CN110512276A - 一种用于晶体生长的坩埚底座装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于晶体生长的坩埚底座装置，包括:底座本体，所述底座本体的上表面的一部分与坩埚相接触；连接机构，配置为将所述底座本体与所述坩埚固定连接。根据本发明提供的一种用于晶体生长的坩埚底座装置，通过使底座本体的上表面的一部分与坩埚相接触，减少坩埚底座装置与坩埚的接触面积，从而减少了通过固固传热的方式散失的热量，提高了热场的保温性，减少电能的消耗，延长了设备的使用寿命，降低了生产成本。

Description

一种用于晶体生长的坩埚底座装置

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，具体而言涉及一种用于晶体生长的坩埚底座装置。

背景技术

随着集成电路(Integrated Circuit，IC)产业的迅猛发展，器件制造商对IC级硅单晶材料提出了更加严格的要求，而大直径单晶硅是制备器件所必须的衬底材料。提拉法(Czochralski，CZ法)是现有技术中由熔体生长单晶的一项最主要的方法，其具体做法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出晶体。

晶体生长过程需要大量的热量提供，因此如果热场的保温性能越差，那么要维持晶体的正常稳定生长则需要给其提供大量热量，从而消耗更多电能并增加生产成本。现有的坩埚及其底座大多采用石墨材料，石墨材料的导热系数相对较高，并且坩埚及其底座的接触面积较大，导致大量的热量通过固固传热的方式从坩埚轴导出，引起大量的热散失。

因此，有必要提出一种新的用于晶体生长的坩埚底座装置，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。

本发明提供一种用于晶体生长的坩埚底座装置，包括：

底座本体，所述底座本体的上表面的一部分与坩埚相接触；

连接机构，配置为将所述底座本体与所述坩埚固定连接。

进一步，所述底座本体包括基座和突出部分，所述突出部分的上表面与所述坩埚相接触。

进一步，所述突出部分包括一个或多个圆环形或多边形突出结构。

进一步，所述突出部分包括多个凸起的圆柱。

进一步，所述底座本体包括外部壳体部分和内部填充部分。

进一步，所述外部壳体部分的构成材料的导热系数低于所述坩埚的构成材料的导热系数，所述外部壳体部分的构成材料包括连续纤维复合材料，所述坩埚的构成材料包括石墨。

进一步，所述内部填充部分的构成材料的导热系数低于所述外部壳体部分的构成材料的导热系数，所述内部填充部分包括石墨硬毡和/或石墨软毡。

进一步，所述突出部分上设置有连接孔，所述连接机构包括与所述连接孔配合的螺栓。

进一步，所述连接机构的构成材料包括连续纤维复合材料或石墨。

根据本发明提供的一种用于晶体生长的坩埚底座装置，通过使底座本体的上表面的一部分与坩埚相接触，减少坩埚底座装置与坩埚的接触面积，从而减少了通过固固传热的方式散失的热量，提高了热场的保温性，减少电能的消耗，延长了设备的使用寿命，降低了生产成本。

附图说明

通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

附图中：

图1示出了根据本发明示例性实施例的用于晶体生长的长晶炉的示意图；

图2示出了根据本发明示例性实施例的一种用于晶体生长的坩埚底座装置的示意性剖面图；

图3示出了根据本发明示例性实施例的一种用于晶体生长的坩埚底座装置的示意性横截面图。

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。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的一种用于晶体生长的坩埚底座装置。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。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。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

图1示出了本发明示例性实施例所提供的用于晶体生长的长晶炉的示意图，如图1所示，所述长晶炉用于采用直拉法生长硅单晶，包括炉体101，炉体101中设有加热装置和提拉装置。加热装置包括石英坩埚102、石墨坩埚103、加热器104。其中，石英坩埚102用于盛放硅料，例如多晶硅。硅料在其中被加热为硅熔体105。石墨坩埚103包裹在石英坩埚102的外侧，用于在加热过程中对石英坩埚102提供支撑，加热器104设置在石墨坩埚103的外侧。石英坩埚102上方设置有热屏106，所述热屏106具有下伸的环绕硅单晶107生长区域的倒锥形屏状物，可阻断加热器104和高温硅熔体105对生长的单晶硅晶棒107的直接热辐射，降低单晶硅晶棒107的温度。同时，热屏还能够使下吹的保护气集中直接喷到生长界面附近，进一步增强单晶硅晶棒107的散热。炉体101侧壁上还设有保温材料，例如碳毡。

提拉装置包括竖直设置的籽晶轴108和坩埚轴109，籽晶轴108设置在石英坩埚102的上方，坩埚轴109设置在石墨坩埚103的底部，籽晶轴108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。坩埚轴109的底部设有坩埚轴驱动装置，使坩埚轴109能够带动坩埚进行旋转。

