CN102162123B - 双加热器移动热屏式直拉单晶炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种半导体材料生长设备，具体为一种用于半导体单晶生长的直拉型单晶炉。本发明利用热屏的向下移动替代坩埚的向上运动，使坩埚只有旋转而不再上升，减少了一个自由度，降低了系统的复杂性；采用分别位于坩埚底部和侧面的双加热器，针对晶体生长的不同阶段分别控制，使晶体和熔体的温度梯度控制更加方便；坩埚与加热器的相对位置保持平行且不变，加热器的热辐射直接烘烤坩埚，与传统单晶炉中坩埚不断远离加热区域相比，传热效率大大提高；导流筒引导氩气对晶体强化换热，抑制了熔体上方的氩气对流涡旋，有利于减少晶体中的杂质和微缺陷，并降低氩气消耗量。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造太阳能级和半导体级单晶硅的设备，特指一种热屏上下移动而坩埚静止的双加热器移动热屏式直拉单晶炉。
技术背景
直拉法（CZ）晶体生长技术是太阳能级和半导体级单晶硅生长的最主要方法。其工艺流程为：先将一定量的多晶硅原料放入坩埚中，加热至熔化(温度高达1600℃)，在拉杆下端装夹籽晶（即晶种），沉浸到熔化的晶体原料中，提拉杆缓缓向上提拉，同时缓慢旋转，最终生长出圆柱体形状的单晶硅棒。整个单晶生长过程大致分为六个阶段：(1) 装料和熔料；(2) 籽晶与熔硅的熔接；(3) 引细颈；(4) 放肩和转肩；(5) 等径生长；(6) 收尾。其中等径生长约占整个生长时间的80%。而后期的晶圆切片工艺，选用的也是等径生长的晶棒。
直拉法生长的单晶硅，要求尽可能大的结晶速率和尽可能少的晶格缺陷。结晶速率V取决于晶体和熔体热流量的差值：
其中
、分别为固液界面处晶体和熔体的温度梯度。为增大结晶速率，应增大
，减小
。晶格缺陷可通过控制结晶速率V与固液界面附近晶体轴向温度梯度
的比值，即V/G比来实现。V/G比存在一个临界值：(V/G)C=0.2mm2/min·K。当V/G<(V/G)C时，自填隙缺陷占主导；当V/G>(V/G)C时，空位缺陷占主导。在硅材料中，希望空位占主导，这就需要控制V/G比大于临界值。因此，控制好界面处晶体和熔体的温度梯度，对于控制单晶硅中的晶格缺陷和结晶速率至关重要。
在传统的直拉单晶炉中，为了保持固液界面的热环境和温度梯度不变，随着晶棒的逐渐提升，坩埚也缓慢地向上顶起。其结果是，坩埚逐渐脱离加热区域，虽然熔体量在不断减少，但加热器的功率反而不断升高，造成了能源的极大浪费。又由于采用单一加热器，无法实现炉体上部和下部温场的分别独立控制，从而使晶体和熔体的轴向温度梯度难以控制。此外，坩埚既要旋转又要垂直平稳上升，传动和控制系统复杂，安装维护不便。氩气在外掠晶体时，由于无导流装置，强化换热效果不理想。
中国专利（专利号ZL 200620042514.4）公开了一种单晶炉移动热屏装置，该装置利用安装于上炉体两侧肩部的两个滚珠丝杠和伺服电机，控制热屏上下运动。此设计虽然实现了热屏的上下运动，但系统结构较复杂，且炉体肩部密封较困难。中国专利（专利申请号200910099829.0）公开了一种改进的直拉单晶炉加热器结构，设计的加热器上部较厚，下部较薄，使得加热器下部较薄处加热功率增加，从而通过单个加热器的结构设计，在不增加加热器数量的情况下，实现了上下不同功率的加热效果。但这种加热器的上部和下部功率不能实现各自独立控制。
