CN115821367A - 坩埚装置、单晶炉装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种坩埚装置、单晶炉装置及其工作方法，属于半导体制造技术领域。坩埚装置包括：石墨坩埚；套设在石墨坩埚中的石英坩埚；位于石墨坩埚外侧、包覆石墨坩埚的下半部分的坩埚隔热结构。单晶炉装置包括：炉体；炉体内设置有加热器，加热器通过电极螺栓固定在炉体底部，并与炉体底部的加热电极相连接；设置在加热器中央的坩埚轴，坩埚轴的上端设置有坩埚托盘，坩埚轴的下端穿出炉体的底部，坩埚托盘承载有坩埚装置；控制单元，与坩埚轴和晶棒提拉装置分别连接，用于分别控制坩埚轴和晶棒的转动方向以及转速。本发明的技术方案能够增加氧在晶棒中的均一性，改善晶棒尾部氧含量偏低的问题。

Description

坩埚装置、单晶炉装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种坩埚装置、单晶炉装置及其工作方法。

背景技术

单晶硅作为一种半导体材料，一般用于制造集成电路和其他电子元件，目前单晶硅的生长技术有两种：区熔法和直拉法，其中直拉法是目前普遍采用的方法。在直拉法制造单晶硅时，要将多晶料置于石英坩埚中，经过高温加热使其熔化，然后籽晶由顶部降下至熔化的多晶硅中，通过控制液面的温度，使熔化的多晶硅在籽晶周围重新结晶，生成排列整齐的单晶硅棒。

随着半导体硅晶圆品质的不断提高，对拉晶过程中的晶棒的晶体缺陷有了更高的管控要求，影响晶体缺陷的因素主要有两个因素，其一是拉晶工艺参数，用优化的工艺参数去拉晶能制得品质更好的晶棒；其二是热场的结构和性能，其好坏是晶棒品质的先决条件，热场是拉晶炉中至关重要的组成部分，由于拉晶炉拉晶环境要求严苛，对于热场的品质和材质要求极高，不仅要耐高温，热稳定性好，而且纯度要高。

坩埚作为热场中最为重要的部件之一，一般分为两部分，外侧通常为石墨坩埚，起到支撑石英坩埚和传递热的作用，内侧石英坩埚用于盛放硅溶液，同时晶棒中的氧是从石英坩埚分解得来，通常情况下R形弧面处的氧析出量最多，晶棒头部氧含量很高，在晶棒尾部，由于溶液的减少导致硅溶液与石英坩埚R部的接触面积减少，导致晶棒尾部氧含量过低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种坩埚装置、单晶炉装置及其工作方法，能够增加氧在晶棒中的均一性，改善晶棒尾部氧含量偏低的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：

