CN110923803A - 一种半导体硅材料耗材生长炉及硅材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体硅材料耗材生长炉及硅材料制备方法。生长炉包括炉体、位于炉体内的隔热屏、加热装置、坩埚。坩埚被可升降的坩埚轴支撑，通过下降坩埚及坩埚轴，通过坩埚轴和下隔热屏的位置配合，造成坩埚底部中心过冷的方式，避免提升加热器或隔热屏的方式，使坩埚上方的热场件产生运动，造成附着的沉积物散落进坩埚，提高了晶体纯度。坩埚底部中心过冷的方式配合多段加热器营造的热场环境，不仅可以维持固液生长界面相对加热器的高度位置不变，保证生长界面处热环境的稳定，还可以形成由固体凸向液体的生长界面，便于结晶过程中排杂，提高晶体纯度。
Description
技术领域
本发明属于硅晶体材料生长炉技术领域。
背景技术
硅材料由于具有单方向导电性、热敏特性、光电特性以及掺杂特性等优良性能，可以生长为大尺寸高纯度晶体，故而成为全球应用广泛的重要集成电路基础材料。
半导体硅材料按照应用场景划分，可以分为芯片用单晶硅材料和蚀刻用硅材料。其中芯片用单晶硅材料是制造半导体器件的基础原材料，芯片用单晶硅材料经过一系列晶圆制造工艺形成极微小的电路结构，再经切割、封装、测试等环节成为芯片，并广泛应用于集成电路下游市场。蚀刻用硅材料则是加工制成半导体级硅部件，用于蚀刻设备上的硅电极，由于硅电极在硅片氧化膜刻蚀等加工工艺过程会逐渐腐蚀并变薄，当硅电极厚度减少到一定程度后，需要更换新的硅电极，因此硅电极是晶圆制造蚀刻环节所需的核心耗材。硅材料耗材中的杂质不仅会降低材料的使用寿命，更严重的是会污染正在加工的晶片，考虑到半导体材料的高纯净度要求，硅材料耗材需求极低的金属杂质及碳氧杂质含量，因此对制备硅材料耗材的生长炉在杂质控制方面提出的更高的要求。
现有技术方案中，一般是是设计发热均匀的加热体及隔热屏来提供热环境，由上隔热屏进入气管，从坩埚上方吹入惰性气体，加热体和隔热屏可以向上提升，侧屏固定位置开有测温孔，用以控温方式降温。但是该方案也存在若干缺点，包括：1、提升加热器或隔热屏会使坩埚上方的热场件产生运动，附着在上的沉积物会散落进坩埚内，造成污染，导致成品杂质含量高；2、由坩埚上方吹入惰性气体时，气管内沉积的挥发物会掉落进坩埚内，造成污染；3、生长过程无法控制排杂，产品杂质含量较高。
故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明提供一种半导体硅材料耗材生长炉，解决了该材料制备过程中杂质污染问题，提高了材料的纯度，以满足半导体领域对材料超高纯度的要求。
本发明还提供使用所述半导体硅材料耗材生长炉的硅材料制备方法。
技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：
一种半导体硅材料耗材生长炉，包括炉体、位于炉体内的隔热屏、加热装置、坩埚，所述隔热屏内部为隔热腔，所述坩埚及围绕坩埚的加热装置均位于隔热腔内，所述加热装置与隔热屏相互固定，坩埚的下方设有坩埚轴，该坩埚轴自坩埚下方延伸并穿过隔热屏的底壁；所述隔热屏的底壁设有供坩埚轴穿过的轴孔，该轴孔的横截面自上而下逐渐变大；而所述坩埚轴具有与该轴孔配合的轴塞部，该轴塞部的横截面与轴孔对应同样为自上而下逐渐变大；当所述轴塞部上升至最高位置时与轴孔配合而形成封闭状态；
还包括位于坩埚上方的气罩，该气罩面对坩埚的下方设有吹气孔；气罩的一端连接进气管，另一端连接出气管，所述进气管自气罩向下弯折延伸，出气管自气罩同样向下延伸；所述隔热屏的底壁固定有贯穿底壁的两个直管；其中一个直管与进气管的下端配合，进气管的下端相对该直管伸缩；另一个直管与出气管的下端配合，出气管的下端同样相对该直管伸缩。
进一步的，所述轴孔为圆锥形孔，轴塞为与该圆锥形孔配合的圆锥形轴塞，该圆锥形轴塞围绕坩埚设置且与坩埚轴同轴。
进一步的，所述加热装置包括上加热器、中加热器、下加热器；所述上加热器位于坩埚上方，中加热器及下加热器围绕坩埚设施，中加热器位于下加热器上方。
进一步的，所述上加热器与上电极连接并通过上电极与隔热屏顶盖固定，上电极穿过隔热屏以及炉体；中加热器与中电极连接并通过中电极与隔热屏顶盖固定，中电极穿过隔热屏以及炉体；下加热器与下电极连接并通过下电极与隔热屏顶盖固定，下电极穿过隔热屏以及炉体。
