CN116926671A - 单晶炉 - Google Patents

Abstract

本公开实施例中提供单晶炉，其包括：位于炉腔(10a)内的坩埚(11)及设置于坩埚(11)外周侧的第一加热装置(12)；磁场生成装置(13)，设置于炉腔(10a)内，位于第一加热装置(12)远离坩埚(11)的一侧，并与炉体(10)安装；围绕磁场生成装置(13)设置的冷却结构(14)。在拉晶过程中，冷却结构(14)对磁场生成装置(13)进行冷却，避免磁场生成装置(13)因距离坩埚(11)较近而产生高温消磁的问题，从而能够抑制拉晶过程的熔体内强对流。因此，本实施例将磁场生成装置(13)内置于单晶炉内具有较强可行性，从而能够做到减小拉晶设备尺寸。

Description

单晶炉

技术领域

本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及单晶炉。

背景技术

直拉法(Czochralski process，CZ)是工业生产单晶硅的重要方法，单晶硅是硅的单晶体，具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料，用于制造半导体器件、太阳能电池等。

其中，单晶炉是直拉法中常见的设备，是一种在惰性气体(氮气、氦气为主)环境中，用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备。

一方面，随着晶体直径的增大，坩埚直径相应增大，加热功率也随之升高。大石英坩埚要比小石英坩埚承受更高的温度，熔体内热对流加剧，石英坩埚和熔体硅的反应加剧，产生更多的SIO₂，坩埚内产生的部分SiO₂进入单晶晶体后，导致晶体内的氧含量浓度升高，而氧的浓度是决定硅片质量的重要因素之一，在晶体生长中过多的氧会引起位错环、氧沉淀等热诱生缺陷。

另一方面，超大规模集成电路的发展对晶体质量提出了更严格的要求，如：减少单晶材料的缺陷和杂质含量，提高氧、碳等杂质以及掺杂剂在晶体中分布的均匀性。

而晶体中氧的浓度及均匀性与熔体的流动状态密切相关，因此，在相关技术中，在单晶炉中施加磁场是减少大直径单晶硅生长中熔体内强烈对流的有效方法。

发明内容

鉴于以上相关技术的缺点，本公开的目的在于提供单晶炉，以解决相关技术中单晶炉设备成本高的技术问题。

本公开第一方面提供一种单晶炉，其包括：

炉体，炉体围成炉腔；

位于炉腔内的坩埚及设置于坩埚外周侧的第一加热装置；

磁场生成装置，设置于炉腔内，位于第一加热装置远离坩埚的一侧，并与炉体安装；

围绕磁场生成装置设置的冷却结构。

可选地，冷却结构包括：

设置于炉腔内的框体，与炉体连接并围成收容空间，磁场生成装置收容于收容空间内，至少在框体内设置有第一冷媒通道。

可选地，在围成收容空间的炉体部分内部设置有第二冷媒通道，第一冷媒通道与第二冷媒通道连通。

可选地，第二冷媒通道具有设置于炉体外表面的冷媒入口和冷媒出口。

可选地，框体包括顶框、底框及连接顶框与底框的侧框，第一冷媒通道设置于侧框；在顶框或底框设置有多个连通孔，连通孔联通第一冷媒通道和第二冷媒通道。

可选地，框体为双层结构，第一冷媒通道形成于双层结构的层间。

可选地，在冷却结构与磁场生成装置之间设置有真空层。

可选地，真空层的内壁涂覆有隔热材料。

可选地，炉体为分体式结构，包括上炉筒和下炉筒；磁场生成装置和冷却结构设置于上炉筒。

可选地，磁场生成装置包括永磁体及永磁体支撑架，永磁体通过永磁体支撑架安装于炉体内。

可选地，永磁体包括：

同极相对的上磁体和下磁体，均环绕坩埚。

可选地，永磁体支撑架包括：

分体式的内支撑架和外支撑架，内支撑架设置于永磁体的内侧，外支撑架设置于永磁体的外侧；

内支撑架和外支撑架均包括连接在一起的上边框和下边框，上边框与上磁体卡合，下边框与下磁体卡合。

可选地，磁场生成装置包括沿永磁体的周向排布的多个永磁体支撑架。

如上，本公开实施例中提供单晶炉，在将磁场生成装置设置于炉腔内的情况下，在拉晶过程中，炉腔内为高温环境，此时冷却结构对磁场生成装置进行冷却，避免磁场生成装置因距离坩埚较近而产生高温消磁的问题，从而能够抑制拉晶过程的熔体内强对流，从而抑制坩埚融硅过程中的氧进入硅棒。因此，本实施例将磁场生成装置内置于单晶炉内具有较强可行性，从而能够做到减小拉晶设备尺寸，设备成本低，设备拆开清洗也方便。

