CN110592661A

CN110592661A - 一种晶体生长装置

Info

Publication number: CN110592661A
Application number: CN201910860777.8A
Authority: CN
Inventors: 沈伟民; 王刚
Original assignee: Zing Semiconductor Corp
Current assignee: Zing Semiconductor Corp
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2019-12-20
Also published as: TWI776210B; US20210071316A1; TW202111170A

Abstract

本发明提供一种晶体生长装置，包括：坩埚，配置为盛装用于晶体生长的熔体；加热器，设置于所述坩埚周围，配置为加热所述坩埚；导流套筒，所述导流套筒设置于所述加热器与所述坩埚之间；辅助结构，所述导流套筒与所述辅助结构连接，以将所述加热器的顶部和侧面包围。根据本发明提供的晶体生长装置，通过在加热器与坩埚之间设置导流套筒，且导流套筒与辅助结构可以连接组合以将所述加热器的顶部和侧面包围，避免了SiO蒸气对加热器表面的侵蚀，延长了加热器的使用寿命，提高了晶体生长品质的稳定性。

Description

一种晶体生长装置

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，具体而言涉及一种晶体生长装置。

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石英坩埚中加热熔化，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。

在硅晶体生长当中，与硅熔体接触的石英坩埚(SiO₂)一部分溶解到硅熔体中，并在硅液表面以SiO气体的形式扩散混合到氩气中并由真空泵抽引排出炉外，该混合气体通过石墨加热器时，与表面的石墨发生反应，使加热器的石墨不断被侵蚀，厚度和宽度逐渐减少，电阻逐渐升高，加热效果的不稳定导致晶体生长的品质不稳定。

因此，有必要提出一种晶体生长装置，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。

本发明提供一种晶体生长装置，包括：

坩埚，配置为盛装用于晶体生长的熔体；

加热器，设置于所述坩埚周围，配置为加热所述坩埚；

导流套筒，所述导流套筒设置于所述加热器与所述石墨坩埚之间；

辅助结构，所述导流套筒与所述辅助结构连接，以将所述加热器的顶部和侧面包围。

进一步，所述导流套筒的下表面低于所述加热器的下表面。

进一步，所述导流套筒与所述加热器相邻的表面的间距大于10mm，所述导流套筒与所述坩埚相邻的表面的间距大于10mm。

进一步，所述导流套筒的厚度范围为2mm-20mm。

进一步，所述晶体生长装置还包括炉体以及设置在所述炉体内壁的隔热结构，所述辅助结构覆盖于所述隔热结构上。

进一步，所述辅助结构与所述导流套筒一体化设计。

进一步，所述导流套筒为整体构造或者由多个分体组合而成。

进一步，所述导流套筒的形状为圆筒或圆锥筒，或圆筒和圆锥筒的组合。

进一步，所述导流套筒的构成材料包括石墨或碳/碳复合材料。

进一步，所述晶体生长装置还包括排气装置，所述排气装置设置于所述晶体生长装置的底部，所述排气装置的中心到所述炉体的中心的距离小于所述导流套筒的半径。

进一步，所述坩埚包括石墨坩埚，所述熔体包括硅熔体，所述加热器包括石墨加热器。

根据本发明提供的晶体生长装置，通过在加热器与坩埚之间设置导流套筒，且导流套筒与辅助结构可以连接组合以将所述加热器的顶部和侧面包围，避免了SiO蒸气对加热器表面的侵蚀，延长了加热器的使用寿命，提高了晶体生长品质的稳定性。

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，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1为现有技术的晶体生长装置的示意图；

图2为根据本发明示例性实施例的晶体生长装置的示意图。

附图标记

1、炉体 2、晶体

3、反射屏 4、熔体

5、坩埚 6、加热器

7、坩埚升降机构 8、隔热结构

9、真空泵 10、导流套筒

11、辅助结构

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晶体生长装置。显然，本发明的施行并不限定于本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。

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。

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及详细的结构，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。

如图1所示的晶体生长装置，在CZ法生长晶体的过程中，由于和硅熔体接触的石英坩埚的内壁发生高温溶解和扩散，大量的氧原子溶解到硅熔体中。其中大部分的氧通过SiO蒸气形式从硅熔体的表面自由脱逸至氩气中，该SiO蒸气在通过加热器6高温的石墨表面时和石墨发生反应：

SiO(gas)+2C(Solid)＝CO(gas)+SiC(Solid) (公式1)

