времени плавления и оптимизации распределения температуры в «горячей зоне».
Конструкция «горячей зоны» оказывает важный эффект на общую стоимость и качество кристаллов и на производительность установки. Однако «горячие зоны» в предшествующем уровне техники обычно имели конструкцию, которая приводила к очень большим тепловым потерям и к высокому потреблению тепловой мощности из-за ограниченной или локально отсутствующей теплоизоляции, и одновременно эта конструкция также приводила к плохим характеристикам потока газа, что повышало потребление газа, несмотря на по-прежнему низкий выход кристаллов из-за образования частиц во вредных положениях и достижения ими расплава, к малому сроку службы деталей «горячей зоны» из-за сильных реакций на их поверхностях и/или к низкому качеству кристаллов в отношении загрязнений и других аспектов качества. Результатами являются относительно высокие расходы на электричество, газ и графитовые детали, в сочетании с малым выходом и плохим качеством кристаллов, а также дополнительное время, необходимое для очистки печи или для замены деталей «горячей зоны», и повышение общей суммы производственных расходов на единицу полезной длины кристалла. Кроме того, проблемой была низкая производительность. Дополнительные проблемы могут быть связаны с отсутствием стабильности/воспроизводимости процесса из-за коррозии/эрозии графитовых деталей в «горячих зонах» согласно предшествующему уровню техники и/или изменения свойств различных поверхностей из-за осаждения на них, например, паров, содержащих кремний. Хотя впоследствии были произведены некоторые усовершенствования конструкции «горячих зон» с целью улучшения отдельных аспектов, которые будут обсуждены ниже, все же ситуация еще далека от оптимальной.
В предыдущих конструкциях «горячей зоны» не уделялось большого внимания потребляемой мощности, поскольку в центре внимания были другие аспекты, такие как качество, производительность и выход. Конструкции часто имели очень ограниченную теплоизоляцию. Большие площади в верхних частях и часто также в нижних частях «горячей зоны» могли иметь лишь умеренную изоляцию, и утечка тепла, например, через электроды нагревателя и проходную втулку стержня тигля или газ, выходящий из «горячей зоны» в напорную линию, была очень значительной, или теплоизоляция даже не была предусмотрена в некоторых зонах/положениях.
Усовершенствования теплоизоляции часто были локальными, сконцентрированными в зоне над расплавом, и стимулировались задачей повышения качества кристаллов и/или повышения скорости вытягивания кристаллов, тогда как потребление энергии не рассматривалось как проблема, и этим вопросом в достаточной мере не занимались. Тем не менее, хотя эти конструкции частично экранируют кристалл от теплового излучения, исходящего от горячего расплава и горячей зоны, с целью обеспечения более высоких скоростей вытягивания, они не оптимизированы или не нацелены на снижение потребления энергии «горячей зоной» как целым. Высокие потери энергии и большое потребление энергии также обычно приводят к более высоким максимальным температурам, по крайней мере - локальным, и к большей неравномерности температуры внутри «горячей зоны». Это вредно, поскольку сокращает срок службы деталей «горячей зоны» или вызывает сдвиг распределения температуры в «горячей зоне» и кристалле из-за общего усиления или локальной стимуляции химических реакций. Если эти изменения становятся слишком большими, детали приходится заменять, что увеличивает расходы и требует дополнительной работы и времени, что снижает производительность. Более высокие температуры на поверхности раздела «тигель-расплав» также вредны для тигля, поскольку они ускоряют неблагоприятные изменения в тигле, а также делают менее стабильным режим потока расплава и приводят к меньшему выходу кристаллов.
Инертный газ в большинстве случаев подают в «горячую зону» сверху, так, что он проходит по поверхности кристалла и расплава, а затем, после прохождения через «горячую зону» он выходит через выпускные отверстия в напорные линии вакуумных насосов, соединенные с нижними частями главной вакуумной камеры установки для выращивания кристаллов. В «горячих зонах» согласно предшествующему уровню техники не уделялось большого внимания геометрии потока газа в зонах, прилежащих к поверхности расплава, хотя в современных «горячих зонах» для этой цели часто используется трубчатая или коническая деталь, расположенная над расплавом, см., например, решение проблем, связанных с «горячей зоной», в патенте US 4330362. Однако несмотря на то что направление потока газа через такую деталь обеспечивает некоторые преимущества, оно может также интенсифицировать испарение химических веществ из расплава до уровня, при котором оно становится проблемой. Кроме того, поскольку большая часть потока газа проходит над поверхностью расплава, случайные частицы, которые выделяются с внутренних поверхностей вакуумной камеры над «горячей зоной» или с верхних поверхностей «горячей зоны», с большой вероятностью могут быть перенесены с потоком газа и могут достичь зоны расплава, где эти частицы могут привести к изменениям в пространственной решетке кристалла и вследствие этого к снижению выхода, если они достигнут расплава или поверхности раздела расплава и кристалла. Такие частицы на поверхностях часто происходят из материалов, использованных для «горячей зоны», из химических реакций или процесса конденсации внутри печи или из операций очистки или технического обслуживания. Кроме загрязнения частицами также вредным является загрязнение испарениями с различных поверхностей, если эти испарения получают доступ к поверхности расплава.
Срок службы графитовых деталей и способы увеличения срока службы за счет выбора подходящих направлений потоков газа и конструкции «горячей зоны» обсуждались в известной технологии. Однако известные решения относительно направления движения газа представляют собой автономные решения, в которых поток газа отделен от нагревателя и/или тигля с целью увеличения срока их службы и/или срока службы других частей на основе графита, без заботы, например, о распределении температуры. Тем не менее, печи известных конструкций обычно требуют нестандартного размещения подсоединения вытяжной линии к камере и специального оборудования для системы газоснабжения, и их трудно адаптировать к стандартным печам без значительных модификаций печи и процесса выращивания кристаллов. Такие конструкции трудно адаптировать к стандартным типам печей, и они могут оказывать неблагоприятное влияние на потенциальные вспомогательные системы, которые могут быть использованы в различных процессах.
После выращивания кристалла печь и «горячую зону» следует открыть для проведения операций очистки или технического обслуживания, которые включают в себя, например, удаление использованного тигля из кварца или кремнезема и содержащегося в нем остаточного материала, а также возможное удаление пыли и другого мусора. Можно проверить состояние «горячей зоны» и, наконец, загрузить печь следующей порцией сырья. Легкость открывания «горячей зоны» и работы в ней является фактором, повышающим производительность и снижающим общие расходы на выращивание кристаллов, особенно в случае больших «горячих зон», поскольку там имеются большие и тяжелые детали, которые трудно поднимать вручную, однако эта проблема до сих пор недостаточно освещена в литературе. Для подъема можно использовать внешнее оборудование, но это дорогое решение, и оно требует пространства и времени для стыковки этого оборудования с установкой для выращивания кристаллов и/или к частям «горячей зоны» и расстыковки его. В уже известных печах особенно замедляет очистку и другие необходимые операции, а следовательно - и производство, обращение с частями «горячей зоны», расположенными над тиглем.
Гибкость производства часто требует, чтобы одна и та же установка для выращивания кристаллов использовалась для получения кристаллов различного диаметра. Например, если одна и та же печь используется для выращивания кристаллов кремния или германия с диаметром 8” и 6”, то, скорее всего, «горячую зону» одной и той же конструкции невозможно использовать или оптимизировать для выращивания кристаллов обоих диаметров. Выращивание кристалла диаметром 6” в «горячей зоне», предназначенной для кристаллов диаметром 8”, без каких-либо изменений приведет к увеличению расходов, снижению производительности, худшему качеству кристаллов и/или к более низкому выходу кристаллов. Существует необходимость в такой конструкции «горячей зоны» и таких процедурах, в ходе которых лишь минимальное количество небольших, относительно недорогих частей «горячей зоны» можно было бы легко и быстро заменять при переходе от одного диаметра к другому.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Различные варианты осуществления настоящего изобретения имеют своей целью устранение или, по крайней мере, уменьшение недостатков известных техник. Эта цель может быть достигнута за счет вариантов осуществления настоящего изобретения.
Варианты осуществления настоящего изобретения демонстрируют конструкцию «горячей зоны», устройство для организации потоков в установке для выращивания кристаллов, печь и способ использования конструкции «горячей зоны», который может снизить суммарные расходы на производство кристаллов и повысить производительность.
Настоящее изобретение основано на том, что было обнаружено, что определенная теплоизоляция в сочетании с определенным потоком газа в верхней части, то есть в области вытягиваемого конца, установки для вытягивания кристаллов значительно улучшает распределение температуры в определенных частях кристалла, расплава и/или вблизи поверхности раздела между расплавом и вытягиваемым кристаллом. Кроме того, не только кристалл должен иметь желаемое распределение температуры, но и температура вокруг тигля также желательно должна быть регулируемой при достаточно малых различиях температуры. В качестве дополнительного эффекта можно заметно снизить образование вредных веществ, их осаждение на чувствительные поверхности и/или реакции с этими поверхностями. Вследствие этого можно замедлить коррозию нагревательных резисторов. Кроме того, и другие части «горячей зоны» служат дольше, увеличивается срок службы изолирующего материала, а детали камеры остаются более чистыми. Также варианты осуществления настоящего изобретения значительно облегчают открывание и техническое обслуживание «горячей зоны». Легкость открывания и технического обслуживания, обеспечиваемая формами осуществления настоящего изобретения, также способствует низкому уровню загрязнения и высокому уровню чистоты в установке для выращивания кристаллов и в «горячей зоне».
Теплоизоляцию довольно трудно улучшить, если не начать с систематического исследования того, где теряется тепло, предпочтительно - с использованием хорошего моделирующего программного обеспечения. Мы обнаружили, что выглядящие безвредными нарушения непрерывности изоляции, на самом деле, могут быть весьма значительными. Эти слабые места в отношении тепловых потерь также известны под названием тепловых или холодовых мостов. Пример иллюстрирует роль конструкционного графита, проходящего через изоляцию «горячей зоны», предназначенной для выращивания кристаллов кремния. Такой разрыв изоляции является промышленным стандартом, поскольку части «горячей зоны», расположенные внутри теплоизоляции, должны иметь соответствующую опору, что означает надлежащий контакт с не изменяющими размеры конструкционными материалами. Типичная разность температур между внутренней и наружной сторонами «горячей зоны» для выращивания кристаллов кремния составляет примерно 800°С, и одна графитовая пластина в «горячей зоне» с наружным диаметром, равным 1 м, причем эта пластина имеет толщину, равную всего 6 мм там, где она разрывает изоляцию, толщина которой равна 3 см, вызывает тепловые потери порядка 10 кВт. Другой пример: отверстие в изоляции площадью 100 см2 обычно вызывает тепловые потери порядка 30 кВт. Конструкции «горячих зон» для кристаллов кремния требуют отверстий в нескольких местах, и, например, одно из них, обеспечивающее выход продувочного газа из «горячей зоны», имеет суммарную площадь, которая обычно имеет именно такой порядок - около 100 см2.
Даже после выявления тепловых мостов конструирование такой «горячей зоны», где должным образом учтены вредные эффекты этих слабых мест в отношении тепловых потерь, остается непростой задачей. Проблемы возникают, например, из-за: (1) большой разницы температур между зонами внутри и снаружи теплоизоляции «горячей зоны»; (2) ограниченного пространства для изоляции с учетом стоимости установки для выращивания кристаллов и компонентов «горячей зоны»; (3) высокой типичной теплопроводности доступных конструкционных материалов; (4) значительных изменений размеров, вызванных большими разностями температур, различных деталей «горячей зоны», которые должны быть амортизированы без потери точности позиционирования или разрушения деталей.
Необходимость других параллельных потоков газов, кроме потока, направляемого для продувки поверхности расплава, возрастает с улучшением теплоизоляции «горячей зоны» при выращивании кристаллов кремния способом Чохральского. Это обусловлено тем, что улучшение теплоизоляции приводит к снижению температур на поверхности раздела между тиглем из кварца или диоксида кремния и расплавом кремния, вследствие чего снижается скорость растворения кислорода в расплаве, что приходится компенсировать посредством снижения также потока газа, проходящего непосредственно над поверхностью расплава, и скорости испарения кислорода из расплава для достижения концентраций кислорода, специфицированных для кристалла. Тем не менее, суммарный поток газа должен быть достаточно высоким для эффективной продувки «горячей зоны» с целью ограничения реакций между оксидом кремния и графитом, обеспечения длительного срока службы графитовых деталей и поддержания большей чистоты печи от частиц. Поэтому для того чтобы избежать отрицательных влияний, обусловленных слишком малым потоком газообразного аргона, газ следует направлять в «горячую зону» и по другим путям, особенно в случае хорошо теплоизолированной «горячей зоны». Также очень важны точные направления потоков газа во внутренних частях «горячей зоны» - после того как газ уже проник в «горячую зону» и прошел вдоль поверхности расплава.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что схема тепловых и газовых потоков и характеристики «горячей зоны» связаны через аспекты настоящего изобретения и оказывают большое влияние на выход и качество кристаллов, и что их нельзя проектировать абсолютно раздельно. На характеристики потока защитного инертного газа влияют конструкция «горячей зоны», которая определяет направления потоков газа, и технологические параметры потока газа, такие как массовый расход газа и давление внутри камеры для выращивания кристаллов. С другой стороны, любое впускное или выпускное отверстие для газов в «горячей зоне» также является потенциальным путем утечки тепла. Направления и характеристики потоков газов оказывают влияние на следующие аспекты:
(A) Срок службы деталей «горячей зоны». Например, в случае деталей из графита или графитового войлока, расплава кремния и тигля, изготовленного из диоксида кремния, ограничения по сроку службы в основном обусловлены реакциями между оксидом кремния и графитом, приводящими к образованию карбида кремния на графитовых поверхностях и к изменениям таких свойств материала, как теплопроводность, излучательная способность и, в случае нагревателя, удельное электрическое сопротивление, а в конечном итоге - даже к разрушению. Изменения, особенно в том случае, когда они неравномерно распределены в «горячей зоне», будут приводить к изменению распределения температуры в «горячей зоне» и кристалле, которое может привести к неоптимизированным технологическим условиям и, вследствие этого, к меньшему выходу кристаллов и/или к снижению качества кристаллов. Например, концентрация кислорода в кристалле может отклониться от целевого значения, или результатом может быть утрата единой кристаллической структуры.
(Б) Выход кристаллов. Поток газа удаляет вещества (например, SiO), испаряющиеся с поверхности расплава, и препятствует образованию частиц (например, SiO) вблизи поверхности расплава, где они могут реагировать с расплавом и, в конечном итоге, с поверхностью раздела кристалла и расплава, что часто приводит к образованию нарушений правильности кристаллической структуры, которые могут сделать кристалл или его часть бесполезными, снижая выход кристаллов. Кроме того, другие загрязняющие вещества/отложения могут образовываться в удаленных частях печи или происходить из удаленных частей печи, расположенных ниже по течению потока относительно поверхности расплава. Такие загрязняющие вещества могут содержать газообразную и/или грубодисперсную фазу, которая может дрейфовать к расплаву. Для высоколегированных кристаллов (например, кристаллов, легированных As, Sb, P) также необходимы высокие концентрации легирующих примесей в расплаве, и легирующие элементы могут испаряться в виде оксидов, которые в дальнейшем могут образовывать частицы, или они могут вызывать износ деталей «горячей зоны», с которыми они вступают в контакт.
(B) Концентрация кислорода в кристалле. Поток газа вблизи поверхности расплава оказывает влияние на скорость испарения кислорода (например, в виде SiO или других кислородсодержащих газов или паров) из расплава, и это один из основных факторов, регулирующих концентрацию кислорода в кристалле. В принципе, увеличение массового расхода аргона, продувающего поверхность расплава, обычно приводит к снижению концентрации кислорода в кристалле.
(Г) Загрязнения кристалла. Одним из основных загрязнений в кристаллах кремния является углерод. Большая часть углеродного загрязнения возникает в результате реакции между испаряющимся газообразным SiO и горячими графитовыми частями, в ходе которой образуется газообразный СО, который, если это позволяет поток газа, может достигать расплава, увеличивая концентрацию углерода в расплаве и кристалле.
