CN111321458A

CN111321458A - 加热式导流筒

Info

Publication number: CN111321458A
Application number: CN201811527817.9A
Authority: CN
Inventors: 赵旭良
Original assignee: Zing Semiconductor Corp
Current assignee: Zing Semiconductor Corp
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-23
Also published as: TWI730527B; TW202022173A

Abstract

本发明提供了一种加热式导流筒，包括：上筒体，包含导通所述上筒体的顶部和底部的上通孔；具有加热功能的下筒体，包含导通所述下筒体的顶部和底部的下通孔，所述下筒体的顶部连接所述上筒体的底部，所述上通孔和所述下通孔相连通并一同构成导流通孔。本发明所提供的加热式导流筒，通过引入具有加热功能的下筒体，在生长不同类型的单晶时，通过下筒体加热调节晶体生长热场，避免了因频繁更换不同结构的导流筒而导致维护成本增加的问题。此外，通过加热下筒体也增强了对生长热场的工艺调节能力，使单晶生长过程更为可控。

Description

加热式导流筒

技术领域

本发明涉及半导体晶体生长领域，特别是涉及一种加热式导流筒。

背景技术

在使用拉晶炉通过直拉法生长半导体单晶的过程中，导流筒是拉晶炉中控制热场的重要部件，可以起到引导氩气流及控制热场温度梯度的作用。目前，在生长不同类型的单晶时，需要更换不同结构的导流筒以获得不同的生长热场。但仅依靠改变导流筒结构对于生长热场的调节作用是有限的，已无法满足单晶硅生长工艺的发展对于热场调节愈加精细的要求。

因此，有必要提出一种新的加热式导流筒，解决上述问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种加热式导流筒，用于解决现有技术需要频繁更换导流筒以及热场调节能力不足的问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种加热式导流筒，其特征在于，包括：

上筒体，包含导通所述上筒体的顶部和底部的上通孔；筒体，包含导通所述筒体的顶部和底部的导流通孔；

具有加热功能的下筒体，包含导通所述下筒体的顶部和底部的下通孔，所述下筒体的顶部连接所述上筒体的底部，所述上通孔和所述下通孔相连通并一同构成导流通孔。所述筒体还包含用于对所述筒体进行加热的加热装置。

作为本发明的一种可选方案，所述下筒体由电阻加热材料构成；所述下筒体还设置有连接所述下筒体的输入电极接头，所述上筒体还设置有电源电极接头，所述输入电极接头通过导线与所述电源电极接头相连接，所述电源电极接头连接外部电源。

作为本发明的一种可选方案，所述电阻加热材料至少包含石墨。

作为本发明的一种可选方案，所述输入电极接头的材料包括石墨。

作为本发明的一种可选方案，所述电源电极接头的材料包括紫铜，所述导线包括水冷电缆。

作为本发明的一种可选方案，所述输入电极接头形成于所述下筒体的顶部，所述电源电极接头设置于所述上筒体的顶部。

作为本发明的一种可选方案，所述上筒体内部还设有容纳所述导线的容纳腔。

作为本发明的一种可选方案，所述容纳腔中填充有隔热材料层，所述隔热材料层填满所述容纳腔并包覆所述导线。

作为本发明的一种可选方案，所述上筒体还包括挂钩结构，所述挂钩结构设置于所述上筒体的顶部的外缘，连接用于控制所述加热式导流筒升降的升降导杆，所述电源电极接头位于所述挂钩结构内，并通过所述升降导杆内的电源线连接外部电源。

作为本发明的一种可选方案，所述下筒体的高度占所述上筒体的高度的四分之一至二分之一。

作为本发明的一种可选方案，所述上筒体的组成材料包含石墨。

如上所述，本发明提供了一种加热式导流筒，通过引入具有加热功能的下筒体，在生长不同类型的单晶时，通过加热下筒体调节晶体生长热场，避免了因频繁更换导流筒而导致维护成本增加的问题。此外，通过加热下筒体也增强了对生长热场的工艺调节能力，使单晶生长过程更为可控。

