CN112144106A - 单晶生长设备及生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单晶生长设备及单晶生长方法。设备包括炉体、坩埚、加热器及导流组件，导流组件包括导流筒及导流筒提拉装置，坩埚、加热器及导流筒均位于炉体内；坩埚用于承载熔融硅；加热器位于坩埚的外围，用于对坩埚进行加热；导流筒与导流筒提拉装置相连接，并自坩埚的外侧延伸到熔融硅的上方；导流筒提拉装置包括控制器，导流筒在控制器的控制下上下移动，以改变所述导流筒与所述熔融硅液面的间距。本发明无需改变晶体提拉速度和坩埚上升速度，因而不会改变液面和热场的相对位置，有利于稳定单晶生长调节，有利于生长出高品质的单晶，且调整操作简单，调整精度高。

Description

单晶生长设备及生长方法

技术领域

本发明属于硅片制备领域，特别是涉及一种单晶生长设备及生长方法。

背景技术

直拉法是现有的一种常用的单晶生长方法，又称为切克劳斯基法，简称CZ法。CZ法的特点是在一个直筒型的炉体中，用石墨电阻加热，将装在高纯度石英坩埚中的多晶硅熔化，然后将籽晶插入熔体表面进行熔接，同时转动籽晶，再反转坩埚，籽晶缓慢向上提升，经过引晶、放肩、转肩、等径生长、收尾等过程，最终长成所需直径和长度的晶棒。

液口距对单晶生长界面轴向温度梯度影响较大，液口距变化导致拉晶的稳态发生变化，轴向温度梯度也会发生变化，边缘的温度梯度和中心的温度梯度差异随着等径长度的增加而发生变化。该现象对生长无缺陷单晶有着严重的不利影响。通常在一定的范围内，液口距越大，轴向温度梯度越平缓。因此在拉晶过程中，在不同的等径长度通过改变坩埚的提升速度以控制液口距来改变轴向温度梯度。因为在单晶硅生长过程中，硅原料被不断熔融消耗，导致坩埚内的熔融液面不断下降，故为了将液面保持在一个固定的位置(即确保液口距，即熔融硅液面至导流筒的距离这个参数不变)，现有技术中通常是在单晶生长过程中按一定的速度将坩埚进行提升，即通过改变坩埚提拉速度改变坩埚位置以确保液口距不变。坩埚的提升速度通常通过对单晶硅生长速度、单晶硅直径、石英坩埚直径、熔体密度等参数综合计算得到，比如在等径过程中如果需要液口距小一点，那坩埚就升的快一点。但现有技术中在采用调整坩埚位置来调整液口距时并没有在等径前期考虑坩埚位置对拉晶品质的影响，不能保证液面和热场的相对位置，在等径过程中调整坩埚位置会破坏拉晶的稳态，且调整缓慢。

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单晶生长设备及生长方法，用于解决现有技术中在采用调整坩埚位置来调整液口距时并没有在等径前期考虑坩埚位置对拉晶品质的影响，不能保证液面和热场的相对位置，在等径过程中调整坩埚位置会破坏拉晶的稳态，且调整缓慢等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单晶生长设备，所述单晶生长设备包括炉体、坩埚、加热器及导流组件，所述导流组件包括导流筒及导流筒提拉装置，所述坩埚位于所述炉体内，用于承载熔融硅，所述加热器设置于所述炉体内，且位于所述坩埚的外围，用于对所述坩埚进行加热；所述导流筒设置于所述炉体内，与所述导流筒提拉装置连接，所述导流筒自所述坩埚的外侧延伸到所述熔融硅的上方，所述导流筒提拉装置包含控制器，所述导流筒在所述控制器的控制下上下移动，以改变所述导流筒与所述熔融硅液面的间距。

可选地，所述导流筒提拉装置还包括连杆及电机，所述连杆一端与所述导流筒相连接，另一端向上延伸到所述炉体外，所述电机与所述连杆及所述控制器相连接，所述电机在所述控制器的控制下驱动所述连杆带动所述导流筒上下移动。

