CN103361716A - 一种籽晶夹持器 - Google Patents

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戴小林
吴志强
汪丽都
崔彬
姜舰
邓树军
王雅楠
朱秦发
叶松芳
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You Yan Semi Materials Co., Ltd.
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Grinm Semiconductor Materials Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种籽晶夹持器，包括夹持器上部和夹持器下部，该夹持器上部与夹持器下部之间为可拆卸连接，该夹持器下部内具有一个贯通上下的空腔，该夹持器下部的下端沿其内壁具有一个环形的凸台，该空腔内设有一弹簧。采用本发明的籽晶夹持器，在硅单晶生长过程中，可以避免发生籽晶断裂，延长了籽晶的使用寿命；大大提高了大直径硅单晶生产的安全性，适用于生长重量不超过600kg的大直径硅单晶。

Description

一种籽晶夹持器
技术领域
本发明涉及一种籽晶夹持器，用于制造集成电路和其它电子元件半导体级硅单晶的制备。 
背景技术
目前，半导体硅单晶多采用切克劳斯基(Czochralski)法制造。在硅单晶制造过程中需要一种具有特定晶向的硅单晶，称为籽晶。籽晶通常由特定晶向的硅单晶切割或钻取而成。 
如图1所示为切克劳斯基(Czochralski)法制造硅单晶的单晶炉剖面图示意图。硅单晶4在晶体生长室5内生长，该晶体生长室5包括石英坩埚3、石墨坩埚8、保温材料6、发热体7、石墨轴9、底保温材料10、11、排气口12等。在进行硅单晶生长时，先将石英坩埚3放入石墨坩埚8内，再将多晶硅材料放入石英坩埚3内，装上特定晶向的籽晶1，籽晶1位于石英坩埚3的正上方，合上炉室，并抽真空，然后加热使硅完全熔化形成硅熔体2，然后，逐步将硅熔体的温度降至硅的熔点附近。将石英坩埚3和籽晶2反向旋转，并使籽晶慢慢下降，与硅熔体接触，然后以一定的速度向上提升籽晶1。待籽晶1提升到一定长度时，将提升速度减慢，同时略降低硅熔体的温度，使籽晶直径加大，当籽晶直径增大到比目标直径约低10毫米左右时，增加提升速度，使晶体近乎等直径生长。在石英坩埚内存储硅料不多时，再提高提升速度，同时适当增加加热的功率，使晶体直径变化至一个倒锥形，当锥尖足够小时，它会脱离硅熔体，这时晶体的生长过程结束。 
在切克劳斯基(Czochralski)法制造硅单晶的过程中，籽晶夹持器是必需的部件，将籽晶固定在籽晶夹持器上，需要确保籽晶在提升过程中不脱落，才能使硅单晶生长过程顺利进行。 
对于长方体或圆柱体形状的籽晶，一般采用以下两种方式固定籽晶：如图2、3所示，在籽晶15上端一侧开有一个或多个切口，采用销柱16或钼丝14将籽晶固定夹持器13上。以上两种结构的籽晶夹持器只能适用于较轻的硅单晶(直径小于160mm，重量不超过60kg)，由于钼丝热胀冷缩，在受热时，籽晶容易下滑；另外，当硅单晶重熔时，籽晶可能向上移动并与销柱分离，重新生长单晶时，在销柱与籽晶切口处容易产生较大的损伤，造成籽晶断裂。 
为了减少以上情形的发生，一般采取如增大籽晶的断面尺寸，限制每支籽晶的使用次数等措施。而随着半导体材料的发展，对于大直径晶体(直径接近500mm， 单支晶棒的重量已经超过500kg)，亟需安全性更高的籽晶夹持器。国内外的硅单晶生产企业试图改变籽晶断面的形状，如设计成T型的、大小头型的等等，并将籽晶夹持器的下端设计成与籽晶上端相匹配的结构。如图4所示，T型方籽晶17上端的T字肩卡在夹持器18下部空腔内的台阶上；如图5、6所示，大小头圆柱型籽晶19和大小头多面体柱型籽晶20的上端为大小头型结构，籽晶的颈部卡在夹持器21下部空腔的圆台上，达到固定的目的。以上固定方式存在的缺陷是：当硅单晶重熔时，大小头籽晶会向上移动，重新生长单晶时，籽晶会向下滑动，容易造成晶体生长失败。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种籽晶夹持器，避免籽晶在大直径硅单晶生长过程中发生断裂，延长籽晶的使用寿命，使大直径硅单晶生长过程顺利进行。 
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案： 
本发明的一种籽晶夹持器，包括夹持器上部和夹持器下部，该夹持器上部与夹持器下部之间为可拆卸连接，该夹持器下部内具有一个贯通上下的空腔，该夹持器下部的下端沿其内壁具有一个环形的凸台，该空腔内设有一弹簧。 
所述弹簧未伸缩时的长度大于或等于所述夹持器上部底面与所述凸台之间的距离。 
所述弹簧为圆筒形。 
所述夹持器上部与所述夹持器下部之间为螺纹连接。 
本发明的另一种籽晶夹持器，包括夹持器上部和夹持器下部，该夹持器上部与夹持器下部之间为可拆卸连接，该夹持器下部内具有一个贯通上下的空腔，该空腔的下端口为倒圆台状或倒棱台状，该空腔内设有一弹簧。 
所述弹簧未伸缩时的长度大于或等于所述夹持器上部底面与所述下端口颈部之间的距离。 
所述弹簧为圆筒形或空心多面体形。 
所述空心多面体的面数为3-16，优选为4。 
所述夹持器上部与所述夹持器下部之间为螺纹连接。 
所述弹簧的材质为钼、钨、石墨、铪、钽、碳纤维、铼、锆、氧化锆、铌、锝、钛、钒、铁、不锈钢、铬或镍。 
本发明的优点在于： 
采用本发明的籽晶夹持器，在硅单晶生长过程中，可以避免发生籽晶断裂，延长了籽晶的使用寿命；大大提高了大直径硅单晶生产的安全性，适用于生长重量不 超过600KG的大直径硅单晶。 
附图说明
图1为切克劳斯基(Czochralski)法制造硅单晶的单晶炉剖面图示意图。 
图2为现有籽晶夹持器固定具有一个切口的籽晶的结构示意图。 
图3为现有籽晶夹持器固定具有多个切口的籽晶的结构示意图。 
图4为现有籽晶夹持器固定T型籽晶的结构示意图。 
图5为现有籽晶夹持器固定大小头圆柱型籽晶的结构示意图。 
图6为现有籽晶夹持器固定大小头多面体柱型的结构示意图。 
图7为本发明固定T型籽晶的结构示意图。 
图8为本发明固定大小头圆柱型籽晶的结构示意图。 
图9为本发明中圆筒形弹簧的剖面示意图。 
图10为本发明中圆筒形弹簧的俯视图。 
图11为本发明中空心多面体形弹簧的结构示意图。 
图12为本发明中空心多面体形弹簧的俯视图。 
具体实施方式
如图7所示，本发明的一种籽晶夹持器，包括夹持器上部31和夹持器下部31，该夹持器上部31与夹持器下部32之间为可拆卸连接，例如，可以是螺纹连接。该夹持器下部32内具有一个贯通上下的空腔，该夹持器下部32的下端沿其内壁具有一个环形的凸台33，该凸台用来承载T型籽晶34的T字形肩部。该空腔内设有一弹簧35，该弹簧35未伸缩时的长度大于或等于夹持器上部底面与凸台33之间的距离。当载入T型籽晶后弹簧35处于压缩状态，并保持一定的压力，从而使籽晶34被稳定的固定在籽晶夹持器中。弹簧的形状为圆筒形，如图9、10所示。 
如图8所示，本发明的另一种籽晶夹持器，包括夹持器上部31和夹持器下部32，该夹持器上部31与夹持器下部32之间为可拆卸连接，例如，可以是螺纹连接。该夹持器下部32内具有一个贯通上下的空腔，该空腔的下端口为倒圆台状，该下端口用来承载大小头圆柱型籽晶36，该下端口也可以设计成倒棱台状，来承载大小头多面体柱型籽晶。该空腔内设有一弹簧35，该弹簧35未伸缩时的长度大于或等于夹持器上部底面与下端口颈部之间的距离。当载入大小头圆柱型籽晶36后弹簧处于压缩状态，并保持一定的压力，从而使大小头圆柱型籽晶36被稳定的固定在籽晶夹持器中。弹簧的形状可以根据需要选择圆筒形的或空心多面体形的。选择空心多面体形时，该空心多面体的面数一般为3-16，优选为4，即立方体或长方体形的，如图9-12所示。 
本发明的籽晶夹持器中弹簧的材质可以是由钼、钨、石墨、铪、钽、碳纤维、铼、锆、氧化锆、铌、锝、钛、钒、铁、不锈钢、铬、镍等材料。 
采用以上两种结构的籽晶夹持器来固定籽晶，弹簧的设置使得籽晶稳定的固定在夹持器中，在硅单晶重熔时及重新生长时，均能避免籽晶的下滑、断裂，大大提高了大直径硅单晶生产的安全性，完全适用于重量不超过600kg的大直径硅单晶。 

