CN114737247A - 水冷套装置和单晶炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水冷套装置和单晶炉，水冷套装置包括筒状本体，筒状本体的底部设置与筒状本体内部连通的调节套筒，调节套筒包括与筒状本体连接的第一端，和与第一端相对的第二端，从第一端到第二端，调节套筒在筒状本体的径向方向上截面的面积逐渐减小。通过调节套筒的设置，阻挡筒状本体下方热量传输到水冷套内部空间，有效阻挡热量的自下而上的散失。且调节套筒在筒状本体的径向方向上截面的面积逐渐减小，当惰性气体流从拉晶炉上方吹撒流经调节套筒时，流速变大，保证了惰性气体流与晶棒的充分接触，提高了晶棒的冷却速率，很好地调节晶棒的纵向和径向温梯，控制晶棒中缺陷的反应速率，调节缺陷分布，拉制不同类型的晶棒。

Description

水冷套装置和单晶炉

技术领域

本发明涉及单晶硅产品制作技术领域，尤其涉及一种水冷套装置和单晶炉。

背景技术

随着半导体先进制程地不断提高，对半导体晶圆的品质要求越来越高，而对于晶圆的品质，拉晶工艺对晶圆核心品质的影响非常大，如氧含量、BMD(Bulk Micro Defects)、层错、COPs(crystal originated particles)、FPD(flow pattern defects)、LSTDs(laserscattering tomography defects)等品质都与拉晶工艺有密切关系。

晶棒生长过程中所经历的热历史很大程度上影响着晶棒的整体品质，而热历史主要受晶棒的纵向和轴向温度梯度影响，拉晶炉的结构部件对温梯的影响很大，这其中非常重要的一个部件就是水冷套，其很大程度上改变了晶棒的纵向和横向温度梯度，提高了晶棒的冷却速率，进而影响晶棒的拉制速率。相关技术中水冷套为圆筒状，这极大地限制了其对晶棒轴向和纵向的温度调节，晶棒的晶体缺陷不能很好地管控，如调节能力受限导致晶棒中心热量不能很好地传导出，造成过大的内应力累积，进而导致错排产生，这极大地影响了晶棒的品质，尤其对于外延产品在进行外延沉积工艺时层错会造成沉积的不均匀，甚至会造成沉积失效。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种水冷套装置和单晶炉，解决晶棒轴向和纵向的温度调节受限的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：一种水冷套装置，包括筒状本体，所述筒状本体的底部设置与所述筒状本体内部连通的调节套筒，所述调节套筒包括与所述筒状本体连接的第一端，和与所述第一端相对的第二端，从所述第一端到所述第二端，所述调节套筒在所述筒状本体的径向方向上截面的面积逐渐减小。

可选的，所述调节套筒的内表面为曲面。

可选的，所述调节套筒在所述筒状本体的轴向方向上的截面的形状呈抛物线形状。

可选的，在所述筒状本体的轴向方向上，所述调节套筒包括靠近所述筒状本体的第一部分和与所述第一部分相邻的第二部分，所述第二部分的外表面内凹形成凹部。

可选的，所述调节套筒的内表面设置有吸热层。

可选的，所述吸热层包括靠近所述调节套筒的第一层和远离所述调节套筒的第二层，所述第一层为石墨材质与所述调节套筒的内壁发生化学反应形成的过渡层。

可选的，所述第一层为C+SiC复合过渡涂层，所述第二层为SiC涂层。

可选的，所述吸热层的厚度为130±15微米。

可选的，所述调节套筒的外表面设置有隔热层。

可选的，所述隔热层包括靠近所述调节套筒的第三层和远离所述调节套筒的第四层，所述第三层为石墨材质与所述调节套筒的外壁发生化学反应形成的过渡层。

可选的，所述第三层为C+SiC复合过渡涂层，所述第四层为SiC涂层。

可选的，所述隔热层的厚度为160±15微米。

可选的，所述筒状本体包括内筒和位于所述内筒的外部的外筒，所述外筒的底部包括用于承载所述内筒的第一区和与所述第一区相邻的第二区，所述第一区靠近所述外筒的侧壁设置，所述调节套筒的顶部设置有凸缘，所述凸缘与所述第二区连接。