此外，由于板状固定结构的存在，避免了大部分SiO蒸气扩散至炉体1的上部，进一步，由于真空泵9设置在炉体1的底部，促使SiO蒸气的向炉体1的下方移动，因此大量的SiO蒸气都会经过加热器6并与其高温的石墨表面发生上述反应。

随着上述反应的发生，CO气体和氩气经由真空泵9被排出炉体，SiC沉积在石墨件表面，晶体生长装置内的石墨器件不断被反应侵蚀，特别是加热器6的高温石墨表面。经过一定的时间或使用次数后，加热器6表面的石墨的厚度和宽度会减少，加热器6的通电电阻会逐步上升；同时，加热器6的发热范围和加热效果也发生变化，进而导致晶体生长的品质不稳定。

针对上述问题，本发明提供了一种晶体生长装置，如图2所示，包括：

坩埚5，配置为盛装用于晶体生长的熔体4；

加热器6，设置于所述坩埚5周围，配置为加热所述坩埚5；

导流套筒10，所述导流套筒10设置于所述加热器6与所述坩埚5之间；

辅助结构11，所述导流套筒10与所述辅助结构11连接，以将所述加热器6的顶部和侧面包围。

如图2所示的晶体生长装置，包括炉体1，所述炉体1中包括坩埚5，所述坩埚5的外围设置有加热器6，所述坩埚5中有熔体4，所述熔体4的上方为晶体2，所述坩埚5的上方围绕所述晶体2设置有反射屏3。作为一个实例，坩埚5中的熔体4为硅熔体，生长的晶体2为单晶硅棒。

示例性地，所述炉体1为不锈钢腔体，所述炉体1内为真空或者充满保护气体。作为一个实例，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。

示例性地，所述坩埚5由耐高温耐腐蚀材料制成，坩埚5内盛装有用于晶体生长的熔体4。在一个实施例中，坩埚5包括石英坩埚和/或石墨坩埚，石英坩埚放入石墨坩埚中。坩埚5内盛装有硅料，例如多晶硅。硅料在坩埚5中被加热为用于生长单晶硅棒的硅熔体，具体地，将籽晶浸入硅熔体中，通过籽晶轴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棒。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。

示例性地，所述坩埚5的外围设置有加热器6，所述加热器6为石墨加热器，可以设置在坩埚5的侧面，配置为对坩埚5进行加热。进一步，所述加热器6包括围绕坩埚5进行设置的一个或多个加热器，以使坩埚5的热场分布均匀。

示例性地，炉体1内还设置有反射屏3，其位于坩埚5的上方，并且位于晶体2的外侧围绕所述晶体2设置，避免熔体4的热量以热辐射等形式传递到炉体1中，造成热损失。

进一步，晶体生长装置还包括坩埚升降机构7，配置为支撑和旋转坩埚轴，以实现坩埚5的升降。

进一步，晶体生长装置还包括隔热结构8，设置于炉体1的内壁，以防止热量散失实现炉体1的保温。所述隔离结构8位于加热器6的上方和外侧。

进一步，晶体生长装置还包括真空泵9，配置为将炉体1内的气体抽出。所述真空泵9设置在炉体1的底部，以将炉体1内的气体从炉体1的下侧排出。

将真空泵9设置在炉体1底部采用下侧排气与将真空泵9设置在炉体1上部采用上侧排气相比，上侧排气导致炉体1上部的热损失较大，而且在圆周方向呈现温度不均匀，导致晶体生长良率下降，而采用下侧排气对晶体生长周围区域的温度影响较小，保证了晶体的良好生长。

如图2所示，反射屏3通过固定结构与隔热结构8相连，以将反射屏3固定在坩埚5的上方。所述固定结构通常为板状结构，因此，所述固定结构的存在可以避免固定结构上方与下方的气体流通。

在一个实施例中，所述辅助结构11可以包括晶体生长装置内原有的结构的一部分，其与导流套筒10连接，以形成仅底部开口的罩体，将加热器6的顶部和侧面包围。作为一个实例，如图2所示，辅助结构11覆盖于所述隔热结构8上，隔热结构8原本位于加热器6的上方和外侧，其与导流套筒10连接后，导流套筒10与覆盖于所述隔热结构8上的辅助结构11相连接，并形成如图2所示的包围加热器6的顶部和侧面的罩体结构，所述加热器6的底部露出。

在另一个实施例中，所述辅助结构11为专为本发明的晶体生长装置设计的结构，其与导流套筒10一体化设计或者与导流套筒10连接组合，以形成仅底部开口的罩体，将加热器6的顶部和侧面包围。