坩埚轴109与石墨坩埚103通过坩埚底座104相连接，在一个实施例中，石墨坩埚103与坩埚底座104采用一体化设计，在另一个实施例中，坩埚底座104包括但不限于圆柱体、正方体、锥台、梯台等形状，其整个上表面与石墨坩埚103相接触。

在进行单晶生长时，首先在石英坩埚102中投放硅料，接着关闭长晶炉并抽真空，在长晶炉中充入保护气体。示例性地，所述保护气体为氩气，其纯度为97％以上，压力为5mbar-100mbar，流量为70slpm-200slpm。然后，打开加热器104，加热至熔化温度1420℃以上，使硅料全部熔化为硅熔体105。

接着，将籽晶浸入硅熔体105中，通过籽晶轴108带动籽晶旋转并缓慢提拉，以使硅原子沿籽晶生长为单晶硅晶棒107。所述籽晶是由一定晶向的硅单晶切割或钻取而成，常用的晶向为<100>、<111>、<110>等，所述籽晶一般为圆柱体。单晶硅晶棒107的长晶过程依次包括引晶、放肩、转肩、等径及收尾几个阶段。

具体地，首先进行引晶阶段。即当硅熔体105稳定到一定温度后，将籽晶浸入硅熔体中，将籽晶以一定的拉速进行提升，使硅原子沿籽晶生长为一定直径的细颈，直至细颈达到预定长度。所述引晶过程的主要作用是为了消除因热冲击而导致单晶硅形成的位错缺陷，利用结晶前沿的过冷度驱动硅原子按顺序排列在固液界面的硅固体上，形成单晶硅。示例性地，所述拉速为1.5mm/min-4.0m/min，细颈长度为晶棒直径的0.6-1.4倍，细颈直径为5-7mm。

然后，进入放肩阶段，当细颈达到预定长度之后，减慢所述籽晶向上提拉的速度，同时略降低硅熔体的温度，进行降温是为了促进所述单晶硅的横向生长，即使所述单晶硅的直径加大，该过程称为放肩阶段，该阶段所形成的锥形晶棒为晶棒的放肩段。

接着，进入转肩阶段。当单晶硅的直径增大至目标直径时，通过提高加热器104的加热功率，增加硅熔体的温度，同时调整所述籽晶向上提拉的速度、旋转的速度以及石英坩埚的旋转速度等，抑制所述单晶硅的横向生长，促进其纵向生长，使所述单晶硅近乎等直径生长。

然后，进入等径阶段。当单晶硅晶棒直径达到预定值以后，进入等径阶段，该阶段所形成的圆柱形晶棒为晶棒的等径段。具体地，调整坩埚温度、拉晶速度、坩埚转速和晶体转速，稳定生长速率，使晶体直径保持不变，一直到拉晶完毕。等径过程是单晶硅生长的主要阶段，长达数几十小时甚至一百多小时的生长。

最后，进入收尾阶段。收尾时，加快提升速率，同时升高硅熔体105的温度，使晶棒直径逐渐变小，形成一个圆锥形，当锥尖足够小时，它最终会离开液面。将完成收尾的晶棒升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。

针对石墨坩埚103与坩埚底座110通过固固传热的方式使大量的热量从坩埚轴109导出，引起大量的热散失的问题，本发明提供了一种用于晶体生长的坩埚底座装置，如图2和图3所示，包括：

底座本体，所述底座本体的上表面的一部分与坩埚相接触；

连接机构，配置为将所述底座本体与所述坩埚固定连接。

示例性地，如图2所示，所述底座本体包括基座201和突出部分202，所述突出部分202的上表面与所述坩埚相接触。进一步，所述突出部分202之间存在凹槽，并且所述底座本体仅突出部分202的上表面与所述坩埚相接触，从而实现所述底座本体的上表面的一部分与坩埚相接触，减小底座本体与坩埚之间的接触面积。

示例性地，所述突出部分202与基座201采用一体化设计或者所述突出部分202固定在所述基座上201。所述基座201的形状与所述突出部分的形状相同或不同，优选地，所述基座包括圆形或正方形。

在一个实施例中，所述突出部分202包括一个或多个圆环形或多边形突出结构，例如三角形、正方形、长方形或六边形等，以实现底座本体仅上表面的一部分与坩埚相接触，减小底座本体与坩埚之间的接触面积。进一步，如图2和图3所示，所述突出部分202包括圆环形，其中所述多个突出的圆环可以为同心圆环。进一步，所述突出的圆环的数量可以根据需求进行增减，例如可以根据支撑强度选择圆环的数量。

在另一个实施例中，所述突出部分202包括多个凸起的圆柱，所述圆柱的直径较小，以使底座本体与坩埚之间实现点接触，从而实现底座本体仅上表面的一部分与坩埚相接触，减小底座本体与坩埚之间的接触面积。进一步，所述凸起的圆柱的数量通常包括三个或更多个，所述多个凸起的圆柱可以采用任意方式排列，包括排成三角形、四边形、不规则多边形、散射状或无规律排布。进一步，每个凸起的圆柱的截面面积远小于所述基座201的截面面积，例如每个凸起的圆柱的截面面积为所述基座201的截面面积的1/10至1/1000。

