CN107523878A - 一种用于重掺磷硅单晶生产的防爆单晶炉及除磷方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于重掺磷硅单晶生产的防爆单晶炉，该单晶炉的主真空泵通过抽空管道与炉筒的底部连通，以控制主真空泵通过抽空管道抽取炉筒内的气体；抽空管道靠近炉筒的一端上连接有进空气管道，进空气管道与空气开关连接，以通过空气开关的控制向抽空管道中充入空气，进而使抽空管道内沉积的含磷挥发物进行氧化去除。本发明通过在单晶炉抽空管道的最前端增加一个进空气管道，进空气管道上的空气开关开启后可以通过该进空气管道向抽空管道中输入空气，进而对管道壁、过滤器等沉积挥发物的部位进行氧化，避免反应产生的热量积聚达到爆炸极限，从而很好的控制了磷的燃烧速度，解决了管道爆炸问题。
Description
技术领域
本发明涉及到半导体硅单晶的制造领域，具体的说是一种用于重掺磷硅单晶生产的防爆单晶炉及除磷方法。
背景技术
半导体行业中，单晶炉是硅单晶生长的重要设备，单晶炉内的石英坩埚用来盛放多晶，在多晶中加入一定量的掺杂剂，通过熔化、引晶、放肩、转肩、等径生长、收尾等过程就能生产出符合顾客要求的产品。随着集成电路技术和应用的发展，特别是功率器件对功耗的要求越来越低，对单晶硅衬底提出了更低的电阻率要求。掺杂剂在硅中的固溶度决定了该型单晶衬底的极限电阻率。目前行业中N型硅单晶的掺杂剂主要是砷和锑，但是掺入砷和锑元素后，所得单晶硅的电阻率达不到所需要求，由于磷在硅晶格中具有更大的固溶度，这样就能得到电阻率更低的单晶硅，故而重掺磷硅单晶应运而生，市场需求越来越大。但是掺杂所需的红磷燃点很低，重掺磷单晶在掺杂和拉制过程中部分掺杂剂红磷挥发与其他氧化物一起沉积在炉壁、管道、过滤器等处，在清扫时气体流动或轻微磨擦就会引起燃烧，燃烧产生的热量集聚在管道等有限空间无法释放引发爆炸，这样就给实际的工作带来了很大的危险。
发明内容
为了解决现有的单晶炉中由于生产重掺磷单晶时沉积的含磷挥发物容易燃烧甚至爆炸所导致的危险，本发明在现有单晶炉的基础上改进设计出了一种用于重掺磷硅单晶生产的防爆单晶炉及除磷方法，该单晶炉能够将挥发物中的红磷、白磷转化为稳定态的五氧化二磷从而消除了爆炸的风险。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于重掺磷硅单晶生产的防爆单晶炉，该单晶炉包括上炉室和炉筒，且上炉室的底部与设置在炉筒顶部的炉盖连接，所述单晶炉一侧分别设置有主真空泵、副真空泵和氩气源，其中，主真空泵通过抽空管道与炉筒的底部连通，且抽空管道上依次设置有比例阀和气动阀，以控制主真空泵通过抽空管道抽取炉筒内的气体，副真空泵通过排气管道与上炉室的顶部连通，以通过排气管道上设有的排气阀控制抽取上炉室内的气体，氩气源分别通过三条氩气管道向上炉室的顶部、上炉室的中部和炉盖内充入氩气，且在三条氩气管道上均设置有氩气开关；所述抽空管道靠近炉筒的一端上连接有进空气管道，进空气管道与空气开关连接，以通过空气开关的控制向抽空管道中充入空气，进而使抽空管道内沉积的含磷挥发物进行氧化去除。
本发明中，所述上炉室顶部设置有旋转机头。
本发明中，所述炉筒内设置有电极和用于升降炉筒内坩埚的坩埚升降设备。
本发明中，所述进空气管道上设置有流量计。
本发明中，所述炉筒设置在基座上。
本发明中，所述主真空泵的排气口上连接有过滤抽出气体的过滤罐。
清除本发明的防爆单晶炉内沉积磷的方法，包括以下步骤如下：
1）收尾结束后通过设备操作界面提起晶棒，打开空气开关，然后选择生长程序进入自动停炉状态，自动停炉程序设置功率下降速度为5km/h，此时确认进空气管道上的流量计流量显示在10-12ml/min；此时，单晶炉自动停炉状态下三条氩气管道上的氩气开关、抽空管道上的气动阀、比例阀是打开状态，其余的阀门全部关闭；
2）通过进空气管道近期2h后关闭空气开关，选择程序进入自动检漏状态，即关闭全部阀门开关进行热状态下的炉台检漏操作；
3）检漏操作完毕后再次开启空气开关，同时打开气动阀和比例阀进行空气置换1小时，空气沿进空气管道进入后从抽空管道经过主真空泵排出，在此过程中，空气经抽空管道时对其内壁中沉积的含磷挥发物进行初次氧化，初次氧化的时间为1h，而后关闭空气开及气动阀，打开三条氩气管道的氩气开关向上炉室和炉筒内充入氩气，待上炉室和炉筒内的压力达到760乇时，关闭氩气开关，打开炉门；