附图说明

图1A显示为本发明实施例一中提供的加热式导流筒的正视图。

图1B显示为本发明实施例一中提供的加热式导流筒在图1A中B方向的侧视图。

图1C显示为本发明实施例一中提供的加热式导流筒在图1B中CC’处的截面示意图。

图2显示为本发明实施例一中提供的加热式导流筒的俯视图。

图3显示为本发明实施例一中提供的加热式导流筒的仰视图。

图4显示为本发明实施例一中提供的加热式导流筒在单晶生长时的示意图。

图5显示为本发明实施例二中提供的加热式导流筒的截面示意图。

图6显示为本发明实施例二中提供的加热式导流筒的仰视图。

图7显示为本发明实施例二中提供的加热式导流筒在单晶生长时的示意图。

元件标号说明

001 坩埚

002 晶锭

10 加热式导流筒

101 上筒体

101a 电源电极接头

101b 导线

101c 内筒壁

101d 外筒壁

101e 挂钩结构

101f 隔热材料层

102 下筒体

102a 输入电极接头

102b 凹槽

103 导流通孔

103a 上通孔

103b 下通孔

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1至图3，本发明提供了一种加热式导流筒10，包括：

上筒体101，包含导通所述上筒体101的顶部和底部的上通孔103a；

具有加热功能的下筒体102，包含导通所述下筒体102的顶部和底部的下通孔103b，所述下筒体102的顶部连接所述上筒体101的底部，所述上通孔103a和所述下通孔103b相连通并一同构成导流通孔103。

在本发明所提供的加热式导流筒10内设有导通其顶部和底部的导流通孔103，在单晶生长时，氩气气流通过所述导流通孔103对生长界面以及晶锭进行保护及冷却；所述加热式导流筒10还包含具有加热功能的下筒体102，通过加热可以在导流筒现有结构的基础上进一步调节单晶生长热场。如图1A所示，是本发明的一个实施例所提供的所述加热式导流筒10的正视图。图1B是所述加热式导流筒10在图1A中B方向的侧视图。图1C是所述加热式导流筒10在图1B中CC’处的截面示意图。图2是所述加热式导流筒10的俯视图，图3是所述加热式导流筒10的仰视图。

作为示例，请参阅图1至图3，所述加热式导流筒10包含上筒体101和下筒体102，所述上筒体101包含导通所述上筒体101的顶部和底部的上通孔103a，所述下筒体102包含导通所述下筒体102的顶部和底部的下通孔103b，所述下筒体102的顶部连接所述上筒体101的底部，使所述上通孔103a和所述下通孔103b相连通并一同构成导流通孔103。如图1C所示，所述下筒体102由电阻加热材料构成，所述电阻加热材料包括石墨；所述下筒体102还设置有连接所述下筒体102的输入电极接头102a，，所述输入电极接头102a提供电源，通过对所述下筒体102的通电加热，改变所述下筒体102附近的热场分布。在本实施例中，所述下筒体102本身是由可以通电加热的石墨材料构成的，通过输入电极接头102a直接对整个下筒体102进行通电加热。石墨具有优良的导电、导热性能，也是具有耐高温性能的电热材料。所述输入电极接头102a的材料也包括石墨。此外，为了确保所述输入电极接头102a仅对所述下筒体102进行供电，在所述上筒体101和所述下筒体102之间还可以设置耐高温的绝缘材料进行隔离，以确保所述所述下筒体102和所述输入电极接头102a与所述上筒体101之间不会导电。需要指出的是，在本发明其他实施例中，也可以通过在所述下筒体102的内部设置电热丝等电加热部件并连接输入电极接头实现所述下筒体102的通电加热功能。

作为示例，如图1C所示，所述上筒体101的顶部还设置有电源电极接头101a，所述输入电极接头102a通过导线101b与所述电源电极接头101a相连接，所述电源电极接头101a连接外部电源，其中，所述电源电极接头101a的材料包括紫铜，所述导线101b包括水冷电缆。由于所述电源电极接头101a位于所述上筒体101的顶部，离热源已较远，因此可以采用耐热性能较石墨低，但机械强度更好的紫铜接头；所述导线101b由于需要长期工作在高温环境下，因此可以采用水冷电缆，以通过外接循环冷却水，避免导线在高温下损坏。所述上筒体内部还设有容纳所述导线101b的容纳腔，所述导线101b设置于所述容纳腔中，并连接位于所述上筒体101顶部的所述电源电极接头101a以及位于所述下筒体102顶部的所述输入电极接头102a。具体地，所述上筒体101由内筒壁101c及套设于所述内筒壁101c外侧的外筒壁101d构成，在所述内筒壁101c与所述外筒壁101d之间的空间形成容纳腔。所述容纳腔也可以仅占据所述下筒体102内部的部分空间，只需确保有足够的空间容纳所述导线101b即可。可选地，在所述容纳腔中还填充有隔热材料层101f，所述隔热材料层101f填满所述容纳腔并包覆所述导线101b。构成所述隔热材料层101f的材料具备隔热保温的效果，以确保所述加热式导流筒10的加热效果，优化晶体生长热场，同时也可以防止热场温度过高对于所述水冷电缆的损坏。在本发明其他实施例中，也可以通过在上筒体上开挖沟槽等方式设置所述水冷电缆，或者所述水冷电缆直接铺设于所述上筒体的内壁或者外壁。

