单晶半导体材料是制作许多电子部件的原料，其通常采用
Czochralski(“Cz”)方法制造。在该方法中，将多晶半导体原材料如多
晶体的硅(“多晶硅”)在坩埚中熔化。然后将一籽晶降下到熔融材料中
并慢慢升起以生长一单晶棒，在使棒生长时，通过降低拉出率和/或熔化
温度形成上端圆锥体，借此加大棒的直径，直到达到一目标直径为止。
一旦达到了目标直径，便通过控制拉出率和熔化温度来形成棒的圆柱形
主体以补偿降低的熔化程度。在接近生长过程结束但在坩埚变空以前，
减小目标直径以形成下端圆锥体，该下端圆锥体从熔体中分离出来而生
产出半导体材料的成品棒。
虽然传统的Cz方法对于生长供各种各样用途之用的单晶半导体材料
是令人满意的，但进一步改善半导体材料的质量是需要的。例如，当半
导体制造厂要减小半导体上形成的集成电路线的宽度时，材料中存在的
显微缺陷就成为很大的问题。单晶半导体材料中的缺陷是晶体在拉晶机
中固化和冷却时形成的。这样的缺陷的产生部分地是由于存在着过量的
所谓空位和晶隙的固有的点缺陷(即密度超过可溶性极限)所致。
从单晶棒切成的晶片的质量的一个重要的度量是栅氧化层完整性
(Gate Oxide Integrity)(“GOI”)。空位，如其名称所提示的，是由
于一硅原子在晶格中不存在或“空位”造成的。当由坩埚中的熔融硅向
上拉出晶体时，其立即开始冷却。当晶棒的温度下降时，可熔性极限也
降低。因而高温下存在的点缺陷成显微缺陷(空穴)的形式析出，或者
它们移向晶体的侧表面。这一般发生在晶体经由1150℃至1500℃的温度
范围冷却时。
由棒切成的并按照传统的方法制造的硅片往往包括在晶片表面上形
成的氧化硅层。电子电路组件例如金属—氧化物—硅集成电路(MOS)组
件是在这样的氧化硅层上制作的。由在生长的晶体中存在的结块而造成
的晶片表面上的缺陷导致该氧化层不良的生长。氧化层的质量经常指的
是氧化膜介电质的击穿强度，其可以通过在氧化层上制作MOS组件和实
验该组件定量地来测定。晶体的栅氧化层完整性(GOI)是在由晶体加工
的晶片的氧化层上操作的组件的百分数。
业已确定由Czochralski方法生长的晶体的GOI可以通过延长生长
的棒保持在高于1000℃的温度范围内的时间，并更特别是延长保持在
1150℃～1050℃范围内的时间来改善。如果棒经由这个温度范围冷却过
快，空位将没有足够的时间凝结在一起，而在棒内产生大量的小结块。
这种不良情况导致大量的小空穴散布在晶片的表面上，从而对GOI产生
不利的影响。降低棒的冷却率以使其温度在目标温度范围内保持一较长
时间而使更多的空位可以在棒内形成更大的结块。其结果是小量的大结
块，从而由于减少了用来构成MOS组件的晶片上存在的缺陷数量而改善
GOI。
改善GOI的另一种方法是控制在棒内生长的空位数量。当然空位和
自身晶隙的型式和原始密度受控于生长速度(即拉出率)(v)与在固化
时间内棒内当地的轴向温度梯度(Go)的比值，其中空位和自身晶隙在棒
固化时在棒内变成固定的。当该比值(v/Go)的值超过一临界值时。空位
的密度增加，同样，当v/Go的值低于该临界值时，自身晶隙的密度增加。
增加这个比值的一种方法是提高棒的拉出率(即生长速率，v)。然
而，拉出率的提高在给棒以足够的时间冷却和固化时将造成棒直径上的
扭曲。为此，已知在坩埚内熔体表面的上方在坩埚侧壁与生长的棒之间
设置一热屏蔽装置以便保护棒不受坩埚侧壁的热之影响。传统的热屏蔽
装置一般包括一外反射罩和一内反射罩。传统的热屏蔽的壁的示意的截
面示于图2中。其外反射罩OR通过沿环形上下固定位置间隔开的合适的
固定件(未示出)固定于内反射罩IR使得外反射罩在这些位置直接接触
内反射罩。外反射罩OR显著地短于内反射罩IR以使热屏蔽装置的上部
包括唯一的非绝热层。反射罩OR、IR成形为限定一容纳绝热材料IN的
绝热腔用以阻止从外反射罩向内反射罩的热传导。
绝热材料IN是用来将内反射罩IR的中间部分M与来自外反射罩OR
的热传导隔绝以便来自坩埚壁的热不能传给内反射罩。提供内反射罩IR
的较冷却部分可以使棒在棒被向上拉到与热屏的部分径向对齐时较快的
冷却。然而，由于外反射罩OR与内反射罩IR之间在上下固定位置处的
