CN106894079A - 单晶硅锭生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单晶硅锭的生长装置，主要涉及单晶炉用热场，主要包括：石墨坩埚、加热器、上下保温筒、支撑环、保温罩、导流筒、坩埚托盘、坩埚支撑轴和底盘保温层。本发明通过优化石墨坩埚的结构、加热器结构和调整保温材料，来改善单晶炉的保温效果，改善热场分布，从而降低能耗；并且可以增加石墨坩埚、加热器等部件的重复使用率，降低生产成本。

Description

单晶硅锭生长装置

技术领域

本发明涉及一种单晶硅锭生长装置，具体涉及一种对石墨坩埚和加热器进行改进的装置，属于单晶硅晶体生长领域。

背景技术

随着高度集成电路制造业的迅速发展，不但硅单晶的需求量越来越多，而且对硅单晶的质量要求也愈来愈高，直拉单晶炉设备运转的稳定性和自动化程度也愈来愈高。要获得高质量的大尺寸晶片，则需要获得高质量的单晶硅锭。在已知的单晶硅锭生长装置中，人们广泛应用的是切克劳斯基晶体生长法（简称CZ法）。

CZ法生长单晶硅是在热场中进行拉制的，热场的优劣对单晶硅质量有很大影响。单晶硅生长过程中，好的热场，能生产出高质量的单晶。不好的热场容易使单晶变成多晶，甚至根本引不出单晶。有的热场虽然能生长单晶，但质量较差，有位错和其他结构缺陷。因此，找到较好的热场条件，配置最佳热场，是非常主要的直拉单晶工艺技术。热场主要包括：石墨坩埚、加热器、保温材料等。

石墨坩埚是单晶炉的主发热体，供给直拉法生产工艺所需的热量，直接影响能不能直接拉出单晶，以及拉制单晶的质量好坏。由于生产的硅单晶的直径不断增大，所需的单晶炉热场的直径也不断增大，导致石墨坩埚的重量不断增加。目前普遍采用的石墨坩埚结构简单、热传效率低、加热时间长、能耗高等特点，在高温环境、温度变化的环境中容易损坏，更换成本高，同时，石英坩埚的热变形应力不易得到缓解，影响石英坩埚的寿命，同样提高了生产成本。

加热器是热系统的主体，是热系统的核心部件，用于石墨坩埚的加热，温度最高的时候可达1600℃以上。常见的加热器有三种形状：筒状、杯装和螺旋状，目前直拉单晶热场加热器普遍采用均匀的圆筒结构，虽然可以提供合理的横向温度梯度，而在纵向温度梯度控制上有所欠缺，导致成晶区域狭窄，如难以生长较长的晶体。

保温材料是为保持热量，为硅溶液提供合适的温度梯度，目前传统的保温材料通常采用石墨和碳毡相叠加的结构，硬质的石墨在内层起到支撑和反射热辐射的作用，外层由数层碳毡组成，是主要的隔热保温材料。这种结构的不足之处在于内层的石墨隔热材料密度较高，所以其热导率、比热都相对较高；其次，石墨颜色为黑色，所以其反射热辐射效果较差。热导率相对较高以及热反射能力较低使得加热器需要较大的功率才能保证热场温度的稳定，而如果温度一旦发生波动，由于热系统的比热容较大，调整温度比较缓慢，这就使得热场的稳定性降低。

本发明的目的是提供一种单晶硅锭的生长装置，针对现有技术的不足，通过优化石墨坩埚的结构、加热器结构和调整保温材料，来改善单晶炉的保温效果，改善热场分布，从而降低能耗；并且可以增加石墨坩埚、加热器等部件的重复使用率，降低生产成本。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种单晶硅锭的生长装置，主要包括：石墨坩埚、加热器、上下保温筒、支撑环、保温罩、导流筒、坩埚托盘、坩埚支撑轴和底盘保温层。其特征在于，所述石墨坩埚内装有石英坩埚；所述加热器连接石墨电极，石墨电极连接炉体电极，电流通过电极传到加热器，并利用电流穿过加热器所产生的热量，达到熔融多晶硅和持续提供热量的作用；所述保温筒、保温罩和底盘保温层都是保温材料，主要起为热场保温、减低功耗的作用；所述支撑环是用来支撑保温筒；所述导流筒主要用来隔断热场内部和外部，使外部的温度大小小于内部，从而起到加快单晶拉速的作用，同时也起到导流的作用；所述坩埚托盘是用来支撑坩埚，防止三瓣坩埚倾倒；所述坩埚支撑轴起到支撑作用的同时，由于它连着炉体升温器，也起到调节坩埚位置的作用。

