CN108998829A - 冷却装置、单晶炉和晶棒的冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冷却装置、单晶炉和晶棒的冷却方法。冷却装置包括：第一冷却件、温度检测装置、驱动装置和控制装置。所述温度检测装置用于检测所述晶棒的温度信息。所述控制装置用于根据温度检测装置检测的温度信息，判断所述第一冷却件是否环绕所述晶棒上温度处于一预定温度区间的部分。所述控制装置还用于根据温度检测装置检测的温度信息控制驱动装置以驱动所述第一冷却件移动，以使所述第一冷却件环绕所述晶棒上温度处于一预定温度区间的部分。其中，所述晶棒的点缺陷析出长大的温度在所述预定温度区间内。本发明通过第一冷却件吸热冷却所述晶棒上温度处于一预定温度区间的部分，可以避免晶棒内的点缺陷析出长大形成微缺陷。

Description

冷却装置、单晶炉和晶棒的冷却方法

技术领域

本发明涉及单晶半导体材料生产设备技术领域，具体涉及冷却装置、单晶炉和晶棒的冷却方法。

背景技术

单晶半导体材料是半导体领域最常使用的材料。生产单晶半导体材料最常用的方法是丘克劳斯基法(Czochralski法，简称CZ法)，行业内又称为拉晶法或提拉法，采用CZ法制备单晶半导体材料的设备称为单晶炉。尽管CZ法能生长质量较好且用途广泛的单晶半导体材料，但是单晶半导体材料的质量仍然需要进一步改进。例如，采用单晶半导体材料制作集成电路时，影响集成电路的线宽进一步降低的主要原因之一是单晶半导体材料内存在的微缺陷。

发明人研究发现，单晶半导体材料内的微缺陷主要是单晶半导体材料在单晶炉内固化和冷却时形成的。图1是单晶半导体材料在长晶时的晶相结构示意图。参考图1，单晶半导体材料在靠近固液界面S处开始生长时，在单晶半导体材料内形成有点缺陷PD，这些点缺陷PD包括晶格空位和自间隙原子。随着单晶半导体材料的进一步生长，单晶半导体材料进一步冷却，在一温度区间内，单晶半导体材料内的点缺陷PD也逐渐析出形成微缺陷MD。随着单晶半导体材料再进一步生长，单晶半导体材料进一步冷却，微缺陷MD进一步长大。

因此，急需对单晶炉进行改进，以避免单晶半导体材料在生长的过程中点缺陷析出形成微缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冷却装置、单晶炉和晶棒的冷却方法，以避免单晶半导体材料在生长的过程中点缺陷析出形成微缺陷的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种冷却装置，所述冷却装置用于冷却单晶炉中生长的晶棒，所述冷却装置包括：一第一冷却件，所述第一冷却件用于吸热；一温度检测装置，所述温度检测装置用于检测所述晶棒的温度信息；一驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述第一冷却件移动；一控制装置，所述控制装置分别与所述温度检测装置和所述驱动装置连接，所述控制装置用于接收所述温度检测装置发送的温度信息，所述控制装置用于根据接收的温度信息，判断所述第一冷却件是否环绕所述晶棒上温度处于一预定温度区间的部分，所述控制装置还用于根据接收的温度信息控制所述驱动装置驱动所述第一冷却件移动，以使所述第一冷却件环绕所述晶棒上温度处于一预定温度区间的部分，其中，所述晶棒的点缺陷析出长大的温度在所述预定温度区间内。

