CN111519241A - 一种半导体晶体生长装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体晶体生长装置，所述装置包括：炉体；坩埚，所述坩埚设置在所述炉体内部，用以容纳硅熔体；提拉装置，所述提拉装置设置在所述炉体顶部，用以从所述硅熔体内提拉出硅晶棒；以及热屏装置，所述热屏装置包括导流筒，所述导流筒呈桶状并绕所述硅晶棒四周设置，用以对从所述炉体顶部输入的氩气进行整流并调整所述硅晶棒和所述硅熔体液面之间的热场分布；其中，所述热屏装置还包括在所述导流筒下端内侧设置的调整装置，用以调整所述热屏装置与所述硅晶棒之间的最小距离。根据本发明，通过在导流筒下端内侧设置调整装置，在不改变导流筒形状、位置的情况下调整硅晶棒和与其靠近热屏装置之间的距离，提升了晶体生长速度和质量。

Description

一种半导体晶体生长装置
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体而言涉及一种半导体晶体生长装置。
背景技术
直拉法(Cz)是制备半导体及太阳能用硅单晶的一种重要方法，通过碳素材料组成的热场对放入坩埚的高纯硅料进行加热使之熔化，之后通过将籽晶浸入熔体当中并经过一系列(引晶、放肩、等径、收尾、冷却)工艺过程，最终获得单晶棒。
在拉晶过程中，往往在产生的硅晶棒四周设置热屏装置，如导流筒(或反射屏)，一方面用以在晶体生长过程中隔离石英坩埚以及坩埚内的硅熔体对晶体表面产生的热辐射，使晶棒的轴向温度梯度加大，径向温度分布尽可能均衡，使晶棒的生长速度控制在合适的范围内，同时控制晶体的内部缺陷等；另一方面用以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硅熔体表面，达到控制硅晶棒晶体内氧含量和杂质含量的效果。
在半导体晶体生长装置的设计过程中，往往需要考虑热屏装置与硅熔体液面和晶棒之间的距离，以控制晶棒的轴向温度梯度和径向温度分布。具体的，在设计过程中，往往需要考虑热屏装置液面的最小距离(以下称液面距Drm)和热屏装置和晶棒之间的最小距离(以下称晶棒距Drc)这两个重要参数。其中，Drm控制硅晶体在拉晶液面之间的稳定生长，Drc控制硅晶棒在轴向方向上的温度梯度。为了实现硅晶棒和硅熔体液面之间的硅晶体的稳定生长，往往通过控制坩埚的上升速度以控制Drm稳定在合适的范围内。而在热屏装置固定的情况下，导流筒形状和位置固定，在硅晶棒的直径一定的情况下，要进一步减小Drc以实现硅晶体较大的轴向温度梯度却很难通过热屏装置本身的控制实现。
为此，有必要提出一种新的半导体晶体生长装置，用以解决现有技术中的问题。
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。
本发明提供了一种半导体晶体生长装置，所述装置包括：
炉体；
坩埚，所述坩埚设置在所述炉体内部，用以容纳硅熔体；
提拉装置，所述提拉装置设置在所述炉体顶部，用以从所述硅熔体内提拉出硅晶棒；以及
热屏装置，所述热屏装置包括导流筒，所述导流筒呈桶状并绕所述硅晶棒四周设置，用以对从所述炉体顶部输入的氩气进行整流并调整所述硅晶棒和所述硅熔体液面之间的热场分布；其中，所述热屏装置还包括在所述导流筒下端内侧设置的调整装置，用以调整所述热屏装置与所述硅晶棒之间的最小距离。
示例性地，所述调整装置包括环绕所述导流筒内侧设置的环形装置。
示例性地，所述环形装置由至少两个弧形部件拼接而成。
示例性地，所述调整装置与所述导流筒可拆卸地连接。
示例性地，所述导流筒包括内筒、外筒以及隔热材料，其中，所述外筒的底部延伸至所述内筒底部下方并与所述内筒底部闭合以在内筒和外筒之间形成空腔，所述隔热材料设置在所述空腔内。
示例性地，所述调整装置包括插入部和突出部，所述插入部插入所述外筒底部延伸至所述内筒底部下方的部分与所述内筒底部之间的位置。
