CN111270301A - 一种晶体生长炉的导流筒和晶体生长炉 - Google Patents

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Abstract

一种晶体生长炉的导流筒和晶体生长炉，所述导流筒包括内筒、外筒和设置在所述内筒和所述外筒之间的隔热材料，其中所述内筒的热阻较所述外筒的热阻低。根据本发明的晶体生长炉的导流筒和晶体生长炉，将导流筒设置成包括内筒、外筒和设置在内筒和外筒之间的隔热材料，使外筒的热阻高于内筒的热阻，降低了导流筒上外筒对内筒的传热，从而使内筒的温度降低，有效增加了晶棒表面到导流筒内筒的辐射热传导，从而提升了晶棒的纵向温度梯度；同时，使外筒的温度上升，减少了硅熔体液面蒸发的硅氧化蒸汽(SiOx)在导流筒外筒上凝聚，从而减少了氧化物(SiOx)落入硅液产生杂质而发生多晶化(Dislocation)的现象。

Description

一种晶体生长炉的导流筒和晶体生长炉
技术领域
本发明涉及半导体制造领域和用于光伏发电用硅单晶制造领域，具体而言涉 及一种晶体生长炉的导流筒和晶体生长炉。
背景技术
直拉法生长单晶硅是目前生产单晶硅最广泛的应用技术，而随着半导体产业 的不断发展，在保证产品质量的前提下需要进一步提高生产效率，以降低成本。 提高生产效率最直接的方式为提高晶体等径生长速度，缩短拉晶时间。实际生产 中，首先需增加晶体轴向温度梯度以增加结晶潜热的释放，再降低结晶界面处熔 体内轴向温度梯度，以达到提高晶体等径生长速度，缩短拉晶时间的生产目的。
一种增加晶体轴向温度梯度的方法是在晶体生长方向上设置导流筒，从而在 晶体生长过程中阻止坩埚及坩埚内的硅熔体对晶体表面的热辐射，使晶体在轴向 上的温度梯度加大；同时导流筒还对从晶体生长炉上部导入的惰性气体进行导流 使之以较大的流速通过硅熔体表面，达到控制晶体内的氧含量和杂志含量的效果。
一种典型的导流筒结构包括内筒、外筒和设置在内筒与外筒之间的隔热层， 其中，内筒的厚度设置为较外筒的厚度小以保证导流筒的强度。然而，随着晶圆 尺寸的要求越来越大，现有的导流筒的绝热效果已无法达到晶体在轴向上的温度 梯度要求。
为此，有必要提出一种新的晶体生长炉的导流筒和晶体生长炉，用以解决现 有技术中的问题。
发明内筒
在发明内筒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。本发明的发明内筒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。
本发明提供了一种晶体生长炉的导流筒，包括内筒、外筒和设置在所述内筒 和所述外筒之间的隔热材料，其中所述内筒的热阻较所述外筒的热阻低。
示例性地，所述外筒的壁厚与所述内筒的壁厚的比值大于0且小于等于1
示例性地，外筒的壁厚与所述内筒的壁厚的比值大于0且小于1，所述内筒 和所述外筒设置为同一材料。
示例性地，所述内筒和所述外筒均设置为石墨材料。
示例性地，所述内筒的壁厚的范围为10-14mm，所述外筒的壁厚的范围为6 mm-10mm。
示例性地，所述内筒与所述外筒设置为不同的材料，其中所述内筒的热导率 较所述外筒的热导率大。
示例性地，所述内筒的材料设置为第一石墨材料，所述外筒的材料设置为第 二石墨材料或陶瓷材料，其中所述第二石墨材料和所述陶瓷材料的热导率小于所 述第一石墨材料的热导率。
示例性地，所述隔热材料包括玻璃纤维、石棉、岩棉、软毡或真空层。
本发明还提供了一种晶体生长炉，包括如上面任意一项所述的导流筒。
根据本发明的晶体生长炉的导流筒和晶体生长炉，将导流筒设置成包括内筒、 外筒和设置在内筒和外筒之间的隔热材料，使外筒的热阻高于内筒的热阻，降低 了导流筒上外筒对内筒的传热，从而使内筒的温度降低，有效增加了晶棒表面到 导流筒内筒的辐射热传导，从而提升了晶棒的纵向温度梯度；同时，使外筒的温 度上升，减少了硅熔体液面蒸发的硅氧化蒸汽(SiOx)在导流筒外筒上凝聚，从 而减少了氧化物(SiOx)落入硅液产生杂质而发生多晶化(Dislocation)的现象。
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为根据本发明的一个实施例的一种晶体生长炉的结构示意图；
图2为根据本发明的一个实施例的一种晶体生长炉的导流筒的结构示意图；
