CN102321913B - 一种拉制8英寸区熔硅单晶热系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种拉制8英寸区熔硅单晶热系统及工艺。热系统包括线圈和保温桶，在炉体外两侧与线圈1相同高度的位置上分别设有产生横向磁场的磁场发生器，在线圈和保温桶之间设有用于对熔区热量进行反射的反射器。其工艺为：当扩肩直径到达100mm时，伸出反射器在硅单晶周围形成一个保温圈，开启磁场发生器，同时要保证扩肩过程中硅单晶上方的熔区高度为3～5mm，当硅单晶直径到205mm时转肩；在等径保持过程中，炉压为4~8bar。由于采取新设计的区熔硅单晶热系统和调整了工艺参数，成功拉制出8英寸区熔硅单晶，解决了大直径硅单晶成晶困难中的温度波动和熔流波动的问题，避免和减少了位错的产生，从而满足市场对8英寸区熔硅单晶的需求。
Description
技术领域
本发明涉及硅单晶的拉制方式，特别涉及一种拉制8英寸区熔硅单晶热系统及工艺。
背景技术
半导体器件厂家出于提高生产率、降低成本、增加利润等方面的考虑，都逐步要求增大硅片的直径，大直径化是半导体器件行业和材料行业的永恒课题。但是在区熔硅单晶的生产过程中，随着单晶直径的增大其成晶也越来越困难，由于设备方面的问题，还有热系统、工艺参数等方面的问题，现有技术下区熔硅单晶的最大尺寸为Φ6英寸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拉制8英寸区熔硅单晶热系统及工艺。
大直径区熔硅单晶的生产过程中，由于单晶直径较大，相应的其熔区比较大，所以熔体的流动和温度波动都比较大，使得熔体在凝固过程中产生的应变超过硅的屈服强度，导致位错的产生。对此，本发明采用施加磁场以及控制单晶上方熔区的高度来解决温度波动和熔体波动的问题，以降低凝固应变和应力。施加磁场之后，抑制熔体流动波动的同时提高了熔区温度的稳定性，而降低熔区高度也可以对熔体的波动起到很大的抑制作用。
同时由于单晶直径较大，晶体内部散热相对较慢，外部的熔体先结晶，这样使得单晶中心部分存在较大的应力，容易产生位错而断苞，需要降低横向温度梯度，使固液界面相对较为平整，这样可以降低晶体中心应力，防止断苞的产生。本发明采用了在保温桶和线圈之间额外增加一个反射器的方式，将熔区的辐射能量进行反射，以降低单晶的散热速率，从而使单晶中心能够充分散热，降低中心应力。
通过以上三种降低应力的方式，区熔硅单晶在扩肩和保持过程中便不易产生较大的应力，从而保证硅单晶的成功拉制。
由于单晶直径增大，熔区边缘所受的离心力增加，这增加了流熔的可能性。将炉压增加至4~8bar可以增强气体对熔体的挤压作用，防止流熔。
本发明采取的技术方案是：一种拉制8英寸区熔硅单晶热系统，包括线圈和保温桶，其特征在于：在炉体外两侧与线圈相同高度的位置上分别设有产生横向磁场的磁场发生器，在线圈和保温桶之间设有用于对熔区热量进行反射的反射器。
一种拉制8英寸区熔硅单晶工艺，其特征在于：当扩肩直径到达100mm时，伸出反射器在硅单晶周围形成一个保温圈，开启磁场发生器，同时要保证扩肩过程中硅单晶上方的熔区高度为3～5mm，当硅单晶直径到205mm时转肩；在等径保持过程中，炉压为4~8bar。
本发明所产生的有益效果是：由于采取新设计的区熔硅单晶热系统和调整了工艺参数，成功拉制出8英寸区熔硅单晶，解决了大直径硅单晶成晶困难中的温度波动和熔流波动的问题，避免和减少了位错的产生，从而满足市场对8英寸区熔硅单晶的需求。
附图说明