发明内容
本发明的目的即在于解决传统的直拉单晶炉中界面处晶体和熔体的温度梯度难以控制，加热器的能量利用率不高等问题。本发明提供一种利用热屏的向下移动替代坩埚向上运动、炉体上下温场分别自动控制、利用导流筒强化氩气与晶体换热的直拉式单晶炉，从而能够方便地控制晶体和熔体的轴向温度梯度，同时降低晶体生长的能源消耗。
本发明的双加热器移动热屏式直拉单晶炉包括：不锈钢炉体和水冷结构、石墨坩埚、石英坩埚、移动热屏、石墨连接臂、导流筒、钼连接螺栓、侧面保温碳毡、底部保温碳毡、氩气出口、连接杆和同心套管、伺服电机、籽晶拉杆、筒形石墨加热器、托盘形石墨加热器、石墨坩埚托、坩埚旋转轴。不锈钢炉体为轴对称结构，由不锈钢炉体和水冷结构构成整个单晶炉的外部框架。伺服电机安装在不锈钢炉体顶端，籽晶拉杆和同心套管与不锈钢炉体同轴，两者安装于伺服电机下端，籽晶拉杆穿过同心套管，并在籽晶拉杆最下端夹持籽晶。伺服电机控制籽晶拉杆的升降与旋转，同时控制同心套管的升降。同心套管最底端沿周向均匀焊接三个连接杆，三个连接杆与导流筒上部卡槽连接，导流筒下部通过三个钼连接螺栓与石墨连接臂相连，石墨连接臂通过三个钼连接螺栓与移动热屏相连，该连接组合即构成移动热屏机构。不锈钢炉体下端的坩埚旋转轴与不锈钢炉体同轴，坩埚旋转轴上部由下至上依次安装石墨坩埚托、石墨坩埚和石英坩埚，坩埚旋转轴可带动安装其上的石墨坩埚托、石墨坩埚和石英坩埚旋转。筒形石墨加热器与不锈钢炉体同轴，套在石墨坩埚外侧，托盘形石墨加热器与不锈钢炉体同轴，安装于石墨坩埚的底部；筒形石墨加热器和托盘形石墨加热器分别独立加热。侧面保温碳毡和底部保温碳毡与不锈钢炉体同轴，安装于靠近不锈钢炉体的内壁面，对不锈钢炉体保温。两个氩气出口对称安装在不锈钢炉体下部。
其工作过程为：伺服电机安装在不锈钢炉体顶端，籽晶拉杆和同心套管与不锈钢炉体同轴，两者安装于伺服电机下端，籽晶拉杆穿过同心套管，并在籽晶拉杆最下端夹持籽晶。伺服电机控制籽晶拉杆的升降与旋转，同时控制同心套管的升降。同心套管最底端沿周向均匀焊接三个连接杆，三个连接杆与导流筒上部卡槽连接，导流筒下部通过三个钼连接螺栓与石墨连接臂相连，石墨连接臂通过三个钼连接螺栓与移动热屏相连，该连接组合即构成移动热屏机构。把多晶硅原料装入石英坩埚中，将不锈钢炉体密封并通入氩气抽真空，打开水冷结构，使籽晶拉杆和坩埚旋转轴逆向按一定速率旋转，同时启动筒形石墨加热器和托盘形石墨加热器，进入熔料阶段。待所有多晶硅全部熔融并达到稳定后，通过伺服电机控制移动热屏提拉机构，使移动热屏最下端与熔体自由液面的距离保持约20mm恒定。将籽晶下降到熔体硅自由液面附近，依次进行籽晶熔接、引细颈和转肩，随后晶体进入等径生长阶段，此时只要保证熔体硅熔融即可，可逐渐降低或关闭侧面筒形石墨加热器的功率，保留底部托盘形石墨加热器的功率。随着晶体的提升，移动热屏随籽晶拉杆的上升成比例下降，使移动热屏最下端与熔体自由液面的竖直距离保持恒定。在生长过程的末期，石英坩埚中仍有少量熔体时，提高底部托盘形石墨加热器的功率，通过提高晶升速率和调整加热器功率，使晶体直径逐渐缩小，从而形成一个尾部锥体，当锥体长度与晶体直径相等时，晶体硅与熔体硅脱离，从而完成晶体的生长过程。