一种坩埚装置，包括：

石墨坩埚；

套设在所述石墨坩埚中的石英坩埚；

位于所述石墨坩埚外侧、包覆所述石墨坩埚的下半部分的坩埚隔热结构。

一些实施例中，所述坩埚隔热结构包括：

石墨底筒；

承载在所述石墨底筒上的石墨外筒；

套设在所述石墨外筒中的石墨内筒。

一些实施例中，所述坩埚隔热结构还包括：

位于所述石墨外筒和所述石墨内筒之间的隔热毡。

一些实施例中，所述坩埚装置还包括：

设置在所述石英坩埚底部的搅拌螺旋桨。

一些实施例中，所述搅拌螺旋桨的螺旋桨叶的叶展为30-40mm。

一些实施例中，所述搅拌螺旋桨的螺旋桨叶的高度为40-60mm。

本发明实施例还提供了一种单晶炉装置，包括：

炉体；

所述炉体内设置有加热器，所述加热器通过电极螺栓固定在所述炉体底部，并与所述炉体底部的加热电极相连接；

设置在所述加热器中央的坩埚轴，所述坩埚轴的上端设置有坩埚托盘，所述坩埚轴的下端穿出所述炉体的底部，所述坩埚托盘承载有如上所述的坩埚装置；

控制单元，与所述坩埚轴和晶棒提拉装置分别连接，用于分别控制所述坩埚轴和所述晶棒提拉装置的转动方向以及转速。

一些实施例中，所述控制单元还与所述搅拌螺旋桨连接，用于控制所述搅拌螺旋桨的转动方向和转速。

本发明实施例还提供了一种单晶炉装置的工作方法，应用于如上所述的单晶炉装置，所述工作方法包括：

在拉晶过程中，所述控制单元控制所述坩埚轴的转动方向与所述提拉装置晶棒的转动方向相同，且转速相同。

一些实施例中，所述工作方法还包括：

在拉晶过程中，所述控制单元控制所述搅拌螺旋桨的转动方向与所述坩埚轴的转动方向相反。

本发明的有益效果是：

坩埚装置有利于阻隔加热器热量向坩埚R部位的辐射，减少拉晶过程中石英坩埚R部氧的析出，同时在拉晶过程中坩埚转向和晶棒转向为同方向且转速相同，减少熔体与晶棒的相对对流，进而减少浸入晶棒中的氧含量。

为了避免坩埚底部溶液过冷凝固，尤其晶棒尾部氧含量过低(硅溶液与坩埚R部的接触面积减少，极大地减少了氧含量的析出)，设置了底部搅拌螺旋桨，增加熔体强迫对流，使得石英坩埚内表面析出的氧(主要是石英坩埚R形弧处的氧)均匀浸入到晶棒里面，增加晶棒轴中氧的均一性。

附图说明

图1表示本发明实施例坩埚装置的结构示意图。

图2表示本发明实施例单晶炉装置的结构示意图；

图3表示本发明实施例石墨底筒的结构示意图；

图4表示本发明实施例石墨内筒的结构示意图；

图5表示本发明实施例石墨外筒的结构示意图；

图6表示本发明实施例隔热毡的结构示意图。

附图标记

1石英坩埚

2石墨坩埚

3搅拌螺旋桨

4石墨内筒

5石墨外筒

6隔热毡

7石墨底筒

8坩埚托盘

9坩埚轴

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。

本发明提供一种坩埚装置、单晶炉装置及其工作方法，能够增加氧在晶棒中的均一性，改善晶棒尾部氧含量偏低的问题。

本发明实施例提供一种坩埚装置，如图1和图2所示，包括：

石墨坩埚2；

套设在所述石墨坩埚2中的石英坩埚1；

位于所述石墨坩埚2外侧、包覆所述石墨坩埚2的下半部分的坩埚隔热结构。

本实施例中，在石墨坩埚的外侧设置包覆石墨坩埚的下半部分的坩埚隔热结构，坩埚隔热结构可以很好地阻挡加热器的热量向石墨坩埚的R部辐射，进而在减少R部氧的析出的同时减小R部附近的自然对流，从而改善氧在晶棒中的均一性，改善晶棒尾部氧含量偏低的问题。

一些实施例中，如图1和图2所示，所述坩埚隔热结构包括：

石墨底筒7；

承载在所述石墨底筒7上的石墨外筒5；

套设在所述石墨外筒5中的石墨内筒4。

坩埚隔热结构采用三层石墨结构，能够有效阻挡加热器的热量向石墨坩埚的R部辐射，进而减少R部氧的析出。另外，由于石墨高温下具有很高的导热系数，其可以很好地将加热器的热量均匀地传输至石英坩埚，石英坩埚再将热传递给硅溶液，维持液面温度恒定，有助于拉晶凝固过程稳定进行。

