CN114875478B - 一种加热器和单晶炉 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种加热器和单晶炉。所述加热器包括加热本体；所述加热本体呈碗状且底部具有开口；所述加热本体在周向上划分为第一加热区和第二加热区，第一加热区包括第一主加热区，第二加热区包括第二主加热区，第一主加热区和第二主加热区位于加热本体的轴向的不同高度。本发明实施例中，通过将加热本体的形状设置为与坩埚外形相适配的碗状，并且第一加热区包括的第一主加热区和第二加热区包括的第二主加热区位于加热本体的轴向的不同高度，即呈现出不对称性，从而有利于晶棒中心的轴向温度差与晶棒边缘的轴向温度差的差值变小，有利于无缺陷晶棒的生长，同时控制氧含量的有效析出，提高晶棒轴向和径向的氧含量均一性。
Description
技术领域
本发明涉及单晶制备技术领域，具体涉及一种加热器和单晶炉。
背景技术
随着对半导体硅晶圆品质要求的不断提高，对拉晶过程中晶棒的晶体缺陷有了更高的管控要求，而热场(Hot Zone)的结构及性能直接影响着晶棒的品质，因此热场的设计至关重要。对于单晶炉而言，加热器的设计是热场设计的核心之一。加热器承担着单晶炉的热量输出，在多晶硅料熔化阶段和后期成形阶段都起着重要的作用，其形状及加热区域的大小直接影响着拉晶炉温度场，进而影响晶棒的品质。
而现有技术中的加热器的加热效率不高，尤其在晶棒等径生长后期，随着熔体的不断减少，熔体保持热量的能力下降，这更大程度上加剧了熔体温度场的不均匀性，同时传统加热器由于受热量传输方式的限制，对流方式不利于氧的有效析出及晶棒中氧的径向均匀浸入，这很大程度上限制了晶棒中氧的均一性分布，影响了晶棒的整体品质。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种加热器和单晶炉，能够解决相关技术中加热器的加热效率不高，不利于氧的有效析出及晶棒中氧的径向均匀侵入，导致晶棒品质不高的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明第一方面实施例提供了一种加热器，所述加热器包括加热本体；
所述加热本体呈与坩埚外形相适配的碗状，且所述加热本体的底部具有开口；
所述加热本体在周向上划分为第一加热区和第二加热区，所述第一加热区包括第一主加热区，所述第二加热区包括第二主加热区，所述第一主加热区和所述第二主加热区位于所述加热本体的轴向的不同高度。
可选地，所述加热本体包括在所述加热本体的轴向呈上下设置并连为一体的直筒部和弧形部，所述第一加热区中的第一主加热区位于所述直筒部，所述第二加热区中的第二主加热区位于所述弧形部。
可选地，所述加热本体上开设有周向交替分布的第一开槽和第二开槽以将所述加热本体分割为多根首尾依次相连的加热条，所述第一开槽自所述加热本体的上端向所述加热本体的下端延伸且未贯穿所述加热本体的下端，所述第二开槽自所述加热本体的下端向所述加热本体的上端延伸且未贯穿所述加热本体的上端，位于所述第一加热区中的第二开槽延伸至相邻两条所述第一开槽之间的区域，位于所述第二加热区中的第一开槽延伸至相邻两条所述第二开槽之间的区域。
可选地，所述第二开槽延伸至相邻两条所述第一开槽之间的区域的部分的长度与所述直筒部的高度的比值为1/2～2/3。
可选地，所述第一开槽延伸至相邻两条所述第二开槽之间的区域的部分的长度与所述弧形部的弧线长度的比值为3/4。
可选地，所述第一开槽延伸至相邻两条所述第二开槽之间的区域的部分的长度大于所述第二开槽延伸至相邻两条所述第一开槽之间的区域的部分的长度。
可选地，所述直筒部的高度小于所述弧形部的弧线长度。
可选地，所述第一加热区与所述第二加热区为所述加热本体在周向上平分得到。
本发明另一方面实施例还提供了一种单晶炉，该单晶炉包括第一方面所述的加热器。
可选地，所述单晶炉还包括：
坩埚，所述坩埚的外形与所述加热器的加热本体的外形均为碗状。
本发明上述技术方案的有益效果如下：