(Д) Потребление газа может быть снижено за счет форм осуществления настоящего изобретения, и связанные с этим расходы будут меньше. Кроме того, снижается вероятность появления загрязняющих веществ, перенесенных к расплаву газом.
В контексте настоящего изобретения термины «получение кристаллов способом Чохральского» или «способ по Чохральскому» относятся к получению кристаллического материала в таком процессе, в котором затравочный кристалл или нечто подобное приводится в контакт с расплавом, содержащимся в тигле, с целью выращивания кристалла со структурой, определенной затравочным кристаллом.
В контексте настоящего изобретения термин «установка для выращивания кристаллов» используется для обозначения установки, которая содержит необходимые части для получения кристаллов с использованием способа Чохральского. Она включает в себя, например, вакуумные камеры, средства для обеспечения в камере для выращивания кристаллов подходящей атмосферы и давления, а также системы, необходимые для соответствующего перемещения тигля и кристалла. Установка для выращивания кристаллов может также содержать несколько дополнительных частей, таких как источники питания для нескольких нагревателей различных типов, система управления, а также постоянные магниты и/или электромагниты.
В контексте настоящего изобретения термин «горячая зона» используется для обозначения устройства, которое содержит внутри вакуумной камеры установки для выращивания кристаллов части, необходимые для обеспечения температурных условий и потоков газа, подходящих для выращивания кристаллов. «Горячая зона» включает в себя, например, тигель, содержащий расплав, один или несколько нагревателей различных типов, а также теплоизоляцию вокруг тигля и/или нагревателя (нагревателей). Любая деталь, свешивающаяся с верхней части вакуумной камеры и не оказывающая значительного влияния на распределение температуры в тигле, не считается частью «горячей зоны».
В контексте настоящего изобретения термин «печь» используется для обозначения той комбинации, которую образуют установка для выращивания кристаллов и «горячая зона», и которую можно, при подключении подходящих систем электропитания, охлаждения и газоснабжения, использовать для выращивания кристаллов.
В контексте настоящего изобретения термин «тигель» относится к любому резервуару, пригодному для размещения в нем шихты, предназначенной для превращения в расплав для процесса по Чохральскому, независимо от материала тигля и/или тонкой структуры тигля, если конкретно не указано иное. Кроме того, для обозначения определенного вида резервуара в форме тигля может быть использован термин «приемник». Термин «приемник» используется для механического держателя тигля, содержащего расплав. Если держатель не используется, термин «приемник» относится к самому тиглю.
В контексте настоящего изобретения термин «вытягивание», относящийся к способу или методу по Чохральскому, не ограничен только простым вытягиванием; скорее, он означает перемещение затравочного кристалла относительно поверхности раздела «твердое вещество-расплав».
В контексте настоящего изобретения термин «нагреватель» применяется для обозначения устройства, которое используется для преобразования других источников энергии в тепловую энергию, предназначенную для нагревания шихты, тигля, кристалла или любой другой части, расположенной внутри установки для выращивания кристаллов. Термин «нижний нагреватель» используется для обозначения нагревателя, расположенного ниже уровня дна тигля во время выращивания объема кристалла, где и выделяется большая часть его тепловой мощности. Термин «основной нагреватель» обозначает нагреватель, большая часть тепловой мощности которого выделяется за пределами внешнего радиуса тигля. Термин «поверхностный нагреватель» обозначает нагреватель, расположенный внутри внешнего радиуса тигля над поверхностью расплава.
В контексте настоящего изобретения термин «вакуум» относится к газообразной среде с давлением ниже атмосферного, так что это понятие охватывает различные состояния - от полного вакуума до почти нормального атмосферного давления. Термин «вакуумная камера» относится к резервуару и/или установке, способной обеспечивать и/или поддерживать вакуум вокруг тигля. Термин также используется для обозначения такой камеры, которая способна поддерживать вакуум без модификаций или после небольших модификаций, если процесс выращивания кристаллов требует давлений, равных или превышающих нормальное атмосферное давление.
В контексте настоящего изобретения термин «путь» или «канал» для текучей среды, такой как газ, относится к проходу для текучей среды, который обеспечивает возможность ее течения в проходе. «Канал» (или «путь») может быть осуществлен несколькими способами. Путь может проходить вдоль трубы от одного ее конца до другого конца, но он может быть задан и двумя трубами (или цилиндрами), одна из которых окружает другую, и между которыми остается кольцевое пространство, определяющее канал, который не ограничен лишь коаксиальными трубами или цилиндрами. Точно так же каналы могут быть ограничены коническими трубами, плоскими плитами или кольцами. Можно изобрести очень большое количество различных форм каналов. Каналы могут также содержать гранулярный, пористый, волокнистый и другой материал, который не препятствует прохождению текучей среды.
В контексте настоящего изобретения термин «легирующая примесь» обозначает относительно малые количества химических элементов, отличающихся от основных компонентов шихты, подлежащей плавлению. Эти легирующие примеси обычно относятся к группам III, IV или V периодической системы элементов, и их концентрация в расплаве может варьировать от менее чем 0,1 части на миллиард (ppb) до примерно одного процента для электрически активных легирующих примесей и от менее чем 1 части на миллион (ppm) до нескольких процентов, если примеси определяют другие свойства, отличающиеся от электропроводности или типа электропроводности расплава и/или кристалла.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения нагреватель может иметь приблизительно цилиндрическую геометрию, симметричную относительно кристалла и/или расплава. Однако согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения нагреватель может содержать несимметрично установленные детали нагревателя для балансировки распределения температуры расплава и/или кристалла. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения используются средства, обеспечивающие согласование геометрии нагревателя (или нагревателей) и остальной части «горячей зоны». Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения геометрия может быть изменена между двумя циклами выращивания кристаллов. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения геометрия может быть изменена и во время процесса выращивания кристалла.
Устройство для организации потоков согласно настоящему изобретению характеризуется признаками, указанными в отличительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к устройству для организации потоков. Система для организации потоков согласно настоящему изобретению характеризуется признаками, указанными в отличительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к системе для организации потоков. Устройство для регулирования температуры согласно настоящему изобретению характеризуется признаками, указанными в отличительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к устройству для регулирования температуры. Система для регулирования температуры согласно настоящему изобретению характеризуется признаками, указанными в отличительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к системе для регулирования температуры. Конструкция «горячей зоны» согласно настоящему изобретению характеризуется признаками, указанными в отличительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к конструкции «горячей зоны». Печь согласно настоящему изобретению характеризуется признаками, указанными в отличительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к печи. Способ выращивания кристаллов согласно настоящему изобретению характеризуется признаками, указанными в отличительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к способу выращивания кристаллов. Кристалл согласно настоящему изобретению характеризуется признаками, указанными в отличительной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к кристаллу.
Другие варианты осуществления настоящего изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения в качестве примеров. Граница между вводной частью пункта формулы изобретения и отличительной частью в пунктах формулы изобретения, состоящих из двух частей, указывается выделенными жирным шрифтом выражениями «отличающийся», «где» и/или «включающий».
Варианты осуществления настоящего изобретения делают получение одиночных полупроводниковых кристаллов с использованием способа Чохральского более экономически эффективным при сохранении или повышении качества кристаллов, например - в отношении концентрации углеродного загрязнения, и выхода кристаллов, которые могут быть проданы как таковые и/или в форме полупроводниковых пластин («вафель) в необработанном или обработанном виде. Экономическая эффективность получения кристаллов повышается, например, за счет снижения потребления и расходов на электроэнергию, инертный газ и детали «горячей зоны», объемов и затрат на работу операторов и процедуры, способствующие увеличению общей продолжительности цикла процесса выращивания кристаллов, а также за счет снижения инвестиционных расходов на печи.
Исходя из основной цели повышения экономической эффективности далее будут обсуждаться следующие подцели:
(а) Снижение потребления электрической энергии.
(б) Увеличение практического срока службы дорогих и трудно заменяемых деталей «горячей зоны», например - деталей из конструкционного графита и элементов изоляции. Кроме того, правильная изоляция и достаточно равномерное распределение температуры обеспечивают более воспроизводимый процесс выращивания кристаллов, даже после значительного износа компонентов «горячей зоны».
(в) Конструкция «горячей зоны», обеспечивающая легкую и дешевую адаптацию «горячей зоны» к изменению диаметра кристалла. Обеспечение большей экономической эффективности с сохранением или повышением качества кристаллов и выхода кристаллов.
(г) Обеспечение большей экономической эффективности при использовании таких форм осуществления настоящего изобретения, которые, насколько это возможно в разумных пределах, совместимы со стандартными печами для выращивания кристаллов без необходимости дорогостоящих модификаций печи или без потребности в дорогостоящем дополнительном оборудовании.
Для достижения этих целей в различных вариантах осуществления настоящего изобретения предложены устройства и способ. Варианты осуществления настоящего изобретения, более подробно описанные в формуле изобретения, включают в себя следующие аспекты настоящего изобретения - первый аспект (i), второй аспект (ii), третий аспект (iii), четвертый аспект (iv) и пятый аспект (v), на которые в ходе дальнейшего изложения будут даны ссылки под номерами (i)-(v), хотя возможны многочисленные вариации представленных примеров основных вариантов осуществления настоящего изобретения.
(i) «Горячая зона» печи для выращивания кристаллов способом вытягивания, сконструированная так, что она имеет хорошую и почти непрерывную теплоизоляцию, обеспечивающую повышенную экономическую эффективность.
(ii) Новые пути следования инертных газов, состоящие в том, что газ проникает в «горячую зону» по двум различным путям, что обеспечивает усовершенствованную структуру потока и за счет этого приводит к увеличению срока службы графитовых деталей и повышению выхода и качества кристаллов при относительно низком потреблении инертного газа.
(iii) Конструкция «горячей зоны» и соединение связанных с ней деталей, которые обеспечивают подъем верхних частей горячей зоны» совместно с верхней частью основной вакуумной камеры установки для выращивания кристаллов с использованием подъемного механизма, предусмотренного в установке для выращивания кристаллов способом вытягивания.
(iv) «Горячая зона», обеспечивающая удобную адаптацию при переходе от одного диаметра кристалла к другому диаметру за счет легкой замены небольшого количества относительно небольших и недорогих деталей в «горячей зоне».
(v) Конструкция «горячей зоны», обеспечивающая сокращение трудозатрат операторов. Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения обеспечивает чистоту и легкодоступность печи, вследствие чего сокращаются работы по очистке частей «горячей зоны» и камеры для выращивания кристаллов.
Хотя конкретный вариант осуществления изобретения может иметь непосредственное отношение к одному аспекту, этот вариант изобретения также может быть прямо или косвенно связан с другими аспектами. Подходящие части различных форм осуществления настоящего изобретения можно комбинировать, в том числе подходящие части, относящиеся к различным категориям.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Далее различные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны более подробно со ссылкой на следующие графические материалы (ФИГ.), которые приведены в качестве примеров.
ФИГ.1 иллюстрирует продольное сечение установки для получения кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
ФИГ.1b более детально иллюстрирует «горячую зону» установки, изображенной на ФИГ. 1.
ФИГ.2 иллюстрирует часть установки для получения одиночных кристаллов, демонстрируя конструкцию «горячей зоны» в области газоотводной трубы.
ФИГ.3 иллюстрирует часть установки для получения кристаллов в продольном сечении, демонстрируя направление потока газа в «горячей зоне» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
ФИГ.4 иллюстрирует часть установки для получения кристаллов, демонстрируя направления потоков газа в конструкции «горячей зоны».
ФИГ.5 иллюстрирует часть установки для получения кристаллов с дополнительным путем потока газа в конструкции «горячей зоны».
ФИГ.6 схематически иллюстрирует часть установки для получения кристаллов, включая «горячую зону», и демонстрирует подъем верхней части камеры, входящей в установку, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
ФИГ.7 также иллюстрирует камеру, ее верхнюю часть и структуру «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
ФИГ.8 схематически иллюстрирует часть установки для получения кристаллов, включающую в себя адаптируемую «горячую зону» для получения кристаллов различного диаметра согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
ФИГ.9 иллюстрирует пример логической схемы выбора подходящих частей «горячей зоны» для процесса получения кристаллов.
Рисунки имеют иллюстративный характер и предназначены для демонстрации примеров осуществления настоящего изобретения без ограничения объема изобретения только проиллюстрированными формами осуществления. Размеры объектов, изображенных на рисунках, не обязательно изображены в масштабе. Термины, имеющие отношение к рисункам, такие как «горизонтальный», «вертикальный», «вверх», «вниз», «поднятый» или «опущенный», относятся к взаимным положениям кристалла, тигля и/или вакуумной камеры установки для выращивания кристаллов или их частей, и они использованы только в качестве иллюстративных примеров, чтобы указать взаимные положения или их изменения, без какой-либо связи с направлением силы тяжести и/или ориентацией бумаги, на которой изображены рисунки. Специалисту в данной области техники известно, что хотя в некоторых примерах термины «вверх» и «вниз» использованы в качестве направлений, связанных с ориентацией листа бумаги и/или противоположных или совпадающих с направлением силы тяжести, в реальном устройстве направления «вверх» и «вниз» являются относительными соотношениями между определенными объектами, которые могут смещаться относительно других объектов. Различные варианты осуществления настоящего изобретения также могут быть использованы в подходящих комбинациях.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 схематически иллюстрирует внутреннюю часть камеры для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Системы снабжения и управления, необходимые для подачи электрической энергии, газов, вакуума, магнитных полей, а также для поворота и/или подъема кристалла 4, расплава 5 и/или тигля 6 и т.п., не изображены из соображений упрощения рисунка.
Хотя кристалл на Фиг.1 изображен коаксиально с отверстием конической детали или с осью тигля, кристалл и/или тигель могут иметь и до некоторой степени различные оси вращения. Так, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения кристалл может вращаться вокруг оси, которая явно выходит за пределы оси вращения тигля и/или оси вращения расплава. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения расплав вращается, что обеспечивает вращательное движение расплава относительно кристалла. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения кристалл может вращаться относительно расплава так, что его ось вращения не совпадает с осью тигля. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения кристалл, расплав и/или тигель могут вращаться по отдельности или с различной угловой скоростью относительно друг друга. В другом варианте осуществления настоящего изобретения направления вращения могут быть противоположными. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения угловая скорость вращения расплава может быть почти такой же, как угловая скорость вращения кристалла, но немного отличаться от нее, за счет чего на поверхности раздела происходит очень медленное относительное смещение, которое используется для кристаллизации материала. Специалист в данной области техники представит себе на основании этих вариантов осуществления настоящего изобретения различные способы сочетания вращательных движений расплава, тигля и кристалла, которые не выходят за пределы объема этих форм осуществления настоящего изобретения.
Согласно данному варианту осуществления настоящего изобретения камера 1 имеет верхнюю часть 1а, где термин «верхняя» относится лишь к направлению, указанному на рисунке. Камера также имеет нижнюю часть 1с, но не обязательно имеет отдельную среднюю часть 1b. На поперечном сечении, изображенном на Фиг.1, левая и правая стенки камеры 1 снабжены фланцами, которые обозначают устройства, позволяющие открыть камеру, которая во время эксплуатации имеет внутреннюю атмосферу, близкую к вакууму, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, а согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения в ней поддерживается достаточно высокое избыточное давление. Камера согласно любой форме осуществления настоящего изобретения может также содержать больше частей, чем показано на Фиг.1.
Поперечное сечение вакуумной камеры на Фиг.1 имеет прямоугольную форму, однако она так изображена исключительно из соображений простоты, а не с целью ограничения формы камеры для выращивания кристаллов. Так, углы поперечного сечения цилиндрической или трубчатой формы могут быть модифицированы без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения нижняя часть 1с и/или верхняя часть 1а могут приближаться к форме сегмента сферы или иметь другую криволинейную форму. В такой форме осуществления настоящего изобретения кривизну нижней и/или верхней частей можно использовать, например, для направления потока теплового излучения обратно к внутренним частям печи, т.е. к «горячей зоне». Средняя часть 1b не обязательно должна быть цилиндрической, как в форме осуществления изобретения, изображенной в качестве примера; возможны и другие формы - например, формы типа бочонка. На Фиг.1 каждая из верхней части 1а и нижней части 1с включает в себя трубчатый отсек. Однако эти части могут также иметь конструкции без трубчатых отсеков.