本发明的优点为：（1）筒形石墨加热器和托盘形石墨加热器分别位于石墨坩埚的侧面和底部，针对晶体生长的不同阶段分别控制，使晶体和熔体的温度梯度控制更加方便；（2）石英坩埚与两个加热器的相对位置均保持平行且不变，加热器的热辐射直接烘烤坩埚，与传统单晶炉中坩埚不断远离加热区域相比，传热效率大大提高，更加节能；（3）利用热屏的向下移动替代坩埚向上运动，使坩埚只有旋转而不再上升，减少了一个自由度，降低了系统的复杂性，同时也使下炉腔的高度大大降低；（4）由于坩埚不再上升，降低了由于机械传动而引起的振动，使熔体自由液面更加稳定；（5）导流筒引导氩气对晶体强化换热，抑制了熔体上方的氩气对流涡旋，有利于减少晶体中的杂质和微缺陷，并降低氩气消耗量。
本发明不仅限于单晶硅的生长，同样适用于InP、GaAs等其它光学单晶体的生长。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是炉体结构示意图。
图2是移动热屏提拉机构示意图。
图中，1. 底部保温碳毡 2. 氩气出口 3. 水冷结构 4. 不锈钢炉体 5. 侧面保温碳毡 6. 石墨坩埚 7. 石英坩埚 8. 移动热屏 9. 钼连接螺栓 10. 石墨连接臂 11. 导流筒 12. 连接杆 13. 同心套管 14. 伺服电机 15. 籽晶拉杆 16. 籽晶 17. 晶体硅 18. 筒形石墨加热器 19. 熔体硅 20. 石墨坩埚托 21. 托盘形石墨加热器 22. 坩埚旋转轴。
具体实施方式
如图所示，不锈钢炉体4为轴对称结构，由不锈钢炉体4和水冷结构3构成整个单晶炉的外部框架。伺服电机14安装在不锈钢炉体4顶端，籽晶拉杆15和同心套管13与不锈钢炉体4同轴，两者安装于伺服电机14下端，籽晶拉杆15穿过同心套管13，并在籽晶拉杆15最下端夹持籽晶16。伺服电机14控制籽晶拉杆15的升降与旋转，同时控制同心套管13的升降。同心套管13最底端沿周向均匀焊接三个连接杆12，三个连接杆12与导流筒11上部卡槽连接，导流筒11下部通过三个钼连接螺栓9与石墨连接臂10相连，石墨连接臂10通过三个钼连接螺栓9与移动热屏8相连，该连接组合即构成移动热屏机构。不锈钢炉体4下端的坩埚旋转轴22与不锈钢炉体4同轴，坩埚旋转轴22上部由下至上依次安装石墨坩埚托20、石墨坩埚6和石英坩埚7，坩埚旋转轴22可带动安装其上的石墨坩埚托20、石墨坩埚6和石英坩埚7旋转。筒形石墨加热器18与不锈钢炉体4同轴，套在石墨坩埚6外侧，托盘形石墨加热器21与不锈钢炉体4同轴，安装于石墨坩埚6的底部；筒形石墨加热器18和托盘形石墨加热器21分别独立加热。侧面保温碳毡5和底部保温碳毡1与不锈钢炉体4同轴，安装于靠近不锈钢炉体4的内壁面，对不锈钢炉体4保温。两个氩气出口2对称安装在不锈钢炉体4下部。
