CN116716657A - 一种单晶炉热场用的保温装置、单晶炉以及单晶硅棒 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种单晶炉热场用的保温装置、单晶炉以及单晶硅棒；所述保温装置被设置在导流筒支撑体外侧，所述保温装置包括固化硬毡、软毡以及空心状的保护管；其中，所述软毡被密封在所述保护管中；所述固化硬毡与所述保护管的内侧相贴合设置。

Description

一种单晶炉热场用的保温装置、单晶炉以及单晶硅棒

技术领域

本发明实施例涉及半导体生产技术领域，尤其涉及一种单晶炉热场用的保温装置、单晶炉以及单晶硅棒。

背景技术

单晶硅棒大部分采用切克劳斯基(Czochralski)法，又或被称之为直拉法制造。该方法是运用熔体的冷凝结晶驱动原理，在固体和液体的交界面处，由于熔体温度下降产生由液体转换成固体的相变化。在该方法中，通过将固态的多晶硅原料放置在石英坩埚内并通过石墨加热器加热使得盛放于石英坩埚中的多晶硅原料熔化，之后经过试温、引晶、放肩、转肩、等径和收尾等工艺过程，最终完成了无位错单晶硅棒的拉制。

在拉晶过程中为了拉制氧含量均一的单晶硅棒，需要增大导流筒与硅熔液固液界面之间的距离，但是在实际过程中导流筒与硅熔液固液界面之间的距离增大后需要进行相应的保温操作。

目前，在拉晶过程中通常都使用固化硬毡来对单晶炉进行保温，一方面是由于固化硬毡拆装方便，容易维护；另一方面，由于固化硬毡外层有涂层，具有很强的抗腐蚀性，其使用寿命更长；特别是对于上排气热场而言，如果使用软毡作为保温材料，大量的挥发物会从外部腐蚀软毡，造成热场维护困难，从而降低热场稳定性；其次，软毡基于其自身特性会产生很多杂质，在拉晶过程中这些产生的杂质在很大程度上会严重影响单晶硅棒的晶体质量，因此在半导体单晶硅棒领域中目前主要使用的是固化硬毡进行保温，但是，众所周知的固化硬毡的保温效果较差。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种单晶炉热场用的保温装置、单晶炉以及单晶硅棒；能够当导流筒与硅熔液固液界面之间的距离增大时，保证单晶炉的保温效果以拉制含有均一氧的单晶硅棒，且不会在拉制过程中引入杂质。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种单晶炉热场用的保温装置，所述保温装置被设置在导流筒支撑体外侧，所述保温装置包括固化硬毡、软毡以及空心状的保护管；其中，

所述软毡被密封在所述保护管中；

所述固化硬毡与所述保护管的内侧相贴合设置

可选地，在一些可能的实施方式中，所述保护管的材质为石英。

可选地，在一些可能的实施方式中，所述保护管包括盖板以及管体；其中，

所述软毡置于所述管体中，所述盖板用于密封所述管体。

可选地，在一些可能的实施方式中，所述软毡被设置成当拉制无晶体原生颗粒类单晶硅棒时，所述软毡的高度为所述保护管高度的三分之二至四分之三。

可选地，在一些可能的实施方式中，所述软毡被设置成当拉制低氧无晶体原生颗粒类单晶硅棒时，所述软毡的高度与所述保护筒高度相同。

可选地，在一些可能的实施方式中，所述软毡被设置成当拉制外延用单晶硅棒时，所述软毡的高度为所述保护筒高度的二分之一至三分之二。

第二方面，本发明实施例提供了一种单晶炉，所述单晶炉包括：

炉体；

石英坩埚，所述石英坩埚用于盛放多晶硅原料；

石墨加热器，所述石墨加热器用于对所述石英坩埚中的所述多晶硅原料加热直至熔化；

导流筒；

保温暖盖板，所述保温盖板与所述导流筒相连接；

导流筒支撑体，所述导流筒支撑体与所述盖板连接以起到支撑导流筒的作用；

第一方面所述的保温装置，所述保温装置设置在所述导流筒支撑体的外侧；

水冷套，所述水冷套用于冷却单晶硅棒。

第三方面，本发明实施例提供了一种单晶硅棒，所述单晶硅棒采用第二方面所述的单晶炉拉制而成。

本发明实施例提供了一种单晶炉热场用的保温装置、单晶炉以及单晶硅棒；对于本发明实施例提供的保温装置，通过将软毡密封在保护管中避免了在拉晶过程中挥发物对软毡的腐蚀，也同样防止了软毡自身的杂质对晶体质量的影响；其次，在本发明实施例中将软毡和固化硬毡结合起来使用保证了拉晶过程中单晶炉的保温效果，为拉制得到含氧均一的单晶硅棒提供了保障。