所述石墨坩埚由圆筒状的坩埚本体构成，所述坩埚本体由竖向的大小相同的三瓣或四瓣块体及一个底盘围成，所述底盘的顶面为一弧面，底盘的直径占所述埚体开口部直径的比例为1/2至3/4之间，优先为2/3。所述瓣体底部的拐角为圆角，这样可以大幅度地提高石墨坩埚的受力能力，延长石墨坩埚的寿命，降低生产成本。

进一步地，石墨坩埚的角落部分至少设置一个排气孔，并且排气孔的方向是近似水平的，由于石英坩埚与硅溶液、石墨坩埚在高温下的反应所产生的CO气体被平稳地排出而不会在石英坩埚的表面上累计压力，并且避免了在石墨坩埚的内部形成累计SiC，从而避免石英坩埚的变形，确保在制造过程的安全性和延长石墨坩埚的使用寿命。

所述加热器采用由高纯石墨或碳/碳复合材料制作的圆筒形结构，外圆面与保温筒之间保持一定的间隙，加热器的圆面与多瓣坩埚之间设有间隙，使热量能均匀达到整个加热器的各个部位。加热器的安装是由电极螺栓直接固定到电极柱上，电极的作用，一是平稳的固定加热器，二是通过它对加热器输送电流。石墨螺栓用来连接石墨电极和加热器。

进一步地，所述加热器在现有的圆筒形结构的基础上，在轴线方向上布置了相互且均匀开槽的圆形加热器，在圆形加热器上部和底部设置一个减薄加热段，减薄加热段的形状为半圆形结构，避免方形结构导致的电阻率不均匀，减薄面积为加热器其余部位的横截面积的1/5-1/4，减薄加热段与加热器其余部位具有相同的径向厚度。通过这种改进来改变加热器轴向电阻的分布，由于加热器通直流电工作，因此使得加热功率在加热器的减薄处增加，轴向分布得到改变，间接地在圆形加热器底部形成一个附加的上部、底部加热器功能，从而通过单个加热器的结构设计达到原有技术中加底部加热器或双加热器的效果。不仅减少了设备投入，也降低了石墨加热器的制造成本，简化操作程序。

所述上下保温筒和底盘保温层均采用质量很轻的新型复合隔热材料，材料的密度较低且内表面涂覆一层光亮的钼反射层，所以其反射能力强而比热容、热导率较低。上保温筒厚度为50±20mm、下保温筒厚度为80±20mm、底盘保温层厚度为90±20mm。

所述保温罩和支撑环使用石墨毡材质，石墨毡具有一定弹性，使得热系统的整体密封性有很大提高，能避免热能的损失。

所述支撑轴与石墨坩埚托盘的下部相连接，用于石墨坩埚的转动以及上下移动，并为石墨坩埚提供支撑。

内外导流筒里的空隙里需要填充碳毡，以增加隔热作用，从而降低功率，增加晶棒的冷却速率。

本发明的有益效果在于：通过优化石墨坩埚的结构、加热器结构和调整保温材料，大大提高了单晶硅锭生长装置的可靠性，改善单晶炉的保温效果，改善热场分布，从而降低能耗；并且可以增加石墨坩埚、加热器等部件的重复使用率，降低生产成本。使用该生长装置的晶体生长炉，运行平稳可靠，能获得品质高的单晶硅产品，可以满足集成电路对单晶硅材料的要求。

附图说明

图1是本发明所述的单晶硅锭生长装置结构示意图。

图2是本发明所属的石墨坩埚的结构示意图。

图3是本发明所述的加热器结构示意图。

具体实施方式

以下是结合具体附图，对本发明的技术方案作进一步的阐述：

如图1所示，本发明所述单晶硅锭生长装置，包括保温罩1、上保温筒2、上保温筒支撑环3、下保温筒4、加热器5、排气管道6、底盘保温层7、支撑轴8、坩埚托盘9、石墨坩埚10、石英坩埚11、硅溶液12、导流筒14、单晶硅锭14。

