CN115087765A - 用于生长单晶硅锭的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种提供用于生长单晶硅锭的设备的实施方式，包含：腔室；置于腔室内部并容纳硅熔体的坩埚；置于腔室内部并围绕着坩埚布置的加热部件；固定在腔室内的上部，并围绕着从坩埚中生长并提拉出的锭布置的第一水冷管；置于坩埚上方的隔热罩；以及，置于第一水冷管外部区域的可移动的第二水冷管。

Description

用于生长单晶硅锭的设备和方法
技术领域
本发明的实施方式涉及用于生长单晶硅锭的设备和方法，以及更具体地，涉及用于生长单晶硅锭设备的水冷管的改进。
背景技术
一般来说，硅片是通过以下工序制造的：用于生长单晶锭的单晶锭生长工序，将锭切成圆盘状薄片的切割工序，去除因锭切片而造成的硅片机械加工损伤的研磨工序，抛光硅片的抛光工序，以及平滑化抛光后的硅片并去除硅片上的研磨剂或异物的清洁工序。
在上述工序中的单晶锭生长工序中，装填进坩埚的高纯度硅通过加热坩埚至高温而熔化后，采用柴可拉斯基(Czochralski)法(以下简称"CZ法")可以实现单晶生长，并且根据本发明的方法可应用于CZ法，其通过将晶种置于硅熔体上来生长单晶。
为了提高单晶硅锭的生产率，增加了基础部分的长度，并且由于单晶硅锭长度的增加，初始装料量也增加。然而，由于传统的水冷管被固定在腔室(chamber)上，因此位于腔室上部的热区的空间，特别是隔热罩内的空间是有限的，当坩埚装入多晶硅块时，只能装入定量的多晶硅，因此由于初始装料量的限制，很难提高生产率。
此外，为了控制与晶体缺陷有关的质量，应改变单晶硅锭的冷却条件。可以通过调整水冷管与固-液界面的相对位置来控制单晶硅锭的冷却速度。作为调整水冷管位置的方法，水冷管的位置可以通过调节水冷管的长短来任意调整。
然而，这种调整水冷管长度的方法有一个缺点，那就是需要提供数个不同长度的水冷管。此外，当使用不同长度的水冷管时，每当工艺条件发生变化，就需要用另一个水冷管来替换当前的水冷管。当用另一根水冷管替换当前的水冷管或安装辅助设备时，相应设备的停机时间与更换水冷管或安装辅助设备的时间一致，因此，生产率会降低。
发明内容
技术问题
本发明的实施方式是为了解决上述问题，并提供一种用于生长单晶硅锭的装置和方法，使得在生长单晶硅锭时生产率得到了提高。
技术方案
本发明的一种实施方式提供了一种用于生长单晶硅锭的设备，包括：腔室；置于腔室内部并用于容纳硅熔体的坩埚；置于腔室内部并围绕着坩埚布置的加热装置；固定在腔室内的上部，并围绕着从坩埚中生长并提拉出的锭布置的第一水冷管；置于坩埚上方的隔热罩；以及置于第一水冷管外部以便移动的第二水冷管。
所述第二水冷管和隔热罩沿着平行于锭的提拉方向升降。
所述设备还包含至少一个位于腔室上方的驱动器，用于驱动第二水冷管的升降。
所述至少一个驱动器也可以驱动隔热罩的升降。
所述至少一个驱动器以相同的速度在同一方向上驱动第二水冷管和隔热罩的升降。
第二水冷管的下端可以从第一水冷管的下端向硅熔体下降。
所述设备还可以包括至少一个升降轴，所述升降轴用于将所述至少一个驱动器连接到隔热罩的上端。
所述设备还可以包括连接件，所述连接件用于连接第二水冷管的上端与所述至少一个升降轴。
所述至少一个驱动器还可以包括一对驱动器，以便其中间形成一个用于提拉锭的区域。
另一种实施方式提供了一种生长单晶硅锭的方法，包括(a)最大限度地增加容纳在坩埚中的硅熔体与隔热罩之间的距离；(b)将多晶硅装入坩埚中并将其熔化；(c)最大限度地减少容纳在坩埚中的硅熔体与隔热罩之间的距离；以及(d)将晶种浸入容纳在坩埚中的硅熔体中，并在单晶硅锭于晶种上生长的同时提拉单晶硅锭。
在步骤(a)中所述隔热罩可向上移动。
在步骤(c)中所述隔热罩可向下移动。
第一水冷管和第二水冷管可置于坩埚和隔热罩上方，第一水冷管可固定在指定位置，第二水冷管可与隔热罩以相同的速度在同一方向上移动。
