CN115233296A - 一种加热器、拉晶炉和消除大直径单晶硅自我间隙缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加热器、拉晶炉和消除大直径单晶硅自我间隙缺陷的方法，涉及单晶硅晶体生长领域，加热本体为圆筒形，拉晶炉的导流筒架设于坩埚上方，加热本体安装于导流筒内侧。消除大直径单晶硅自我间隙缺陷的方法，采用所述的拉晶炉实现，单晶硅棒拉出液面后，利用所述加热本体对单晶硅棒进行加热并使单晶硅棒保持在950℃以上，保持时间为至少15小时。有益效果是：加热器保证硅棒在一定时间里保持拉出的晶体在950℃以上，利用加热本体对拉出液面的硅棒进行保温，让自我间隙的硅原子有足够的时间向单晶硅棒外表面这个自由界面扩散，从而在大直径硅棒中消除这种微观点缺陷。

Description

一种加热器、拉晶炉和消除大直径单晶硅自我间隙缺陷的 方法

技术领域

本发明涉及单晶硅晶体生长领域，具体涉及一种加热器、拉晶炉和消除大直径单晶硅自我间隙缺陷的方法。

背景技术

本实发明涉及一种在直拉法（Czochralski）单晶硅生长中，消除自我间隙缺陷（self interstitial）的方法，以用来扩散并消除单晶硅内部的自我间隙缺陷。

通常大直径单晶硅棒是指硅棒的直径大于或等于200mm，例如200mm或300mm等。传统上，一个直拉法（Czochralski）拉晶炉里，会用使用石墨的导流筒（graphite reflector，英文意思是反射器，但是对应中文是导流筒）,导流筒的主要作用是增加拉晶时在固相中的纵向温度梯度，对比没有导流筒的开放式热场，导流筒可以大幅提高晶体的拉速，从而提高单晶炉的效率并降低晶体生产成本。导流筒的使用，固然有上述优点，但是导流筒的存在，不仅增加了固相的纵向温度梯度，同时也增加了固相中的径（横）向温度梯度，根据业界权威俄罗斯科学家Voronkov的缺陷生成理论以及无数实战经验，这样大的径向温度梯度，会使得晶体生长中，产生的微观点缺陷（micro grown-in point defects）极难控制。微观点缺陷中，分成两大型，一种是间隙型（interstitial）的，另一种是空穴型（vacancy）的，这两大型的微观点缺陷，还可细分成几个亚型，如间隙型的缺陷可分成自我间隙和位错环（dislocation loop）两种亚型，空穴型的又可以细分成D型、H型、P型和L型四种亚型，这些微观点缺陷都是芯片杀手，会造成芯片制造的良率大幅下降，所以，既然自我间隙是一种有对下游芯片制造非常有害的缺陷，就必须在拉晶时把它消除。自我间隙就是单晶硅的晶格里，不应该存在原子的晶格空间里，多余存在了一个或几个硅原子。

在正常的拉晶中，自我间隙如果出现，一定位于靠近晶体外表的区域，这是由于生长中的晶棒必须通过表面散热，而自然形成的晶棒径向温度分布不均匀所致的必然结果。

现有的拉晶炉中，在坩埚上方通常不设置加热器，且加热器的结构通常为高度较低的环形，难以实现硅棒的长时间保温，无法消除自我间隙缺陷这一特定的微观点缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何实现大直径单晶硅长时间保温从而消除自我间隙缺陷。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种加热器，用于直径为D的单晶硅棒的拉晶，加热器包括加热本体，所述加热本体为圆筒形，所述加热本体的内径X为D+25mm≤X≤D+40mm，所述加热本体的高度H为0.8×D≤H≤D。

本发明的有益效果是：加热器为圆筒形，可以大部分的覆盖单晶硅棒，保证硅棒在高度方向一定范围内保温均匀，消除自我间隙缺陷效果好。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，加热器还包括安装架，所述安装架与所述加热本体固定连接。

进一步，所述安装架包括多个伸缩支撑杆，多个所述伸缩支撑杆沿所述加热本体的周向均匀分布，且下端与所述加热本体固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：不同拉晶工艺，拉速不一样，可根据不同的拉晶工艺调整加热本体与硅液面的距离，来调整单晶硅棒在特定温度的保持时间。

