TW403935B - Method for producing silicon single crystal - Google Patents

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403935 B7 五、發明説明（） 1 發明背景 發明領域： 本發明關於一種用柴克勞斯基（Czochralski)法（ C Z法）來製造矽單晶之方法，包括使用矽種晶（以下偶 爾稱作種晶），執行頸縮作業，及使矽單晶棒成長。 相關技藝之說明 在一依照C Z法來製造矽單晶的習知方法中，使一種 爲矽單晶的種晶接觸矽熔體，然後在旋轉中慢慢地拉伸以 生長成爲矽單晶棒。在此方法中，爲了消除差排< dislocation >(其係由於高密度種晶內因熱震所產生滑移差 排之傳播所引起的），在矽種晶與矽熔體接觸後形成具有 較小直徑（如約3毫米）的頸部，即是執行所謂的頸縮作 業。之後，使晶體的直徑增加至一預定値，然後無差排的 矽單晶可被拉伸。上述頸縮作業係眾所周知的Dash頸縮方 法，其係一種依照C Z法拉伸矽單晶棒的常見方法。 經濟部中央揉準局貝工消费合作杜印裝 {請先聞讀背面之注意事項再产本頁) 習用的種晶係具有約8至2 0毫米直徑的圓柱形或具 有約8至2 0毫米邊長的稜柱形，其中在其上形成一切離 部或凹口以便附著於種晶夾持具，且其與矽熔體首先接觸 的下端形狀係平的》爲安全地拉伸重的單矽晶棒，鑒於材 料的強度所以種晶不能小於上述値。 在一具有該形狀的種晶內，滑移差排發生在高密度內 ，因爲下端（與矽熔體接觸）的熱容量係大的，當種晶與 矽熔體一接觸時就在晶體內快速地產生溫度差異，導致在 本纸張尺度適用中國國家標率（CNS ) Α4规格（210Χ 297公釐）.4. 經濟部中央揉準局負工消费合作杜印裝 403935 五、發明説明& ) 高密度內發生差排。因此，需要上述頸縮作業來消除單晶 內的滑移差排。 然而，在上述方法中，必須將頸部減小到約3至5毫 米以便消除差排，縱使當適當地選擇頸縮條件時。如此的 小直徑之強度係不足以支撐單晶棒如近年來所製造者，其 已經由於增加直徑而愈來愈重。此可能產生嚴重的事故， 如當拉伸單晶棒時細頸部會斷裂，且單晶棒掉落。 爲了解決上述問題，申請人提出發明，如日本專利申 請案公開（kokai )第5-139880號和第 9 — 2 5 548 5號（曰本專利申請案號8 — 8 7 1 87 )中所揭示的。在這些發明中，一具有楔或空心下端的種 晶用於儘量地減少當種晶與矽熔體接觸時所發生的滑移差 排，俾可消除差排，縱使當頸部相當厚時，且因此可改善 頸部的強度。 根據此方法，可將頸部的強度改善之某一程度，因爲 可形成厚的頸部。然而，即使在此方法中，執行頸縮作業 而形成一種頸部，其中出現滑移差排。再者，頸部必須更 厚以便用於製造一種具有較大直徑且較長的晶棒，如近年 來所製造者。例如，頸部的直徑必須至少5毫米以便拉伸 一具有2 0 0公斤或更重的單晶棒，否則強度係不足的》 因此，這些發明基本上不能解決問題。 一使用具有上述特殊尖端形狀的種晶之縮頸方法的另 一問題係關於無差排晶體的製造成功率。當以上述方法無 法消除差排時，必須更換種晶以再次執行此方法。因此， 本紙張尺度適用中國困家標準（CNS > A4规格（ 210X297公釐）-5- 11-M.------^------tr------0 (請先閱讀背面之注意事項再广；本筲) 經濟部中央標準局貝工消费合作杜印製 403935 at ___B7_-_ 五、發明説明G ) 在此方法中改善無差排晶體之製造成功率係特別重要的。 用厚的頸部不能達成差排的去除•依照習用的頸縮方法， 當頸部直徑大於6 - 7毫米時係難以達成差排的去除。 