热场底部具有底盘保温层7，热场中心设置有支撑轴8，支撑轴8上具有坩埚托盘9，坩埚托盘上依次有石墨坩埚10、石英坩埚11，石英坩埚11用于盛放多晶硅原料或熔化的硅溶液12。将一根直径约10mm的籽晶浸入硅溶液12中，在合适的温度下，溶液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液界面上形成规则的结晶，把晶种微微的旋转向上提升，溶液中的硅原子会在单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构，称为硅单晶锭14。保温筒和石墨坩埚之间设有加热器5，加热器5连接石墨电极，石墨电极连接炉体电极。保温材料（保温筒2、4，底盘保温层7）主要起热场保温、减低功耗的作用。导流筒13主要是用来隔断热场内部和外部，使外部的温度大大小于内部，从而起到加快单晶拉速的作用，同时也起到导流的作用。坩埚托盘9用来支撑坩埚，防止多瓣坩埚倾倒。支撑轴8起到支撑作用的同时，它将连着炉体升降器，也起到调节坩埚位置的作用。排气管道6是由于工艺的需要，Ar气体会被输入炉内，排气管道6就将Ar气体导出。

如图2所示，石墨坩埚10埚体101是由竖向的大小相同的三瓣或四瓣瓣体102和一个底盘103构成，底盘103的顶面为一弧面，埚体1底部的各瓣体102的拐角104采用圆角，这样，可以减小埚体1底部的弧度，从而增加埚体101的受力能力，延长石墨坩埚10的使用寿命。在拐角104处设置有排气孔105，对排气孔的位置、形状和数量并无特别的限制，优选为：形状选用圆形，半径优选在10mm范围内，方向设置在水平方向更容易实现平稳的气流，排气孔的数量优选为2个/瓣。构成石墨坩埚埚体101的瓣体102越多，埚体101的受力能力越强，石墨坩埚的寿命也会进一步增加，但瓣体102的数量过多，会增加制造成本，降低生产效率，增加劳动强度，且埚体101的整体强度也会下降，反而会缩短石墨坩埚的使用寿命。

如图3所示，加热器5采用了圆筒形结构，包括20篇加热棒片，加热片501顶部和底部被减薄成半圆形形状，以避免现在技术使用的方形加热片存在的电阻率不均匀的问题，可实现纵向温度梯度的均匀和稳定。电极502采用石墨电极，由石墨电极连接炉体电极。

Claims (7)

1.一种单晶硅锭生长装置，包括石墨坩埚，其特征在于：所述石墨坩埚由圆筒状的坩埚本体构成，所述坩埚本体由竖向的大小相同的三瓣或四瓣块体及一个底盘围成，所述底盘的顶面为一弧面，底盘的直径占所述埚体开口部直径的比例为1/2至3/4之间，优先为2/3；所述瓣体底部的拐角为圆角。

2.如权利要求1所述的石墨坩埚，其特征在于石墨坩埚的角落部分至少设置一个排气孔，并且排气孔的方向是近似水平的。

3.一种单晶硅锭生长装置，包括加热器，其特征在于：在现有的圆筒形结构的基础上，在轴线方向上布置了相互且均匀开槽的圆形加热器，在圆形加热器上部和底部设置一个减薄加热段，减薄加热段的形状为半圆形结构，避免方形结构导致的电阻率不均匀，减薄面积为加热器其余部位的横截面积的1/5-1/4。

4.如权利要求3所述的加热器，其特征在于减薄加热段与加热器其余部位具有相同的径向厚度。

5.一种单晶硅锭生长装置，包括上下保温筒和底盘保温层，其特征在于：所述上下保温筒和底盘保温层均采用质量很轻的新型复合隔热材料，材料的密度较低且内表面涂覆一层光亮的钼反射层，所以其反射能力强而比热容、热导率较低。

6.如权利要求4所述保温筒和底盘保温层，其特在在于：上保温筒厚度为50±20mm、下保温筒厚度为80±20mm、底盘保温层厚度为90±20mm。

7.一种单晶硅锭生长装置，包括保温罩和支撑环，其特征在于：所述保温罩和支撑环使用石墨毡材质，石墨毡具有一定弹性，使得热系统的整体密封性有很大提高，能避免热能的损失。