CN111826709B - 一种直拉法单晶硅生长炉 - Google Patents

一种直拉法单晶硅生长炉 Download PDF

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Abstract

本发明涉及直拉单晶硅技术领域，且公开了一种直拉法单晶硅生长炉，包括固定箱和高温计，所述固定箱内腔左部固定安装有保温筒一，所述保温筒一的内壁固定安装有加热元件，所述固定箱的顶部右侧固定安装有籽晶。通过生长箱的设置，使得对多晶硅的融化与单晶硅体拉取的场所进行分离，并通过石英坩埚不断的融化多晶硅形成熔体为在生长箱的内部拉取单晶硅体提供原料，避免石英坩埚中的热场不均匀降低单晶硅体的质量，保证生长箱中的生长界面温度能够保持在一定范围内，降低温度控制难度，同时，石英坩埚和生长箱的设置保证了原料的充足，并通过旋转装置的设置，提高了一次性拉取单晶硅体的数量，增加生产效率。

Description

一种直拉法单晶硅生长炉
技术领域
本发明涉及直拉单晶硅技术领域，具体为一种直拉法单晶硅生长炉。
背景技术
单晶硅为一种半导体材料，一般用于制造集成电路和其他电子元件，单晶硅生长技术有两种:一种是区熔法，另一种是直拉法，其中直拉法使目前普遍采用的方法，直拉法生长单晶硅的方法如附图4所示:将高纯度的多晶硅原料放入石英坩埚5内，然后通过氩气输入口10通入氩气并利用真空泵形成低压，在此条件下对多晶硅进行加热熔化，同事利用吊绳7将有着特定生长方向的籽晶8与硅溶液接触，调整熔融硅溶液的温度，使其接近熔点温度，然后驱动吊绳7使籽晶8自上而下伸入熔融的硅溶液中并旋转，然后缓缓上提籽晶8，同时也可通过轴承座4带动石英坩埚5旋转与升降，此时，单晶硅进入锥体部分的生长，当锥体的直径接近目标直径时，提高籽晶的提升速度，使单晶硅体直径不再增大而进入晶体的中部生长阶段，在单晶硅体生长接近结束时，再提高籽晶的提升速度，单晶硅体逐渐脱离熔融硅，形成下锥体而结束生长，但此单晶炉存在一些不足，如下：
通常情况下，将石英坩埚5内部的多晶硅全部融化结束后，再进行拉取单晶硅体，一方面由于固定箱1的内部气压需要保持稳定，另一方面，对于石英坩埚5内部的热场不能够轻易改变，故不能在拉取单晶硅体的同时向石英坩埚5的内部添加多晶硅固体，并且石英坩埚5的容量有限，故对，拉取单晶硅的数量、粗细和长度造成限制，无法提高单晶硅的产量；同时，由于单晶硅的生长界面位于石英坩埚5的内部，并且需要在生产界面处的温度低，而其他处的温度则需要高于熔点，且以单晶硅为中心，则径向温度逐渐减小，对于石英坩埚5中的温度控制难度大，一旦出现偏差，则容易造成单晶硅体的拉取出现偏差，影响单晶硅体的质量和生产速率。
发明内容
本发明提供了一种直拉法单晶硅生长炉，具备生产量大，质量好、控制难度低的优点，解决了上述背景技术问题。
本发明提供如下技术方案：一种直拉法单晶硅生长炉，包括固定箱和高温计，所述固定箱内腔左部固定安装有保温筒一，所述保温筒一的内壁固定安装有加热元件，所述固定箱的顶部右侧固定安装有籽晶，所述固定箱的顶部右侧固定连接有上炉腔，所述上炉腔的相册上表面固定安装有升降装置，所述升降装置上缠绕有吊绳，所述固定箱的右侧底部开设有真空泵抽气孔，所述固定箱的顶部左侧固定安装有固定多晶硅储运装置，所述固定多晶硅储运装置与固定箱的内部连通，所述固定箱的内部且位于固定多晶硅储运装置的正下方固定安装有石英坩埚，所述固定箱内腔底部固定安装有传输管道，所述吊绳的底端且位于上炉腔的内部固定连接有固定架，所述固定架的中心固定安装有电机，所述固定架的底面固定连接有旋转装置，所述旋转装置的底部均匀固定连接有籽晶，所述传输管道的顶端且位于旋转装置的正下方固定安装有生长箱，所述石英坩埚的底部与传输管道固定连接，所述生长箱通过传输管道与石英坩埚连通，所述固定箱的顶部且位于上炉腔外侧下方均匀开设有氩气输入口，所述石英坩埚与传输管道的连接固定安装有耐热隔离网。
