CN205295534U - 一种高速单晶生长装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高速单晶生长装置，其特点为在坩埚上方设有导流筒，导流筒在三相点附近的形状经特殊设计以控制凝固界面上方的热流方向；在导流筒内设置水冷套以强化晶体侧的传热。本实用新型通过设计导流筒结构，能够使水冷套长度延伸到固液界面附近，相比于传统水冷套设计能大幅强化晶体侧的散热能力，进而提高晶体提拉速度；同时克服因水冷套过于靠近固液界面导致固液界面凹度增大的技术难点，在整个拉晶过程中均能获得较为平坦的凝固界面形状，且晶体内热应力值也控制在较低水平。因此采用本实用新型有利于快速提拉出高品质的单晶。

Description

一种高速单晶生长装置

技术领域：

本实用新型属于直拉法晶体生长装置领域，具体涉及一种高速单晶生长装置。

背景技术：

以下以直拉法(Czochralski，CZ)生长单晶硅棒为例说明使用的方法。直拉单晶生长法由波兰科学家JanCzochralski于1918年实用新型，其方法是利用旋转籽晶从反方向旋转的坩埚中的熔体里持续提拉制备出单晶。

CZ法单晶硅生长主要包含以下几个步骤：首先，将高纯多晶硅原料以及掺杂物质放入石英坩埚内；完成装料后，将长晶炉关闭，抽真空，并打开石墨加热器，加热使硅原料熔化；当熔体温度稳定后，将籽晶浸入硅熔体中，开始进行引晶；种晶与硅熔体接触时的热应力将会使种晶产生位错，这些位错则通过晶颈的生长使之消失；生长完晶颈后，降低拉速和温度，使晶体的直径逐渐增大到目标直径，这个过程便称为放肩；达到目标直径后，不断调整提拉速度与温度，使晶棒直径与目标值的变差维持在±2mm间，等径生长的部分称之为晶身，也是制作硅片的部分；晶身生长完后，将晶棒直径逐渐缩小至一尖点与熔体分开，这个过程称为尾部生长。长完的晶棒在上炉室冷却至室温后取出，整个生长周期一般持续1～2天。

长晶过程主要希望能够达到目标直径下的晶体长度最大化和无位错，电阻率和氧杂质沿轴向和径向分布均匀，热应力水平合适。位错可能发生在长晶的任何阶段，由于硅晶体具有很高的弹性强度，一般当长晶过程中的机械应力或热应力低于其弹性强度时，应力可以在晶棒冷却过程中自然消失；如果应力高于其弹性强度极限，就会产生位错。一旦在长晶界面出现位错，位错马上会开始多重延伸，整个晶棒可能由单晶变为多晶。位错的原因有多种，其中长晶界面形状对位错的形成有很大影响。位错更容易出现在长晶界面形状过凹或过凸情况下，在直拉法生长单晶硅过程中需要控制凝固界面的形状尽量平坦。

同时，与定向凝固法制备多晶硅铸锭相比，直拉法生长出的单晶硅质量更高，但成本也更高。提高单晶硅棒提拉速度是提高单晶硅产率，降低单晶硅制备成本的有效方法。在晶体提拉过程中，凝固界面晶体侧的V/G比是衡量晶体质量的重要指标，其中，V为晶体的生长速度，G为凝固界面处晶体侧的轴向温度梯度。较高或较低的V/G比值均会导致晶体提拉过程中产生大量的缺陷。因此，提高晶体提拉速度的同时，凝固界面处晶体侧的轴向温度梯度也须相应提高。

