CN202786496U - 一种应用于单晶炉中的复合型热屏装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用在单晶炉中的复合型热屏装置，包括导流筒支架、第一导流筒、第二导流筒和第三导流筒，其中第一、第二和第三导流筒导流筒均为圆台中空结构，分为内外两层，两层之间填充石墨碳毡；并且第一导流筒的内外两层均为石墨材料，第二导流筒和第三导流筒的外层为石墨材料，内层为钼材料，第一、第二和第三导流筒导流筒通过安装边沿和卡滞边沿依次卡合。该装置安装方便快捷、操作简便，由于采用了石墨材料和钼片的复合型热屏，使其相较于传统的单一石墨材料热屏，在保持同样体积的同时，具有更好的隔热和保温特性，能够改善单晶拉制过程中的扭曲问题，降低晶体拉制功率，降低生产成本。

Description

一种应用于单晶炉中的复合型热屏装置

技术领域

本实用新型涉及半导体硅单晶材料制备领域，主要是涉及一种应用于单晶炉中的复合型热屏装置。 

背景技术

N型<111>晶向硅单晶广泛应用于各类半导体器件，由于其掺杂元素磷的分凝系数小，<111>晶向的硅单晶在拉制过程中容易出现小平面效应，掺杂元素磷在某一晶面上富集，使所拉制单晶的径向电阻率均匀性变差，出现电阻率中心低，边缘高的现象。这样的硅片在进行化学腐蚀和机械抛光时，硅片各部分的腐蚀速率会出现差异，从而影响所制作器件的性能和质量，降低器件成品率。 

<111>小平面出现在何处通常与单晶生长界面的形状有关。当晶体生长界面凹向硅熔体时，小平面出现在硅片的边缘，而当晶体生长界面凸向硅熔体的时候则出现在硅片的中间。若小平面出现在硅片中央，则硅片中心处的电阻率值较低，硅片电阻率均匀性很差。决定生长界面形状的因素很多，但熔硅的热对流对界面形状有直接影响，热对流倾向于使生长界面凸向硅熔体，使小平面出现在硅片中央，而通过晶体转动产生的强迫对流则倾向于使生长界面凹向熔体，使小平面出现在硅片边缘，从而改善N型<111>晶向高电阻率单晶的电阻率径向均匀性。 

高晶转拉晶工艺中的晶转速度是一个重要的参数；晶转速度较低时，强迫对流不明显，起不到改善电阻率均匀性的作用；晶转速度过高，又会在拉晶过程中产生诸如晶体摆动等一系列的问题。实验表明通常晶转速度在22～25rpm时，可以在保证拉晶稳定性的情况下，获得较好的晶体电阻率均匀性效果。 

在CG6000型单晶炉中，采用常规14英寸系统拉制4英寸<111>晶向单晶， 使用高晶转拉晶时单晶自动引晶、放肩、等径都较为顺利，但当单晶生长到一定长度时，开始出现过冷生长趋势，晶体发生扭曲，扭曲令晶体变形，影响了单晶的成品率。其原因主要是由于热系统功率较高，造成单晶散热不好，生长界面的温度梯度较小。另外为保证单晶电阻率的径向均匀性，晶体转速通常要达到23rpm以上，造成固液交界面过分凹向熔体，也是造成晶体扭曲的一个重要原因。 

为热系统添加具有保温和导气功能的热屏装置，可以有效加强熔体的保温和晶体的散热，提高晶体生长的温度梯度，使固液交界面呈现平缓凹型，有利于改进晶体的电阻率均匀性和晶体形状，同时可以有效降低晶体拉制的热功率，节能降耗。但是，普通热屏系统使用单一的石墨材料，单层热屏的保温效果有限，无法根本性的解决上述晶体扭曲问题。为了保证热屏的保温和隔热效果，通常需要将热屏制作的很厚或者使用双层热屏，但受制于单晶炉的炉体尺寸，较厚或双层的石墨材料热屏会影响CCD摄像头对单晶直径的扫描和人眼对于晶体的观察，从而使单晶的生长自动控制无法完成。 

