CN1200148C - 一种用于直拉法生长单晶硅的硅籽晶夹持器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直拉法生长单晶硅用硅籽晶夹持器，所述的硅籽晶夹持器(13)上端为一与籽晶轴(12)连接的联接件(13c)，其特征在于所述的硅籽晶夹持器(13)下端包括硅籽晶夹持器上部(13a)和硅籽晶夹持器下部(13b)，所述的硅籽晶夹持器上部(13a)与所述的硅籽晶夹持器下部(13b)之间为可拆卸联接，所述的硅籽晶夹持器下部(13b)内含一上大下小且上下贯通的空腔。硅籽晶夹持器能保证硅籽晶的安全使用，避免硅籽晶断裂，大大延长籽晶的使用寿命，可以用于制备重量高达500Kg的硅晶体。可以用于制造集成电路和其它电子元件的半导体级硅单晶的制备，满足半导体硅材料的发展需要。

Description

一种用于直拉法生长单晶硅的硅籽晶夹持器
技术领域
本发明涉及一种用于直拉法生长单晶硅的硅籽晶夹持器。
背景技术
硅单晶体作为一种半导体材料，一般用于制造集成电路和其它电子元件。大部分的半导体硅单晶体采用直拉法制造，直拉法制造硅单晶的单晶炉剖面示意图见附图1。在直拉法制造的硅单晶生长方法中，硅晶体在生长室内生长，生长室包括不锈钢筒8、保温筒7、石墨发热体6、石英坩埚11、石墨制的石英坩埚支持器10等，硅晶体在生长时用惰性气体氩气做保护气体，一般采用如下制造方法：多晶硅被装进石英坩埚11内，加热熔化，然后，将熔硅略做降温，给予一定的过冷度，把一支特定晶向的硅单晶体1(称做籽晶)装入硅籽晶夹持器13中，硅籽晶夹持器13的上端通过连接件与籽晶轴12连接，籽晶固定于夹持器13的下端，并且使籽晶1与硅熔体3接触，通过调整熔体的温度和籽晶向上的提升速度，使籽晶体长大，当硅晶体2的直径接近目标直径时，提高提升速度，使单晶体近恒直径生长。在生长过程的尾期，石英坩埚11内的硅熔体3尚未完全消失，通过增加晶体的提升速度和调整石英埚内的供给热量，使晶体渐渐减小，从而形成一个尾形锥体，当锥体的尖足够小时，晶体就会与熔体脱离，从而完成晶体的生长过程。
在直拉硅单晶制造过程中，需要一种有特定晶向的硅单晶体，通常称为籽晶。它是由一定晶向的硅单晶切割或钻取而成。常用的晶向为<100>、<111>、<110>、<511>等。籽晶一般为圆柱体或长方体，它上面有一个或多个缺口，用销子或金属丝把籽晶固定在称做硅籽晶夹持器的工件中。
在直拉硅单晶制造过程中，硅籽晶夹持器是必需部件，籽晶需要很好地固定到硅籽晶夹持器中，确保在提升籽晶过程中籽晶不至于脱落，最终使硅单晶生长过程顺利完成，所以硅籽晶夹持器下端结构要与所夹持的硅籽晶的形状相配合。一般来说，硅籽晶夹持器由金属钼材料或石墨制成，有一与籽晶轴联接的联接件，硅籽晶夹持器下端可用于固定硅籽晶，其形状根据与所夹持的硅籽晶的形状不同而不同。
目前国内籽晶一般采用长方体，在长方体的上端一侧开有多个缺口，硅籽晶夹持器13下端为有一垂向缺口的圆柱，形状与长方体籽晶相配合，籽晶1半嵌于夹持器13的下端，用金属钼丝15将二者固定在一起，钼丝15正好进入籽晶1的缺口中，起到固定籽晶1的作用。国内籽晶与硅籽晶夹持器示意图见附图2。此种夹持器适合制造小直径的硅晶体，一般只能制造直径小于160毫米，重量不超过60Kg的硅晶体。当籽晶用于制造大于此范围的晶体时，就容易在籽晶的缺口部位断裂，降低使用次数，增加成本。同时由于金属钼与硅的膨胀系数不同，在多次使用后容易造成钼丝松动，使籽晶落入熔体中，导致制备过程失败。