附图说明

图1为本公开实施例提供的一种单晶炉的剖面图。

图2为图1所示单晶炉的炉体的剖面图。

图3为图1所示单晶炉的炉体的局部立体图。

图4为图1所示单晶炉中的永磁体支撑架的立体图。

10，炉体；10a，炉腔；101，上炉筒；102，下炉筒；11，坩埚；12，第一加热装置；13，磁场生成装置；131，永磁体；132，永磁体支撑架；1311，上磁体；1312，下磁体；1321，内支撑架；1322，外支撑架；13201，上边框；13202，下边框；14，冷却结构；140，框体；14a，收容空间；14b，第一冷媒通道；14c，第二冷媒通道；14d，冷媒入口；14e，冷媒出口；14f，连通孔；14g，真空层；141，顶框；142，底框；143，侧框；15，晶体生长提拉装置；16，炉盖；17，副室组件；18，保温筒组件；19，坩埚托杆组件；20，第二加热装置；21，电极组件；22，导流筒组件。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本公开所揭露的消息轻易地了解本公开的其他优点与功效。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用系统，本公开中的各项细节也可以根据不同观点与应用系统，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面以附图为参考，针对本公开的实施例进行详细说明，以便本公开所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本公开可以以多种不同形态体现，并不限定于此处说明的实施例。

在本公开的表示中，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”等的表示意指结合该实施例或示例表示的具体特征、结构、材料或者特点包括于本公开的至少一个实施例或示例中。而且，表示的具体特征、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公开中表示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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于表示目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的表示中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

虽然未不同地定义，但包括此处使用的技术术语及科学术语，所有术语均具有与本公开所属技术领域的技术人员一般理解的意义相同的意义。普通使用的字典中定义的术语追加解释为具有与相关技术文献和当前提示的消息相符的意义，只要未进行定义，不得过度解释为理想的或非常公式性的意义。

在相关技术中，通常在单晶炉外侧设置磁场生成装置，外置磁场用于抑制拉晶过程的熔体内强对流，从而抑制坩埚融硅过程中的氧进入硅棒。外置磁场距离坩埚较远，因此需要较大尺寸才能提供足够磁场强度，但这使得拉晶设备尺寸较大，设备成本高，设备拆开清洗不方便。

在尝试将磁场生成装置置于炉内时，磁场生成装置距离加热装置较近，受高温影响，磁体达到居里温度，可能会产生消磁问题。

本公开实施例提出一种单晶炉，如图1所示，该单晶炉包括：

炉体10，炉体10围成炉腔10a；

位于炉腔10a内的坩埚11及设置于坩埚11外周侧的第一加热装置12；

磁场生成装置13，设置于炉腔10a内，位于第一加热装置12远离坩埚11的一侧，并与炉体10安装；

围绕磁场生成装置13设置的冷却结构14。

在本公开实施例中，在将磁场生成装置13设置于炉腔10a内的情况下，在拉晶过程中，炉腔10a内为高温环境，此时冷却结构14对磁场生成装置13进行冷却，避免磁场生成装置13因距离坩埚11较近而产生高温消磁的问题，从而能够抑制拉晶过程的熔体内强对流，从而抑制坩埚11融硅过程中的氧进入硅棒。因此，本实施例将磁场生成装置13内置于单晶炉内具有较强可行性，从而能够做到减小拉晶设备尺寸，设备成本低，设备拆开清洗也方便。

在本公开实施例中，结合参考图1和图2，冷却结构14包括：

设置于炉腔10a内的框体140，与炉体10连接并围成收容空间14a，磁场生成装置13收容于收容空间14a内，在框体140内设置有第一冷媒通道14b；

在围成收容空间14a的炉体部分内部设置有第二冷媒通道14c，第一冷媒通道14b与第二冷媒通道14c连通。

第一冷媒通道14b及第二冷媒通道14c用于传输冷媒，冷媒在流动过程中吸热，从而降低传导到磁场生成装置13的温度，达到控温目的。

在本实施例中，冷媒可以是冷水或其他流动性冷媒，在此不做限定。

在本公开实施例中，第二冷媒通道14c具有设置于炉体10外表面的冷媒入口14d和冷媒出口14e(图1未标示)。

在拉晶过程中，参考图2所示箭头，冷媒从冷媒入口14d流入第一冷媒通道14b以及第二冷媒通道14c，最后从冷媒出口14e中流出。

在该实施例中，第一冷媒通道14b在磁场生成装置13内侧，第二冷媒通道14c在磁场生成装置13的外侧，能够对磁场生成装置13由内向外及有外向内起到更好的冷却控温效果。