实用新型内容

本实用新型提供一种应用于单晶炉中的复合型热屏装置，用以解决现有技术中晶体生长过程中产生扭曲变形，单晶电阻率均匀性差等影响晶体质量和成品率的问题。 

为达上述目的，本实用新型提供一种应用于单晶炉中的复合型热屏装置，所述热屏装置包括： 

导流筒支架，设置在单晶炉的保温罩上方；第一导流筒，形状为圆台中空结构，分为内外两层，均由石墨材料制作，两层之间留有空隙，填充石墨碳毡，所述第一导流筒的下底面向外延伸有第一安装边沿，上底面向内延伸有第一卡滞边沿；所述第一安装边沿与所述导流筒支架配合；第二导流筒，形状为圆台中空结构，分为内外两层，外层为石墨材料制作，内层为钼片，两层之间留有空隙，填充石墨碳毡，所述第二导流筒的下底面向外延伸有第二安装边沿，上 底面向内延伸有第二卡滞边沿；所述第二安装边沿与所述第一卡滞边沿配合；第三导流筒，形状为圆台中空结构，分为内外两层，外层为石墨材料制作，内层为钼片，两层之间留有空隙，填充石墨碳毡，所述第三导流筒的下底面向外延伸有第三安装边沿；所述第三安装边沿与所述第二卡滞边沿配合。 

进一步，所述导流筒支架包括支撑筒和上盖板，所述支撑筒设置在单晶炉的保温罩上方，所述上盖板设置在支撑筒上方。 

进一步，所述上盖板上设置有凹槽，所述第一导流筒的第一卡滞边沿安装在所述凹槽内。 

本实用新型有益效果如下： 

本实用新型为应用于单晶炉中的复合型热屏装置，具有保温和气体导流的双重作用，加大了晶体生长界面的温度梯度和晶体散热速度，可有效解决晶体生长过程中产生的扭曲变形情况，改善单晶电阻率均匀性，起到提高晶体质量和成品率的作用；同时由于热屏的引入可有效降低化料及拉晶时的热功率，节约能耗；并且具有操作简便、安装方便快捷的优点。并且，本实用新型采用了不同材料制作复合型热屏系统，能加强热屏的保温效果，采用的钼材料性质稳定，耐高温，不易发生反应，同时具有较好的隔热和保温属性，使用钼片和石墨材料制作的复合型热屏其厚度与单层石墨热屏相当，不会影响摄像头对单晶直径的扫描和计算机自动控制，而保温和隔热作用则与双层石墨材料热屏相当，能够较好的改善单晶拉制过程中的扭曲问题，也可以进一步降低晶体拉制功率，降低生产成本。 

附图说明

图1为安装现有热屏装置的单晶炉的结构示意图； 

图2为本实用新型实施例一种复合型热屏装置的结构示意图； 

图3为图2的卡滞处的细节图； 

图4为本实用新型实施例一种安装有复合型热屏装置的单晶炉的结构示意图； 

图5是本实用新型实施例一种复合型热屏装置的第一导流筒的俯视图； 

图6是图5的主视图； 

图7是本实用新型实施例一种复合型热屏装置的第二导流筒的俯视图； 

图8是图7的主视图； 

图9是本实用新型实施例一种复合型热屏装置的第三导流筒的俯视图； 

图10是图9的主视图； 

图11是本实用新型实施例一种复合型热屏装置的支撑筒的俯视图； 

图12是图11的主视图； 

图13是本实用新型实施例一种复合型热屏装置的上盖板的俯视图； 

图14是图13的主视图。 

具体实施方式

以下结合附图以及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不限定本实用新型。 

经过试验发现，热屏的引入可以增加对熔体的热反射，降低单晶拉制功率，节约生产成本；在晶体拉制过程中，热屏的存在可以屏蔽一部分加热器对晶体的热辐射，同时氩气流对晶体的吹拂作用也比敞开式热场明显增强，从而大大加强了晶体的散热，提高了晶体生长界面的温度梯度，有利于调平晶体生长界面，稳定晶体生长，消除晶体扭曲变形的现象。 