本案發明人硏究無差排晶體之製造成功率降低的原因 ，而發現控制習用方法中已經控制的因素，如種晶形狀、 種晶保持在熔融表面上時的溫度維持時間、熔化速率或類 似者，係不足以改善無差排晶體之製造成功率和再現性。 發明槪述 已經完成本發明以解決上述先前問題。本發明一目的 在於提供一種製造矽單晶之方法，其使得單晶棒能成長而 不會降低無差排晶體之製造成功率（當使用一種引晶< seeding >法其中形成厚頸的情況），藉以改善具有大直徑 的重矽單晶之再現性。 爲了達成上述目的，本發明提供一種製造矽單晶之方 法，其包括製備一具尖銳尖端的矽種晶，及由尖端將一部 分的矽種晶熔化成一具有預定厚度的情況，接著執行頸縮 作業以形成一錐形頸縮部和一頸部，接著在增加直徑後拉 伸單晶棒，其中該欲被熔化的部分係一來自於尖端的部分 ，其之厚度係爲欲形成的頸部直徑之1.1至2倍；然後 執行該縮頸作業，方式爲在其之早期階段藉拉伸晶體使直 徑逐漸減少至5毫米或更大的最小直徑而形成圓錐形的錐 形頸縮部，然後形成頸部：接著在直徑增加後拉伸單晶棒 本纸張尺度適用中國國家標率（CNS ) A4规格（2丨Ο X 297公釐）· 6 _ I--^------^------1T------^ (請先《讀背面之注意事項再本頁) 經濟部中央揉準局員工消费合作社印製 403935 a? _B7_ 五、發明説明Q ) 如上述，不需要花費長的時間來過度地將晶體熔化成 —種情況，其中厚度係超過頸部厚度的兩倍，而因此能大 大地降低發生滑移差排的可能性，由於使用具有尖銳尖端 的矽種晶而減少熱震，熔化比一位置（其中厚度係爲欲形 成的頸部直徑之1.1至2倍）低的種晶部分，執行該縮 頸作業，方式爲在其之早期階段藉拉伸晶體使直徑逐漸減 少至5毫米或更大的最小直徑而形成圓錐形的錐形頸縮部 ，然後形成頸部：接著在直徑增加後拉伸單晶棒。再者， 即使發生滑移縮排，但由於錐形頸縮部的存在而有效地減 少滑移差排，因此改善無差排晶體之製造成功率及其之再 現性。在如此的情況中，即使當頸部爲厚的時也可達成消 除差排的高度再現性。因此，本發明方法能提供一種具有 所欲直徑的頸部，從而應付單晶棒將更大和更重的傾向， 且可達成生產力的改良和成本的降低。 上述頸部的長度較佳係5毫米或更大。 已發現當頸部長度爲5毫米或更大時，則確定能消除 滑移差排，即使種晶尖端的熔化係進行至一種情況，其中 厚度係爲欲形成的頸部直徑之1.1至2倍。當頸部長度 小於5毫米時，則在某些案例中不能消除滑移差排，且有 時會降低無差排晶體之製造成功率。 較宜地，在一部分的矽種晶熔入熔體內後五分鐘內， 開始頸縮作業。 當在一部分的矽種晶熔入熔體中內後五分鐘內開始頸 縮作業時，熔化後的滑移差排係幾乎不發生或幾乎不增加 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）· 7 - I--.------^------ΤΓ------0 (請先W讀背面之注意事項再疒>·.本頁) ^03935_b7 _ 五、發明説明ς ) ，因此改善無差排晶體之製造成功率。當種晶保持在熔體 表面上的時間超過5分鐘時，額外的滑移差排可能發生， 或當矽種晶保持在高溫時，滑移差排可能增加，即使當種 晶與熔體接觸時已經發生僅僅少數的滑移差排時。 在C Z法中，通常進行熟成以便在種晶接觸熔體後使 種晶黏於熔體，或溶於其內。在本發明的方法中，藉縮短 其時間可改善無差排晶體之製造成功傘。 依本發明，欲熔化的部分係來自頂端的部分，該部分 的厚度係爲欲形成的頸部直徑之1.1至2倍，因此減少 滑移差排的發生可能性，縮短熔化的時間。再者，明顯地 改善無差排晶體之製造成功率，因爲在熔化作業後可立即 進行頸縮作業。 