示例性地，所述调整装置的截面呈倒L型或逆时针旋转90°的T型。
示例性地，所述突出部设置为倒三角形或者向所述硅晶棒一侧突出的形状。
示例性地，所述突出部向下延伸超出所述导流筒底部。
示例性地，所述突出部向下延伸超出所述导流筒底部的形状包括内凹型曲面或外凸型曲面
示例性地，所述调整装置的材料包括低导热系数材料。
示例性地，所述调整装置的材料包括单晶硅、石墨、石英、高熔点金属或者前述材料的组合。
示例性地，所述突出部面向所述硅晶棒的一侧设置有低热辐射系数层，以进一步改变所述调整装置与所述硅晶棒表面之间的辐射传热。
根据本发明的半导体晶体生长装置，在热屏装置设计中，通过在导流筒下端内侧设置调整装置，可以实现在不改变导流筒形状、位置的情况下，减小热屏装置与晶棒之间的最小距离，提高了硅晶棒的轴向温度梯度，从而提升了晶体生长速度；与此同时，晶棒中心和边缘的轴向温度梯度的差值减小，有利于晶体的稳定生长。同时调整装置通过热屏装置与晶棒之间的最小距离Drc可以改变氩气通过导流筒流向硅熔体液面及其从硅熔体液面向径向方向展开的气体流速，调节晶体的含氧量，进一步提升了拉晶质量。
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半导体晶体生长装置的结构示意图；
图2为根据本发明的一个实施例的一种调整装置安装在导流筒上的结构示意图；
图3A-图3C分别为根据本发明的一个实施例的一种调整装置的结构示意图。
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半导体晶体生长装置。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，本发明提供了一种半导体晶体生长装置，所述装置包括：
炉体；
坩埚，所述坩埚设置在所述炉体内部，用以容纳硅熔体；
提拉装置，所述提拉装置设置在所述炉体顶部，用以从所述硅熔体内提拉出硅晶棒；以及
热屏装置，所述热屏装置包括导流筒，所述导流筒呈桶状并绕所述硅晶棒四周设置，用以对从所述炉体顶部输入的氩气进行整流并调整所述硅晶棒和所述硅熔体液面之间的热场分布；其中，所述热屏装置还包括在所述导流筒下端内侧设置的调整装置，用以调整所述热屏装置与所述硅晶棒之间的最小距离。
下面参看图1和图2对本发明所提出的一种半导体晶体生长装置进行示例性说明，图1为根据本发明的一个实施例的一种半导体晶体生长装置的结构示意图；图2为根据本发明的一个实施例的一种调整装置安装在导流筒上的结构示意图；图3A-图3C分别为根据本发明的一个实施例的一种调整装置的结构示意图。
直拉法(Cz)是制备半导体及太阳能用硅单晶的一种重要方法，通过碳素材料组成的热场对放入坩埚的高纯硅料进行加热使之熔化，之后通过将籽晶浸入熔体当中并经过一系列(引晶、放肩、等径、收尾、冷却)工艺过程，最终获得单晶棒。
参看图1，其示出了根据本发明的一个实施例的半导体晶体生长装置。半导体晶体生长装置包括炉体1，炉体1内设置有坩埚11，坩埚11外侧设置有对其进行加热的加热器12，坩埚11内容纳有硅熔体13。
在炉体1顶部设置有提拉装置14，在提拉装置14的带动下，籽晶从硅熔体液面提拉拉出硅晶棒10，同时环绕硅晶棒10四周设置热屏装置，示例性的，如图1所示，热屏装置包括有导流筒16，导流筒16设置为圆锥桶型，其作为热屏装置一方面用以在晶体生长过程中隔离石英坩埚以及坩埚内的硅熔体对晶体表面产生的热辐射，提升晶棒的冷却速度和轴向温度梯度，增加晶体生长数量，另一方面，影响硅熔体表面的热场分布，而避免晶棒的中心和边缘的轴向温度梯度差异过大，保证晶棒与硅熔体液面之间的稳定生长；同时导流筒还用以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，达到控制晶体内氧含量和杂质含量的效果。继续参看图1，导流筒16底部与硅熔体13液面之间的最小距离作为热屏装置与硅熔体之间的最小距离，称为液面面距，以Drm表示；导流筒16最靠近硅晶棒10处距离硅晶棒的最小距离作为热屏装置与硅晶棒之间的最小距离称为晶棒距，以Drc表示。
