CN112626621A - 一种在横向超导磁场中应用的热场及长晶方法 - Google Patents

一种在横向超导磁场中应用的热场及长晶方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112626621A
CN112626621A CN202011473237.3A CN202011473237A CN112626621A CN 112626621 A CN112626621 A CN 112626621A CN 202011473237 A CN202011473237 A CN 202011473237A CN 112626621 A CN112626621 A CN 112626621A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sector
magnetic field
heater
main heater
shaped
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011473237.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112626621B (zh
Inventor
吴春生
张熠
穆童
郑锴
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Advanced Semiconductor Technology Nast Co ltd
Original Assignee
Nanjing Advanced Semiconductor Technology Nast Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Advanced Semiconductor Technology Nast Co ltd filed Critical Nanjing Advanced Semiconductor Technology Nast Co ltd
Priority to CN202011473237.3A priority Critical patent/CN112626621B/zh
Publication of CN112626621A publication Critical patent/CN112626621A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112626621B publication Critical patent/CN112626621B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B30/00—Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions
    • C30B30/04—Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions using magnetic fields
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/14—Heating of the melt or the crystallised materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明公开了一种在横向超导磁场中应用的热场及长晶方法。该热场包括主加热器、位于主加热器下方的底加热器、隔热层；其中主加热器与底加热器通过开槽长度的变化调整不同部位的发热量，从而通过调整横向磁场内不抑制流动方向的加热器和隔热层结构，达到降低温度梯度的效果，能够减弱横向磁场的轴向不对称性，提高晶体质量。