На Фиг.1 центральные линии кристалла и тигля изображены так, как будто это одна линия. Это стандартная промышленная практика, однако возможен значительный сдвиг относительных положений кристалла и тигля. Центр отверстия в нижнем крае конического элемента (детали 30, 31 и 32) также может быть сдвинут относительно центральной линии тигля.
Фиг.1 демонстрирует также, что теплоизоляция охватывает всю «горячую зону», за исключением отверстия, расположенного над расплавом вблизи центральной линии «горячей зоны», через которое вытягивается кристалл 4. Отверстие можно адаптировать до размера, соответствующего размеру кристалла 4, с помощью конической детали, которая достаточно близко соответствует размеру кристалла, хотя между кристаллом 4 и конической деталью имеется зазор. На рисунке не показаны отверстия в изоляции для нагревательных электродов, продувки газа и т.п., без которых нельзя обойтись. Этих отверстий делают как можно меньше и их делают как можно более узкими с целью снижения тепловых потерь через эти отверстия, однако одновременно они должны быть достаточно широкими для того, чтобы обеспечивать прохождение необходимого электрического тока, являться механической опорой для нагревателей и иметь необходимое поперечное сечение для удаления продувочного газа. Могут также быть предусмотрены маленькие дополнительные отверстия, например - для измерения температуры, механических манипуляций с некоторыми деталями и т.п. Основной нагреватель обозначен цифрой 11, а дополнительный нижний нагреватель - цифрой 12. В качестве основного нагревателя может быть использован электрический нагреватель, действие которого основано на наличии импеданса у нагревательного элемента и связанной с этим способности преобразовывать электричество в тепло. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения импеданс нагревательного элемента практически представлен чистым резистивным компонентом, и за счет этого выделяется тепло. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения нагреватель имеет значительный индуктивный компонент, вносящий вклад в общий импеданс. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения можно использовать несколько нагревательных элементов для получения большей тепловой мощности или для гибкого и/или более точного регулирования распределения температуры.
Тепловая мощность также может выделяться в других местах «горячей зоны». Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения для нагревания шихты и/или расплава 5 может быть использован нижний нагреватель 12. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения может быть использован также поверхностный нагреватель (не показан на рисунке), расположенный в области поверхности расплава и предназначенный для нагревания расплава и/или нижнего конца выращиваемого кристалла.
Конструкционные элементы «горячей зоны» обычно имеют значительно более высокую теплопроводность, чем изолирующие элементы. Конструкционные элементы согласно настоящему изобретению сконструированы таким образом (параграфы (1)-(3)), что:
(1) они расположены внутри изоляции «горячей зоны», то есть они имеют высокую температуру (вблизи температуры плавления материала, из которого выращивают кристалл); или
(2) они расположены снаружи от изоляции горячей зоны, и их температура на несколько сотен °С ниже указанной температуры плавления; или
(3) немногочисленные детали, расположенные с обеих сторон изоляции, например - стержень тигля 13а на Фиг.1, сконструированы таким образом, что результирующие тепловые потери малы.
Площадь поперечного сечения деталей, относящихся к категории (3), мала по сравнению с расстоянием, которое должно пройти тепло через изоляцию - от внутренней части «горячей зоны» до внешней.
Также имеется ряд других конструкционных элементов «горячей зоны», которые должны проходить от горячей стороны до холодной стороны, но они не показаны в примере, изображенном на Фиг.1. Лишь одно соединение между горячей и холодной сторонами заслуживает дополнительного комментария. Это нижний конец теплозащитного экрана, расположенного над расплавом, как показано в примере, изображенном на Фиг 1b. Внутренний экран 32 и наружный экран 30 конического элемента разделены тонким зазором 50, толщина которого предпочтительно равна 0,2-2 мм, для снижения потока тепла от горячего наружного экрана 30 к значительно более холодному внутреннему экрану 32. Кроме того, ширину контакта в зазоре, где нет теплоизоляции, поддерживают малой, предпочтительно равной 2-8 мм. Внутренний экран 32 может свешиваться сверху согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, так что этот маленький зазор остается открытым со всех сторон. Внутренний экран 32 также может опираться снизу на экран 30 в нескольких предварительно определенных участках небольшой площади. Также между экранами 30 и 32 может быть размещен не образующий пыли теплоизолятор; в этом случае расстояние между экранами может быть несколько больше, чем указано выше, а именно - от 1 до 20 мм, и ширина контакта также может быть больше, чем указано выше. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения внутренний экран 32 изготовлен из графита, однако согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения использованы другие материалы, например - молибден. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения не образующая пыли теплоизоляция может быть устроена так, что ее можно заменять в соответствии с деталями «горячей зоны, подходящими для различных кристаллов.
Фиг.1 демонстрирует также вал, стержень, проволоку или трос из металла, выдерживающего высокие температуры, или из другого подходящего тугоплавкого материала 80 и тянущий механизм 81 для вытягивания кристалла из расплава. Механизм 81 в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит устройство, предназначенное для вращения кристалла. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения вращение является равномерным и не изменяется с течением времени, или эти изменения очень малы. В другом варианте осуществления настоящего изобретения скорость вращения кристалла совершает колебания во времени. В следующем варианте осуществления настоящего изобретения направление вращения кристалла противоположно направлению вращения тигля. В другом варианте осуществления настоящего изобретения эти направления одинаковы.
Результаты использования конструкции, схематически изображенной на Фиг.1, демонстрируют заметное снижение потребляемой мощности за весь технологический цикл и во время различных стадий процесса - от плавления до конечного получения конического кремниевого кристалла. Потребление электрической энергии снижено более чем на 50% по сравнению с такой конструкцией «горячей зоны», в которой не уделено особого внимания эффективной теплоизоляции нижней части «горячей зоны», а детали, расположенные над расплавом, не содержат должным образом изолированного теплозащитного экрана. В качестве примера можно указать, что типичная потребляемая мощность 16-дюймовой (16′′) «горячей зоны» (значение 16′′ обозначает номинальный диаметр тигля из диоксида кремния, используемого в «горячей зоне», то есть примерно 400 мм) составляет примерно 0-80 кВт во время формирования тела кристалла, тогда как она составляет всего примерно 50-55 кВт в «горячей зоне» диаметром 20-22′′ (диаметр тигля - примерно 500-550 мм) с непрерывной изоляцией, изображенной на Фиг.1. Прогнозируемые тепловые потери при 20-22-дюймовой «горячей зоне» могут составить 110-120 кВт при том же уровне изоляции, что и в «горячей зоне» старого типа диаметром 16′′.
Влияние эффективной изоляции становится еще более очевидным, если рассмотреть в качестве примеров отверстия, необходимые для удаления продувочного газа и для размещения нагревательных электродов. В 16-дюймовой «горячей зоне» меньшего размера имеется всего два электрода основного нагревателя и два выпускных отверстия для продувочного газа. 20-22-дюймовая «горячая зона» большего размера содержит четыре электрода основного нагревателя и два электрода дополнительного нижнего нагревателя, то есть всего шесть электродов, и четыре выпускных отверстия для продувочного газа. С каждым электродом и каждым отверстием связаны значительные тепловые потери, причем эти тепловые потери можно минимизировать, но невозможно полностью исключить. Несмотря на гораздо большее число отверстий, которые трудно исключить, общие тепловые потери значительно меньше, чем в случае «горячей зоны» меньшего размера. Изолирующий материал 21 можно защитить и поддержать экранирующим элементом 20, который имеет форму трубы, и эта деталь 20 расположена вокруг нагревателя 11. Указанные значения являются примерами, и очевидные варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены только приведенными значениями.
Хорошей количественной мерой являются тепловые потери через всю площадь поверхности горячей зоны согласно форме осуществления настоящего изобретения. Для того чтобы эту оценку можно было легко использовать, мы рассчитывали площадь поверхности как поверхность простого цилиндра, который имеет радиус, равный наибольшему расстоянию, на котором изолирующий материал находится от центральной линии «горячей зоны». Высота цилиндра равна наибольшему расстоянию по вертикали от дна «горячей зоны» до ее наивысшей точки. Мы исключили возможные расширения, не важные с точки зрения тепловых процессов. Новая «горячая зона» дала 12 кВт/м2, тогда как старая «горячая зона» требует примерно 30 кВт/м2; эти значения являются типичными значениями во время выращивания тела кристалла.
Другим преимуществом эффективной изоляции является то, что распределение температуры внутри «горячей зоны» является весьма однородным. Это увеличивает сроки службы термостойких конструкционных элементов, поскольку максимальные температуры, которые они испытывают, лишь немного выше температуры плавления кремния, а разности температур почти во всех конструкционных элементах малы, что снижает термические напряжения. Кроме того, коррозионное действие моноксида кремния, выделяемого расплавленным кремнием, осуществляется более равномерно на подвергающихся воздействию поверхностях, вследствие чего их свойства изменяются медленнее и менее локально. Максимальные температуры, которых достигает тигель из диоксида кремния, также ниже, что увеличивает длительность полезного технологического времени, прежде чем возникнет риск такого износа тигля, который может снизить выход кристаллов.
Кроме того, поскольку разности температур в расплаве, соответственно, относительно малы, то потоки расплава также замедляются и становятся более стабильными. За счет этого снижается потребность в дополнительном магнитном поле, а в случае, если магнитное поле все же используется, уровни магнитного поля могут быть относительно низкими. Таким образом, изоляция может влиять на потребность в напряженности магнитного поля во время фазы процесса роста кристалла.
Фиг.1 демонстрирует пример ситуации, в которой было начато вытягивание с целью получения верхней части кристалла. Кристалл 4 содержит верхнюю часть, которая выглядит как плечико, и тело. Хотя на Фиг.1 не показан конический конец кристалла, все же кристалл согласно настоящему изобретению может получить его на следующих стадиях процесса. Кристалл 4 был получен посредством вытягивания с использованием затравочного кристалла 3, прикрепленного к тянущему механизму 81, который не изображен в деталях на Фиг.1, хотя такой механизм может содержать гибкий металлический трос 80, или стержень, или вал, предназначенный для вытягивания, и/или механизм, при необходимости поворачивающий кристалл с предварительно определенным профилем скорости, зависящим от фазы роста. Кристалл 4 может иметь шейку 3b, идущую к затравочному кристаллу 3, который определяет кристаллическую структуру и/или ориентацию вытягиваемого кристалла. Такую тонкую шейку обычно используют для того, чтобы в кристалле не было дефектов кристаллической структуры, согласно форме осуществления, известной под названием техники Дэша.
На Фиг.1 изображен расплав 5, находящийся внутри тигля 6. Тигель 6 в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения может быть изготовлен из диоксида кремния, однако в другом варианте осуществления для конкретной шихты, которую необходимо расплавить, может быть использован тигель из другого материала. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения тигель может быть устроен так, что он подлежит замене каждый раз после того, как температура печи снижается до значений, близких к комнатной температуре, по сравнению с температурой плавления выращиваемого кристалла. Тигель может иметь поверхностное покрытие, содержащее нитриды, тугоплавкие металлы, углерод, кремний и/или карбиды. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения часть поверхности или вся поверхность тигля может быть легирована соединением бария или другим подходящими химическими элементами, которые усиливают расстекловывание поверхности аморфного диоксида кремния.
На Фиг.1 продемонстрировано также, что тигель 6 окружен приемником тигля 10. Хотя приемник изображен на Фиг.1 в виде единой детали согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, он может состоять и из нескольких частей, устроенных так, что они окружают тигель. Приемник может быть устроен так, что он проводит тепло от нагревателей 11 и/или 12 и/или равномерно распределяет тепло по наружной стенке тигля. Нагреватели окружают расплав симметрично в виде цилиндра, хотя более точная структура нагревателей не показана на Фиг.1. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения примерно цилиндрическая симметрия одного или нескольких нагревателей относительно расплава и/или кристалла отсутствует.
Хотя Фиг.1 изображает вариант осуществления настоящего изобретения, в котором нагревательный элемент 11 реализован в виде одного элемента, окружающего тигель, в другом варианте осуществления настоящего изобретения нагревательный элемент (или элементы) может состоять из нескольких деталей, расположенных вокруг тигля. Кроме того, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения нагревание расплава может быть произведено с использованием нагревателя, который имеет форму структуры, напоминающей электрическую катушку. Электрический ток, подаваемый к нагревателю, может иметь определенные частотные и фазовые характеристики, обеспечивающие определенное распределение магнитного поля в расплаве.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения кроме основного нагревателя 11 дополнительно может быть использован нижний нагреватель 12. Нижний нагреватель можно использовать во время плавления шихты. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения нижний нагреватель можно использовать и во время выращивания тела кристалла. Его использование может быть предусмотрено в определенной фазе или в течение всего процесса получения кристалла посредством вытягивания, в зависимости от теплового режима, желательного в расплаве или в других участках «горячей зоны», и/или в зависимости от необходимости регулирования потоков расплава во время вытягивания кристалла.
На Фиг.1 изображен стержень тигля 13а, его наружная изоляция 13b и внутренняя изоляция 13с стержня тигля. Эти детали предназначены для поддержки тигля, а также для подъема тигля и/или для поддержания вращения тигля в ходе технологического процесса. Изоляция согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения используется для сохранения тепла в нижних частях «горячей зоны» и для предотвращения и/или минимизации тепловых потерь через элементы стержня. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения изоляционный материал 13с может отсутствовать, или он может иметь форму полой трубы. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения полый стержень тигля может быть также использован в качестве канала для поступления дополнительного потока продувочного газа. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения канал может быть использован для проведения других газов и/или в качестве канала для электрических проводов.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения изображенному на Фиг.1, для улучшения теплового баланса могут быть использованы теплозащитный экран 20 и теплоизолятор 21, удерживающие тепло внутри тигля и расплава. Поперечное сечение, изображенное на Фиг.1, демонстрирует цилиндрическую геометрию в варианте осуществления настоящего изобретения, который включает теплозащитный экран 20. Однако возможен и ряд других вариантов.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения экран 20, теплоизолятор 21, пластина 33а, 33b, 33с и конический элемент изготовлены в виде раздельных деталей, однако изоляторы 21, 31 и 33b образуют непрерывную или практически непрерывную теплоизоляцию. Возможен ряд других реализации, и количество деталей может быть больше или меньше, чем показано на Фиг.1.
