CN106868584B - 一种单晶炉用电阻加热器及使用该电阻加热器制备硅单晶的方法 - Google Patents

一种单晶炉用电阻加热器及使用该电阻加热器制备硅单晶的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单晶炉用电阻加热器及使用该电阻加热器拉晶的方法。该电阻加热器包括在轴线方向上布置了交互且均匀开槽的圆筒状石墨加热器，沿着该石墨加热器的圆周方向设有360°环形空隙结构，在该石墨加热器的外部设有一增强发热体，所述增强发热体位于从石墨加热器的上端面起至总高度的1/4‑1/5处的位置上。使用该电阻加热器拉晶的方法是：将所述电阻加热器应用于单晶炉，圆筒状石墨加热器围绕坩埚，所述增强发热体保持在高于硅熔体液面位置的上方，通过多晶硅原料在石英坩埚中熔化、熔体稳定、引晶、放肩、转肩、等径、收尾、冷却的过程，拉制出低氧含量的单晶硅棒。使用本发明能够获得较低氧含量的硅单晶棒。

Description

一种单晶炉用电阻加热器及使用该电阻加热器制备硅单晶的 方法
技术领域
本发明涉及一种单晶炉用电阻加热器及使用该电阻加热器制备单晶的方法，属于硅单晶制备技术领域。
背景技术
半导体材料发展促使硅单晶直径的增大，直径200mm硅单晶及直径300mm硅单晶已成为主流。硅单晶直径增大就需要配备更大尺寸热系统，以保持晶体直径与坩埚直径的比值大致为1/3，在获得硅晶体高效率生产的同时兼顾硅晶体质量参数的平衡。
由高纯石墨材料或碳/碳复合材料制作的加热器是单晶炉内热系统的核心部件，现有的加热器的外形呈圆筒状，切割成对称的数瓣到数十瓣以控制电流方向(如图1所示)，任意相邻两瓣所通过的电流方向相反。在晶体生长过程中施加数千安培的电流，在安培效应下加热器0.010～0.05欧姆的直流电阻，将产生几十到数百千瓦的热量，将坩埚中的60～300kg的多晶硅原料熔化，并保持在1420℃硅的熔点以上，以完成晶体的生长过程。
石英坩埚直径的增大、每炉熔化的多晶硅原料重量增加、硅熔体的体积变大，硅熔体的热对流也明显增强，硅熔体中的氧浓度增加。通过增加热场系统的保温，采用带导流筒的封闭式热场结构，可以减小熔体内部的温度梯度，改善熔体的热对流。
除了磁场工艺外，还有一些措施用来降低单晶中氧含量，例如：降低埚转、增加氩气流量、减少投料量、使用涂层石英埚等措施。常规CZ工艺控制单晶中氧含量还是通过热场来实现的，单晶炉热场核心是发热部件-加热器，对加热器(Heater)提出了许多技术方案。
专利文献CN203700581U公开了一种单晶炉双加热系统，所述单晶炉双加热系统包括沿所述单晶炉炉壁设置的环形的主加热器，所述单晶炉双加热系统还包括设置在单晶炉炉底的板状底部加热器。该专利文献的实施例中的单晶炉双加热系统，其底部加热器在硅料熔融阶段，起到加快硅料的熔化速度的作用，在硅料融化完成时关闭底部加热器，减缓硅熔体与石英埚内壁的反应速度，减少一氧化硅的生成，单晶棒头部的氧含量从18ppm下降到16ppm左右。
该技术方案的双加热系统在熔化多晶原料过程两个加热都通电加热，需要配置2套电源；使用底部加热器必然存在一组水冷金属电极与其相连接，在长晶过程虽然关闭了底部加热器，但水冷金属电极会持续带走单晶炉内的热量，增加长晶过程的功率，增加单晶炉的能量消耗。
专利文献CN201501940U公开了一种改进的直拉单晶炉加热器结构，包括在轴线方向上布置了交互且均匀开槽的环形石墨加热器，在环形石墨加热器(Heater)上设置一个减薄加热段，减薄加热段的径向横截面积为加热器其余部位的径向横截面积的2/3-3/4；所述减薄加热段是指从加热器的底部起至总高度的1/5-1/4处的部分。在加热器的减薄处增加，轴向分布得到改变，间接在环形加热器底部形成一个附加的底部加热器功能，从而通过“底部减薄的加热器”结构设计达到了“环形加热器”+“底部加热器”的效果。
在熔料阶段“底部减薄的加热器”可以减少石英坩埚底部破裂的风险，加快硅料的熔化速度；但硅料熔化完成后，在后续的拉晶过程中“底部减薄的加热器”不能关闭“底部减薄加热器”，无形中增加坩埚底部热量的供给，坩埚底部接受更多热量后，将促进硅熔体流动，难以获得低氧含量的硅单晶。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种单晶炉用电阻加热器，用于实现低氧含量的硅单晶生长。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述单晶炉用电阻加热器拉晶的方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种单晶炉用电阻加热器，包括在轴线方向上布置了交互且均匀开槽的圆筒状石墨加热器，沿着该石墨加热器的圆周方向设有360°环形空隙结构，在该石墨加热器的外部设有一增强发热体，所述增强体位于从石墨加热器的上端面起至总高度的1/4-1/5处的位置上。
其中，所述该360°环形空隙结构的位置高于晶体生长时硅熔体液面位置，优选地，所述360°环形空隙结构位于从所述石墨加热器的上端面起至总高度的1/4-1/6处。