根据本发明实施例的加热器，通过将加热本体的形状设置为与坩埚外形相适配的碗状，可以高效地将热量传输给坩埚，提高了加热器的加热效率；并且加热本体在周向上划分的第一加热区和第二加热区中，第一加热区包括的第一主加热区和第二加热区包括的第二主加热区位于加热本体的轴向的不同高度，即呈现出不对称性，从而有利于晶棒中心的轴向温度差与晶棒边缘的轴向温度差的差值变小，使固液交界面的形状变得平缓，有利于无缺陷晶棒的生长，同时改变了熔体自然外对流，配合坩埚转速，可以控制氧含量的有效析出，同时改变熔体表面张力，使其呈现沿径向呈梯度变化，形成界面对流，与晶转形成的内对流配合，有利于氧均匀浸入晶棒，提高晶棒轴向和径向的氧含量均一性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种加热器的装配示意图；
图2为本发明实施例提供的一种加热本体的示意图。
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。
请参考图1和图2，图1为本发明实施例提供的一种加热器的装配示意图，图2为本发明实施例提供的一种加热本体的示意图。如图1和图2所示，本发明一方面实施例提供了一种加热器，该加热器应用于单晶炉，该加热器包括加热本体1，加热本体1呈与坩埚的外形相适配的碗状，也就是说，单晶炉中用于盛放硅料的坩埚呈碗状，该坩埚具体可以为石墨坩埚5，而加热器的加热本体1也呈与坩埚的外形相同的碗状，相当于将石墨坩埚5等比例扩大，由此，加热本体1不同部分与坩埚对应部分的距离基本一致，加热本体1产生的热量可以均匀地传输给坩埚，坩埚再将热量均匀传递给坩埚内的硅料，从而提升了加热器的加热效率。
本发明实施例中，加热本体1在周向上划分为第一加热区和第二加热区，第一加热区包括第一主加热区111，该第一主加热区111的加热功率大于第一加热区中除第一主加热区111以外的其他区域的加热效率，可选地，第一主加热区111与第一主加热区111中其他区域呈上下设置。而第二加热区则包括第二主加热区112，该第二主加热区112的加热功率大于第二加热区中除第二主加热区112以外的其他区域的加热效率，可选地，第二主加热区112与第二主加热区112中其他区域呈上下设置。并且，第一主加热区111和第二主加热区112位于加热本体1的轴向的不同高度，也就是说，第一加热区中的第一主加热区111和第二加热区中的第二主加热区112在加热本体1的轴向上的高度不同，第一主加热区111和第二主加热区112在周向上呈现出不对称性。如图1所示，第一主加热区111形成的加热方向主要为横向辐射，而第二主加热区112形成的加热方向主要为斜向上辐射。其中，加热过程中，熔体3会产生自然外对流6，晶棒2转动则会形成强迫内对流7。
由此，本发明实施例中的加热器采用上述设置方式，有利于晶棒2中心的轴向温度差与晶棒2边缘的轴向温度差的差值△G变小，使得固液交界面的形状变得平缓，从而有利于无缺陷晶棒的生长；并且，还可以改变熔体3的自然外对流6，配合坩埚自身的转速，可以控制氧含量的有效析出；此外，还可以改变熔体3表面张力，使其呈现沿径向呈梯度变化，形成界面对流，与晶棒2转动形成的强迫内对流7配合，可以有利于氧均匀浸入晶棒2，继而提高晶棒2的轴向和径向的氧含量均一性，从而提升晶棒2的品质。
本发明的一些实施例中，加热本体1包括在加热本体1的轴向上呈上下设置、并且连为一体的直筒部11和弧形部12，也即直筒部11位于弧形部12的上方，直筒部11即呈直筒形状，而弧形部12则呈弧形。其中，第一加热区中的第一主加热区111位于直筒部11，而第二加热区中的第二主加热区112则位于弧形部12。由此，第一主加热区111和第二主加热区112位于加热本体1的轴向的不同高度，实现不对称设置。