优选的，所述生长箱包括箱体，所述箱体的顶部开设有生长腔，所述生长腔的中部开设有分流孔，所述箱体的底部开设有V型腔，所述生长腔、分流孔和V型腔依次连通，所述分流孔有四个且均匀分布。
优选的，所述旋转装置包括支撑圆盘，所述支撑圆盘的直径与上炉腔的内壁直径相同，所述支撑圆盘的上表面均匀固定连接有连接柱，所述连接柱的顶端与固定架固定连接，所述支撑圆盘的中心活动安装有主动轮，所述支撑圆盘上活动套接有齿轮轴，所述齿轮轴与主动轮啮合，所述齿轮轴共有四个且均匀分布，所述齿轮轴的底端与籽晶固定连接，所述齿轮轴的数量与分流孔相同，所述齿轮轴的中心与分流孔的中心对齐。
优选的，所述传输管道包括竖直管道与弯曲管道，所述弯曲管道与竖直管道的右侧中部固定连接，所述竖直管道与弯曲管道上均固定套接有保温筒二。
优选的，所述石英坩埚中的熔体液面高于生长箱中的熔体高度。
优选的，所述生长箱与竖直管道、弯曲管道均由石英制成。
优选的，所述氩气输入口有四个，且均匀分布。
优选的，所述固定多晶硅储运装置的内部活动安装有螺旋输送器。
本发明具备以下有益效果：
1、通过生长箱的设置，使得对多晶硅的融化与单晶硅体拉取的场所进行分离，并通过石英坩埚不断的融化多晶硅形成熔体为在生长箱的内部拉取单晶硅体提供原料，避免石英坩埚中的热场不均匀降低单晶硅体的质量，保证生长箱中的生长界面温度能够保持在一定范围内，降低温度控制难度，同时，石英坩埚和生长箱的设置保证了原料的充足，并通过旋转装置的设置，提高了一次性拉取单晶硅体的数量，增加生产效率。
2、通过箱体的设置，增加熔体分布的高度，提高熔体内的轴向温度梯度，降低熔体其他处温度对生长界面处的影响，提高单晶硅体的生长速度，同时，通过分流孔的设置，与籽晶一一对应，并使得通向生长界面的熔体由中心向四处散开，形成以单晶硅体为中心的径向温度逐渐降低，进一步提高单晶硅体的生长环境质量，进而增加单晶硅体的生长速度。
附图说明
图1为本发明结构正视示意图；
图2为本发明结构局部俯视示意图；
图3为本发明结构生长箱半剖示意图；
图4为现有结构示意图。
图中：1、固定箱；2、保温筒一；3、加热元件；4、轴承座；5、石英坩埚；6、上炉腔；7、吊绳；8、籽晶；9、高温计；10、氩气输入口；11、升降装置；12、旋转装置；121、支撑圆盘；122、连接柱；123、主动轮；124、齿轮轴；13、固定架；14、电机；15、生长箱；151、箱体；152、生长腔；153、分流孔；154、V型腔；16、传输管道；161、竖直管道；162、弯曲管道；163、保温筒二；17、固定多晶硅储运装置；18、真空泵抽气孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，一种直拉法单晶硅生长炉，包括固定箱1和高温计9，固定箱1内腔左部固定安装有保温筒一2，保温筒一2的内壁固定安装有加热元件3，固定箱1的顶部右侧固定安装有籽晶8，固定箱1的顶部右侧固定连接有上炉腔6，上炉腔6的相册上表面固定安装有升降装置11，升降装置11上缠绕有吊绳7，固定箱1的右侧底部开设有真空泵抽气孔18，固定箱1的顶部左侧固定安装有固定多晶硅储运装置17，固定多晶硅储运装置17与固定箱1的内部连通，固定箱1的内部且位于固定多晶硅储运装置17的正下方固定安装有石英坩埚5，固定箱1内腔底部固定安装有传输管道16，吊绳7的底端且且位于上炉腔6的内部固定连接有固定架13，固定架13的中心固定安装有电机14，固定架13的底面固定连接有旋转装置12，旋转装置12的底部均匀固定连接有籽晶8，传输管道16的顶端且位于旋转装置12的正下方固定安装有生长箱15，石英坩埚5的底部与传输管道16固定连接，生长箱15通过传输管道16与石英坩埚5连通，固定箱1的顶部且位于上炉腔6外侧下方均匀开设有氩气输入口10，石英坩埚5与传输管道16的连接固定安装有耐热隔离网。
