CN109811400A - 一种长晶炉及长晶炉的水冷套 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种长晶炉及长晶炉的水冷套，所述长晶炉包括炉体，所述炉体上部设置有水冷套，所述水冷套由下至上依次包括第一水冷部分、非水冷部分和第二水冷部分。本发明提供的长晶炉及长晶炉的水冷套，通过三段式结构的水冷套控制晶体缺陷形核和长大过程，热历史活动空间大，充分保证水冷套的作用。

Description

一种长晶炉及长晶炉的水冷套

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种长晶炉及长晶炉的水冷套。

背景技术

目前，制备大尺寸单晶硅的方法主要为提拉法(Czochralski method)，即在坩埚中将多晶硅熔融，将籽晶浸渍于硅熔体的液面内，缓慢地提拉籽晶，由此育成具有与籽晶相同的结晶方向的硅单晶。在制备大尺寸硅单晶过程中，为了达到控制晶体质量的目的，不仅需要控制拉速和固液界面温度梯度的比值靠近临界值，还需要控制晶体的热历史。这两个因素是控制晶体质量的关键因素，尤其是在制备高阶硅片过程中更加明显。

控制长晶过程中的热历史主要采用热屏和水冷套的不同设计来完成，目前采用的水冷套主要采用桶状，由炉盖顶部延伸到热屏内部，从而增大热场上部的温度梯度，增加晶体在该区域的冷却速度，抑制缺陷的形核与长大。然而，现有的水冷套及长晶炉不能满足制备高阶硅片的需求。

因此，有必要提出一种长晶炉及长晶炉的水冷套，以解决上述问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

针对现有技术的不足，本发明提供一种长晶炉的水冷套，所述长晶炉包括炉体，所述炉体上部设置有水冷套，所述水冷套由下至上依次包括第一水冷部分、非水冷部分和第二水冷部分。

示例性地，所述长晶炉还包括设置于所述水冷套下方的热屏。

示例性地，所述水冷套的底部延伸至所述热屏内部。

示例性地，所述水冷套上部具有与所述长晶炉的炉口相配合的法兰。

示例性地，所述法兰处设置有进水口和出水口。

示例性地，所述水冷套内部具有由铜管绕制而成的冷却水道。

本发明还提供一种长晶炉的水冷套，所述水冷套由下至上依次包括第一水冷部分、非水冷部分和第二水冷部分。

示例性地，所述水冷套上部具有与长晶炉的炉口相配合的法兰。

示例性地，所述法兰处设置有进水口和出水口。

示例性地，所述水冷套内部具有由铜管绕制而成的冷却水道。

本发明提供的长晶炉及长晶炉的水冷套，通过三段式结构的水冷套控制晶体缺陷形核和长大过程，热历史活动空间大，充分保证水冷套的作用。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1示出了现有的长晶炉的示意图。

图2示出了现有的长晶炉的水冷套的示意图。

图3示出了本发明一实施例所提供的长晶炉的示意图。

图4A-4B示出了本发明一实施例所提供的长晶炉的水冷套的示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

目前，制备大尺寸单晶硅的方法主要为提拉法(Czochralski method)，即在坩埚中将多晶硅熔融为硅熔体，将籽晶浸渍于硅熔体的液面内，缓慢地提拉籽晶，由此育成具有与籽晶相同的结晶方向的硅单晶。

在制备大尺寸硅单晶过程中，为了达到控制晶体质量的目的，不仅需要控制拉速和固液界面温度梯度的比值靠近临界值，还需要控制晶体的热历史。控制长晶过程中的热历史主要采用热屏和水冷套的不同设计来完成。如图1所示，目前的长晶炉100所采用的水冷套101主要为如图2所示的桶状，其由炉盖顶部延伸到热屏102上方，从而增大热场上部的温度梯度，增加晶体在该区域的冷却速度，抑制缺陷的形核与长大。然而，现有的水冷套及长晶炉不能满足制备高阶硅片的需求。

针对上述问题，本发明提供一种长晶炉及长晶炉的水冷套，所述长晶炉包括炉体，所述炉体上部设置有水冷套，所述水冷套由下至上依次包括第一水冷部分、非水冷部分和第二水冷部分。

