专利名称：用于将砷掺杂剂加入硅晶体生长工艺中的方法和装置的利记博彩app
背景技术：
本发明涉及一种用于将砷掺杂剂加入硅晶体生长工艺中的装置。
在利用直拉法(Czochralski法)的硅晶体生长过程中，所生长的硅锭的特征和性质，可通过在硅锭生长之前加少量掺杂剂材料到熔化的硅中进行改变。用于这个目的的掺杂剂材料是砷。在试图将砷掺杂剂材料加入硅熔体中时所遇到的问题是，在硅晶体生长器内，砷在接近真空状态时在612℃将从固体汽化成气相。如果砷掺杂剂从硅熔体上方晶体生长器中的一个口落入熔化的硅，则大部分砷将在它到达硅熔体表面并被吸收到熔化的硅中之前就汽化和损失了。
通过将供料管组件颠倒转动，以使组件的下面开口端朝上，来装入砷掺杂剂。然后将砷掺杂剂倒入组件开口的漏斗形末端，以便它可以充满这个组件内密封室的上面一半。在把所需量的砷掺杂剂放入组件之后，然后再很小心地正面朝上转动组件，以使组件回到它的原先方位，即开口的漏斗端朝下。因此砷掺杂剂将位于围绕内管的密封室下面一半中。在晶体生长器内的硅完成它的熔化阶段并全部熔化之后，关闭晶体生长器上的隔离阀，并泵送气体使接收室回到环境(大气)压力。这样能让通向接收室的入口门打开。然后将掺杂剂供料管组件连接到晶体生长器籽晶夹上，并关闭通向接收室的入口门。然后将接收室抽气降压至工艺真空度(在氩气驱气情况下是14-28乇)，并打开晶体生长器隔离阀。然后把籽晶夹和联结的掺杂剂供料管组件朝硅熔体表面方向向下放。
因为这个组件下放到晶体生长器内的硅熔体中，所以掺杂剂供料管组件的长度这样选择，以便当组件的开口端接触熔体时，组件内的砷掺杂剂正好行进到晶体生长器热区环境内的一个垂直位置，在该位置处砷掺杂剂刚好达到它的汽化温度612℃。然后将掺杂剂供料管组件的开口端浸入一个固定的预定距离，以便装有砷掺杂剂的整个密封室现在下放到晶体生长器热区环境内，因此整个密封室是在612℃或更高的温度下。这样使砷掺杂剂完全汽化，并且砷蒸汽由于它的压力超过晶体生长器内的真空度，所以现在向下扩散到供料管组件内的中央管。蒸汽到达硅熔体，在这里它被硅熔体吸收并把所希望的特性赋予从硅熔体中生长出来的硅锭。在全部砷掺杂剂都汽化并输送到硅熔体之后，然后从硅熔体中撤出掺杂剂供料管组件，直至该组件和籽晶夹返回到接收室内为止。然后关闭晶体生长器上的隔离阀，然后将接收室泵到环境(大气)压力。然后打开接收室门并取出掺杂剂供料管组件。然后将一个硅籽晶安装到籽晶夹中，并关闭接收室门。然后将接收室抽气降压至真空(在氩气驱气情况下为14-28乇)，打开晶体生长器隔离阀，并开始晶体生长工艺。
掺杂剂供料管组件的改进包括安放在供料管下端附近的一个环状部件。这个部件的用途是提供一个目视指示器，以便当组件的末端浸入一固定的预定距离时，以使靠近组件顶部的整个密封室处于足够高的温度下，使砷掺杂剂完全汽化。将掺杂剂供料管组件下放到熔体中，直至环状部件变得刚好浸入硅熔体表面下方为止。
在这个领域还有另一种可供选择的设计代替环状部件，该设计包括一个圆盘或屏障，该圆盘或屏障固定在掺杂剂供料管组件的下端附近。组件下放到硅熔体中，直至圆盘或屏障或是刚好接触硅熔体表面，或是刚好浸入硅熔体表面下方时为止。与环状部件相反，圆盘或屏障的用途是涉及任何砷蒸汽在它离开供料管组件的开口端之后和已完全被硅熔体吸收之前，注入硅熔体的砷蒸汽将穿过熔体朝上“鼓泡”。圆盘或屏障要用来挡住硅熔体自由表面，用于围绕供料管组件的一个相当大距离，并在蒸汽可以进一步前进并移动到任何自由硅表面之前，将砷蒸汽截留在熔体中。这给予蒸汽有更多的被硅熔体吸收的时间。
