CN111876822A - 一种用于单晶硅生长炉的热屏及单晶硅生长炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单晶硅生长炉热屏及单晶硅生长炉，所述热屏设置在所述单晶硅生长炉的熔体坩埚的上部，所述热屏包括屏壁和屏底，所述屏底具有供熔体提拉通过的窗口，所述屏底包括上层、下层和侧壁，所述侧壁连接与所述上层和所述下层之间且围成所述窗口，所述下层朝向所述熔体的液面，所述下层设为齿状结构，用于将外部热能反射到所述熔体液面时不会继续反射到单晶硅晶体侧壁；通过将屏底的下层设置为齿状结构，可以避免外部热能量被单晶硅晶体吸收，从而避免晶体表面热补偿过高，有效优化晶体纵向温度梯度，提高硅片径向的质量均匀性。

Description

一种用于单晶硅生长炉的热屏及单晶硅生长炉
技术领域
本发明涉及半导体制造设备及设计领域，特别涉及一种用于单晶硅生长炉的热屏及单晶硅生长炉。
背景技术
单晶硅是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。
单晶炉是一种在惰性气体(氮气、氦气为主)环境中，用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备。
目前，大尺寸硅单晶尤其是12寸以上硅单晶主要通过直拉法制备获得。直拉法是通过将11个9的高纯多晶硅在石英坩埚内熔化，利用籽晶经过引晶、放肩、等径、收尾制备硅单晶。该方法最关键的是由石墨及保温材料组成的热场，热场的设计直接决定了晶体的质量、工艺、能耗等。
在整个热场设计中，最为关键的就就是热屏的设计。首先热屏的设计直接影响固液界面的垂直温度梯度，通过梯度的变化影响V/G比值决定晶体质量。其次，会影响固液界面的水平温度梯度，控制整个硅片的质量均匀性。最后，热屏的合理设计会影响晶体热历史，控制晶体内部缺陷的形核与长大，在制备高阶硅片过程中非常关键。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于，提供一种用于单晶硅生长炉的热屏及单晶硅生长炉，能控制单晶硅晶体侧壁表面稳定的热补偿，避免底部热补偿过大，影响晶体的生长。
为了解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一方面，本发明提供一种用于单晶硅生长炉的热屏，所述单晶硅生长炉包括熔体坩埚，所述热屏设置在所述熔体坩埚的上部，所述热屏包括屏壁和屏底，所述屏底具有供熔体提拉通过的窗口，所述屏底包括上层、下层和侧壁，所述侧壁连接与所述上层和所述下层之间且围成所述窗口，所述下层朝向所述熔体的液面，所述下层设为齿状结构，用于防止外部热能反射到单晶硅晶体侧壁。
进一步地，所述下层所在平面与所述熔体液面平行设置。
进一步地，所述齿状结构包括第一齿排和第二齿排，所述第一齿排朝向所述上层方向设置，所述第二齿排远离所述上层方向设置，所述第一齿排包括多个呈第一夹角设置的第一齿，所述第二齿排包括多个呈第二夹角设置的第二齿，所述第一齿和所述第二齿依次交错设置。
作为可选地，多个所述第一交角不全部相等，多个所述第二夹角不全部相等。
作为优选地，所述第一夹角的交平分线与所述熔体的液面呈锐角设置，并且所述锐角开口远离所述单晶硅晶体。
进一步地，所述第一夹角和/或所述第二夹角通过设置圆弧过渡。
进一步地，所述上层、所述下层和所述侧壁围城所述屏底的内部空间，所述内部空间填充有保温材料。
作为可选地，所述保温材料包括碳纤维毡。
进一步地，所述上层和所述下层均设有石墨层。
另一方面，本发明还提供一种单晶硅生长炉，所述单晶硅生长炉包括：
炉体，包括炉体壁以及腔体，所述腔体由所述炉体壁所包围；
熔体坩埚，设置于所述腔体内，用以承载熔体；
加热器，设置所述腔体内且分布于所述熔体坩埚外周，用以提供所述熔体坩埚的热场；以及
如上述所述的一种用于单晶硅生长炉的热屏。