Конический элемент содержит наружную часть 30, находящуюся над расплавом. Конический элемент также содержит изоляцию 31 для обеспечения теплоизоляции зоны расплава от зоны растущего кристалла и для снижения тепловых потерь из внутренней части «горячей зоны». Конический элемент также содержит внутреннюю часть 32, которая направляет поток продувочного газа вдоль растущего кристалла вниз, по направлению к расплаву. Одна из функций детали 30 состоит в том, чтобы предотвратить достижение поверхности расплава любыми частицами, выделяемыми изолирующей деталью 31, и защитить изолирующую деталь 31 от коррозионных газов, испаряющихся из расплава. Как показано на Фиг.1, конический элемент имеет коническую форму и состоит из внутренней и/или наружной частей, а также из изоляции, расположенной между ними согласно настоящему изобретению, однако согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения теплоизоляция лишь частично заполняет пространство между внутренней и наружной частями, при этом между изолирующей деталью и внутренней и/или наружной частями остается пустое пространство. В следующем варианте осуществления настоящего изобретения изоляция состоит из двух или нескольких раздельных деталей. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения каждый из внутреннего и/или наружного конусов состоит из двух или нескольких частей. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения внутренняя и наружная части соединены между собой с помощью выдерживающего высокую температуру конструкционного материала, который проходит через теплоизоляцию, но так, что тепловые потери через эту структуру малы. Соединение с помощью теплоизоляции обеспечивает возможность обращения с коническим элементом как с единой деталью, но согласно альтернативному варианту осуществления изобретения детали являются раздельными, и с внутренним и наружным экранами и теплоизоляцией обращаются по отдельности. В следующем варианте осуществления настоящего изобретения наружный диаметр пластины 33а, 33b, 33с меньше внутреннего диаметра теплозащитного экрана 20, и имеются дополнительные детали, соединяющие изолирующую деталь 33b с цилиндрической изолирующей деталью 21. В тех пределах, в которых конический элемент расположен внутри радиуса тигля, он изображен на Фиг.1 в виде конуса. Однако возможно и большое количество других конструкций. Например, альтернативная форма изображена на Фиг.8. Рисунки предусматривают вращательно-симметричную конструкцию, которая часто обладает преимуществами с производственной точки зрения, но возможны и значительные отклонения от вращательной симметрии. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения в коническом элементе имеется лишь тройная симметрия (120°), и возможны симметрии 4-го, 5-го и 6-го порядков. В другом варианте осуществления настоящего изобретения эффективный диаметр отверстия, через которое вытягивается кристалл, может быть изменен во время роста кристалла с использованием нескольких деталей подходящей формы, которые могут содержать теплоизоляцию, и эти детали окружают кристалл вращательно-несимметричным образом.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения нижний конец «горячей зоны» содержит также нижнюю часть 40 и изоляцию 41, которая образует непрерывную теплоизоляцию совместно с теплоизолятором 21. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения изоляция содержит отверстия, проходящие через изоляцию и предназначенные для входов, которые необходимы для подачи электрического тока к нагревателю, и/или для потенциальных проходов для отведения потока газа. Эти отверстия не показаны на Фиг.1. Нижняя часть камеры содержит отверстие для механизма, поднимающего тигель, и в нижней изоляции 41 имеется соответствующее отверстие. Стержень тигля 13а может быть изготовлен из материала с низкой теплопроводностью, или для снижения тепловых потерь через стержень и соответствующее отверстие в изолирующей детали 41 может быть использована теплоизоляция 13b и/или 13с.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения используется только основной нагреватель, однако согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения «горячая зона» содержит нижний нагреватель, используемый в качестве дополнения к основному нагревателю. Согласно настоящему изобретению нижний нагреватель используется во время плавления шихты и/или во время вытягивания кристалла.
Магниты, которые могут быть использованы во время вытягивания кристалла, не показаны на Фиг.1.
На Фиг.2 изображен вариант осуществления настоящего изобретения, позволяющий уменьшить тепловые потери через выпускное отверстие для удаления продувочного газа. Выпускная труба на Фиг.2 изображена схематично в виде вертикального цилиндра. Однако внутреннее отверстие трубы 42 также может быть сконструировано как коническое, или его поперечное сечение может ступенчато изменяться, и т.п. Поперечное сечение предпочтительно является круговым, но может иметь и другую простую форму. Если форма поперечного сечения отличается от круговой, то эффективный диаметр отверстия может быть определен как диаметр круга с площадью, равной площади поперечного сечения отверстия трубы 42. Толщина стенок трубы 42 предпочтительно меньше 8 мм, а если она не испытывает значительной механической нагрузки, то она не больше примерно 3-5 мм. Эффективный внутренний диаметр трубы предпочтительно меньше 60 мм в самом узком месте, а изолятор 41 по крайней мере в 1,5 раза толще эффективного внутреннего диаметра. Труба 7, расположенная за пределами изоляции 41, может иметь внутренний диаметр, примерно равный или превышающий внутренний диаметр трубы 42.
Выведение продувочного газа из внутренней части «горячей зоны» в положении, изображенном на Фиг.2, имеет два преимущества. Потребность в дополнительном пространстве, вызванная толстой изоляцией 41 в положении, изображенном на Фиг.2, или вблизи этого положения, лишь немного увеличивает стоимость аппаратуры установки для выращивания кристаллов, более конкретно - стоимость вакуумных камер. Если выпускное отверстие расположено в верхней части «горячей зоны» по существу радиально, то трудно избежать потребности в камере большего диаметра со значительной добавленной стоимостью. Вторым преимуществом является то, что вакуумные трубы, отводящие продувочный газ к вакуумному насосу, могут в этом случае быть расположены под вакуумной камерой, вне рабочей зоны оператора, что упрощает конструкцию и нормальную эксплуатацию установки для выращивания кристаллов. Кроме того, положение выпускной трубы под вакуумной камерой обеспечивает простую конструкцию и простое использование тяжелого электромагнита, расположенного вокруг вакуумной камеры, а такие магниты часто используются при выращивании кристаллов кремния с использованием способа Чохральского.
Поскольку продувочный газ отсасывается из внутреннего пространства «горячей зоны» через отверстия в трубах 42, внутри «горячей зоны» давление всегда немного ниже, чем в других частях внутреннего пространства основной вакуумной камеры. Поэтому очень небольшое количество моноксида кремния выходит за пределы «горячей зоны», и оно выходит только по назначенному пути, поэтому наружные поверхности «горячей зоны» и внутренние поверхности вакуумной камеры остаются чистыми в течение длительных периодов рабочего времени. Это обеспечивает несколько преимуществ. Значительно снижается объем работы оператора, поскольку внутренние части вакуумных камер не нужно очищать перед каждым запуском. Возможны интервалы до 10 или 20 запусков, даже для тех поверхностей, которые быстрее всего загрязняются. Во-вторых, изоляторы, которые наиболее чувствительны к коррозионному действию моноксида кремния, чем более твердые материалы типа графита, приобретают очень длительный срок службы. Мы продемонстрировали, что в конструкции, схематически изображенной на Фиг.1-2, почти весь изоляционный материал можно использовать по крайней мере в течение года при почти непрерывной эксплуатации.
Кроме того, оптические приборы, такие как камера для измерения диаметра или пирометры для измерения температуры, не испытывают изменений, вызываемых грязью, оседающей на смотровых отверстиях. Все это оказывает значительное влияние на производительность и некоторое влияние на выход процесса. Конструкция также обладает преимуществами при выращивании высоколегированных кристаллов кремния, если в качестве легирующих добавок используют Sb, As или Р, хотя легирующие добавки не ограничены только указанными добавками. Испарение этих добавок, часто - в форме оксидов, сходным образом вызывает появление грязи и частиц на поверхностях, но эта тенденция значительно ослабевает при использовании конструкции «горячей зоны» согласно данному варианту осуществления изобретения.
Фиг.3 схематически изображает, как обеспечивается боковой поток IIb продувочного газа II через изоляцию из основной вакуумной камеры выше уровня расплава по направлению к выпускной трубе для продувочного газа таким образом, что боковой поток IIb никогда не подходит близко к расплаву. Путь 34 через изоляцию 33b выполнен в виде относительно длинного и узкого канала для предотвращения чрезмерных тепловых потерь через канал. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения могут быть предусмотрены устройства для регулирования потока посредством частичного перекрытия канала. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в структуру «горячей зоны» входит пластина 33а, 33b, 33с с отверстием, однако в другом варианте осуществления настоящего изобретения предусмотрено несколько отверстий, организованных так, что они обеспечивают регулируемое разделение потока II на два субпотока. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения диск 33а может иметь структуру в виде коаксиальной стопки из двух дисков, которые могут поворачиваться, с отверстиями, соответствующими положению канала 34, так что поворот или вращение детали в форме стопки изменяет площадь отверстий и, за счет этого, поток. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения путь 34 является коротким каналом. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения канал 34 содержит гранулярную, пористую, волокнистую или другую сходную структуру, изготовленную из теплоизолирующего материала, который не препятствует протеканию текучей среды. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения этот материал является графитовым войлоком.
Существует несколько причин для использования этого бокового потока IIb. Поскольку конический или трубчатый теплозащитный экран, состоящий из деталей 30, 31 и 32, обеспечивает прохождение потока продувочного газа IIa в непосредственной близости от расплава, то продувочный газ IIa весьма эффективно уносит летучий моноксид кремния от расплава. Часто бывает необходимо получить кристаллический кремний с большей концентрацией кислорода, чем может обеспечить эта эффективная продувка газом, содержащим кислород. Уровень кислорода в кристалле можно повысить за счет снижения скорости и/или массового расхода продувочного газа IIa над расплавом. Однако, если общий поток газа II снижается слишком сильно, часть моноксида кремния может направиться в неправильном направлении - вверх по течению, где часть его вступит в реакцию с образованием моноксида углерода, а частично он сконденсируется с образованием частиц. Моноксид углерода и частицы очень вредны для роста кристалла, и поэтому общий поток аргона II должен быть достаточно большим для того, чтобы поддерживать низкий уровень загрязнений и высокий выход кристаллов. Боковой поток помогает увеличить общий поток газа до такого уровня, при котором поток достаточно мал для того, чтобы поддерживать на низком уровне сопутствующие расходы, но одновременно достаточно велик для того, чтобы поддерживать низкий уровень нежелательных загрязнений.
Второй причиной использования бокового потока IIb является то, что уровень кислорода в кристалле имеет тенденцию к снижению по направлению к концу кристалла. Поэтому поток продувочного газа необходимо уменьшать по мере уменьшения количества расплава в тигле. Поскольку уровень расплава должен оставаться примерно постоянным относительно почти всех частей «горячей зоны», тигель во время выращивания кристалла поднимают на значительную высоту. Та часть продувочного газа IIa, которая протекает вокруг кристалла и над расплавом, при этом проходит более длинный путь в довольно узком пространстве между тиглем 6 и теплоизолирующим экраном 30. Поэтому, когда тигель поднимается выше, поток II перераспределяется естественным образом так, что меньшая часть общего потока проходит над расплавом, испаряя кислород, а большая часть проходит через боковой канал 34, не участвуя в испарении кислорода.
Третья мотивация для использования бокового потока IIb связана с загрязнением, происходящим от внешних частей «горячей зоны», расположенных выше уровня расплава, и от внутренних стенок основной вакуумной камеры. Несмотря на эффективную изоляцию существуют определенные утечки тепла к наружным поверхностям «горячей зоны», которые вследствие этого имеют значительно более высокую температуру, чем охлаждаемые водой стенки вакуумной камеры. Это приводит к естественной конвекции 63 в пространстве, расположенном выше «горячей зоны». Этот естественный конвекционный поток вращается, преимущественно в направлении, показанном на Фиг.3, и он имеет тенденцию приносить загрязнения в поток продувочного газа II, который преимущественно направлен вниз. Без бокового потока IIb значительная часть этих загрязнений, переносимых тепловым конвекционным потоком 63, будет опускаться к поверхности расплава с потоком продувочного газа IIa. Боковой поток IIb действует как защитная оболочка и эффективно изолирует тепловой конвекционный поток 63 от той части потока IIa, которая обдувает расплав. Загрязнения, переносимые естественным конвекционным потоком 63, затем переносятся прямо к выпускному отверстию без контакта с расплавом кремния. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения боковые потоки подаются в камеру раздельно, хотя на Фиг.3 изображена их подача через одно отверстие. Это можно использовать для минимизации любых возможностей потенциального перекрестного переноса загрязнений из одного канала в другой. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения для лучшего отделения потоков IIa и IIb друг от друга можно использовать специальное направляющее устройство. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения направляющее устройство представляет собой коническую или трубчатую структуру, монтируемую на коническом элементе или на пластине 33а, 33b, 33с. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения направляющее устройство может быть прикреплено к вакуумной камере без механического контакта с «горячей зоной». Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения направляющее устройство может быть снабжено циркуляцией охлаждающей жидкости внутри направляющего устройства, то есть действовать в качестве охлаждающего элемента, предназначенного для повышения скорости охлаждения кристалла, а также служить ловушкой для потенциального загрязнения, содержащегося в конвекционном потоке 63.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения поток имеет компонент, который направлен в печь, но организован так, что он является потоком, обходящим «горячую зону». Такой поток можно использовать для защиты стенок вакуумной камеры, окон и других поверхностей, расположенных снаружи от теплоизоляции «горячей зоны», от веществ, происходящих из расплава.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения Фиг.4 изображает дополнительную трубу 22 (не показанную на Фиг.1), являющуюся экранирующим элементом, расположенным вокруг нагревателя, задачей которого является защита нагревателя 11 и приемника 10 от контакта с коррозионным моноксидом кремния. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения поток газа забирают вблизи от наружной периферии «горячей зоны» значительно выше нагревателя, и моноксид кремния, содержащийся в потоке III, не вступает или почти не вступает в контакт с нагревателем или наружным краем тигля 10. Одновременно обеспечивается защита всех нижних частей «горячей зоны». Для защиты тигля важно, чтобы пространство между тиглем и трубой 22, проводящей газ, оставалось узким в течение всего процесса выращивания кристалла от начала шейки до конца хвоста, то есть даже когда верхний край тигля поднимается значительно выше основного нагревателя 11. Фиг.4 изображает одну из возможных конструкций, но можно представить себе несколько других конструкций,
Фиг.5 показывает, что во время плавления загруженного поликристаллического кремния 8 тигель должен находиться в гораздо более низком положении относительно конического элемента, чем во время выращивания кристалла. Шихта на Фиг.5 изображена схематически, и поэтому ее уровень над краем тигля необязательно изображен в правильном масштабе. Тем не менее, в этом положении для плавления хорошо видно положение верхнего края нагревателя относительно кремниевой шихты. Если на этой стадии весь поток газа направляется выше нагревателя, то он содержит значительное количество углеродного загрязнения от нагревателя и/или от других поверхностей, расположенных выше нагревателя, которое способно реагировать с наружным краем уже горячей кремниевой шихты. Для того чтобы удалить это загрязнение от кремниевого материала посредством продувки, используется дополнительный поток газа, обозначенный как IIIb.
На Фиг.5 этот поток создается за счет использования дополнительных каналов или отверстий 23, пронизывающих защитную трубу 22. Легко можно представить себе и другие возможные пути этого потока к выпускному отверстию. Поток IIIb смешивается с отработанными газами во второй зоне слияния, изображенной на Фиг.5. Потоки IIa и IIb сливаются в первой зоне слияния, изображенной на Фиг.5.
Этот поток IIIb обеспечивает некоторый дополнительный износ нагревателя, но он образует лишь малую часть общего потока продувочного газа над расплавом, поэтому износ будет медленным. Предпочтительный, но немного более сложный подход состоит в изменении структуры потока в то время, когда материал уже почти полностью или полностью расплавлен, а тигель еще расположен достаточно высоко относительно конического элемента, таким образом, чтобы дополнительная защита потоком IIIb больше не требовалась. Одним из способов реализации этого является обеспечение отдельного пути через теплоизоляцию «горячей зоны» для потока IIIb и использование дополнительного вакуумного клапана, который можно использовать для перекрытия или очень значительного сокращения потока IIIb. В этом случае поток IIIb может быть подан во время ранней фазы процесса выращивания кристалла, важнее всего - во время плавления материала, а большую часть времени в течение производственного цикла поток может быть выключен или резко сокращен. Поскольку период, в течение которого важным является образование кислородсодержащих газов на стадии плавления, является относительно непродолжительной частью общего времени, в течение которого включен нагреватель, то износ, вызванный моноксидом кремния, содержащимся в потоке IIIb, соответственно будет очень малым.