通过减小坩埚底座装置与坩埚之间的接触面积，可以减少通过固固传热的方式从坩埚轴109导出的热量，提高热场的保温性，减少电能的消耗，延长加热装置的使用寿命，降低生产成本。

示例性地，所述底座本体包括外部壳体部分和内部填充部分。进一步，所述外部壳体部分包括硬质塑形材料，所述内部填充部分包括柔性多孔材料和/或硬性多孔材料。

进一步，所述外部壳体部分的构成材料的导热系数低于石墨的导热系数，所述内部填充部分的构成材料的导热系数低于所述外部壳体部分的构成材料。

作为一个实例，所述外部壳体部分的构成材料包括但不限于连续纤维复合材料(continuous fibre composite，CFC)，与石墨相比，CFC材料的导热系数约为40W/(m·K)，石墨的导热系数约为90W/(m·K)，CFC材料的导热能力远小于石墨，可以减少经由底座本体进而通过坩埚轴导出的热量，此外，CFC材料的强度约为200MPa，石墨的强度约为100MPa，因此采用CFC材料的坩埚底座可以为坩埚提供更好的支撑。

作为一个实例，所述内部填充部分的构成材料包括但不限于石墨硬毡和/或石墨软毡等疏松多孔的隔热材料。其中，石墨硬毡的导热系数约为0.7W/(m·K)，石墨软毡的导热系数约为0.3W/(m·K)，均远小于CFC和石墨的导热系数，进一步减少经由底座本体进而通过坩埚轴导出的热量。此外，石墨硬毡的强度约为1MPa，石墨软毡的强度约为0MPa，便于以任意形式填充在底座本体内。

进一步，内部填充部分包括仅石墨硬毡、仅石墨软毡、石墨硬毡与石墨软毡复合、石墨硬毡与石墨软毡多层交错等填充形式，以实现更好的隔热效果。

通过采用导热系数低的材料制成坩埚底座装置，可以减少从坩埚传导到坩埚底座装置进而从坩埚轴109导出的热量，提高热场的保温性，减少电能的消耗，延长加热装置的使用寿命，降低生产成本。

本发明提供的用于晶体生长的坩埚底座装置还包括连接机构，配置为将所述底座本体与所述坩埚固定连接。

示例性地，所述连接机构包括与所述连接孔配合的螺栓。进一步，所述连接孔和螺栓的数量可以根据需求进行增减，例如根据强度设计要求选择连接孔和螺栓的数量。如图3所示，所述底座本体上设置有多个连接孔，以利用螺栓将所述底座本体与所述坩埚固定连接。进一步，所述连接孔设置在所述底座本体的突出部分上。

示例性地，所述连接机构由硬质隔热材料制成，包括但不限于石墨、CFC等。

根据本发明提供的一种用于晶体生长的坩埚底座装置，通过使底座本体的上表面的一部分与坩埚相接触，减少坩埚底座装置与坩埚的接触面积，从而减少了通过固固传热的方式散失的热量，提高了热场的保温性，减少电能的消耗，延长了设备的使用寿命，降低了生产成本。

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 (9)

1.一种用于晶体生长的坩埚底座装置，其特征在于，包括：

底座本体，所述底座本体的上表面的一部分与坩埚相接触；

连接机构，配置为将所述底座本体与所述坩埚固定连接。

2.如权利要求1所述的坩埚底座装置，其特征在于，所述底座本体包括基座和突出部分，所述突出部分的上表面与所述坩埚相接触。

3.如权利要求1所述的坩埚底座装置，其特征在于，所述突出部分包括一个或多个圆环形或多边形突出结构。

4.如权利要求1所述的坩埚底座装置，其特征在于，所述突出部分包括多个凸起的圆柱。

5.如权利要求1所述的坩埚底座装置，其特征在于，所述底座本体包括外部壳体部分和内部填充部分。

6.如权利要求5所述的坩埚底座装置，其特征在于，所述外部壳体部分的构成材料的导热系数低于所述坩埚的构成材料的导热系数，所述外部壳体部分的构成材料包括连续纤维复合材料，所述坩埚的构成材料包括石墨。

7.如权利要求5所述的坩埚底座装置，其特征在于，所述内部填充部分的构成材料的导热系数低于所述外部壳体部分的构成材料的导热系数，所述内部填充部分包括石墨硬毡和/或石墨软毡。

8.如权利要求2所述的坩埚底座装置，其特征在于，所述突出部分上设置有连接孔，所述连接机构包括与所述连接孔配合的螺栓。

9.如权利要求1所述的坩埚底座装置，其特征在于，所述连接机构的构成材料包括连续纤维复合材料或石墨。