CN104726930B - 一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置，包括由外向内依次设置的炉壁和隔热层，在隔热层中心的底部设置有能够旋转的支撑轴，支撑轴上依次设置有石墨坩埚和石英坩埚，在石英坩埚的外侧上设置有石墨加热器；在石墨坩埚内设置有搅拌环，且搅拌环的顶端与导流筒的底端相连，导流筒的顶端与设置在炉壁顶端且用于驱动导流筒和搅拌环旋转的驱动装置相连；使用时，搅拌环的底端浸渍在石墨坩埚内的硅熔体的上表面，生长的硅晶体通过提升装置牵引提升。本发明通过控制搅拌环的旋转来控制凝固界面的形状，减少了晶体生长过程中晶体旋转部件带来的不稳定性，相对于晶体旋转，搅拌环的旋转更为稳定可靠。

Description

一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置

技术领域：

本发明属于直拉法晶体生长装置领域，具体涉及一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置。

背景技术：

以下以直拉法(Czochralski，CZ)生长单晶硅棒为例说明使用的方法。直拉单晶生长法由波兰科学家Jan Czochralski于1918年发明，其方法是利用旋转着籽晶从反方向旋转的坩埚中的硅熔体里持续提拉制备出单晶硅。

CZ法单晶硅生长主要包含以下几个步骤：首先，将高纯多晶硅原料以及掺杂物质放入石英坩埚内；完成装料后，将长晶炉关闭，抽真空，并打开石墨加热器，加热使硅原料熔化；当熔体温度稳定后，将籽晶浸入硅熔体中，开始进行引晶；种晶与硅熔体接触时的热应力将会使种晶产生位错，这些位错则通过晶颈的生长使之消失；生长完晶颈后，降低拉速和温度，使晶体的直径逐渐增大到目标直径，这个过程便称为放肩；达到目标直径后，不断调整提拉速度与温度，使晶棒直径与目标值的变差维持在±2mm间，等径生长的部分称之为晶身，也是制作硅片的部分；晶身生长完后，将晶棒直径逐渐缩小至一尖点与熔体分开，这个过程称为尾部生长。长完的晶棒在上炉室冷却至室温后取出，整个生长周期一般持续1～2天。

长晶过程主要希望能够达到目标直径下的晶体长度最大化和无位错，电阻率和氧杂质沿轴向和径向分布均匀，热应力水平合适。位错可能发生在长晶的任何阶段，由于硅晶体具有很高的弹性强度，一般当长晶过程中的机械应力或热应力低于其弹性强度时，应力可以在晶棒冷却过程中自然消失；如果应力高于其弹性强度，就会产生位错来减小应变。一旦在长晶界面出现位错，位错马上会开始多重延伸，整个晶棒可能由单晶变为多晶。位错的原因有多种，其中长晶界面形状对位错的形成有很大影响。位错更容易出现在长晶界面形状过凹或过凸情况下，在直拉法生长单晶硅过程中需要控制凝固界面的形状尽量平坦。因此，在直拉单晶硅生长过程中，凝固界面形状关系着生长出晶体的质量，凝固界面处的热场与流动形态决定了凝固界面形状。一般可以通过改变热屏、导流筒等部件结构来改变炉内热场进而改变凝固界面形状，或通过改变晶体转速和坩埚转速来影响凝固界面附近硅熔体流动进而改变凝固界面形状。但是，这些方法并不能十分有效的控制界面形状并使其相对平坦。

发明内容：

本发明的目的是提供一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置，通过改变硅熔体表面及凝固界面附近硅熔体的流动，最终改变凝固界面的形状，克服在长晶过程中由于凝固界面形状过度凹状导致的位错增殖等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置，包括由外向内依次设置的炉壁和隔热层，在隔热层中心的底部设置有支撑轴，支撑轴上依次设置有石墨坩埚和石英坩埚，支撑轴用于带动石墨坩埚和石英坩埚升降及旋转，在石英坩埚的外侧上设置有石墨加热器；在石墨坩埚内设置有搅拌环，且搅拌环的顶端与导流筒的底端相连，导流筒的顶端与设置在炉壁顶端且用于驱动导流筒和搅拌环旋转的驱动装置相连；使用时，搅拌环的底端浸渍在石墨坩埚内的硅熔体的上表面，生长的硅晶体通过提升装置牵引提升。

