CN112095142B - 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。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；导流筒，所述导流筒呈桶状并沿竖直方向设置在所述炉体内的所述硅熔体的上方，所述提拉装置提拉所述硅晶棒在竖直方向上穿过所述导流筒；以及磁场施加装置，用以对所述坩埚内的所述硅熔体施加水平方向的磁场；其中，在所述提拉装置提拉所述硅晶棒穿过所述导流筒的过程中，在所述磁场的方向上的所述导流筒底部与所述硅晶棒之间的距离大于垂直于所述磁场的方向上的所述导流筒底部与所述硅晶棒之间的距离。根据本发明的半导体晶体生长装置，改善了半导体晶体生长的品质。
Description
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。
使用CZ法的半导体单晶硅或太阳能单晶硅的晶体生长中，晶体和熔体的温度分布直接影响晶体的品质和生长速度。在CZ晶体的生长期间，由于熔体存在着热对流，使微量杂质分布不均匀，形成生长条纹。因此，在拉晶过程中，如何抑制熔体的热对流和温度波动，是人们广泛关注的问题。
在磁场发生装置下的晶体生长(MCZ)技术通过对作为导电体的硅熔体施加磁场，使熔体受到与其运动方向相反的洛伦兹力作用，阻碍熔体中的对流，增加熔体中的粘滞性，减少了氧、硼、铝等杂质从石英坩埚进入熔体，进而进入晶体，最终使得生长出来的硅晶体可以具有得到控制的从低到高广范围的氧含量，减少了杂质条纹，因而广泛应用于半导体晶体生长工艺。一种典型的MCZ技术是磁场晶体生长(HMCZ)技术，其对半导体熔体施加磁场，广泛适用于大尺寸、高要求的半导体晶体的生长。
在磁场装置下的晶体生长(HMCZ)技术中，晶体生长的炉体，热场，坩埚，包括硅晶体都是在圆周方向尽量形状对称，而且通过坩埚和晶体的旋转使得圆周方向的温度分布趋于均一。但是磁场施加过程中施加的磁场的磁力线从一端平行穿过在石英坩埚内硅熔体到另一端，旋转中的硅熔体产生的劳伦兹力在圆周方向的各处均不相同，因此硅熔体的流动和温度分布在圆周方向上不一致。
如图1A和图1B所示，示出了一种半导体晶体生长装置中，晶体生长的晶体和熔体的界面下方的温度分布的示意图。其中，图1A示出坩埚内硅熔体的水平面上分布的测试点的图，其中，在熔体液面下方25mm、距中心距离L＝250mm处每隔θ＝45°角度测试一个点。图1B是沿着图1A中与X轴呈角度θ上的各个点采用模拟计算和测试获得的温度分布的曲线，其中实线表示采用模拟计算获得的温度分布图，点图表示采用测试的方法获得的温度的分布图。在图1A中，箭头A示出坩埚的旋转方向为逆时针旋转，箭头B示出磁场方向沿着Y轴方向横向穿过坩埚直径。从图1B可以看出，在半导体晶体生长过程中，无论从模拟计算还是测试的方法获得数据，均体现了在半导体晶体生长过程中，半导体晶体和熔液的截面下方的温度随着角度的变化在圆周上呈现波动。
根据Voronkov晶体生长理论，晶体和液面的截面的热平衡方程如下，
PS*LQ＝Kc*Gc-Km*Gm。
其中，LQ是硅熔体向硅晶体相变的潜能，Kc，Km分别代表晶体和熔体的热传导系数；Kc，Km和LQ均为硅材料的物性参数；PS代表晶体的在拉伸方向的结晶速度，近似为晶体的提拉速度；Gc，Gm分别是界面处的晶体和熔体的温度梯度(dT/dZ)。由于，在半导体晶体生长过程中，半导体晶体和熔液的截面下方的温度随着圆周角度的变化呈现周期性的波动，即作为界面的晶体和熔体的温度梯度(dT/dZ)的Gc，Gm呈现波动，因而，圆周角度方向的晶体的结晶速度PS呈现周期性的波动，这不利于晶体生长品质的控制。
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。
为了解决现有技术中的问题，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；
导流筒，所述导流筒呈桶状并沿竖直方向设置在所述炉体内的所述硅熔体上方，所述提拉装置提拉所述硅晶棒在竖直方向上穿过所述导流筒；以及