本发明实施例还提供一种单晶炉，包括上述的水冷套装置。

本发明的有益效果是：通过所述调节套筒的设置，阻挡所述筒状本体下方热量传输到水冷套内部空间，有效阻挡热量的自下而上的散失。且所述调节套筒在所述筒状本体的径向方向上截面的面积逐渐减小，当惰性气体流从拉晶炉上方吹撒流经所述调节套筒时，流速变大，保证了惰性气体流与晶棒的充分接触，提高了晶棒的冷却速率，很好地调节晶棒的纵向和径向温梯，控制晶棒中缺陷的反应速率，调节缺陷分布，拉制不同类型的晶棒。

附图说明

图1表示本发明实施例中水冷套装置的结构示意图；

图2表示本发明实施例中调节套筒的结构示意图；

图3表示本发明实施例中的内筒的结构示意图；

图4表示本发明实施例中的外筒的结构示意图；

图5表示本发明实施例中的升降杆的结构示意图一；

图6表示本发明实施例中的升降杆的结构示意图二；

图7表示本发明实施例中的连接部的结构示意图。

1外筒；11第一凸缘；12第二通孔；13台阶形凹槽；14环形凸起；2内筒；21齿状波纹结构；22第二凸缘；3水冷管道；4升降部；41升降杆；42传动齿轮；43限位台；411齿条；5连接部；51卡环；52凸起；521连接通孔；6调节套筒；61凹部；62第三凸缘。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参考图1和图2，本实施例提供一种水冷套装置，包括筒状本体，所述筒状本体的底部设置与所述筒状本体内部连通的调节套筒6，所述调节套筒6包括与所述筒状本体连接的第一端，和与所述第一端相对的第二端，从所述第一端到所述第二端，所述调节套筒6在所述筒状本体的径向方向上截面的面积逐渐减小。

通过所述调节套筒6的设置，阻挡所述筒状本体下方热量传输到水冷套内部空间，有效阻挡热量的自下而上的散失。且所述调节套筒6在所述筒状本体的径向方向上截面的面积逐渐减小，当惰性气体流从拉晶炉上方吹撒流经所述调节套筒时，流速变大，保证了惰性气体流与晶棒的充分接触，提高了晶棒的冷却速率，很好地调节晶棒的纵向和径向温梯，控制晶棒中缺陷的反应速率，调节缺陷分布，拉制不同类型的晶棒。

示例性的，所述调节套筒6的内表面为曲面。

示例性的，所述调节套筒6在所述筒状本体的轴向方向上的截面的形状呈抛物线形状。

示例性的，在所述筒状本体的轴向方向上，所述调节套筒6包括靠近所述筒状本体的第一部分和与所述第一部分相邻的第二部分，所述第二部分的外表面内凹形成凹部61。

水冷套位于坩埚的上方，所述凹部61的设置可将下方的热量定向反射至水冷套下方石墨部件或硅熔液液面，维持下方温度场的稳定。

示例性的，所述调节套筒6的内表面设置有吸热层。

所述吸热层具有吸热作用，所述吸热层与所述调节套筒6的结合强度高，可有效缓解吸热层界面(所述吸热层与所述调节套筒6的连接面)的热应力，热力学性能稳定，所述调节套筒6可以很好地实时带走晶棒传输的热量，大大提高晶棒的冷却速率，提高拉速，增加拉晶效率。

示例性的，所述吸热层包括靠近所述调节套筒6的第一层和远离所述调节套筒的第二层，所述第一层为石墨材质与所述调节套筒6的内壁发生化学反应形成的过渡层。

所述调节套筒的材质为碳纤维复合材料，所述第一层为_C+SiC复合过渡涂层(厚度为80±10微米)，所述第二层为_SiC涂层(厚度为50±5微米)。这样的涂层结构(上述所述吸热层与所述调节套筒的结合方式)具有高结合强度、高致密度等特点。可以很好的保护基体，延长其使用寿命。