综上，在直拉单晶硅生长过程中，凝固界面形状关系着生长出的晶体的质量，而凝固界面处晶体侧的轴向温度则决定了晶体提拉速度的大小。一般可以通过在晶体外侧布置水冷套的方法强化晶体侧的传热能力，提高晶体内的温度梯度，进而提高晶体提拉速度。为达到最大的散热效果，需尽可能增加水冷套的长度。然而，当水冷套长度增加至固液界面附近时，一方面晶体内的轴向温度梯度增加，另一方面晶体内的径向温度梯度也显著增大。凝固界面附近过大的径向温度梯度会导致凝固界面凹度增大，晶体内的热应力水平显著提高。如果热应力值高于其弹性强度，就会产生位错。一旦在长晶界面出现位错，位错马上会开始多重延伸，整个晶棒可能由单晶变为多晶。因此，在传统方法中，水冷套下沿距离固液界面的距离较长，这极大地削弱了水冷套对于晶体侧的强化散热能力。采用传统水冷套布置方法对于强化晶体侧的散热效果有限。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种高速单晶生长装置，通过强化凝固界面上方晶体的传热以提高晶体提拉速度；同时通过控制凝固界面上方的热流方向以获得较为平坦的凝固界面形状，提高晶体质量。基于全局传热数值模拟，对本实用新型提出的生长装置中水冷套以及导流筒形状、位置进行了定量设计。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案来实现的：

一种高速单晶生长装置，包括由外至内依次设置的炉壁和隔热层，在隔热层中心处的底部设置有支撑轴，支撑轴上依次设置有石墨坩埚和石英坩埚，支撑轴用于带动石墨坩埚和石英坩埚升降及旋转，在石墨坩埚外侧上设置有石墨加热器；在石英坩埚内设置有导流筒，且导流筒的顶端与隔热层的顶端相连；在导流筒内设置有水冷套，且水冷套的顶端与炉壁的内壁相连；

使用时，石英坩埚内为硅熔体，硅熔体的液面低于导流筒的底面，生长的硅晶体依次穿过导流筒内腔和水冷套内腔提升至单晶快速生长装置外。

本实用新型进一步的改进在于，导流筒的底部内侧还设置有一体化成型的绝热环，其中，硅熔体的液面低于绝热环，水冷套的底面设置在绝热环上方。

本实用新型进一步的改进在于，硅熔体的液面与绝热环之间的垂直距离为10-50mm，绝热环厚度为20-150mm，内壁距离晶体水平距离约10-100mm。

本实用新型进一步的改进在于，生长的硅晶体通过提拉装置提升至单晶快速生长装置外。

本实用新型进一步的改进在于，导流筒由外部石墨支撑材料以及内部绝热填充材料制成，内部绝热填充材料为低导热系数的碳毡保温材料。

本实用新型进一步的改进在于，水冷套包括水冷壁面和内部水流通道，水冷壁面采用高导热系数耐高温材料不锈钢、铜、或钼制成；为获得最大的冷却效果，水冷套延伸到绝热环附近，水冷套底面与绝热环上表面之间的垂直距离为5-100mm。

相对于现有技术，本实用新型的有益效果如下：

本实用新型的主要部件为导流筒以及导流筒内侧的水冷套，导流筒除隔绝从加热器产生的热量以及引导气体流通的作用以外，在晶体生长三相点附近还有控制热流方向的作用。水冷套主要用于强化单晶侧的散热能力，水冷套长度较长，下伸至晶体生长三相点附近，靠近导流筒绝热环上沿位置，以获得最大的冷却效果。水冷套的底面与绝热环之间的距离为5-100mm，若小于5mm，加工以及安装精度的影响，可能造成水冷套与绝热环接触的问题，引发安全隐患，若大于100mm，则水冷套的散热能力大幅降低，无法达到最佳的散热效果。