經濟部中央樣準局貝工消费合作社印製 (請先聞讀背面之注意事項再广'-本頁) 如上述，依本發明，當於藉柴克勞斯基法拉伸矽單晶 棒的方法中執行厚頸縮的引晶方法時，可達成約9 0%或 較大的無差排晶體之製造成功率，亦使得能有良好的再現 性和長的安定性。因此，本發明方法可應付單晶棒將具有 更大直徑、更長和更重的傾向，且可達成生產力的改良和 成本的降低。 圖式之簡單說明 圖1係一說明圖，顯示本發明的一種方法，其中形成 厚的頸部。 圖2係一圖表，顯示種晶熔化後的保持時間與滑移差 排密度之間的關係。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS } A4规格（210X 297公釐）-8 · 經濟部中央揉準局貝工消费合作杜印製 4〇3935 a7 ^__B7_ 五、發明説明Q ) 主要元件對照表 1 矽種晶 2 本體 3 尖端 3 下端 4 錐形頸縮部 5 頸部 6 種晶夾持具 本發明及實施例的說明 · 現將說明本發明和實施例》然而，本發明不受其所限 制。 圖1係一說明圖，顯示本發明的一種方法，其中形成 厚的頸部。 本案發明人已經硏究當在矽單晶棒的成長方法中執行 頸縮作業時，使無差排晶體無法達成足夠的製造成功率和 再現性之原因，且已經發現滑移差排的發生原因係與種晶 的尖端溶化後種晶最下部的直徑、頸部的直徑、頸部的長 度、種晶熔化後開始頸縮作業前的期間（保持時間）或類 似者有密切關係，且更進一步硏究這些條件以完成本發明 〇 首先，發明人挑出形成厚頸的因素（其已經在習用方 法中被控制），對此因素作重複的實驗，而如下述定出消 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公藿）-9 - I Ί 裝 訂 I 線 《請先閱讀背面之注意事項再广/本頁) 403935 A7 B7 五、發明説明& ) (請先Μ讀背面之注意事項再V'-本頁) 除差排的條件。硏究以下因素，其亦示於表1中：尖端熔 化後種晶下端的直徑（A )、種晶熔化後開始頸縮作業前 的保持時間（a)、頸部直徑（B)及頸部長度（C) 。 晶本體2之矽種晶1的尖端係爲具有14毫米邊長的 稜柱形，被推拔成爲具有2 0°垂直角的圓錐形，且矽種晶 的表面經一混合酸所處理以蝕刻至約4 0 0微米的深度。 將所獲得的矽種晶1固定於種晶夾持真6內，及生長一具 有1 5 0毫米（6吋）直徑的單晶棒。對所獲得的單晶棒 檢驗無差排晶體的製造成功率。 經濟部中央樣準局貝工消费合作社印製 如下使種晶接觸熔體。首先，在保持於矽熔體上方五 毫米的位置五分鐘後，使上述矽種晶1以2.0毫米/分 鐘的速率下降，種晶下端的某一長度部分浸入熔體中，尖 端熔化直到種晶的末端3直徑在熔化後變成（A)毫米（ 2B>A21 . 1B)爲止。在矽種晶1保持於該位置（ a )鐘後，開始頸縮，如此方式繼續進行而形成一種具有 倒圓錐樣形狀的錐形頸縮部4直到此部分的直徑變成預定 値（B)爲止。然後，形成一具有C長度的圓柱形頸部5 ，接著拉伸晶體並增加直徑。最後，以預定的拉速來拉伸 單晶矽棒。 表1中顯示所製造的矽單晶之成長期間的無差排晶體 之製造成功率。術語|無差排晶體的製造成功率〃 (% ) (以下偶爾稱作DF率）係意味不具有滑移差排的單晶棒 相對於拉伸後的單晶棒之百分比率。