大表面面积接触，相当多的热量从外反射罩不希望地直接传到内反射罩
上使得内反射罩不能象要求的那样冷却。这显著地限制了生长的棒的拉
出率。
由晶棒切成的晶片的质量的一个附加的度量涉及氧诱层积缺陷(Oxy
gen Induced Stacking Faults)(OISF)。OISF是由当棒在熔体表面上固
化时生长于棒内的缺陷引起的。该缺陷是棒的中心与棒的外表面间的轴
向温度梯度的差异的结果。OISF是按照从晶片的周边向内隔开一定距离
的环的方式来测定的。也可以测定在晶片表面的一特定面积内的层积缺
陷的密度。界面的梯度随r变化，其导致不同密度的点缺陷。因此，通
过选择合适的拉出率可以达到各密度而得到较好的OISF性能。
优选实施例的详述
现在参照附图，特别是图1，总体上用标号10表示拉晶机。拉晶机
用于生长制造半导体芯片用的那种单晶棒I。拉晶机10包括一水冷的外
壳(总体用12表示)，其内部包括晶体生长室14和设置在生长室上方的
拉出室16。石英坩埚20设置在生长室14内用以容纳熔融的半导体原材
料S，由该材料S生长出单晶硅棒I。坩埚20固定在装有电机的转台22
上，转台22绕一垂直轴线旋转坩埚并提升坩埚以便在棒I生长和从熔体
中取走原材料时将熔融的原材料保持在一恒定的水平。
围绕着坩埚20的电阻加热器24熔化坩埚20中的原材料S。加热器
24受外部的控制系统(未示出)控制以便在整个的拉出过程中精确地控
制熔融的原材料的温度。围绕着加热器24的绝热体26减少通过外壳12
的各侧面的热量损失并有助于降低拉晶机的各内壁上的热载荷，同时可
以使过程温度保持在一较低的加热器功率。
一拉出机构(图1中只示出其下垂的拉出轴30)旋转一籽晶C并使
其通过生长室14和拉出室16上下移动。首先，拉出机构降低籽晶C通
过室14、16直到其接触熔融的原材料C的表面。一旦籽晶开始熔化，拉
出机构便慢慢升起籽晶C通过室14、16以便生长单晶棒I。拉出机构旋
转籽晶C的速度和拉出机构升起籽晶的速度(即拉出率v)受控于外部的
控制系统。该控制系统还控制坩埚20在拉出过程中的移动速度。拉晶机
10的总体结构和操作，除以下更充分地说明的范围以外，是传统的和由
本领域的那些普通技术人员所知道的。
图2为现有技术的热屏蔽装置A的一个侧面的示意的垂直截面，其
适用于固定于拉晶机的生长室内以便在热屏蔽生长的棒免受坩埚侧壁34
的热辐射的影响。现有的热屏蔽装置A包括一外反射罩OR和一内反射罩
IR。外反射罩OR通过合适的固定件(未示出)固定于内反射罩IR使得
外反射罩分别沿上下环形的固定位置F1、F2接合内反射罩。固定件在图
中没有示出。外反射罩OR显著地短于内反射罩IR以使热屏蔽装置A的
上部U包括唯一的非绝热层。反射罩OR、IR成形为限定一容纳绝热材料
IN的绝热腔IC用以阻止从外反射罩OR向内反射罩IR的热传导。装置A
是平截头锥体的并具有一中心开口(未示出)，开口尺寸确定成使其在通
过该装置向上拉出单晶棒时围绕着该棒(未示出)。
绝热材料IN是用来将内反射罩IR的一部分M与来自外反射罩OR的
热传导隔绝以便阻止来自坩埚侧壁34(图1)的热传给内反射罩。提供
内反射罩IR的较冷却部分M使在棒进入与内反射罩径向对齐时增加远离
该棒的热传导，从而提高该棒的冷却率。热屏蔽装置A供较快的拉出率
之用而并不造成生长的棒的扭曲。然而，由于外反射罩OR与内反射罩IR
之间在上下固定位置F1、F2处的大表面面积接触，相当多的热量从外反
射罩不希望地直接传到内反射罩上，显著地降低热屏蔽装置A的效能和
限制拉出率。
再参照图1，总体用50表示的本发明的热屏蔽装置，固定在熔融的
原材料S的表面的上方的生长室14中。在该所述实施例中，热屏蔽装置
50总体上包括在同轴线设置的内外反射罩54、56之间容纳的绝热材料
52。外反射罩56大体上为圆锥形的并且具有从反射罩顶部径向向外延伸
的环形凸缘58。凸缘58的尺寸使其可以固定在设置在生长室14中的环
形支承环62上以便支承热屏蔽装置50(图1)。该外反射罩56从环形凸
缘58向内和向下倾斜并向下延伸到坩埚20内熔体表面上方的一个位置