本发明进一步的改进在于：搅拌环的横截面形状为长方形，其外侧平行于石英坩埚侧壁，整体形状为环形，搅拌环与导流筒之间留有空隙以保证氩气通流，并通过其顶端设置的三个延伸结构与导流筒的底端相连。

本发明进一步的改进在于：搅拌环由二氧化硅制成。

本发明进一步的改进在于：搅拌环在径向的厚度小于石英坩埚的厚度，以减小其对硅熔体区域热场的影响，搅拌环延伸部分的厚度与环状部分的厚度一致，且厚度大于延伸部分高度的1/20。

本发明进一步的改进在于：导流筒最低点距离硅熔体上表面的距离大于10mm，最高点距离硅熔体上表面小于200mm。

本发明进一步的改进在于：搅拌环的环形结构的高度小于石英坩埚深度的1/2；搅拌环高度要大于石英坩埚深度1/20。

本发明进一步的改进在于：搅拌环的环状结构中露出硅熔体上表面的高度大于5mm。

本发明进一步的改进在于：搅拌环在硅熔体表面径向的位置为硅晶体外侧到石英坩埚内壁距离的1/3到2/3。

本发明进一步的改进在于：支撑轴的横截面呈T型状。

本发明进一步的改进在于：导流筒的内腔由上至下逐渐缩小。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过在硅熔体自由表面附近安装一个搅拌环，能够使凝固界面变得更为平坦，以克服在长晶过程中由于凝固界面形状过度凹状导致的位错增殖等问题，从而提高晶体质量。本发明可以仅通过搅拌环旋转来控制凝固界面形状，实现了所提拉晶体周向的静止，使长晶过程更为可靠稳定。本发明通过搅拌环旋转可以使硅熔体自由表面的温度沿周向分布更为均匀减少热场不对称性带来的影响。

附图说明：

图1为本发明一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置的剖面图。

图2为图1的局部放大示意图。

图3为搅拌环三维视图。

图4为第一次为全局模拟所得凝固界面形状。

图5为第二次全局模拟所得凝固界面形状。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置，包括导流筒1、隔热层2、石墨加热器3、搅拌环4、硅晶体5、炉壁6、石墨坩埚7、石英坩埚8、硅熔体9、支撑轴10、提拉装置11以及驱动导流筒和搅拌环的驱动装置12。其中i为所选定有搅拌环的局部区域并在图2中进行放大。石墨坩埚7和石英坩埚8均为圆形坩埚；石墨坩埚7和石英坩埚8外侧为石墨加热器3，石墨加热器3外侧为防止热散失的隔热层2；硅晶体5上方为控制硅晶体5提拉和旋转的拉晶装置11。

具体来说，本发明包括由外向内依次设置的炉壁6和隔热层2，在隔热层2中心的底部设置有支撑轴10，支撑轴10上依次设置有石墨坩埚7和石英坩埚8，支撑轴10用于带动石墨坩埚7和石英坩埚8升降及旋转，在石英坩埚8的外侧上设置有石墨加热器3；在石墨坩埚7内设置有搅拌环4，且搅拌环4的顶端与导流筒1的底端相连，导流筒1的顶端与设置在炉壁6顶端且用于驱动导流筒1和搅拌环4旋转的驱动装置12相连；使用时，搅拌环4的底端浸渍在石墨坩埚7内的硅熔体9的上表面，生长的硅晶体5通过提升装置11牵引提升。其中，导流筒1的内腔由上至下逐渐缩小。此外，支撑轴10的横截面呈T型状。

