CN109695055A - 长晶炉及结晶系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种长晶炉及结晶系统，涉及炉体结构领域。该长晶炉包括：炉体、第一坩埚、点热源、底部隔热结构和加热器；第一坩埚设置在炉体内；加热器设置在第一坩埚外侧；点热源设置在第一坩埚底部中心处；底部隔热结构套设于点热源外。点热源对第一坩埚中心处实现集中加热，从而保证单晶硅棒中心与熔融多晶硅的温差与单晶硅棒表面熔融多晶硅的温差一致，使得单晶硅棒中心与表面的结晶速度一致，保证了单晶硅棒的品质。

Description

长晶炉及结晶系统

技术领域

本申请涉及炉体结构技术领域，特别涉及一种长晶炉及结晶系统。

背景技术

单晶硅作为半导体的重要原材料，被广泛地应用于是半导体行业。随着半导体材料技术的发展，对于单晶硅的质量也提出了更高的要求。

单晶硅的制备过程中，需要对晶体进行拉晶，即对熔融状态下的单晶硅进行结晶生长，以获得单晶硅棒。在拉晶的过程中，由于结晶处硅棒中心热传递速度比表面热传递速度慢，硅棒中心的温度比表面的温度高，因此硅棒中心与熔融多晶硅的温差比表面与熔融多晶硅的温差小，导致硅棒中心的结晶速度比表面的结晶速度慢。

硅棒中心的结晶速度与表面的结晶速度不一致，使得结晶界面生长不均匀，导致晶格缺陷，影响单晶硅的品质。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种长晶炉及结晶系统，以解决在长晶过程中，单晶硅棒结晶处各部分结晶速度不一致，导致单晶硅棒品质低的问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种长晶炉，包括：炉体、第一坩埚、点热源、底部隔热结构和加热器；所述第一坩埚设置在所述炉体内；所述加热器设置在所述第一坩埚外侧；所述点热源设置在所述第一坩埚底部中心处；所述底部隔热结构套设于所述点热源外。

可选地，所述长晶炉还包括：辅热器；所述辅热器位于所述第一坩埚开口侧。

可选地，所述长晶炉还包括：冷却器和中部隔热层；所述冷却器的一端固定设置于所述炉体的炉口处，且延伸至所述炉体内；所述中部隔热层的一端与所述冷却器的另一端连接；所述中部隔热层的另一端与所述辅热器连接。

可选地，所述长晶炉还包括：冷却器和中部隔热层；所述冷却器的一端固定设置于所述炉体的炉口处，且延伸至所述炉体内；所述中部隔热层的一端与所述冷却器的另一端连接，且所述中部隔热层位于所述第一坩埚开口侧。

可选地，所述长晶炉还包括：第二坩埚；所述第二坩埚套设在所述第一坩埚外侧。

可选地，所述长晶炉还包括：侧壁隔热层；所述侧壁隔热层固定在所述炉体的侧壁上，且位于所述加热器和所述侧壁之间。

可选地，所述长晶炉还包括：底部隔热层；所述底部隔热层固定在所述炉体的底壁上。

可选地，所述长晶炉还包括：底部支撑台；所述底部支撑台与所述点热源固定连接。

可选地，所述长晶炉还包括：底杆；所述底杆的一侧与所述底部支撑台连接，另一侧依次穿过所述底部隔热层和所述炉体的底壁。

第二方面，本申请实施例还提供了一种结晶系统，包括第一方面所述的长晶炉、单晶硅棒和拉晶线；所述单晶硅棒一端与所述拉晶线固定连接，另一端伸入所述长晶炉的炉口内。

本申请实施例提供的长晶炉及结晶系统，由于单晶硅棒结晶界面上表面比中心的散热速度快，使得表面温度比中心温度低，在第一坩埚中心处设置点热源和底部隔热结构，实现对第一坩埚中心处进行加热，使得第一坩埚中心处的熔融多晶硅的温度比第一坩埚其余位置的熔融多晶硅的温度高，保证了单晶硅棒结晶面的表面处与熔融多晶硅的温差和单晶硅棒结晶面的中心处与熔融多晶硅的温差相当，使得单晶硅棒表面与中心处结晶生长速度一致，保证了单晶硅棒的品质。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一实施例提供的长晶炉结构示意图；

图2为本申请一实施例提供的长晶炉横向剖视图；

图3为本申请另一实施例提供的长晶炉横向剖视图；

图4为本申请另一实施例提供的长晶炉结构示意图；

图5为本申请另一实施例提供的长晶炉结构示意图；

图6为本申请另一实施例提供的长晶炉结构示意图；

图7为本申请一实施例提供的结晶系统结构示意图。

图标：1-炉体；101-炉口；102-侧壁；103-底壁；2-第一坩埚；3-点热源；4-底部隔热结构；5-加热器；6-辅热器；7-冷却器；8-中部隔热层；9-第二坩埚；10-侧壁隔热层；11-底部隔热层；12-底部支撑台；13-底杆；14-单晶硅棒；15-拉晶线。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