以便该外反射罩至少部分地插在坩埚侧壁34与生长的棒I之间。
第二或下环形凸缘64从外反射罩56的底部径向向内延伸以限定热
屏蔽装置50的底部。一环形支承凸缘68从下凸缘64的内周边缘垂直向
上延伸以便支承内反射罩54，如以下将进一步描述的。外反射罩56优选
由石墨材料构成，更特别地由碳化硅涂覆的石墨构成。外反射罩56具有
限定热屏蔽装置50的中心开口之中心开口72。中心开口72的尺寸和形
状确定成使其在使棒生长和通过热屏蔽装置50在生长室14内向上拉出
时可以围绕着棒I。例如，所示实施例的中心开口72大体上是圆形的以
适应圆柱形棒I的大体上圆形截面。
内反射罩54也大体上是平截头锥体的，具有锥形主部分74和从该
内反射罩锥形主部分的底部大体上垂直向下延伸的固定部分76。如图1
中所示，内反射罩54的固定部分76包括从固定部分的顶部大体上径向
向内延伸的环形凸边78以便固定在外反射罩56的支承凸缘68上。内反
射罩54由此倚靠在外反射罩56的支承凸缘68上，而使内反射罩的固定
部分76的底部在外反射罩56的下凸缘64的上方稍稍与之隔开。
内反射罩54的锥形的主部分74从固定部分76向上和向外倾斜。内
反射罩54的顶部大体上与外反射罩的上凸缘58对齐。在该优选的实施
例中，内反射罩54的锥形的主部分74与外反射罩56径向间隔开一小的
距离以便在内外反射罩之间只在内反射罩的凸边78固定在外反射罩的凸
缘68处接触。该间隔还可以使外反射罩56在拉晶机操作过程中随着受
热和冷却而膨胀和收缩并不会接合和挤压内反射罩54。以这种方式将内
反射罩54与外反射罩56间隔开降低从外反射罩向内反射罩传递的热量。
在图1和3所示实施例中，外反射罩56成形为在内外反射罩之间限定一
环形绝热腔80。绝热材料52优选由具有低热导率的材料构成并容纳在绝
热腔80内以便进一步使内反射罩54的一部分绝热而阻止从外反射罩56
向内反射罩的热传导。内反射罩54与腔80中的绝热材料52成间隔开的
关系以阻止从绝热材料向内反射罩的热传导。内反射罩54优选由如外反
射罩56一样的材料构成。然而，当然内外反射罩54、56可以由其他的
材料构成而并不偏离本发明的范围。
在操作中，将多晶硅存放于坩埚20中并通过来自坩埚加热器24的
热辐射使之熔化。使籽晶C进入与熔融的硅原材料S接触并且通过由拉
出机构30慢慢地拉出而生长单晶棒I。当在生长室14内向上拉出生长的
棒I时，坩埚壁34受加热器24和坩埚20内熔融的原材料S的加热。热
量从坩埚壁34传给热屏蔽装置50的外反射罩56。然而，绝热腔80内的
绝热材料52和内外反射罩54、56之间的极小的直接接触阻止从外反射
罩向内反射罩的热传导从而内反射罩基本上沿内反射罩的全长显著地冷
于外反射罩。将内反射罩54与绝热材料52间隔开进一步阻止从绝热材
料向内反射罩的热传导。当将棒I向上拉到与较冷的内反射罩54径向对
齐时，从棒向内反射罩较迅速地传热。由于棒I被较迅速地冷却，拉晶
机10的拉出率可以显著地提高而并不扭曲生长的棒。
图3示出本发明热屏蔽装置150的第二实施例，其中外反射罩156
类似于内反射罩154成形并与内反射罩基本上沿内反射罩的全长以平行
而间隔开的关系设置。省去了第一实施例的绝热腔80和绝热材料52。内
外反射罩154、156之间的间隔阻止热从外反射罩向内反射罩的传导，从
而基本上沿内反射罩的全长形成较冷却的内反射罩。
实例1
在具有热屏蔽装置的拉晶机中生长出直径约为200mm的晶棒，该热
屏蔽装置按照图2的现有技术的热屏蔽装置或本发明第一(图1)和第二
(图3)实施例的热屏蔽装置50、150构成。通过测定不使生长的棒发生
扭曲的最快拉出率确定了每一实施例的最大拉出率。当采用本发明第一
和第二实施例的热屏蔽装置时最大拉出率分别为0.90mm/min和0.80mm
/min。这可以与采用现有技术的热屏蔽装置A时的最大拉出率约
0.65mm/min相比。
图4示出本发明的第三实施例，其中将热屏蔽装置250进一步构成
以达到良好的GOI和减小或防止OISF同时仍可使拉出率高于与现有技术
的热屏蔽装置A相关的最大拉出率。内反射罩254的长度显著地短于外