Claims (10)

1.一种籽晶夹持器，包括夹持器上部和夹持器下部，该夹持器上部与夹持器下部之间为可拆卸连接，该夹持器下部内具有一个贯通上下的空腔，其特征在于：该夹持器下部的下端沿其内壁具有一个环形的凸台，该空腔内设有一弹簧。
2.根据权利要求1所述的籽晶夹持器，其特征在于：所述弹簧未伸缩时的长度大于或等于所述夹持器上部底面与所述凸台之间的距离。
3.根据权利要求1或2所述的籽晶夹持器，其特征在于：所述弹簧为圆筒形。
4.根据权利要求1或2所述的籽晶夹持器，其特征在于：所述夹持器上部与所述夹持器下部之间为螺纹连接。
5.一种籽晶夹持器，包括夹持器上部和夹持器下部，该夹持器上部与夹持器下部之间为可拆卸连接，该夹持器下部内具有一个贯通上下的空腔，其特征在于：该空腔的下端口为倒圆台状或倒棱台状，该空腔内设有一弹簧。
6.根据权利要求5所述的籽晶夹持器，其特征在于：所述弹簧未伸缩时的长度大于或等于所述夹持器上部底面与所述下端口颈部之间的距离。
7.根据权利要求5或6所述的籽晶夹持器，其特征在于：所述弹簧为圆筒形或空心多面体形，该空心多面体的面数为3-16。
8.根据权利要求7所述的籽晶夹持器，其特征在于：所述空心多面体的面数为4。
9.根据权利要求5或6所述的籽晶夹持器，其特征在于：所述夹持器上部与所述夹持器下部之间为螺纹连接。
10.根据权利要求1或5所述的籽晶夹持器，其特征在于：所述弹簧的材质为钼、钨、石墨、铪、钽、碳纤维、铼、锆、氧化锆、铌、锝、钛、钒、铁、不锈钢、铬或镍。
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