与在每次晶锭生长过程中采用将掺杂剂供料组件连接到晶体生长器籽晶夹上和从晶体生长器籽晶夹上卸下的方式不同的是，也可以用类似的供料管组件可以穿过晶体生长器上的通入口进入硅熔体表面，该通入口用来将掺杂剂加到硅锭生长工艺中。在这种情况下，把掺杂剂供料管组件安装成一个滑动组件的一部分，该滑动组件使掺杂剂供料管能够伸展或收缩。为了保持真空密封，供料管组件的伸展和收缩运动是密封式的，优选的是用金属波纹管(膜盒)密封。供料管滑动组件的致动可以用人工进行，或者可以通过一个小马达驱动。在晶体生长器中的硅熔化之后，将掺杂剂供料管组件通过通入口向下伸出，直至供料管开口的下端深入到硅熔体表面下一个固定的预定深度。在掺杂剂供料管组件的下端浸入硅熔体内之后，然后使砷掺杂剂向下落入供料管中，直至它碰到供料管内的限流器或挡板时为止。当掺杂剂到达限流器或挡板时，现在它处在晶体生长器内部的一个位置，在这里环境温度大大超过砷在接近真空状态(14-28乇)下的汽化温度。然后砷蒸汽向下朝向供料管，正象该发明中用籽晶夹进行安装的方案一样，使得砷蒸汽直接注入硅熔体中。在砷掺杂剂蒸汽被硅熔体吸收之后，再将掺杂剂供料管组件从硅熔体抽出，直至供料管组件的下开口端返回刚好在晶体生长器内打开的通入口下方的一个位置为止。
这种掺杂剂供料管组件可以穿过晶体生长器上的通入口伸出和缩回的第二种方案的优点是，硅锭生长工艺不必为打开晶体生长器并把供料管组件安装到籽晶夹上而停止，然后也不必为从籽晶夹中取出用尽的掺杂剂供料管组件以安装硅籽晶再停止该工艺。这种方案的另一个优点是，即使在供料管已经延伸到深入硅熔体表面之后，砷掺杂剂也可以储存在晶体生长器外部供料管上端处的一个容器中。在掺杂剂向下落入供料管组件的下段之前，不发生砷的汽化。在用籽晶夹安装的掺杂剂供料管组件的情况下，组件用籽晶夹拉索驱动机构向下放到硅熔体中，在供料管的下开口端充分深入和完全浸入硅熔体内之前，可能开始发生砷的某些汽化。
对上述的所有供料管组件的改变，作为在最小掺杂剂损失情况下将砷掺杂剂注入硅熔体的解决方案，供料管优选的是用透明熔化石英制造。透明熔化石英，在供料管组件从硅熔体抽出后，浸入硅熔体中的那些供料管表面粘附极少量的硅，易于保持比较清洁。然而，超过一定时间，其中某些透明熔化石英玻璃表面，特别是与硅熔体直接接触的那些表面，将受到侵蚀并变薄。因此，无论是使用用籽晶夹安装的掺杂剂供料管组件，还是使用由滑动组件致动的掺杂剂供料管组件，与硅熔体接触的实际供料管组件都将具有有限的寿命，并且将需要定期更换。
另一些目的和特点一部分将是显而易见的，而一部分将在后面指出。
所有附图中相应的称号表示相应的部件。
优选实施例详细说明图示了用于砷掺杂剂供料管组件的几个实施例。图2和3示出本发明的第一实施例。组件10完全由透明熔化石英用石英焊接和熔合技术制造。尽管在制造这个组件时可以用另一些对砷、硅和石墨不沾污和不反应的耐火材料，但透明熔化石英是优选的材料，因为透明熔化石英能允许目视观察组件内的砷掺杂剂及砷汽化并注入硅熔体中的情况。这个组件的主要构件是一种厚壁式透明熔化石英管11，该石英管11具有外径为25mm、壁厚为3mm和长度为475mm。石英管11的下端12向外扩张，以便形成漏斗形(喇叭口形)几何形状，该形状帮助把砷掺杂剂材料插入组件中。在距扩口端12约125mm的石英管表面上，设置一个环形突起14。这个环形突起14用来目视确定组件的开口端12已浸入硅熔体表面下方一个固定和预定的深度，该溶体表面在
图1中示出为标号16。这个石英管的相反末端18缩小到一个较小的外径为12mm，该较小外径部分具有长度为61mm。