磁场施加装置，用以对所述坩埚内的所述硅熔体施加水平方向的磁场；
其中，
在所述提拉装置提拉所述硅晶棒穿过所述导流筒的过程中，在所述磁场的方向上的所述导流筒底部与所述硅晶棒之间的距离大于垂直于所述磁场的方向上的所述导流筒底部与所述硅晶棒之间的距离。
示例性地，所述导流筒底部的横截面呈椭圆形。
示例性地，所述椭圆形的长轴与所述磁场的夹角的范围为0-45°。
示例性地，在所述椭圆形的短轴方向上，所述导流筒底部与所述硅晶棒的距离为10-40mm。
示例性地，在所述椭圆形的长轴方向上，所述导流筒底部与所述硅晶棒的最大距离为20-60mm。
示例性地，所述导流筒包括调整装置，用以调整所述导流筒底部与所述硅晶棒之间的距离。
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所述内筒和所述外筒之间形成空腔，所述隔热材料设置在所述空腔内；其中，
所述调整装置包括插入部件，所述插入部件包括突出部和插入部，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，所述突出部位于所述内筒底部内侧。
示例性地，所述调整装置包括沿着垂直于所述磁场的方向上设置在所述导流筒上的至少两个。
示例性地，所述突出部设置为椭圆形圆环。
根据本发明的半导体晶体生长装置，通过沿着所述硅晶棒的圆周方向，将导流筒底部与硅晶棒之间设置不同的距离，在所述磁场的方向上所述导流筒底部与所述硅晶棒之间的距离大于垂直于所述磁场的方向上所述导流筒底部与所述硅晶棒之间的距离，从而对硅晶棒与硅熔体界面下方的硅熔体温度的分布起到调节作用，从而可以调整因为施加的磁场导致的硅熔体温度在圆周方向分布的波动，有效改善了硅熔体温度分布的均匀性，从而改善了晶体生长的速度均匀性，改善了拉晶质量。同时还对硅熔体的流动结构进行调整，使硅熔体的流动状态沿着圆周方向更加均匀，这进一步改善了晶体生长的速度均匀性，减小了晶体生长的缺陷。
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1A和图1B为一种半导体晶体生长装置中，晶体生长的晶体和熔体的界面下方的温度分布的示意图；
图2为根据一种半导体晶体生长装置的结构示意图；
图3为根据本发明的一个实施例的半导体晶体生长装置中坩埚、导流筒和硅晶棒的横截面位置排布示意图；
图4为根据本发明的一个实施例的半导体生长装置中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。
参看图2，示出了一种半导体晶体生长装置的结构示意图，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，坩埚11由石墨坩埚和套设在石墨坩埚内的石英坩埚构成，石墨坩埚接收加热器的加热使石英坩埚内的多晶硅材料融化形成硅熔体。其中每一石英坩埚用于一个批次半导体生长工艺，而每一石墨坩埚用于多批次半导体生长工艺。
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，示例性地，如图1所示，热屏装置包括有导流筒16，导流筒16设置为桶型，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。在半导体晶体生长过程中，在提拉装置14的带动下，硅晶棒10竖直向上穿过导流筒16。
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。
为了阻碍硅熔体的对流，增加硅熔体中的粘滞性，减少氧、硼、铝等杂质从石英坩埚进入熔体，进而进入晶体，最终使得生长出来的硅晶体可以具有得到控制的从低到高广范围的氧含量，减少杂质条纹，半导体生长装置中还包括设置在炉体外侧的磁场施加装置17，用以对坩埚内的硅熔体施加磁场。