作为示例，如图1A～1C所示，所述上筒体101还包括挂钩结构101e，所述挂钩结构101e设置于所述上筒体101的顶部的外缘，连接用于控制所述加热式导流筒10升降的升降导杆，所述电源电极接头101a位于所述挂钩结构101e内，并通过所述升降导杆内的电源线连接外部电源。在本实施例中，在所述上筒体101顶部外缘两侧的相对位置设置了一对挂钩结构101a，用以连接一对升降导杆。在本发明的其他实施方案中，还可以设置与所述升降导杆数量相对应的多个所述挂钩结构101a；或者所述挂钩结构101a还可以设置为环绕所述上筒体101顶部外缘一圈的连体式结构。拉晶炉中的导流筒一般通过所述升降导杆连接固定并悬挂于物料坩埚的上方，并由所述升降导杆控制升降。本实施例利用所述升降导杆作为电源连接通道，通过在所述挂钩结构101e中设置所述电源电极接头101a，并将所述电源电极接头101a连接所述升降导杆内的电源线，并连接至外部电源。

作为示例，所述下筒体102的高度占所述上筒体101的高度的四分之一至二分之一。可选地，所述下筒体102的高度占所述上筒体101的高度的三分之一。在设计所述下筒体102占整个所述加热式导流筒10的比例时，需要考虑引入所述下筒体102的加热对于晶体生长热场分布的影响，其在整个导流筒的所占比例决定了所述下筒体102的加热效果以及对于生长热场的调节能力。在本实施例中，如图1C所示，选取所述下筒体102的高度占所述上筒体101的高度的三分之一，此时，所述下筒体102对热场具有较好的调节能力，既能对生长界面附近提供加热，又不影响到已生长的上部晶锭。

作为示例，在本实施例中，所述下筒体102的下底面为平面结构。如图4所示，是采用下底面为平面结构的所述加热式导流筒10在单晶生长时的示意图。在生长用于外延衬底片的单晶硅时，一般要求加强单晶生长界面附近的散热；而在生长用于抛光片的单晶硅时，需要减少单晶生长界面附近的散热。现有技术一般通过改变导流筒结构，进而获得生长所需的热场条件。例如，将下筒体102的下底面设计为平面结构，以利于对流散热；或者，在所述下筒体102的下底面上形成有用于储热的凹槽，以利于保温，减少散热。但仅通过改变导流筒结构对生长热场的调节能力是有限的。在本实施例中，在所述下筒体102的下底面为平面结构的基础上，通过引入可以加热的所述下筒体102来调节热场。在图4中，从上方通入的氩气气流在所述加热式导流筒10的引导下向下方流动，而从坩埚001中的物料液面处会由于加热产生向上的热对流，两者在晶锭002的生长界面附近相遇，并向所述加热式导流筒10的外围扩散，即所述氩气气流会带走从物料液面处对流的部分热量。通过所述下筒体102的加热，可以补充在所述晶锭002生长界面附近的热量。当需要加强单晶生长界面附近的散热时，例如在生长用于外延衬底片的单晶硅时，所述下筒体102不进行加热，热量更容易从所述下筒体102的下底面扩散到所述加热式导流筒10的外围，通过对流散热，提高了生长界面附近的温度梯度，以利于用于外延衬底片的单晶硅的生长；而当需要提高单晶生长界面附近的热场温度时，例如在生长用于抛光片的单晶硅时，对所述下筒体102进行加热，进而补偿生长界面附近散热导致的热量损失，获得生长所需的温度更高的热场分布。

作为示例，如图1C所示，所述导流通孔的径向尺寸自上而下逐渐减小。所述导流通孔103由所述上通孔103a和所述下通孔103b所共同构成。在拉晶炉生长单晶的过程中，作为保护气体的氩气一般从炉体上方通入，通过径向尺寸自上而下逐渐减小的漏斗状设计，可以将氩气气流集中于单晶的生长界面附近，从而保护单晶生长。

作为示例，如图1C所示，所述加热式导流筒10的外壁的径向尺寸自上而下逐渐减小。虽然影响单晶生长的热场因素主要由所述加热式导流筒10内部的结构所决定，但所述加热式导流筒10的外壁形貌也对炉体内的对流条件具有一定影响。在本实施例中，所述加热式导流筒10的外壁的径向尺寸自上而下逐渐减小。可选的，所述加热式导流筒10的内壁与外壁径向尺寸在同一高度的差值是固定的，即所述加热式导流筒10在各处的筒壁厚度是相同的。

作为示例，所述上筒体101的组成材料包含石墨。石墨具有耐高温、导热性能强、抗腐蚀性能好及使用寿命长等特点，是一种理想的用于高温炉体的部件材料。在本发明的其他实施例中，所述组成材料还包括碳化硅、陶瓷或石英等其他耐高温材料。