在实际应用时，伺服电机14安装在不锈钢炉体4顶端，籽晶拉杆15和同心套管13与不锈钢炉体4同轴，两者安装于伺服电机14下端，籽晶拉杆15穿过同心套管13，并在籽晶拉杆15最下端夹持籽晶16。伺服电机14控制籽晶拉杆15的升降与旋转，同时控制同心套管13的升降。同心套管13最底端沿周向均匀焊接三个连接杆12，三个连接杆12与导流筒11上部卡槽连接，导流筒11下部通过三个钼连接螺栓9与石墨连接臂10相连，石墨连接臂10通过三个钼连接螺栓9与移动热屏8相连，该连接组合即构成移动热屏机构。把多晶硅原料装入石英坩埚7中，将不锈钢炉体4密封并通入氩气抽真空，打开水冷结构3，使籽晶拉杆15和坩埚旋转轴22逆向按一定速率旋转，同时启动筒形石墨加热器18和托盘形石墨加热器21，进入熔料阶段。待所有多晶硅全部熔融并达到稳定后，通过伺服电机14控制移动热屏提拉机构，使移动热屏8最下端与熔体自由液面的距离保持约20mm恒定。将籽晶16下降到熔体硅19自由液面附近，依次进行籽晶熔接、引细颈和转肩，随后晶体进入等径生长阶段，此时只要保证熔体硅19熔融即可，可逐渐降低或关闭侧面筒形石墨加热器18的功率，保留底部托盘形石墨加热器21的功率。随着晶体的提升，移动热屏8随籽晶拉杆15的上升成比例下降，使移动热屏8最下端与熔体自由液面的竖直距离保持恒定。在生长过程的末期，石英坩埚7中仍有少量熔体硅19时，提高底部托盘形石墨加热器21的功率，通过提高晶升速率和调整加热器功率，使晶体直径逐渐缩小，从而形成一个尾部锥体，当锥体长度与晶体直径相等时，晶体硅17与熔体硅19脱离，从而完成晶体的生长过程。
Claims (1)
1.一种双加热器移动热屏式直拉单晶炉，其特征在于，包括不锈钢炉体（4）和水冷结构（3）、石墨坩埚（6）、石英坩埚（7）、移动热屏（8）、石墨连接臂（10）、导流筒（11）、钼连接螺栓（9）、侧面保温碳毡（5）、底部保温碳毡（1）、氩气出口（2）、连接杆（12）、同心套管（13）、伺服电机（14）、籽晶拉杆（15）、筒形石墨加热器（18）、托盘形石墨加热器（21）、石墨坩埚托（20）和坩埚旋转轴（22）；所述不锈钢炉体（4）为轴对称结构，不锈钢炉体（4）和水冷结构（3）构成整个单晶炉的外部框架；所述伺服电机（14）安装在不锈钢炉体（4）顶端，籽晶拉杆（15）和同心套管（13）与不锈钢炉体（4）同轴，两者安装于伺服电机（14）下端，籽晶拉杆（15）穿过同心套管（13）；所述伺服电机（14）控制籽晶拉杆（15）的升降与旋转，同时控制同心套管（13）的升降；所述同心套管（13）底端沿周向均匀焊接三个连接杆（12），三个连接杆（12）与导流筒（11）上部卡槽连接，导流筒（11）下部通过三个钼连接螺栓（9）与石墨连接臂（10）相连，石墨连接臂（10）通过三个钼连接螺栓（9）与移动热屏（8）相连，移动热屏（8）能够向下移动；所述不锈钢炉体（4）下端安装坩埚旋转轴（22），坩埚旋转轴（22）与不锈钢炉体（4）同轴，坩埚旋转轴（22）的上部由下至上依次安装石墨坩埚托（20）、石墨坩埚（6）和石英坩埚（7），坩埚旋转轴（22）带动安装其上的石墨坩埚托（20）、石墨坩埚（6）和石英坩埚（7）旋转；所述筒形石墨加热器（18）与不锈钢炉体（4）同轴，套在石墨坩埚（6）外侧，所述托盘形石墨加热器（21）与不锈钢炉体（4）同轴，安装于石墨坩埚（6）的底部，所述筒形石墨加热器（18）和托盘形石墨加热器（21）分别独立加热；所述侧面保温碳毡（5）和底部保温碳毡（1）与不锈钢炉体（4）同轴，安装于靠近不锈钢炉体（4）的内壁面，对不锈钢炉体（4）保温；两个所述氩气出口（2）对称安装在不锈钢炉体（4）下部。
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