图1为本发明的热系统示意图。
图2为本发明的发射器示意图，其中：图a为反射器左半部分结构示意图；图b为反射器的右半部分结构示意图；图c为反射器组合后结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
参照图1和图2，一种拉制8英寸区熔硅单晶热系统包括线圈1和保温桶3，在炉体外两侧与线圈1相同高度的位置上分别设有产生横向磁场的磁场发生器4，在线圈1和保温桶3之间设有用于对熔区5热量进行反射的反射器2。
磁场发生器4产生的横向磁场强度为800~1200高斯。以此降低熔体的波动。
反射器2包括石墨板11、金属支架9和金属轴10，反射器2设为两部分，每个部分由上下两个半圆形的金属支架9组成，数块石墨板11分别固定在金属支架9上，金属轴10的一端分别通过连接支架12焊接固定在两个半圆形的金属支架9的一侧，金属轴10的另一端与传动装置连接，如图2所示。
以上石墨板11通过螺栓固定在金属支架9上。由于热系统中增加了反射器，降低了硅单晶冷却速度。
传动装置可以通过气缸控制金属轴的伸缩，进而控制反射器的伸缩。
本工艺采用的区熔设备为PVA FZ-30，其具体工艺步骤如下：
首先将炉门打开，用纤维纸将炉门内壁、上炉室、上轴、线圈和保温筒等部分擦拭一遍；将卡盘安装在多晶料头部，并用扳手拧紧，之后将卡盘安装在上轴低端，之后调整多晶料棒6，使之呈竖直状态；
然后安装线圈1和保温筒2，并用水平仪进行水平调整。之后用专门的对中工具进行线圈的对中。之后将石墨环伸出，下降多晶料棒6使之位于石墨环上方约3mm。
抽真空，充入Ar气使炉压达到4bar，之后缓慢增加功率进行预热，预热时间为30分钟。之后向上升起单晶，使石墨环能够收回初始位置时将石墨环退出，下降多晶料棒6进行加热。待多晶料棒6下端出现熔区5后，上升籽晶与熔区接触进行过热引晶。
引晶完毕后，开启下轴转速进行拉细颈：细颈直径Φ2～3mm，长度为150mm。
降低下轴转速进行扩肩，当扩肩直径到达100mm时，启动反射器传动装置伸出左右两部分的反射器2，最后组成整体反射器（参见图2），在硅单晶7周围形成一个保温圈，开启磁场发生器4，同时要保证扩肩过程中硅单晶上方的熔区5高度为4mm，降低温度波动；当硅单晶直径到205mm时转肩；在等径保持过程中，炉压为6bar。
Claims (2)
1.一种拉制8英寸区熔硅单晶热系统，包括线圈（1）和保温桶（3），其特征在于：在炉体外两侧与线圈（1）相同高度的位置上分别设有产生横向磁场的磁场发生器（4），在线圈（1）和保温桶（3）之间设有用于对熔区（5）热量进行反射的反射器（2）；所述磁场发生器（4）产生的横向磁场强度为800~1200高斯；
所述反射器（2）包括石墨板（11）、金属支架（9）和金属轴（10），所述反射器（2）设为两部分，每个部分由上下两个半圆形的金属支架（9）组成，数块石墨板（11）分别固定在金属支架（9）上，金属轴（10）的一端分别通过连接支架（12）焊接固定在两个半圆形的金属支架（9）的一侧，金属轴（10）的另一端与传动装置连接。
2.一种如权利要求1所述的一种拉制8英寸区熔硅单晶热系统拉制8英寸区熔硅单晶工艺，其特征在于：当扩肩直径到达100mm时，伸出反射器在单晶周围形成一个保温圈，开启磁场发生器，同时要保证扩肩过程中单晶上方的熔区高度为3～5mm，当单晶直径到205mm时转肩；在等径保持过程中，炉压为4~8bar。
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