CN112481694B

CN112481694B - 一种用于晶体生长的反射屏装置

Info

Publication number: CN112481694B
Application number: CN201910860775.9A
Authority: CN
Inventors: 沈伟民; 王刚
Original assignee: Zing Semiconductor Corp
Current assignee: Zing Semiconductor Corp
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2039-09-11
Also published as: CN112481694A

Abstract

本发明提供一种用于晶体生长的反射屏装置，包括:导流筒，配置为调节熔体和晶体之间的温度；其中，所述导流筒包括第一表面，所述第一表面靠近所述熔体表面；所述导流筒还包括第二表面，所述第二表面靠近所述晶体表面；热辐射通道，所述热辐射通道位于所述第一表面和所述第二表面之间，以将所述第一表面的热量传递到所述第二表面。根据本发明提供的用于晶体生长的反射屏装置，在导流筒的第一表面和第二表面之间设置热辐射通道，以控制熔体表面的热辐射传递到晶体外表面的热通量，从而使固液界面变得较为平坦，且晶体固液界面至其轴向一定高度处的平均温度梯度值在晶体中心和边缘范围内变得相同或相近。

Description

一种用于晶体生长的反射屏装置

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，具体而言涉及一种用于晶体生长的反射屏装置。

背景技术

随着集成电路(Integrated Circuit，IC)产业的迅猛发展，器件制造商对IC级硅单晶材料提出了更加严格的要求，而大直径单晶硅是制备器件所必须的衬底材料。提拉法(Czochralski，CZ法)是现有技术中由熔体生长单晶的一项最主要的方法，其具体做法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出晶体。通过控制熔体表面的热辐射传递到晶体外表面的热通量(heat flux)，可以达到固液界面变得平坦，且晶体固液界面至其轴向一定高度处的平均温度梯度在半径方向变得均一的要求。

现有的反射屏构造由导流筒壳体以及中间的隔热材料组成。由于反射屏靠近晶体外表面的一侧温度偏低，一般情况下，低于同高度位置的晶体的表面温度，相互之间的辐射效果导致晶体表面的温度下降幅度较大，而处于同样高度的晶体中心的温度仍然较高，形成在径向方向存在较大的温度差，从而使得固液界面形成一个较大的内凹形状的拱形。晶体的半径越大，内凹拱形的高度越高。内凹拱形的高度过大是影响晶体内部缺陷形成的非常重要的因子之一。

因此，有必要提出一种新的用于晶体生长的反射屏装置，以解决上述问题。

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。

本发明提供一种用于晶体生长的反射屏装置，包括：

导流筒，配置为调节熔体和晶体之间的温度；

其中，所述导流筒包括第一表面，所述第一表面靠近所述熔体表面；所述导流筒还包括第二表面，所述第二表面靠近所述晶体表面；

热辐射通道，所述热辐射通道位于所述第一表面和所述第二表面之间，以将所述第一表面的热量传递到所述第二表面。

进一步，所述热辐射通道位于所述导流筒的内部。

进一步，所述热辐射通道由一层或多层金属薄膜组成。

进一步，所述金属薄膜包括钨、钼或其合金。

进一步，所述热辐射通道的两端分别与所述第一表面和所述第二表面相接。

进一步，所述热辐射通道与所述第二表面相接处靠近所述第一表面。

进一步，所述热辐射通道与所述第二表面相接处与所述熔体表面的距离不大于70mm。

进一步，所述导流筒的材料包括石墨。

进一步，还包括填充所述导流筒内部的隔热材料。

进一步，所述隔离材料包括石墨毛毡和/或石墨固毡。

根据本发明提供的用于晶体生长的反射屏装置，在导流筒的第一表面和第二表面之间设置热辐射通道，以控制熔体表面的热辐射传递到晶体外表面的热通量，从而使固液界面变得较为平坦，且晶体固液界面至其轴向一定高度处的平均温度梯度值在晶体中心和边缘范围内变得相同或相近。

附图说明

通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

附图中：

图1示出了一种晶体生长装置的示意图。

图2示出了根据本发明示例性实施例的一种用于晶体生长的反射屏装置的示意图。

附图标记

1、炉体 2、晶体

3、反射屏 4、熔体

5、坩埚 6、加热器

31、导流筒 32、隔热材料

33、热辐射通道 311、第一表面

312、第二表面 313、第三表面

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。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。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。