焊接并熔合到25mm直径石英管上端的是一直径较大而长度较短的第二透明熔化石英管20，该第二石英管20具有外径为44mm，壁厚为3mm和长度为150mm。将这个较大直径石英管段的上端22封闭，这样在组件10的顶端处形成一个封闭式室24。如图2中所示，一段短的方形透明熔化石英棒26焊接和熔合到完成的组件10的顶部表面上。还把一个小的缺口或板片28加到方形石英棒26上，使这个突起物起一个籽晶那样的作用，并能把掺杂剂供料管组件10装配到Hamco单晶生长器内的籽晶夹上。还应注意保证象突起物那样的籽晶和管件闭合的上端之间的接合是坚固的，并把具有8mm半径的低应力式大的圆角加到这种接合上。
这种砷掺杂剂供料管组件10的操作如下。首先把组件从它的图2中所示直立位置头尾颠倒地转动180°，以使组件的扩张和开口端朝向上方。在这个位置中，可以通过组件10的开口端12灌入高达200g粒状固体砷掺杂剂材料，直至它沉降在由44mm直径石英管所形成的封闭室24内为止。在砷掺杂剂的全部装料放入供料管组件10之后，将该组件缓慢而小心地旋转180°回到它原先的如图2所示的直立位置。这时，固体的粒状砷掺杂剂材料将沉降在44mm直径石英管封闭腔或室的下端，以便它装在外管20的内壁和12mm直径缩小的管段18的外壁之间。在供料管组件10现在装载了砷掺杂剂情况下，现在它准备好用于安装到图1中所示的晶体生长器30中。晶体生长器30可以是一种15英寸的Hamco晶体生长器(型号为CG2000 RC-30)，不过在适当调节供料管组件10的尺寸情况下，也可以用别的晶体生长器。Hamco是位于纽约Rochester的Kayex的一个部门。
在晶体生长器30中完成硅装料的熔化之后，关闭单晶生长器30上的隔离阀(未示出)，并使接收室32达到环境的大气条件，以便可以打开接收室的入口门34。然后将装有砷掺杂剂的供料管组件10，用与安装硅籽晶相同的方式，装配到具有标准构造的晶体生长器籽晶夹组件(未示出)上。现在供料管组件10以供料管组件10扩口的下端12对着下方悬挂在籽晶夹组件上。现在关闭晶体生长器接收室门34，将接收室抽气以便与炉膛内部的真空(在氩气驱气情况下为14-28乇)相一致，并打开隔离阀。
现在利用籽晶夹进给驱动装置将供料管组件10下放到硅熔体表面上。当供料管组件10的扩口端12到达熔体表面16时，位于靠近组件10顶部的44mm直径封闭室底部处的砷掺杂剂，将位于硅熔体表面16上方约285mm处。利用远程多路存取计算机(MARC)(一种在该技术中众所周知的非线性有限元模型化软件)热模型化来分析本发明在用于这个目的的热区内的设计，在这个室24底部处的砷掺杂剂材料将升温到高于612℃的温度，并且将开始汽化。此时，将供料管组件10进一步下放到硅熔体中，直至石英管11中的环14与硅熔体表面16接触，也即又向下伸入了125mm。此时，在组件10的44mm直径的石英管段内的整个封闭体积现在已足够地下降到拉晶机的热区中，以致它的温度现在超过612℃，即超过砷掺杂剂的汽化温度。现在砷掺杂剂蒸汽充满室24，并向下通向供料管组件10内的25mm直径的管子11，直至它到达组件下面浸入端处的硅熔体。一旦砷蒸汽到达硅熔体的体积，它就被吸收到硅熔体中，因此赋予待从这种硅熔体中生长的硅锭所要求的特征和质量。因为在这种掺杂工艺过程中供料管组件10内的体积与晶体生长器的内部体积隔离，所以只有最少量的砷掺杂剂损失并排出晶体生长器，而大部分砷掺杂剂被硅熔体吸收。
在砷掺杂剂已汽化并吸收到硅熔体中之后，供料管组件10向上抽回脱离熔体体积，并返回晶体生长器上的接收室32内。此时，关闭晶体生长器30的隔离阀，并给接收室32泵送气体回到环境大气条件，这样能允许打开接收室门34。然后从籽晶夹组件中取下砷掺杂剂供料管组件10，并将硅籽晶安装在籽晶夹组件中。关闭接收室门34，将接收室32抽真空，并打开晶体生长器隔离阀。现在晶体生长器可以进行硅锭生长工艺过程，硅熔体现在掺杂到具有所要求的砷掺杂剂浓度。鉴于砷的剧毒性质，所以在这种工艺期间应总是采取适当的安全措施。