附图说明

图1为现有的单晶硅棒拉制用的单晶炉的结构示意图；

图2为传统的保温结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种单晶炉热场用的保温装置组成示意图；

图4为本发明实施例提供的一种单晶炉结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在对本发明的技术方案进行详细阐述之前，需要说明的是，除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

此外，需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

参见图1，其示出了现有单晶硅棒制造用的单晶炉1的结构示意图，如图1所示，该单晶炉1包括：

炉体10，所述炉体10用于限定出炉体空腔；

石英坩埚20，所述石英坩埚20设置在炉体10限定出的炉体空腔底部并用于在制备单晶硅棒S的初始阶段容纳固态的多晶硅原料(或可称之为多晶硅熔料)；

石墨加热器30，所述石墨加热器30分布于石英坩埚20四周；

在具体制造单晶硅棒的过程中，当设定质量的多晶硅原料装盛于石英坩埚20内之后，通过石墨加热器30对石英坩埚20内的多晶硅原料进行加热并使得多晶硅原料熔化从而形成硅熔液MS；

倒锥筒状的导流筒40，所述导流筒40一方面主要用于隔绝石墨加热器30对单晶硅棒S的热辐射，保证单晶硅棒S生长所需要的温度梯度，进而保证单晶硅棒S的成晶率；另一方面用于将比如氩气的惰性保护气体从上至下引导至石英坩埚20中的硅熔液的上方，以加速液面表面的气体流速，从而加快带走挥发杂质；

圆环形的平板状保温盖板50，所述保温盖板50为比如石墨制成的单层盖板，上述的保温盖板50以其外环缘与炉体10的侧壁接触并且其内环缘与导流筒40接触的方式水平地设置，以防止石墨加热器产生的热量经由炉体10的顶部散失；

导流筒支撑体60，所述导流筒支撑体60与所述保温盖板50连接以起到支撑导流筒40的作用；

圆筒状的水冷套70，所述水冷套70的径向尺寸小于导流筒40的顶部的径向尺寸以便以在竖向方向上与导流筒40交叠的方式设置在导流筒40的上方，以用于对拉制出的单晶硅棒S进行冷却。

可以理解地，单晶炉1的结构中还包括：籽晶缆80；其中，

在单晶硅棒S的拉制过程中，在石英坩埚20中会装入设定质量的多晶硅原料后，当加热石英坩埚20使得多晶硅原料熔化形成硅熔液MS且硅熔液MS液面的温度稳定后，通过籽晶缆80下降籽晶至硅熔液MS的固液界面处并开始引晶、缩颈、放肩、等径生长以及收尾等工序，最终得到一定长度的单晶硅棒S。

需要说明的是，在单晶炉1炉体的最上方还设置有与籽晶缆80相连接的提拉头90；其中，

提拉头90主要是用于实现籽晶的旋转以及提升，以及可以记录籽晶的位移等数据。

可以理解地，图1所示的单晶炉1中还可以包括其他图1中未示出的结构，比如，坩埚升降装置等，本发明实施例在此不作具体的阐述。

当使用单晶炉1拉制单晶硅棒S时，首先，将高纯度的多晶硅原料放入石英坩埚20中，并在坩埚旋转机构(图中未示出)驱动石英坩埚20旋转的同时通过石墨加热器30对石英坩埚20不断进行加热，以将容纳在石英坩埚20中的多晶硅原料熔化成熔融状态，即熔化成硅熔液MS，其中，加热温度维持在大约一千多摄氏度，炉中的气体通常是惰性气体，使多晶硅原料熔化，同时又不会产生不需要的化学反应。

可以理解地，当通过控制由石墨加热器30提供的热场将硅熔液MS的液面温度控制在结晶的临界点时，通过位于液面上方的籽晶(图中未示出)从液面沿竖直方向向上提拉，硅熔液MS随着籽晶的提拉上升按照籽晶的晶向生长出单晶硅棒S。

需要说明的是，利用图1所示的单晶炉1拉制单晶硅棒S的过程中的主要能耗为石墨加热器30的电耗，它占据单晶硅棒S总成本较大比重。为了维持固液界面处的三相点温度，石墨加热器30的功率和热场保温性能息息相关。