装置中搅拌环4和导流筒1为本发明的核心部件。搅拌环4除与导流筒1相连部分为三个延伸结构，下方为环形，如图2所示。搅拌环4在径向的厚度要小于石英坩埚8的厚度，以减小其对硅熔体9区域热场的影响，延伸部分与环状部分的厚度一致且厚度要大于延伸高度的1/20以保证其强度符合要求。搅拌环4三个延伸结构与导流筒1相连，延伸结构的长度由导流筒1距熔体表面的距离决定，导流筒1最低点距离熔体表面的距离应大于10mm，最高点距离熔体自由表面小于200mm。搅拌环4的环形结构的高度要小于石英坩埚8深度的1/2，以减少其对石英坩埚8内整个熔体热场和流场的影响；同时搅拌环4高度要大于坩埚深度1/20，搅拌环4过小则搅拌效果不明显。搅拌环4的环状结构中露出熔体表面的高度应大于5mm，小于延伸结构的高度。搅拌环4在熔体表面径向的位置为硅晶体5外侧到石英坩埚8内壁距离的1/3到2/3，搅拌环4距硅晶体5过近会在搅拌环4内侧产生熔体凝固，距离硅晶体5过远则对凝固界面控制效果不明显。导流筒1由外部驱动装置12带动旋转，从而带动搅拌环4旋转。

为了对本发明进一步的了解，现对其工作过程做一说明。

在本发明中，在硅晶体5生长的熔料过程中待硅料完全熔化，通过支撑轴10带动石墨坩埚7和石英坩埚8升降将搅拌环4插入硅熔体9中；在后续的引晶、放肩、等径和收尾过程中，由于支撑轴10的上升保证硅熔体自由表面的高度基本保持不变，因此搅拌环4与导流筒1在轴向的位置不需要做调整，只需要在不同阶段控制搅拌环4和硅晶体5的转速来调节凝固界面形状；长晶完成后搅拌环和导流筒还可以在下次长晶过程中继续使用。其中，搅拌环4需要与坩埚(后均指石墨坩埚7和石英坩埚8)的旋转方向相反(即与硅晶体5的旋转方向相同)。搅拌环4静止或与坩埚转向相同对凝固界面的控制效果并不理想。搅拌环4主要的控制方法如下：

一种控制方法为控制搅拌环4及硅晶体5均旋转来调节凝固界面形状。硅晶体5由提拉装置11控制转速并进行提拉，搅拌环4由驱动装置12带动导流筒1旋转进而由导流筒1带动搅拌环4旋转。在导流筒1靠近硅熔体自由表面的不同径向位置开槽可以固定及调节搅拌环4的位置。在长晶过程中，由于坩埚旋转带动硅熔体旋转。因此，硅熔体沿径向受到离心力的影响，当搅拌环4和硅晶体5与坩埚转动方向相反时，熔体表面及凝固界面附近熔体由搅拌环4和硅晶体5带动旋转，靠近坩埚的熔体由坩埚带动旋转，由于搅拌环4和硅晶体5转向相反，所带动的硅熔体的转向也相反。因此，熔体自由表面及凝固界面下方会出现一个硅熔体周速较小的区域，此区域的硅熔体的离心力也较小，因而与离心力相反的径向流动增强，在凝固界面附近这种流动会使凝固界面附近径向的温度梯度减小，从而使凝固界面的凸度减小。其中，硅晶体5和搅拌环4与坩埚的转向相反。硅晶体5与搅拌环4转速要大于0小于20rpm。

另一种控制方法为仅控制搅拌环4旋转来调节凝固界面形状。硅晶体5由提拉装置11控制进行提拉，搅拌环4由驱动装置12带动导流筒1旋转进而由导流筒带动搅拌环旋转。在长晶过程中，由于坩埚旋转带动硅熔体旋转。因此，硅熔体沿径向受到离心力的影响，当搅拌环4与坩埚转动方向相反时，熔体自由表面下方会出现一个硅熔体周速较小的区域，此区域的硅熔体的离心力也较小，因而流动发生变化，这部分的流动发生变化最终影响到凝固界面附近，最终改变凝固界面的形状，使其更加平坦。这种控制方式可以减少硅晶体5旋转带来的不稳定性与不可靠性。其中，搅拌环与坩埚的转向相反。搅拌环的转速应大于0小于20rpm。