图3A和图3B分别为对现有技术中导流筒的内筒和对图2中的内筒进行模 拟计算后得到的温度分布示意图；
图4为根据本发明的一个实施例的一种晶体生长炉的导流筒的结构示意图。
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。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明所 述的晶体生长炉的导流筒和晶体生长炉。显然，本发明的施行并不限于半导体领 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。
应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限 制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出， 否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，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。
现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示 例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述 的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整， 并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为 了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件， 因而将省略对它们的描述。
为了解决现有技术中的技术问题，本发明提供了一种晶体生长炉的导流筒和 晶体生长炉。
实施例一
下面参看图1、图2和图3对本发明所提出的一种晶体生长炉的导流筒和晶 体生长炉进行示例性说明，图1为根据本发明的一个实施例的一种晶体生长炉的 结构示意图；图2为根据本发明的一个实施例的一种晶体生长炉的导流筒的结构 示意图；图3A和图3B分别为对现有技术中导流筒的内筒和对图2中的内筒进 行模拟计算后得到的温度分布示意图；
切克劳斯基法(以下称为“CZ法”)是硅晶圆的制造中最广泛采用的单晶制 备方法。CZ法是将晶种浸渍于石英坩埚内的熔融硅中，一边提拉一边使单晶生 长的方法。通过CZ法形成的晶柱，进一步进行切割形成硅晶圆。一种典型的晶 体生长炉的结构示意图如图1所示，晶体生长炉包括炉体1，炉体1内设置有坩 埚101和对坩埚101进行加热的加热器102，坩埚101下方设置有坩埚驱动装置 (未示出)用以驱动坩埚101旋转(如图1中箭头A所示)和在垂直方向上上 下移动(如图1中箭头B所示)。在拉晶过程中，在坩埚101内盛有硅熔体2， 在炉体顶部设置的用以提拉晶棒201向上移动(如图1中箭头C所示)的提升 装置(未示出)从而达到晶体生长的目的。
如图1所示，在晶体生长过程中，在晶棒201的四周设置有导流筒103。由 于晶体生长过程中，随着晶棒201的形成，晶棒201上轴向温度梯度越大越有利 于结晶潜热的释放，在晶棒201的四周设置导流筒103，一方面阻止坩埚101内 的硅熔体2对晶棒201的表面产生热辐射，有利于晶棒201上轴向温度梯度的增 加。另一方面，在晶体生长过程中，从炉体1上部导入的惰性气体以避免硅熔体 和硅晶棒氧化，导流筒还起到对惰性气体进行整流的作用。
在根据本发明的导流筒103设置为上下开口的锥形桶状结构，锥形桶状结构 底部直径小于顶部直径。导流筒103包括内筒、外筒和设置在内筒与外筒之间的 隔热层。
参看图2，示出了根据本发明的一个实施例的一种晶体生长炉的导流筒侧壁 的截面结构示意图。导流筒103包括内筒1031和外筒1032，内筒1031和外筒 1032之间设置有隔热材料1033。所述导流筒103的外筒1032大于所述导流筒 103的内筒1031的热阻。将导流筒设置成包括内筒、外筒和设置在内筒和外筒 之间的隔热材料，使外筒的热阻高于内筒的热阻，降低了导流筒上外筒对内筒的 传热，从而使内筒的温度降低，有效增加了晶棒表面到导流筒内筒的辐射热传导， 从而提升了晶棒的纵向温度梯度；同时，使外筒的温度上升，减少了硅熔体液面 蒸发的硅氧化蒸汽(SiOx)在导流筒外筒上凝聚，从而减少了氧化物(SiOx)落 入硅液产生杂质而发生多晶化(Dislocation)的现象。