可选地，所述连杆为多个，所述多个连杆对称设置于所述导流筒上。

可选地，所述导流筒包括耳部及锥形筒部，所述耳部一端与所述炉体的内壁相邻，另一端向所述炉体的中线方向延伸，所述锥形筒部一端与所述耳部远离所述炉体内壁的一端相连接，另一端延伸到所述坩埚的上方，所述连杆与所述耳部相连接。

可选地，所述控制器为PLC控制器，所述PLC控制器还与单晶提拉装置相连接。

可选地，当单晶等径长度变化a mm，单晶长度变化a过程中籽晶提拉速度为b mm/min；若液口距每增加c mm时，则导流筒以c*b/a mm/min的速度向上移动。

可选地，所述单晶生长设备还包括埚升系统，用于在单晶生长过程中驱动所述坩埚以一预设恒定速度向上移动。

本发明还提供一种单晶生长方法，所述单晶生长方法在单晶生长过程中，通过上下移动导流筒，以改变导流筒与坩埚内的熔融硅的间距，由此调整单晶生长过程中的轴向温度梯度。

可选地，所述导流筒的移动速度为0～0.1mm/min，移动区间为0～20mm。

可选地，单晶生长过程中，所述坩埚以一预设恒定速度向上移动。

如上所述，本发明的单晶生长设备及单晶生长方法，具有以下有益效果：本发明的单晶生长设备通过添加导流筒联动装置，以在需要时通过调整导流筒的高度来改变液口距，在整个过程中晶体提拉速度和坩埚上升速度无任何调整，从而达到改变单晶生长过程中的轴向温度梯度的目的，确保液面和热场的相对位置，在等径过程中维持拉晶的稳态，且调整操作简单，调整精度高，有利于提高单晶生长品质。

附图说明

图1显示为本发明的单晶生长设备的结构示意图。

图2显示为采用本发明的单晶生长设备调整液口距和导流筒速度之间的关系示意图。

元件标号说明

11 炉体

12 坩埚

13 加热器

14 导流筒

141 耳部

142 锥形筒部

151 连杆

152 电机

153 控制器

16 熔融硅

17 石墨层

18 石墨端盖

21 籽晶

22 单晶提拉装置

23 坩埚驱动装置

d 液口距

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他优点与功效。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2，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。

如图1所示，本发明提供一种单晶生长设备，包括炉体11、坩埚12、加热器13及导流组件，所述导流组件包括导流筒14及导流筒提拉装置；所述炉体11为单晶生长的主体，所述坩埚12、加热器13及导流筒14均位于所述炉体11内；所述坩埚12用于承载熔融硅16，所述坩埚12的材质包括但不限于石英和石墨中的一种，比如在一示例中，所述坩埚12包括石墨坩埚和位于所述石墨坩埚内的石英坩埚；且在需要时所述坩埚12内表面可以有其他材质的涂层，比如碳化硅涂层；所述加热器13位于所述坩埚12的外围且优选位于整个坩埚的外围周向上，以对坩埚均匀加热；加热器13通过对所述坩埚12进行加热，以将所述坩埚12内的固态硅料熔融为液态的熔融硅16，所述导流筒14与所述导流筒提拉装置相连接，且所述导流筒14自所述坩埚12的外侧延伸到所述熔融硅16的上方，且通常所述导流筒14与所述熔融硅16具有间距；所述导流筒提拉装置包含控制器153，所述导流筒14在所述控制器153的控制下上下移动，以改变所述导流筒14与所述熔融硅16液面的间距，由此调整单晶生长过程中的轴向温度梯度。本发明的单晶生长设备通过添加导流筒提拉装置，以在需要时通过调整导流筒的高度来改变液口距d，而无需改变坩埚提升速度，可以使坩埚位置保持相对固定，从而在每一炉中使加热器、坩埚及坩埚以下的下部热场的相对位置保持不变，保证每一炉硅单晶生长条件恒定一致，有利于确保生产品质的稳定一致性。该方法调整快速有效，相较于传统方法中通过调整坩埚位置调整液口距d的方法，可以更加快速地调整液口距。

