制备半导体单晶用的双层坩埚制造技术

本发明专利技术涉及半导体生长用的双层坩埚，它由内、外坩埚组成，内坩埚环状壁为倒置的截圆锥筒状、截棱锥筒状其中的一种，内坩埚上口直径（指拉晶尚未进行时液面处的内坩埚直径）为外坩埚直径的Ａ.＊倍。其下口直径为外坩埚直径的Ｂ.＊倍，在内坩埚的接近双层坩埚底处的环状壁上至少有一个小孔。优点是能拉制出掺杂剂轴向分布均匀的半导体晶体，且结构简单，易于制造，成本低，对半导体原料形状无特殊要求，便于拉晶时观察和操作。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及自熔融液提拉法(CZOCHRALSKI)半导体单晶生长用的双层坩埚，更确切地说是用双坩埚法生产单晶硅、锗、砷化镓等半导体材料用的双层坩埚，尤其是用于单晶硅棒的生产中。半导体单晶，特别是半导体硅单晶是现代电子工业的基础材料。目前大部分是以提拉法生长，也就是将多晶状态的半导体原料放入石英坩埚中，加热熔化后用籽晶向上提拉，熔体硅(或锗或砷化镓等)沿籽晶晶向生长出单晶硅(或单晶锗或单晶砷化镓等)。为了获得具备一定导电性能和导电型号的硅单晶(或锗单晶或砷化镓单晶)，需要在硅熔体(或锗熔体或砷化镓熔体)中加入特定的杂质又叫掺杂剂，以满足各种器件的苛刻要求。从盛在坩埚里的已掺杂的熔体中生长晶体，本质上是一种正常凝固，由于掺杂剂的分凝作用，使晶体的轴向电阻率出现连续变化。例如在CZOCHRALSKI生产单晶硅的方法中，只用一个石英坩埚来盛装原料多晶硅，而其中人为控制加入的掺杂剂的分配系数一般小于1，在拉制锗、砷化镓单晶时情况也是如此。在拉出的晶体中掺杂剂按pfann公式沿轴向分布Cs＝KCol(1-g)K-1式中Col为硅熔体中(或锗熔体或砷化镓熔体中)初始的掺杂剂浓度，g为熔体的结晶百分比，Cs为晶体中掺杂剂的浓度，K为掺杂剂分配系数。随着拉晶的进行，即g的增大，晶体中掺杂剂浓度Cs逐渐增大，结果晶体中掺杂剂的分布是不均匀的。制作半导体器件如集成电路、电力电子器件等，都要求硅单晶具有指定的掺杂剂浓度，而且掺杂剂在晶体中分布要均匀，或者充许有一较小范围的变化。所以若用单坩埚法拉制的晶体，成品率很低，而且掺杂剂分配系数K越偏离1，成品率就越低。为了拉制出掺杂剂沿轴向分布均匀的晶体，进行了许多研究工作。采用浮置坩埚装置可以获得掺杂剂沿轴向均匀分布的锗单晶(J.Appl.phys.29.1241，1958)，在该法中所用的双层坩埚是一个小坩埚浮置在盛装于大坩埚的熔体之中，小坩埚(又称内坩埚)的底部有一个管道使内坩埚与大坩埚(又称外坩埚)相通，使内、外坩埚的熔体液面处于同一水平。晶体就在内坩埚内生长。通过改变内坩埚与外坩埚中熔体内掺杂剂的浓度并保持内坩埚中熔体量不变，使补充到内坩埚的熔体中掺杂剂的浓度与拉出晶体中的掺杂剂的浓度相同。就是说，若拉出晶体中的掺杂剂浓度为KCo。内坩埚的熔体中掺杂剂浓度为Co，外坩埚熔体中掺杂剂的浓度为KCo。从而保证晶体中掺杂剂浓度保持恒定。但是由于内坩埚漂浮在熔体中。内坩埚的位置不易固定，易晃动，给拉晶工作的操作带来不便，对于必需使用石英坩埚的硅、砷化镓及特殊要求的锗单晶生长，由于石英在高温下软化，易粘附在外坩埚壁上，使拉晶工作不能顺利进行。专利文献EP-283903介绍了一种用于拉制硅单晶棒的双层石英坩埚，这种双层石英坩埚由内坩埚和外坩埚所组成，内坩埚和外坩埚均用石英制作，内坩埚安放在外坩埚中，并于在大约1350°-1650℃的温度下，使内坩埚与外坩埚在它们的底部熔接在一起。内坩埚与外坩埚的环状壁均与双层石英坩埚的底相垂直。在内坩埚环状壁的下部有二个小孔，使内坩埚与外坩埚相通。在拉制单晶时，将颗粒状的原料，例如颗粒状的多晶硅原料装入内坩埚中，进行熔化，拉晶。利用这种双层石英坩埚能拉制出掺杂剂沿轴向分布均匀的硅晶棒，而且内坩埚固定在外坩埚中，避免了内坩埚在拉制晶体时的晃动。但是利用这种坩埚拉制硅单晶时所用的原料必须是颗粒状的多晶硅原料，不能用块状多晶硅为原料。若用块状多晶硅为原料，在熔化原料时易使内坩埚环状壁变形，且内坩埚壁与双层坩埚的底相垂直，内坩埚上口较小，所以视野小，在拉制单晶时不便于观察，拉晶时操作不便。产品合格率低。东芝陶瓷公司提出了一种用于硅单晶生长的Fccz法(J.Electronic Engineering.25，81-82，1988)，在该法中所使用的双层坩埚见附图说明图1。