示例性地，所述隔热材料包括玻璃纤维、石棉、岩棉、软毡、真空层等。在 本发明的一个示例中，隔热材料设置为在内筒和外筒之间的真空腔，最大限度的 减少内筒和外筒之间的传热。
在一个示例中，所述内筒和所述外筒设置为同一材料，如石墨材料或碳-碳 复合材料，将内筒的壁厚设置为较外筒的壁厚大。如图2所示，内筒1031的壁 厚D1较外筒1032的壁厚D2大，由于内筒1031与外筒1032的材料设置为相同， 内筒1031的导热性能较外筒1032的导热性能好，即热量从外筒1032导向内筒 1031的少，相较于内筒1031壁厚较外筒1032壁厚小的情形，有效降低了内筒 上的温度，从而增加了晶棒201表面到内筒1031的辐射热传导，提升了晶棒201 上的轴向温度梯度。同时，在这种情况下，外筒1032上的温度上升，减少了硅 液面蒸发形成的硅氧化蒸汽(SiOx)在外筒1032上凝聚，减少了外筒1032上凝 聚的氧化物(SiOx)落入硅液产生杂质而发生多晶化(Dislocation)的现象。
示例性地，所述内筒和所述外筒均设置为石墨材料。由于石墨材料在高温下 仍具有较高的强度，在增加内筒壁厚，减少外筒壁厚的情况下，有效保证了导流 筒的强度。
示例性地，所述内筒的壁厚的范围为10-14mm，所述外筒的壁厚的范围为 6-10mm。将内筒和外筒的壁厚分别设置在10-14mm与6-10mm之间，内筒壁厚 大于外筒的壁厚，同时，也保证外筒一定的散热效率以及导流筒整体重量不至于 过重。在本发明的一个示例中，内筒的壁厚设置为12mm，外筒的壁厚设置为8mm。
参看图3A和图3B，其分别示出了为对现有技术中导流筒的内筒和对图2 中的内筒进行模拟计算后得到的温度分布示意图，其中，图3A示出了对现有技 术中壁厚为6mm的导流筒内筒进行模拟计算后得到的温度分布示意图；图3B 示出了对图2中壁厚为12mm的导流筒内筒进行模拟计算得到的温度分布示意图。 如图3A所示，在壁厚为6mm的情况下，内筒底部温度达到1000℃，顶部温度 为800℃；如图3B所示，在壁厚为12mm的情况下，内筒底部温度为930℃， 顶部温度为690℃，显然，在壁厚为6mm的情况下的温度梯度(0.2)小于壁厚 为12mm情况下的温度梯度(0.26)。有利于增加晶棒表面到内筒的辐射热传导。
需要理解的是，本实施例采用将内筒和外筒设置为同一材料，并将内筒的壁 厚设置为较外筒的壁厚大以设置外筒热阻大于内筒热阻的情形仅仅是示例性地。 任何热阻大于内筒热阻的情形均适用于本发明。
实施例二
下面参看图1和图3对本发明所提出的一种晶体生长炉的导流筒和晶体生长 炉进行示例性说明，图1为根据本发明的一个实施例的一种晶体生长炉的结构示 意图；图3为根据本发明的一个实施例的一种晶体生长炉的导流筒的结构示意图。
参看图1，示出根据本发明的一个实施例的一种晶体生长炉的结构示意图。 如图1所示，晶体生长炉包括炉体1，炉体1内设置有坩埚101和对坩埚101进 行加热的加热器102，坩埚101下方设置有坩埚驱动装置(未示出)用以驱动坩 埚101旋转(如图1中箭头A所示)和在垂直方向上上下移动(如图1中箭头B 所示)。在拉晶过程中，在坩埚101内盛有硅熔体2，在炉体顶部设置的用以提 拉晶棒201向上移动(如图1中箭头C所示)的提升装置(未示出)从而达到 晶体生长的目的。
如图1所示，在晶体生长过程中，在晶棒201的四周设置有导流筒103。由 于晶体生长过程中，随着晶棒201的形成，晶棒201上轴向温度梯度越大越有利 于结晶潜热的释放，在晶棒201的四周设置导流筒103，一方面阻止坩埚101内 的硅熔体2对晶棒201的表面产生热辐射，有利于晶棒201上轴向温度梯度的增 加。另一方面，在晶体生长过程中，从炉体1上部导入的惰性气体以避免硅熔体 和硅晶棒氧化，导流筒还起到对惰性气体进行整流的作用。
在根据本发明的导流筒103设置为上下开口的锥形桶状结构，锥形桶状结构 底部直径小于顶部直径。导流筒103包括内筒、外筒和设置在内筒与外筒之间的 隔热层。