如图1~14所示，本实用新型实施例涉及一种应用于单晶炉的复合型热屏装置，包括：导流筒支架、第一导流筒5、第二导流筒6、第三导流筒7。 

导流筒支架，设置在单晶炉保温罩上方，即位于单晶炉内拉晶原料的上方； 

第一导流筒5，以石墨材料机械加工制成，形状为圆台的中空结构，该结构分为内外两层，两层之间留有空隙，空隙内衬石墨碳毡，第一导流筒的下底面（园台结构中面积较大的面）向外延伸有第一安装边沿，上底面（园台结构中面积较小的面）向内延伸有第一卡滞边沿；第一安装边沿与导流筒支架配合。本实用新型中，向外是指远离圆台中心轴线的方向，向内是指指向圆台中心轴 线的方向。本实施例以下所指的向外、向内、下底面、上底面与第一导流筒中表达的含义相同。 

第二导流筒6，形状为圆台的中空结构，该结构分为内外两层，外层为石墨材料机械加工制成，内层为金属钼片，由钼材料机械加工制成，两层经焊接或钉卯成圆台的中空结构，两层之间留有空隙，填充石墨碳毡，第二导流筒外层设有卡滞内层钼片的凹槽，第二导流筒下底面向外延伸有第二安装边沿，上底面向内延伸有第二卡滞边沿；第二安装边沿与第一卡滞边沿配合。 

第三导流筒7，形状为圆台的中空结构，该结构分为内外两层，外层为石墨材料机械加工制成，内层为金属钼片，由钼材料机械加工制成，两层经焊接或钉卯成圆台的中空结构，两层之间留有空隙，填充石墨碳毡，第三导流筒外层设有卡滞内层钼片的凹槽，第三导流筒下底面向外延伸有第三安装边沿；第三安装边沿与第二卡滞边沿配合。 

导流筒支架包括支撑筒10和上盖板11，支撑筒10设置在单晶炉的保温罩上方，上盖板11设置在支撑筒10上方。上盖板11上设置有凹槽，第一导流筒5的第一卡滞边沿安装在凹槽内，可以有效防止热屏水平滑动。 

本复合型热屏装置的安装十分简便，有利于各部件的更换和维护，具体安装过程如下： 

如普通敞开式热场一样，先装入石墨坩埚8和石英坩埚9，在石英坩埚9中放入多晶原料，将石英坩埚9降至适当位置，依次放置支撑筒10、上盖板11、第一导流筒5和第二导流筒6，此时应注意原料与第二导流筒6的距离，避免原料与第二导流筒6接触造成原料沾污，并根据此距离，修改单晶炉自动化料程序中的石英坩埚9行程设定，避免化料途中原料与第二导流筒6接触，造成沾污。关闭炉盖4，在副炉室2中使用吊装机构（可以钩吊第三导流筒7，并在第三导流筒与第二导流筒接触受到支撑后，自动与其脱离，因其并不属于本实施例的复合型热屏装置，故未做详细说明）将第三导流筒7吊置于副炉室2中，关闭炉门。开始进行抽空和化料程序，当原料全部熔化之后，通过提拉 机构1下降钢丝绳3，将第三导流筒7降下至与第二导流筒接触，此时第一导流筒5、第二导流筒6和第三导流筒7组合成完整热屏（注意此时应先将石英坩埚9位置下降，以避免熔体与导流筒接触，造成原料沾污），通过提拉机构1提升吊装机构至副炉室2，关闭隔离阀，卸下吊装机构，换装籽晶，进行副炉室的抽空程序，打开隔离阀，即可以进行正常的拉晶程序。 

在CG6000型单晶炉中安装本热屏装置，热屏装置为主要部件，可以起到保温和气体导流的双重作用，降低了拉晶功率并加大了生长界面的温度梯度和晶体散热速度。复合热屏装置中的支撑筒主要起支撑作用，并能进一步增强保温效果；上盖板则加强了热场上半部分的保温。 