本发明一个可供选择的实施例在图4和5中示出。在这个实施例中，距掺杂剂供料管组件10的下端12为125mm设置的环14用一圆盘40代替，该圆盘40用透明熔化石英制成，圆盘40焊接并熔合到供料管上。在这个实施例中，这个圆盘40厚为5mm和直径为150mm。这个实施例的操作与图2和3所示实施例的操作几乎相同，并且这个圆盘形部件与环形部件起相同作用。在这两个实施例中，供料管组件的末端都浸入熔体中。
当无论是图2和3中的环14还是图4和5中的圆盘40接触熔体表面16时，供料管组件的末端12都浸入硅熔体中一个固定的所需距离，用于砷掺杂剂的正确汽化及它在硅熔体中的吸收。然而，如图4和5中所示的圆盘40还起一个附加的作用。当砷蒸汽从供料管组件10的浸入端12释放到硅熔体中时，砷蒸汽能围绕供料管组件10的外径向上“鼓泡”(冒泡)，并在它被吸收到硅熔体中之前到达硅熔体表面16。如果砷蒸汽在吸收之前到达熔体表面，则砷蒸汽可能会从熔体表面放出，并且砷掺杂剂可能被损失掉。通过将圆盘40放在供料管组件10上并把圆盘40放在熔体表面16处，圆盘40将起一种屏障或阻挡层(挡板)作用。任何到达熔体表面16处的砷蒸汽都将被圆盘40挡住，并在它能逸出熔体表面之前被迫前进一段更长的距离才到达圆盘40的外径上。这将迫使砷蒸汽在熔体中度过更多时间，同时让更多的砷掺杂剂被硅熔体吸收。
本发明另一个可供选择的实施例在图6中示出。在这个实施例中，供料管组件50固定到一个机械滑动组件52上，该机械滑动组件52安装在晶体生长炉30的外部。为此，采用目前设置在Hamco小直径晶体生长器上的炉子30过渡段上的掺杂剂通入口54。机械滑动组件52与所附连的供料管组件50一起装配到这个通入口54上，以便供料管组件50的下端56可以贯穿通入口54进入炉子30，并将供料管组件50的下端56浸入硅熔体中。
机械滑动组件52可以用人工操纵，或是在用晶体生长器可编程序逻辑控制器(PLC)驱动和控制下伸展和收缩。机械滑动组件52所要求的真空密封，可以通过或是用滑动环形密封圈(未示出)或是通过用金属波纹管(未示出)完成。滑动环形密封圈方案比波纹管密封方案成本更低，并且制造更快。然面，环形密封圈方案由于密封圈的滑动作用而容易产生并放出污染粒子。因此，优选的是使用金属波纹管胜过环形密封圈。
与上述实施例把砷掺杂剂放在供料管组件中并在晶体生长器内装配到籽晶夹上不同，砷掺杂剂起初放入同样的Hamco筒形组件中，该筒形组件通常是用来把掺杂剂通过掺杂剂通入口54加到Hamco小直径晶体生长器上。然后将这种掺杂剂筒装配到机械滑动组件52和供料管组件50上。这可以在开始晶体生长过程之前，在晶体生长器叠加和装上块状多晶硅时完成。在过程开始并且熔化阶段完成之后，再将供料管组件50伸过通入口54并将供料管组件50的下端56浸入硅熔体中。目前的掺杂剂筒组件57具有一个阀，该阀在此时可以打开，以便将掺杂剂向下放入供料管50，在此处掺杂剂将汽化，然后被吸收到硅熔体中。在这种设计情况下，可以通过配件59提供氩气驱气，该配件59将让氩气流穿过掺杂剂筒和穿过供料管组件50，以便保证这些部件在完成熔体掺杂过程时，完全清除任何留下的砷掺杂剂。
图7和8是如在图6所示组件中使用的供料管组件50的末端的两个实施例的视图。在图7所示的实施例中，在供料管组件的末端56附近，安放一个滤网或挡板58。当砷掺杂剂沿着供料管组件50降落时，它被挡住并搁在滤网或挡板58上。现在砷是在高温带内的一个热区内，在此处它将汽化。这个热区构成装有下放到生长室中的粒状固体掺杂剂的室的至少其中一部分。然后砷蒸汽可以通过滤网或挡板58内的一些小孔60，这些小孔60太小，以致不能让粒状固体砷粒子通过。然后将砷蒸汽注入硅熔体中，在硅熔体中砷如上所述被吸收。在图8的实施例中，滤网或挡板58用一段短的小直径管道62代替，该管道62用作一个分流管(旁通管)。当加入固体砷时，它经过分流管62开口的上端64落下，并搁在正好位于分流管入口下方的架子66上，并且该架子66关闭供料管组件，只有一个小孔与供料管组件的下端68对准。当砷汽化时，砷蒸汽将回注供料管组件50，然后可以穿过分流管62逸出，穿过它的下端68并到达硅熔体。在图7和8两个实施例中，可以加入氩气驱气，以便将全部砷蒸汽驱入硅熔体中。