图2示出了传统的保温结构，一般保温桶21和固化硬毡22组成。其中，保温桶21为石墨部件，导热性能良好，主要作用是使温度均匀分布；固化硬毡22为保温材料，主要作用是防止热量向外散失。可以获知地，保温材料性能越好，也就是说导热系数越低，散失的热量越少，石墨加热器30所需的功率会越低。

目前，常用的保温部件主要包括两种材料：固化硬毡和软毡。从保温性能上比较，软毡的保温性能更好。举例来说，当温度条件为1400℃时软毡的热导率约为0.35W/Km左右，而当温度条件为1400℃时固化硬毡的热导率约为0.5W/Km；另外，由于软毡的包裹性优于固化硬毡，因此软毡的保温性能更具有明显的优势。但是，对于大的保温部件而言，传统热场一般仍采用固化硬毡作为保温材料，这主要是由于固化硬毡拆装方便更容易更换，其次固化硬毡相对于软毡产生的杂质更少，更有利于单晶硅棒S的晶体质量；但是，当为了拉制氧含量均一的单晶硅棒，需要增大导流筒与硅熔液固液界面之间的距离，此时如若采用固化硬毡进行保温时保温效果不理想。

基于上述阐述，本发明实施例期望提供一种保温性能优良，同时热场维护简单的保温装置。因此，参见图3，其示出了本发明实施例提供了一种单晶炉热场用的保温装置3，所述保温装置3被设置在导流筒支撑体60外侧，所述保温装置3包括固化硬毡22、软毡31以及空心状的保护管32；其中，

所述软毡31被密封在所述保护管32中；

所述固化硬毡22与所述保护管32的内侧相贴合设置。

可以理解地，对于本发明实施例提供的保温装置3，通过将软毡31密封在保护管32中避免了在拉晶过程中挥发物对软毡31的腐蚀，也同样防止了软毡31自身的杂质对晶体质量的影响；其次在本发明实施例中将软毡31和固化硬毡22结合起来使用更加地保证了拉晶过程中单晶炉的保温效果，为拉制得到含氧均一的单晶硅棒提供了保障。

对于图3所示的保温装置，在一些可能的实施方式中，所述保护管32的材质为石英。

可以理解地，为了不在拉晶过程中引入不必要的杂质，在本发明实施例中将保护管32的材质设置为石英以最大程度地保证单晶硅棒S的晶体质量。

对于图3所示的保温装置3，在一些可能的实施方式中，如图3所示，所述保护管32包括盖板321以及管体322；其中，

所述软毡31置于所述管体322中，所述盖板321用于密封所述管体322。

可以理解地，在具体实施过程中，将保护管32设置成可拆装的盖板321以及管体322是为了方便软毡31的填充以及更换。在实际拉晶过程中，尽管软毡31被填充在保护管32中能够避免拉晶过程中产生的挥发物对软毡31的腐蚀，但是可想而知地，经过长时间的使用，为了保证保温装置3的保温效果，工艺人员可能会定时或者及时的更换软毡31。

对于图3所示的保温装置3，在一些可能的实施方式中，所述软毡31被设置成当拉制无晶体原生颗粒(COP(Crystal Original Particle)Free)类单晶硅棒时，所述软毡31的高度为所述保护管32高度的三分之二至四分之三。

对于图3所示的保温装置3，在一些可能的实施方式中，所述软毡31被设置成当拉制低氧COP Free类单晶硅棒时，所述软毡的高度与所述保护筒高度相同。

对于图3所示的保温装置3，在一些可能的实施方式中，所述软毡31被设置成当拉制外延(Epitaxial，EPI)用单晶硅棒时，所述软毡31的高度为所述保护筒32高度的二分之一至三分之二。

可以理解地，在拉晶过程中由于单晶硅棒的类型是多样性的，通常根据客户的要求会拉制不同类型的单晶硅棒，这些不同类型的单晶硅棒对其生长的温度场要求也是有所不同的。

此外，影响单晶硅棒生长品质的核心温度场参数是轴向温度差，而最关键的区域是单晶硅棒轴向方向上导流筒底部至导流筒顶部区域，这部分区域为缺陷反应及缺陷生长的区域，该区域的轴向温度差一部分受导流筒的影响，另一部分主要受导流筒支撑体外侧的保温装置的影响。因此在实际拉制过程中可以根据单晶硅棒类型的不同，对保温装置3的结构进行适当调整。具体来说，拉制COP Free类单晶硅棒产品时要求轴向温度差较小，因此在具体实施过程中软毡31相对于保护管32的高度越高时，保温性越好，温度场越稳定，拉速波动小，根据V/G理论，拉速和温度场稳定时有助于拉制得到无缺陷类的单晶硅棒；示例性地，当拉制COP Free类单晶硅棒时，软毡31的高度为保护管32高度的四分之三时能够得到无缺陷类的单晶硅棒。