有益效果
在根据所述实施方式的用于生长单晶硅锭的设备和方法中，一个水冷管由第一水冷管和第二水冷管组成，各水冷管的垂直长度相对较短，因此，虽然用比传统用于生长单晶锭装置所使用的管子尺寸更大的管子，向坩埚供应了比传统装置量更多的多晶硅，从而增加了坩埚中容纳的硅熔体的飞溅的量或高度，但隔热罩不受硅熔体飞溅的污染，并且生产率也可以提高。
附图说明
图1是显示了根据一个实施方式的用于生长单晶硅锭的设备的视图，
图2是详细地显示了图1所示的第一和第二水冷管、隔热罩和驱动器的视图，
图3是显示了图1所示的第二水冷管和隔热罩的移动的视图，
图4说明了根据一个实施方式的设备的效果，以及
图5是显示了根据一个实施方式的用于生长单晶硅锭的方法的流程图。
最佳实施方式
在下文中，将参照附图更详细地描述实施方式，以便具体地描述本发明。
但是，本发明可以进行各种修改，并以各种形式实施，而且可以理解的是，本发明的范围不应解释为仅限于本文所述的实施方式。提供本发明的实施方式是为了充分描述本发明，并将本发明的范围完全传达给本领域的技术人员。
此外，本文使用的相对术语，如“第一”、“第二”、“上方”、“下方”等，不一定要求或暗示这些术语所表示的实物或元件之间的任何物理或逻辑关系，或其顺序或次序，而只用于区分一种实物或元件与另一种实物或元件。
图1是显示了根据一个实施方式的用于生长单晶硅锭的设备的视图。下面，将参照图1描述根据一个实施方式的设备。
如图所示，根据一个实施方式，用于生长单晶硅锭的设备100包括：用于限定其中形成的空间，使得在所述空间中单晶硅锭从硅(Si)熔体中生长的腔室100，用于容纳硅熔体的坩埚200和250，用于加热坩埚200和250的加热装置400，位于坩埚200上方以防止单晶硅锭受到来自加热装置400的热量所影响的隔热罩，用于固定晶种使得单晶硅锭在上面生长的晶种夹(seed chuck)10，以及用于旋转坩埚250以升高坩埚250的旋转轴300。
生长的单晶硅锭可以由晶种夹10向提升装置800提拉，第一水冷管600和第二水冷管650可以用于冷却升高的高温单晶硅锭。第一水冷管600固定在腔室100内的上部，第二水冷管650设置在第一水冷管600的外部。第二水冷管650和隔热罩500可以由驱动器700驱动，在同一方向，即图2的垂直方向，以相同的速度进行升降，例如，第二水冷管650和隔热罩500可以在平行于单晶硅锭的提拉方向的方向升降。
腔室100提供了进行单晶硅锭从硅熔体中生长的指定过程的空间。
坩埚200和250可以置于腔室100中来容纳硅熔体，并且可由石英、石墨或类似材料形成，但不限于此。
坩埚200和250可包括用于与硅熔体直接接触的第一坩埚200，以及包围和支撑第一坩埚200的外表面的第二坩埚250。第一坩埚200可以由石英形成，第二坩埚250可以由石墨形成。
腔室300内可以放置绝缘材料，以防止加热装置400的热量散发出来。尽管本实施方式只说明了置于坩埚200和250上方的隔热罩500，但隔热材料可以分别置于坩埚200和250的侧表面和下部。
加热装置400可以将装入坩埚200和250内部的多晶硅熔化成硅熔体，置于加热装置400上部的供电负荷(未显示)可以将电流供应给加热装置400。
支撑件300可以置于坩埚200和250的底面中心处，以支撑坩埚200和250。单晶硅锭是通过固化部分硅熔体，从而在置于坩埚200和250上部的晶种(未显示)上生长的。
图2是详细地显示了图1所示的第一和第二水冷管、隔热罩和驱动器的视图。
驱动器700可以置于腔室100的上方，并且可以是，例如，电机。升降轴750可以在垂直方向上连接到各个驱动器700，并且升降轴750可以伸入腔室100内。升降轴750可与隔热罩500的上端500a连接，并可以上下移动隔热罩500。
连接件680可与第二水冷管650上端的侧表面连接，且连接件680可与升降轴750连接。