当介绍本发明或本发明实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”规定意思是指有一个或一个以上元件。术语“包含”、“包括”和“具有”规定为包括和意思是指除了列举的元件之外还可以有附加的元件。
鉴于上述情况，可以看出，本发明的几个目的都达到了，并得到另一些有利的结果。
在不脱离本发明范围的情况下，上述构造和方法可以进行各种改变，在上述说明中所包含的和附图中所示出的所有事项都将理解为是例证性的，并且没有限制的意义。
权利要求
1.一种用于将一种掺杂剂供给到晶体生长器内硅熔体中的供料管组件，它包括一个细长的供料管，该供料管具有一个开口的上端和一个开口的下端；一个封闭室，该封闭室围绕并封闭供料管开口的上端设置，并形成在其中装入预定量的掺杂剂固体材料；供料管开口的上端伸入该室内足够的距离，以便当供料管设置成处于直立位置时，预定量的掺杂剂粒状固体材料是在供料管上端的下方。
2.根据权利要求1所述的供料管组件，其特征在于供料管邻近其开口的上端的上端部分，具有从供料管主要部分减小的直径。
3.根据权利要求1所述的供料管组件，其特征在于供料管邻近其开口的下端的下端部分，具有比供料管主要部分大的直径。
4.根据权利要求3所述的进料组件，其特征在于该下端部分是漏斗形。
5.根据权利要求1所述的供料管组件，其特征在于掺杂剂供料管组件的长度选定成，当供料管开口的下端接触晶体室中的硅熔体表面时，封闭的供料管室内的粒状固体砷掺杂剂设置在晶体生长室内的一个位置处，在该位置砷掺杂剂至少达到它的汽化温度。
6.根据权利要求1所述的进料组件，其特征在于包括一个环，该环同心地连接到供料管上，距供料管下端一个预定的距离。
7.根据权利要求1所述的供料管，其特征在于包括一个圆盘，该圆盘同心地连接到供料管上，距供料管下端一个预定的距离。
8.根据权利要求7所述的供料管，其特征在于该圆盘具有足够的直径，以便当圆盘设置在熔体表面上时，以防汽化的砷掺杂剂在被熔体吸收之前从熔体中逸出。
9.根据权利要求1所述的供料管，其特征在于它用石英制造。
10.一种用于将砷掺杂剂供给到硅晶体生长机中硅熔体的方法，上述晶体生长机包括一个晶体生长室，该方法包括以下步骤将预定量的粒状固体砷掺杂剂放入一个连接到一个供料管上的封闭室中，当供料管处于直立位置时，供料管的开口的上端位于粒状固体砷掺杂剂的上方；将供料管的下面开口端下放到硅熔体中，以使它在熔体表面的下方，并将装有粒状固体砷的封闭室下放到晶体生长室中，以便使粒状固体砷汽化，并通过供料管进入熔体中。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于供料管在管子外部设置一个深度指示器，用于当指示器处于熔体表面时，用目视确定管子在熔体中的深度。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于指示器是一个同心地连接到供料管上的圆盘。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于圆盘具有足够的直径，以防汽化的砷掺杂剂在被熔体吸收之前从熔体中逸出。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于圆盘直径至少约为150mm。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于指示器是一个同心地连接到供料管外部的环。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于供料管开口的下端是漏斗形。