采用上述技术方案，本发明所述的一种用于单晶硅生长炉的热屏及单晶硅生长炉具有如下有益效果：
1.本发明所述的一种用于单晶硅生长炉的热屏及单晶硅生长炉，通过将屏底的下层设置为齿状结构，可以避免外部热能量被单晶硅晶体吸收，从而避免晶体表面热补偿过高，有效优化晶体纵向温度梯度，提高硅片径向的质量均匀性。
2.本发明所述的一种用于单晶硅生长炉的热屏及单晶硅生长炉，通过将屏底的下层设置为齿状结构，可以将外部热能反射到熔体中，从而被溶体吸收，避免熔体液面温度下降过快，保证了熔体的融融状态，提高了拉晶的效果。
3.本发明所述的一种用于单晶硅生长炉的热屏及单晶硅生长炉，通过对屏底结构的改进，可有效提高工艺效果，在半导体制造领域具有较好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1本发明所述的热屏工作环境简图；
图2本说明书实施例中屏底结构示意图；
图3本说明书其他实施例中屏底结构示意图；
图4本说明书其他实施例中屏底结构示意图；
图5本说明书其他实施例中屏底结构示意图；
图6本说明书其他实施例中屏底结构示意图；
图7本说明书实施例中单晶硅生长炉示意图。
图中：1-热屏，2-炉体，3-熔体坩埚，4-加热器，5-转轴，11-屏蔽，12-屏底，21-炉体壁，121-上层，122-下层，123-侧壁，124-第一齿排，125-第二齿排。
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的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。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1
由于在单晶硅拉晶生成过程中，对晶体纵向和横向温度梯度要求很高，特别是晶体底部位置，由于外部热能，比如熔体坩埚以外的位置的热能通过热屏和熔体液面之间的空隙，经过多次反射能够被晶体侧壁吸收，导致热接收部位的热补偿会比较高，导致晶体纵向温度梯度发生变化，不利于拉晶的快速进行，同时晶体内部横向的温度梯度变化小，降低晶体的结晶效率，进而影响整个硅片的质量。
为了解决上述问题，本说明书实施例提供一种热屏，通过对热屏结构的改进有效的优化晶体底部热补偿效果，从而提高晶体的拉晶效率和生长质量。
具体地，如图1所示，为本说明书实施例中提供的热屏具体工作场景示意图。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，遂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型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
所述热屏1设置在所述单晶硅生长炉中的熔体坩埚的上部，可以将所述热屏1分为屏壁11和屏底12，所述屏蔽11用于连接所述单晶硅生长炉，具体地，所述屏蔽11固定在所述单晶硅生长炉的炉壁上。
在本说明书实施例中所述屏蔽11可以是单层设置，可以直接贴合在所述单晶硅生长炉的炉壁上，也可以与所述炉壁呈一定角度，这样所述屏蔽11就能承载熔体向上挥发的热能，避免底部热能传播到单晶硅上生长炉上部，保证晶体纵向上温度梯度。具体的，所述屏蔽11可以是单层石墨层，所述石墨层的热反射系统根据不同的要求设置。
在一些其他实施例中，所述屏蔽11也可以设置双层结构，中间填充保温材料，作为优选地，所述屏蔽11的上层和下侧可以设置不同反射系数的石墨层，所述屏蔽11的上层石墨层可以承载热能，避免热能达到单晶硅生长炉上部，所述屏蔽11的下层石墨层用于反射熔体的热能，两者的反射系数的具体参数这里就不做具体限定。