可选的，所述温度检测装置位于所述第一冷却件和所述晶棒之间。

可选的，所述温度检测装置为红外测温仪。

可选的，所述第一冷却件具有一第一内腔，所述第一内腔内填充有第一冷却剂。

可选的，所述冷却装置还包括一隔热件，所述隔热件套设在所述第一冷却件的外周面上，且所述隔热件与所述第一冷却件固定连接，所述隔热件用于隔热。

可选的，所述隔热件具有一第二内腔，所述隔热件的第二内腔内填充有保温材料。

可选的，所述隔热件的材质为耐火材料。

可选的，所述隔热件与所述第一冷却件通过石墨螺栓固定连接。

可选的，所述第一冷却剂为液体。

可选的，所述第一冷却剂为流动的水。

可选的，所述晶棒为单晶硅，所述预定温度区间为950～1110℃。

本发明还提供一种单晶炉，包括上述的冷却装置。

可选的，所述单晶炉还包括：炉盖、隔离阀和第二冷却件，所述第二冷却件位于所述隔离阀和所述炉盖之间，所述第二冷却件套设在所述晶棒的外周面上，所述第二冷却件用于吸热。

可选的，所述第二冷却件具有一第二通孔，所述第二通孔用于容纳所述晶棒。

可选的，所述第二冷却件具有一第二内腔，所述第二内腔内填充有第二冷却剂。

本发明还提供一种晶棒的冷却方法，包括：温度检测装置检测晶棒当前的温度信息，并将检测到的温度信息发送至控制装置；控制装置根据当前接收的温度信息，判断当前第一冷却件是否环绕晶棒上温度处于一预定温度区间的部分；若不是，则控制装置根据当前接收的温度信息控制驱动装置以驱动第一冷却件移动，直至使第一冷却件环绕晶棒上温度处于一预定温度区间的部分；在这一过程中第一冷却件吸热使晶棒冷却，其中，晶棒中的点缺陷析出长大的温度在所述预定温度区间内。

可选的，所述控制装置根据当前接收的温度信息，计算晶棒上温度处于预定温度区间的部分的位置，然后对比第一冷却件的当前位置与晶棒上温度处于预定温度区间的部分的位置之间的间距，以判断当前第一冷却件是否环绕晶棒上温度处于一预定温度区间的部分。

本发明提供的冷却装置、单晶炉和晶棒的冷却方法，具有以下有益效果：

先通过温度检测装置检测晶棒的温度，并将温度信息发送给控制装置，再通过控制装置根据接收的温度信息判断第一冷却件的位置，具体判断第一冷却件是否环绕晶棒上处于一预定温度区间的部分，若不是，则通过控制装置根据接收的温度信息控制驱动装置以驱动第一冷却件移动，使得第一冷却件包围所述晶棒上处于一预定温度区间的部分，从而通过第一冷却件吸热冷却所述晶棒上温度处于一预定温度区间的部分，以增大温度处于一预定温度区间的部分晶棒的温度梯度，并且所述晶棒的点缺陷析出的温度处于预定温度区间内，因此可以减少或避免晶棒内的点缺陷析出形成微缺陷。

附图说明

图1是单晶半导体材料在长晶时的晶相结构示意图；

图2是本发明的一实施例的单晶炉的剖视图；

图3是本发明的一实施例的第一冷却件和隔热件的剖视图；

图4是图3中的第一冷却件和隔热件的剖视图的局部放大示意图。

附图标记说明：

S-固液界面；

P-点缺陷；

M-微缺陷；

B-晶棒；

10-第一冷却件；

11-第一内腔；

13-第一通孔；

20-隔热件；

21-第二内腔；

22-保温材料；

30-石墨螺栓；

40-温度检测装置；

60-炉盖；

61-隔离阀；

70-第二冷却件。

具体实施方式

本申请发明人研究发现，单晶半导体材料在生长的过程中在某一温度区间内点缺陷易析出形成微缺陷，并且对于不同的单晶半导体材料对应的点缺陷析出形成微缺陷的温度区间不相同，例如，单晶硅在生长的过程中，单晶硅内的点缺陷逐渐析出长大的温度区间为1100～950℃。本申请发明人进一步研究后发现，相比于生长中的单晶半导体材料在单晶炉中自然冷却，如若能使生长中的单晶半导体材料的温度迅速降低到这一温度区间以下，即增大在这一温度区间内的单晶半导体材料的温度梯度，则能减少或避免点缺陷在这一温度区间内析出长大形成微缺陷。

通常，在单晶炉内生长的单晶半导体材料称之为晶棒。以下结合附图和具体实施例对本发明提出的冷却装置、单晶炉和晶棒的冷却方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

图2是本发明的一实施例的单晶炉的剖视图。参考图2，一种用于冷却单晶炉中生长的晶棒B的冷却装置，包括第一冷却件10、温度检测装置40、驱动装置(图中未示出)和控制装置(图中未示出)。所述第一冷却件10用于吸热。所述温度检测装置40用于检测所述晶棒B的温度信息。所述驱动装置用于驱动所述第一冷却件10移动。所述控制装置分别与所述温度检测装置40和驱动装置连接。所述控制装置用于根据温度检测装置40检测的温度信息，判断所述第一冷却件10是否环绕所述晶棒B上温度处于一预定温度区间的部分。当所述第一冷却件10并未环绕所述晶棒B上温度处于一预定温度区间的部分，所述控制装置还用于根据温度检测装置40检测的温度信息控制所述驱动装置驱动所述第一冷却件10移动，以使所述第一冷却件10环绕所述晶棒B上温度处于一预定温度区间的部分。其中，所述晶棒B的点缺陷析出长大的温度在所述预定温度区间内。