如图1所示的晶体生长装置，包括炉体1，所述炉体1中包括坩埚5，所述坩埚5的外围设置有加热器6，所述坩埚5中有熔体4，所述熔体4的上方为晶体2，所述坩埚5的上方围绕所述晶体2设置有反射屏3。作为一个实例，坩埚5中的熔体4为硅熔体，生长的晶体2为单晶硅棒。

示例性地，所述炉体1为不锈钢腔体，所述炉体1内为真空或者充满保护气体。作为一个实例，所述保护气体为氩气，其纯度为97％以上，压力为5mbar-100mbar，流量为70slpm-200slpm。

示例性地，所述坩埚5由耐高温耐腐蚀材料制成，坩埚5内盛装有用于晶体生长的熔体。在一个实施例中，坩埚5包括石英坩埚和/或石墨坩埚，坩埚5内盛装有硅料，例如多晶硅。硅料在坩埚5中被加热为用于生长单晶硅棒的硅熔体，具体地，将籽晶浸入硅熔体中，通过籽晶轴带动籽晶旋转并缓慢提拉，以使硅原子沿籽晶生长为单晶硅棒。所述籽晶是由一定晶向的硅单晶切割或钻取而成，常用的晶向为<100>、<111>、<110>等，所述籽晶一般为圆柱体。

示例性地，所述坩埚5的外围设置有加热器6，所述加热器6为石墨加热器，可以设置在坩埚5的侧面，也可以设置在坩埚5的侧面和底面，配置为对坩埚5进行加热。进一步，所述加热器6可以设置在坩埚5的两侧，也可以围绕坩埚5进行设置，以使坩埚5的热场分布均匀。

示例性地，炉体1内还设置有反射屏3，其位于坩埚5的上方，并且位于晶体2的外侧围绕所述晶体2设置，避免熔体4的热量以热辐射等形式传递到炉体1中，造成热损失。

由于现有的反射屏构造由导流筒壳体以及中间的隔热材料组成。由于反射屏靠近晶体外表面的一侧温度偏低，一般情况下，低于同高度位置的晶体的表面温度，相互之间的辐射效果导致晶体表面的温度下降幅度较大，而处于同样高度的晶体中心的温度仍然较高，形成在径向方向存在较大的温度差，从而使得固液界面形成一个较大的内凹形状的拱形，如图1所示。晶体的半径越大，内凹拱形的高度越高，例如直径300mm的晶圆，其内凹拱形的高度可以达到20mm-30mm左右。内凹拱形的高度过大是影响晶体内部缺陷形成的非常重要的因子之一。

针对上述问题，本发明提供了一种用于晶体生长的反射屏装置，如图2所示，包括：

导流筒31，配置为调节熔体4和晶体2之间的温度；

其中，所述导流筒31包括第一表面311，所述第一表面311靠近所述熔体4表面；所述导流筒31还包括第二表面312，所述第二表面312靠近所述晶体2表面；

热辐射通道33，所述热辐射通道33位于所述第一表面311和所述第二表面312之间，以将所述第一表面311的热量传递到所述第二表面312。

示例性地，所述导流筒31构成反射屏3的外壳，其为封闭的壳体。所述导流筒31的材料包括硬质隔热材料和/或热反射材料，包括但不限于石墨、连续纤维复合材料(continuous fibre composite，CFC)或钼等。作为一个实例，导流筒31由石墨构成。

进一步，为了实现更好的隔热效果，减少热损失，所述导流筒31内部由隔热材料32填充，所述隔热材料32包括柔性多孔材料和/或硬性多孔材料，例如石墨毛毡和/或石墨固毡。

所述导流筒31的横向截面的形状包括但不限于圆形、矩形、六边形等；所述导流筒31的纵向截面的形状包括但不限于长方形、梯形、不规则多边形等，以围绕所述晶体2设置，避免熔体4的热量以热辐射等形式传递到炉体1中，造成热损失。作为一个实例，导流筒31的纵向截面的形状为靴形，如图2所示。