在本说明书实施例中，所述屏底12与所述屏蔽11连接，可以包括上层121、下层122和侧壁123，当所述屏蔽11为单层结构时，所述上层121、所述下层122和所述侧壁123就围成内部空间结构，所述上层121和所述下城122之间的距离不做限定，作为可选地可以是300mm-500mm，在所述内部空间填充有保温材料，可以保证所述屏底12热量的温度，这样可以在拉晶过程中，在纵向上提供较优的温度梯度，作为可选地，所述内部空间可以填充碳纤维毡。
在一些其他实施例中，当所述屏蔽11为双层结构时，所述上层121、所述下层122和所述侧壁123围成的内部空间和所述屏蔽11的内部空间连通，这样在连通的空间内均可以填充保温材料，避免热量向上扩散。
同时所述上侧121和所述下层122均可以是石墨层，以及所述侧壁123也可以是石墨层，所述上侧121、所述下层122和所述侧壁123上石墨层的热反射系数也是可以不同的。
在一些其他实施例中，所述上层121所在平面与水平面呈预设夹角设置，所述下层122所在平面与水平面水平设置，作为可选地，所述预设夹角可以是0°-30°，在一些其他实施例中，所述预设夹角可以更高。
需要说明的是，所述屏蔽11主要起到连接所述屏底12以及避免熔体热量向上扩散的功能，在实际应用中，所述屏蔽11呈圆环形设置，在圆环形屏蔽下方连接有圆环形的屏底，所述屏底12中间设有供拉晶上升的窗口，即通过所述侧壁123围成所述窗口。
在本说明书实施例中，为了避免拉晶过程中晶体底部热补偿过高，可以将是下层122设置成齿状结构，可以实现从外部进来的热能经所述下层122表面反射后能被熔体液面全部吸收。当晶体底部侧壁的热补偿强度降低时，会同时优化晶体底部横向的温度梯度和整个晶体纵向的温度梯度，有利于提升拉晶速度和晶体结晶速度，最终提高硅片的质量。
具体地，如图2所示，为本说明书一个实施例，所述齿状结构可以包括第一齿排124和第二齿排125，所述第一齿排124朝向所述上层121方向设置，所述第二齿排125远离所述上层121方向设置，所述第一齿排124包括多个第一齿，所述第二齿排125包括多个第二齿。
其中多个所述第一齿可以相同，也可以不同，相应地，所述第二齿都可以相同，也可以不同，具体地，如图3所示，多个所述第一夹角可以不同，多个所述第二夹角也可以不同，作为可选地，所述第一夹角和所述第二夹角相等。
需要说明的是，所述第一夹角可以被配置为其平分线可以垂直所述熔体液面，在一些其他实施例中，作为优选地，所述第一夹角平分线也可以与所述熔体液面斜交，具体地，所述第一夹角的交平分线与所述熔体的液面呈锐角设置，并且所述锐角开口远离所述单晶硅晶体，这样就能使得外部来源热能经过所述下层12反射后，能直接对熔体液面吸收，进而避免继续反射到晶体侧面，能在保证液面温度的前提下，降低晶体底部表面的温度，提高了拉晶的速度和效率。相应地，所述第二夹角可以被配置为其平分线可以垂直所述熔体液面，在一些其他实施例中，所述第二夹角平分线也可以与所述熔体液面斜交，所述第一夹角和所述第二夹角的大小根据实际工作情况设置，比如需要考虑熔体液面到下层之间距离，窗口尺寸或者晶体的尺寸等等，作为选地，所述第一夹角可以为20°-60°，所述第二夹角可以为20°-60°。
在一些其他实施例中，所述第一夹角和/或所述第二夹角通过设置圆弧过渡，如图4至图6所示，为所述齿状结构的其他结构形式，具体地，如图4所示，所述第二齿排中夹角全部圆弧过渡，因为在第二齿排设为夹角时，在安装零件或更换零件时，朝外的夹角会有伤害工作人员的风险，起到保护工作人员的作用。
如图5所示，也可以将第一齿排中夹角全部圆弧过渡，这样可以扩大下层能热能接触的面积，即热能能均匀的被下层表面吸收，从而可以减少反射的人热能，如图6所示，所述第一齿排和所述第二齿排中的夹角均通过圆弧过渡；可以更全面的接收来自外部和熔体的热能，而且热能吸收均匀，可以更好的减少热能的反射；需要说明的是，如图4和图5中的结构，也可以是其中部分夹角圆弧过渡，形成不同的齿状结构，在这里就不一一赘述了。
