[发明专利]晶体生长设备及晶体生长方法

说明书

本发明涉及晶体生长设备及晶体生长方法。更具体而言，本发明涉及在晶体生长过程中能自动控制晶体直径的设备和方法。本发明还涉及在晶体生长中使用的坩埚。

低缺陷单晶的生长，一直是例如半导体工业大量研究的课题。这一类晶体是制造各种半导体器件所必不可少的母体。

生长单晶的切尔劳斯基(Czochralski)晶种-拉单晶技术是众所周知的[例如物理化学杂志(Z.Physik.Chem.)(Liebzig)92,219(1918)]。采用这种技术使晶种与熔融的材料(熔料)发生接触，有利于进一步结晶。如此制造的晶体，是在其生长时从熔料中拉出的。已经开发出晶体生长的双坩埚方法[例如，应用物理杂志(Journal of Applied Physics),29no.8(1958)pp1241-1244和美国专利5,047,112]。该设备一般包括一个外坩埚，其中装有与生长晶体组成相同的熔料。一个内坩埚，浮在外坩埚中的熔料上，穿过内坩埚侧壁的底部有一个小通道，使熔料从外坩埚流入内坩埚。

最近叙述了一种改进的双坩埚方法(英国专利9412629.9)，其中采用一个注射器，使熔融材料进入第一个坩埚，第一个坩埚是由导热率高于形成第二个坩埚所用材料的高热导材料形成。注射器的构成，使与第一个坩埚的熔融材料具有较高的热接触，与第二个坩埚的材料具有较低的热接触。

任何晶体生长技术的一个重要方面，就是在整个生长过程中用目视观察、测定和控制晶体的直径。自动控制直径最常采用的方法是称量晶体或称量坩埚重量的方法[例如，H.J.A.van Dick等人，电子学学报(Acta Electronica)17 1 45-55(1974)和美国专利2,908,004]。采用这种方法测定重量的变化率，用其计算晶体的直径。然而，采用这种方法却有几个缺点。

对于某些材料，在熔点液态的密度大于固态的密度。因此，如果熔料的温度升高，由于提高温度的结果，弯液面的高度相应增高，尽管晶体的直径减小，但晶体的重量却似乎在增加。这种作用会提供与所要求的符号相反的控制信号。包括锑化铟在内的大部分Ⅲ-Ⅴ族的半导体，都会出现这种问题。此外，晶体还受一个由表面张力引起的向下的力，该力与相对晶体竖轴接触角的余弦成正比。在某些材料中，其中包括大部分Ⅲ-Ⅴ族的半导体，液体和晶体的有效接触角是正的。在提高温度时，恰好在晶体熔料界面之下的弯液面的直径减小，相对晶体竖轴的有效接触角也减小。因此，由于表面张力，表观重量增加，所以给出与减小直径所要求的相反符号的控制信号。在英国专利1494342和1465191中阐明了这些问题。

自动控制晶体直径的称重方法的另一个问题是，差分有效地放大了重量信号中的噪音。因此，在低生长速率下，差分重量信号小时，噪音在重量信号中的作用增加，差分信号的信噪比变差。实际上，这意味着在生长速率低于2mm/h时，这种方法几乎没有用处。此外，对于较大晶体的生长，称重设备必须具有较大的称重载量，因此不可避免地会使分辨能力降低。这使得在小直径下，控制生长的精确性较小。在密封熔料的情况下，密封剂施加一种浮力，该浮力能有效地减轻晶体的重量。例如，这种影响视密封剂的深度、晶体的直径和从晶体中排出的密封剂量而变化。

也将X-射线图象技术用于晶体直径的自动控制[例如，H.J.A.van Dick等人，电子学学报(Acta Electronica)17 1 45-55(1974)]。然而，这种技术也有几个缺点。有与X-射线相关的受辐射危害的危险，辐射防护的费用可能是很贵的。此外，由于需要的设备尺寸大，并需要将其安装在晶体生长设备的周围，所以这种技术可能是不方便的。还需要X-射线透过的窗口。这种图象设备的费用是较贵的。