如图3所示，其中，石墨底筒7呈盘状，能够为石墨外筒5和石墨内筒4提供很好的支撑。

如图4所示，石墨内筒4的形状与石墨坩埚2下半部分的形状匹配，能够很好地贴合石墨坩埚2下半部分，阻挡加热器的热量向石墨坩埚的R部辐射。

如图5所示，石墨外筒5呈圆筒状，石墨外筒5底面的形状可以与石墨底筒7的上表面相匹配，如图3所示，石墨底筒7的上表面设置有一圈凹槽，则石墨外筒5的底面可以设置有与该圈凹槽匹配的一圈凸起，这样可以使得石墨外筒5稳定地固定在石墨底筒7上。

一些实施例中，如图1和图2所示，所述坩埚隔热结构还包括：

位于所述石墨外筒5和所述石墨内筒4之间的隔热毡6。隔热毡6具有良好的隔热系数，能够有效阻挡加热器的热量向石墨坩埚的R部辐射，进而减少R部氧的析出。

如图6所示，隔热毡6的外表面的形状可以与石墨外筒5的内表面的形状相匹配，隔热毡6的内表面的形状可以与石墨内筒4的外表面的形状相匹配，这样可以使得隔热毡6分别与石墨内筒4和石墨外筒5紧密贴合。

一些实施例中，如图2所示，为了避免石英坩埚1底部硅溶液过冷凝固，尤其晶棒尾部氧含量过低(硅溶液与坩埚R部的接触面积减少，极大地减少了氧含量的析出)，所述坩埚装置还包括：

设置在所述石英坩埚1底部的搅拌螺旋桨3，通过搅拌螺旋桨3可以增加熔体强迫对流，使得石英坩埚1内表面析出的氧(主要是石英坩埚R形弧处的氧)均匀浸入到晶棒里面，增加晶棒中氧的均一性。

一些实施例中，所述搅拌螺旋桨的螺旋桨叶的叶展为30-40mm，在搅拌螺旋桨的螺旋桨叶的叶展为30-40mm时，可以有效地对硅溶液进行搅拌。

一些实施例中，所述搅拌螺旋桨的螺旋桨叶的高度为40-60mm，在搅拌螺旋桨的螺旋桨叶的高度为40-60mm时，可以有效地对硅溶液进行搅拌。

本实施例能够制备N型低氧且轴向氧含量均一的产品(4.5ppma±0.5ppma)。

本发明实施例还提供了一种单晶炉装置，如图2所示，包括：

炉体；

所述炉体内设置有加热器，所述加热器通过电极螺栓固定在所述炉体底部，并与所述炉体底部的加热电极相连接；

设置在所述加热器中央的坩埚轴9，所述坩埚轴9的上端设置有坩埚托盘8，所述坩埚轴9的下端穿出所述炉体的底部，所述坩埚托盘8承载有如上所述的坩埚装置；

控制单元，与所述坩埚轴9和晶棒提拉装置分别连接，用于分别控制所述坩埚轴9和所述晶棒提拉装置的转动方向以及转速。

本实施例中，在石墨坩埚的外侧设置包覆石墨坩埚的下半部分的坩埚隔热结构，坩埚隔热结构可以很好地阻挡加热器的热量向石墨坩埚的R部辐射，进而在减少R部氧的析出的同时减小R部附近的自然对流，从而改善氧在晶棒中的均一性，改善晶棒尾部氧含量偏低的问题。

本实施例中，控制单元能够控制所述坩埚轴9和所述晶棒提拉装置的转动方向以及转速，这样在拉晶过程中，控制单元能够控制坩埚装置的转动方向和晶棒的转动方向为同方向且转速相同，能够减少熔体与晶棒的相对对流，进而减少浸入晶棒中的氧含量。

一些实施例中，所述控制单元还与所述搅拌螺旋桨连接，用于控制所述搅拌螺旋桨的转动方向和转速。控制单元能够驱动搅拌螺旋桨3旋转，这样在拉晶过程中，控制单元能够控制搅拌螺旋桨3的转动方向与所述坩埚轴9的转动方向相反，这样可以增加熔体强迫对流，使得石英坩埚内表面析出的氧(主要是石英坩埚R形弧处的氧)均匀浸入到晶棒里面，增加晶棒中氧的均一性。