在本公开另外一种实施例中，也可以仅在框体中设置第一冷媒通道，并在炉体设置冷媒入口和冷媒出口，这样从冷媒入口流入的冷媒直接流入第一冷媒通道，最后从冷媒出口流出，其能够在流动过程中吸热，达到对磁场生成装置冷却降温的目的。

在本公开实施例中，如图2和图3所示，框体140包括顶框141、底框142及连接顶框141与底框142的侧框143，第一冷媒通道14b设置于侧框143；在顶框141设置有多个连通孔14f，连通孔14f联通第一冷媒通道14b和第二冷媒通道14c。

此时，冷媒可以通过连通孔14f流入第一冷媒通道14b，并从另外的连通孔14f流出。

在本实施例中，框体140的具体结构提供了冷媒通道的具体实现方式，增强本方案的可行性。

在相应实施例中，框体140为双层结构，层间形成第一冷媒通道14b的腔体，其中该双层结构可以对两层板通过氩弧焊焊接形成。相应地，炉体10部分也采用双层结构并通过氩弧焊焊接制作。

在本公开实施例中，如图2和图3所示，在冷却结构14与磁场生成装置13之间设置有真空层14g。其中，真空层14g用于隔绝外侧的冷媒在流动过程中吸热温度传递给磁场生成装置13，进一步对磁场生成装置13起到隔热控温的目的。

在本公开实施例中，该真空层14g可以是通过氩弧焊焊接而成的封闭腔体，在焊接后，在其上开孔并进行抽真空，然后将该孔封堵。在图2中未示出抽真空孔，可根据需要在相应位置开孔。

在本公开实施例中，可以在焊接前，可以在围成真空层的组件内侧涂覆隔热材料，从而在真空层14g的内壁涂覆有隔热材料。该隔热材料对磁场生成装置13起到进一步的隔热效果。

在本公开实施例中，隔热材料的导热系数小于0.03W/Mk(1000℃下)，而熔点高于1400℃，因此可保持结构稳定。在一种实施例中，隔热材料可以是纳米陶瓷为主的涂层材料或其他隔热材料，在此不做限定。

在本公开实施例中，如图1所示，炉体10为分体式结构，包括上炉筒101和下炉筒102；磁场生成装置13和冷却结构14设置于上炉筒101。

炉体10采用分体式结构，从而可以分别制作上炉筒101和下炉筒102，然后组装在一起。这可以降低设备制作难度，相比于一体化制作炉体，这可以降低设备制作成本。

在本公开实施例中，如图2和图3所示，磁场生成装置13包括永磁体131及永磁体支撑架132，永磁体131通过永磁体支撑架132安装于炉体10。

永磁体支撑架132可以增强永磁体131的结构稳定性。其中，永磁体支撑架132使用隔磁材料制成，以对永磁体131产生磁场进行汇集传导。

在本公开实施例中，永磁体131包括：

同极相对的上磁体1311和下磁体1312，均环绕坩埚11和第一加热装置12。

上磁体1311和下磁体1312同极相对，例如N极相对或S极相对，这样上磁体1311和下磁体1312从上倒下产生排斥力，从而形成勾形磁场，磁场更集中，以抑制熔体内强对流。

上磁体1311和下磁体1312设置为环形，可以形成全方位磁场。在另外实施例中，上磁体及下磁体也可以包括沿环形排布的多个独立的磁体。

在本公开实施例中，结合图2-图4所示，永磁体支撑架132包括：

分体式的内支撑架1321和外支撑架1322，内支撑架1321设置于永磁体131的内侧，外支撑架1322设置于永磁体131的外侧；

内支撑架1321和外支撑架1322均包括连接在一起的上边框13201和下边框13202(图2和图3未示出)，上边框13201与上磁体1311(图4未示出)卡合，下边框13202与下磁体1312(图4未示出)卡合。

在该实施例中，永磁体支撑架132采用分体式结构，内支撑架1321与外支撑架1322均通过上边框13201卡合在上磁体1311上，并通过下边框13202卡合在下磁体1312上。分体式结构可以方便地与上磁体1311或下磁体1312进行卡合安装，增强组装可行性和便捷性。在组装状态，内支撑架1321和相应的外支撑架1322沿永磁体131的径向相对设置，能够保持永磁体131的平衡。