进一步的，水冷套下部做开窗处理，如图4所示，以方便观测熔体液面情况。

进一步的，导流筒在晶体/熔体/氛围气三相点附近特殊的几何形状和隔热材料设计，形成绝热环。绝热环具有一定厚度，内部填充隔热材料，其上沿位置靠近水冷套下沿，下沿位置靠近晶体/熔体/氛围气三相点。绝热环与晶体间预留氩气流通通道。液面与绝热环之间的垂直距离为10-50mm，若小于10mm，则在晶体提拉过程中绝热环有可能与熔体接触，污染熔体，若超过50mm，则无法有效控制凝固界面处的热流方向。绝热环厚度为20-150mm，若绝热环厚度小于20mm，则无法保证足够的绝热效果，若超过150mm，则晶体凝固界面处的散热能力受到削弱；内壁距离晶体水平距离约10-100mm，若小于10mm，则在提拉过程中晶体可能与绝热环发生碰撞，引发生产事故，若大于100mm，则无法阻碍晶体径向方向的散热，对保持平坦的凝固界面形状不利。

本实用新型通过设计导流筒在晶体生长三相点附近的几何形状和材料，控制凝固界面上方的热流方向，克服传统方法中水冷套长度受限的情况，在获得最大冷却效果的同时，有效避免因凝固界面形状过凹而引起的热应力过大以及位错增殖等问题，从而提高晶体质量。通过本实用新型能够提高20％以上的晶体提拉速度，有效缩短单晶生长周期，节约单晶生产成本。因此，本实用新型在提高单晶质量、降低生产成本方面具有较为显著的促进作用。

附图说明：

图1为本实用新型一种高速单晶生长装置的概略构成剖面图。

图2为晶体生长三相点附近的装置局部概略构成剖面图。

图3为导流筒三维概略构成图。

图4为水冷套三维概略构成图。

图5为全局模拟所得的凝固界面形状对比图。

图6为全局模拟所得的凝固界面径向温度梯度分布对比图。

图7为全局模拟所得的凝固界面热应力分布对比图。

图中：1为导流筒，2为隔热层，3为石墨加热器，4为水冷套，5为硅晶体，6为炉壁，7为石墨坩埚，8为石英坩埚，9为硅熔体，10为支撑轴，11为提拉装置，12为绝热环。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

参见图1，是本实用新型一种高速单晶生长装置的概略构成剖面图，包括导流筒1、隔热层2、石墨加热器3、水冷套4、晶体5、炉壁6、石墨坩埚7、石英坩埚8、硅熔体9、支撑轴10和提拉装置11。石墨坩埚7和石英坩埚8外侧为石墨加热器3，石墨加热器3外侧为防止热散失的隔热层2，硅晶体5上方为控制晶体提拉和旋转的拉晶装置11。本实用新型核心区设计图如图2所示。

装置中导流筒1和水冷套4为本实用新型的核心部件。导流筒三维示意图如图3所示，其外侧为支撑层，内侧为耐高温绝热材料。导流筒的作用为引导炉腔内氛围气流的流通，同时将晶体与加热器侧的高温区隔离。本实用新型针对导流筒进行的核心设计为：在导流筒下部区域，设计如图所示水平几何结构，增加垂直方向的厚度，同时内部填充隔热材料，在晶体生长三相点附近形成一个局部绝热环，如图2所示。液面与绝热环之间的垂直距离为10-50mm。绝热环厚度为20-150mm；内壁距离晶体水平距离约10-100mm。水冷套是本实用新型的另一个核心部件，各类水冷套在本实用新型中均适用，本实用新型中仅以一种较为常见的水冷套为例，其三维示意图如图4所示。为达到最大冷却效果，本实用新型中水冷套下沿位置须尽量靠近晶体生长三相点附近，水冷套的底面与绝热环之间的距离为5-100mm。同时，为方便观测熔体液面情况，水冷套下部做开窗处理，如图4所示。

通过计算机全局数值模拟，可获得本实用新型高速单晶生长装置与传统直拉法单晶硅生长装置生长单晶硅时所获得的热场结果。图5至图7中三种工况分别为：Case1代表采用无水冷的传统直拉法单晶硅生长装置获得的结果；Case2代表采用有水冷的传统直拉法单晶硅生长装置获得的结果；Case3代表本实用新型高速单晶生长装置获得的结果。Case1与Case2采用相同的晶体提拉速度，Case3提拉速度较前两种工况提高20％。