参看图3，示出了根据本发明的一个实施例的一种晶体生长炉的导流筒侧壁 的截面结构示意图。导流筒103包括内筒1031和外筒1032，内筒1031和外筒 1032之间设置有隔热材料1033。所述导流筒103的外筒1032大于所述导流筒 103的内筒1031的热阻。将导流筒设置成包括内筒、外筒和设置在内筒和外筒 之间的隔热材料，使外筒的热阻高于内筒的热阻，降低了导流筒上外筒对内筒的 传热，从而使内筒的温度降低，有效增加了晶棒表面到导流筒内筒的辐射热传导， 从而提升了晶棒的纵向温度梯度；同时，使外筒的温度上升，减少了硅熔体液面 蒸发的硅氧化蒸汽(SiOx)在导流筒外筒上凝聚，从而减少了氧化物(SiOx)落 入硅液产生杂质而发生多晶化(Dislocation)的现象。
示例性地，所述隔热材料包括玻璃纤维、石棉、岩棉、软毡、真空层等。在 本发明的一个示例中，隔热材料设置为在内筒和外筒之间的真空腔，最大限度的 减少内筒和外筒之间的传热。
在一个示例中，所述内筒与所述外筒设置为不同的材料，其中所述内筒的热 导率较所述外筒的热导率大。通过不同的热导率，在内筒和外筒之间具有不同的 热阻，从而内筒更容易辐射传热，而外筒更不容易辐射传热，达到降低内筒温度， 增加外筒温度的效果。如图2所示，内筒1031的材料与外筒1032的厚度设置为 相同，材料设置不同。其中，内筒1031的材料的热导率较外筒1032的热导率大， 内筒1031的导热性能较外筒1032的导热性能好，即热量从外筒1032导向内筒 1031的少，有效降低了内筒上的温度，从而增加了晶棒201表面到内筒1031的 辐射热传导，提升了晶棒201上的轴向温度梯度。同时，在这种情况下，外筒 1032上的温度上升，减少了硅液面蒸发形成的硅氧化蒸汽(SiOx)在外筒1032 上凝聚，减少了外筒1032上凝聚的氧化物(SiOx)落入硅液产生杂质而发生多 晶化(Dislocation)的现象。同时，内筒1031和外筒1032设置为相同的厚度， 可以在提升内筒导热性能、降低外筒导热性能的同时保证导流筒的强度。示例性 地，所述内筒的材料设置为第一石墨材料，所述外筒的材料设置为第二石墨材料 或陶瓷材料，所述第一石墨材料具有较所述第二石墨材料和所述陶瓷材料较大的 热导率，如SiC陶瓷。
需要理解的是，本实施例中将内筒和外筒设置为相同的厚度，以及将内筒设 置为石墨材料，外筒设置为SiC陶瓷材料仅仅是示例性地，任何使内筒的热导率 较外筒的热导率大的材料的组合均适用于本发明。
至此已完成对本发明的晶体生长炉的导流筒和晶体生长炉，根据本发明的晶 体生长炉的导流筒和晶体生长炉，将导流筒设置成包括内筒、外筒和设置在内筒 和外筒之间的隔热材料，使外筒的热阻高于内筒的热阻，降低了导流筒上外筒对 内筒的传热，从而使内筒的温度降低，有效增加了晶棒表面到导流筒内筒的辐射 热传导，从而提升了晶棒的纵向温度梯度；同时，使外筒的温度上升，减少了硅 熔体液面蒸发的硅氧化蒸汽(SiOx)在导流筒外筒上凝聚，从而减少了氧化物 (SiOx)落入硅液产生杂质而发生多晶化(Dislocation)的现象。
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)

1.一种晶体生长炉的导流筒，其特征在于，包括内筒、外筒和设置在所述内筒和所述外筒之间的隔热材料，其中所述内筒的热阻较所述外筒的热阻低。
2.根据权利要求1所述的导流筒，其特征在于，所述外筒的壁厚与所述内筒的壁厚的比值大于0且小于等于1。
3.根据权利要求2所述的导流筒，其特征在于，外筒的壁厚与所述内筒的壁厚的比值大于0且小于1，所述内筒和所述外筒设置为同一材料。
4.根据权利要求2所述的导流筒，其特征在于，所述内筒和所述外筒均设置为石墨材料。
5.根据权利要求4所述的导流筒，其特征在于，所述内筒的壁厚的范围为10-14mm，所述外筒的壁厚的范围为6mm-10mm。
6.根据权利要求2所述的导流筒，其特征在于，所述内筒与所述外筒设置为不同的材料，其中所述内筒的热导率较所述外筒的热导率大。
7.根据权利要求5所述的导流筒，其特征在于，所述内筒的材料设置为第一石墨材料，所述外筒的材料设置为第二石墨材料或陶瓷材料，其中所述第二石墨材料和所述陶瓷材料的热导率小于所述第一石墨材料的热导率。
8.根据权利要求1所述的导流筒，其特征在于，所述隔热材料包括玻璃纤维、石棉、岩棉、软毡或真空层。
9.一种晶体生长炉，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述的导流筒。
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