4）炉门打开后，调节比例阀处于完全开启状态，然后开启气动阀半分钟后关闭气动阀两分钟；
5）重复上述开启气动阀和关闭气动阀的操作8次，以使抽空管道在主真空泵及炉内气压的双重作用下形成高速气流从抽空管道排出，在高速气流的冲击下使沉积较厚的磷沉积层得以分层氧化，氧化后的含磷氧化物随着气流排出；
6）关闭气动阀，停掉主真空泵即完成对含磷挥发物的清除。
本发明中的乇是英文压强单位torr。
有益效果：本发明通过在单晶炉抽空管道的最前端增加一个进空气管道，进空气管道上的空气开关开启后可以通过该进空气管道向抽空管道中输入空气，进而对管道壁、过滤器等沉积挥发物的部位进行氧化；在拉晶结束停电时设定功率下降速度为5KW/h，较慢的功率下降速度能够保持炉膛内较高的温度，提高沉积磷的氧化效果。空气流量设定在10-12ml/min范围内；通气氧化时间1小时；接下来再打开炉门启动真空泵，重复开-闭抽空管道上的气动阀8次以上，开启时较高的气体流速可以剥离已氧化的部分使未氧化部分裸露出来，关闭时可以终止氧化反应，避免反应产生的热量积聚达到爆炸极限，从而很好的控制了磷的燃烧速度，解决了管道爆炸问题。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图；
附图标记：1、空气开关，2、流量计，3、气动阀，4、比例阀，5、氩气开关，6、旋转机头，7、上炉室，8、炉盖，9、炉筒，10、氩气源，11、副真空泵，12、进空气管道，13、排气阀，14、氩气管道，15、排气管道，16、电极，17、坩埚升降设备，18、基座，19、主真空泵，20、抽空管道。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的以及有益效果易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图所示，一种用于重掺磷硅单晶生产的防爆单晶炉，该单晶炉包括上炉室7和炉筒9，且上炉室7的底部与设置在炉筒9顶部的炉盖8连接，所述单晶炉一侧分别设置有主真空泵19、副真空泵11和氩气源10，其中，主真空泵19通过抽空管道20与炉筒9的底部连通，且抽空管道20上依次设置有比例阀4和气动阀3，以控制主真空泵19通过抽空管道20抽取炉筒9内的气体，副真空泵11通过排气管道15与上炉室7的顶部连通，以通过排气管道15上设有的排气阀13控制抽取上炉室7内的气体，氩气源10分别通过三条氩气管道14向上炉室7的顶部、上炉室7的中部和炉盖8内充入氩气，且在三条氩气管道14上均设置有氩气开关5；所述抽空管道20靠近炉筒9的一端上连接有进空气管道12，进空气管道12上设置有流量计2，进空气管道12与空气开关1连接，以通过空气开关1的控制向抽空管道20中充入空气，进而使抽空管道20内沉积的含磷挥发物进行氧化去除。
以上为本发明的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的改进、优化和限定：
如，所述上炉室7顶部设置有旋转机头6；
又如，所述炉筒9内设置有电极16和用于升降炉筒9内坩埚的坩埚升降设备17；
再如，所述炉筒9设置在基座18上；
最后，所述主真空泵19的排气口上连接有过滤抽出气体的过滤罐。
本发明在清除其内沉积的含磷挥发物时的步骤如下：
1）收尾结束后通过设备操作界面提起晶棒，打开空气开关1，然后选择生长程序进入自动停炉状态，自动停炉程序设置功率下降速度为5km/h，此时确认进空气管道12上的流量计2流量显示在10-12ml/min；此时，单晶炉自动停炉状态下三条氩气管道14上的氩气开关5、抽空管道20上的气动阀3、比例阀4是打开状态，其余的阀门全部关闭；
2）通过进空气管道12进气2h后关闭空气开关1，选择程序进入自动检漏状态，即关闭全部阀门开关进行热状态下的炉台检漏操作；
3）检漏操作完毕后再次开启空气开关1，同时打开气动阀3和比例阀4进行空气置换1小时，空气沿进空气管道12进入后从抽空管道20经过主真空泵19排出，在此过程中，空气经抽空管道20时对其内壁中沉积的含磷挥发物进行初次氧化，初次氧化的时间为1h，而后关闭空气开关1及关闭气动阀3，打开三条氩气管道14的氩气开关5向上炉室7和炉筒9内充入氩气，待上炉室7和炉筒9内的压力达到760乇时，关闭氩气开关5，打开炉门；
4）炉门打开后，调节比例阀4处于完全开启状态，然后开启气动阀3半分钟后关闭气动阀3两分钟；
5）重复上述开启气动阀3和关闭气动阀3的操作8次，以使抽空管道20在主真空泵19及炉内气压的双重作用下形成高速气流从抽空管道20排出，在高速气流的冲击下使沉积较厚的磷沉积层得以分层氧化，氧化后的含磷氧化物随着气流排出；
6）关闭气动阀3，停掉主真空泵19即完成对含磷挥发物的清除。
以上氧化清除工艺中所述的收尾、检漏均为常规操作。
通过本发明的氧化清除工艺，能够实现对重掺磷单晶炉管道沉积物燃烧速度的人为控制，解决了管道清扫时的爆炸问题，并且该工艺不会对单晶质量产生任何不利影响。
以上显示和描述了本发明的主要特征、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种用于重掺磷硅单晶生产的防爆单晶炉，该单晶炉包括上炉室（7）和炉筒（9），且上炉室（7）的底部与设置在炉筒（9）顶部的炉盖（8）连接，其特征在于：所述单晶炉一侧分别设置有主真空泵（19）、副真空泵（11）和氩气源（10），其中，主真空泵（19）通过抽空管道（20）与炉筒（9）的底部连通，且抽空管道（20）上依次设置有比例阀（4）和气动阀（3），以控制主真空泵（19）通过抽空管道（20）抽取炉筒（9）内的气体，副真空泵（11）通过排气管道（15）与上炉室（7）的顶部连通，以通过排气管道（15）上设有的排气阀（13）控制抽取上炉室（7）内的气体，氩气源（10）分别通过三条氩气管道（14）向上炉室（7）的顶部、上炉室（7）的中部和炉盖（8）内充入氩气，且在三条氩气管道（14）上均设置有氩气开关（5）；所述抽空管道（20）靠近炉筒（9）的一端上连接有进空气管道（12），进空气管道（12）与空气开关（1）连接，以通过空气开关（1）的控制向抽空管道（20）中充入空气，进而使抽空管道（20）内沉积的含磷挥发物进行氧化去除。
2.根据权利要求1所述的一种用于重掺磷硅单晶生产的防爆单晶炉，其特征在于：所述上炉室（7）顶部设置有旋转机头（6）。
3.根据权利要求1所述的一种用于重掺磷硅单晶生产的防爆单晶炉，其特征在于：所述炉筒（9）内设置有电极（16）和用于升降炉筒（9）内坩埚的坩埚升降设备（17）。
4.根据权利要求1所述的一种用于重掺磷硅单晶生产的防爆单晶炉，其特征在于：所述炉筒（9）设置在基座（18）上。
5.根据权利要求1所述的一种用于重掺磷硅单晶生产的防爆单晶炉，其特征在于：所述主真空泵（19）的排气口上连接有过滤抽出气体的过滤罐。
6.根据权利要求1所述的一种用于重掺磷硅单晶生产的防爆单晶炉，其特征在于：所述进空气管道（12）上设置有流量计（2）。
7.清除权利要求6所述的一种用于重掺磷硅单晶生产的防爆单晶炉内沉积磷的方法，其特征在于，包括以下步骤如下：
1）收尾结束后通过设备操作界面提起晶棒，打开空气开关（1），然后选择生长程序进入自动停炉状态，自动停炉程序设置功率下降速度为5km/h，此时确认进空气管道（12）上的流量计（2）流量显示在10-12ml/min；此时，单晶炉自动停炉状态下三条氩气管道（14）上的氩气开关（5）、抽空管道（20）上的气动阀（3）、比例阀（4）是打开状态，其余的阀门全部关闭；
2）通过进空气管道（12）近期2h后关闭空气开关（1），选择程序进入自动检漏状态，即关闭全部阀门开关进行热状态下的炉台检漏操作；
3）检漏操作完毕后再次开启空气开关（1），同时打开气动阀（3）和比例阀（4）进行空气置换1小时，空气沿进空气管道（12）进入后从抽空管道（20）经过主真空泵（19）排出，在此过程中，空气经抽空管道（20）时对其内壁中沉积的含磷挥发物进行初次氧化，初次氧化的时间为1h，而后关闭空气开关（1）和气动阀（3），打开三条氩气管道（14）的氩气开关（5）向上炉室（7）和炉筒（9）内充入氩气，待上炉室（7）和炉筒（9）内的压力达到760乇时，关闭氩气开关（5），打开炉门；
4）炉门打开后，调节比例阀（4）处于完全开启状态，然后开启气动阀（3）半分钟后关闭气动阀（3）两分钟；
5）重复上述开启气动阀（3）和关闭气动阀（3）的操作8次，以使抽空管道（20）在主真空泵（19）及炉内气压的双重作用下形成高速气流从抽空管道（20）排出，在高速气流的冲击下使沉积较厚的磷沉积层得以分层氧化，氧化后的含磷氧化物随着气流排出；
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