从图5可以看出，采用本实用新型装置，即使晶体提拉速度提高20％，凝固界面相比于传统单晶硅生长装置都更为平坦，本实用新型装置对凝固界面的控制更有效。

图6为三种工况下计算获得的凝固界面处晶体内径向温度梯度的分布。从图中可以看出，采用水冷套的传统单晶硅生长装置在凝固界面上方的径向温度梯度最大，其径向温度梯度的最大值较传统无水冷套单晶硅生长装置中的最大值提高了约30％，过大的径向温度梯度会造成晶体内部热应力增大和位错增殖，对生长高质量的单晶硅不利。而采用本实用新型方法，即使在提拉速度提高20％的情况下，凝固界面上方的径向温度梯度较传统无水冷套单晶硅生长装置下降了约30％，说明采用本实用新型装置可以有效控制凝固界面上方的热流方向，降低凝固界面上方的径向温度梯度。

图7所示为三种工况下计算获得的凝固界面上方热应力的分布，可以发现：有水冷套的传统单晶硅生长装置，其凝固界面上方热应力值最大，而采用本实用新型装置，凝固界面上方的热应力值最小，其最大热应力较无水冷套的传统单晶硅生长装置计算出的热应力降低了约20％。

以上结果表明，采用本实用新型装置，可有效控制凝固界面上方热流方向，即使在提高20％晶体提拉速度的情况下，依然可以保持较低的径向温度梯度和热应力水平，本实用新型装置效果显著。

需要强调的是，本实用新型适用于各类直拉法生长单晶装置，上述具体实施例仅用于更详细地说明本实用新型的内容，并不限定其保护范围，本领域技术人员通过借鉴本实用新型的思路做出的改变或替代后的技术方案，均没有脱离本实用新型的实用新型本质和保护范围。

Claims (5)

1.一种高速单晶生长装置，其特征在于，包括由外至内依次设置的炉壁(6)和隔热层(2)，在隔热层(2)中心处的底部设置有支撑轴(10)，支撑轴(10)上依次设置有石墨坩埚(7)和石英坩埚(8)，支撑轴(10)用于带动石墨坩埚(7)和石英坩埚(8)升降及旋转，在石墨坩埚(7)外侧上设置有石墨加热器(3)；在石英坩埚(8)内设置有导流筒(1)，且导流筒(1)的顶端与隔热层(2)的顶端相连；在导流筒(1)内设置有水冷套(4)，且水冷套(4)的顶端与炉壁(6)的内壁相连；

使用时，石英坩埚(8)内为硅熔体(9)，硅熔体(9)的液面低于导流筒(1)的底面，生长的硅晶体(5)依次穿过导流筒(1)内腔和水冷套(4)内腔提升至单晶快速生长装置外。

2.根据权利要求1所述的一种高速单晶生长装置，其特征在于，导流筒(1)的底部内侧还设置有一体化成型的绝热环(12)，其中，硅熔体(9)的液面低于绝热环(12)，水冷套(4)的底面设置在绝热环上方。

3.根据权利要求2所述的一种高速单晶生长装置，其特征在于，硅熔体(9)的液面与绝热环之间的垂直距离为10-50mm，绝热环厚度为20-150mm，内壁距离晶体水平距离为10-100mm。

4.根据权利要求1所述的一种高速单晶生长装置，其特征在于，生长的硅晶体(5)通过提拉装置(11)提升至单晶快速生长装置外。

5.根据权利要求1所述的一种高速单晶生长装置，其特征在于，水冷套(4)包括水冷壁面和内部水流通道，水冷壁面采用高导热系数耐高温材料不锈钢、铜、或钼制成；水冷套(4)延伸到绝热环(12)附近，且水冷套底面与绝热环(12)上表面之间的垂直距离为5-100mm。