所述长晶炉还包括设置于所述水冷套下方的热屏。所述水冷套的底部延伸至所述热屏内部。

所述水冷套上部具有与所述长晶炉的炉口相配合的法兰。所述法兰处设置有进水口和出水口。

所述水冷套内部具有由铜管绕制而成的冷却水道。

本发明还提供一种长晶炉的水冷套，所述水冷套由下至上依次包括第一水冷部分、非水冷部分和第二水冷部分。

所述水冷套上部具有与长晶炉的炉口相配合的法兰。所述法兰处设置有进水口和出水口。

所述水冷套内部具有由铜管绕制而成的冷却水道。

本发明提供的长晶炉及长晶炉的水冷套，通过三段式结构的水冷套控制晶体缺陷形核和长大过程，热历史活动空间大，充分保证水冷套的作用。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构及/或步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。[示例性实施例一]

下面将参照图3以及图4A、图4B，对本发明一实施方式的长晶炉做详细描述。其中，图3为所述长晶炉的结构示意图，图4A为所述水冷套的立体图，图4B为所述水冷套的截面图。

本发明所提供的长晶炉为用于采用提拉法(Czochralski method)生长硅单晶的长晶炉。所述长晶炉包括炉体302，所述炉体302上部设置有三段式水冷套301。具体地，如图4A、4B所示，所述水冷套301由下至上依次包括第一水冷部分3011、非水冷部分3012和第二水冷部分3013。硅单晶在生长过程中依次通过所述三段式设计的水冷套301，使晶体的热历史能够得到有效的控制，从而控制晶体内缺陷的形核和长大过程，使得制备的晶体内缺陷的尺寸符合特征线宽的要求。

具体地，第一水冷部分3011位于水冷套301的下部，距离晶体固液界面最近，能够增大晶体固液界面附近的冷却速率，抑制缺陷的形核过程，使得晶体内的缺陷形核较少。

非水冷部分3012位于水冷套301的中部、第一水冷部分3011和第二水冷部分3013之间，其能够降低晶体在该部分的冷却速率，利于使晶体内部的缺陷保持一定的形体不发生其他变化。

第二水冷部分3013位于水冷套301的上部，同样能够增大晶体在该部分的冷却速率，抑制晶体内部的缺陷长大，使得获得的晶体缺陷在要求的特征线宽之下，使得制备的硅片满足高阶芯片制造业的要求。

本领域技术人员可以根据不同的热场与工艺对上述第一水冷部分3011、非水冷部分3012和第二水冷部分3013的尺寸进行调整，通过三个部分的不同尺寸设计，增大了热历史活动空间。

下面将参照图3对本实施例所提供的长晶炉做进一步描述。

如图3所示，所述长晶炉包括炉体302。所述炉体内设有加热装置和提拉装置，加热装置包括石英坩埚304、石墨坩埚305、加热器307和保温层308。石墨坩埚305包裹在石英坩埚304的外侧，用于在加热过程中对石英坩埚304提供支撑，加热器307设置在石墨坩埚305的外侧。

提拉装置包括竖直设置的籽晶轴309和坩埚轴310，籽晶轴309设置在石英坩埚304的上方，坩埚轴310设置在石墨坩埚305的底部，籽晶轴309的底部通过夹具安装有籽晶，其顶部连接籽晶轴驱动装置，使其能够一边旋转一边向上缓慢提拉，出于对单晶的长度和行程的考虑，所述籽晶轴309采用钢丝式铰链制成。坩埚轴310的底部设有坩埚轴驱动装置，使坩埚轴310能够带动坩埚进行旋转。

石英坩埚304上方设置有热屏303，所述热屏303具有下伸的环绕硅单晶306生长区域的倒锥形屏状物，可阻断加热器307和高温熔体直接对硅单晶306的热辐射，降低硅单晶306的温度。同时，热屏还能够使下吹的氩气集中直接喷到生长界面附近，进一步增强硅单晶306的散热。所述水冷套301的底部延伸至热屏303内部。

在所述长晶炉工作时，首次在石英坩埚304中投放硅料，接着加热器通过石墨坩埚305将硅料熔融为硅熔体。籽晶轴309将籽晶浸渍于硅熔体的液面内，缓慢地提拉籽晶，由此育成硅单晶306。随着籽晶轴309的提拉，硅单晶依次通过第一水冷部分3011、非水冷部分3012和第二水冷部分3013，第一水冷部分3011增大晶体固液界面附近的冷却速率，抑制缺陷的形核过程，使得晶体内的缺陷形核较少；非水冷部分降低晶体在该部分的冷却速率，利于使晶体内部的缺陷保持一定的形体不发生其他变化；第二水冷部分3013增大晶体在该部分的冷却速率，抑制晶体内部的缺陷长大，使得获得的晶体缺陷在要求的特征线宽之下，使得制备的硅片满足高阶芯片制造业的要求。