本发明实施例还提供了一种单晶炉装置的工作方法，应用于如上所述的单晶炉装置，所述工作方法包括：

在拉晶过程中，所述控制单元控制所述坩埚轴的转动方向与所述晶棒提拉装置的转动方向相同，且转速相同。

本实施例中，控制单元能够控制所述坩埚轴和所述晶棒提拉装置的转动方向以及转速，这样在拉晶过程中，控制单元能够控制坩埚装置的转动方向和晶棒的转动方向为同方向且转速相同，能够减少熔体与晶棒的相对对流，进而减少浸入晶棒中的氧含量。

一些实施例中，所述工作方法还包括：

在拉晶过程中，所述控制单元控制所述搅拌螺旋桨的转动方向与所述坩埚轴的转动方向相反。

控制单元能够驱动搅拌螺旋桨3旋转，这样在拉晶过程中，控制单元能够控制搅拌螺旋桨的转动方向与所述坩埚轴9的转动方向相反，这样可以增加熔体强迫对流，使得石英坩埚内表面析出的氧(主要是石英坩埚R形弧处的氧)均匀浸入到晶棒里面，增加晶棒中氧的均一性。

需要说明，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于实施例而言，由于其基本相似于产品实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见产品实施例的部分说明即可。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种坩埚装置，其特征在于，包括：

石墨坩埚；

套设在所述石墨坩埚中的石英坩埚；

位于所述石墨坩埚外侧、包覆所述石墨坩埚的下半部分的坩埚隔热结构。

2.根据权利要求1所述的坩埚装置，其特征在于，所述坩埚隔热结构包括：

石墨底筒；

承载在所述石墨底筒上的石墨外筒；

套设在所述石墨外筒中的石墨内筒。

3.根据权利要求2所述的坩埚装置，其特征在于，所述坩埚隔热结构还包括：

位于所述石墨外筒和所述石墨内筒之间的隔热毡。

4.根据权利要求1所述的坩埚装置，其特征在于，所述坩埚装置还包括：

设置在所述石英坩埚底部的搅拌螺旋桨。

5.根据权利要求4所述的坩埚装置，其特征在于，所述搅拌螺旋桨的螺旋桨叶的叶展为30-40mm。

6.根据权利要求4所述的坩埚装置，其特征在于，所述搅拌螺旋桨的螺旋桨叶的高度为40-60mm。

7.一种单晶炉装置，其特征在于，包括：

炉体；

所述炉体内设置有加热器，所述加热器通过电极螺栓固定在所述炉体底部，并与所述炉体底部的加热电极相连接；

设置在所述加热器中央的坩埚轴，所述坩埚轴的上端设置有坩埚托盘，所述坩埚轴的下端穿出所述炉体的底部，所述坩埚托盘承载有如权利要求1-6中任一项所述的坩埚装置；

控制单元，与所述坩埚轴和晶棒提拉装置分别连接，用于分别控制所述坩埚轴和所述晶棒提拉装置的转动方向以及转速。

8.根据权利要求7所述的单晶炉装置，其特征在于，包括如权利要求4所述的坩埚装置，所述控制单元还与所述搅拌螺旋桨连接，用于控制所述搅拌螺旋桨的转动方向和转速。

9.一种单晶炉装置的工作方法，其特征在于，应用于如权利要求7或8所述的单晶炉装置，所述工作方法包括：

在拉晶过程中，所述控制单元控制所述坩埚轴的转动方向与所述晶棒提拉装置的转动方向相同，且转速相同。

10.根据权利要求9所述的单晶炉装置的工作方法，其特征在于，应用于如权利要求8所述的单晶炉装置，所述工作方法还包括：

在拉晶过程中，所述控制单元控制所述搅拌螺旋桨的转动方向与所述坩埚轴的转动方向相反。

Images