Почти все кристаллы, выращенные с использованием конструкции, изображенной на Фиг.5, имеют низкую концентрацию углерода, которая меньше 0,5 части на миллион, обычно <0,2 части на миллион, в конце тела кристалла, где отвержденная фракция g расплава больше 0,9.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения Фиг.6 схематически изображает, как некоторые части «горячей зоны» поднимаются автоматически вместе с верхней частью вакуумной камеры 1а, одновременно с открытием основной вакуумной камеры 1. Камеру нужно открывать между производственными циклами, поскольку необходимо удалить остаток старого тигля из диоксида кремния вместе с остатком кремния и очистить среду, окружающую графит. Такие варианты осуществления настоящего изобретения сокращают трудозатраты оператора, особенно в случае больших «горячих зон», поскольку для открывания зоны, подлежащей очистке, не требуется осуществлять подъем вручную или использовать специальные инструменты. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает несколько более гибкую конструкцию «горячей зоны», поскольку ее вес и размеры не ограничены способностью оператора к безопасному обращению с ее частями. Подъем может быть выполнен «чисто», без заноса частиц или других загрязнений. Другим преимуществом является то, что детали можно поднимать при более высокой температуре, и сокращается промежуток времени между двумя последовательными циклами выращивания кристаллов. Подъем осуществляется таким образом, что разделяются детали 1а и 1b. Такая конструкция была реализована и успешно использована в печах согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения с «горячими зонами» размером 20′′-22′′, однако ее использование не ограничивается такими печами. На Фиг.6 изображен один из вариантов осуществления настоящего изобретения, в котором конический элемент и пластину 33а, 33b, 33с можно поднять как единую деталь, но изобретение не ограничивается этим вариантом. Конический элемент поднимают с помощью троса, обозначенного как 70b на Фиг.6, с помощью соединительного элемента 70а, прикрепленного к верхней части камеры 1а. Соединительные детали 70b могут также быть съемными, что обеспечивает, например, возможность перемещения верхних частей «горячей зоны» на тележку или другую подходящую опорную структуру за пределами печи. Хотя в данном варианте осуществления настоящего изобретения использован трос, подъем может быть осуществлен с использованием стержня или многими другими способами, которые очевидны специалисту в данной области техники, исходя из вариантов осуществления настоящего изобретения.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения к детали 70а присоединен отдельный подъемный механизм 72. Этот подъемный механизм 72 может приводиться в движение, например - электрически или механически, с внешней стороны вакуумной камеры. Механизм 72 обеспечивает подъем верхних частей «горячей зоны» даже при закрытой вакуумной камере. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения дополнительные тепловые потери, вызванные частичным открытием «горячей зоны», используют для изменения распределения температуры внутри «горячей зоны» во время плавления шихты. В другом варианте осуществления настоящего изобретения дополнительные тепловые потери, вызванные частичным открытием «горячей зоны», используют для ускорения охлаждения печи после завершения выращивания кристалла, что увеличивает производительность.
Фиг.7 изображает более схематично, как могут быть подняты части «горячей зоны». Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения используется подъемное устройство 71, которое может быть практически любым устройством, пригодным для многократного отделения верхней части 1а от части 1b в промежутках между последовательными циклами выращивания кристаллов. Хотя детали, изображенные на Фиг.7, являются лишь деталями 1а и 1b, нижняя деталь 1с не изображена на Фиг.7. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения нижняя деталь 1с и средняя деталь 1b образуют единую деталь, а в другом варианте осуществления настоящего изобретения единую деталь образуют верхняя деталь 1а и средняя деталь 1b.
На Фиг.7 позиции 1°, 2° и 3° показывают подъем верхних частей согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, при этом на рисунке 1° все части совмещены, на рисунке 2° часть 1а поднимается (показано стрелкой) и/или поднята, и на рисунке 3° верхняя часть может быть отведена в сторону (направление движения показано стрелками) от части камеры 1b, так что обнажаются нижние части «горячей зоны». Однако стадия 3° является необязательной, и в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения стадия 3° отсутствует. Также могут быть осуществлены дополнительные перемещения верхней части камеры, необходимые для легкого обращения с частями «горячей зоны», например - опускание части 1а после стадии 3° или после стадии 2°.
На Фиг.8 схематично изображена конструкция, которая позволяет осуществить быструю замену частей «горячей зоны» для выращивания различных видов кристаллов. Так, в зависимости от того, какой кристалл необходимо вырастить, могут быть заменены детали, влияющие на поток газа или на распределение температуры в окружающей кристалл среде. Изменения могут быть произведены менее чем за 30 минут дополнительного времени, по сравнению с нормальным временем, необходимым между двумя последовательными циклами выращивания в том случае, когда не требуется замена деталей.
Наружный теплозащитный экран, расположенный над расплавом, раздвигают до такого диаметра, чтобы внутреннюю часть наружного экрана 30b можно было поднять через внутренний теплозащитный экран 32а после предварительного подъема нижней части внутреннего экрана 32b и изолятора, расположенного под 31b.
Конструкция, изображенная на Фиг.8, является всего лишь одним возможным примером конструкции, и поэтому специалисту в данной области техники очевидна возможность ряда различных модификаций изображенного примера без выхода за пределы объема изобретения. Например, внутренняя деталь 30b на Фиг.8 изображена в виде пластины. Однако конструкция указанной детали может также включать в себя детали конической формы или более сложные по форме структуры. Изоляция 31b может быть вырезана из мягкого и гибкого материала типа графитового войлока, так что ее наружный диаметр может немного превышать диаметр отверстия в верхней части внутреннего теплозащитного экрана. Изоляция 31b или экран 30b могут также состоять из нескольких раздельных частей. Кроме того, подвеска экрана 32b может быть сконструирована иначе, чем обсуждалось ранее.
Опыт показал, что различные варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают хорошую и легкую адаптацию частей «горячей зоны», например, к различным диаметрам кристаллов в разных процессах, за счет чего снижается потребляемая мощность, улучшаются форма кристалла, характеристики потока газа и/или качество кристалла. Эти результаты подтверждены также на моделях потребления энергии, распределения температуры и потока газа.
Детали 32b и/или 32а могут быть изготовлены из конструкционного материала на основе углерода или из другого огнеупорного материала, или они могут быть отражателями, устроенными так, что они, по крайней мере - частично, отражают вверх тепло от кристалла. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения изображенные детали могут иметь субструктуру или составные части, так, например, изолирующий элемент 31b может состоять из двух половин. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения перенос тепла и/или охлаждение части 32, или части 32а, и/или части 32b усиливаются благодаря использованию подходящей жидкости, циркулирующей внутри указанной детали (или деталей), в результате чего усиливается «чистое» охлаждение кристалла за счет излучения. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения циркуляция жидкости может происходить внутри детали (или деталей), сходно с тепловой трубой. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения контур, в котором циркулирует жидкость, соединен с внешней системой охлаждения. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения охлаждаемые детали могут быть отдельными от охлаждаемых деталей 32, изображенных на Фиг.1, или от деталей 32а и 32b, изображенных на Фиг.8, так что поток газа направляется деталями, изображенными на рисунках, а усиленное охлаждение обеспечивается преимущественно за счет использования деталей, не изображенных на рисунках. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения такие дополнительные детали могут быть расположены над частями 32а и/или 32b или, по крайней мере - частично, быть ими окруженными.
Фиг.9 иллюстрирует пример того, как производится выбор подходящих деталей для выращивания кристалла. Вначале выбирают подходящие детали «горячей зоны» (30b, 31b и 32b) в соответствии с геометрией кристалла, более конкретно - с диаметром 52 кристалла, который необходимо вытянуть, и/или с учетом других соображений. Диаметр 51 внутреннего отверстия комплекта должен соответствовать диаметру кристалла 52 (Фиг.8).
Печь для получения одиночного кристалла с использованием способа Чохральского согласно одному из вариантов осуществления изобретения содержит:
- тигель, содержащий расплав;
- нагреватель для нагревания тигля с целью плавления материала, находящегося в тигле, с получением расплава;
- тянущий механизм, предназначенный для вытягивания кристалла из расплава, содержащегося в тигле;
- вакуумную камеру печи для выращивания кристаллов, которая содержит «горячую зону»;
- механизм для подъема верхней части камеры для вытягивания кристалла, позволяющий открывать камеру, а также
- конструкцию «горячей зоны», состоящую из теплопроводящих и теплоизолирующих материалов.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в камере для выращивания кристаллов во время процесса вытягивания поддерживается пониженное давление. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения давление является по существу таким же, как давление окружающей среды в помещении. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения давление является настолько низким, насколько это возможно в промышленных условиях. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения пониженное давление находится между указанных выше предельных значений. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения газы, присутствующие в камере, имеют предварительно определенный состав, который определяет атмосферу во время вытягивания. Однако в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения к атмосфере добавляются газы, выделяющиеся из расплава.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения установка для выращивания кристаллов содержит вспомогательный блок, обеспечивающий подачу необходимых продувочных газов и газов для регулирования состава атмосферы «горячей зоны». Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения такие продувочные устройства могут продувать установку для выращивания кристаллов агентом, содержащим Ar и/или Не, или другим подходящим газом.
Тигель согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения может иметь диаметр менее 20''. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения диаметр тигля из диоксида кремния лежит в диапазоне от примерно 20'' до 32''. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения тигель может быть больше, но предпочтительно - меньше 48''.
Устройство согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения является устройством, предназначенным для получения кристаллов, состоящих из полупроводниковых материалов. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения полупроводниковым материалом являются кремний, германий, другой полупроводниковый материал или их смесь, и этот материал может факультативно или дополнительно содержать различные легирующие примеси, такие как бор, фосфор, сурьма, мышьяк или алюминий. Также могут быть использованы другие вещества IV группы, кроме кремния или германия, в концентрациях от менее чем 1 части на миллион до нескольких процентов.
Кристалл согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения получают с использованием способа согласно настоящему изобретению. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения кристалл является полупроводниковым кристаллом. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения кристалл содержит кремний и/или германий. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения кристалл содержит в качестве легирующей примеси по крайней мере один элемент из III группы элементов. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения кристалл содержит в качестве легирующей примеси по меньшей мере один элемент из V группы элементов. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения кристалл точно или по существу обладает структурой сапфира. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения кристалл обладает структурой цинковой обманки. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения кристалл обладает структурой алмаза. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения кристалл содержит также другие элементы IV группы элементов, кроме кремния и/или германия.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения во время выращивания кристалла используют поток аргона. Поток аргона согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения определен как массовый расход газа со средним значением менее 50 стандартных литров в минуту, однако согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения массовый расход имеет среднее значение менее 35 стандартных литров в минуту в «горячей зоне» размером 20''-22''. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения массовый расход имеет среднее значение менее 25 стандартных литров в минуту. Эти значения являются примерами значений для печи с шихтой в 100 кг, и во время формирования тела кристалла значения могут изменяться. Значения увеличиваются примерно пропорционально размеру «горячей зоны».
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ включает в себя воздействие на расплав магнитным полем, генерируемым так, что магнитная индукция имеет одно значение на границе раздела между расплавом и вытягиваемым кристаллом и другое значение в другой точке расплава. Магнитное поле при необходимости может ускорять движение расплава в тигле или замедлять его за счет соответствующего выбора магнитного поля. Также за счет соответствующего выбора магнитного поля можно регулировать вертикальное движение расплава. Необходимая магнитная индукция поля в некоторых формах осуществления настоящего изобретения может быть значительно снижена за счет теплоизоляции «горячей зоны», что обеспечивает более спокойные и/или регулируемые потоки расплава.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ включает в себя воздействие на расплав магнитным полем, магнитная индукция которого является функцией местоположения. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ включает в себя воздействие на расплав магнитным полем, полученным так, что указанное первое значение меньше 20 мТл, а второе значение в другой точке расплава меньше 50 мТл. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ включает в себя воздействие на расплав магнитным полем таким образом, что магнитное поле является по существу симметричным относительно оси вращения тигля. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ включает в себя вращение расплава с помощью магнитного поля. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ включает в себя воздействие на расплав магнитным полем, значительно отклоняющимся от цилиндрической симметрии. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения магнитное поле имеет значительную зависимость от времени.
Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит магнит или несколько магнитов, предназначенных для генерации магнитного поля с индукцией менее 50 мТл в области расплава и менее 20 мТл на поверхности раздела между кристаллом и расплавом и, кроме того, предназначенных для использования по меньшей мере во время части процесса выращивания кристалла. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения магнит предназначен для обеспечения потока расплава с целью снижения флуктуаций температуры в расплаве.
Конструкция «горячей зоны», пригодной для способа получения кристаллов посредством вытягивания по Чохральскому, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает устройство для организации потоков согласно настоящему изобретению. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения конструкция «горячей зоны» включает в себя изоляцию, предназначенную для практически непрерывной теплоизоляции «горячей зоны». Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения наружная поверхность приемника тигля защищена от паров, выделяющихся из расплава. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения поверхность нагревателя защищена от паров, выделяющихся из расплава. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения конструкция «горячей зоны» включает в себя средства для обеспечения защитного потока предварительно нагретого газа, обдувающего все указанные поверхности с целью защиты их от паров, выделяющихся из расплава. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения конструкция «горячей зоны» спроектирована так, чтобы снизить трудозатраты оператора.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения конструкция «горячей зоны» для получения одиночного кристалла с использованием способа Чохральского включает в себя:
- практически непрерывную теплоизоляцию вокруг нагревателя и/или тигля;
- необходимые отверстия в изоляции, предназначенные для кристалла над поверхностью расплава, для нагревательных электродов и для стержня, поддерживающего тигель;
- сквозные отверстия для отводящих линий и линий для продувочного газа.
Расплав может содержать полупроводниковый материал, например - кремний, германий, другой полупроводниковый материал или их смесь. Расплав получают из твердой шихты с использованием нагревателя, который может быть основным нагревателем, но кроме основного нагревателя может быть использован дополнительный нижний нагреватель; этот нижний нагреватель используется во время части периода плавления полупроводникового материала, а также во время вытягивания кристалла.
Материал, который должен быть расплавлен для вытягивания кристалла, может содержать по меньшей мере одну легирующую примесь, выбранную из элементов III или V групп. Могут быть использованы такие легирующие примеси, как, например, одна из следующих примесей: бор, фосфор, сурьма, мышьяк и алюминий. Дополнительно могут быть также включены элементы группы IV.
Нагревание может быть выполнено несколькими способами, что будет очевидно специалисту в данной области техники из вариантов осуществления настоящего изобретения. Нагреватель может содержать по меньшей мере один нагревательный элемент - основной нагреватель, но в другом варианте осуществления настоящего изобретения может быть несколько нагревателей. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения основной нагреватель может быть почти исключительно резистивным нагревателем, но в другом варианте осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один нагревательный элемент содержит значительный индуктивный компонент, который проявляется при подаче высокочастотного переменного тока или напряжения.
Кроме основного нагревателя, также может иметься нижний нагреватель, предназначенный для нагревания тигля и «горячей зоны» снизу. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения нагреватель имеет резистивный элемент, который может питаться постоянным током (DC). Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения элемент питается переменным током (АС) для использования индуктивных свойств нагревательного элемента. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения поверхность расплава подогревается с помощью дополнительного нагревателя для поддержания более равномерной ее температуры и/или для точной регулировки температуры на поверхности раздела расплава и кристалла.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения печь может содержать изоляцию, через которую происходят тепловые потери из внутренней части «горячей зоны» к охлаждаемым водой поверхностям установки для вытягивания кристаллов, которые составляют менее 20 кВт/м2 при усреднении по всей площади поверхности «горячей зоны». Такая изоляция обычно обеспечивает потери энергии менее 15 кВт/м2, предпочтительно - менее 12 кВт/м2, и еще более предпочтительно - менее 10 кВт/м2. Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит графитовый войлок, используемый в качестве основного теплоизолирующего материала в «горячей зоне». Изоляция может быть мягкой и/или жесткой в соответствующих частях. Изоляция может содержать части, которые используются всего один раз, но предпочтительно детали можно использовать для вытягивания нескольких кристаллов или партий кристаллов. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения в изоляции «горячей зоны» используется аэрогель или сходная высокопористая структура.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения расплав частично закрыт теплоизолирующим элементом. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения покровный элемент содержит несколько частей, устроенных так, что площадь закрытой поверхности можно регулировать, даже во время выращивания кристалла. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения расплав во время вытягивания кристалла нагревается поверхностным нагревателем. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения покровный элемент содержит нагреватель.
Во время вытягивания важно, чтобы объемная скорость продувочного газа в соответствующих зонах печи была не слишком большой, но достаточной для сохранения и/или обеспечения надлежащего состава газов внутри печи в условиях, близких к вакууму, во время вытягивания. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения потоки можно обеспечить за счет использования устройства для организации потоков в печи для получения одиночных кристаллов с использованием способа Чохральского. Такая печь может содержать:
(i) камеру для вытягивания кристалла в печи для выращивания кристаллов, которая включает в себя «горячую зону»; «горячая зона», среди прочего, содержит:
(i1) тигель для размещения в нем расплавленного полупроводникового материала; и
(i2) нагреватель для нагревания тигля до температуры, при которой плавится полупроводниковый материал, содержащийся в тигле;
(ii) тянущее устройство, расположенное над тиглем, для вытягивания полупроводникового кристалла из тигля.