Description

一种在横向超导磁场中应用的热场及长晶方法
技术领域
本发明属于硅晶体材料单晶炉技术领域。
背景技术
由于传统的勾型磁场有着能耗高、强度低等缺点，超导横向磁场由于其线圈采用超导材料，低温下电阻为0，除了必要的制冷压缩机外，基本不发热，能耗很低，仅需很低的电压就能都达到很高的磁场强度，大尺寸半导体级单晶炉逐渐开始使用横向超导磁场，适用于大尺寸半导体级单晶硅设备使用的超导横向磁场其磁场强度通常为4000高斯，由于横向磁场的特性，磁感线方向为面对设备的前后方向，前后方向的磁感线能够有效抑制熔体的上下流动，从而达到降低氧含量和稳定液面的效果，但是同样由于横向磁场的特点，横向磁场仅能抑制液面表面左右方向的液体流动，前后方向的液体流动由于其平行于磁感线方向，无法被磁场抑制，使得熔体在横向磁场中相对圆周方向呈不对称性，由于在长晶过程中通常会让晶体旋转，这种不对称，使得旋转的晶体生长界面经历温度的周期变化，会造成长晶生长纹路，从而影响晶体的微观质量。
同时，由于超导磁场破坏了自然对流的轴对称性，其液体的径向温度梯度同样不对称，在长晶的放肩阶段，晶体直径缓慢长大，此不对称现象容易导致放肩过程中温度不稳，使得放肩过程极易出现断线的情况。
故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种热场，能够对热场中加热的单晶硅熔液对流进行调节，以解决现有技术中水平方向热传输仍然主要依靠热对流，不利于大尺寸高品质单晶硅的生长的技术问题。
本发明还提供了使用该热场的长晶方法。
技术方案：为达到上述目的，本发明热场可采用如下技术方案：
一种在横向超导磁场中应用的热场，包括围成上下贯穿的圆筒形的主加热器、位于主加热器下方的底加热器、隔热层；
所述底加热器包括位于两端部分的第一扇面形部及位于两侧部分的第二扇面形部，且两个第一扇面形部与两个第二扇面形部交叉排列形成中心为圆形开口的整体；所述第一扇面形部的侧边长度大于第二扇面形部的侧边长度；第一扇面形部上设有若干条沿着直径方向的第一开缝；第二扇面形部上设有若干条沿着直径方向的第二开缝，且第一开缝的长度大于第二开缝的长度；每个所述第一扇面形部上设有一个电极，两个电极对称设置，
所述主加热器上设有若干自上而下延伸的第三开缝，且该第三开缝沿着主加热器的轴向设置，位于第一扇面形部上方位置的第三开缝长度大于位于第二扇面形部上方位置的第三开缝的长度；
所述隔热层包括中空的空腔，该空腔上下贯穿隔热层，所述主加热器及底加热器均位于空腔内；所述空腔具有圆形的上开口及椭圆形的下开口，且椭圆形的长轴穿过第二扇面形部，椭圆形的短轴穿过第一扇面形部。
进一步的，该热场所在的磁场中，磁场两极分别位于所述椭圆形下开口的长轴两侧。
进一步的，所述主加热器上的第三开缝的长度是逐渐变化的，变化的规律是：位于第一扇面形部上方位置至位于第二扇面形部上方位置的第三开缝的长度逐渐缩短。
进一步的，还包括两个主加热器腿及两个主加热器支撑，所述两个主加热器腿分别位于第一扇面形部的外侧，主加热器腿向主加热器供电，主加热器支撑不供电。
有益效果：本发明提供的热场的技术方案通过调整横向磁场内不抑制流动方向的加热器和隔热层结构，达到降低温度梯度的效果，能够减弱横向磁场的轴向不对称性，提高晶体质量。
而使用上述热场的长晶方法采用以下技术方案，包括以下步骤：
(1)设置坩埚转速0.2-0.5rpm；
(2)、引晶阶段：采用低磁场强度1000-1500GS，熔液间隙70-80mm，以增加液体流动，让熔液更加均匀，减少磁场造成的轴向不对称对熔体的影响；
(3)、放肩阶段：同样采用低磁场强度1000-1500GS，熔液间隙70-80mm，当晶体直径大于200mm后，逐渐增加磁场强度到1501-2000GS，并减小熔液间隙降低到60-69mm；
(4)、等径阶段：等径前300mm，将磁强强度升高到2500-3500GS，并以较快的速度减小熔液间隙，熔液间隙降低到50-59mm，等径300mm后，保持磁场和熔液间隙不变，等径1000mm后，熔液间隙收尾前降低到30-40mm
(5)、收尾阶段：持续降低磁场强度，并增加熔液间隙，提高熔液温度。
有益效果：本发明提供的长晶方法的技术方案中，除了利用本发明热场的技术效果之外，该长晶方法进一步提供的技术效果是：利用引晶和放肩阶段的低磁场强度，与本发明特殊的热场结构相互配合，能够提高引晶放肩的成功率，降低因引晶放肩质量温度造成的等径初期晶体断线的现象，同时在本该降温的等径前期，用提高磁场强度和降低熔液间隙来代替加热器降温，能够保证等径阶段处于高磁场强度，有效提高晶体质量并降低晶体氧含量。
附图说明
图1是本发明热场的纵剖结构示意图，并展示了第二扇面形部为主视的状态。
图2是本发明热场的纵剖结构示意图，并展示了第一扇面形部为主视的状态。
图3是底加热器的俯视图。
图4是热场中主加热器与底加热器的俯视图。
图5是热场放置在磁场中的俯视示意图。
具体实施方式
实施例一
请结合图1至图4所示，本实施例公开一种在横向超导磁场中应用的热场，包括围成上下贯穿的圆筒形的主加热器1、位于主加热器1下方的底加热器2、隔热层3、两个主加热器腿4及两个主加热器支撑5。
所述底加热器2包括位于两端部分的第一扇面形部21及位于两侧部分的第二扇面形部22，且两个第一扇面形部21与两个第二扇面形部22交叉排列形成中心为圆形开口的整体。所述第一扇面形部21的侧边长度大于第二扇面形部22 的侧边长度。第一扇面形部21上设有若干条沿着直径方向的第一开缝23；第二扇面形部22上设有若干条沿着直径方向的第二开缝24，且第一开缝23的长度大于第二开缝24的长度。每个所述第一扇面形部21上设有一个电极25，两个电极25对称设置。该底加热器2具体进行加热时，利用底加热器2开缝的深度来控制加热器的发热量，电极25位置为底部加热器支撑的安装位置，加热器电极方向的第一开缝长度较长，造成加热器电极方向发热量多，在热场中的相应位置，底部温度更高。
所述主加热器1上设有若干自上而下延伸的第三开缝11，且该第三开缝11 沿着主加热器1的轴向设置，位于第一扇面形部21上方位置的第三开缝11长度大于位于第二扇面形部上方位置的第三开缝11的长度；主加热器通过第三开缝 11的长度变化，调节轴向方向的温度梯度，第一扇面形部21上方位置的第三开缝11长度大，则该位置处发热量多。通过主加热器和侧部加热器相互配合，造成热场内加热器电极25方向的轴向温度梯度，明显较其他部分的温度梯度高。在本实施方式中，所述主加热器上的第三开缝11的长度是逐渐变化的，变化的规律是：位于第一扇面形部21上方位置至位于第二扇面形部22上方位置的第三开缝的长度逐渐缩短。所述两个主加热器腿4分别位于第一扇面形部21的外侧，主加热器腿4向主加热器1供电，主加热器支撑5不供电。