进一步，所述伸缩支撑杆为电动伸缩杆或液压伸缩杆。

进一步，所述加热本体的最大功率为30kw。

进一步，所述加热本体的材质为石墨、碳化硅或钨。

本发明还提供一种拉晶炉，包括坩埚、导流筒和所述的加热器，所述导流筒架设于所述坩埚上方，所述加热本体安装于所述导流筒内侧。

有益效果是：利用加热本体对拉出液面的硅棒进行保温，以消除单晶硅自我间隙缺陷。

进一步，所述加热本体的下端距离所述坩埚内的硅液面的距离为150-300mm。

采用上述进一步方案的有益效果是：由于硅的熔点是1410℃，因为存在热辐射，液面以上有余温，并且有一段距离的温度会高于950℃，液面以上存在余温的这段距离不用加热本体进行加热，可减少能源浪费。若加热本体的下端距离所述坩埚内的硅液面的距离小于150mm，加热的部分产生重叠，造成能源浪费；若该距离大于300mm，硅晶体的温度会有一段时间低于950℃，就不能有效地让自我间隙原子扩散，从而导致不能有效地消除自我间隙缺陷。

进一步，拉晶炉还包括主加热器和底部加热器，所述主加热器架设于所述坩埚的外侧，所述底部加热器架设在所述坩埚的下方。

本发明还提供一种消除大直径单晶硅自我间隙缺陷的方法，采用所述的拉晶炉实现，单晶硅棒拉出液面后，利用所述加热本体对单晶硅棒进行加热并使单晶硅棒保持在950℃-1000℃，保持时间为至少15小时。

有益效果是：使已经拉出液面的单晶硅棒，保持在950℃以上至少15小时，让自我间隙的硅原子有足够的时间向单晶硅棒外表面这个自由界面扩散，从而在大直径硅棒中消除这种微观点缺陷。

附图说明

图1为本发明加热本体的结构图；

图2为本发明加热器的结构图；

图3为本发明拉晶炉的结构图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、加热本体；2、伸缩支撑杆；3、坩埚；4、导流筒；5、主加热器；6、底部加热器。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-图2所示，本实施例提供一种加热器，用于直径为D的单晶硅棒的拉晶，加热器包括加热本体1，所述加热本体1为圆筒形，所述加热本体1的内径X为D+25mm≤X≤D+40mm，所述加热本体1的高度H为0.8×D≤H≤D。

加热本体为圆筒形，可以大部分的覆盖单晶硅棒，保证硅棒在高度方向一定范围内保温均匀，消除自我间隙缺陷效果好。

在上述方案的基础上，加热器还包括安装架，所述安装架与所述加热本体1固定连接。

具体的，加热本体1通过安装架安装在拉晶炉内。安装架可以为固定的架体，或者是可伸缩的结构。

在上述方案的基础上，所述安装架包括多个伸缩支撑杆2，多个所述伸缩支撑杆2沿所述加热本体1的周向均匀分布，且下端与所述加热本体1固定连接。

不同拉晶工艺，拉速不一样，可根据不同的拉晶工艺调整加热本体1与硅液面的距离，来调整单晶硅棒在特定温度的保持时间。

在上述方案的基础上，所述伸缩支撑杆2为电动伸缩杆或液压伸缩杆。

在上述方案的基础上，所述加热本体1的最大功率为30kw。

在上述方案的基础上，所述加热本体1的材质为石墨、碳化硅或钨。

更为具体的，如图1和图2所示，加热本体1由条形材料制成，条形材料沿周向S形盘绕成圆筒形。

如图3所示，本实施例还提供一种拉晶炉，包括坩埚3、导流筒4和所述的加热器，所述导流筒4架设于所述坩埚3上方，所述加热本体1安装于所述导流筒4内侧。

利用加热本体1对拉出液面的硅棒进行保温，以消除单晶硅自我间隙缺陷。

具体的，圆筒形的加热本体1的轴线竖直设置，安装架的上端固定在拉晶炉顶壁，加热本体1通过安装架安装于导流筒4内侧。

在上述方案的基础上，所述加热本体1的下端距离所述坩埚3内的硅液面的距离为150-300mm。

由于硅的熔点是1410℃，因为存在热辐射，液面以上有余温，并且有一段距离的温度会高于950℃，液面以上存在余温的这段距离不用加热本体进行加热，可减少能源浪费。若加热本体的下端距离所述坩埚内的硅液面的距离小于150mm，加热的部分产生重叠，造成能源浪费；若该距离大于300mm，硅晶体的温度会有一段时间低于950℃，就不能有效地让自我间隙原子扩散，从而导致不能有效地消除自我间隙缺陷。