以下通过仿真对本发明中有搅拌环的直拉法生长晶体装置所采用的设备进行全局传热数值模拟，以指导硅晶体和搅拌环旋转速度的设定。图4和图5为凝固界面的形状，其中横坐标为硅晶体的径向位置，纵坐标为凝固界面的轴向位置。图4所示为不同硅晶体转速和搅拌环转速下凝固界面的形状，其中case 1为没有搅拌环设计、硅晶体转速为12rpm、坩埚转速为-6rpm时的凝固界面形状；case 2为加搅拌环的提拉单晶炉装置、搅拌环和硅晶体转速均为9rpm、坩埚转速为-6rpm时的凝固界面形状；case 3为加搅拌环的提拉单晶炉装置、搅拌环和硅晶体转速为12rpm、坩埚转速为-6rpm时的凝固界面形状。可以看出，增加搅拌环后的凝固界面凹度显著减小，更为平坦。通过多次的模拟和设计，当硅晶体不旋转仅控制搅拌环旋转得到了如图5所示凝固界面形状，其中case 1为不加搅拌环的提拉单晶炉装置、硅晶体转速为12rpm、坩埚转速为-6rpm时的凝固界面形状；case 4为加搅拌环的提拉单晶炉装置、硅晶体转速为零且搅拌环转速为12rpm、坩埚转速为-6rpm时的凝固界面形状；case 5为加搅拌环的提拉单晶炉装置、硅晶体转速为零且搅拌环转速为15rpm、坩埚转速为-6rpm时的凝固界面形状。可以看到，仅通过搅拌环控制也可以得到较小凹度的凝固界面形状。

Claims (8)

1.一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置，其特征在于：包括由外向内依次设置的炉壁(6)和隔热层(2)，在隔热层(2)中心的底部设置有支撑轴(10)，支撑轴(10)上依次设置有石墨坩埚(7)和石英坩埚(8)，支撑轴(10)用于带动石墨坩埚(7)和石英坩埚(8)升降及旋转，在石英坩埚(8)的外侧上设置有石墨加热器(3)；在石墨坩埚(7)内设置有搅拌环(4)，且搅拌环(4)的顶端与导流筒(1)的底端相连，导流筒(1)的顶端与设置在炉壁(6)顶端且用于驱动导流筒(1)和搅拌环(4)旋转的驱动装置(12)相连；使用时，搅拌环(4)的底端浸渍在石墨坩埚(7)内的硅熔体(9)的上表面，通过驱动装置(12)带动旋转，生长的硅晶体(5)由提升装置(11)带动旋转并提升至炉体外；

搅拌环(4)的横截面形状为长方形，其外侧平行于石英坩埚(8)侧壁，整体形状为环形，搅拌环(4)与导流筒(1)之间留有空隙以保证氩气通流，并通过其顶端设置的三个延伸结构与导流筒(1)的底端相连；

导流筒(1)最低点距离硅熔体(9)上表面的距离大于10mm，最高点距离硅熔体(9)上表面小于200mm。

2.根据权利要求1所述的一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置，其特征在于：搅拌环(4)由二氧化硅制成。

3.根据权利要求1所述的一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置，其特征在于：搅拌环(4)在径向的厚度小于石英坩埚(8)的厚度，以减小其对硅熔体(9)区域热场的影响，搅拌环(4)延伸部分的厚度与环状部分的厚度一致，且厚度大于延伸部分高度的1/20。

4.根据权利要求1所述的一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置，其特征在于：搅拌环(4)的环形结构的高度小于石英坩埚(8)深度的1/2；搅拌环(4)高度要大于石英坩埚(8)深度1/20。

5.根据权利要求1所述的一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置，其特征在于：搅拌环(4)的环状结构中露出硅熔体(9)上表面的高度大于5mm。

6.根据权利要求1所述的一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置，其特征在于：搅拌环(4)在硅熔体(9)表面径向的位置为硅晶体(5)外侧到石英坩埚(8)内壁距离的1/3到2/3。

7.根据权利要求1所述的一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置，其特征在于：支撑轴(10)的横截面呈T型状。

8.根据权利要求1所述的一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置，其特征在于：导流筒(1)的内腔由上至下逐渐缩小。