需要说明的是，坩埚12中的硅料初始状态通常为固态，经受热熔融后变成熔融硅16，而导流筒14与熔融硅16之间的间距是指导流筒14最低点位置与熔融硅16液面之间的距离，也即业内俗称的液口距d。导流筒14是组成石墨热场的一部分，在单晶生长过程中通过所述导流筒14将惰性气体，比如将氩气由上而下导入到熔融硅16上方，可以带走熔融硅16上方的SiO，并对单晶硅棒进行降温，增大其轴向温度梯度(即单晶的纵向生长方向的温度)，使单晶快速生长。液口距d在硅单晶生长等径过程中是一个很重要的参数，液口距d过大或过小都不利于单晶生长，且等径不同的单晶长度处对应有不同的液口距d值。单晶生长过程中为确保单晶生长的品质需尽量在等径生长时保持液口距d不变。现有技术中都是在单晶生长过程中通过提升坩埚以弥补因熔融硅消耗导致液口距d增大的问题，但通过改变坩埚提拉速度调整坩埚位置来调整液口距d会改变熔体和加热器的相对位置，使熔体中对流不稳定，即单晶稳定的生长条件遭到破坏，会造成硅单晶生长拉速不稳定，降低硅单晶质量。而本发明通过调整导流筒的位置以维持单晶生长过程中的稳态，可以将对单晶生长的不良影响降到最低，有利于提高单晶生长品质。

作为示例，所述导流筒提拉装置还包括连杆151及电机152，所述连杆151一端与所述导流筒14相连接，另一端向上延伸到所述炉体11外，且可上下移动，所述电机152与所述连杆151及所述控制器153相连接，所述电机152在所述控制器153的控制下驱动所述连杆151带动所述导流筒14上下移动。

作为示例，所述导流筒14包括耳部141及锥形筒部142，所述耳部141一端与所述炉体11的内壁相邻(该端与气体源相连通)，另一端向所述炉体11的中线方向延伸，所述锥形筒部142一端与所述耳部141远离所述炉体11内壁的一端相连接，另一端延伸到所述熔融硅16的上方，所述连杆151与所述耳部141相连接。所述耳部141呈水平状态，将连杆151与耳部141垂直连接，确保在提拉导流筒14的过程中是呈直线上下运动，以精确控制提拉速度。所述锥形筒部142呈倾斜状，且与水平面的夹角可为30～75°，以将惰性气体均匀输送至熔融硅表面，避免造成液面波动。且所述锥形筒部142的尺寸可沿朝向所述坩埚12的方向逐渐增大，即呈喇叭状，以使惰性气体更加均匀地供应至熔融硅表面，提高同一平面上的温度均衡性，以确保单晶等径生长过程中的温度均衡性。

作为示例，所述连杆151为多个，所述多个连杆151对称设置于所述导流筒14上，比如所述连杆151为2个，2个连杆151以所述炉体11的中线为中心对称分布。通过对称分布的多个连杆，以确保所述导流筒在上下移动过程中保持平稳。

作为示例，所述控制器153优选为PLC控制器，以便于系统的扩展，通过PLC控制器计算并反馈给控制导流筒14上下移动的高精度电机152，以精确调整液口距d。所述PLC控制器优选还与单晶提拉装置22相连接，或者说单晶提拉装置22和导流筒提拉装置可以通过同一PLC控制器驱动，可以根据单晶生长情况及时调整晶棒提拉速度和/或导流筒提拉速度。需要说明的是，所述单晶提拉装置22通常包括提拉绳及与提拉绳相连接的电机部分，PLC控制器与电机部分连接，提拉绳另一端与籽晶21相连接，籽晶21与坩埚12内的熔融硅16接触，待籽晶21表面稍熔后，提拉并转动提拉绳，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶21上，在不断提拉和旋转过程中，生长出圆柱状晶体。随着单晶的不断生长，坩埚内的熔融硅液面不断下降，为了保持恒定的单晶生长条件，作为示例，所述单晶生长设备还包括埚升系统(未示出)，用于在单晶生长过程中驱动所述坩埚12以一预设恒定速度向上移动，在完成所需长度的单晶生长后，还可以驱动所述坩埚12下降以使晶棒脱离硅熔液液面。作为示例，该埚升系统也可以通过所述PLC控制器进行控制，确保各部件之间保持联动。