对于不同的拉晶工艺，加热本体1的下端距离所述坩埚3内的硅液面的距离可以通过伸缩支撑杆2进行调整，在拉晶过程中，加热本体1的高度不变。具体的，伸缩支撑杆2竖直设置，伸缩支撑杆2的伸缩可以使加热本体1竖直移动。

在上述方案的基础上，拉晶炉还包括主加热器5和底部加热器6，所述主加热器5固定架设于所述坩埚3的外侧，所述底部加热器6架设在所述坩埚3的下方。

本实施例还提供一种消除大直径单晶硅自我间隙缺陷的方法，采用所述的拉晶炉实现，单晶硅棒拉出液面后，利用所述加热本体1对单晶硅棒进行加热并使单晶硅棒保持在950℃-1000℃，保持时间为至少15小时。

单晶硅的自我间隙缺陷的硅原子有一个物理特性，在950℃以上，自我间隙的硅原子会朝向自由表面，即晶棒的表面或空穴型缺陷的表面方向扩散，并且扩散速度很快，通常300毫米直径的单晶硅棒内部自我间隙硅原子在15小时左右就可几乎全部扩散消失，从而可以消除这种微观点缺陷，提高的硅晶体的品质。本方法将已经拉出液面的单晶硅棒以较慢的拉速移动（例如每小时20-30毫米），从而在硅棒缓慢的经过加热本体1，使硅棒可以保持在950℃以上至少15小时，让自我间隙的硅原子有足够的时间向单晶硅棒外表面这个自由界面扩散，从而在大直径硅棒中消除这种微观点缺陷。而由于拉速的不同，硅棒保持在950℃以上的时间可以非常长，例如两天以上，因此本方案仅限定保持的最短时间。

需要说明的是，在不同的工艺要求中，拉速不同，本领域技术人员可以根据不同的拉速，设置相应的加热本体1的高度H，从而使得硅棒可以保持在950℃以上，且保持至少15小时。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“内”、“外”、“周向”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。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种加热器，用于直径为D的单晶硅棒的拉晶，其特征在于，加热器包括加热本体（1），所述加热本体（1）为圆筒形，所述加热本体（1）的内径X为D+25mm≤X≤D+40mm，所述加热本体（1）的高度H为0.8×D≤H≤D。

2.根据权利要求1所述的一种加热器，其特征在于，加热器还包括安装架，所述安装架与所述加热本体（1）固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种加热器，其特征在于，所述安装架包括多个伸缩支撑杆（2），多个所述伸缩支撑杆（2）沿所述加热本体（1）的周向均匀分布，且下端与所述加热本体（1）固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种加热器，其特征在于，所述伸缩支撑杆（2）为电动伸缩杆或液压伸缩杆。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种加热器，其特征在于，所述加热本体（1）的最大功率为30kw。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种加热器，其特征在于，所述加热本体（1）的材质为石墨、碳化硅或钨。

7.一种拉晶炉，其特征在于，包括坩埚（3）、导流筒（4）和如权利要求1-6任一项所述的加热器，所述导流筒（4）固定架设于所述坩埚（3）上方，所述加热本体（1）安装于所述导流筒（4）内侧。

8.根据权利要求7所述的一种拉晶炉，其特征在于，所述加热本体（1）的下端距离所述坩埚（3）内的硅液面的距离为150-300mm。

9.根据权利要求7所述的一种拉晶炉，其特征在于，拉晶炉还包括主加热器（5）和底部加热器（6），所述主加热器（5）固定架设于所述坩埚（3）的外侧，所述底部加热器（6）固定架设在所述坩埚（3）的下方。

10.一种消除大直径单晶硅自我间隙缺陷的方法，其特征在于，采用如权利要求7-9任一项所述的拉晶炉实现，单晶硅棒拉出液面后，利用所述加热本体（1）对单晶硅棒进行加热并使单晶硅棒保持在950℃-1000℃，保持时间为至少15小时。

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