本发明的一些实施例中，加热本体1上开设有周向交替分布的第一开槽8和第二开槽9，第一开槽8和第二开槽9将加热本体1分割为多根首尾依次相连的加热条，也即多根加热条呈串联形式。其中，第一开槽8自加热本体1的上端向加热本体1的下端延伸且未贯穿加热本体1的下端，而第二开槽9则自加热本体1的下端向加热本体1的上端延伸且未贯穿加热本体1的上端；并且，位于第一加热区中的第二开槽9延伸至相邻两条第一开槽8之间的区域，也即第一加热区中的第二开槽9的部分位于相邻两条第一开槽8之间的区域；而位于第二加热区中的第一开槽8延伸至相邻两条第二开槽9之间的区域，也即第二加热区中的第一开槽8的部分位于相邻两条第二开槽9之间的区域。由此，使得第一加热区中的第一开槽8和第二开槽9形成的第一主加热区111位于直筒部11，而第二加热区中的第一开槽8和第二开槽9形成的第二主加热区112位于弧形部12。
可选地，加热本体1上还设置有用于与电极连接的引脚，以方便加热本体与外部电源接通，实现电加热。
本发明的另一些实施例中，在第一加热区中，第二开槽9延伸至相邻两条第一开槽8之间的区域的部分的长度与直筒部11的高度的比值为1/2～2/3，由此，通过控制第二开槽9延伸至相邻两条第一开槽8之间的区域的部分的长度与直筒部11的高度的比值，继而可以控制第一加热区中的第一主加热区111的面积大小。
本发明的另一些实施例中，在第二加热区中，第一开槽8延伸至相邻两条第二开槽9之间的区域的部分的长度与所述弧形部12的弧线长度的比值为3/4，由此，通过控制第一开槽8延伸至相邻两条第二开槽9之间的区域的部分的长度与所述弧形部12的弧线长度的比值，继而可以控制第二加热区中的第二主加热区112的面积大小。其中，所谓弧形部12的弧线长度，即弧形部12的下端到弧形部12的上端之间的弧线的长度，该弧线为过加热本体1的轴线的平面剖切弧形部12得到。
本发明的一些实施例中，第二加热区中的第一开槽8延伸至相邻两条第二开槽9之间的区域的部分的长度大于第一加热区中的第二开槽9延伸至相邻两条第一开槽8之间的区域的部分的长度。也就是说，第二加热区中的第二主加热区112的加热效率要大于第一加热区中的第一主加热区111的加热效率，从而有利于氧的有效析出及晶棒2中氧的径向均匀侵入。
本发明的另一些实施例中，直筒部11的高度小于弧形部12的弧线长度。其中，所谓弧形部12的弧线长度，即弧形部12的下端到弧形部12的上端之间的弧线的长度，该弧线为过加热本体1的轴线的剖切面剖切弧形部12得到。由此，弧形部12在加热本体1的轴向上的加热范围大于直筒部11在加热本体1的轴向上的加热范围，即弧形部12的加热效率大于直筒部11的加热效率，从而改善熔体3自然外对流6和晶体转动形成的内对流。
本发明的一些实施例中，第一加热区与第二加热区为加热本体1在周向上平分得到，也即第一加热区和第二加热区在加热本体1的周向上的长度相同。当然，可选地，在一些实施例中，第一加热区和第二加热区在加热本体1的周向上的长度也可以不相同，例如，第一加热区在加热本体1的周向上的长度占加热本体1的周向长度的1/3，而第二加热区在加热本体1的周向上的长度占加热本体1的周向长度的2/3，具体的尺寸可以根据实际单晶炉设计需求确定，本发明实施例不做具体限定。
本发明实施例中，通过将加热本体1的形状设置为与坩埚外形相适配的碗状，可以高效地将热量传输给坩埚，提高了加热器的加热效率；并且加热本体在周向上划分的第一加热区和第二加热区中，第一加热区包括的第一主加热区和第二加热区包括的第二主加热区位于加热本体的轴向的不同高度，即呈现出不对称性，从而有利于晶棒中心的轴向温度差与晶棒边缘的轴向温度差的差值变小，使固液交界面的形状变得平缓，有利于无缺陷晶棒的生长，同时改变了熔体自然外对流，配合坩埚转速，可以控制氧含量的有效析出，同时改变熔体表面张力，使其呈现沿径向呈梯度变化，形成界面对流，与晶转形成的强迫内对流配合，有利于氧均匀浸入晶棒，提高晶棒轴向和径向的氧含量均一性。
本发明另一方面实施例还提供了一种单晶炉，该单晶炉包括上述实施例中所述的加热器，且能达到相同的技术效果，为避免重复，在此不再赘述。
本发明的一些实施例中，单晶炉还包括：
坩埚，所述坩埚的外形与所述加热器的加热本体1的外形均为碗状。
