CN105858665B - 多晶硅沉积炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶体生长设备，公开了一种多晶硅沉积炉。包括：由底盘和外壳形成的炉体、至少一根进气管、数根硅芯和硅芯加热装置；进气管从底盘穿进炉体并分布于硅芯之间；进气管分为内层和外层：内层一端封闭形成一个进气腔，用于通入含硅气体，另一端与外部连通形成进气管路；进气腔上分布有不与外层导通的喷嘴，喷嘴连接进气腔和炉体，外层具有一个环绕内层的导热通道，导热通道内注有导热介质。通过对进气管结构的改进和针对该改进对炉体内硅芯的位置作了适应性的排布，有效地减少了含硅原料气体的自分解，提高了沉积率。

Description

多晶硅沉积炉

技术领域

本发明涉及晶体生长设备，特别涉及一种多晶硅沉积炉。

背景技术

多晶硅，是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅是生产单晶硅的直接原料，是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料。

通常采用沉积法生长多晶硅时，最令人困扰的问题之一在于原料气体的自分解。以最常见的硅烷混合气体为例，由于硅烷在400℃即会发生自分解，而通常采用的炉内工艺温度一般达600℃至800℃，因此硅烷很有可能在还未及到达硅芯表面即发生自分解。而硅烷一旦发生自分解，不单造成原料气体的浪费，而且生成的硅粉还将引发包括污染问题、质量问题、清洁问题、安全问题等诸多问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以有效防止原料气体自分解，并以较低的成本，较少的能耗提高产品良率的多晶硅沉积炉。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种多晶硅沉积炉，包括：

由底盘和外壳形成的炉体、至少一根进气管、数根硅芯和硅芯加热装置；所述进气管从所述底盘穿进所述炉体并分布于所述硅芯之间；

其中，进气管分为内外两层：内层一端封闭形成一个进气腔，用于通入含硅气体，另一端与外部连通形成进气管路；该进气腔上分布有不与该外层导通的喷嘴，该喷嘴连接进气腔和炉体。而外层则具有一个环绕进气腔的导热通道，通道内注有导热介质。

与现有技术相比，本发明的实施方式通过将进气管分为内层和外层，外层具有一个环绕所述内层的且注有导热介质导热通道，使得本发明的实施方式具有如下几个有益效果：

a、在开始晶体生长之前，在导热通道内通入导热介质可以对硅芯进行预加热，从而降低硅芯的电阻，当加热装置为电极时，可以有效降低击穿难度；b、由于降低了加热难度或击穿难度，并调节炉体内的温度场，在增加产品良率的同时也减少了生产成本；c、在晶体生长过程中，导热介质散发出的热量可以对周围温度场进行调控，提高不同硅芯温度的一致性；d、对原料气体进行预加热，使得气体进入炉体后不因骤冷骤热发生剧烈膨胀，加强安全性的同时减少了进气管的材料损耗，延长进气管寿命；e、控制原料气体(通常是硅烷和氢气的混合气体或其他含硅气体)的温度，防止原料气体在未及接触硅芯之前就产生自分解，从而提升沉积率，减少硅粉生成。

而作为优选，进气管的导热通道可以且并不限于以下四种构造：

1、进气管由第一管道绕于第二管道构成，该第一管道构成外层，该第一管道的内部通道构成导热通道，该第二管道构成所述内层。选用这种结构，外层管道与内层管道之间可以很容易地进行分离，方便管道泄露及维护时候的替换；

2、该进气管包含内壁和外壁；外壁与内壁之间形成的通道为该导热通道，内壁形成内层。导热介质从两壁之间的导热通道流过。选用这一结构，由于内外层之间仅隔了一层内壁而非两层管道壁，相对第1种结构而言，热传导效率更好；

3、在第2种结构的基础上，在进气管顶部预留了一个集液腔，构成导热通道的一部分，并有一根中心管从内层中通入，该中心管的上端口与集液腔连通，下端口作为导热通道的出口。导热介质从进气管的外层入口流入，通过该集液腔并从中心管流出。选用这一结构，由于中心管直接穿过内层中心，相应地增大了接触面积，提高了热传导效率，并且设置的集液腔还可以防止导热介质回流；