示例性的，所述吸热层的厚度为130±15微米。

示例性的，所述调节套筒6的外表面设置有隔热层。

所述隔热层具有反射及屏蔽热的作用，防止外面的热量从所述调节套筒6向水冷套内部传输，维持水冷套内部的温度恒定。

示例性的，所述隔热层包括靠近所述调节套筒6的第三层和远离所述调节套筒的第四层，所述第三层为石墨材质与所述调节套筒的外壁发生化学反应形成的过渡层。

所述调节套筒的材质为碳纤维复合材料，所述第三层为_C+SiC复合过渡涂层(厚度为80±10微米)，所述第四层为_SiC涂层(厚度为50±5微米)。这样的涂层结构(上述所述隔热层与所述调节套筒的结合方式)具有高结合强度、高致密度等特点。可以很好的保护基体，延长其使用寿命。

示例性的，所述隔热层的厚度为160±15微米。

示例性的，所述筒状本体包括内筒2和位于所述内筒2的外部的外筒1，所述外筒1的底部包括用于承载所述内筒的第一区和与所述第一区相邻的第二区，所述第一区靠近所述外筒1的侧壁设置，所述调节套筒6的顶部设置有凸缘(第三凸缘62)，所述凸缘与所述第二区连接。

参考图1、图3和图4，示例性的，所述内筒2呈倒锥形结构。

相比于单一的直筒式结构，本实施例中采用套设的内筒和外筒的双层结构，所述外筒采用直筒式结构，所述外筒起到阻隔热的作用，所述内筒采用倒锥形结构，可以形成纵向梯度水冷的效果，因晶棒纵向(即晶棒的轴向方向)的温度呈梯度变化(下端热上端冷，靠近硅熔液的一端为下端，远离硅熔液的一端为上端)，晶棒的热量主要是以辐射的方式传输给周围温度低的物体，辐射传热的强度与距离的三次方呈反比，即距离越近辐射传热越强，相应的水冷效果越好，所述内筒呈倒锥形，沿纵向方向，所述内筒的内壁与晶棒在所述晶棒的径向方向上的距离呈梯度变化，可以实现梯度水冷地效果，即纵向不对称效果，以此达到径向和轴向的梯度温梯变化，大大提高晶棒轴向和径向的散热，减少内部热量累积，改变晶棒的热历史，减少错排及其他晶体缺陷的产生，提高晶棒品质。可根据拉工艺需要，调节所述内筒的内壁的倾斜角度，可以很大限度地调节晶棒的纵向(即轴向)和径向温度梯度，控制晶棒中缺陷的反应速率，调节缺陷分布。

示例性的，所述内筒的顶部的内直径为450mm，所述内筒的底部的内直径为390mm，但并不以此为限。

所述内筒的顶部设置有第二凸缘22，所述外筒的顶部设置有第一凸缘11，所述第一凸缘11靠近所述内筒的一侧设置有台阶形凹槽13，所述第二凸缘22搭接于所述台阶形凹槽13内。

所述第二凸缘22远离所述内筒底部的第一面与所述第一凸缘11远离所述内筒底部的第二面位于同一平面。

所述内筒的底部具有第一通孔，所述外筒的底部具有第二通孔12，所述第一通孔的圆心在所述外筒1的底部上的正投影与所述第二通孔12的圆心重合。

示例性的，所述第二通孔12的边缘朝向所述外筒1的顶部凸设有环形凸起14，所述环形凸起14起到挡墙的作用，用于对所述内筒2进行限位。

示例性的，沿所述内筒2的轴向方向，所述内筒2的内侧壁上设置有齿状波纹结构21。

齿状波纹结构21的设置可以增加所述内筒的内壁的表面积，即增加水冷套的吸热面积，相较于平滑表面，这样的表面吸热效果更好，具有很好的冷却晶棒效果。

所述齿状波纹结构21包括多个沿所述内筒2的周向延伸的环形齿，多个所述环形齿沿所述内筒2的轴向排列形成，单个环形齿的截面形状可以为三角形、梯形、弧形等。

示例性的，从所述内筒2的顶端到所述内筒2的底部的方向上，所述齿状波纹结构21在所述内筒2的径向方向上的厚度逐渐增大。

示例性的，所述内筒2的内侧壁设置有吸热涂层。

所述吸热涂层设置于所述齿状波纹结构21远离所述外筒1的一侧，所述吸热涂层的形状与所述齿状波纹结构21的形状相符，即所述吸热涂层与所述内筒2的连接面和与所述连接面相对设置的内表面均为齿状波纹结构21。

