[发明专利]晶体生长的改进

说明书

本发明涉及一种均匀组成的晶体生长方法。

低缺陷的单晶生长已经成为例如半导体工业中引人注意的研究课题。这种晶体在制造各种各样的半导体器件中是重要的前体。

生长单晶的(zdchralski拉晶(seed-pulling)技术是众所周知的(例如Z Physik.Chem.(Liebzig)92，219(1918))。通过这种技术使籽晶与熔融物料(熔体)接触而进一步促进结晶过程。如此形成的晶体随其生长从熔体中被拉制出来。

然而，对于一种以上成分的异元(incongruent)凝固熔体(在此场合液体和固体的温度是不同的)来说，这种方法不会使整个晶体内的成分均匀。这是因为从指定熔体中结晶的晶体组成就其成分与熔体是不同的(见例如S Glasstore，“The Elements of Physical Chemistry”P384，Macmillan出版，1956)。因此，对于封闭体系来说，熔体的组成随结晶的进行变化，晶体生长也因此随结晶的进行而变化。

为了能产生均匀组成的晶体，开发了双坩锅工艺(例如Journal ofApplied Physics，29，no.8，(1958)pp 1241-1244和U.S.5，047，112)。

通常，这种工艺的设备包括盛有与晶体生长相同组成的熔体的外坩锅。内坩锅浮在外坩锅熔体上，并有通过内坩锅底部或侧壁的小通道允许熔体从外坩锅流入。

晶体从内坩锅的熔体提拉(内坩锅经通道从外坩锅得到补充)，并且，在平衡条件下，具有与外坩锅熔融物料相同的组成。

通常，每一坩锅内含物的各自熔点是有区别的而且双坩锅工艺的主要属性(如所用异元凝固)在于必须保持外坩锅和内坩锅间的温差：晶体从内坩锅熔体拉伸的温度低于必须保持外坩锅熔体所需的温度。

对于规定的熔体组成，欲达到的温差尤其依赖于各坩锅的尺寸(包括壁和底的厚度)，坩锅材料的热导率以及用于达到熔融的热源功率和构型。

两个坩锅各自内含物间的熔点差和保持两个坩锅间温差的一个后果是，当熔体流过通道进入内坩锅时熔体倾向凝固。当使用具有异元凝固的浮置坩锅技术时堵塞是所遇到的主要问题之一。

通过增大孔的尺寸可以降低凝固阻塞孔的倾向，然而这样做会增强内坩锅中熔体扩散返回外坩锅的倾向(见例如GR Blackwell，SolidState Electronics 7 105(1964))。当此发生时，外坩锅中的熔体组成不再维持恒定而因此形成的晶体组成也不再均匀。

浮置坩锅技术的另一属性是如果能维持整个体系为对称温度分布的话，就必须保持内坩锅与外坩锅同轴。当内坩锅漂向外坩锅壁时，不希望的外部熔体的部分凝固可能会发生。

为解决这一问题，设计出了装有定位架或隔离板以保证内坩锅基本上与外坩锅同轴的内坩锅。然而，这种设计导致另一问题，即内坩锅的粘附(sticking)。当晶体生长开始时，外坩锅熔体的液面下降而浮置的内坩锅也随之下降。在内坩锅上装有隔离板或定位架的情况下，有增加内坩锅粘附的倾向，结果引起不均晶体的生长或者在极个别情况下完全停止生长过程。

双坩锅工艺的另外缺点是在晶体生长完全后，剩余的熔体在双坩锅组合件内冷却固化结果将两个坩锅融合在一起。这种情况会引起许多坩锅破裂或被抛弃。理想地，在冷却和固化进行之前即行分离两个坩锅，然而晶体生长通常是在提高温度下进行的，并且双坩锅组合件一般在生长过程中保持在封闭式、惰性气氛中，为的是防止熔体的成分氧化或其它性质的降解。因此在冷却前手动分开两个坩锅而又不使剩余熔体暴露在外面大气下是困难的。

通常使用双坩锅技术时所遇另外的一个问题是，在两个坩锅装入适当的熔体后，由于气体经常被关在共熔体流入内坩锅用的通道内而使熔体-气体交界面上的表面张力阻止熔体从外坩锅流向内坩锅。

本发明提出一种解决上述问题的方案，提供一种为降低熔体流经通道进入内坩锅时经历的温度降的装置。该装置采用具有另外优点的注入器形式，如有必要还可拆卸和替换。内坩锅由于装有定位装置所以粘附问题可以减轻，定位装置位于外坩锅的外面，并且残留坩锅内的熔体凝固问题由于在晶体生长结束后有能立即卸掉内坩锅的装置所以也可得到降低。本发明另一方面包括除去截留在内坩锅通道中的气体方法，以便于熔体从外坩锅流入内坩锅。

按照本发明，晶体生长设备包括：

第一坩埚(外部)，供盛放供料用的熔融物料；

第二坩埚(内部)，具有使第一坩埚熔融物料进入其中的装置；

供加热第一坩埚内含物的装置；和

从第二坩埚中的熔体提拉生长晶体的装置，