在图2中，升降轴750的下端可以连接至隔热罩500的上端500a，使得在垂直方向上与之接触，并且升降轴750的下部区域可以与连接部件680的外端680a连接，使得在水平方向上与之接触。
隔热罩500、第一水冷管600和第二水冷管650可围绕着提拉单晶硅锭的区域布置，尽管本实施方式说明可以设置一对驱动器700和一对升降轴750，以便置于腔室100上方的两侧，即左侧和右侧，但也可以只设置一个驱动器700和一个升降轴750。
图2说明了第二水冷管650被移动到最高位置的状态，并且第一水冷管600的下端600a和第二水冷管650的下端650a可以位于同一高度。在下文描述的工序中，第二水冷管650的下端650a可以从与第一水冷管600的下端600a相同的高度向硅熔体下降。
第一水冷管600的外表面和第二水冷管650的内表面之间的距离d1可以是1-30毫米。当距离d1小于1毫米时，第二水冷管650在移动过程中会干扰第一冷却水管600，而当距离d1大于30毫米时，单晶硅锭的冷却效果会降低，或者腔室100的空间利用率可会降低。
第二水冷管650的下端650a与隔热罩500之间在垂直方向的距离d2可以是10-20厘米。当距离d2小于10厘米时，第二水冷管650在移动过程中可能会与隔热罩500碰撞，而当距离d2大于20厘米时，单晶硅锭的冷却效果会降低，或者腔室100的空间利用率会降低。
或者，第二水冷管650的下端650a与隔热罩500之间在垂直方向的距离d2可以是5-50毫米。当距离d2小于5毫米时，第二水冷管650在移动过程中可能会与隔热罩500碰撞，而当距离d2大于50毫米时，单晶硅锭的冷却效果会降低，或者腔室100的空间利用率会降低。
升降轴750的垂直长度L1可以是可变的，即，当升降轴750的长度L1在向下增长时，第二水冷管650和隔热罩500向下移动，并且，当升降轴750的长度L1在向上缩短时，第二水冷管650和隔热罩500向上移动。
图3是显示了图1所示的第二水冷管和隔热罩的移动的视图。
图3说明了与图1和图2相比，第二水冷管650和隔热罩500向下移动的状态，例如，第二水冷管650和第一水冷管600可以在提拉和生长单晶硅锭的操作的初始阶段组合成长水冷管。因此，单晶硅锭在第一水冷管600和第二水冷管650的内部被提拉时，可以被有效地冷却。
升降轴750增长后的长度L2大于图2所示的升降轴750的长度L1，由此来移动第二水冷管650和隔热罩500。此外，第二水冷管650的下端650a可以处在比第一水冷管600的下端600a低的位置，第二水冷管650的下端650a与隔热罩500之间在垂直方向上的距离d2与图2中所示的距离d2相同。
图3说明了第二水冷管650和隔热罩500移动到最低高度的状态。此时，第二水冷管650的上端650b的高度可以等于或高于第一水冷管600的下端600a的高度，因此，第一水冷管600和第二水冷管650可以通过其整体的高度将单晶硅锭的外圈包围起来。
图4说明了根据一个实施方式的设备的效果。
左边的视图显示了在用于生长单晶硅锭的传统设备中，多晶硅装进坩埚200中的状态，右边的视图显示了根据本发明的一个实施方式的设备中，多晶硅装进坩埚200中的状态。右边的视图显示了由第一水冷管和第二水冷管组成的水冷管。
在传统的设备中，当下放管子并打开阀门时，管子中的多晶硅就被装进坩埚200中。此时，硅溶体需要与隔热罩500间隔第一距离D1，以防止因坩埚200中容纳的硅熔体飞溅而污染隔热罩。
在右图所示的根据本发明的设备中，水冷管由第一水冷管和第二水冷管组成，各水冷管的长度相对较短。硅熔体与隔热罩500之间的间隔为第二距离D2，第二距离D2大于第一距离D1。因此，尽管相比于传统设备，使用了尺寸更大的管子向坩埚200装填了量更多的多晶硅，从而增加了容纳在坩埚200中的硅熔体的飞溅量或高度，但隔热罩500不会被硅熔体的飞溅物所污染。