本实施例中的冷却装置根据温度检测装置40实时检测的温度信息，对第一冷却件10的位置进行实时控制，使得第一冷却件10能有效地吸收晶棒B在预定温度区间内的部分的热量，增大了在单晶炉中生长的晶棒B在预定温度区间内的部分的温度梯度，即使晶棒B快速冷却，可减少或避免单晶半导体材料在生长的过程中点缺陷析出长大形成微缺陷。

具体的，本实施例中的冷却装置，通过温度检测装置40检测晶棒B的温度信息，再通过控制装置根据温度检测装置40检测的晶棒B的温度信息判断第一冷却件10是否环绕晶棒B上处于一预定温度区间的部分，若不是，则通过控制装置根据温度检测装置40检测的晶棒B的温度信息控制第一冷却件10移动，使得第一冷却件10包围所述晶棒B上处于一预定温度区间的部分，从而通过第一冷却件10吸热冷却所述晶棒B上温度处于一预定温度区间的部分，以增大温度处于一预定温度区间的部分晶棒B的温度梯度，并且所述晶棒B的点缺陷析出长大的温度处于预定温度区间内，因此可以避免晶棒B内的点缺陷析出长大形成微缺陷，从而提高了晶棒B的品质。

图3是本发明的一实施例的第一冷却件和隔热件的剖视图，图4是图3中的第一冷却件和隔热件的剖视图的局部放大示意图。参考图3和图4，所述第一冷却件10具有一第一内腔11，所述第一内腔11内填充有第一冷却剂(图中未示出)。所述第一冷却件10通过第一内腔11内的第一冷却剂吸热，能有效降低晶棒B的温度。所述第一冷却剂可以为气体或者液体。所述第一冷却剂优选为液体，例如所述第一冷却剂可以为水，且所述水可流动，这样，所述第一内腔11构成了一可流动的水路，如此，第一冷却件10的冷却效率较高。

优选的，所述第一冷却件10为旋转体，所述旋转体的中心设置有一第一通孔13，所述第一通孔13用于容纳所述晶棒B上温度处于一预定温度区间的部分。如图2所示，晶棒B穿过第一通孔13，使所述第一冷却件10环绕所述晶棒B。第一冷却件10为旋转体且旋转体的中心设置有第一通孔13，可使得第一冷却件10距离晶棒B的外周面的间距大小相等，使晶棒B均匀冷却。例如，第一冷却件10为圆台，圆台的上底(小端)靠近单晶炉的固液界面，圆台的下底(大端)远离固液界面。并且，沿着圆台的轴向开设有一圆台形的第一通孔，所述第一通孔的上底(小端)靠近单晶炉的固液界面，所述第一通孔的下底(大端)远离单晶炉的固液界面。如此，可避免第一冷却件10干扰温度检测装置直接检测晶棒的温度信息。所述第一冷却件10的材质优选为钼、钨或者钨钼合金，钼和钨为耐高温的金属，提高了第一冷却件10的使用寿命。

继续参考图3和图4，所述冷却装置还包括一隔热件20。所述隔热件20套设在所述第一冷却件10的外周面上，且所述隔热件20与所述第一冷却件10固定连接。所述隔热件20用于隔热。此处，所述第一冷却件10的外周面为远离所述晶棒B的一面。通过在第一冷却件10的外周面上设置隔热件20一方面可起到保温的效果，防止单晶炉内的热量流失，提高了单晶炉的热效率；另一方面可保护第一冷却件10，防止第一冷却件10受到单晶炉内的高温影响失效，同时也避免单晶炉内的热量传递到第一冷却件10上，降低第一冷却件10的冷却效果。

所述隔热件20具有一第二内腔21，所述隔热件20的第二内腔21内填充有保温材料22。所述第二内腔21内的保温材料22避免单晶炉中的热量传导到第一冷却件10、第一内腔11和晶棒B上，有利于提高第一冷却件10的使用寿命，同时也有利于提高第一冷却件10的冷却效果。所述保温材料22优选为硬毡。当然，所述保温材料22还可以为其它的含有石墨的发泡材料，比如，所述保温材料22也可以为石英棉。

优选的，所述隔热件20的材质为耐火材料。例如，隔热件20的材质为高纯石墨，因此隔热件20的耐热性能好且化学稳定性好，可避免隔热件20污染单晶炉中的单晶半导体材料。