进一步的，所述气罩与坩埚上方固定。
进一步的，所述坩埚包括圆形石墨坩埚以及位于石墨坩埚中的圆形石英坩埚，石墨坩埚由下方坩埚轴支撑。
本发明提供的使用所述半导体硅材料耗材生长炉的硅材料制备方法采用以下技术方案：
生长硅材料晶体时坩埚随坩埚轴向下运动；坩埚上方气罩中吹出气体吹到坩埚内的熔体液面上。
有益效果：相对于现有技术，本发明技术方案的优点为：
以下降坩埚及坩埚轴，通过坩埚轴和下隔热屏的位置配合，造成坩埚底部中心过冷的方式，避免提升加热器或隔热屏的方式，使坩埚上方的热场件产生运动，造成附着的沉积物散落进坩埚，提高了晶体纯度。坩埚底部中心过冷的方式配合多段加热器营造的热场环境，不仅可以维持固液生长界面相对加热器的高度位置不变，保证生长界面处热环境的稳定，还可以形成由固体凸向液体的生长界面，便于结晶过程中排杂，提高晶体纯度。坩埚上方通过气罩吹气，而进气管的气体为自下而上吹入气罩，使进气管内残留的挥发物不会直接掉落进熔体。
附图说明
图1是本发明中半导体硅材料耗材生长炉的剖面示意图。
图2本发明中半导体硅材料耗材生长炉另一个角度的剖面示意图。
具体实施方式
请结合图1及图2所示，本实施例公开一种半导体硅材料耗材生长炉，包括炉体17、位于炉体17内的隔热屏、加热装置、坩埚，所述隔热屏内部为隔热腔，所述坩埚及围绕坩埚的加热装置均位于隔热腔内。所述坩埚包括圆形石墨坩埚8以及位于石墨坩埚8中的圆形石英坩埚9，石墨坩埚8由下方坩埚轴7支撑。所述加热装置与隔热屏相互固定。炉体17上下分别具有炉体上壁18、炉体底壁19，上述炉体17、炉体上壁18、炉体底壁19都设置有冷却水槽，炉体17开有两个中电极孔和两个下电极孔，炉体上壁18开有两个上电极孔，炉体底壁19开有一个坩埚轴孔，两个气管孔。上述炉体底壁19上放置有溢流盘20，溢流盘20开有一个坩埚轴孔，两个气管孔，所述溢流盘20中装有两根直径50-60mm的支撑柱13，支撑柱13上放置下隔热屏3，下隔热屏3厚度100-200mm，开有两个气管孔。隔热屏包括侧隔热屏1、上隔热屏2、下隔热屏3。上述下隔热屏3上放置侧隔热屏1，侧隔热屏1上开有两个中电极孔和两个下电极孔，侧隔热屏1厚度100-200mm。上述侧隔热屏1上放置上隔热屏2，上隔热屏2上开有两个上电极孔，上隔热屏2厚度100-200mm。上述下隔热屏3、隔热屏1、隔热屏2构成整体隔热屏系统，在所述隔热屏系统内，加热装置包括上加热器4、中加热器5、下加热器6。所述上加热器4位于坩埚上方，中加热器5及下加热器6围绕坩埚设施，中加热器5位于下加热器6上方。上述上加热器4与上隔热屏2的距离50-70mm，由两个上电极14固定，上电极14穿过上隔热屏2、上法兰18的上电极孔，与炉体外电源相连。上述中加热器5与侧隔热屏1的距离80-100mm，由两个中电极16固定，所述中加热器5上开有两个宽槽，方便弯气管11运动不发生干涉，电极16穿过侧隔热屏1、炉体17的中电极孔，与炉体外电源相连。上述下加热器6与侧隔热屏1的距离80-100mm，由两个下电极15固定，下电极15穿过侧隔热屏1、炉体17的下电极孔，与炉体外电源相连。上述中加热器5与下加热器6之间的距离30-50mm。
坩埚的下方设有坩埚轴7，该坩埚轴7自坩埚下方延伸并穿过隔热屏的底壁，即下隔热屏3。所述隔热屏的底壁设有供坩埚轴穿过的轴孔，该轴孔的横截面自上而下逐渐变大；而所述坩埚轴7具有与该轴孔配合的轴塞部71，该轴塞部71的横截面与轴孔对应同样为自上而下逐渐变大；当所述轴塞部71上升至最高位置时与轴孔配合而形成封闭状态。在本实施方式中，所述轴孔为圆锥形孔，锥角90-120°。轴塞71为与该圆锥形孔配合的圆锥形轴塞，该圆锥形轴塞围绕坩埚设置且与坩埚轴同轴。