为了实现硅晶棒的稳定增长，在炉体1底部还设置有驱动坩埚11旋转和上下移动的驱动装置15，驱动装置15驱动坩埚11在拉晶过程中保持旋转是为了减少硅熔体的热的不对称性，使硅晶柱等径生长；驱动装置15驱动坩埚上下移动是为了控制液面距Drm在合理的范围内，保持硅熔体液面的热辐射稳定性，以满足硅晶棒稳定生长的要求。示例性的，驱动装置15驱动坩埚上下移动将液面距Drm控制在20mm至80mm之间。
然而在热屏装置固定的情况下，导流筒形状和位置固定，在硅晶棒形状一定的情况下，要进一步减小Drc以实现硅晶棒较大的轴向温度梯度却很难通过装置本身的控制实现。
为此，参看图2，在本发明的半导体晶体生长装置中，在导流筒16的下端设置有调整装置17，使调整装置17和导流筒16一起作为热屏装置对硅熔体液面和晶棒之间的热场分布进行调整。具体的，在导流筒下端内侧设置调整装置，在不调整导流筒尺寸和位置的情况下，相较于未安装调整装置的情形，使得热屏装置与硅晶棒之间的最小距离Drc由初始的导流筒与晶棒之间的最小距离变化为调整装置与晶棒之间的最小距离，从而使热屏装置与晶棒之间的最小距离Drc减小，使热屏装置重新对硅晶棒和热屏装置之间，热屏装置和硅熔体液面之间的辐射能量进行调整，进而对晶体表面的热流束强度和分布进行调整，使硅晶棒中心和边缘的轴向温度梯度增加，有效提高了晶体生长速度；与此同时，中心和边缘的轴向温度梯度的差值减小，有利于晶体在硅熔体液面上的稳定生长。同时调整装置还减小了氩气通过导流筒流向硅熔体液面的通道尺寸，从而调整氩气从硅熔体液面径向方向展开的气体流速，调节生长的晶体的含氧量，进一步提升了拉晶质量。
进一步，设置调整装置的情况下，使得热屏装置与硅晶棒之间的最小距离Drc减小，使得硅熔体液面向晶棒辐射传热减小，增加了晶棒的轴向温度梯度，有利于提高晶体的生长速度，与此同时还可以降低晶体生长的加热器的功率消耗；在导流筒和晶棒之间设置调整装置，还能够减少导流筒向晶棒的辐射传热，从而减少晶棒中心和边缘的轴向温度梯度的差值，使得晶体生长的工艺窗口(拉速范围)变宽，提高制品的良率。
所述导流筒呈桶状、绕所述硅晶棒四周设置，示例性的，所述调整装置17设置为环绕所述导流筒内侧的环形装置。
示例性的，所述调整装置与所述导流筒可拆卸的连接。
进一步，示例性的，所述环形装置由至少两个弧形部件拼接而成。由于拉晶过程处于高温环境，为了避免在调整装置在高温环境下膨胀，而导致与导流筒安装配合不稳定，采用将环形的调整装置设置为多段弧形，多段弧形之间的缝隙设置有效避免因为膨胀导致的调整装置与导流筒配合不稳定的问题，同时，将环形的调整装置设置为多段弧形也可以进一步简化调整装置安装到导流筒上的过程。
继续参看图2，根据本发明的一个实施例，导流筒16包括内筒161、外筒162以及设置在内筒161和外筒162之间的隔热材料163，其中，外筒162的底部延伸至内筒161的底部下方并与内筒161的底部闭合以在内筒161和外筒162之间形成容纳隔热材料163的空腔。将导流筒设置为包括内筒、外筒和隔热材料的结构，可以简化导流筒的安装。示例性的，内筒和外筒的材料设置为石墨，隔热材料包括玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、气凝胶毡、真空板等。
继续参看图2，在导流筒16设置为包括内筒161、外筒162以及设置在内筒161和外筒162之间的隔热材料163的形式下，调整装置17包括突出部171和插入部172，所述插入部172设置为插入外筒162底部延伸至内筒161底部下方的部分与内筒161底部之间的位置。将调整装置以插入的形式安装在导流筒上，而不需要对导流筒进行改造，就可实现调整装置的安装，进一步简化调整装置与导流筒的制造和安装成本。同时，插入部插入外筒底部和内筒底部之间的位置，有效减小了外筒向内筒的热传导，降低了内筒的温度，进一步减少了内筒向晶棒的辐射传热，有效减小了硅晶棒中心和外周的轴向温度梯度的差值，提升了拉晶质量。