所述隔热层3包括中空的空腔31，该空腔31上下贯穿隔热层3。所述主加热器1及底加热器2均位于空腔31内。所述空腔31具有圆形的上开口32及椭圆形的下开口33，且椭圆形的长轴穿过第二扇面形部，椭圆形的短轴穿过第一扇面形部21。如图5所示，该热场所在的磁场中，磁场两极分别位于所述椭圆形下开口33的长轴两侧。这样造成隔热层加热器电极方向底部的保温更高，而加热器支撑方向的底部保温更差，同时加热器的安装设计时，加热器支撑方向的底部发热更小，这就会让加热器支撑位置的熔体轴向温度梯度更小，液流较加热器电极方向慢。
实施例二
本实施例上述热场的长晶方法采用以下技术方案，包括以下步骤：
(1)设置坩埚转速0.2-0.5rpm；
(2)、引晶阶段：采用低磁场强度1000-1500GS，熔液间隙70-80mm，以增加液体流动，让熔液更加均匀，减少磁场造成的轴向不对称对熔体的影响；
(3)、放肩阶段：同样采用低磁场强度1000-1500GS，熔液间隙70-80mm，当晶体直径大于200mm后，逐渐增加磁场强度到1501-2500GS，并减小熔液间隙降低到60-69mm，由于增加磁场和减小熔液间隙会让温度降低，放肩过程需要降低主加热器的温度降低速度，从而达到控制晶体放肩速度的目的。
(4)、等径阶段：等径前300mm，将磁强强度升高到2500-3500GS，并以较快的速度减小熔液间隙，熔液间隙降低到50-59mm，等径300mm后，保持磁场和熔液间隙不变，等径1000mm后，熔液间隙收尾前降低到30-40mm
(5)、收尾阶段：持续降低磁场强度，磁场强度缓慢降低到1000-1500GS，并增加熔液间隙，提高熔液温度。
本发明长晶工艺和其他超导磁场工艺对比及原理说明
Figure RE-GDA0002950440910000041
Figure RE-GDA0002950440910000051
本发明中涉及的热场和长晶工艺已经在我公司设备上进行多次试验，并已长出高质量的晶体。
采用本工艺后，放肩断线和等径断线的次数大幅度降低，放肩断线次数从平均每炉5次，降低到平均每炉子2次以内，等径断线次数从每炉3次降低到平均每炉不到1次，长晶时间缩短了40％，整棒良率提高了30％以上，
试验工艺：
Figure RE-GDA0002950440910000061
每种工艺均已经进行超过3次长晶，均得到很好的实验实验结果，均符合正片的验收标准，部分晶片已达到NPS(近完美单晶)的验收标准，长晶结果如下：
Figure RE-GDA0002950440910000062
Figure RE-GDA0002950440910000071
本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种在横向超导磁场中应用的热场，其特征在于，包括围成上下贯穿的圆筒形的主加热器、位于主加热器下方的底加热器、隔热层；
所述底加热器包括位于两端部分的第一扇面形部及位于两侧部分的第二扇面形部，且两个第一扇面形部与两个第二扇面形部交叉排列形成中心为圆形开口的整体；所述第一扇面形部的侧边长度大于第二扇面形部的侧边长度；第一扇面形部上设有若干条沿着直径方向的第一开缝；第二扇面形部上设有若干条沿着直径方向的第二开缝，且第一开缝的长度大于第二开缝的长度；每个所述第一扇面形部上设有一个电极，两个电极对称设置，
所述主加热器上设有若干自上而下延伸的第三开缝，且该第三开缝沿着主加热器的轴向设置，位于第一扇面形部上方位置的第三开缝长度大于位于第二扇面形部上方位置的第三开缝的长度；
所述隔热层包括中空的空腔，该空腔上下贯穿隔热层，所述主加热器及底加热器均位于空腔内；所述空腔具有圆形的上开口及椭圆形的下开口，且椭圆形的长轴穿过第二扇面形部，椭圆形的短轴穿过第一扇面形部。
2.根据权利要求1所述的热场，其特征在于：该热场所在的磁场中，磁场两极分别位于所述椭圆形下开口的长轴两侧。
3.根据权利要求1或2所述的热场，其特征在于：所述主加热器上的第三开缝的长度是逐渐变化的，变化的规律是：位于第一扇面形部上方位置至位于第二扇面形部上方位置的第三开缝的长度逐渐缩短。
4.根据权利要求3所述的热场，其特征在于：还包括两个主加热器腿及两个主加热器支撑，所述两个主加热器腿分别位于第一扇面形部的外侧，主加热器腿向主加热器供电，主加热器支撑不供电。
5.一种使用如权利要求1至4中任一项所述热场的长晶方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设置坩埚转速0.2-0.5rpm；
(2)、引晶阶段：采用低磁场强度1000-1500GS，熔液间隙70-80mm，以增加液体流动，让熔液更加均匀，减少磁场造成的轴向不对称对熔体的影响；
(3)、放肩阶段：同样采用低磁场强度1000-1500GS，熔液间隙70-80mm，当晶体直径大于200mm后，逐渐增加磁场强度到1501-2500GS，并减小熔液间隙降低到60-69mm；
(4)、等径阶段：等径前300mm，将磁强强度升高到2500-3500GS，并以较快的速度减小熔液间隙，熔液间隙降低到50-59mm，等径300mm后，保持磁场和熔液间隙不变，等径1000mm后，熔液间隙收尾前降低到30-40mm；
(5)、收尾阶段：持续降低磁场强度，并增加熔液间隙，提高熔液温度。
CN202011473237.3A 2020-12-15 2020-12-15 一种在横向超导磁场中应用的热场及长晶方法 Active CN112626621B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011473237.3A CN112626621B (zh) 2020-12-15 2020-12-15 一种在横向超导磁场中应用的热场及长晶方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011473237.3A CN112626621B (zh) 2020-12-15 2020-12-15 一种在横向超导磁场中应用的热场及长晶方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112626621A true CN112626621A (zh) 2021-04-09
CN112626621B CN112626621B (zh) 2022-04-12