示例性地，所示导流筒31包括第一表面311、第二表面312和第三表面313。其中，所述第一表面311为导流筒31的底面，其靠近熔体4的表面，温度约为1300℃，是导流筒31温度最高的表面。所述第二表面312为导流筒31的内侧表面，其位于靠近晶体2的一侧。第三表面313为导流筒31的外侧表面，其位于远离晶体2的一侧。

示例性地，本发明提供的用于晶体生长的反射屏3还包括热辐射通道33，如图2所示，所述热辐射通道33位于所述第一表面311和所述第二表面312之间，以将所述第一表面311的热量传递到所述第二表面312。

通过热辐射通道33将第一表面311的热量传递到所述第二表面312，提高第二表面312的温度，使第二表面312的温度不低于甚至大大高于晶体2表面的温度，提高第二表面312到晶体2表面的热通量，即，将熔体4表面的热辐射传递到晶体2的表面，提高熔体4表面的热辐射传递到晶体2表面的热通量，从而使熔体4与晶体2相接的固液界面变得平坦，即降低固液界面内凹拱形的高度，例如控制拱形高度在0mm-20mm之间，最佳的控制范围在5mm-15mm之间。这样可以达到，从晶体固液界面至其轴向一定高度(例如高度70mm)处的平均温度梯度值在半径方向(晶体中心和边缘)保持相同或相近，在合适的晶体生长拉速下，晶体不产生晶体生长缺陷的效果。

示例性地，如图2所示，所述热辐射通道33位于所述导流筒31的内部，所述热辐射通道33的一端与第一表面311相接，另一端与第二表面312相接。

示例性地，所述热辐射通道33包括由一层或多层金属薄膜组成的中空通道，所述金属薄膜采用反射系数较高的有光泽的高熔点金属。其中，反射系数较高、有光泽均有利于实现热反射，减少因热吸收带来的热损失；由于硅熔体的温度高于1400℃，第一表面311处的温度约为1300℃，因此需选用高熔点金属以避免熔融。作为一个实例，所述金属薄膜包括但不限于金属钨、金属钼或其合金。

示例性地，所述金属薄膜构成所述热辐射通道33的壁面，所述热辐射通道33的形状包括能够利用所述壁面进行热反射的各种形状。其中，所述热辐射通道33的截面(例如，所述热辐射通道33与第一表面311和/或第二表面312的相交面)的形状包括但不限于圆形或多边形(例如三角形、正方形、正六边形等)。所述热辐射通道33的剖面(例如，图2中所示的热辐射通道33)的形状包括但不限于扇形、梯形、阶梯形等。

进一步，所述热辐射通道33与所述第二表面312相接的位置靠近所述导流筒31的底部(即，第一表面311)。这是因为当热辐射通道33与所述第二表面312相接处远离第一表面311，即与固液界面的距离过大时，固液界面处至晶体轴向一定高度处(例如，70mm)的温度变化为温度先降低再升高，无法实现平均温度梯度在半径方向变得相同或相近的预期效果。具体地，所述热辐射通道33与所述第二表面312相接处与固液界面的距离不大于70mm。

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

1.一种用于晶体生长的反射屏装置，其特征在于，包括：

导流筒，配置为调节熔体和晶体之间的温度；

热辐射通道，所述热辐射通道位于所述导流筒的内部，所述热辐射通道包括由一层或多层金属薄膜组成的中空通道，所述热辐射通道位于所述第一表面和所述第二表面之间，所述热辐射通道的两端分别与所述第一表面和所述第二表面相接，以将所述第一表面的热量传递到所述第二表面。

2.如权利要求1所述的反射屏装置，其特征在于，所述金属薄膜包括钨、钼或其合金。

3.如权利要求1所述的反射屏装置，其特征在于，所述热辐射通道与所述第二表面相接处靠近所述第一表面。

4.如权利要求3所述的反射屏装置，其特征在于，所述热辐射通道与所述第二表面相接处与所述熔体表面的距离不大于70mm。

5.如权利要求1所述的反射屏装置，其特征在于，所述导流筒的材料包括石墨。

6.如权利要求1所述的反射屏装置，其特征在于，还包括填充所述导流筒内部的隔热材料。

7.如权利要求6所述的反射屏装置，其特征在于，所述隔热材料包括石墨毛毡和/或石墨固毡。