国外采用的还有一种籽晶的形状为圆柱体，圆柱体的一侧有凹槽，硅籽晶夹持器13下端的形状为中空的圆柱体，其中也有与金属钼销子14相同大小的孔，圆柱体籽晶1可装入夹持器13的下端，籽晶1的凹槽与夹持器侧边孔相对，金属钼销子14插入孔中，起到固定籽晶1的作用。国外籽晶及硅籽晶夹持器示意图见附图3。此种夹持器也只适合制造小直径的硅晶体，一般可制造直径小于160毫米，重量不超过60Kg的硅晶体。当制造大直径的晶体时，或在多次使用后，籽晶也容易在有孔处断裂，使籽晶落入熔体中，同样也导致制备过程失败。
可是现在半导体硅材料的发展非常迅速，晶体逐渐向大直径、高重量方向发展，直径已增加到450毫米，重量也超过250Kg。在这种情况下，目前已有的籽晶及其夹持装置已不能满足要求，也不安全，籽晶容易发生断裂，为了减少这种情形，一般采用每支籽晶只用1～5个晶体生长，这样就增加了制造成本。为了满足并促进硅材料的发展，需要设计出一种适合于制备大直径晶体的硅籽晶夹持器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直拉法制备硅单晶所用的硅籽晶夹持器，此发明克服了上述缺点，能保证硅籽晶的安全使用，避免硅籽晶断裂，可以用于制备重量高达500Kg的硅晶体。
为了实现上述目的，本发明的硅籽晶夹持器13上端为一与籽晶轴12连接的联接件13c，其特征在于所述的硅籽晶夹持器13下端包括硅籽晶夹持器上部13a和硅籽晶夹持器下部13b，所述的硅籽晶夹持器上部13a与所述的硅籽晶夹持器下部13b之间为可拆卸联接，所述的硅籽晶夹持器下部13b内含一上大下小且上下贯通的空腔。
所述的硅籽晶夹持器下部13b的空腔至少包含有一个倒台状孔，或为两个成阶梯状的柱孔，所述的倒台状孔为倒圆台孔或倒棱台孔，所述的柱孔为圆柱孔或棱柱孔。
所述的硅籽晶夹持器下部13b的空腔除有一个倒台状孔外，还在倒台状孔下方有一柱孔，或在倒台状孔上方有一柱孔，或在倒台状孔上、下方各有一柱孔。
所述的棱柱孔或倒棱台孔的边数为3～16个，优选的边数为4～10个。
所述倒棱台孔或倒圆台孔的侧边与垂直线之间的夹角θ为10°～＜90°，优选的θ为10°～60°。
所述的硅籽晶夹持器下部13b的空腔依次分别为一倒圆台孔和一圆柱孔、一倒棱台孔和一棱柱孔、一圆柱孔和一倒圆台孔和一圆柱孔、一棱柱孔和一倒棱台孔和一棱柱孔、一倒圆台孔、一倒棱台孔、两个阶梯状圆柱孔或两个阶梯状棱柱孔等其中的一种。
所述的夹持器与籽晶轴12连接的联接件13c可为螺纹联接或销联接，所述的夹持器上部13a与所述的夹持器下部13b之间可为螺纹联接或销联接。
本发明对所述的夹持器上部13a和下部13b的外部形状没有限制。可为圆柱体、棱柱体、圆台与圆柱的组合体或棱台与棱柱的组合体等其中的一种。
所述的硅籽晶夹持器由金属钼或石墨制成。
所述的硅籽晶夹持器是为了满足硅籽晶形状的要求，使籽晶可以卡嵌在夹持器下部13b，以承受不断长大的硅单晶的重量。