图1为本申请一实施例提供的长晶炉结构示意图；如图1所示，本申请实施例提供一种长晶炉，包括：炉体1、第一坩埚2、点热源3、底部隔热结构4和加热器5。

第一坩埚2设置在炉体1内。加热器5设置在第一坩埚2外侧。

需要说明的是，在使用长晶炉进行单晶硅的制备时，第一坩埚2内用于盛放多晶硅。加热器5用于对第一坩埚2进行加热，使得第一坩埚2内盛放的多晶硅呈熔融状态。

可选地，第一坩埚2为石英坩埚。石英坩埚的材质与多晶硅的有效成分相同，避免了因盛放装置的原因给制备的单晶硅棒14引入新的杂质，降低单晶硅棒14的品质。

图2为本申请一实施例提供的长晶炉横向剖视图，可选地，如图2所示，该剖视图包括：炉体1、第一坩埚2和加热器5。其中，加热器5的结构可以为柱状结构，其结构可以为柱状、面状、条状、栅状等。加热器5可以为多个，且分布在第一坩埚2的外侧。第一坩埚2可以旋转，使得第一坩埚2内的熔融多晶硅均匀加热。

图3为本申请另一实施例提供的长晶炉横向剖视图，可选地，如图3所示，该剖视图包括：炉体1、第一坩埚2和加热器5。其中，加热器5可以为环状结构，套设在第一坩埚2的外侧，对第一坩埚2的各个部分均匀加热。

继续参见图1，点热源3设置在第一坩埚2底部中心处。底部隔热结构4套设于点热源3外。

可选的，点热源可以为点状、面状、星状、放射状、环状或月牙状等。但又不仅限于上述列举的形状，只要能集中对第一坩埚2底部中心处进行集中加热的点热源，都落入本申请的保护范围之内。

需要说明的是，将底部隔热结构4套设于点热源3外，防止点热源3的热量散失到处中心点外的其他位置，保证了点热源3集中对第一坩埚2底部中心处加热。

本申请实施例提供的长晶炉及结晶系统，由于单晶硅棒14结晶界面的表面比中心的散热速度快，使得表面温度比中心温度低，在第一坩埚2中心处设置点热源3和底部隔热结构4，实现对第一坩埚2中心处进行加热，使得第一坩埚2中心处的熔融多晶硅的温度比第一坩埚2其余位置的熔融多晶硅的温度高，保证了单晶硅棒14结晶面上表面处与熔融多晶硅的温差和单晶硅棒14结晶面上中心处与熔融多晶硅的温差相当，使得单晶硅棒14表面与中心结晶生长速度一致，保证了单晶硅棒14的品质。

图4为本申请另一实施例提供的长晶炉结构示意图，可选地，如图4所示，长晶炉还包括：辅热器6。辅热器6位于第一坩埚2开口侧。

单晶硅棒14表面比中心散热快，导致了表面温度比中心温度低，采用辅热器6对单晶硅棒14表面进行加热，减小单晶硅棒14表面与中心的温度差，使得单晶硅棒14表面和中心处结晶速度相当，使得单晶硅棒14结晶界面平整，避免了因单晶硅棒14结晶界面因结晶速度不一致导致晶格缺陷。

可选地，辅热器6为环状，可对单晶硅棒结晶界面的每一个面都进行加热。

图5为本申请另一实施例提供的长晶炉结构示意图，可选地，图5在图4的基础上，长晶炉还包括：冷却器7和中部隔热层8。如图5所示，冷却器7的一端固定设置于炉体1的炉口101处，且延伸至炉体1内。中部隔热层8的一端与冷却器7的另一端连接。中部隔热层8的另一端与辅热器6连接。

其中，中部隔热层8是从结晶生长段到冷却段之间的过渡段，中部隔热层8用于为在中部隔热层段的单晶硅棒14保温，降低了单晶硅棒14的温度散失的速度，使得单晶硅在过渡段内的温度稳定，使得单晶硅的晶格有序排列，提升了单晶硅棒的品质。

冷却器7将单晶硅棒14冷却降温。

图6为本申请另一实施例提供的长晶炉结构示意图，可选地，如图6所示，长晶炉还包括：冷却器7和中部隔热层8。冷却器7的一端固定设置于炉体1的炉口101处，且延伸至炉体1内。中部隔热层8的一端与冷却器7的另一端连接，且中部隔热层8位于第一坩埚2开口侧。