实施例二

如图5和图6所示，本实施例中的方案与实施例一的不同之处在于，所述下筒体102的下底面上形成有用于储热的凹槽102b。所述凹槽102b包含环状凹槽结构，且所述环状凹槽结构的圆心位于所述导流通孔103的轴线上。图5是所述加热式导流筒10的截面示意图，图6是其仰视图，本实施例所述加热式导流筒10的俯视图与图2相同。

如图7所示，是采用下底面上形成有凹槽102b的所述加热式导流筒10在单晶生长时的示意图。在本实施例中，在一些单晶生长的热场条件中，需要维持较高的热场温度并减少散热，仅依靠所述下筒体102自身加热可能还无法完全满足热场分布要求，因此在所述下筒体102的下底面上形成有凹槽102b，通过凹槽结构进行储热，从而减少散热。在图7中，从上方通入的氩气气流在所述加热式导流筒10的引导下向下方流动，而从坩埚001中的物料液面处会由于加热产生向上的热对流，两者在晶锭002的生长界面附近相遇，并沿着所述加热式导流筒10的底部向外围扩散，即所述氩气气流会带走从物料液面处对流的部分热量。而通过在所述下筒体102的下底面上形成有凹槽102b，则气流在通过所述凹槽102b会有部分热量停留并储存于所述凹槽102b中，这就减少了整个系统的散热。在所述下筒体102自身加热的前提下，依靠所述凹槽102b还可以使晶体生长界面附近进一步保留更多热量。在本实施例中，所述凹槽102b包含一圈环状凹槽结构，在本发明的其他实施例中，所述凹槽102b还可以采用多圈具有相同圆心的环状凹槽结构，或者采用以其他任何可能的几何图案排布在所述下筒体102的下底面上的凹槽结构。此外，所述下筒体102还可以根据不同晶体生长的热场分布需要，采用其他可能的结构外形。

综上所述，本发明提供了一种加热式导流筒，包括：上筒体，包含导通所述上筒体的顶部和底部的上通孔；具有加热功能的下筒体，包含导通所述下筒体的顶部和底部的下通孔，所述下筒体的顶部连接所述上筒体的底部，所述上通孔和所述下通孔相连通并一同构成导流通孔。本发明所提供的加热式导流筒，通过引入具有加热功能的下筒体，在生长不同类型的单晶时，通过下筒体加热调节晶体生长热场，避免了因频繁更换不同结构的导流筒而导致维护成本增加的问题。此外，通过加热下筒体也增强了对生长热场的工艺调节能力，使单晶生长过程更为可控。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种加热式导流筒，其特征在于，包括：

上筒体，包含导通所述上筒体的顶部和底部的上通孔；

具有加热功能的下筒体，包含导通所述下筒体的顶部和底部的下通孔，所述下筒体的顶部连接所述上筒体的底部，所述上通孔和所述下通孔相连通并一同构成导流通孔。

2.根据权利要求1所述的加热式导流筒，其特征在于，所述下筒体由电阻加热材料构成；所述下筒体还设置有连接所述下筒体的输入电极接头，所述上筒体还设置有电源电极接头，所述输入电极接头通过导线与所述电源电极接头相连接，所述电源电极接头连接外部电源。

3.根据权利要求2所述的加热式导流筒，其特征在于，所述电阻加热材料至少包含石墨。

4.根据权利要求2所述的加热式导流筒，其特征在于，所述输入电极接头的材料包括石墨。

5.根据权利要求2所述的加热式导流筒，其特征在于，所述电源电极接头的材料包括紫铜，所述导线包括水冷电缆。

6.根据权利要求2所述的加热式导流筒，其特征在于，所述输入电极接头形成于所述下筒体的顶部，所述电源电极接头设置于所述上筒体的顶部。

7.根据权利要求6所述的加热式导流筒，其特征在于，所述上筒体内部还设有容纳所述导线的容纳腔。

8.根据权利要求7所述的加热式导流筒，其特征在于，所述容纳腔中填充有隔热材料层，所述隔热材料层填满所述容纳腔并包覆所述导线。

9.根据权利要求2所述的加热式导流筒，其特征在于，所述上筒体还包括挂钩结构，所述挂钩结构设置于所述上筒体的顶部的外缘，连接用于控制所述加热式导流筒升降的升降导杆，所述电源电极接头位于所述挂钩结构内，并通过所述升降导杆内的电源线连接外部电源。

10.根据权利要求2所述的加热式导流筒，其特征在于，所述下筒体的高度占所述上筒体的高度的四分之一至二分之一。

11.根据权利要求1所述的加热式导流筒，其特征在于，所述上筒体的组成材料包含石墨。