本发明所述的夹持器所夹持的硅籽晶包括相互连为一体的硅籽晶上部1a和硅籽晶下部1b，其中所述的硅籽晶上部1a为倒圆台、倒棱台或柱体中的一种，所述的硅籽晶下部1b为柱体，当所述的硅籽晶上部1a为柱体时，所述的硅籽晶上部1a柱体的横截面大于所述的硅籽晶下部1b柱体的横截面。所述的柱体为圆柱体或棱柱体。
所述的棱柱体或倒棱台的边数为3～16个，优选的边数为4～10个。
所述的硅籽晶上部1a倒圆台或倒棱台的侧边与轴的夹角θ为10°～＜90°，优选的夹角θ为10°～60°。
为了提高籽晶的强度，在籽晶的上部1a上还有一个柱体，所的柱体为圆柱体或棱柱体。所述的棱柱体的边数为3～16个，优选的边数为4～10个。此时硅籽晶由相互连为一体的三个横截面不同的柱体组成。
本发明所述的夹持器上部13a与所述的夹持器下部13b之间为可拆卸联接，因此在所述的硅籽晶用于在直拉法硅单晶生长时，先将所述的夹持器上部13a与所述的夹持器下部13b拆卸开，然后将所述的硅籽晶从上面装入所述的夹持器下部13b，再将所述的夹持器上部13a与所述的夹持器下部13b联接，这样硅籽晶就固定于所述的夹持器中，可以用于大体积、高重量的硅单晶的生长。
所述的硅籽晶用于直拉法硅单晶的生长，硅单晶在生长室内生长，在生长时用惰性气体氩气做保护气体，先将石英坩埚11放入石墨制的石英坩埚支持器10内，把多晶硅放入石英坩埚11内，所述的硅籽晶1装入硅籽晶夹持器下部13b，夹持器上部13a与夹持器下部13b联接，夹持器13再与籽晶轴12固定，合上炉室，并抽真空，然后加热使硅熔化，等硅完全熔化后，逐步降低熔硅的温度至硅熔点附近。使石英坩埚11在石墨中轴9的带动下与硅籽晶夹持器13在籽晶轴12的带动下旋转，将硅籽晶1慢慢下降，并与熔硅接触，然后以一定的速度向上提升籽晶，此过程的目的主要是消除籽晶中因热冲击形成的位错缺陷。待籽晶提升到一定长度时，将提升速度减慢，同时略降低熔体的温度，使籽晶直径加大，当籽晶直径增大到比目标直径约低10毫米左右时，增加提升速度，使晶体近乎等直径生长。在石英坩埚11内存储硅料不多时，再提高提升速度，同时适当增加加热的功率，使晶体直径变化至一个倒锥形，当锥尖足够小时，它会脱离硅熔体，这时晶体的生长过程结束。等晶体冷却到近乎室温时，可将晶体取下。
本发明设计出了特殊形状的硅籽晶夹持器，能够满足半导体硅材料的发展需要，可用于制造集成电路和其它电子元件的半导体级硅单晶的制备。采用本发明的硅籽晶夹持器可以大大延长籽晶的使用寿命，可以使硅籽晶使用次数达到40次以上，降低硅晶体的加工成本，生产的硅晶体重量高达500Kg时，能保证硅籽晶的安全使用，避免硅籽晶断裂，可以用于制备重量高达500Kg的硅晶体。
附图说明
图1所示为直拉法制造硅单晶的单晶炉剖面示意图
图2所示为已有国内籽晶和硅籽晶夹持器示意图
图3所示为已有国外籽晶和硅籽晶夹持器示意图
图4所示为本发明硅籽晶夹持器剖视图
图5所示为本发明硅籽晶夹持器与籽晶示意图
图6所示为本发明硅籽晶夹持器下部剖视图
图7所示为本发明另一硅籽晶夹持器下部剖视图
图8所示为本发明又一硅籽晶夹持器下部剖视图
图9所示为本发明另一硅籽晶夹持器下部剖视图