Family

ID=75312759

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011473237.3A Active CN112626621B (zh) 2020-12-15 2020-12-15 一种在横向超导磁场中应用的热场及长晶方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112626621B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203625526U (zh) * 2013-11-01 2014-06-04 湖南金博复合材料科技有限公司 单晶炉用底部加热器
CN205711040U (zh) * 2016-06-24 2016-11-23 山东伟基炭科技有限公司 一种单晶硅石墨底部加热器
CN107059112A (zh) * 2017-04-14 2017-08-18 南京晶能半导体科技有限公司 半导体级硅单晶炉底部加热器
CN206635456U (zh) * 2017-04-14 2017-11-14 南京晶能半导体科技有限公司 半导体级硅单晶炉底部加热器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203625526U (zh) * 2013-11-01 2014-06-04 湖南金博复合材料科技有限公司 单晶炉用底部加热器
CN205711040U (zh) * 2016-06-24 2016-11-23 山东伟基炭科技有限公司 一种单晶硅石墨底部加热器
CN107059112A (zh) * 2017-04-14 2017-08-18 南京晶能半导体科技有限公司 半导体级硅单晶炉底部加热器
CN206635456U (zh) * 2017-04-14 2017-11-14 南京晶能半导体科技有限公司 半导体级硅单晶炉底部加热器

Also Published As

Publication number Publication date
CN112626621B (zh) 2022-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100954291B1 (ko) 고품질의 반도체 단결정 잉곳 제조장치 및 방법
JP5344822B2 (ja) 成長するシリコン結晶のメルト−固体界面形状の可変磁界を用いる制御
KR100793950B1 (ko) 실리콘 단결정 잉곳 및 그 성장방법
US20100107968A1 (en) Method and apparatus for producing a single crystal
JP2011526876A (ja) アンバランス磁場及び同方向回転を用いた成長シリコン結晶の融液−固体界面形状の制御方法
KR101574749B1 (ko) 단결정 제조용 상부히터, 단결정 제조장치 및 단결정 제조방법
CN110129890B (zh) 一种用于磁控直拉单晶的线圈结构及磁控直拉单晶的方法
JP2009114054A (ja) 酸素濃度特性が改善した半導体単結晶の製造方法
US20090293804A1 (en) Method of shoulder formation in growing silicon single crystals
KR101022933B1 (ko) 선택적 자기 차폐를 이용한 반도체 단결정 제조장치 및 제조방법
US20020129759A1 (en) Method for producing silicon single crystal
JP2010024120A (ja) シリコン単結晶およびその育成方法
CN112626621B (zh) 一种在横向超导磁场中应用的热场及长晶方法
JP4161655B2 (ja) 結晶製造用ヒーター及び結晶製造装置並びに結晶製造方法
JP5489064B2 (ja) シリコン単結晶の育成方法
KR100830047B1 (ko) 대류 분포 제어에 의해 산소농도 제어가 가능한 반도체단결정 제조 방법, 그 장치 및 반도체 단결정 잉곳
CN112626609B (zh) 一种可调节半导体单晶硅熔液对流的热场及单晶炉
KR20020045765A (ko) 단결정 잉곳의 제조장치
JPH10287488A (ja) 単結晶引き上げ方法
CN219032461U (zh) 碳化硅单晶生长用坩埚以及碳化硅单晶生长系统
KR101100862B1 (ko) 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법
KR20230133299A (ko) 단결정 인상장치 및 단결정 인상방법
JPH04357191A (ja) 単結晶製造装置
KR20240038957A (ko) 실리콘 단결정의 제조방법
KR100868192B1 (ko) 가변 자기장을 이용한 반도체 단결정 제조 방법, 그 장치및 반도체 단결정 잉곳

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant