[发明专利]从熔体中生长硅单晶的方法和装置

说明书

本发明涉及从熔体中生长硅单晶的方法和装置。更确切的说，涉及一种生长硅单晶的方法，是通过切克劳斯基(Czochralskimethod)方法生长硅单晶时在熔体上施加水平磁场，即所谓的HMCZ法。

如专利EP0745706A1中揭示，已知在熔体上施加水平磁场减少了坩埚中熔体的对流及SiO的溶解。因而，在熔体上施加水平磁场对于生产具有较低氧浓度的硅单晶来说，是一种较为合适的手段。

还已知，通过增加惰性气体在硅单晶和熔体自由表面的热遮蔽体之间的流动速度，能够降低硅单晶中的氧含量。增加的气体流动速率加快了对从熔体中蒸发出来的SiO的运输，因而在硅单晶的生长中会掺入较少的氧。

JP 2004-196569A公开了一种HMCZ方法，其包含同时控制水平磁场的轴向位置以及气流强度，以便生产低氧硅单晶。但是，控制水平磁场的轴向位置需要复杂的控制系统。

本发明的目标是提供一种方法，该方法适合于生产低氧硅单晶，并且只需少量的手段来控制氧含量。

该目标通过一种从熔体中生长硅单晶的方法来实现，所述方法包含：

在坩埚中提供熔体；

在熔体上施加水平磁场，磁场在磁场中心C具有磁感应B；

将在硅单晶和热遮蔽体之间的气体导向熔体自由表面，并且

控制气体从熔体自由表面区域上方通过，所述熔体自由表面按基本上垂直于磁感应B的方向延伸。

该目标进一步通过一种从熔体中生长硅单晶的装置来实现，该装置包含：

用于承载熔体的坩埚，

磁系统，用于在熔体上施加水平磁场，该磁场在磁场中心C具有磁感应B，

围绕硅单晶的热遮蔽体，该热遮蔽体具有与面对熔体自由表面的底盖连接的低端，该低端相对于坩埚轴M具有非轴对称形状，从而在硅单晶和热遮蔽体之间导向熔体自由表面的气体被底盖驱使流过熔体自由表面，所述熔体自由表面按基本上垂直于磁感应B的方向进行延伸。

通过采用本发明，可以在至少大于50％、优选至少大于70％、最优选大于至少80％的硅单晶圆柱部分长度上生长出氧浓度小于5*10⁷个原子/cm³(根据新ASTM)的硅单晶。

施加在熔体上的水平磁场抑制了熔体内的热对流，主要是抑制熔体区域中平行于磁感应(B)方向的热对流。根据本发明，使导向熔体自由表面的气体流过熔体自由表面区域，在所述区域内熔体中SiO的蒸发有所增强，原因是该方向上的热对流没有被水平磁场所抑制。控制所述气体从熔体自由表面上方区域流过提高了SiO的移除，并且明显降低了熔体和硅单晶中的氧浓度。

根据另一方面，本发明还提供了一种降低惰性气体消耗的技术方案，所述惰性气体用来控制大直径硅单晶(如直径300mm，450mm或者更大)中的氧浓度。通常来说，获得生长的硅单晶中目标氧含量所需的惰性气体流速取决于硅单晶的直径。例如，与直径为200mm的单晶中保持相同氧浓度所需的惰性气体流速相比，在直径为300mm的硅单晶中保持目标氧浓度需要更高的惰性气体流速。如果必须采用常规方法抽拉直径超过300mm的硅单晶，则会由于技术原因(如泵或者真空系统不足)，导致越来越难以提供所需的气流。但是，通过采用本发明所述方法，可以避免这些困难，因为与采用常规方法获得相同氧含量所需的惰性气体流速相比，获得硅单晶中一定氧目标浓度所需的惰性气体流速更低。

水平磁场通常借助于磁系统产生，磁系统包括围绕坩埚对称设置的(相对于坩埚轴M)的若干线圈。本发明限定的磁场中心C是为将线圈分为两半的水平面与坩埚轴M的相交点。磁感应B表示磁场中心C处水平磁场的磁感应。

图1为显示适于根据HMCZ方法生长硅单晶的炉的典型特征的示意性截面图，以及本发明的特征。