图中，1为硅籽晶，2是硅单晶棒，3是硅熔体，4是上盖，5是碳保温材料，6是石墨发热体，7是保温筒，8是不锈钢筒，9是石墨中轴，10是石墨制的石英坩埚支持器，11是石英坩埚，12是籽晶轴，13是夹持器，13a是夹持器上部，13b是夹持器下部，13c是夹持器联接件，14是钼销子，15是钼丝，1a是硅籽晶上部，1b是硅籽晶下部。
具体实施方式
以下是本发明的实施例，本发明给出的实施例是为了进一步说明本发明的具体实施例方案，而不是用来限制本发明的保护范围。
                    实施例1
图4所示为本发明所述的硅籽晶夹持器的剖视图。本发明的硅籽晶夹持器包括一与籽晶轴12连接的联接件13c、与联接件连为一体的夹持器上部13a、夹持器下部13b，所述的夹持器下部13b为一含上大下小且上下贯通的空腔的圆柱体，所述的夹持器上部13a为圆柱体。
所述的夹持器上部13a与所述的夹持器下部13b之间为螺纹联接，所述的夹持器与籽晶轴12连接的联接件13c为销联接，联接件13c为一双耳结构。
所述的夹持器下部13b的空腔为一倒圆台孔和一圆柱孔，倒圆台孔的侧边与轴的夹角θ为15°。
图5所示为本发明硅籽晶夹持器与籽晶示意图。所述的夹持器上部13a与所述的夹持器下部13b拆卸开，籽晶1装入硅籽晶夹持器下部13b，所述的夹持器下部13b的空腔形状与所夹持的籽晶1形状相匹配，起到夹持并固定籽晶的作用。
图6所示为本发明硅籽晶夹持器下部13b的剖视图。夹持器下部13b的空腔为一倒圆台孔和一圆柱孔，倒圆台孔的侧边与轴的夹角θ为15°，硅籽晶夹持器下部13b有一螺纹结构，与夹持器上部13a联接。
                    实施例2
图7所示为本发明另一硅籽晶夹持器下部13b剖视图。与实施例1不同的是，所述的夹持器下部13b空腔为一倒圆台。
                    实施例3
图8所示为本发明又一硅籽晶夹持器下部13b剖视图。与实施例1不同的是，所述的夹持器下部13b空腔为两个阶梯状的圆柱孔，上圆柱孔的孔径大于下圆柱孔的孔径。
                    实施例4
与实施例1不同的是，所述的夹持器上部13a与所述的夹持器下部13b之间为销连接，所述的夹持器下部13b空腔为一倒六棱台孔和一六棱柱孔，倒六棱台孔侧边与轴的夹角θ为60°。
                    实施例5
图9所示为另一硅籽晶夹持器下部13b剖视图。
与实施例1不同的是，所述的夹持器下部13b的空腔为上大下小且上下贯通的孔，形状为一圆柱孔、一倒圆台孔、和一圆柱孔。
                    实施例6
与实施例3不同的是，所述的夹持器下部13b空腔为倒六棱台孔和六棱柱孔。
                    实施例7
与实施例5不同的是，所述的夹持器下部13b的空腔形状分别为一棱柱孔、一倒棱台孔、和一棱柱孔，棱台孔和棱柱孔的边数为8，棱台侧边与轴的夹角θ为75°。
本发明设计出的硅籽晶夹持器，能够在硅晶体重量高达500Kg时，保证籽晶本身不会发生断裂。这样硅籽晶可以反复使用，大大延长籽晶的使用寿命，降低硅晶体的加工成本。可以用于制造集成电路和其它电子元件的半导体级硅单晶的制备，满足半导体硅材料的发展需要。