还包括位于坩埚上方的气罩，该气罩面对坩埚的下方设有吹气孔；气罩的一端连接进气管11，另一端连接出气管111，所述进气管11自气罩向下弯折延伸，出气管自气罩同样向下延伸。所述隔热屏的底壁固定有贯穿底壁的两个直管12；其中一个直管12与进气管11的下端配合，进气管11的下端相对该直管12伸缩；另一个直管12与出气管的下端配合，出气管111的下端同样相对该直管12伸缩。在本实施方式中，进气管11及出气管下端与直气管12上端有卡扣连接而可以在直气管12内上下滑动。晶体生长时，一端进气管11通入高纯氩气，出气管抽气，气体在气罩10内流通，吹扫熔体液面，带走挥发物、杂质，提高晶体纯度。进气管11的气体为自下而上吹入气罩，使进气管内残留的挥发物不会直接掉落进熔体。坩埚和坩埚轴7向下运动时，进气管11及出气管111随着石墨坩埚8一起运动，直气管12固定不动。进气管11及出气管111内径40-60mm，管壁厚5-7mm，直气管12内径65-75mm，管壁厚5-7mm。
上述下隔热屏3中心开有，与上述坩埚轴7的圆锥面相配合，在坩埚轴7向下运动时，两个原本贴合的两个锥面逐渐拉开距离，增大相对面积，增加坩埚底部中心漏热，逐渐增大过冷度来提供结晶驱动力，避免提升加热器或隔热屏的方式，使坩埚上方的热场件产生运动，造成附着的沉积物散落进坩埚。随坩埚位置的下降，配合上述多段加热器营造的热场环境，可以维持固液生长界面相对加热器的高度位置不变，保证生长界面处热环境的稳定，可以形成由固体凸向液体的生长界面，便于结晶过程中排杂，提高晶体纯度。
本发明还提供使用上述半导体硅材料耗材生长炉的硅材料制备方法的实施例。
该制备方法包括：生长硅材料晶体时坩埚随坩埚轴向下运动；坩埚上方气罩中吹出气体吹到坩埚内的熔体液面上。在坩埚轴7向下运动时，两个原本贴合的两个锥面逐渐拉开距离，增大相对面积，增加坩埚底部中心漏热，逐渐增大过冷度来提供结晶驱动力，避免提升加热器或隔热屏的方式，使坩埚上方的热场件产生运动，造成附着的沉积物散落进坩埚。随坩埚位置的下降，配合上述多段加热器营造的热场环境，可以维持固液生长界面相对加热器的高度位置不变，保证生长界面处热环境的稳定，可以形成由固体凸向液体的生长界面，便于结晶过程中排杂，提高晶体纯度。
本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种半导体硅材料耗材生长炉，包括炉体、位于炉体内的隔热屏、加热装置、坩埚，所述隔热屏内部为隔热腔，所述坩埚及围绕坩埚的加热装置均位于隔热腔内，其特征在于，所述加热装置与隔热屏相互固定，坩埚的下方设有坩埚轴，该坩埚轴自坩埚下方延伸并穿过隔热屏的底壁；所述隔热屏的底壁设有供坩埚轴穿过的轴孔，该轴孔的横截面自上而下逐渐变大；而所述坩埚轴具有与该轴孔配合的轴塞部，该轴塞部的横截面与轴孔对应同样为自上而下逐渐变大；当所述轴塞部上升至最高位置时与轴孔配合而形成封闭状态；
还包括位于坩埚上方的气罩，该气罩面对坩埚的下方设有吹气孔；气罩的一端连接进气管，另一端连接出气管，所述进气管自气罩向下弯折延伸，出气管自气罩同样向下延伸；所述隔热屏的底壁固定有贯穿底壁的两个直管；其中一个直管与进气管的下端配合，进气管的下端相对该直管伸缩；另一个直管与出气管的下端配合，出气管的下端同样相对该直管伸缩。
2.根据权利要求1所述的半导体硅材料耗材生长炉，其特征在于：所述轴孔为圆锥形孔，轴塞为与该圆锥形孔配合的圆锥形轴塞，该圆锥形轴塞围绕坩埚设置且与坩埚轴同轴。
3.根据权利要求2所述的半导体硅材料耗材生长炉，其特征在于：所述加热装置包括上加热器、中加热器、下加热器；所述上加热器位于坩埚上方，中加热器及下加热器围绕坩埚设施，中加热器位于下加热器上方。
4.根据权利要求3所述的半导体硅材料耗材生长炉，其特征在于：所述上加热器与上电极连接并通过上电极与隔热屏顶盖固定，上电极穿过隔热屏以及炉体；中加热器与中电极连接并通过中电极与隔热屏顶盖固定，中电极穿过隔热屏以及炉体；下加热器与下电极连接并通过下电极与隔热屏顶盖固定，下电极穿过隔热屏以及炉体。
5.根据权利要求1所述的半导体硅材料耗材生长炉，其特征在于：所述气罩与坩埚上方固定。
6.根据权利要求1所述的半导体硅材料耗材生长炉，其特征在于：所述坩埚包括圆形石墨坩埚以及位于石墨坩埚中的圆形石英坩埚，石墨坩埚由下方坩埚轴支撑。
7.一种使用如权利要求1-6中任一项所述半导体硅材料耗材生长炉的硅材料制备方法，其特征在于，生长硅材料晶体时坩埚随坩埚轴向下运动；坩埚上方气罩中吹出气体吹到坩埚内的熔体液面上。
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