优选的，所述增强发热体为一加热元件，该加热元件加工成一定尺寸的环形状，优选地，所述增强发热体的横截面积为石墨加热器壁厚的3/4-5/6。该增强发热体可以使石墨加热器的发热能力增强1.25-1.33倍。
一种使用所述电阻加热器拉晶的方法，将所述电阻加热器应用于单晶炉，圆筒状石墨加热器围绕坩埚，所述增强发热体保持在高于硅熔体液面位置的上方，通过多晶硅原料在石英坩埚中熔化、熔体稳定、引晶、放肩、转肩、等径、收尾、冷却的过程，拉制出低氧含量的单晶硅棒。
本发明的优点在于：
在本发明的电阻加热器中，电阻加热器的上面部分有360°环形空隙结构，其结果在重力方向的发热能力被改变；增强发热体使得电阻加热器产出热能的能力增强1.25-1.33，显著的减小了在熔化的硅表面处和刚好在熔化的硅表面上方硅熔体之间的温度梯度。硅熔体的温度梯度的减小，使得硅熔体的流动性能下降，减少硅熔体对氧的输送能力，从而获得较低氧含量的硅单晶棒。
附图说明
图1为现有的单晶炉用电阻加热器的结构示意图。
图2为本发明具有360°环形空隙结构的电阻加热器的结构示意图。
图3为使用本发明的电阻加热器生长单晶的过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
如图1所示，现有的单晶炉用电阻加热器，包括在轴线方向上布置了交互且均匀开槽的环形加热器，其材质为导电体，典型为石墨材料，包括等静压石墨和模压石墨。
如图2所示，本发明的单晶炉用电阻加热器，其材质为导电体，典型为石墨材料，包括等静压石墨和模压石墨。包括在轴线方向上布置了交互且均匀开槽的圆筒状石墨加热器1，沿着该石墨加热器的圆周方向设有360°环形空隙结构2，该360°环形空隙结构位于从所述石墨加热器1的上端面起至总高度的1/4-1/6处。在该石墨加热器的外部设有一增强发热体3，所述增强体位于从石墨加热器的上端面起至总高度的1/4-1/5处的位置上；该增强发热体为一加热元件，该加热元件加工成一定尺寸的环形状，其横截面积为石墨加热器壁厚的3/4-5/6。该增强发热体可以使石墨加热器的发热能力增强1.25-1.33倍。
如图3所示，该电阻加热器应用于单晶炉时，将电阻加热器设置在单晶炉中，圆筒形石墨加热器围绕坩埚，用于将热量辐射到坩埚和其中的硅上；所述增强发热体保持在高于硅熔体液面位置4的上方，通过多晶硅原料在石英坩埚中熔化、熔体稳定、引晶、放肩、转肩、等径、收尾、冷却的过程，拉制出低氧含量的单晶硅棒。
为了更好说明本发明的精神，下面以16英寸热系统的电阻加热器(Heater)为例，结合具体实施例作进一步说明。
表1：16英寸加热器数据
实施例1
使用现有的电阻加热器(其结构如图1所示)，配置加热器A，坩埚内装填50kg多晶填料，熔化功率75kw，引晶功率58kw，坩埚顺时针旋转6rpm，单晶体逆时针旋转12rpm，炉室压力20托，以1.2mm/min拉制直径154-156mm、长度1050mm的硅单晶1。
在硅单晶a头部25mm位置，切取2mm样片，测量氧含量，结果如表2所示。
实施例2
使用本发明具有360°环形空隙结构的电阻加热器(其结构如图2所示)，配置加热器B，坩埚内装填50kg多晶填料，熔化功率75kw，引晶功率58kw，坩埚顺时针旋转6rpm，单晶体逆时针旋转12rpm，炉室压力20托，以1.2mm/min拉制直径154-156mm、长度1050mm的硅单晶b。
在硅单晶b头部25mm位置，切取2mm样片，测量氧含量，结果如表2所示。
实施例3
使用本发明具有360°环形空隙结构的电阻加热器(其结构如图2所示)，配置加热器C，坩埚内装填50kg多晶填料，熔化功率75kw，引晶功率58kw，坩埚顺时针旋转6rpm，单晶体逆时针旋转12rpm，炉室压力20托，以1.2mm/min拉制直径154-156mm、长度1050mm的硅单晶c。
在硅单晶c头部25mm位置，切取2mm样片，测量氧含量，结果如表2所示。
表2：16英寸加热器生长6英寸硅单晶头部氧含量
配置360°环形空隙结构的电阻加热器的热系统与现有的电阻加热器的热系统相比，在相同的拉晶条件下，硅单晶头部氧含量降低10％以上。

Claims (4)

1.一种单晶炉用电阻加热器，包括在轴线方向上布置了交互且均匀开槽的圆筒状石墨加热器，其特征在于，沿着该石墨加热器的圆周方向设有360°环形空隙结构，该360°环形空隙结构高于晶体生长时硅熔体液面位置，且位于从所述石墨加热器的上端面起至总高度的1/4-1/6处；在该石墨加热器的外部设有一增强发热体，所述增强体位于从石墨加热器的上端面起至总高度的1/4-1/5处的位置上。
2.根据权利要求1所述的单晶炉用电阻加热器，其特征在于，所述增强发热体的横截面积为石墨加热器壁厚的3/4-5/6。
3.根据权利要求1所述的单晶炉用电阻加热器，其特征在于，所述增强发热体使石墨加热器的发热能力增强1.25-1.33倍。
4.一种使用权利要求1所述的电阻加热器拉晶的方法，其特征在于，将所述电阻加热器应用于单晶炉，圆筒状石墨加热器围绕坩埚，所述增强发热体保持在高于硅熔体液面位置的上方，通过多晶硅原料在石英坩埚中熔化、熔体稳定、引晶、放肩、转肩、等径、收尾、冷却的过程，拉制出低氧含量的单晶硅棒。
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