为精确控制导流筒14的提拉速度，所述电机152需要有较佳的控制精度。本实施例中，作为示例，所述电机152的提拉精度，也即最小移动速度为0.001mm/min。本发明中，连杆151做上下直线移动，电机152的移动速度即为导流筒14的移动速度，也即单位长度上液口距d的变化量。

作为示例，所述单晶生长设备还包括石墨层17，位于所述炉体11和所述加热器13之间，所述石墨层17可以实现保温隔热作用。在进一步的示例中，所述单晶生长设备还包括石墨端盖18，所述石墨端盖18位于所述石墨层17的顶部，且位于所述导流筒14的耳部141的下部，通过所述石墨层17和石墨端盖18的共同作用，以减少热量散失。

作为示例，所述单晶生长设备还包括坩埚驱动装置23，位于所述坩埚12底部，以在需要时驱动所述坩埚12旋转。当然，该坩埚驱动装置23也可以作为前述的埚升系统，用于在单晶生长过程中驱动所述坩埚以一预设恒定速度向上移动。

所述导流筒的提升拉速与液口距及单晶等径长度等参数密切相关。在一优选示例中，当单晶等径长度变化范围a mm，单晶长度变化a过程中籽晶提拉速度为b mm/min，若液口距每增加c mm时，则导流筒以c*b/a(mm/min)的速度向上移动，其中，a，b，c均是根据单晶生长需要所设定的固定值。比如，当单晶等径长度为1000～1050mm(即单晶等径长度变化a为50mm)，单晶长度变化过程中籽晶提拉速度b为1mm/min，若液口距每需增加1mm，则导流筒以1*1/50＝0.02mm/min的速度向上移动。

在一示例中，根据晶体长度设定液口距，两者对应关系如表1所示：

表1晶体长度与液口距对应关系表

晶体长度(单位：mm)	设定液口距(单位：mm)
		1	30
300	30
		700	30
1000	32
		1500	35
1800	38
		2000	40
---	---

当然，需要特别说明的是，上述数据并不是限制性的而仅是示例性的。实际上晶体长度、液口距、籽晶提拉速度等参数都可以根据需要进行设定，而且这些参数和拉晶炉大小、热场尺寸、工艺参数等都有很大的关系，因而本发明并非对具体参数的限制。重要的是采用本发明在单晶生长过程中可以根据需要通过调整导流筒的高度来改变液口距，而无需改变坩埚上升速度，可以使坩埚位置保持相对固定，从而在每一炉中使加热器、坩埚及坩埚以下的下部热场的相对位置保持不变，保证每一炉硅单晶生长条件恒定一致，以确保生产品质的稳定一致性。

若如上表所示设定好参数后，在晶体生长过程中，随着设定液口距的参数，通过PLC控制器驱动电机按一定速度对导流筒进行提拉，由此改变导流筒高度，液口距和导流筒速度的对应关系如图2所示(该对应关系的前提是籽晶提拉速度为1mm/min)，其中，曲线①为设定液口距，曲线②为导流筒速度。

采用本发明的单晶生长设备进行单晶生长，在整个单晶生长过程中仅需调整导流筒的提升拉伸，而晶体提拉速度和坩埚上升速度无需任何调整，因而不会改变液面和热场的相对位置，由此可以实现稳定的晶体生长，有利于提高单晶生长品质。

本发明还提供一种单晶生长方法，所述单晶生长方法可以依前述任一项所述的单晶生长设备进行，故对所述单晶生长设备的介绍还请参考前述内容，出于简洁的目的不赘述。所述单晶生长方法在单晶生长过程中，通过上下移动导流筒，以改变导流筒与熔融硅的间距(即液口距)，由此调整单晶生长过程中的轴向温度梯度。本发明无需调整晶体提拉速度和坩埚上升速度，因而不会改变液面和热场的相对位置，有利于稳定单晶生长条件，有利于生长出高品质的单晶。