示例性的，所述调整装置设置为低热导系数材料。进一步，示例性的所述低热传导系数材料包括热导系数小于5-10W/m*K的材料。示例性的，所述调整装置的材料设置为SiC陶瓷、石英、单晶硅、石墨、石英、高熔点金属或者前述材料的组合等。
需要理解的是，本实施例中将调整装置设置为可拆卸的安装在导流筒上，一方面是为了实现两者之间的安装和分别制造，简化制造过程，减少制造成本；另一方面还能够对调整装置进行单独更换，将调整装置作为耗材部件进行加工和使用，使调整装置形成系列化产品，缩短研发周期，降低开发成本。本领域技术人员应当理解，将调整装置设置为与导流筒内筒一体制造，也适用于与本发明。
示例性的，所述调整装置截面呈倒L型或逆时针旋转90°的T型。继续参看图2，调整装置2的截面呈逆时针旋转90°的T型，其中插入部172插入外筒162底部延伸至内筒161底部下方的部分与内筒161底部之间的位置，突出部171呈倒三角形使晶棒与热屏装置之间的最小距离减小。
需要理解的是，突出部设置为倒三角形仅仅是示例性的，其还可以设置为向硅晶棒一侧突出的任何形状，任何能够减小晶棒与热屏装置之间的最小距离的形状设置均适用于本发明。
参看图3A-图3C，其中示出了突出部171设置为向晶棒一侧突出的形状。如图3A-图3C所示，突出部171向下延伸超出所述导流筒底部，如图中箭头P示出的部分。如图2所示，突出部向下伸出导流筒底部，在不改变导流筒尺寸和位置的情况下，热屏装置与硅熔体液面之间的最小距离Drm由导流筒底部与硅熔体液面之间的最小距离变为调整装置突出部下端与硅筒体液面之间的最小距离，从而使热屏装置与硅熔体液面之间的最小距离Drm减小，从而改变氩气通过导流筒流向硅熔体液面以及从硅熔体液面向径向方向展开的气体流速，控制在硅晶体周边附近的硅熔体内部的氧浓度，调节晶体的含氧量，进一步提升了拉晶质量。
示例性地，所述突出部171的向下延伸超出所述导流筒底部的形状包括内凹型曲面(如图3B所示)或外凸型曲面(如图3C所示)。将突出部向下延长超出所述导流筒底部的形状设置为内凹型曲面或者外凸型曲面，通过调整装置与硅熔体液面之间相对的形状可以进一步调整硅晶棒表面、硅熔体液面和调整装置之间的辐射传热，调整晶体表面沿轴向的方向，晶体向外部释放的热流束的变化，使得中心和边缘的轴向温度梯度的差值减小，以达到晶体和熔体间的界面形状更加平坦，减小晶体的径向差异的效果。
示例性的，所述突出部面向硅晶棒的一侧设置有低热辐射系数(高反射系数)层，以进一步减少导流筒与硅晶棒表面的辐射传热。所述热辐射系数e在0-1之间(反射系数p＝1-e)。示例性的，所述低辐射系数材料的热辐射系统e＜0.5。在一个示例中，所述突出部采用抛光的不锈钢，其中，抛光的不锈钢表面，其中热辐射系数e＝0.2－0.3。
示例性的，所述调整装置的材料设置为石墨，在所述石墨表面进行表面处理形成SiC涂层和/或热分解碳涂层，其涂层的厚度在10μm-100μm之间，其中热分解碳涂层的表面致密性高，高温的热反射系数较高，表面处理的方式包括化学气相沉积等。
示例性地，在所述调整装置的突出部的形状和表面施以涂层处理，以形成表面的高反射系数(低热辐射系数)层，改变硅晶棒表面，液面和调整装置之间的辐射传热，调整晶体表面沿轴向的方向，晶体向外部释放的热流束的变化，使得中心和边缘的轴向温度梯度的差值减小，以达到晶体和熔体间的界面形状更加平坦，减小晶体的径向差异的效果。
上面已经对根据本发明的一种半导体晶体生长装置进行了示例性的介绍，需要理解的是，本实施例中对半导体晶体生长装置中的调整装置的形状、安装方式材料等的限定，仅仅是示例性的，任何能够减小晶棒与热屏装置之间的最小距离的调整装置均适用于本发明。