再次需要说明的是，所述齿状结构中第一齿和第二齿的数量和大小也是不受限制，肯定客户或用户的操作环境，以及对温度梯度的把握可以进行调整。作为可选地，所述齿状结构完全覆盖所述下层122，并且每个第一齿和第二齿的长度为50mm，在一些其他实施例中，所述第一齿和所述第二齿的大小也可以不同。
在上述提供的热屏的基础上，还提供了所述热屏应用的装置，即本说明书实施例还提供了一种单晶硅生长炉，如图7所示，所述单晶硅生长炉包括：
炉体2，包括炉体壁21以及腔体，所述腔体由所述炉体壁所包围；
熔体坩埚3，设置于所述腔体内，用以承载熔体；
加热器4，设置所述腔体内且分布于所述熔体坩埚3外周，用以提供所述熔体坩埚3的热场；以及上述提供的热屏。
其中所述热屏设置在所述熔体坩埚3的上部，，用以提供提拉单晶硅的结晶所需的温度梯度。在所述熔体坩埚3的底部还连接有转轴5，通过转轴5控制熔体坩埚3上升和旋转，可以保证熔体能量的稳定，提高熔体加热的均匀性。
通过上述提供的热屏及单晶硅生长炉，可以取得如下有益效果：
1)本发明所述的一种热屏及单晶硅生长炉，通过将屏底的下层设置为齿状结构，可以避免外部热能量被单晶硅晶体吸收，从而避免晶体表面热补偿过高，有效优化晶体纵向温度梯度，提高硅片径向的质量均匀性。
2)本发明所述的一种热屏及单晶硅生长炉，通过将屏底的下层设置为齿状结构，可以将外部热能反射到熔体中，从而被溶体吸收，避免熔体液面温度下降过快，保证了熔体的熔融状态，提高了拉晶的效果。
3)本发明所述的一种热屏及单晶硅生长炉，通过对屏底结构的改进，可有效提高工艺效果，在半导体制造领域具有较好的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种用于单晶硅生长炉的热屏，所述单晶硅生长炉包括熔体坩埚，其特征在于，所述热屏(1)设置在所述熔体坩埚的上部，所述热屏(1)包括屏壁(11)和屏底(12)，所述屏底(12)具有供熔体提拉通过的窗口，所述屏底(12)包括上层(121)、下层(122)和侧壁(123)，所述侧壁(123)连接与所述上层(121)和所述下层(122)之间且围成所述窗口，所述下层(122)朝向所述熔体的液面，所述下层(122)设为齿状结构，用于防止外部热能反射到单晶硅晶体侧壁。
2.根据权利要求1所述的热屏，其特征在于，所述下层(122)所在平面与所述熔体液面平行设置。
3.根据权利要求1所述的热屏，其特征在于，所述齿状结构包括第一齿排(124)和第二齿排(125)，所述第一齿排(124)朝向所述上层(121)方向设置，所述第二齿排(125)远离所述上层(121)方向设置，所述第一齿排(124)包括多个呈第一夹角设置的第一齿，所述第二齿排(125)包括多个呈第二夹角设置的第二齿，所述第一齿和所述第二齿依次交错设置。
4.根据权利要求3所述的热屏，其特征在于，多个所述第一交角不全部相等，多个所述第二夹角不全部相等。
5.根据权利要求3所述的热屏，其特征在于，所述第一夹角的交平分线与所述熔体的液面呈锐角设置，并且所述锐角开口远离所述单晶硅晶体。
6.根据权利要求3所述的热屏，其特征在于，所述第一夹角和/或所述第二夹角通过设置圆弧过渡。
7.根据权利要求1所述的热屏，其特征在于，所述上层(121)、所述下层(122)和所述侧壁(123)围城所述屏底(12)的内部空间，所述内部空间填充有保温材料。
8.根据权利要求7所述的热屏，其特征在于，所述保温材料包括碳纤维毡。
9.根据权利要求1所述的热屏，其特征在于，所述上层(121)和所述下层(122)均设有石墨层。
10.一种单晶硅生长炉，其特征在于，所述单晶硅生长炉包括：
炉体(2)，包括炉体壁(21)以及腔体，所述腔体由所述炉体壁(21)所包围；
熔体坩埚(3)，设置于所述腔体内，用以承载熔体；
加热器(4)，设置所述腔体内且分布于所述熔体坩埚(3)外周，用以提供所述熔体坩埚(3)的热场；以及
如权利要求1至9所述的一种用于单晶硅生长炉的热屏。
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