4、在第3种结构的基础上，进一步地，将中心管设为螺旋状的，增大与进气腔内原料气体的接触面积，提高了热传导效率。

进一步地，该外层的导热通道也以呈螺旋状环绕于内层为佳。

另外，作为优选，喷嘴在进气管上均匀分布，其喷出方向以避开硅芯所在位置为佳，以在其所向的两根硅芯的中间位置为最佳。这是因为如果喷嘴对准硅芯喷射，可能会导致硅芯朝向喷嘴的方向流过过多的原料气体。从而使得硅沉积不均匀，导致产品产生疙瘩状缺陷。而对准中心位置可以使得不同硅芯之间的沉积均匀。

导热介质优选为导热油。选用导热油作为导热介质具有如下优势：相对于常用的导热介质(水)而言，导热油有加热均匀、调温控制准确、能在低蒸汽压下产生高温、传热效果好、节能等特点，而且导热油还可以降低系统和操作的复杂性，省略了水处理系统和设备，提高了系统热效率，减少设备和管线的维护工作量。

另外，作为优选，导热油的温度控制在100℃至400℃为佳。进一步地，温度范围在200℃至300℃最好。这是因为，作为最常用的原料气体，硅烷气体在400℃以上时很容易发生自分解。一旦硅烷未及到达硅棒表面即产生自分解，将直接生成硅粉和氢气，这样不但浪费原料，而且会严重污染炉内环境，破坏既有的沉积气氛、降低产品良率的同时还可能导致维护和清洁困难，影响清洁人员的身体健康等诸多问题。导热油的温度范围在100℃至400℃范围内，特别是在200℃至300℃范围内的时候，受其温度控制，硅烷气体在从喷嘴喷出前可以处于相对稳定的状态，而喷出后，其温度才会逐渐升高，并在到达硅芯表面时开始分解。这样，硅烷气体的自分解率大大降低，在炉体内生成的硅粉也大大减少。选用200℃至300℃的温度时，硅的沉积率最高。

另外，作为优选，在底盘上接有进气管支撑座，用于支撑或加固进气管，进气管的进气管路和导热通道出入口都采用快速结构进行连接，方便拆卸。该支撑座可以是焊接在底盘上的，支撑座上加工有螺纹连接口，内管通过螺栓与底盘连接，中间通过圆形密封环进行密封。

作为优选，硅芯呈正多边形的方式环绕进气管设置。为了得到最大的空间利用率，优选为正六边形排布。这样可以合理地利用硅芯之间的空隙，在相同的空间条件下，可以更多地设置硅芯数量，减少投资成本。此外，将硅芯环绕进气管设置可以有效地利用进气管的温度控制效果，稳定炉体的整体温度场，提高产品良率，降低能耗。

此外，同其他的沉积炉类似，本发明所称的外壳可以是钟罩形双层外壳，底盘也可以是双层的，以便于与冷却系统工作；本发明也可以通过在外壳上安置摄像头以便于观察炉内情况；其他与现有技术相同或相近的设计或结构在此不再一一赘述。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的炉体剖面示意图；

图2是本发明第一实施方式的炉体内进气管和硅芯排布示意图；

图3是本发明第一实施方式的进气管结构示意图；

图4是本发明第二实施方式的进气管剖面结构示意图；

图5是本发明第三实施方式的进气管截取一段的立体透视示意图；

图6是本发明第三实施方式的进气管剖面结构示意图；

图7是本发明第三实施方式的集液腔立体透视示意图；

图8是本发明第四实施方式的进气管结构示意图；

图9是本发明第五实施方式的炉体内进气管和硅芯排布示意图。

图10是本发明第六实施方式的炉体内进气管和硅芯排布示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种多晶硅沉积炉，具体地说，本实施方式的多晶硅沉积炉用于硅烷法生长多晶硅，如图1和图2所示，该多晶硅沉积炉包括：

由底盘1和外壳2形成的炉体3、一根进气管4、数根硅芯5和硅芯加热装置6；硅芯5呈正多边形方式排布，如硅芯5排布成正四边形；进气管4从底盘1穿进炉体3并分布于硅芯5之间；在底盘1上接有进气管支撑座10，用于支撑或加固进气管4；进气管4的进气管路和导热通道出入口采用快速结构11进行连接。

其中，进气管4分为内层和外层：内层一端封闭形成一个进气腔8，用于通入含硅气体，另一端与外部连通形成进气管路；进气腔8上分布有不与外层导通的喷嘴9，喷嘴9连接进气腔8和炉体3，这些喷嘴9沿着图2中各箭头的方向喷出气体，避开了直接对准硅芯5的方向。外层具有一个环绕内层的导热通道，导热通道内注有导热介质。本实施方式选用的进气管外层结构如图3所示。进气管4由第一管道呈螺旋状环绕于第二管道构成，第一管道构成外层，第一管道的内部通道构成导热通道41，第二管道构成所述内层。导热介质沿着图3中箭头41a的方向进入导热通道41，并从箭头41b的方向流出。

在本实施例中，选用的导热介质为导热油，温度控制在100℃至400℃之间。

按照上述要求完成多晶硅沉积炉的生长准备之后，即可进行多晶硅沉积生长。在生长之前，可以向导热通道先通入400℃的导热油，对硅芯5进行预热，并在开始通入含硅原料气体之后逐渐降低导热油的温度，但最低不应低于100℃。建议在生长过程中，导热油的温度范围保持在200℃至300℃之间。

如图4所示，本发明的第二实施方式涉及一种多晶硅沉积炉。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，进气管4由第一管道呈螺旋状环绕于第二管道构成，第一管道构成外层，第一管道的内部通道构成导热通道41，第二管道构成所述内层。导热介质沿着图3中箭头41a的方向进入导热通道41，并从箭头41b的方向流出。而在本发明第二实施方式中，进气管包含内壁和外壁；外壁与内壁之间形成的通道为导热通道41，内壁形成内层。导热介质沿着箭头41c的方向从导热通道41的入口流入，沿着箭头41d的方向从该导热通道41的出口流出。

选用这一结构，由于内外层之间仅隔了一层内壁而非两层管道壁，相对于第一实施方式而言，针对进气腔8内原料气体的热传导效率更好。

如图5、图6和图7结合所示，本发明的第三实施方式涉及一种多晶硅沉积炉。第三实施方式是第二实施方式的进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第三实施方式中，进气管4的外层还包含集液腔7和中心管42。该集液腔7位于进气管4的顶部，构成导热通道的一部分；中心管42从内层中通入；中心管的上端口与集液腔7连通，下端口作为导热通道的出口。导热介质从进气管的外层沿着箭头41e的方向流入，通过内壁与外壁之间构成的螺纹状管道流到该集液腔7并从中心管42沿着箭头41f的方向流出。

选用这一结构，由于中心管42直接穿过进气腔8，相应地增大了与原料气体的接触面积，提高了热传导效率。并且，由于集液腔7的缓存作用，可以有效防止导热介质回流。

如图8所示，本发明的第四实施方式涉及一种多晶硅沉积炉。第四实施方式是第三实施方式的进一步改进，主要改进之处在于：在第三实施方式中，未限定中心管42的形状。而在本发明第四实施方式中，中心管42为螺旋状的，导热介质沿着箭头41g的方向流入导热通道41，到达集液腔7，并沿着中心管42从箭头41h的方向流出。

选用螺纹状的中心管42进一步增大了与进气腔8内原料气体的接触面积，提高了热传导效率。

需要说明的是，上述四种实施方式中，第一、第三、第四种实施方式都选用了螺旋状的导热通道41，这是因为导热通道41设为螺旋状可以增大接触面积，提高导热效率，并且以现有工艺而言较为容易实现。但是，导热通道41并不仅可以为螺旋状的，还可以是“几”字形、“Z”字形、多层环形等多种形状的，这些形状也能实现本发明的基本功能。因此，更多的形状在此不加赘述。

如图9所示，本发明的第五实施方式涉及一种多晶硅沉积炉。第五实施方式与第一实施方式大致相同，主要不同之处在于：在第一实施方式中，选用了4根硅芯5呈正四边形方式环绕进气管4排布；而在第五实施方式中，选用了6根硅芯5，呈正六边形方式环绕进气管4排布。

如此排布，使得环绕进气管的硅芯数量增加了50％，单位面积炉体产量也同步上升。

不难发现，本实施方式为与其余各实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与其余各实施方式互相配合实施。第二、三、四实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在其余各实施方式中。

如图10所示，本发明的第六实施方式涉及一种多晶硅沉积炉。第六实施方式与第五实施方式大致相同，主要不同之处在于：在第五实施方式中，仅描述了具有一根进气管4时的炉体排布方式；而在第六实施方式中，设有6根进气管4，每根进气管4与6根硅芯5相邻。