作为示例，所述导流筒的移动速度为0～0.1mm/min(毫米/分钟)，移动区间为0～20mm。当然，需要说明的是，根据不同的生长需要，导流筒可以是向上移动或向下移动，因而上述数值是绝对值而不是相对值，即导流筒向上与向下的移动范围都是0～20mm。且作为示例，在单晶生长过程中，所述坩埚以一预设恒定速度向上移动。

综上所述，本发明提供一种单晶生长设备及单晶生长方法。设备包括炉体、坩埚、加热器及导流组件，所述导流组件包括导流筒及导流筒提拉装置；所述坩埚、加热器及导流筒均位于所述炉体内；所述坩埚用于承载熔融硅，所述加热器位于所述坩埚的外围，用于对所述坩埚进行加热，所述导流筒与所述导流筒提拉装置连接，并自所述坩埚的外侧延伸到所述熔融硅的上方，且所述导流筒与所述熔融硅具有间距；所述导流筒提拉装置包含控制器，所述导流筒在所述控制器的控制下上下移动，以改变所述导流筒与所述熔融硅液面的间距。本发明的单晶生长设备通过添加导流筒联动装置，以在需要时通过调整导流筒的高度来改变液口距，在整个过程中晶体提拉速度和坩埚上升速度无任何调整，从而达到改变单晶生长过程中的轴向温度梯度的目的，确保液面和热场的相对位置，在等径过程中维持拉晶的稳态，且调整操作简单，调整精度高，有利于提高单晶生长品质。

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 (10)

1.一种单晶生长设备，其特征在于，包括：

炉体；

坩埚，设置于所述炉体内，用于承载熔融硅；

加热器，设置于所述炉体内，且位于所述坩埚的外围，用于对所述坩埚进行加热；

导流组件，包含导流筒及导流筒提拉装置；其中，

所述导流筒设置于所述炉体内，与所述导流筒提拉装置连接，所述导流筒自所述坩埚的外侧延伸到所述熔融硅的上方；

所述导流筒提拉装置包含控制器，所述导流筒在所述控制器的控制下上下移动，以改变所述导流筒与所述熔融硅液面的间距。

2.根据权利要求1所述的单晶生长设备，其特征在于，所述导流筒提拉装置还包括连杆及电机，所述连杆一端与所述导流筒相连接，另一端向上延伸到所述炉体外，所述电机与所述连杆及所述控制器相连接，所述电机在所述控制器的控制下驱动所述连杆带动所述导流筒上下移动。

3.根据权利要求2所述的单晶生长设备，其特征在于，所述连杆为多个，所述多个连杆对称设置于所述导流筒上。

4.根据权利要求1所述的单晶生长设备，其特征在于，所述导流筒包括耳部及锥形筒部，所述耳部一端与所述炉体的内壁相邻，另一端向所述炉体的中线方向延伸，所述锥形筒部一端与所述耳部远离所述炉体内壁的一端相连接，另一端延伸到所述坩埚的上方，所述连杆与所述耳部相连接。

5.根据权利要求1所述的单晶生长设备，其特征在于：所述控制器为PLC控制器，所述PLC控制器还与单晶提拉装置相连接。

6.根据权利要求1所述的单晶生长设备，其特征在于：当单晶等径长度变化a mm，单晶长度变化a过程中籽晶提拉速度为b mm/min；若液口距每增加c mm时，则导流筒以c*b/amm/min的速度向上移动。

7.根据权利要求1所述的单晶生长设备，其特征在于，还包括埚升系统，用于在单晶生长过程中驱动所述坩埚以一预设恒定速度向上移动。

8.一种单晶生长方法，其特征在于，所述单晶生长方法在单晶生长过程中，通过上下移动导流筒，以改变导流筒与坩埚内的熔融硅的间距，由此调整单晶生长过程中的轴向温度梯度。

9.根据权利要求8所述的单晶生长方法，其特征在于，所述导流筒的移动速度为0～0.1mm/min，移动区间为0～20mm。

10.根据权利要求8所述的单晶生长方法，其特征在于，所述坩埚以一预设恒定速度向上移动。

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