所述吸热涂层具有吸热作用，所述吸热涂层与所述内筒2的结合强度高，可有效缓解吸热涂层界面(所述吸热涂层与所述内筒2的连接面)的热应力，热力学性能稳定，所述内筒2可以很好地实时带走晶棒传输的热量，大大提高晶棒的冷却速率，提高拉速，增加拉晶效率。

示例性的，从所述内筒2的顶端到所述内筒2的底部的方向上，所述吸热涂层在所述内筒2的径向方向上的厚度逐渐增大。

示例性的，所述吸热涂层采用陶瓷制成，但并不以此为限。

示例性的，所述吸热涂层的厚度为200±25微米。

示例性的，所述内筒2的外侧壁和/或所述外筒1的内侧壁设置有隔热涂层。

所述隔热涂层具有反射及屏蔽热的作用，防止外面的热量从所述外筒1向水冷套(即所述内筒2的内部)内部传输，维持水冷套内部的温度恒定。

示例性的，所述内筒2的外侧壁设置有隔热涂层，从所述内筒2的顶端到所述内筒2的底部的方向上，所述隔热涂层在所述内筒2的径向方向上的厚度逐渐增大。

示例性的，所述隔热涂层采用耐高温隔热氧化锆陶瓷制成。

示例性的，所述隔热涂层的厚度为100±25微米，但并不以此为限。

示例性的，沿着所述内筒2的轴向方向，所述水冷管道3螺旋式环绕分布于所述内筒2的外侧壁上。

所述水冷管道3可以设置在所述内筒2的外侧壁上，也可以设置在所述外筒1的内侧壁上。

所述水冷管道3的具体结构形式并不以此为限，例如所述水冷管道3可呈蛇形，分布于所述内筒2的外侧壁，所述水冷管道3呈蛇形，包括沿所述内筒2的轴向延伸的多个直线形管道3和设置于相邻两个直线形管道3之间的弯折形管道3。

示例性的，从所述内筒2的顶端到所述内筒2的底部的方向上，所述水冷管道3的直径逐渐增大。

采用上述方案，水冷管道3的水冷效果沿着所述内筒2的轴向方向呈梯度变化，有利于径向向和轴向的梯度温度的调节。

示例性的，所述水冷管道的直径为5-10mm，但并不以此为限。

示例性的，从所述内筒2的顶端到所述内筒2的底部的方向上，水冷管道的环绕间距为48mm。

参考图1、图5-图7，示例性的，本实施例中所述水冷套装置还包括用于控制所述筒状本体升降的升降结构；

所述筒状本体包括内筒2和位于所述内筒2外部的外筒1；

所述升降结构包括相对设置于所述筒状本体的两侧的两个升降部4，每个所述升降部4包括驱动件和传动件，所述传动件通过连接结构与所述外筒1连接，使得两个所述升降部4能够异步运动以带动所述筒状本体倾斜预设角度。

通过所述升降结构的设置，控制所述筒状本体的升降，且两个升降部4采用独立驱动的方式，以使得两个所述升降部4可异步运动，使得筒状本体可在预设角度范围内倾斜从而形成不对称的水冷效果，大的梯度变化可加快晶棒热量向水冷套进行传输，提高传热效率，加快晶棒轴向和径向的散热。且可根据拉工艺需要，很大限度地调节晶棒的纵向温度梯度和径向温度梯度，控制晶棒中缺陷的反应速率，调节缺陷分布，具有很好的冷却速率，可拉制不同缺陷类型的晶棒(如无层错晶棒，BMD晶棒)。