在大型沉积炉内利用这类的排布方式，可以有效节省炉内空间和原料气体，进一步增加产量。

综合上述内容，可以看出，本发明的有益效果在于：

1、本发明实施方式在原料气体的进气管外套设导热通道，并在导热通道内设导热介质，具有如下几个有益效果：a、在开始晶体生长之前，在导热通道内通入导热介质可以对硅芯进行预加热，从而降低硅芯的加热难度，降低能耗，当加热装置为电极时，还可以有效降低击穿难度；b、由于降低了加热难度或击穿难度，并调节炉体内的温度场，在增加产品良率的同时也减少了生产成本；c、在晶体生长过程中，导热介质散发出的热量可以对周围温度场进行调控，提高不同硅芯温度的一致性；d、对原料气体进行预加热，使得气体进入炉体后不因骤冷骤热发生剧烈膨胀，加强安全性的同时减少了进气管的材料损耗，延长进气管寿命；e、控制原料气体(通常是硅烷和氢气的混合气体或其他含硅气体)的温度，防止原料气体在未及接触硅芯之前就产生自分解，从而提升沉积率，减少硅粉生成。

2、通过调整导热通道的结构，可使得每个对应的进气管结构具有如下对应的有益效果：a、选用由一个管道直接绕于另一个管道构成的导热通道。外层管道与内层管道之间可以很容易地进行分离，方便管道泄露及维护时候的替换；b、选用由内外壁组成单向管道构成的导热通道，相对双层管道具有更好的热传导效率；c、选用带中心管和集液腔的导热通道，由于中心管直接穿过内层中心，相应地增大了接触面积，提高了热传导效率，并且集液腔可以防止导热介质回流；d、选用将螺旋状的中心管，进一步地增大与进气腔内原料气体的接触面积，提高了热传导效率。

3、将外层的导热通道也以呈螺旋状环绕于内层，增大了接触面积，提高了热传导效率。

4、令喷嘴在第一进气管上均匀分布，且喷出方向以避开硅芯所在位置，可以有效防止硅沉积不均匀，提高成品率。

5、选用导热油作为导热介质，具有加热均匀、调温控制准确、传热效果好，节能等优点。

6、将导热油设为100℃至400℃，特别是200℃至300℃，大大降低了原料气体的自分解率，提高了硅的沉积率最高。

8、在底盘上接进气管支撑座，可以稳定和加固进气管，防止倾斜。

9、进气管的进气管路和导热通道出入口采用快速结构进行连接，可以方便拆卸，减少清洁步骤，提高生产效率。

10、将硅芯呈正多边形特别是正六边形的方式环绕进气管设置。可以有效地利用进气管的温度控制效果，稳定炉体的整体温度场。而且在相同的空间条件下，可以更多地设置硅芯数量，减少投资成本。提高产品良率，降低能耗。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种多晶硅沉积炉，包括：由底盘和外壳形成的炉体、至少一根进气管、数根硅芯和硅芯加热装置；所述进气管从所述底盘穿进所述炉体并分布于所述硅芯之间；其特征在于：

所述进气管分为内层和外层：所述内层一端封闭形成一个进气腔，用于通入含硅气体，另一端与外部连通形成进气管路；所述进气腔上分布有不与所述外层导通的喷嘴，所述喷嘴连接所述进气腔和所述炉体，所述外层具有一个环绕所述内层的导热通道，所述导热通道内注有导热介质；

所述进气管包含内壁和外壁；所述外壁与所述内壁之间形成的通道为所述导热通道，所述内壁形成所述内层；

所述外层还包含集液腔和中心管；

所述集液腔位于所述进气管的顶部，构成所述导热通道的一部分；所述中心管从所述内层中通入；所述中心管的上端口与所述集液腔连通，所述中心管的下端口作为所述导热通道的出口。

2.根据权利要求1所述的多晶硅沉积炉，其特征在于：所述硅芯呈正多边形的方式环绕所述进气管。

3.根据权利要求2所述的多晶硅沉积炉，其特征在于：所述正多边形为正六边形。

4.根据权利要求1所述的多晶硅沉积炉，其特征在于：所述导热通道为螺旋状。

5.根据权利要求1所述的多晶硅沉积炉，其特征在于：所述喷嘴的喷出方向避开所述硅芯的位置。

6.根据权利要求1所述的多晶硅沉积炉，其特征在于：所述导热介质为导热油或导热水，所述导热介质的温度在100℃至400℃。

7.根据权利要求1所述的多晶硅沉积炉，其特征在于：所述底盘上接有进气管支撑座，所述进气管路和所述导热通道的出入口与外部管道之间都采用快速接头结构进行连接。