该法所用的双层坩埚也是由内坩埚和外坩埚所组成，内坩埚为直筒状，其直径小于或等于外坩埚直径的 倍，K为所拉制晶体中掺杂剂的分配系数。在内坩埚的底部有一个细长的石英管，使内坩埚与外坩埚相通。这个细长的石英管不能太细，太细了使熔硅无法自由流通，其内径一般为φ5mm，长度为150mm。所安装的细长石英管的作用是防止掺杂剂从内坩埚扩散到外坩埚中，同时又让熔硅自由流动。利用这种结构的坩埚能够拉制出掺杂剂沿轴向分布均匀的硅单晶棒，其缺点是由于在内坩埚的底部安装了一个细长的石英管，使双层石英坩埚的制作工艺复杂化，双层石英坩埚的成本增高，也使得拉晶工作不能进行到底，熔体拉不干净;内坩埚为直筒状，且内坩埚的直径必须小于或等于 倍的外坩埚直径，视野小，影响对单晶生长的观测，拉晶工作操作也不方便，晶体生长受到很大限制，同时由于底部带有细长的石英管，双层坩埚必须预先制作，使用的原料必须是颗粒状，否则坩埚变形，而颗粒状的原料不易得到，细长的石英管也易变形堵塞。本专利技术的目的就在于研制出一种新的用于制备半导体单晶的结构简单的双层坩埚，使得这种新的双层坩埚易于制造，成本低廉，适用于各种形状的原料(例如块状，颗粒状)，在拉制晶体时又便于观察，便于拉晶操作，又能拉制出掺杂剂轴向分布均匀的半导体单晶。本专利技术的一种用于制备半导体单晶用的双层坩埚，由内坩埚和外坩埚所组成，内坩埚安放在外坩埚内，外坩埚的环状壁为直筒状，其内坩埚的环状壁为上口大下口小的倒置的截圆锥筒状、上口大下口小的倒置的截棱锥筒状其中的一种，内坩埚上口直径为外坩埚直径的A· 倍(K为掺杂剂分配系数，外坩埚环状壁为直筒状，直筒状可分为直圆筒状或直棱筒状，若外坩埚的环状壁为直圆筒状则其直径为圆的直径，若外坩埚环状壁为直棱筒状，则其直径为多边形外接圆的直径;若内坩埚的环状壁为倒置的截圆锥筒状，其上口直径为上口圆的直径，若内坩埚的环状壁为倒置的截棱锥筒状，其上口直径为上口多边形外接圆的直径，内坩埚上口直径指拉晶尚未开始时的液面处内坩埚直径，实际的上口可以高出液面，下同)内坩埚下口直径为外坩埚直径的B· 倍，其中A＝1.1～1/ ，B＝0.8～1.0，与内坩埚的高度无关。在内坩埚环状壁上接近双层坩埚的底处至少有一个小孔，使内坩埚与外坩埚相通。若外坩埚的半径为R，则内坩埚上口直径为2A· R。其下口直径为2B· R。本专利技术的双层坩埚中的外坩埚的底可以为曲面，亦可为平面，其环状壁可为直棱筒状、直圆筒状其中的一种，又以直圆筒状为好。内坩埚的环状壁可以为上口太下口小的倒置的截棱锥筒状或上口大下口小的倒置的截圆锥筒状，以上口大下口小的倒置的截圆锥筒状为宜，因为便于制作。内坩埚可以无底，而以外坩埚的底为其底，亦可以有底，以无底为好，这样可以节省原材料，又便于制作，内坩埚、外坩埚一般用石英材料制作。若拉制锗单晶可用石墨材料制造。内坩埚和外坩埚最好同轴。双层坩埚若用石英制作，内坩埚与外坩埚在熔化半导体原料前是分离的，外坩埚中半导体原料熔化后，两者熔接在一起。在使用本专利技术的双层坩埚拉制单晶时，首先在外坩埚内装入多晶半导体原料(拉制单晶硅时其原料多晶硅可以是块状亦可以是颗粒状)，在900°-1650℃的温度范围内熔化半导体原料，熔化半导体原料的温度视不同的半导体原料而定，熔化多晶硅以在1450°-1650℃的温度范围内为好，熔化锗多晶在960℃～1100℃，熔化砷化镓多晶在12本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备半导体单晶用的双层坩埚，由内坩埚和外坩埚所组成，内坩埚安放在外坩埚内，外坩埚的环状壁为直筒状，本专利技术的特征是，内坩埚的环状壁为上口大，下口小的倒置的截圆锥筒状、倒置的截棱锥筒状其中的一种，内坩埚上口直径（指拉晶尚未开始时的液面处内坩埚的直径）为外坩埚直径的Ａ.＊倍（Ｋ为掺杂剂分配系数），内坩埚下口直径为外坩埚直径的Ｂ.＊倍，其中Ａ＝１．１～１／＊，Ｂ＝０．８０～１．０，在内坩埚环状壁上接近双层坩埚的底处至少有一个小孔。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王体虎，秦福，李英春，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]