Claims (11)

1.一种用于直拉法生长单晶硅的硅籽晶夹持器，所述的硅籽晶夹持器(13)上端为一与籽晶轴(12)连接的联接件(13c)，其特征在于所述的硅籽晶夹持器(13)下端包括硅籽晶夹持器上部(13a)和籽晶夹持器下部(13b)，所述的硅籽晶夹持器上部(13a)与所述的硅籽晶夹持器下部(13b)之间为可拆卸联接，所述的硅籽晶夹持器下部(13b)内含一上大下小且上下贯通的空腔。
2.根据权利要求1所述的硅籽晶夹持器，其特征在于所述的硅籽晶夹持器下部(13b)的空腔为至少包含有一个倒台状孔，或为两个成阶梯状的柱孔，所述的倒台状孔为倒圆台孔或倒棱台孔，所述的柱孔为圆柱孔或棱柱孔。
3.根据权利要求2所述的硅籽晶夹持器，其特征在于所述的硅籽晶夹持器下部(13b)的空腔除有一个倒台状孔外，还在倒台状孔下方有一柱孔，或在倒台状孔上方有一柱孔，或在倒台状孔上、下方各有一柱孔。
4.根据权利要求2所述的硅籽晶夹持器，其特征在于所述的棱柱孔或倒棱台孔的边数为3～16个。
5.根据权利要求4所述的硅籽晶夹持器，其特征在于所述的棱柱孔或倒棱台孔的边数为4～10个。
6.根据权利要求2所述的硅籽晶夹持器，其特征在于所述的倒棱台孔或倒圆台孔的侧边与垂直线之间的夹角θ为10°～＜90°。
7.根据权利要求6所述的硅籽晶夹持器，其特征在于所述的倒棱台孔或倒圆台孔的侧边与垂直线之间的夹角θ为10°～60°。
8.根据权利要求1所述的硅籽晶夹持器，其特征在于所述的硅籽晶夹持器下部(13b)的空腔依次分别为一倒圆台孔和一圆柱孔、一倒棱台孔和一棱柱孔、一圆柱孔和一倒圆台孔和一圆柱孔、一棱柱孔和一倒棱台孔和一棱柱孔、一倒圆台孔、一倒棱台孔、两个阶梯状圆柱孔或两个阶梯状棱柱孔其中的一种。
9.根据权利要求1所述的硅籽晶夹持器，其特征在于所述的夹持器与籽晶轴(12)连接的联接件(13c)可为螺纹联接或销联接，所述的夹持器上部(13a)与所述的夹持器下部(13b)之间可为螺纹联接或销联接。
10.根据权利要求1所述的硅籽晶夹持器，其特征在于所述的夹持器上部(13a)和所述夹持器下部(13b)的外形为圆柱体、棱柱体、圆台与圆柱的组合体或棱台与棱柱的组合体其中的一种。
11.根据权利要求1所述的硅籽晶夹持器，其特征在于所述的硅籽晶夹持器由金属钼或石墨制成。
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Patentee after: GRINM ADVANCED MATERIALS CO.,LTD.

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Patentee before: GRINM SEMICONDUCTOR MATERIALS Co.,Ltd.

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Address after: 101300 Beijing city Shunyi District Shuanghe Linhe Industrial Development Zone on the south side of the road

Patentee after: GRINM SEMICONDUCTOR MATERIALS Co.,Ltd.

Address before: 100088 Beijing city Xicheng District Xinjiekou Avenue No. 2

Patentee before: GRINM ADVANCED MATERIALS CO.,LTD.

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Correction item: Patentee|Address

Correct: GRINM SEMICONDUCTOR MATERIALS Co.,Ltd.|101300 Beijing city Shunyi District Shuanghe Linhe Industrial Development Zone on the south side of the road

False: GRINM SEMICONDUCTOR MATERIALS Co.,Ltd.|101300 Beijing city Shunyi District Shuanghe Linhe Industrial Development Zone on the south side of the road

Number: 33

Volume: 31

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Address after: 101300 south side of Shuanghe Road, Linhe Industrial Development Zone, Shunyi District, Beijing

Patentee after: Youyan semiconductor silicon materials Co.,Ltd.

Address before: 101300 south side of Shuanghe Road, Linhe Industrial Development Zone, Shunyi District, Beijing

Patentee before: GRINM SEMICONDUCTOR MATERIALS Co.,Ltd.

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