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > Α4规格（210Χ297公釐）-10 - 403935 五、發明説明& ) 經濟部中央橾準局負工消费合作社印製 表1 \項目 試驗\ 號數\ 種晶的形狀 ，本體的邊 長（毫米） 熔化後 的直徑 A (毫米） 熔化後 的保持 時間a (分鐘） 頸部的 直徑B (毫米） 頸部的 長度C (毫米） 成功率 (DF 率） % 1 具有圓錐形 尖端的四角 形桿，14 6.6 5 6.0 5 95 2 具有圓錐形 尖端的四角 形桿，14 6.6 5 6.0 2 50 3 具有圓錐形 尖端的四角 形桿，1 4 6.6 10 6.0 5 45 4 具有圓錐形 尖端的四角 形桿，14 6.6 5 6.0 20 95 5 具有圓錐形 尖端的四角 形桿，14 6.0 5 6.0 5 55 6 具有圓錐形 尖端的四角 形桿，14 11.8 5 6.0 5 95 7 圓柱，6.6 6.6 5 6.0 5 20 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐）-11- I ~-I^-- (請先闓讀背面之注意事項再广‘-本頁) 線 經濟部中央揉準局員工消费合作社印製 403935 A7 _____B7 _._ 五、發明説明& ) 如表1中所示，因素A至C與無差排晶體的製造成功 率之間的關係淸晰如下。 (1 )熔化後種晶下端3的直徑（A)必須爲頸部直 徑（B)的1 . 1至2倍（比較試驗號數1、5、6的結 果）。因爲，必須在早期藉拉伸晶體逐漸減少直徑來形成 錐形頸縮部，以便在熔化後於頸縮作業中完全消除滑移差 排。若形成具有與熔化後者相同直徑的圓柱形頸部而不形 成錐形頸縮部，則難以減少滑移差排，如於其它實驗中所 亦證實者。 (2 )在矽種晶的尖端3熔入熔體內的製程中，種晶 熔化後的保持時間較佳係5分鐘或更少，且在保持之後立 即開始頸縮作業（比較試驗號數1和3的結果） 當種晶的尖端在一適合於頸縮的溫度熔化時，且於熔 化後的五分鐘內開始頸縮，則幾乎沒有新發生的滑移差排 ，且滑移差排係難以增加的，因此可更進一步改善無差排 晶體的製造成功率。若在高溫熔體之表面的保持時間係超 過五分鐘，則發生新的滑移差排。若於高溫下保持具有滑 移差排的種晶，則滑移差排會增加。 (3 )在頸縮作業中使頸部成長以具有5毫米或更大 的長度C則能消除差排（比較試驗號數1、2、4的結果 )° 然而，5 0毫米或較小的長度係實用的。若長度大於 5 0毫米，則頸縮作業會耗費長的時間，因此降低生產力 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-12 - —II------1------tr------^ (請先閲讀背面之注意事項再广.本頁) A7 B7 403935 五、發明说明（0 ) 圖2顯示實驗結果，其檢査種晶熔化後的保持時間與 滑移差排密度之間的關係。 本文中所用的術語”差排密度”係意味在種晶剖面中 央所看到的坑密度，該剖面之獲得係藉沿著一與晶體生長 之軸向呈平行的表面來切割種晶，及執行優先蝕刻。坑密 度與滑移差排的發生數目有相互關係。 如圖2中所示，較長的保持時間導致較高的滑移密度 。當滑移密度增加時，在後續的頸縮作業中難以消除滑移 差排》 表1中的試驗號數7係一比較例，其中以相同於試驗 號數1的方式來執行頸縮作業，例外的是使用一種具有 6 . 6毫米直徑且平的尖端之圓柱形種晶。當使用不具有 尖銳尖端的種晶且將形成厚的頸部時，則極度地降低無差 排晶體的製造成功率。 如上述，在本發明方法中，其中使用具有尖銳尖端的 種晶且形成具有5毫米或更大直徑的頸部，三個因素：即 ，尖端熔化後種晶下端的厚度（A)爲頸部直徑（B )的 1.1至2倍；5毫米或更大的頸部長度C;及熔化後的 保持時間係與無差排晶體的製造成功率有密切關係。將這 些因素控制在一適當範圍內，則在頸縮作業中可確實消除 滑移差排，且滑移差排係難以發生在拉伸後的晶體中，因 此可達成具有高再現性的無差排晶體之高製造成功率。