在CG6000型单晶炉中安装本热屏装置，无需改动CG6000型单晶炉原热系统，安装方便快捷。该装置使用后，复合型热屏的导气和保温作用阻挡了单晶拉制过程中加热器对于晶体的热辐射，并加强了对熔体的热反射，同时增强了氩气流对晶体的吹拂作用。其结果是晶体的散热加快，晶体生长界面温度梯度提高，有利晶体生长界面的调平，可有效解决晶体生长过程中出现扭曲变形现象，改善晶体电阻率均匀性和单晶成品率。同时由于热屏的引入可有效降低化料及拉晶时的热功率，节约能耗。并且通过换装第三段导流筒，即可在原热场上拉制不同直径的单晶，操作简便快捷。 

通过使用该复合型热屏装置，配合高晶转的拉晶工艺，N型高阻<111>晶向单晶的晶体扭曲情况得到控制，同时晶体的电阻率径向均匀性也得到了较好的改善，表1为使用该复合型热屏装置拉制的单晶的电阻率均匀性情况，单晶电阻率径向均匀性较好且整颗单晶均未出现扭曲变形情况。 

表1

注：径向电阻率不均匀性的计算按以下两种方法 

方法1：

方法2：

采用本实用新型实施例设计的复合型热屏装置，通过配合单晶炉的炉体尺寸对热屏装置的放置高度和外形尺寸进行精确的设计，可以保证不对单晶炉单晶晶体直径控制系统的CCD摄像和单晶直径扫描造成影响，不会影响晶体生长的计算机自动控制，不仅可以满足CCD摄像机在拉晶全过程中对单晶直径的监控，而且人工也可以从单晶的引晶到收尾过程中对单晶生长情况进行观察和直径测量，值得注意的是，由于金属钼材料的表面为抛光面，具有一定光反射作用，因此单晶拉制过程中，CCD摄像机的视场应适当调暗，避免因强光的反射，影响单晶直径的观察和测量。14英寸热场添加该复合热屏装置后，相比原非复合型热屏装置，体积变化不大，单晶外形得到进一步改善，而且拉晶功率也下降了接近10%，晶体生产成本显著降低，表2为不同热场下，拉晶所需的平均热功率。 

表2 

敞开式热场	普通型密闭热场	复合型密闭热场
			70-75KW	60-65KW	50-55KW

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。 

Claims (3)

1.一种应用于单晶炉中的复合型热屏装置，其特征在于，所述热屏装置包括：

导流筒支架，设置在单晶炉的保温罩上方；

第一导流筒，形状为圆台中空结构，分为内外两层，均由石墨材料制作，两层之间留有空隙，填充石墨碳毡，所述第一导流筒的下底面向外延伸有第一安装边沿，上底面向内延伸有第一卡滞边沿；所述第一安装边沿与所述导流筒支架配合；

第二导流筒，形状为圆台中空结构，分为内外两层，外层为石墨材料制作，内层为钼片，两层之间留有空隙，填充石墨碳毡，所述第二导流筒的下底面向外延伸有第二安装边沿，上底面向内延伸有第二卡滞边沿；所述第二安装边沿与所述第一卡滞边沿配合；

第三导流筒，形状为圆台中空结构，分为内外两层，外层为石墨材料制作，内层为钼片，两层之间留有空隙，填充石墨碳毡，所述第三导流筒的下底面向外延伸有第三安装边沿；所述第三安装边沿与所述第二卡滞边沿配合。

2.如权利要求1所述的应用于单晶炉中的复合型热屏装置，其特征在于，所述导流筒支架包括支撑筒和上盖板，所述支撑筒设置在单晶炉的保温罩上方，所述上盖板设置在支撑筒上方。

3.如权利要求2所述的应用于单晶炉中的复合型热屏装置，其特征在于，所述上盖板上设置有凹槽，所述第一导流筒的第一卡滞边沿安装在所述凹槽内。

Images