另一方面，在拉制EPI用单晶硅棒产品时需要较大的拉速以及较大的轴向温度差，以便于形成小且致密的微缺陷，因此在具体实施过程中软毡31相对于保护管32的高度越低时，保温性变低，轴向温度差变大，拉速较大，从而根据V/G理论，在上述的生长条件下能够有助于拉制得到EPI用单晶硅棒。例如，将软毡31的高度设置为保护筒32高度的二分之一以有利于拉制得到外延用单晶硅棒。

基于上述阐述，通过调节保温装置3中软毡31与保温管32的高度比例以调节轴向温度差，进而根据V/G理论匹配最适合生长的所需类型单晶硅棒的拉速，进而制备得到符合规格要求的单晶硅棒。

需要说明的是，在本发明实施例中，“示例性地”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

参见图4，其示出了本发明实施例提供的一种单晶炉4，所述单晶炉4包括：

炉体10；

石英坩埚20，所述石英坩埚20用于盛放多晶硅原料；

石墨加热器30，所述石墨加热器30用于对所述石英坩埚20中的所述多晶硅原料加热直至熔化；

导流筒40；

保温盖板50，所述保温盖板50与所述导流筒40相连接；

导流筒支撑体60，所述导流筒支撑体60与所述保温盖板50连接以起到支撑导流筒40的作用；

前述技术方案所述的保温装置3，所述保温装置3设置在所述导流筒支撑体60的外侧；

水冷套70，所述水冷套70用于冷却单晶硅棒。

当然，可以理解地，图4所示的单晶炉4中还可以包括其他图4中未示出的结构，本发明实施例在此不作具体的阐述。

需要说明的是，在单晶炉4中，保温装置3中的软毡31的高度可根据拉制的单晶硅棒的类型要求而进行调整，具体来说，当拉制COP Free类单晶硅棒时，软毡31的高度为保护管32高度的四分之三；当拉制低氧COP Free单晶硅棒时，软毡31的高度与保护筒32高度相同；当拉制外延用单晶硅棒时，软毡31的高度为保护筒32高度的二分之一。

在保温装置3结构的调整基础上，再根据所需类型单晶硅棒对拉速的要求，进而制备得到符合规格要求的单晶硅棒。

最后，本发明实施例还提供了一种单晶硅棒，所述单晶硅棒采用前述技术方案所述的单晶炉4拉制而成。

需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种单晶炉热场用的保温装置，其特征在于，所述保温装置被设置在导流筒支撑体外侧，所述保温装置包括固化硬毡、软毡以及空心状的保护管；其中，

所述软毡被密封在所述保护管中；

所述固化硬毡与所述保护管的内侧相贴合设置。

2.根据权利要求1所述的保温装置，其特征在于，所述保护管的材质为石英。

3.根据权利要求1所述的保温装置，其特征在于，所述保护管包括盖板以及管体；其中，

所述软毡置于所述管体中，所述盖板用于密封所述管体。

4.根据权利要求1所述的保温装置，其特征在于，所述软毡被设置成当拉制无晶体原生颗粒类单晶硅棒时，所述软毡的高度为所述保护管高度的三分之二至四分之三。

5.根据权利要求1所述的保温装置，其特征在于，所述软毡被设置成当拉制低氧无晶体原生颗粒类单晶硅棒时，所述软毡的高度与所述保护筒高度相同。

6.根据权利要求1所述的保温装置，其特征在于，所述软毡被设置成当拉制外延用单晶硅棒时，所述软毡的高度为所述保护筒高度的二分之一至三分之二。

7.一种单晶炉，其特征在于，所述单晶炉包括：

炉体；

石英坩埚，所述石英坩埚用于盛放多晶硅原料；

石墨加热器，所述石墨加热器用于对所述石英坩埚中的所述多晶硅原料加热直至熔化；

导流筒；

保温盖板，所述保温盖板与所述导流筒相连接；

导流筒支撑体，所述导流筒支撑体与所述保温盖板连接以起到支撑导流筒的作用；

权利要求1至6任一项所述的保温装置，所述保温装置设置在所述导流筒支撑体的外侧；

水冷套，所述水冷套用于冷却单晶硅棒。

8.一种单晶硅棒，其特征在于，所述单晶硅棒采用权利要求7所述的单晶炉拉制而成。