其中，生长箱15包括箱体151，箱体151的顶部开设有生长腔152，生长腔152的中部开设有分流孔153，箱体151的底部开设有V型腔154，生长腔152、分流孔153和V型腔154依次连通，分流孔153有四个且均匀分布，熔体从传输管道16传输进入生长箱15后，在V型腔154中进行分流进入分流孔153，而后通过分流孔153传输到生长腔152中，为单晶硅的拉取提供原料，同时，增加熔体分布的高度，提高熔体内的轴向温度梯度，降低熔体其他处温度对生长界面处的影响，提高单晶硅体的生长速度。
其中，旋转装置12包括支撑圆盘121，支撑圆盘121的直径与上炉腔6的内壁直径相同，支撑圆盘121的上表面均匀固定连接有连接柱122，连接柱122的顶端与固定架13固定连接，支撑圆盘121的中心活动安装有主动轮123，支撑圆盘121上活动套接有齿轮轴124，齿轮轴124与主动轮123啮合，齿轮轴124共有四个且均匀分布，齿轮轴124的底端与籽晶8固定连接，齿轮轴124的数量与分流孔153相同，齿轮轴124的中心与分流孔153的中心对齐，由吊绳7下降，进而通过固定架13和旋转装置12携带籽晶8进入生长箱15中，籽晶8与分流孔153正对齐，分流孔153将通向生长界面的熔体由中心向四处散开，形成以单晶硅体为中心的径向温度逐渐降低，进一步提高单晶硅体的生长环境质量，进而增加单晶硅体的生长速度，同时，可以一次性拉取四根单晶硅体，增加生产效率。
其中，传输管道16包括竖直管道161与弯曲管道162，弯曲管道162与竖直管道161的右侧中部固定连接，竖直管道161与弯曲管道162上均固定套接有保温筒二163，当多晶硅熔体由石英坩埚5流向生长箱15时，在竖直管道161与弯曲管道162的交界处先向下流动，将竖直管道161的下半部分填充满，继而在向上继续传输，在传输过程中，一些质量分子较大的杂质能够沉降到竖直管道161的下半部分，减少通向生长腔152的熔体中的杂质，提高单晶硅质量。
其中，石英坩埚5中的熔体液面略高于生长箱15中的熔体高度。
其中，生长箱15与竖直管道161、弯曲管道162均由石英制成。
其中，氩气输入口10有四个，且均匀分布，对生长界面进一步降温，提高单晶硅体的生长速度。
其中，固定多晶硅储运装置17的内部活动安装有螺旋输送器，能够定量将固体多晶硅送进石英坩埚5中，能够维持石英坩埚5中的液面高度，同时能够较为良好保持固定箱1中的气压保持在一定范围之内。
工作原理，准备阶段，将籽晶8装在齿轮轴124的底端，同时，将固体多晶硅装入固定多晶硅储运装置17，利用真空泵从真空泵抽气孔18中持续抽气，同时从氩气输入口10中充入氩气，等待一段时间后，将固定箱1与上炉腔6的内部空气全部排除；初始阶段，利用固定多晶硅储运装置17中的螺旋输送器将固体多晶硅送入石英坩埚5中，利用加热元件3对固体多晶硅进行加热并使其融化，并进入弯曲管道162，箱竖直管道161中传输，进而传输进入生长箱15中，通过V型腔154，并在分流孔153处进行分流后传入箱体151中；拉直阶段，升降装置11通过下放吊绳7，并通过固定架13与旋转装置12将籽晶8送入生长箱15中，籽晶8与熔体接触，而后通过电机14带动主动轮123转动，并且主动轮123带动齿轮轴124转动，此时齿轮轴124带动籽晶8在熔体内部旋转，然后通过升降装置11带动吊绳7缓慢上提籽晶8，此时，单晶硅进入锥体部分的生长，当锥体的直径接近目标直径时，提高籽晶的提升速度，维持齿轮轴124的转动速度，单晶硅体直径不再增大而进入晶体的中部生长阶段，在单晶硅体生长接近结束时，再提高籽晶8的提升速度，单晶硅体逐渐脱离熔融硅，形成下锥体而结束生长。