本 發明特別有利於生長一具有較大直徑且高重量的單晶棒’ 而因此可改善單晶棒的生產力和產率，並可降低成本》 丨~7丨-----丨裝------訂------線 (請先閱讀背面之注意事項再^本頁) 經濟部中央檫準局員工消费合作社印製 本紙張尺度適用中困國家揉窣（CNS > A4规格（210X297公釐） -13· A7 B7 403935 五、發明説明L ) 本發明的頸縮方法中所用的種晶較佳係無差排引晶技 術中所習用的種晶，其中與矽熔體將接觸的末端係一種圓 錐形或稜柱形或彼之截頭形的尖銳尖端，且晶本體係圓柱 (柱）或稜柱形。因此，本文中所用的術語I一種具有尖 銳尖端的種晶#係包括這些種晶。 當使用一具1 4毫米或更大直徑的圖柱形、一具有 1 4毫米或更大邊長的稜柱形或一多邊桿形（其中橫剖面 的內接圓直徑係1 4毫米或更大，當作種晶本體的厚度） 的矽種晶時，種晶與頸部之間可形成足以消除滑移差排的 錐形頸縮部，縱使頸部直徑係與5毫米同樣厚或更大，且 種晶本身的強度亦足夠的。因此，此方法可應付單晶棒將 更大和更重的傾向。 這些種晶的尖端較佳具有2 8°或較小的垂直角，藉以 在引晶時可鬆弛熱應力，導致明顯減少或消除滑移差排的 發生。再者，在種晶熔化時亦可確實防止滑移差排的增加 ，因爲其直徑係漸漸改變。 本發明未受上述實施例所限制。上述實施例係僅爲一 種實例，而那些具有與申請專利範圍中所述相同的結構且 提供類似作用和效果者係包含於本發明的範圍內。 例如，在上述實施例中，使一具有1 5 0毫米（6吋 )直徑的矽單晶棒成長。然而，本發明方法可足夠應付一 種具有更大直徑如近年來已經使用的2 0 0毫米（8吋） 至400毫米（1 6吋）之矽單晶棒。 再者，本發明方法不僅可應用於柴克勞斯基法而且可 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格(210X297公釐） ">4· 1.-I-7------裝-- (锖先閱讀背面之注意事項再？本頁) 訂 線 經濟部中央標準局貝工消费合作杜印製 403935 A7 B7_ 五、發明説明（/2 ) 應用於MCZ法（外加磁場柴克勞斯基晶體成長法），當 拉伸矽單晶時施予磁場）。即是，術語 '"柴克勞斯基法， 不僅爲一般的柴克勞斯基法而且亦爲M C Z法。 ^1 —^1 I n I 1^1 n I, < n· m I I n 1 Tm·!^!— ^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐.) 15

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D8 403935 六、申請專利範圍 1 .—種製造矽單晶之方法，其包括製備一具有尖銳 尖端的矽種晶，及由尖端將一部分的矽種晶熔化成一具有 預定厚度的情況，接著執行頸縮作業以形成一錐形頸縮部 和一頸部，隨後在增加直徑後拉伸單晶棒，其中該欲被熔 化的部分係一來自於尖端的部分，其之厚度係爲欲形成的 頸部直徑之1·1至2倍；然後執行該縮頸作業，方式爲 在其之早期階段藉拉伸晶體使直徑逐漸減少至5毫米或更 大的最小直徑，而形成圓錐形的錐形頸縮部，然後形成頸 部；及，隨後在直徑增加後拉伸單晶棒。 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該頸部的長 度係5毫米或更大。 3.如申請專利範圍第1項之方法，其中在矽種晶的 部分熔入熔體內後五分鐘內，開始該頸縮。 4 .如申請專利範圍第2項之方法，其中在砂種晶的 部分熔入熔體內後五分鐘內，開始該頸縮。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消黄合作社印製 本紙張尺度逋用中國國家梯準（CNS ) A4洗格（210X297公釐） • 16 -