Кроме того, такое устройство для организации потоков может дополнительно включать:
- одно или несколько впускных отверстий для подачи инертного газа в верхнюю часть камеры для вытягивания кристалла;
- одно или несколько выпускных отверстий для удаления газа из нижней части камеры для вытягивания кристалла;
- пути для потоков инертного газа, включающие в себя:
- канал для потока инертного газа от верхней части камеры к «горячей зоне»;
- канал для потока инертного газа, разделенный по меньшей мере на первый проток и второй каналы на входе в «горячую зону».
Способ Чохральского согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя проведение потока инертного газа от верхней части камеры для вытягивания кристалла в «горячую зону» по двум различным путям - по первому пути и по второму пути, причем первый путь направлен к расплаву вдоль поверхности вытягиваемого кристалла, а второй путь обходит область расплава.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство для организации потоков включает в себя указанный первый путь, устроенный в форме канала вокруг кристалла, ограниченного трубчатой или конической деталью, и поэтому поток организован так, что он поступает к поверхностной зоне расплава. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство для организации потоков включает в себя второй путь, который имеет форму канала, проходящего через по меньшей мере одно или несколько сквозных отверстий, проходящих через верхний колпак «горячей зоны», поддерживающий трубчатую или коническую деталь над расплавом, но он устроен так, что поток не проходит вблизи поверхности расплава или через пространство над поверхностью расплава внутри тигля.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения поток продувочного газа организован так, что часть первого потока газа и весь второй поток газа в дальнейшем смешиваются и направляются в верхнюю часть канала между двумя трубчатыми деталями, расположенными по окружности с большим радиусом, чем основной нагреватель, за пределами пространства, в котором расположены нагреватель и приемник тигля, причем часть первого потока обдувает приемник тигля и нагреватель и в нижнем конце канала достигает того же канала, проходящего через одно или несколько отверстий во внутренней части.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в способе выращивания кристаллов в кристалле кремния поддерживается концентрация углерода значительно меньше 0,5 части на миллион в конце тела кристалла, а предпочтительно - меньше 0,2 части на миллион, и еще более предпочтительно - меньше 0,1 части на миллион.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство, предназначенное для получения одиночного полупроводникового кристалла с использованием способа Чохральского, предусматривает организацию потоков. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения вытягиваемый кристалл может иметь тело кремниевого кристалла, имеющее диаметр в диапазоне от 150 до 220 мм. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство включает в себя средства для поддержания в кристалле концентрации кислорода, равной 15±1 частей на миллион по результатам измерения в соответствии со стандартом ASTM F 121-83. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанная концентрация кислорода в кристалле меньше 15 частей на миллион в пределах окна, соответствующего ±1 части на миллион, при измерении на или вблизи центральной линии кристалла вдоль длины кристалла, по меньшей мере - на 90% длины тела кристалла.
Устройство согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя средства для мониторинга и/или подачи во время выращивания тела кремниевого кристалла газообразного аргона со средним массовым расходом менее 80 стандартных литров в минуту в случае кристалла, концентрация кислорода в котором равна 15 частям на миллион, тогда как согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения это значение меньше 60 стандартных литров в минуту, а в еще одном варианте осуществления настоящего изобретения оно меньше 40 стандартных литров в минуту. Потоки аргона не связаны со значением концентрации кислорода, приведенным в качестве примера. Указанные значения потоков являются средними значениями, определенными в пределах первых 30% длины тела кристалла согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Система организации потоков в способе вытягивания кристаллов по Чохральскому согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя канал вокруг кристалла, ограниченный трубчатой или конической деталью, причем этот канал открывается в зоне, примыкающей к поверхности расплава, и второй канал, проходящий через одно или несколько сквозных отверстий, проходящих через верхний колпак «горячей зоны», поддерживающий трубчатую или коническую деталь над расплавом, причем канал второго пути обходит поверхность расплава или открытое пространство над поверхностью расплава. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения система организации потоков включает в себя направление потоков газа по указанным первому и второму путям, и потоки направляются в верхнюю часть выпускного канала между двумя трубчатыми деталями, расположенными по окружности большего радиуса, за пределами пространства, в котором расположены нагреватель и тигель, где потоки смешиваются. Для того чтобы учесть необходимость быстрой сборки и/или различные типы кристаллов, которые могут быть получены с использованием установки для выращивания кристаллов, устройство для организации потоков может включать в себя по меньшей мере два набора деталей, используемых для адаптации; выбор деталей основывается, например, на диаметре кристалла, который необходимо вырастить, так что первый набор предназначен для первого диаметра, а второй набор - для второго диаметра. Тем не менее, наборы деталей для адаптации могут быть выбраны на основании других причин, например - ориентации кристаллов, удельного сопротивления, легирующей примеси и т.п. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство для организации потоков может быть спроектировано так, что внутренний диаметр отверстия для кристалла, определяемый деталями, использованными для адаптации, в 1,1-1,8 раз превышает диаметр выращиваемого кристалла, более предпочтительно - примерно в 1,2-1,6 раз превышает диаметр кристалла.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения детали, обеспечивающие организацию потока, особенно коническая верхняя деталь и/или нижняя деталь в форме пластины, могут быть изготовлены из графита. Изолирующая деталь может быть изготовлена из мягкого или жесткого графитового войлока. Соответствующие детали из графита могут, по меньшей мере - частично, иметь покрытие из Si, плотного SiC, и/или из пленочного алмазного покрытия, и/или пиролитического графита.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения верхняя часть «горячей зоны» содержит устройства, предназначенные для облегчения обращения с деталями «горячей зоны» совместно с верхними частями установки для выращивания кристаллов. Детали «горячей зоны» могут иметь поверхности контакта с устройствами для подъема отдельных деталей или подгрупп деталей «горячей зоны». Конструкция может включать в себя быстро защелкивающиеся устройства, предназначенные для фиксации и/или освобождения определенных частей, которые нужно поднимать, от тех частей, которые поднимать не нужно, а также направляющие конструкции, предназначенные для направления тех деталей, которые нужно поднимать.
Различные варианты осуществления настоящего изобретения облегчают операторам управление установкой для выращивания кристаллов/печью в ситуациях, связанных с подъемом и/или иным обращением или заменой деталей «горячей зоны». Такая конструкция обеспечивает подъем верхних частей «горячей зоны» и обеспечивает операторам более легкий доступ к тиглю и другим частям «горячей зоны». Конструкция обеспечивает преимущества во время очистки «горячей зоны» и удаления использованного тигля из диоксида кремния и остатка полупроводникового материала из тигля, что повышает производительность. Так, можно сэкономить время, необходимое для подготовки печи к новому производственному циклу, что повышает производительность. Тигель можно загрузить, когда он находится внутри установки для выращивания кристаллов, но согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения тигель можно загружать и вне камеры. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения шихту помещают в тигель, и тигель совместно с шихтой и приемником тигля поднимают в установку для выращивания кристаллов.
Изготовление деталей печи, адаптируемых к различным размерам кристаллов и легко заменяемых, обеспечивает снижение затрат, повышение качества, выхода или производительности, по сравнению со случаем, когда кристаллы с различными диаметрами выращивают с использованием одной и той же конструкции «горячей зоны» без какой-либо адаптации.
Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в печи, содержащей тигель для выращивания кристалла из расплава по способу Чохральского, предусматривает по меньшей мере один впускной канал для потока газа на входе потока в печь и по меньшей мере один выпускной канал на выходе газа из печи, а между ними, в «горячей зоне», устройство, направляющее потоки газа, которое предназначено для разделения во время роста кристалла указанного по меньшей мере одного входящего потока на первый частичный поток и второй частичный поток таким образом, что указанный первый частичный поток направляется вдоль направляющей поверхности и проникает в зону расплава перед выходом из «горячей зоны», тогда как указанный второй частичный поток организован так, что он не попадает в пространство внутри тигля над указанным расплавом до выхода из «горячей зоны».
Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает направляющую поверхность, которая, по меньшей мере - частично, включает в себя поверхность, принадлежащую по меньшей мере к одной из следующих деталей: опора затравочного кристалла, затравочный кристалл, кристалл, часть кристалла, первая деталь в форме диска, вторая деталь в форме диска, дополнительная продувочная труба и трубчатый и/или конический элемент. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривающее указанный первый частичный поток, предусматривает также средства, направляющие этот поток так, что он проникает в пространство, примыкающее к шихте, из которой образуется расплав, тогда как второй указанный частичный поток организован так, что он не попадает в указанное пространство, примыкающее к шихте. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает по меньшей мере один из указанных потоков, предназначенный для предотвращения переноса испаряющихся веществ от расплава к другим частям печи.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанные первый и второй частичные потоки организованы так, что они объединяются перед выходом из «горячей зоны» и/или печи, однако согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения потоки выходят из «горячей зоны» и/или печи отдельно друг от друга. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения система организации потоков предусматривает возможность работы с такими испаряющимися веществами, которые содержат по меньшей мере одно из следующих веществ: Si, P, Sb, As, Ge, оксид Si, оксид Р, оксид Sb, оксид As и оксид Ge. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство для организации потоков предусматривает возможность работы с таким газом, который в указанном канале для входящего потока газа содержит по меньшей мере один из следующих газов: инертный газ, аргон, гелий, азот, водород.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения трубчатый и/или конический элемент может содержать детали, отличающиеся от цилиндрических и/или дискообразных деталей. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения этот элемент содержит деталь, направленную к растущему кристаллу, которая может отражать тепло, излучаемое охлаждающимся кристаллом.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство для организации потоков предусматривает трубчатый и/или конический элемент, который устанавливается коаксиально или практически коаксиально вокруг оси выращиваемого кристалла. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает наличие в указанном трубчатом и/или коническом элементе теплоизоляции, изолирующей нисходящую часть указанного первого частичного потока на первом участке направляющей поверхности от теплообмена со второй частью указанного первого частичного потока на втором участке направляющей поверхности, причем указанная нисходящая часть первого частичного потока доходит до поверхности расплава, а вторая часть указанного первого частичного потока отходит от поверхности расплава. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает указанную теплоизоляцию, предназначенную для изоляции друг от друга охлаждаемой части выращиваемого кристалла и по меньшей мере части области «горячей зоны» в пространстве над указанным расплавом внутри тигля.
Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что трубчатый и/или конический элемент имеет первую отражающую поверхность, предназначенную для отражения теплового излучения, исходящего от расплава, и/или вторую отражающую поверхность, предназначенную для отражения теплового излучения, исходящего от кристалла. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что первая отражающая поверхность термически изолирована от указанной второй отражающей поверхности. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна из отражающих поверхностей устроена так, что она выполняет роль детали, направляющей поток. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что трубчатый и/или конический элемент поддерживает температуру второй части указанного первого частичного потока близкой к температуре поверхности расплава.
Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что трубчатый и/или конический элемент имеет первую и вторую поверхности, которые отделены друг от друга зазором в зоне вблизи поверхности расплава. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что трубчатый и/или конический элемент имеет первую и вторую поверхности, которые отделены друг от друга зазором в зоне вблизи поверхности расплава. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения зазор является зазором отражающей поверхности, разделяющим поверхность трубчатого и/или конического элемента на указанные первую и вторую отражающие поверхности. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения если необходимы опорные элементы, перекрывающие зазор, то в пространстве указанного зазора предусмотрены опорные мостики с минимальной площадью контакта, за счет чего обеспечивается максимально возможное снижение проведения тепла через область контакта. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает трубчатый и/или конический элемент, который снабжен отверстием для выращиваемого кристалла; кроме того, такой трубчатый и/или конический элемент содержит по меньшей мере одну деталь из следующих: первая дисковая деталь и вторая дисковая деталь, причем указанная деталь устроена так, что она ограничивает путь для потока газа по направлению к зоне расплава.
Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает такую направляющую для потока, а также по меньшей мере один трубчатый экранирующий элемент в виде устанавливаемой стенки, по меньшей мере частично окружающей ось кристалла или ее продолжение, так что указанный по меньшей мере один трубчатый экранирующий элемент по меньшей мере частично образует стенку канала для защиты от паров, происходящих от указанного первого частичного потока и/или от расплава, по меньшей мере одного из следующих элементов: нагревательного элемента, указанного тигля, части стенки тигля, приемника тигля, кристалла и трубчатого и/или конического элемента.
Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает для первого частичного потока и/или второго частичного потока зону, заходящую в выпускной канал на выходе газа из печи, предназначенную для смешивания в указанной зоне указанного первого частичного потока и указанного второго частичного потока. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что выпускной канал для газа ведет в коллекторную систему, предназначенную для сбора материала, происходящего из паров, содержащихся в указанном первом потоке. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что коллекторная система, входящая в систему организации потоков, является системой управления отходами или ее частью. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что коллекторная система, входящая в систему организации потоков, является системой переработки или ее частью, предназначенной для хранения собранного материала.
Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает дополнительный канал, идущий до выхода газа из печи и предназначенный для подачи кислорода или воздуха к выпускному отверстию или отводящей линии с целью пассивации компонентов отработанного газа и/или пыли, происходящей из расплава. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что материалы системы организации потоков выдерживают пары и/или пыль, подлежащие пассивации и содержащие по меньшей мере одно из следующих веществ: Sb, As, P, Si, Ge, оксид Sb, оксид As, оксид P, оксид Si, оксид Ge.
Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что устройство, направляющее поток, задает предварительно определенный поток от расплава, находящегося при температуре плавления, к кристаллу, находящемуся при температуре кристалла. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что устройство, направляющее поток, обеспечивает минимальный тепловой поток через по меньшей мере часть изоляции в системе организации потоков. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что устройство, направляющее поток, направляет поток так, что он ингибирует фазовый переход паров во второй части указанного первого частичного потока до выпускного отверстия. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что положение зоны слияния потоков является регулируемым с использованием набора клапанов, состоящего по меньшей мере из одного клапана, который можно использовать для регулирования положения указанной зоны слияния потоков. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что положение зоны слияния потоков можно регулировать в зависимости от фазы роста кристалла.
Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что область слияния потоков соответствует первой области во время первой фазы роста кристалла и второй области во время второй фазы роста кристалла. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что между первой и второй фазами роста кристаллов указанная первая область и указанная вторая область лишь частично используются в качестве зон слияния потоков. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что первая и вторая области используются в качестве зон слияния потоков одновременно за счет проникновения части первого частичного потока и/или второго частичного потока. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что зона слияния потоков является регулируемой через специальный канал, ведущий к зоне, расположенной вне ростовой камеры установки для выращивания кристаллов.
Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что зона слияния потоков содержит часть, которая предназначена для конденсации и/или сбора материала, образующегося из паров, происходящих из расплава и переносимых входящим потоком в указанную зону. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что устройство для организации потоков содержит устройства, направляющие третий поток, происходящий из указанного первого частичного потока, причем этот третий поток является одним из нескольких дополнительных потоков, включающих по меньшей мере один поток, направленный к зоне слияния потоков. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что сумма и/или отношение указанного первого частичного потока и указанного второго частичного потока поддерживается постоянной во время вытягивания кристалла и/или определенной стадии процесса во время вытягивания кристалла.
Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает средства для регулирования отношения объемной скорости первого частичного потока к объемной скорости указанного второго частичного потока таким образом, чтобы оно уменьшалось по направлению к концу тела кристалла во время выращивания тела кристалла. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что это отношение имеет первое значение при первом количестве материала в тигле и второе значение при втором количестве материала в тигле, причем указанный материал представляет собой сыпучий материал и/или расплав. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что, если количество материала в тигле изменяется от первого количества до второго количества в качестве стимула, то указанное первое значение отношения изменяется до второго значения в качестве реакции на указанный стимул.
Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя по меньшей мере один компонент из следующих: тигель, приемник тигля, экранирующий элемент, зона слияния потоков, шихта, поверхность расплава, имеющая уровень в соответствии с фазой роста кристалла, часть поверхности вытягиваемого кристалла и трубчатый и/или конический элемент, определяющий геометрию частичного потока в печи во время роста кристалла или определенной фазы роста кристалла. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что указанный частичный поток является по меньшей мере одним из следующих потоков: первый частичный поток, второй частичный поток, объединенный поток, часть любого из указанных потоков.
Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что устройство для организации потоков включает в себя средства для регулирования потоков, предназначенные для регулирования содержания газообразных компонентов в первом частичном потоке и/или втором частичном потоке в соответствии с предварительно заданным содержанием компонентов в зависимости от фазы вытягивания кристалла. В устройстве для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один из потоков газа направляется в канал между по меньшей мере первой деталью и второй деталью, причем указанные первая и/или вторая деталь имеют цилиндрическую, по существу цилиндрическую, строго цилиндрическую, коническую, по существу коническую, плоскостную и/или приблизительно плоскостную геометрию. В устройстве для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанные по меньшей мере две части могут быть выбраны из следующей группы объектов с образованием комплекта для задания геометрии потока: тигель, приемник тигля, первый экранирующий элемент, второй экранирующий элемент, первый диск, второй диск, трубчатый и/или конический элемент, поверхность расплава, поверхность шихты, поверхность кристалла, вспомогательные конструкционные элементы указанного объекта.
Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что по меньшей мере два из объектов определяют первый путь, имеющий форму канала вокруг кристалла, ограниченного поверхностью кристалла и экранирующим элементом или трубчатым и/или коническим элементом, причем этот канал открывается в область, прилежащую к поверхности расплава и ограниченную поверхностью расплава и первым диском или наружной частью трубчатого и/или конического элемента. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что второй путь имеет форму канала, проходящего через одно или несколько отверстий во втором диске и образующего второй путь для второго частичного потока, обходящего поверхность расплава и свободное пространство в тигле над поверхностью расплава. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что поток является потоком, входящим в установку для выращивания кристаллов и имеющим средний массовый расход газа менее 50 стандартных литров в минуту при усреднении для определенной стадии процесса выращивания тела кристалла. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что указанное среднее значение меньше 35 стандартных литров в минуту. Устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что указанное среднее значение меньше 15 стандартных литров в минуту. Система организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что эта система включает в себя первый комплект для организации первого потока для первого кристалла с первым характеристическим показателем и второй комплект для организации второго потока для второго кристалла со вторым характеристическим показателем. Система для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что система включает в себя подкомплект монтируемых деталей для обеспечения организации потока для выращивания кристалла, обладающего характеристическим показателем. Система организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что первый характеристический показатель находится в первом диапазоне размеров кристалла, а второй характеристический показатель находится во втором диапазоне размеров кристалла. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения размеры можно сочетать с определенным дополнительным размером подходящей детали. Система организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что указанный комплект включает в себя первый диск, второй диск, трубчатый и/или конический элемент, теплоизоляцию в трубчатом и/или коническом элементе. Система организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что отверстие в первом диске, втором диске, трубчатом и/или коническом элементе примерно в 1,0-2,5 раза превышает диаметр кристалла, тогда как согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения оно примерно в 1,02-1,7 раза превышает диаметр кристалла, а согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения оно примерно в 1,2-1,4 раза превышает диаметр кристалла.
Система организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что по меньшей мере один из следующей группы объектов, образующих комплект для задания геометрии потока с целью организации потока: тигель, приемник тигля, первый экранирующий элемент, второй экранирующий элемент, первый диск, второй диск, трубчатый и/или конический элемент, поверхность расплава, поверхность шихты, поверхность кристалла, изготовлен из или по меньшей мере имеет покрытие, содержащее по меньшей мере один из следующих материалов: графит, металл, композит, огнеупорный материал, пиролитический графит, алмазная пленка, карбид, нитрид и/или соединение металла редкоземельной группы. Система организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что по меньшей мере одна из указанных деталей по меньшей мере частично покрыта покрытием, полученным способом плазмохимического осаждения твердых покрытий из газовой фазы (CVD), способом ионного нанесения покрытий, способом плазменного нанесения покрытий и/или способом нанесения покрытий электрическим разрядом. Система организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что по меньшей мере одна из указанных деталей изготовлена из или по меньшей мере имеет покрытие, содержащее по меньшей мере один из следующих элементов: Si, С, N, Nb, Та, W, Со, Мо.
Конструкция «горячей зоны» для печи для выращивания кристаллов способом Чохральского согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает:
- тигель, предназначенный для размещения шихты и/или расплава,
- по меньшей мере один нагреватель, предназначенный для плавления материала, содержащегося в тигле, и/или поддержания материала в расплавленном состоянии во время роста кристалла, и
- по существу непрерывную теплоизоляцию, окружающую по меньшей мере тигель и нагреватель с целью снижения тепловых потерь и/или потребления тепловой мощности во время плавления и/или выращивания.
Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя термически важные проходы через указанную изоляцию, по меньшей мере следующие: для кристалла, для нагревательных электродов нагревателя, для стержня тигля, для кристалла над поверхностью расплава и для продувочного газа. Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения организована так, что «горячая зона» содержит проход для кристалла, причем внутренний диаметр детали, определяющий наибольший внутренний диаметр отверстия прохода, и/или внутренний диаметр теплоизоляции в трубчатом и/или коническом элементе менее чем в 1,5 раза превышает диаметр тела кристалла. Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения организована так, что «горячая зона» содержит проход для кристалла, причем внутренний диаметр детали, определяющий наибольший внутренний диаметр отверстия прохода, и/или внутренний диаметр теплоизоляции в трубчатом и/или коническом элементе менее чем в 1,4 раза превышает диаметр тела кристалла.
Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения организована так, что «горячая зона» содержит проход через теплоизоляцию для отводящей трубы, предназначенной для проведения отработанных газов через определенную область «горячей зоны» и/или из «горячей зоны». Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения организована так, что изоляция, по меньшей мере - локально, имеет толщину, в 1,5 раза превышающую эффективный диаметр отводящей трубы в области ее проникновения через изоляцию. Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения организована так, что «горячая зона» содержит отводящую трубу, причем эффективный внутренний диаметр отводящей трубы или отводящих труб в самой узкой части меньше 60 мм.
Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения организована так, что «горячая зона» содержит теплоизоляцию, способную снижать потребление тепловой мощности на единицу площади поверхности «горячей зоны» до значений менее 20 кВт/м2 во время выращивания более чем 90% тела кристалла; согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения это значение предпочтительно меньше 15 кВт/м2, и еще более предпочтительно - меньше 10 кВт/м2 согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения.
Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя устройство для организации потоков согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя материалы, которые по меньшей мере частично проницаемы для магнитных полей, что способствует использованию магнита, генерирующего магнитное поле в области расплава во время по меньшей мере части процесса плавления и/или выращивания кристалла.
Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя экранирующий элемент, защищающий наружную поверхность тигля или приемника тигля от паров, которые могут вступить в контакт с расплавом. Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя систему регулирования температуры, предназначенную для регулирования температуры тигля, приемника тигля, части горячей зоны, части установки для выращивания кристаллов, связанной с шихтой, расплавом и/или кристаллом.
Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что система регулирования температуры и/или часть ее включает в себя экран, предназначенный для защиты от паров, происходящих из расплава. Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что систему регулирования температуры можно использовать для регулирования температуры кристалла и радиального и/или аксиального температурного профиля кристалла относительно температуры расплава, а согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения - относительно определенной части «горячей зоны». Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения система регулирования температуры включает в себя нагреватель. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения система регулирования температуры включает в себя охлаждающее устройство. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения система регулирования температуры включает в себя питание нагревателя и/или охлаждающего устройства. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения система регулирования температуры включает в себя средства для регулирования электропитания и/или массового расхода текучих сред в нагревателях и/или охлаждающих устройствах системы регулирования температуры.
Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что печь содержит устройства, обеспечивающие защитный поток газа, протекающий по поверхности элемента системы регулирования температуры, экрана и/или сквозного отверстия, проходящего через изоляцию, с целью обеспечения защиты от паров и/или частиц, происходящих от компонентов расплава.
Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя по меньшей мере один нагреватель, предназначенный для нагревания шихты и/или расплава и расположенный, по меньшей мере - частично, так, что он окружает тигель. Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя по меньшей мере один нижний нагреватель, предназначенный для нагревания шихты и/или расплава. Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя по меньшей мере один поверхностный нагреватель, расположенный примерно на уровне поверхности шихты и/или расплава, содержащихся в тигле, и предназначенный для нагревания шихты и/или расплава.
Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя по меньшей мере один нагреватель, содержащий по меньшей мере два нагревательных элемента, по меньшей мере частично компенсирующих магнитное поле друг друга и предназначенных для нагревания шихты и/или расплава. Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя индукционный нагреватель, предназначенный для нагревания по меньшей мере одного из следующих элементов: шихты, расплава, приемника тигля, тигля и других частей «горячей зоны».
Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя нагреватель, предназначенный для нагревания растущего кристалла. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения такой нагреватель является частью системы для регулирования температуры, предназначенной для регулирования температуры кристалла и/или «горячей зоны». Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя охлаждающее устройство, предназначенное для охлаждения кристалла или его части. В структуре «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанное охлаждающее устройство содержит охлаждающий цилиндр, обеспечивающий циркуляцию охлаждающей среды. Конструкция «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя устройства для излучения магнитного поля в расплав.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения печь для выращивания кристаллов по способу Чохральского содержит:
- тигель для размещения в нем шихты и/или расплава,
- систему регулирования температуры, содержащую нагреватель и устройства управления нагревателем и предназначенную для нагревания тигля до температуры плавления материала, содержащегося в тигле,
- тянущее устройство, предназначенное для вытягивания кристалла из расплава, содержащегося в тигле,
- ростовую камеру, предназначенную для изоляции по меньшей мере указанного тигля и указанного нагревателя в атмосфере для выращивания кристалла, и
- «горячую зону» с конструкцией согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения может дополнительно содержать одно или несколько отверстий для подачи газа в ростовую камеру и/или одно или несколько отверстий для выпуска газов из ростовой камеры. Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит маршрут движения газов, который включает в себя направляющие устройства, пропускающие газ, выходящий из печи через нижнюю часть ростовой камеры. Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит устройства, направляющие по меньшей мере один поток, предназначенный для управления печью и/или поддержания работоспособного состояния печи во время выращивания кристаллов, через канал, содержащий клапан, и/или через пластину с отверстиями, содержащую среди нескольких отверстий по меньшей мере одно отверстие, предназначенное для регулирования указанного потока от полностью перекрытого до полностью открытого состояния. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанный поток может быть потоком, направленным к зоне вблизи поверхности расплава, и/или потоком, направленным в обход зоны вблизи поверхности расплава. Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения может содержать устройства для сбора по меньшей мере одного компонента отработанных газов.
Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит проточный канал для подачи кислорода или воздуха в канал, ведущий к выпускному каналу, для пассивации компонента газа и/или пыли, происходящих из расплава. Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устроена так, что пары и/или пыль, подлежащие пассивации, содержат один или несколько из следующих компонентов: Sb, As, P, Si, оксид Sb, оксид As, оксид Р, оксид Si. Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устроена так, что предусмотрено регулирование указанного потока при помощи регулятора потока, регулирующего эффективную площадь по меньшей мере одного или нескольких отверстий.
Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит изолирующий материал между тиглем и кристаллом и/или между указанным тиглем и выпускным каналом для газа.
В печи согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанный изолирующий материал является элементом группы деталей, предназначенной для использования для выращивания кристалла до определенного характеристического показателя в диапазоне характеристических размеров кристалла. Диаметр тигля не ограничен конкретным значением, но согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения диаметр тигля находится в диапазоне от примерно 16'' до 132''.
Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит по меньшей мере один нагреватель, который является по меньшей мере одним из следующих нагревателей: пристеночный нагреватель, нижний нагреватель, поверхностный нагреватель вблизи поверхности расплава, радиационный нагреватель, индукционный нагреватель, нагреватель на основе вихревых токов, внешний нагревательный элемент и внутренний дополнительный съемный нагревательный элемент, причем указанный нагреватель предназначен для использования отдельно или в комбинации с другим нагревателем во время фазы вытягивания кристалла. Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит охлаждающее устройство, предназначенное для ускорения охлаждения растущего кристалла.
Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устроена так, что нагреватель, предназначенный для плавления шихты и/или поддержания ее в расплавленном виде в форме расплава, имеет потребляемую мощность в пересчете на единицу веса начальной шихты и/или потребляемую мощность в пересчете на единицу начального веса расплава менее 0,7 Вт/г во время вытягивания более чем 90% тела кристалла. Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит нагреватель с общим потреблением мощности менее 55 кВт за время вытягивания более чем 90% тела кристалла. Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит изоляцию с тепловыми потерями от внутренней части «горячей зоны» к охлаждаемым водой поверхностям установки для вытягивания кристаллов менее 20 кВт на м2 площади поверхности «горячей зоны» во время вытягивания более чем 90% тела кристалла. Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит изоляцию с тепловыми потерями менее 15 кВт/м2, предпочтительно - менее 12 кВт/м2, еще более предпочтительно - менее 10 кВт/м2, во время вытягивания более чем 90% тела кристалла. Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит изоляцию с потреблением мощности менее 15 кВт/м2, предпочтительно - менее 12 кВт/м2, еще более предпочтительно - менее 10 кВт/м2, во время вытягивания более чем 90% тела кристалла.
Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит изоляцию с потерями энергии, включающими потери через отверстия или каналы в указанной изоляции в «горячей зоне».
Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит магнит, предназначенный для излучения магнитного поля в расплав. В печи согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанный магнит предназначен для создания магнитного поля с индукцией менее 50 мТл в зоне расплава. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанный магнит предназначен для создания магнитного поля с индукцией менее 20 мТл на поверхности раздела между кристаллом и расплавом. В печи согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанный магнит предназначен для обеспечения потока, направленного внутрь расплава, для обеспечения меньших вариаций температуры внутри расплава и/или в области расплава, находящейся в непосредственной близости от поверхности раздела «кристалл-расплав», по сравнению с вариациями температуры, обусловленными потоком расплава в отсутствие магнита.
Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит изоляцию, содержащую графитовый войлок. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения он использован в качестве основного теплоизолирующего материала в «горячей зоне». Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит высокопористый материал. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения он является основным теплоизолирующим материалом в «горячей зоне».
Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит вакуумное устройство для удаления воздуха из ростовой камеры до достижения определенного давления. Такое устройство может представлять собой насос или группу насосов и регуляторов потока, предназначенных для регулирования уровня вакуума и/или отсасывания насоса или группы насосов. Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит устройства для регулирования состава атмосферы, предназначенные для регулирования состава атмосферы в ростовых камерах. Такие устройства могут представлять собой источник газа, содержащий газ под давлением, и контроллер для регулирования количества газа, выпускаемого в ростовую камеру печи, в «горячую зону» и/или в первый, и/или второй частичные потоки, относящиеся к системе организации потоков.
Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит тигель, диаметр которого лежит в диапазоне от примерно 16'' до 132''. Такой тигель может быть изготовлен из кварца или диоксида кремния, и на него может быть нанесено покрытие. Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения может быть использована для вытягивания параллельных кристаллов, каждый из которых может иметь свой собственный характеристический показатель. Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит загрузочные устройства, предназначенные для шихты тигля или группы тиглей, состоящей по меньшей мере из одного тигля, легирующей добавкой, шихтой и/или расплавом.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения установка для выращивания кристаллов по способу Чохральского содержит по меньшей мере:
- ростовую камеру;
- расположенные внутри ростовой камеры крепежные средства, предназначенные для крепления части структуры «горячей зоны» согласно настоящему изобретению.
Установка для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает, что крепежные средства устроены так, что по меньшей мере одна из указанных частей «горячей зоны» содержит предварительно определенную совокупность деталей «горячей зоны», которые входят в указанную подъемную конструкцию «горячей зоны». Установка для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит механизм для открывания и герметичного закрывания верхней части ростовой камеры. В установке для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанный механизм дополнительно содержит устройство для подъема и/или поворота указанной верхней части. Установка для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит устройства, которые позволяют поднимать указанную часть «горячей зоны», оставляя ростовую камеру герметично закрытой. Установка для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит устройства, которые обеспечивают возможность подъема и/или поворота указанной по меньшей мере одной части «горячей зоны» совместно с верхней частью ростовой камеры. В установке для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусмотрен механизм, обеспечивающий доступ к конструкции «горячей зоны» в сборке и/или к предварительно определенной совокупности ее частей. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанная совокупность включает в себя трубчатый и/или конический элемент, изолятор, тигель, приемник тигля и/или нагреватель. Установка для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устроена так, что вышеуказанный доступ включает в себя отдельный доступ для выполнения по меньшей мере одной из следующих операций: очистки части «горячей зоны», удаления материала из тигля, адаптации части «горячей зоны» к определенному характеристическому показателю выращиваемого кристалла.