综上所示，根据本发明的半导体晶体生长装置，通过在导流筒下端内侧设置调整装置，在不改变导流筒形状、位置的情况下，减小了热屏装置与晶棒之间的最小距离，提高了硅晶棒的轴向温度梯度，从而调高了晶体生长速度；与此同时，中心和边缘的轴向温度梯度的差值减小，有利于晶体的稳定生长。同时调整装置通过热屏装置与晶棒之间的最小距离，减小了氩气从导流筒流向硅熔体液面的通道尺寸，可以改变氩气通过导流筒流向硅熔体液面以及从硅熔体液面向径向方向展开的气体流速，控制在硅晶体周边附近的硅熔体内部的氧浓度，调节晶体的含氧量，进一步提升了拉晶质量。
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 (13)

1.一种半导体晶体生长装置，其特征在于，包括：
炉体；
坩埚，所述坩埚设置在所述炉体内部，用以容纳硅熔体；
提拉装置，所述提拉装置设置在所述炉体顶部，用以从所述硅熔体内提拉出硅晶棒；以及
热屏装置，所述热屏装置包括导流筒，所述导流筒呈桶状并绕所述硅晶棒四周设置，用以对从所述炉体顶部输入的氩气进行整流并调整所述硅晶棒和所述硅熔体液面之间的热场分布；其中，所述热屏装置还包括在所述导流筒下端内侧设置的调整装置，用以调整所述热屏装置与所述硅晶棒之间的最小距离。
2.根据权利要求1所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述调整装置包括环绕所述导流筒内侧设置的环形装置。
3.根据权利要求2所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述环形装置由至少两个弧形部件拼接而成。
4.根据权利要求1所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述调整装置与所述导流筒可拆卸地连接。
5.根据权利要求1所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述导流筒包括内筒、外筒以及隔热材料，其中，所述外筒的底部延伸至所述内筒底部下方并与所述内筒底部闭合以在内筒和外筒之间形成空腔，所述隔热材料设置在所述空腔内。
6.根据权利要求5所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述调整装置包括插入部和突出部，所述插入部插入所述外筒底部延伸至所述内筒底部下方的部分与所述内筒底部之间的位置。
7.根据权利要求6所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述调整装置的截面呈倒L型或逆时针旋转90°的T型。
8.根据权利要求6所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述突出部设置为倒三角形或者向所述硅晶棒一侧突出的形状。
9.根据权利要求8所述半导体晶体生长装置，其特征在于，所述突出部向下延伸超出所述导流筒底部。
10.根据权利要求8所述半导体晶体生长装置，其特征在于，所述突出部向下延伸超出所述导流筒底部的形状包括内凹型曲面或外凸型曲面。
11.根据权利要求1所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述调整装置的材料包括低导热系数材料。
12.根据权利要求10所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述调整装置的材料包括单晶硅、石墨、石英、高熔点金属或者前述材料的组合。
13.根据权利要求9所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述突出部面向所述硅晶棒的一侧设置有低热辐射系数层，以进一步改变所述调整装置与所述硅晶棒表面之间的辐射传热。
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