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种直拉法单晶硅生长炉，包括固定箱(1)和高温计(9)，所述固定箱(1)内腔左部固定安装有保温筒一(2)，所述保温筒一(2)的内壁固定安装有加热元件(3)，所述固定箱(1)的顶部右侧固定安装有籽晶(8)，所述固定箱(1)的顶部右侧固定连接有上炉腔(6)，所述上炉腔(6)的上表面固定安装有升降装置(11)，所述升降装置(11)上缠绕有吊绳(7)，所述固定箱(1)的右侧底部开设有真空泵抽气孔(18)，其特征在于：所述固定箱(1)的顶部左侧固定安装有固定多晶硅储运装置(17)，所述固定多晶硅储运装置(17)与固定箱(1)的内部连通，所述固定箱(1)的内部且位于固定多晶硅储运装置(17)的正下方固定安装有石英坩埚(5)，所述固定箱(1)内腔底部固定安装有传输管道(16)，所述吊绳(7)的底端且位于上炉腔(6)的内部固定连接有固定架(13)，所述固定架(13)的中心固定安装有电机(14)，所述固定架(13)的底面固定连接有旋转装置(12)，所述旋转装置(12)的底部均匀固定连接有籽晶(8)，所述传输管道(16)的顶端且位于旋转装置(12)的正下方固定安装有生长箱(15)，所述生长箱(15)包括箱体(151)，所述箱体(151)的顶部开设有生长腔(152)，所述生长腔(152)的中部开设有分流孔(153)，所述箱体(151)的底部开设有V型腔(154)，所述生长腔(152)、分流孔(153)和V型腔(154)依次连通，所述分流孔(153)有四个且均匀分布，所述传输管道(16)包括竖直管道(161)与弯曲管道(162)，所述弯曲管道(162)与竖直管道(161)的右侧中部固定连接，所述竖直管道(161)与弯曲管道(162)上均固定套接有保温筒二(163)，所述石英坩埚(5)的底部与传输管道(16)固定连接，所述生长箱(15)通过传输管道(16)与石英坩埚(5)连通，所述固定箱(1)的顶部且位于上炉腔(6)外侧下方均匀开设有氩气输入口(10)，所述石英坩埚(5)与传输管道(16)的连接固定安装有耐热隔离网。
2.根据权利要求1所述的一种直拉法单晶硅生长炉，其特征在于：所述旋转装置(12)包括支撑圆盘(121)，所述支撑圆盘(121)的直径与上炉腔(6)的内壁直径相同，所述支撑圆盘(121)的上表面均匀固定连接有连接柱(122)，所述连接柱(122)的顶端与固定架(13)固定连接，所述支撑圆盘(121)的中心活动安装有主动轮(123)，所述支撑圆盘(121)上活动套接有齿轮轴(124)，所述齿轮轴(124)与主动轮(123)啮合，所述齿轮轴(124)共有四个且均匀分布，所述齿轮轴(124)的底端与籽晶(8)固定连接，所述齿轮轴(124)的数量与分流孔(153)相同，所述齿轮轴(124)的中心与分流孔(153)的中心对齐。
3.根据权利要求1所述的一种直拉法单晶硅生长炉，其特征在于：所述石英坩埚(5)中的熔体液面高于生长箱(15)中的熔体高度。
4.根据权利要求1所述的一种直拉法单晶硅生长炉，其特征在于：所述生长箱(15)与竖直管道(161)、弯曲管道(162)均由石英制成。
5.根据权利要求1所述的一种直拉法单晶硅生长炉，其特征在于：所述氩气输入口(10)有四个，且均匀分布。
6.根据权利要求1所述的一种直拉法单晶硅生长炉，其特征在于：所述固定多晶硅储运装置(17)的内部活动安装有螺旋输送器。
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