可选地，如图4、5和6所示，长晶炉还包括：第二坩埚9。第二坩埚9套设在第一坩埚2外侧。

可选地，第二坩埚9可以为石墨坩埚。由于石墨坩埚具有导热性好，受热均匀等优点，通过石墨坩埚对第一坩埚2进行加热，使得第一坩埚2受热均匀。

可选地，如图4、5和6所示，长晶炉还包括：侧壁隔热层10。侧壁隔热层10固定在炉体1的侧壁102上，且位于加热器5和侧壁102之间。

可选地，长晶炉还包括：底部隔热层11。底部隔热层11固定在炉体1的底壁103上。

侧壁隔热层10和底部隔热层11的设置，减少长晶炉中的热量损失，降低了加热成本。

可选地，如图4、5和6所示，长晶炉还包括：底部支撑台12。底部支撑台12与点热源3固定连接。

可选地，底部支撑台12可以旋转，从而带动底部支撑台12上的点热源3和第一坩埚2进行旋转，一方面，使得第一坩埚2内的熔融多晶硅受热均匀；另一方面，带动第一坩埚2进行旋转，提高了结晶速度。

可选地，如图4、5和6所示，长晶炉还包括：底杆13。底杆13的一侧与底部支撑台12连接，另一侧依次穿过底部隔热层11和炉体1的底壁103。

可选地，底杆13可以旋转，从而带动了其上的底部支撑台12和第一坩埚2进行旋转。

图7为本申请一实施例提供的结晶系统结构示意图，另外，如图7所示，本申请还提供一种结晶系统，包括上述实施例提供的长晶炉、单晶硅棒14和拉晶线15。单晶硅棒14一端与拉晶线15固定连接，另一端伸入长晶炉的炉口101内。

在使用结晶系统进行单晶硅棒14的制备过程为：将多晶硅盛放在第一坩埚2内，通过加热器5对第一坩埚2和第二坩埚9进行加热，使得多晶硅呈熔融状态。点热源3通过第二坩埚9对第一坩埚2中心处的熔融多晶硅进行加热，使得结晶界面各处与各处对应的熔融多晶硅的温度梯度相当，保证结晶界面各处的结晶速度一致。在拉晶的过程中，通过底部支撑台12或底杆13旋转带动第一坩埚2进行旋转，且拉晶线15旋转带动单晶硅棒14进行旋转，使得熔融多晶硅沿单晶硅棒14开始向上结晶。

拉晶线15不仅要带动单晶硅棒14旋转，还要带动单晶硅棒14上移，拉晶线15上移的速度决定了单晶硅的生长直径，即，拉晶线15上移的速度越慢，则结晶界面结晶的时间越久，结晶生长的直径越大；相反，拉晶线15上移速度越快，则结晶界面结晶的时间越短，结晶生长的直径越小。

在本申请提供的长晶炉及结晶系统，通过在第一坩埚2中心处设置点热源3对第一坩埚2中心处的熔融多晶硅进行集中加热，中心处多晶硅的温度比第一坩埚2内其余地方的熔融多晶硅的温度高，单晶硅棒14结晶界面各处与对应的熔融多晶硅的温差一致，使得结晶界面各处的结晶速度一致，提高了单晶硅的品质。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种长晶炉，其特征在于，包括：炉体、第一坩埚、点热源、底部隔热结构和加热器；

所述第一坩埚设置在所述炉体内；所述加热器设置在所述第一坩埚外侧；所述点热源设置在所述第一坩埚底部中心处；所述底部隔热结构套设于所述点热源外。

2.根据权利要求1所述的长晶炉，其特征在于，还包括：辅热器；

所述辅热器位于所述第一坩埚开口侧。

3.根据权利要求2所述的长晶炉，其特征在于，还包括：冷却器和中部隔热层；

所述冷却器的一端固定设置于所述炉体的炉口处，且延伸至所述炉体内；

所述中部隔热层的一端与所述冷却器的另一端连接；所述中部隔热层的另一端与所述辅热器连接。

4.根据权利要求1所述的长晶炉，其特征在于，还包括：冷却器和中部隔热层；

所述冷却器的一端固定设置于所述炉体的炉口处，且延伸至所述炉体内；

所述中部隔热层的一端与所述冷却器的另一端连接，且所述中部隔热层位于所述第一坩埚开口侧。

5.根据权利要求1所述的长晶炉，其特征在于，还包括：第二坩埚；

所述第二坩埚套设在所述第一坩埚外侧。

6.根据权利要求1所述的长晶炉，其特征在于，还包括：侧壁隔热层；

所述侧壁隔热层固定在所述炉体的侧壁上，且位于所述加热器和所述侧壁之间。

7.根据权利要求1所述的长晶炉，其特征在于，还包括：底部隔热层；

所述底部隔热层固定在所述炉体的底壁上。

8.根据权利要求7所述的长晶炉，其特征在于，还包括：底部支撑台；

所述底部支撑台与所述点热源固定连接。

9.根据权利要求8所述的长晶炉，其特征在于，还包括：底杆；

所述底杆的一侧与所述底部支撑台连接，另一侧依次穿过所述底部隔热层和所述炉体的底壁。

10.一种结晶系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的长晶炉、单晶硅棒和拉晶线；

所述单晶硅棒一端与所述拉晶线固定连接，另一端伸入所述长晶炉的炉口内。