本发明提供的长晶炉，通过三段式结构的水冷套控制晶体缺陷形核和长大过程，热历史活动空间大，充分保证水冷套的作用。

[示例性实施例二]

下面将参照图4A及图4B，对本发明一实施方式的长晶炉的水冷套做详细描述。其中，图4A为所述水冷套的立体图，图4B为所述水冷套的截面图。

如图4A、4B所示，所述水冷套301由下至上依次包括第一水冷部分3011、非水冷部分3012和第二水冷部分3013。所述三段式设计的水冷套，能够有效地控制晶体的热历史，从而控制晶体内缺陷的形核和长大过程，使得制备的晶体内缺陷的尺寸符合特征线宽的要求。

具体地，第一水冷部分3011位于水冷套301的下部，距离晶体固液界面最近，能够增大晶体固液界面附近的冷却速率，抑制缺陷的形核过程，使得晶体内的缺陷形核较少。

非水冷部分3012位于水冷套301的中部、第一水冷部分3011和第二水冷部分3013之间，其能够降低晶体在该部分的冷却速率，利于使晶体内部的缺陷保持一定的形体不发生其他变化。

第二水冷部分3013位于水冷套301的上部，同样能够增大晶体在该部分的冷却速率，抑制晶体内部的缺陷长大，使得获得的晶体缺陷在要求的特征线宽之下，使得制备的硅片满足高阶芯片制造业的要求。

本领域技术人员可以根据不同的热场与工艺对上述第一水冷部分3011、非水冷部分3012和第二水冷部分3013的尺寸进行调整，通过三个部分的不同尺寸设计，增大了热历史活动空间。

作为示例，所述水冷套301采用不锈钢、钨、钼等金属制成，并且对其表面进行了涂层处理，以增加水冷套301的吸热能力。

所述水冷套301的外形为圆筒形，具体为又内壁和外壁构成的夹套式圆筒结构，其内部中位于第一水冷部分3011和第二水冷部分3013的部分具有有铜管绕制而成的水道，所述铜管具有导热系数好的特点。

在本实施例中，所述水冷套301上部具有与长晶炉的炉口相配合的法兰3014。所述法兰3014可通过螺栓等连接方式固定于炉口处。所述法兰3014处设置有进水口和出水口。冷却水首先由进水口通到水冷套301最低端，然后经由铜管环绕上升，最后从水冷套301顶端的出水口排出，这样可以最有效的带走炉内的热量，使得水冷套301的效果最好。

本发明提供的长晶炉的水冷套，通过三段式结构的水冷套控制晶体缺陷形核和长大过程，热历史活动空间大，充分保证水冷套的作用。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种长晶炉，其特征在于，所述长晶炉包括炉体，所述炉体上部设置有水冷套，所述水冷套由下至上依次包括第一水冷部分、非水冷部分和第二水冷部分。

2.根据权利要求1所述的长晶炉，其特征在于，还包括设置于所述水冷套下方的热屏。

3.根据权利要求2所述的长晶炉，其特征在于，所述水冷套的底部延伸至所述热屏内部。

4.根据权利要求1所述的长晶炉，其特征在于，所述水冷套上部具有与所述长晶炉的炉口相配合的法兰。

5.根据权利要求4所述的长晶炉，其特征在于，所述法兰处设置有进水口和出水口。

6.根据权利要求1所述的长晶炉，其特征在于，所述水冷套内部具有由铜管绕制而成的冷却水道。

7.一种长晶炉的水冷套，其特征在于，所述水冷套由下至上依次包括第一水冷部分、非水冷部分和第二水冷部分。

8.根据权利要求7所述的水冷套，其特征在于，所述水冷套上部具有与长晶炉的炉口相配合的法兰。

9.根据权利要求8所述的水冷套，其特征在于，所述法兰处设置有进水口和出水口。

10.根据权利要求7所述的水冷套，其特征在于，所述水冷套内部具有由铜管绕制而成的冷却水道。