Установка для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит поворотное устройство, обеспечивающее вращательное движение по меньшей мере одного первого поворотного объекта, выбранного из следующей группы: шихта, расплав, тигель и вытягиваемый кристалл, относительно второго поворотного объекта, отличающегося от указанного по меньшей мере одного первого поворотного объекта. Установка для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя ростовую камеру, которая имеет верхнюю часть и нижнюю часть. Установка для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения может также включать в себя ростовую камеру, содержащую среднюю часть. Установка для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя устройство для установки указанной «горячей зоны» таким образом, что она может быть расширена по направлению к нижней части после герметичного закрытия ростовой камеры. Установка для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит механическое соединение между указанной по меньшей мере одной частью «горячей зоны» и указанной верхней частью ростовой камеры. Установка для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устроена так, что это соединение может быть разъединено для нормальной эксплуатации.
Установка для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит устройство для монтажа первого комплекта деталей «горячей зоны», адаптированного к первому характеристическому показателю кристалла или первому диапазону характеристических показателей кристалла, и второго комплекта деталей «горячей зоны», адаптированного ко второму характеристическому показателю кристалла или второму диапазону характеристических показателей кристалла; причем указанные комплекты являются взаимозаменяемыми в промежутке между процессом выращивания первого кристалла и процессом выращивания второго кристалла. В установке для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанным характеристическим показателем является по меньшей мере один из следующих признаков: диаметр кристалла, ориентация кристалла, легирующая примесь, удельное сопротивление кристалла.
Печь согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя установку для выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения и структуру «горячей зоны» согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя подготовку устройств, вытягивание кристаллов и выполнение ряда операций после вытягивания кристалла, но в подготовительной фазе способ включает в себя выбор комплекта деталей «горячей зоны» и/или изолирующих деталей для адаптации установки для выращивания кристаллов к выращиванию определенного кристалла в диапазоне характеристических показателей кристаллов, соответствующем комплекту. Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя стадию выбора шихты, загружаемой в тигель для получения расплава, из которого будет вытягиваться кристалл.
Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя стадию выбора затравочного кристалла или тому подобного для обеспечения вытягиваемого кристалла соответствующей кристаллической структурой. Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя регулирование атмосферы и/или потоков газа в «горячей зоне». Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя охлаждение вытягиваемого кристалла. Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя воздействие на расплав магнитным полем. Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя открывание ростовой камеры для извлечения кристалла. Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя очистку ростовой камеры после выращивания кристалла и/или после извлечения кристалла.
Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя:
- подачу потока газа в ростовую камеру для создания в ней определенной атмосферы;
- разделение потока газа, входящего в ростовую камеру, на первый частичный поток и второй частичный поток,
- направление нисходящей части указанного первого частичного потока к поверхности расплава для формирования второй части указанного первого частичного потока с использованием направляющей поверхности,
- изоляцию указанных нисходящей и второй частей указанного первого частичного потока друг от друга с целью поддержания определенной температуры второй части первого частичного потока на уровне, равном или близком к температуре расплава,
- направление по меньшей мере указанного первого частичного потока к выходу из «горячей зоны»,
- направление второго частичного потока в обход расплава, находящегося в тигле, и/или зоны вытягивания кристалла в виде защитного потока газа к выпускному отверстию.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ включает в себя фазу теплоизоляции шейки кристалла от расплава, по меньшей мере -частичной. Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает во время стадии вытягивания вращение по меньшей мере одного из следующих объектов: вытягиваемого кристалла, тигля, приемника тигля и расплава относительно других объектов.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ предусматривает вращение таким образом, что по меньшей мере направление вращения, угловая скорость вращения и/или вращательный момент перового из указанных объектов отличается от соответствующих характеристик другого из указанных объектов. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ предусматривает вращение таким образом, что вращение включает в себя ускорение, сохранение постоянной скорости и/или замедление вращения по меньшей мере части расплава за счет влияния магнитного поля.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ предусматривает вращение таким образом, что магнитное поле создает силу, перемещающую расплав в виде потока, который в определенной зоне расплава имеет вертикальный компонент. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения на расплав воздействуют магнитным полем, распределение магнитной которого является функцией местоположения. В способе выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанное воздействие на расплав магнитным полем осуществляется так, что индукция магнитного поля имеет первое значение, находящееся в первом диапазоне значений, в области поверхности раздела между расплавом, и вытягиваемым кристаллом и второе значение, находящееся во втором диапазоне значений, в другой области расплава.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ предусматривает использование магнитного поля, которое практически симметрично относительно оси вращения тигля или ее продолжения. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения способ предусматривает использование магнитного поля постоянного тока или по существу постоянного тока. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ предусматривает использование магнитного поля, первое значение индукции которого меньше 20 мТл. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ предусматривает использование магнитного поля, второе значение индукции которого меньше 50 мТл. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ предусматривает использование такого магнитного поля, которое способствует ограничению и/или регулированию значений индукции магнитного поля до таких значений, которые вообще не вызывают увеличения или не вызывают значительного увеличения радиальной неоднородности концентраций компонентов кристалла.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ предусматривает использование магнитного поля, которое в течение определенного периода времени имеет локальное среднее значение, практически симметричное относительно оси вращения тигля.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ предусматривает использование магнитного поля, которое можно регулировать с целью управления по меньшей мере потоковым компонентом расплава. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ предусматривает использование магнитного поля, которое можно использовать для регулирования концентрации компонентов композиции в расплаве и/или в определенной части расплава. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ предусматривает использование магнитного поля, которое можно использовать для регулирования концентрации компонентов в кристалле или в части кристалла. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанный компонент является кислородом или содержит кислород.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения используется вращающееся магнитное поле или вращающийся компонент магнитного поля за счет изменения индукции магнитного поля, создаваемого электромагнитами, расположенными вокруг расплава. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения вращающееся магнитное поле или вращающийся компонент магнитного поля обеспечиваются за счет механического вращения по меньшей мере одного постоянного магнита вокруг расплава. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения вращающееся магнитное поле или вращающийся компонент магнитного поля обеспечиваются за счет механического вращения вокруг расплава по меньшей мере двух постоянных магнитов, каждый из которых вращается в своем собственном направлении.
Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя подачу во время вытягивания кристалла газа, содержащего Ar. Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя такую подачу газа, что средний массовый расход указанного газа во время вытягивания тела кристалла составляет менее 30 стандартных литров в минуту, более предпочтительно - менее 30 стандартных литров в минуту, в случае кристалла, средняя концентрация кислорода в котором составляет примерно 14-16 частей на миллион по результатам измерения приборами согласно ASTM F 121-83. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в газе может быть использован какой-либо другой известный компонент.
Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя способ выращивания кремниевого кристалла. Способ выращивания кристаллов согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения включает в себя способ выращивания германиевого кристалла. Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя способ выращивания кристалла, содержащего элемент из группы углерода. Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя способ выращивания кристалла, содержащего легирующую примесь элемента из III группы. Способ выращивания кристаллов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя способ выращивания кристалла, содержащего легирующую примесь элемента из V группы.
Кристалл согласно настоящему изобретению является кристаллом, полученным согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Кристалл согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения является полупроводниковым кристаллом. Кристалл согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения является одиночным кристаллом. Кристалл согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит кремний, германий и/или их смесь. Кристалл согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит по меньшей мере один элемент III группы, IV группы или V группы элементов в качестве легирующей примеси.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения кристалл может иметь точную или практически тонную кристаллическую структуру сапфира. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения кристалл имеет кристаллическую структуру цинковой обманки. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения кристалл может иметь кристаллическую структуру вюрцита. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения кристалл может иметь кристаллическую структуру алмаза. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения кристалл может иметь кристаллическую структуру каменной соли.
Кристалл согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит по меньшей мере один из следующих элементов: бор, фосфор, сурьму, мышьяк, алюминий, галлий, индий или комбинацию двух любых из вышеперечисленных элементов в любой пропорции. Кристалл согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения имеет тело с составом и/или кристаллической структурой согласно настоящему изобретению, имеющее диаметр в диапазоне от 150 до 1100 мм. Кристалл согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения имеет тело кремниевого кристалла, имеющее диаметр в диапазоне от 150 до 500 мм. Кристалл согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения имеет тело кремниевого кристалла, имеющее диаметр в диапазоне от 150 до 220 мм.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения кристалл имеет концентрацию кислорода в кристалле и/или в расплаве на допустимом уровне или в допустимом диапазоне, определенном целевым значением и допуском или, альтернативно, верхним и нижним допустимыми пределами. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения целевое значение содержания кислорода в кристалле находится в диапазоне от 0,5 до 25 частей на миллион, более предпочтительно - в диапазоне от 3 до 17 частей на миллион, по данным приборов согласно ASTM F 121-83. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения допуск для концентрации кислорода в кристалле составляет менее чем ±1 часть на миллион, по данным приборов согласно ASTM F 121-83.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения концентрация в кристалле является средним значением, определенным в определенной части растущего кристалла. Кристалл согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения имеет концентрацию углерода, значительно меньшую, чем 0,5 части на миллион, в конце тела кристалла и/или на участке кристалла после вытягивания примерно 90% начальной шихты. Кристалл согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения имеет концентрацию углерода меньше 0,2 части на миллион, предпочтительно - меньше 0,1 части на миллион, и более предпочтительно - меньше 0,03 части на миллион.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения печь согласно настоящему изобретению содержит устройство для добавления легирующей примеси, предназначенные для добавления по меньшей мере одной легирующей примеси в расплав и/или шихту. Легирующая примесь может быть добавлена в шихту несколькими способами и/или частями или порциями с использованием определенных устройств для добавления легирующей примеси в твердую фазу и/или в газовую фазу. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство для добавления легирующей примеси представляет собой устройство для добавления по меньшей мере одной легирующей примеси в газовую фазу, когда расплав находится в расплавленном состоянии, или на шихту перед ее плавлением и/или во время плавления.
Специалист в данной области техники, прочитавший и понявший данную заявку, должен понимать, что указанные первый и второй потоки не ограничивают количество потоков, которые могут входить в печь и/или выходить из печи. Поэтому указанные первый и второй потоки указаны в качестве иллюстрации схемы маршрутизации по меньшей мере двух потоков в печи с использованием по меньшей мере двух совокупностей путей, причем по меньшей мере одна совокупность путей направлена к поверхности расплава, а по меньшей мере другая совокупность путей обходит расплав. По меньшей мере один поток может быть использован в качестве защитного потока газа для защиты печи и/или ее части, расплава и кристалла от загрязнений, происходящих из газов, расплава, его компонентов и/или компонентов, образующихся в результате химической реакции из веществ, содержащихся в печи во время цикла выращивания кристалла.
Несмотря на то что показано и описано несколько вариантов осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что можно выполнить множество изменений и модификаций без отклонения от сущности и объема изобретения, определяемых приведенной ниже формулой изобретения.
1. Конструкция «горячей зоны» для выращивания кристаллов из расплава методом Чохральского, включающая область расплава и тигель, отличающаяся тем, что содержит теплоизолирующий экранирующий элемент, выполненный с возможностью разделения входящего потока продувочного газа на первый частичный поток и второй частичный поток таким образом, что первый частичный поток направляется через область расплава, а второй частичный поток направляется вдоль канала внутри теплоизолирующего экранирующего элемента в обход пространства в тигле, расположенного над указанным расплавом, перед выходом его из «горячей зоны».
2. Конструкция «горячей зоны» по п.1, где теплоизолирующий экранирующий элемент выполнен с возможностью направления первого частичного потока для входа в пространство, примыкающее к шихте, из которой образуется расплав, и предотвращения взаимодействия второго частичного потока с пространством, примыкающим к шихте.
3. Конструкция «горячей зоны» по п.1, где теплоизолирующий экранирующий элемент выполнен с возможностью объединения первого частичного потока и второго частичного потока перед выходом из «горячей зоны» и/или печи.
4. Конструкция «горячей зоны» по п.1, где теплоизолирующий экранирующий элемент выполнен с возможностью выпуска первого частичного потока и второго частичного потока из «горячей зоны» и/или печи отдельно друг от друга.
5. Конструкция «горячей зоны» по п.1, где теплоизолирующий экранирующий элемент дополнительно содержит, по меньшей мере, один трубчатый экранирующий элемент в виде устанавливаемой стенки, по меньшей мере, частично окружающей ось кристалла или ее продолжение, так что указанный, по меньшей мере, один трубчатый экранирующий элемент, по меньшей мере, частично образует стенку канала для защиты от паров, происходящих от указанного первого частичного потока и/или от расплава, по меньшей мере, одного из следующих элементов: нагревательного элемента, указанного тигля, части стенки тигля, приемника тигля, кристалла и трубчатого и/или конического элемента.
6. Конструкция «горячей зоны» по п.1, где для первого частичного потока и/или второго частичного потока имеется зона, заходящая в выпускной канал на выходе газа из печи, для смешивания в указанной зоне указанного первого частичного потока и указанного второго частичного потока.
7. Конструкция «горячей зоны» по п.1, где, по меньшей мере, один компонент из следующих: тигель, приемник тигля, теплоизолирующий экранирующий элемент, зона слияния потоков, шихта, поверхность расплава, имеющая уровень в соответствии с фазой роста кристалла, часть поверхности вытягиваемого кристалла и трубчатый и/или конический элемент, определяет геометрию частичного потока в печи во время роста кристалла или определенной фазы роста кристалла.
8. Конструкция «горячей зоны» по п.1, дополнительно включающая
тигель для размещения в нем шихты и/или расплава,
нагреватель для плавления материала в тигле, в который помещают шихту и/или расплав, и/или для поддержания материала в расплавленном состоянии во время выращивания кристалла, и
по существу, непрерывную теплоизоляцию, окружающую, по меньшей мере, тигель и нагреватель для снижения тепловых потерь, и/или потребления мощности нагревателем во время плавления, и/или выращивания кристалла.
9. Печь для выращивания кристаллов методом Чохральского, содержащая «горячую зону», имеющую конструкцию по любому из пп.1-8.
10. Способ выращивания кристаллов методом Чохральского, отличающийся тем, что включает разделение входящего потока продувочного газа на первый частичный поток и второй частичный поток с помощью теплоизолирующего экранирующего элемента в «горячей зоне» печи таким образом, что первый частичный поток направляется через область расплава, а второй частичный поток направляется вдоль канала внутри теплоизолирующего экранирующего элемента в обход пространства в тигле, расположенного над указанным расплавом, перед выходом его из «горячей зоны»,
11. Способ по п.10, дополнительно включающий
подачу потока газа в ростовую камеру «горячей зоны» для создания в ней атмосферы,
разделение потока газа, входящего в ростовую камеру «горячей зоны», на первый частичный поток и второй частичный поток,
направление нисходящей части указанного первого частичного потока к поверхности расплава для образования второй части указанного первого частичного потока с использованием направляющей поверхности «горячей зоны»,
изоляцию указанных нисходящей и второй частей указанного первого частичного потока друг от друга для поддержания температуры второй части первого частичного потока на уровне, равном или близком к температуре расплава, и
направление, по меньшей мере, указанного первого частичного потока к выходу из «горячей зоны» и второго частичного потока в обход расплава, находящегося в тигле, и/или зоны вытягивания кристалла, в виде защитного потока газа к выпускному отверстию «горячей зоны».
12. Кристалл, полученный способом по любому из пп.10 и 11.
13. Кристалл по п.12, отличающийся тем, что он представляет собой кристалл кремния, кристалл германия или кристалл, содержащий элемент группы углерода.