由于磁场施加装置17施加的磁场的磁力线从一端平行穿过在坩埚内硅熔体到另一端(参看图2中虚线箭头)，旋转中的硅熔体产生的劳伦兹力在圆周方向都不相同，因此硅熔体的流动和温度分布在圆周方向上不一致，其中沿着磁场方向的温度高于垂直于磁场的方向。硅熔体的流动和温度的不一致表现为半导体晶体和熔液的截面下方的熔液温度随着角度的变化呈现波动，从而使晶体的结晶速度PS呈现波动，从而半导体生长速度在圆周上呈现不均匀，不利于半导体晶体生长品质的控制。
为此，本发明的半导体生长装置中，将导流筒16设置为沿着所述硅晶棒的圆周方向，所述导流筒底部与所述硅晶棒之间具有不同的距离。
沿着硅晶棒的圆周，将导流筒底部与硅晶棒之间设置不同的距离，在磁场的方向上所述导流筒底部与所述硅晶棒之间的距离大于垂直于所述磁场的方向上所述导流筒底部与所述硅晶棒之间的距离，在距离较大的地方，硅熔体液面辐射到硅晶棒和导流筒内侧的热量大，在距离较小的地方，硅熔体液面辐射到硅晶棒和导流筒内侧的热量小，从而使距离较大的地方的硅熔体液面的温度较距离较小的地方的硅熔体液面的温度减少的多，弥补了因为施加的磁场对硅熔体流动的影响导致的在磁场的施加方向上的温度高于垂直于磁场施加方向的温度的问题。据此，通过设置导流筒底部与硅晶棒之间的距离，从而对硅晶棒与硅熔体界面下方的硅熔体温度的分布起到调节作用，从而可以调整因为施加的磁场导致的硅熔体温度在圆周方向分布的波动，有效改善了硅熔体温度分布的均匀性，从而改善了晶体生长的速度均匀性，改善了拉晶质量。
同时，由于沿着所述硅晶棒的圆周方向，所述导流筒底部与所述硅晶棒之间具有不同的距离，使得在距离较大的位置处，从炉体顶部通入的通过导流筒倒流到硅熔体液面位置处的压力流速降低，硅熔体液面的剪切力降低，在距离较小的位置处，从炉体顶部通入的通过导流筒倒流到硅熔体液面位置处的压力流速增加，硅熔体液面的剪切力增加，据此，通过设置导流筒底部与硅晶棒之间的距离，从而对硅熔体的流动结构进行进一步调整，使硅熔体的流动状态沿着圆周方向更加均匀，这进一步改善了晶体生长的速度均匀性，改善了拉晶质量。同时，通过改变硅熔体的流动状态，可以改善晶体内的氧含量分布的均匀性，减小晶体生长的缺陷。
根据本发明的一个示例，所述导流筒16的底部的横截面呈椭圆形。参看图3，示出了根据本发明的一个实施例的半导体晶体生长装置中坩埚、导流筒和硅晶棒的横截面位置排布示意图。如图3所示，导流筒16的底部呈椭圆形，其长轴为C1，短轴为C2。箭头D1示出为磁场的方向，箭头D2示出为坩埚11旋转的方向。从图3中可以看出，由于长轴C1靠近Y轴，沿着磁场的方向(Y轴方向)上导流筒16底部距离硅晶棒10的距离大于垂直于磁场方向(X轴方向)上导流筒16底部距离硅晶棒10的距离。
进一步，示例性的，所述椭圆形的长轴与所述磁场(Y轴方向)的夹角α的范围为0-45°。
进一步，在所述椭圆形的短轴方向上，所述导流筒底部与所述硅晶棒的距离为10-40mm。
进一步，在所述椭圆形的长轴方向上，所述导流筒底部与所述硅晶棒的最大距离20-60mm。
在上述设置形式下，导流筒底部与硅晶棒之间的距离从短轴方向上的最小距离向长轴方向上的最大距离过渡，使硅熔体液面辐射到硅晶棒和导流筒内侧的热量随着导流筒底部与硅晶棒之间的距离得到平缓调整，使硅熔体温度和流动结构得到平缓调整，避免剧烈调整引起的硅熔体温度和流动结构的波动，进一步改善硅熔体温度和流动结构均匀性，改善拉晶质量。在本发明的一个示例中，所述椭圆形的长轴与所述磁场(Y轴方向)的夹角α为45°，在所述椭圆形的短轴方向上，所述导流筒底部与所述硅晶棒的距离为10mm，在所述椭圆形的长轴方向上，所述导流筒底部与所述硅晶棒的最大距离60mm。
根据本发明的一个示例，所述导流筒包括调整装置，用以调整所述导流筒底部与所述硅晶棒之间的距离。采用增设调整装置的形式改变导流筒底部与硅晶棒之间的距离，可以在现有导流筒结构上在简化导流筒的制造工艺。
示例性的，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。