在本公开实施例中，参考图2和图3，磁场生成装置13包括沿永磁体131的周向排布的多个永磁体支撑架132。

多个永磁体支撑架132可以更好维持环形永磁体131的结构稳定性。

在本公开实施例中，如图1所示，单晶炉还可以包括：

晶体生长提拉装置15，设置于炉盖16上方，用于驱动单晶纵向生长，与副室组件17，用于为单晶拉制过程中加料及晶体生长空间。

位于炉腔10a内的上保温筒组件18，设置于坩埚11上方，用于为单晶拉制过程中的保温，其外层涂敷有纳米陶瓷为主的涂层材料构成的隔热层(导热系数小于0.03W/mK(1000℃下)，熔点高于1400℃)；

坩埚托杆组件19，与坩埚11外底部连接并向下穿出炉腔10a，用于在晶体生长过程中，托举坩埚的作用。

第二加热装置20，位于坩埚11下方，用于在单晶拉制过程中起到加热熔料的作用；

电极组件21，设置于坩埚11下方，用于对第一加热组件12和第二加热组件20供电加热；

导流筒组件22，设置于坩埚11上方，并被上保温筒组件18所环包，用于在拉晶过程中起到隔绝导流筒内外侧温度的作用。

在本公开实施例中，上述组件可根据具体情况进行选择和组装，不受本实施例技术方案的限制。

上述实施例仅例示性说明本公开的原理及其功效，而非用于限制本公开。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本公开的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本公开所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本公开的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种单晶炉，其特征在于，包括：

炉体(10)，所述炉体(10)围成炉腔(10a)；

位于所述炉腔(10a)内的坩埚(11)及设置于所述坩埚(11)外周侧的第一加热装置(12)；

磁场生成装置(13)，设置于所述炉腔(10a)内，位于所述第一加热装置(12)远离所述坩埚(11)的一侧，并与所述炉体(10)安装；

围绕所述磁场生成装置(13)设置的冷却结构(14)。

2.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述冷却结构(14)包括：

设置于所述炉腔(10a)内的框体(140)，与所述炉体(10)连接并围成收容空间(14a)，所述磁场生成装置(13)收容于所述收容空间(14a)内，至少在所述框体(140)内设置有第一冷媒通道(14b)。

3.根据权利要求2所述的单晶炉，其特征在于，在围成所述收容空间(14a)的炉体部分内部设置有第二冷媒通道(14c)，所述第一冷媒通道(14b)与第二冷媒通道(14c)连通。

4.根据权利要求3所述的单晶炉，其特征在于，所述第二冷媒通道(14c)具有设置于所述炉体(10)外表面的冷媒入口(14d)和冷媒出口(14e)。

5.根据权利要求3所述的单晶炉，其特征在于，所述框体(140)包括顶框(141)、底框(142)及连接所述顶框(141)与底框(142)的侧框(143)，所述第一冷媒通道(14b)设置于所述侧框(143)；在所述顶框(141)或底框(142)设置有多个连通孔(14f)，所述连通孔(14f)联通所述第一冷媒通道(14b)和第二冷媒通道(14c)。

6.根据权利要求2所述的单晶炉，其特征在于，所述框体(140)为双层结构，所述第一冷媒通道(14b)形成于所述双层结构的层间。

7.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，在所述冷却结构(14)与磁场生成装置(13)之间设置有真空层(14g)。

8.根据权利要求7所述的单晶炉，其特征在于，所述真空层(14g)的内壁涂覆有隔热材料。

9.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述炉体(10)为分体式结构，包括上炉筒(101)和下炉筒(102)；所述磁场生成装置(13)和冷却结构(14)设置于所述上炉筒(101)。

10.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述磁场生成装置(13)包括永磁体(131)及永磁体支撑架(132)，所述永磁体(131)通过所述永磁体支撑架(132)安装于所述炉体(10)内。

11.根据权利要求10所述的单晶炉，其特征在于，所述永磁体(131)包括：

同极相对的上磁体(1311)和下磁体(1312)，均环绕所述坩埚(11)和第一加热装置(12)。

12.根据权利要求11所述的单晶炉，其特征在于，所述永磁体支撑架(132)包括：

分体式的内支撑架(1321)和外支撑架(1322)，所述内支撑架(1321)设置于所述永磁体(131)的内侧，所述外支撑架(1322)设置于所述永磁体(131)的外侧；

所述内支撑架(1321)和外支撑架(1322)均包括连接在一起的上边框(13201)和下边框(13202)，所述上边框(13201)与所述上磁体(1311)卡合，所述下边框(13202)与所述下磁体(1312)卡合。

13.根据权利要求11所述的单晶炉，其特征在于，所述磁场生成装置(13)包括沿所述永磁体(131)的周向排布的多个永磁体支撑架(132)。