17.一种用于将砷掺杂剂供给到一个硅晶体生长机内的硅熔体的方法，该硅晶体生长机包括一个晶体生长室，该方法包括以下步骤将预定量的粒状固体砷掺杂剂放入与一个供料管连通的一个供料管组件的一个上部室中，该上部室具有一个封闭的上端；将供料管的下面开口端下放到硅熔体中，以使它位于熔体表面的下方，并将装有粒状固体砷掺杂剂的室的至少一部分下放到晶体生长室中，以便使粒状固体砷汽化，并通过供料管进入熔体。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，该放入步骤包括将预定量的粒状固体砷掺杂剂放入一个连接到供料管上的封闭室中，当供料管处于直立状态时，使供料管开口的上端位于粒状固体砷掺杂剂的上方。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，该放入步骤包括将预定量的粒状固体砷掺杂剂放在一个连接到供料管上的该室中挡板上，使挡板的下侧与供料管的下端连通。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于供料管在管子的外部设置一个深度指示器，用于当指示器处在熔体表面处时，用目视确定供料管在熔体中的深度。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于指示器是一个同心地连接到供料管上的圆盘。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于圆盘具有足够的直径，以便防止汽化的砷在被熔体吸收之前从熔体中逸出。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于圆盘直径约为150mm。
24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于指示器是一个同心地连接到供料管外部的环。
25.根据权利要求17所述的方法，其特征在于供料管开口的下端是漏斗形。
26.一种用于将砷掺杂剂供给到硅晶体生长机内的硅熔体的方法，该晶体生长机包括一个晶体生长室，该方法包括以下步骤设置一个掺杂剂供料管，该掺杂剂供料管具有一个下面开口端和一个封闭的上面开口端以及一个位于其中的挡板；将供料管的下面开口端下放到硅熔体中，以使它在熔体表面的下方，而使挡板在晶体生长机的一个热区中；将预定量的粒状固体砷掺杂剂放在挡板上，以便使粒状固体砷汽化，并通过供料管的下面开口端进入熔体。
全文摘要
在硅晶体生长机中，将砷掺杂剂通过一密封的供料管加入硅熔体中，该密封的供料管具有一个浸入硅熔体表面下方的开口端。然后将所产生的砷蒸汽直接加入硅熔体体积中，使在硅熔体上方的晶体生长器体积内的砷蒸汽损失为最小。掺杂剂供料管可以制成为一个组件或制成为一个分离的组件，上述组件连接到晶体生长器籽晶夹上并用籽晶夹驱动机构下放到硅熔体中，而上述分离的组件可以通过硅熔体上方晶体生长器室壁中的一个通入口向硅熔体中伸出或从中缩回。
文档编号C30B29/06GK1432075SQ01810286
公开日2003年7月23日 申请日期2001年4月4日 优先权日2000年5月10日
发明者C·F·切尔科, M·巴纳, M·库尔卡尼 申请人:Memc电子材料有限公司