反射罩256的以使热屏蔽装置250的上部282由外反射罩限定。由具有
低热导率的材料构成的环形环262固定在外反射罩256的凸缘268上。
该材料还优选具有高纯度和低粒子产生。一特别优选的材料是石英。内
反射罩254的凸边278固定在环形环262上而不是在外反射罩256的凸
缘268上以进一步使内反射罩254热隔离外反射罩。外反射罩256的下
凸缘264显著地厚于第一和第二实施例的以便提高从坩埚向热屏蔽装置
250的底部的热传导。该下凸缘264显著地厚于外反射罩256的任何其他
部分并且优选至少为外反射罩其余部分厚度的约二倍。
在操作中，当从原材料S中拉出生长的棒I时热从坩埚壁34传给外
反射罩256。内反射罩254离外反射罩256的间隔和在各反射罩之间设置
的环形环262阻止从外反射罩向内反射罩的热传导。因此，由内反射罩
254的长度限定的热屏蔽装置250的中间部分249冷于在内反射罩上方和
下方设置的外反射罩256的各暴露的部分。因此热屏蔽装置250从底部
至顶部采取的外形是具有在装置的底部的较热区域、中间的较冷区域和
再向装置的顶部的较热区域。
当将生长的棒I从原材料S中通过热屏蔽装置250的中心开口(未
示出，但类似于图1所示第一实施例的中心开口72)向上拉出时，该棒
升到与热屏蔽装置的较冷的内反射罩254径向对齐。从而棒I更迅速地
冷却到约1150℃的温度。当棒I进入与在内反射罩的上方延伸的外反射
罩256的部分对齐时，来自外反射罩的热阻止该棒的进一步迅速冷却，
从而当棒经由约1150℃～1050℃的温度范围冷却时显著地降低了该棒的
轴向温度梯度。
在高于1150℃时提高棒I的冷却率可以提高拉出率而并不造成生长
的棒的扭曲。在热屏的底部提供一较热区域可阻止棒I靠近于原材料S
的表面冷却。这促进在熔体的表面上横过棒I的直径的更均匀的轴向温
度梯度，从而阻止OISF的生长。最后，提供向热屏蔽装置250的顶部的
较热区域降低棒I在其向上拉到与该较热区对齐时的冷却率，从而在棒I
从1150℃冷却到1050℃时降低其轴向温度梯度，而改善GOI。
图5示出本发明类似于第三实施例的热屏350的第四实施例。在该
第四实施例中，将外反射罩356以类似于第一实施例的外反射罩56的方
式(见图1)成形以限定一绝热腔380。绝热腔380中容纳类似于关于第
一实施例所述的绝热材料352。该实施例与图4所示热屏蔽装置250相比
为热屏蔽装置350提供了更冷的中间部分。
实例2
在具有热屏蔽装置的拉晶机中生长出直径约为200mm的晶棒，该热
屏蔽装置分别按照本发明第三(图4)和第四(图5)实施例的热屏蔽装
置250和350构成。通过测定不使生长的棒发生扭曲的最快拉出率确定
了每一实施例的最大拉出率。当采用第三实施例的热屏蔽装置250时最
大拉出率约为0.70mm/min。对于第四实施例的热屏蔽装置350，其最大
拉出率约为0.80mm/min。这些拉出率可以与采用以上关于实例1所述的
现有技术的热屏蔽装置A的最大拉出率约0.65mm/min相比。
实例3
在装有热屏蔽装置的拉晶机中生长出直径约为200mm的晶棒，该热
屏蔽装置按照本发明第四实施例的热屏蔽装置350和按照现有技术的热
屏蔽装置A构成。通过在棒中确定一由氧沉积物造成的缺陷的环来确定
OISF并且测定一给定面积上的缺陷数量。采用现有技术的热屏蔽装置A
生长的晶体具有位于从棒的周边径向向内约5mm～10mm处的OISF环并具
有氧沉积物密度1000/cm2。采用第四实施例的热屏蔽装置350生长的晶
体没有可测定的缺陷环并且其总缺陷密度小于1/cm2。
此外，在要求的1150℃～1050℃的温度范围内测定出棒的轴向温度
梯度。对于采用现有技术的热屏蔽装置A生长的棒在该范围内的轴向温
度梯度约为0.74℃/mm，而对于采用第四实施例的热屏蔽装置350生长的
棒在该范围内的轴向温度梯度为0.48℃/mm。
根据以上所述，应该看出其达到了本发明的若干目的并获得了其他
一些有利的结果。
由于在上述结构方面可以做出各种不同的改变而并不偏离本发明的
范围，本文意图是所有包括在以上描述中或示于附图中的内容应该理解
为示例性的而并没有局限的意思。