图5是一个流程图，表示根据一个实施方式的单晶硅锭的生长方法，特别是使用上述设备的单晶硅锭的生长方法。
首先，通过升高第二水冷管和隔热罩，最大限度地增加容纳在坩埚中的硅熔体与隔热罩之间的距离(S110)。隔热罩和硅熔体之间的距离可以是图3中所示的第二距离D2。
然后，装有多晶硅的管子被下放至坩埚的上部(S120)，再通过打开装在管子下部的阀门将多晶硅注入坩埚中(S130)。
然后，通过向坩埚供热将所有的多晶硅熔化，将管子升起并从腔室中取出(S140)。
然后，下放位于腔室上方的晶种，浸入坩埚中的硅熔体中，使得单晶硅锭在晶种上生长(S150)。此时，将第二水冷管和隔热罩向下移动，使得第一水冷管和第二水冷管可以布置在所生长和向上提拉的单晶硅锭的整个周围，以冷却单晶硅锭，并且隔热罩和硅熔体之间的距离小于步骤S110中两者之间的距离，以适当地保持热区。
尽管已经参照说明性的实施方式及其附图对本发明的实施方式进行了详细描述，但如上所述的本发明并不限于这些实施方式，这对于本领域的技术人员来说应该是显而易见的，可以进行各种替代、改变和调整，这些替代、改变和调整在本文中没有举例说明，但仍在本发明的精神和范围之内。
因此，本发明的范围不是由详细描述限定的，而是由权利要求及其等同形式确定的，权利要求及其等同形式范围内的所有变化都应被理解为包括在本发明中。
工业上的适用性
根据本发明的实施方式的用于生长单晶硅锭的设备和方法，可以提高单晶硅锭的生产率。

Claims (13)

1.一种用于生长单晶硅锭的设备，包含：
腔室；
置于在腔室内部并用于容纳硅熔体的坩埚；
置于腔室内部并围绕着坩埚布置的加热装置；
固定在腔室内的上部，并围绕着从坩埚中生长并提拉出的锭布置的第一水冷管；
置于坩埚上方的隔热罩；以及，
置于第一水冷管外部而可移动的第二水冷管。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述第二水冷管和隔热罩沿着平行于锭的提拉方向的方向升降。
3.如权利要求2所述的设备，进一步包含至少一个位于所述腔室上方的驱动器，用于驱动第二水冷管的升降。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述至少一个驱动器驱动隔热罩的升降。
5.如权利要求3或4所述的设备，其中，所述至少一个驱动器驱动第二水冷管和隔热罩以相同的速度在同一方向上升降。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述第二水冷管的下端从第一水冷管的下端向硅熔体下降。
7.如权利要求4所述的设备，进一步包含至少一个用于将所述至少一个驱动器连接到隔热罩上端的升降轴。
8.如权利要求7所述的设备，进一步包含用于连接第二水冷管的上端与所述至少一个升降轴的连接件。
9.如权利要求3所述的设备，其中所述至少一个驱动器包含一对驱动器，以便在其中间形成一个提拉锭的区域。
10.一种用于生长单晶硅锭的方法，所述方法包含：
(a)最大限度地增加容纳在坩埚中的硅熔体与隔热罩之间的距离。
(b)将多晶硅装进坩埚中，并将其熔化。
(c)最大限度地缩小容纳在坩埚中的硅熔体与隔热罩之间的距离；以及
(d)将晶种浸入容纳在坩埚中的硅熔体中，并在晶种上生长单晶硅锭的同时提拉单晶硅锭。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述隔热罩在步骤(a)中向上移动。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述隔热罩在步骤(c)中向下移动。
13.如权利要求10至12中任一项所述的方法，其中第一水冷管和第二水冷管放置在坩埚和隔热罩上方，第一水冷管固定在指定位置，第二水冷管与隔热罩以相同的速度在同一方向上移动。
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