不同工艺参数要求的晶棒需要匹配不同的水冷效果，异步移动的水冷套装置可以根据需求进行相应调整得到合适的冷却效果。

异步移动的目的是造成径向不对称效果，提高水冷效果，升降机构的作用：当拉制外延晶棒时，需要大的拉速拉制，通过水冷套向液面移动，增加冷却效果，以此来提高拉速；当拉制无缺陷抛光晶棒时，可将水冷套向上移动，抑制COP的形成；当拉制BMD晶棒时，会促进BMD的形核及长大，可通过水冷套的移动调节，BMD在650℃-700℃的低温形核，同时对于高温区域，通过异步移动调节，扩大在750℃-1100℃温度范围内的晶棒区间。以此来促进BMD的高温形核。

需要说明的是，在所述升降结构的作用下，两个相对设置的所述升降部4相配合可使得所述筒状本体倾斜升降，即通过两个所述升降部4异步运动倾斜预设角度后，再控制两个所述升降部4同步运动以控制所述筒状本体以倾斜的状态进行升降运动。

需要说明的是，升降结构所包括的所述升降部4的数量并不做限定，所述筒状本体的相对的两侧设置两个所述升降部4，两个相对设置的升降部4为一组，所述升降结构可以包括多组所述升降部4，每一组所述升降部4可以实现所述筒状本体在一个方向上的倾斜，从而可以根据实际需要，设置多组所述升降部4，从而灵活控制所述筒状本体的倾斜方向，从而可以更好的控制水冷效果。

需要说明的是，两个相对设置的所述升降部4相配合可使得所述水冷套本体倾斜升降，倾斜的角度可以根据实际需要设定，例如可以为0-17度，但并不以此为限。

示例性的，所述传动件包括：

升降杆41，沿所述外筒1的轴向方向延伸，且所述升降杆41外表面上设置有齿条411结构；

传动齿轮42，所述传动齿轮42通过与所述齿条411结构啮合以与所述升降杆41传动连接。

本实施例中采用传动齿轮42和升降杆41相配合的方式，传动齿轮42旋转，在所述升降杆41的传动作用下，实现所述筒状本体的升降。

示例性的，每个所述升降部4的所述驱动件可以为驱动电机。

示例性的，一个所述升降杆41的外表面具有远离所述另一个所述升降杆41设置的第一区域，所述第一区域内凹形成一连接面，所述连接面上设置所述齿条411结构。

所述连接面为与所述外筒1的轴向方向相平行的平面，在所述连接面上设置所述齿条411结构，利于所述齿条411结构与所述传动齿轮42的配合。

示例性的，所述齿条411结构包括凸设于所述连接面上的多个相平行设置的齿条411，多个所述齿条411沿所述外筒1的轴向方向并排设置，相邻两个所述齿条411之间形成齿槽。

所述齿条411的延伸方向与所述外筒1的轴向方向相垂直，所述传动齿轮42的轴向方向与所述齿条411的延伸方向相平行，所述传动齿轮42的齿对应于所述齿槽，从而所述传动齿轮42旋转，带动所述升降杆41进行升降运动，从而带动所述筒状本体进行升降运动。

示例性的，所述齿条411为螺纹齿条，螺纹齿条具有高精度和大负载的特点。

示例性的，所述升降杆41远离所述外筒1的一端设置有限位台43。

所述限位台43的设置，防止所述传动齿轮42与所述升降杆41脱离，所述限位台43可以为圆形结构，且所述限位台43在所述升降杆41的径向方向上的面积大于所述升降杆41的端面的截面面积。

所述限位台43可以是与所述升降杆41为一体结构，可以是经过焊接等工艺连接的，也可以是在所述连接面形成时同步形成的，所述第一区域可以位于所述升降杆41的中部，所述第一区域内凹形成凹槽，所述凹槽的底面为所述连接面，从而在所述升降杆41的轴向方向上，所述凹槽的远离所述外筒1的一端的第一侧壁形成所述限位台43，所述凹槽的与所述第一侧壁相对的第二侧壁形成用于限制所述传动齿轮42的运动行程的限位挡墙。