参考图3和图4，所述隔热件20与所述第一冷却件10可通过石墨螺栓30固定连接。所述石墨螺栓30的耐热性能好且化学稳定性好，可避免隔热件20污染单晶炉中的单晶半导体材料。

参考图2所示，所述温度检测装置40位于所述第一冷却件10和所述晶棒B之间。如此，所述温度检测装置40可直接检测所述晶棒B的温度，而不需要通过其它的部件间接检测晶棒B的温度，提高了温度检测装置40的准确性。

所述温度检测装置40优选为红外测温仪，测温精度较高。

所述驱动装置优选为直线驱动装置，如包括电机驱动的齿轮齿条机构或者气缸等。

本实施例中，所述晶棒B为棒状单晶硅材料。实验发现，所述预定温度区间为950～1110℃，例如是1000～1100℃。当然，所述晶棒B还可以为其他的半导体材料，如单晶锗。

实施例二

本实施例提供一种单晶炉，所述单晶炉包括实施例一所述的冷却装置。

晶棒在单晶炉中的温度自晶棒的一端到另一端逐渐递减，这里，晶棒与单晶半导体熔融液相接触处的部分为晶棒的一端，所述晶棒距离单晶半导体熔融液较远的部分为晶棒的另一端。随着晶棒温度降低，在一特定温度区间内的部分晶棒中的点缺陷(包括未析出形成微缺陷的点缺陷)会促进氧析物形成，对于单晶硅这一特定的温度区间为600～900℃。此外，对于P型单晶半导体材料，在晶棒冷却过程，中性的铁在硅中的溶解度不断降低，特别是在另一特定的温度区间内的晶棒部分内的铁会析出并向外周面扩散。对于单晶硅另一特定的温度区间为280～320℃。在冷却过程中，由于晶棒外周面处率先冷却到较低温度，靠近晶棒外周面处的铁易与P型单晶半导体材料中的硼形成铁-硼复合体，从而阻止晶棒内部的铁向外周面扩散，使得铁在晶棒中分布不均匀。

发明人经过进一步研究还发现，若能增加晶棒在上述两个特定温度区间内的温度梯度，以加快晶棒的冷却速度，则能有效避免晶棒内残留的点缺陷促进氧析物形成。另外，对于P型单晶半导体材料，且还能使铁在晶棒B中均匀分布。此外，发明人还发现晶棒中氧析物形成的部分以及铁析出并向外周面扩散的部分，均靠近单晶炉中的隔离阀，并且位于单晶炉的炉盖和隔离阀之间。基于此，发明人在单晶炉中增设了一第二冷却件以增大晶棒的温度梯度，提高晶棒的冷却速度。

参考图2，所述单晶炉还包括炉盖60、隔离阀61和第二冷却件70。所述第二冷却件70位于所述隔离阀61和所述炉盖60之间。所述第二冷却件70套设在所述晶棒B的外周面上。所述第二冷却件70用于吸热。由于第二冷却件70位于隔离阀61和炉盖60之间，且第二冷却件70能吸热冷却晶棒B，从而有效地增大了第二冷却件70环绕的部分的晶棒B的温度梯度，从而提高了该部分的晶棒B的冷却速度，避免了残留的点缺陷促进氧析物形成。此外，对于P型半导体单晶棒B，还可使铁在晶棒B中均匀分布。具体的，所述炉盖60与所述隔离阀61连接。所述炉盖60中心开设有一圆柱形的开口，所述炉盖沿着所述开口的边缘向远离所述单晶炉的固液界面处延伸有一圆管。所述隔离阀61位于所述圆管内，所述隔离阀61用于将单晶炉中的单晶半导体熔液与外部环境隔离开来。

具体的，所述第二冷却件70具有一第二通孔，所述第二通孔用于容纳所述晶棒B。所述第二冷却件70优选为旋转体，如此可均匀冷却所述晶棒B。所述第二冷却件70的形状优选为结构简单制造方便的筒状结构。

所述第二冷却件70具有第二内腔21，所述第二内腔21内填充有第二冷却剂。如此，提高了第二冷却件70的吸热效果。

优选的，所述第二冷却件70与所述隔离阀61固定连接。如此，相较于第二冷却件70固定在炉盖60上的情况而言，所述第二冷却件70的冷却效果更好。

所述第二冷却件70的材质优选为钼、钨或者钨钼合金。

本实施例中，所述第一冷却件10设置在所述炉盖60上，且所述第一冷却件10可相对所述炉盖60移动。所述第一冷却件10可沿着晶棒B的径向移动，或者沿着晶棒B的轴向移动，或者既沿着晶棒B的径向移动也沿着晶棒B的轴向移动。

本实施例中，参考图2，所述冷却装置的红外测温仪优选设置在所述炉盖60上，便于检测晶棒B的温度。

实施例三

本实施例提供一种晶棒的冷却方法。首先，温度检测装置检测晶棒当前的温度信息，并将检测到的温度信息发送至控制装置。然后，控制装置根据当前接收的温度信息，判断当前第一冷却件是否环绕晶棒上温度处于一预定温度区间的部分。若不是，则控制装置根据当前接收的温度信息控制驱动装置以驱动第一冷却件移动，使第一冷却件环绕晶棒上温度处于一预定温度区间的部分。在这一过程中第一冷却件吸热使晶棒冷却，晶棒中的点缺陷析出的温度在所述预定温度区间内。

优选的，所述控制装置根据当前接收的温度信息，计算晶棒上温度处于预定温度区间的部分的位置，然后对比第一冷却件的当前位置与晶棒上温度处于预定温度区间的部分的位置之间的间距，以判断当前第一冷却件是否环绕晶棒上温度处于一预定温度区间的部分。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (17)

1.一种冷却装置，其特征在于，所述冷却装置用于冷却单晶炉中生长的晶棒，所述冷却装置包括：

一第一冷却件，所述第一冷却件用于吸热；

一温度检测装置，所述温度检测装置用于检测所述晶棒的温度信息；

一驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述第一冷却件移动；

一控制装置，所述控制装置分别与所述温度检测装置和所述驱动装置连接，所述控制装置用于接收所述温度检测装置发送的温度信息，所述控制装置用于根据接收的温度信息，判断所述第一冷却件是否环绕所述晶棒上温度处于一预定温度区间的部分，所述控制装置还用于根据接收的温度信息控制所述驱动装置驱动所述第一冷却件移动，以使所述第一冷却件环绕所述晶棒上温度处于一预定温度区间的部分，其中，所述晶棒的点缺陷析出长大的温度在所述预定温度区间内。

2.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述温度检测装置位于所述第一冷却件和所述晶棒之间。

3.如权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述温度检测装置为红外测温仪。

4.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述第一冷却件具有一第一内腔，所述第一内腔内填充有第一冷却剂。

5.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置还包括一隔热件，所述隔热件套设在所述第一冷却件的外周面上，且所述隔热件与所述第一冷却件固定连接，所述隔热件用于隔热。

6.如权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，所述隔热件具有一第二内腔，所述隔热件的第二内腔内填充有保温材料。

7.如权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，所述隔热件的材质为耐火材料。

8.如权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，所述隔热件与所述第一冷却件通过石墨螺栓固定连接。

9.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述第一冷却剂为液体。

10.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述第一冷却剂为流动的水。

11.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述晶棒为单晶硅，所述预定温度区间为950～1110℃。

12.一种单晶炉，其特征在于，包括如权利要求1至11任一项所述的冷却装置。

13.如权利要求12所述的单晶炉，其特征在于，还包括：炉盖、隔离阀和第二冷却件，所述第二冷却件位于所述隔离阀和所述炉盖之间，所述第二冷却件套设在所述晶棒的外周面上，所述第二冷却件用于吸热。

14.如权利要求13所述的单晶炉，其特征在于，所述第二冷却件具有一第二通孔，所述第二通孔用于容纳所述晶棒。

15.如权利要求14所述的单晶炉，其特征在于，所述第二冷却件具有一第二内腔，所述第二内腔内填充有第二冷却剂。

16.一种晶棒的冷却方法，其特征在于，包括：

温度检测装置检测晶棒当前的温度信息，并将检测到的温度信息发送至控制装置；

控制装置根据当前接收的温度信息，判断当前第一冷却件是否环绕晶棒上温度处于一预定温度区间的部分；

若不是，则控制装置根据当前接收的温度信息控制驱动装置以驱动第一冷却件移动，直至使第一冷却件环绕晶棒上温度处于一预定温度区间的部分；在这一过程中第一冷却件吸热使晶棒冷却，其中，晶棒中的点缺陷析出长大的温度在所述预定温度区间内。

17.如权利要求16所述的一种晶棒的冷却方法，其特征在于，所述控制装置根据当前接收的温度信息，计算晶棒上温度处于预定温度区间的部分的位置，并对比第一冷却件的当前位置与晶棒上温度处于预定温度区间的部分的位置之间的间距，以判断当前第一冷却件是否环绕晶棒上温度处于一预定温度区间的部分。