根据本发明的一个示例，所述调整装置包括插入部件，所述插入部件包括突出部和插入部，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，所述突出部位于所述内筒底部内侧，由于现有的导流筒一般设置为圆锥桶型，导流筒底部通常采用横截面为圆形的设置，通过将导流筒设置为包括在内筒和外筒之间的插入部件，可以在不改变现有导流筒结构的情况下，通过调整插入部件的结构和形状，灵活调整导流筒底部的形状，以调整导流筒底部与硅晶棒之间的距离；从而实现在不改变现有半导体生长装置的情况下，通过设置具有插入部的调整装置达到本发明的效果。同时插入部件可以模块化制造、更换，进而适应各种不同尺寸的半导体晶体生长工艺，进而节约成本。
参看图4，示出了根据本发明的一个实施例的半导体生长装置中的导流筒的结构示意图。参看图4，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4，在导流筒16的下端设置有调整装置18。调整装置，调整装置18包括突出部181和插入部182，所述插入部182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热导率较低的材料，如SiC陶瓷，石英等。
示例性的，所述调整装置可以分段设置，如沿着垂直于所述磁场的方向上设置在所述导流筒上的两个；也可以沿着导流筒底部圆周设置，如设置为椭圆形圆环。
需要理解的是，调整装置以分段设置或者以椭圆形圆环设置仅仅是示例性的，任何能够调整导流筒内筒底部与所述硅晶棒之间的距离的调整装置均适用于本发明。
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；
导流筒，所述导流筒呈桶状并沿竖直方向设置在所述炉体内的所述硅熔体的上方；
所述提拉装置提拉所述硅晶棒在竖直方向上穿过所述导流筒；以及
磁场施加装置，用以对所述坩埚内的所述硅熔体施加水平方向的磁场；
在所述提拉装置提拉所述硅晶棒穿过所述导流筒的过程中，在所述磁场的方向上的所述导流筒底部与所述硅晶棒之间的距离大于垂直于所述磁场的方向上的所述导流筒底部与所述硅晶棒之间的距离。
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，所述导流筒底部的横截面呈椭圆形。
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，所述椭圆形的长轴与所述磁场的夹角的范围为0-45°。
4.根据权利要求2所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，在所述椭圆形的短轴方向上，所述导流筒底部与所述硅晶棒的距离为10mm-40mm。
5.根据权利要求3所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，在所述椭圆形的长轴方向上，所述导流筒底部与所述硅晶棒的最大距离为20mm-60mm。
6.根据权利要求1所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述导流筒包括调整装置，用以调整所述导流筒底部与所述硅晶棒之间的距离。
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所述内筒和所述外筒之间形成空腔，所述隔热材料设置在所述空腔内；其中，
所述调整装置包括插入部件，所述插入部件包括突出部和插入部，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，所述突出部位于所述内筒底部内侧。
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，所述调整装置包括沿着垂直于所述磁场的方向上设置在所述导流筒上的至少两个。
9.根据权利要求7所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述突出部设置为椭圆形圆环。
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