示例性的，在所述外筒1的轴向方向上，所述第一区域的长度小于所述升降杆41的长度，且所述第一区域位于所述升降杆41远离所述外筒1的一端。

示例性的，在所述外筒1的轴向方向上，所述第一区域的长度大于所述升降杆41的长度的一半。

示例性的，所述连接部5包括套设于所述外筒1外部的卡环51，所述卡环51的相对的两侧凸设形成两个凸起52，每个所述凸起52上设置有用于与相应的所述升降杆41连接的连接通孔521。

示例性的，所述升降杆41靠近所述外筒1的一端设置有连接环44，所述连接环44与所述升降杆41通过螺纹连接，所述升降杆41与所述凸起52以间隙宽松配合，这样便于在两个所述升降杆41异步运动的时候，实现水冷套的倾斜。

示例性的，所述外筒1的顶部设置有第一凸缘11，所述卡环51设置于所述第一凸缘11靠近所述外筒1的底部的一侧。

所述卡环51可通过粘结层与所述第一凸缘11粘接，以增强所述连接部5与所述外筒1之间的连接强度。

本发明实施例还提供一种单晶炉，包括所述水冷套装置，还包括炉体，位于所述炉体内的坩埚，在所述升降结构的升降作用的，将所述筒状本体固定于所述坩埚上方。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种水冷套装置，其特征在于，包括筒状本体，所述筒状本体的底部设置与所述筒状本体内部连通的调节套筒，所述调节套筒包括与所述筒状本体连接的第一端，和与所述第一端相对的第二端，从所述第一端到所述第二端，所述调节套筒在所述筒状本体的径向方向上截面的面积逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的水冷套装置，其特征在于，所述调节套筒的内表面为曲面。

3.根据权利要求2所述的水冷套装置，其特征在于，所述调节套筒在所述筒状本体的轴向方向上的截面的形状呈抛物线形状。

4.根据权利要求1所述的水冷套装置，其特征在于，在所述筒状本体的轴向方向上，所述调节套筒包括靠近所述筒状本体的第一部分和与所述第一部分相邻的第二部分，所述第二部分的外表面内凹形成凹部。

5.根据权利要求1所述的水冷套装置，其特征在于，所述调节套筒的内表面设置有吸热层。

6.根据权利要求5所述的水冷套装置，其特征在于，所述吸热层包括靠近所述调节套筒的第一层和远离所述调节套筒的第二层，所述第一层为石墨材质与所述调节套筒的内壁发生化学反应形成的过渡层。

7.根据权利要求6所述的水冷套装置，其特征在于，所述第一层为C+SiC复合过渡涂层，所述第二层为SiC涂层。

8.根据权利要求5所述的水冷套装置，其特征在于，所述吸热层的厚度为130±15微米。

9.根据权利要求1所述的水冷套装置，其特征在于，所述调节套筒的外表面设置有隔热层。

10.根据权利要求9所述的水冷套装置，其特征在于，所述隔热层包括靠近所述调节套筒的第三层和远离所述调节套筒的第四层，所述第三层为石墨材质与所述调节套筒的外壁发生化学反应形成的过渡层。

11.根据权利要求10所述的水冷套装置，其特征在于，所述第三层为C+SiC复合过渡涂层，所述第四层为SiC涂层。

12.根据权利要求9所述的水冷套装置，其特征在于，所述隔热层的厚度为160±15微米。

13.根据权利要求1所述的水冷套装置，其特征在于，所述筒状本体包括内筒和位于所述内筒的外部的外筒，所述外筒的底部包括用于承载所述内筒的第一区和与所述第一区相邻的第二区，所述第一区靠近所述外筒的侧壁设置，所述调节套筒的顶部设置有凸缘，所述凸缘与所述第二区连接。

14.一种单晶炉，其特征在于，包括权利要求1-13任一项所述的水冷套装置。

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