具体来说，如图1和图2所示，加热器包括加热本体1，加热本体1呈与坩埚的外形相适配的碗状，也就是说，单晶炉中用于盛放硅料的坩埚呈碗状，该坩埚具体可以包括石墨坩埚5以及位于石墨坩埚5内部的石英坩埚4，而加热器的加热本体1也呈与石墨坩埚5的外形相同的碗状，相当于将石墨坩埚5等比例扩大，由此，加热本体1不同部分与坩埚对应部分的距离基本一致，加热本体1产生的热量可以均匀地传输给坩埚，坩埚再将热量均匀传递给坩埚内的硅料，从而提升了加热器的加热效率。
本发明实施例中，通过将加热器的加热本体的形状设置为与坩埚外形相适配的碗状，可以高效地将热量传输给坩埚，提高了加热器的加热效率；并且加热本体在周向上划分的第一加热区和第二加热区中，第一加热区包括的第一主加热区和第二加热区包括的第二主加热区位于加热本体的轴向的不同高度，即呈现出不对称性，从而有利于晶棒中心的轴向温度差与晶棒边缘的轴向温度差的差值变小，使固液交界面的形状变得平缓，有利于无缺陷晶棒的生长，同时改变了熔体自然外对流，配合坩埚转速，可以控制氧含量的有效析出，同时改变熔体表面张力，使其呈现沿径向呈梯度变化，形成界面对流，与晶转形成的内对流配合，有利于氧均匀浸入晶棒，提高晶棒轴向和径向的氧含量均一性。
以上所述是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种加热器，其特征在于，所述加热器包括加热本体；
所述加热本体呈与坩埚外形相适配的碗状，且所述加热本体的底部具有开口；
所述加热本体在周向上划分为第一加热区和第二加热区，第一加热区和第二加热区与坩埚的距离一致；
所述第一加热区包括第一主加热区，所述第二加热区包括第二主加热区，所述第一主加热区和所述第二主加热区位于所述加热本体的轴向的不同高度；
第一主加热区的加热功率大于第一加热区中除第一主加热区以外的其他区域的加热效率，第二主加热区的加热功率大于第二加热区中除第二主加热区以外的其他区域的加热效率。
2.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述加热本体包括在所述加热本体的轴向呈上下设置并连为一体的直筒部和弧形部，所述第一加热区中的第一主加热区位于所述直筒部，所述第二加热区中的第二主加热区位于所述弧形部。
3.根据权利要求2所述的加热器，其特征在于，所述加热本体上开设有周向交替分布的第一开槽和第二开槽以将所述加热本体分割为多根首尾依次相连的加热条，所述第一开槽自所述加热本体的上端向所述加热本体的下端延伸且未贯穿所述加热本体的下端，所述第二开槽自所述加热本体的下端向所述加热本体的上端延伸且未贯穿所述加热本体的上端，位于所述第一加热区中的第二开槽延伸至相邻两条所述第一开槽之间的区域，位于所述第二加热区中的第一开槽延伸至相邻两条所述第二开槽之间的区域。
4.根据权利要求3所述的加热器，其特征在于，所述第二开槽延伸至相邻两条所述第一开槽之间的区域的部分的长度与所述直筒部的高度的比值为1/2～2/3。
5.根据权利要求3所述的加热器，其特征在于，所述第一开槽延伸至相邻两条所述第二开槽之间的区域的部分的长度与所述弧形部的弧线长度的比值为3/4。
6.根据权利要求3所述的加热器，其特征在于，所述第一开槽延伸至相邻两条所述第二开槽之间的区域的部分的长度大于所述第二开槽延伸至相邻两条所述第一开槽之间的区域的部分的长度。
7.根据权利要求2所述的加热器，其特征在于，所述直筒部的高度小于所述弧形部的弧线长度。
8.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述第一加热区与所述第二加热区为所述加热本体在周向上平分得到。
9.一种单晶炉，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的加热器。
10.根据权利要求9所述的单晶炉，其特征在于，还包括：
坩埚，所述坩埚的外形与所述加热器的加热本体的外形均为碗状。
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