示例性地，导流套筒10的长度至少应保证加热器6的加热区域(例如，加热器6上电流穿过的部分)的高度在导流套筒10的底部之上，以避免SiO蒸气与加热器6高温的石墨表面反应。优选地，导流套筒10的下表面低于加热器6的下表面。

进一步，所述导流套筒10的厚度范围优选设置为2mm-20mm。通过控制所述导流套筒10的厚度范围，可以使所述导流套筒10在不影响加热器6对坩埚5的热辐射的情况下，实现阻挡SiO蒸气的效果。

通过形成将加热器6的顶部和侧面包围的罩体，可以将加热器6与气流通道隔开，如图2所示，在真空泵9的作用下，SiO蒸气由坩埚5上方向炉体1的底部流动并排出，在导流套筒10的隔离作用下，SiO蒸气不经过加热器6，避免了SiO蒸气与加热器6高温的石墨表面反应。

通过减小加热器6的侵蚀损耗，延长了加热器6的使用寿命，具体地，加热器6的使用次数从30次延长至80次以上。同样地，由于加热器6侵蚀损耗变慢，晶体生长过程中工艺参数的调整频率降低，具体地，从每个批次均需调整延长到每5个批次进行调整。

可选地，加热器6仅顶部和侧面被包围，其底部未被上述导流套筒10和辅助结构11组成的罩体包围。

通过在罩体下方设置开口，使加热器6的底部露出，与利用罩体将加热器6完全包围相比，SiO蒸气对加热器6表面的侵蚀无明显差异，且底部开口有利于设备的清洁、检修和维护，同时结构简单、便于加工，降低了成本。

在一个实施例中，导流套筒10与辅助结构11形成的罩体将加热器6包围，但罩体与加热器6之间有一定距离。优选地，所述导流套筒10与所述加热器6相邻的表面的间距大于10mm，所述导流套筒10与所述坩埚5相邻的表面的间距大于10mm。具体地，所述导流套筒10的远离所述坩埚5的一侧的外表面与所述加热器6靠近所述坩埚5的一侧的内表面之间的距离大于10mm，所述导流套筒10的靠近所述坩埚5的一侧的内表面与所述坩埚5的外表面之间的距离大于10mm。

示例性地，所述导流套筒10的形状为圆筒或圆锥筒，或圆筒和圆锥筒的组合。进一步，所述排气装置的中心到所述炉体1的中心的距离小于所述导流套筒10的半径。在一个实施例中，真空泵9到炉体1的底部中心的距离小于导流套筒10的半径，以使SiO蒸气沿导流套筒10的内表面向下排出炉体1，避免SiO蒸气与加热器6接触。

示例性地，所述导流套筒10的构成材料包括石墨或碳/碳复合材料。在一个实施例中，导流套筒10的构成材料为高纯石墨。在另一个实施例中，导流套筒10的构成材料为碳/碳复合材料，碳/碳复合材料是利用碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料，具有低密度、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点。

通过采用耐高温且保温效果良好的石墨或碳/碳复合材料制成导流套筒10，不仅可以使导流套筒10实现气体导流的作用，而且可以增强坩埚5周围的保温效果，晶体生长的品质更加稳定。

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

1.一种晶体生长装置，其特征在于，包括：

坩埚，配置为盛装用于晶体生长的熔体；

加热器，设置于所述坩埚周围，配置为加热所述坩埚；

导流套筒，所述导流套筒设置于所述加热器与所述坩埚之间；

2.如权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述导流套筒的下表面低于所述加热器的下表面。

3.如权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述导流套筒与所述加热器相邻的表面的间距大于10mm，所述导流套筒与所述坩埚相邻的表面的间距大于10mm。

4.如权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述导流套筒的厚度范围为2mm-20mm。

5.如权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，还包括炉体以及设置在所述炉体内壁的隔热结构，所述辅助结构覆盖于所述隔热结构上。

6.如权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述辅助结构与所述导流套筒一体化设计。

7.如权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述导流套筒为整体构造或者由多个分体组合而成。

8.如权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述导流套筒的形状为圆筒或圆锥筒，或圆筒和圆锥筒的组合。

9.如权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述导流套筒的构成材料包括石墨或碳/碳复合材料。

10.如权利要求4所述的晶体生长装置，其特征在于，还包括排气装置，所述排气装置设置于所述晶体生长装置的底部，所述排气装置的中心到所述炉体的中心的距离小于所述导流套筒的半径。

11.如权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述坩埚包括石墨坩埚和石英坩埚，所述熔体包括硅熔体，所述加热器包括石墨加热器。