CN210736948U

CN210736948U - 单晶炉

Info

Publication number: CN210736948U
Application number: CN201921760718.5U
Authority: CN
Inventors: 薛抗美
Original assignee: Xuzhou Xinjing Semiconductor Technology Co Ltd
Current assignee: Zhonghuan Leading Xuzhou Semiconductor Materials Co ltd; Zhonghuan Advanced Semiconductor Materials Co Ltd
Priority date: 2019-10-18
Filing date: 2019-10-18
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2029-10-18

Abstract

本实用新型公开了单晶炉，包括：单晶炉本体、石英坩埚、籽晶、第一加热器、第二加热器、导流筒和第三加热器，单晶炉本体内限定出容纳空间；石英坩埚设在容纳空间；籽晶可垂直移动地设在石英坩埚上方且可伸入熔硅中以便直拉长晶得到晶棒；第一加热器设在单晶炉本体内且位于石英坩埚的下方；第二加热器设在单晶炉本体内且环绕石英坩埚的侧壁；导流筒设在石英坩埚上方且环绕晶棒的一部分；第三加热器包括加热丝、正极脚和负极脚，正极脚穿过导流筒与加热丝的一端相连，负极脚穿过导流筒与加热丝的另一端相连，加热丝围绕晶棒周向的一部分设置且位于石英坩埚和导流筒之间。采用该单晶炉在提高单晶生产效率的同时提高单晶品质。

Description

单晶炉

技术领域

本实用新型属于半导体技术领域，具体涉及一种单晶炉。

背景技术

随着半导体装置尺寸的降低，使得半导体电路的整合程度也随之增加。近年来，对于作为半导体装置基底材料的单晶硅尤其是采用Czochralski法(以下称CZ法)生长的单晶硅有更严格的品质需求。特别的，需要降低在单晶成长中产生且降低氧介电崩溃电压和装置特性的FPD,LSTD，和COP等成长缺陷的密度和尺寸。

根据Voronkov的理论，晶体内本质缺陷种类与浓度由CZ法长晶的提拉速度(V)与固液界面的温度梯度(G)的比值(V/G)决定，当V/G大于某临界值时晶体内缺陷偏向空孔型且V/G值越大空孔缺陷浓度越高，反之，V/G小于某临界值时晶体内缺陷偏向插入型且V/G值越小插入型缺陷浓度越高。所以要降低晶体内缺陷必需降低提拉速度或增加固液界面的温度梯度，使得V/G非常接近此临界值，并增加径向温度梯度的均匀性，使得硅片整面都具有相同的缺陷浓度。

通常，认为晶体在提拉方向上的温度梯度G由用于拉动籽晶生长单晶的单晶炉的热场结构确定。然而，在拉动籽晶时改变热场结构是极其困难的。因此，当如上所述以控制V/G生长单晶时，在拉晶制备单晶期间不控制晶体的温度梯度G。因此，通常通过调节提拉速率V来控制V/G，从而产生低缺陷区域的单晶。

然而，晶体的温度梯度G通常随着单晶生长而趋于降低，因此在生长单晶的晶棒末端的G比在生长晶棒的开始时的G变小。因此，为了几乎恒定地将V/G控制为期望值，随着单晶生长，必须根据晶体的温度梯度G的波动(下降)将提拉速率V改变为较低的速率。但是，该种方式延长了晶棒生长时间，导致生产率降低等问题。

因此，现有的制备晶棒的技术有待进一步改进。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种单晶炉，采用该单晶炉在采用CZ法生长单晶时，可以通过控制晶棒提拉方向上温度梯度G的波动来控制V/G恒定，从而在不降低提拉速度V的情况下拉出单晶，进而可以在提高单晶生产效率的同时提高单晶品质。

在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种单晶炉。根据本实用新型的实施例，所述单晶炉包括：

单晶炉本体，所述单晶炉本体内限定出容纳空间；

石英坩埚，所述石英坩埚设在所述容纳空间内用于熔化多晶硅原料且盛放熔硅；

籽晶，所述籽晶可转动且可垂直移动地设在所述石英坩埚上方且可伸入所述熔硅中以便直拉长晶得到晶棒；

第一加热器，所述第一加热器设在所述单晶炉本体内且位于所述石英坩埚的下方；

第二加热器，所述第二加热器设在所述单晶炉本体内且环绕所述石英坩埚的侧壁；

导流筒，所述导流筒设在所述石英坩埚上方且环绕所述晶棒的一部分；

第三加热器，所述第三加热器包括加热丝、正极脚和负极脚，所述正极脚穿过所述导流筒与所述加热丝的一端相连，所述负极脚穿过所述导流筒与所述加热丝的另一端相连，所述加热丝围绕所述晶棒周向的一部分设置且位于所述石英坩埚和所述导流筒之间。

根据本实用新型实施例的单晶炉，相较于现有CZ法拉晶过程中晶棒的中心部分轴向方向温度梯度(以下简称“中心温梯”)较小，而晶棒的外周部分热损失严重使得晶棒外周部分轴向方向上温度梯度(以下简称“外周温梯”)增大，导致中心温梯小于外周温梯，从而导致晶棒提拉方向上温度梯度不恒定，而本申请的单晶炉通过在石英坩埚和导流筒之间设置带有加热丝的第三加热器，加热丝围绕晶棒外周的一部分设置，在拉晶过程中，随着籽晶的拉伸和旋转，加热丝可以补偿晶棒外周部分的热损失，降低外周温梯，达到中心温梯≈外周温梯。由此，本申请的单晶炉在采用CZ法生长单晶时，可以通过控制晶棒提拉方向上温度梯度G的波动来控制V/G恒定，从而在不降低提拉速度V的情况下拉出单晶，进而可以在提高单晶生产效率的同时提高单晶品质。

另外，根据本实用新型上述实施例的单晶炉还可以具有如下附加的技术特征：

优选的，所述加热丝在所述晶棒上的投影不低于所述晶棒外周向周长的1/2。由此，可以在提高晶棒生产效率的同时提高晶棒品质。

优选的，所述多层加热丝在所述单晶炉底面上的投影重合。

优选的，在所述晶棒的高度方向上，所述加热丝的直径自上而下逐渐增加。

优选的，在所述晶棒的高度方向上，所述加热丝的直径自上而下逐渐减小。

优选的，所述多层加热丝在所述单晶炉底面投影上的圆心重合。

优选的，所述多层加热丝相对于所述晶棒轴线的最远点的距离相等。

优选的，所述加热丝与所述石英坩埚内熔硅液面平行。由此，可以在提高晶棒生产效率的同时提高晶棒品质。

优选的，所述正极脚与每一层所述加热丝的一端相连，所述负极脚与每层所述加热丝的另一端相连。

优选的，所述导流筒上设有贯穿的第一开孔，所述正极脚穿过所述第一开孔与每层所述加热丝一端连接，所述导流筒上设有贯穿的第二开孔，所述负极脚穿过所述第二开孔与每层所述加热丝的另一端连接。

优选的，所述正极脚和所述负极脚上位于所述导流筒上方部分外层包裹石英材料层。由此，可以避免加热丝产生电火花而导致的爆炸危险。

优选的，位于最下层所述加热丝的直径不低于所述导流筒的内径。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型一个实施例的单晶炉的纵截面结构示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的单晶炉上加热丝与晶棒结构示意图；

图3是根据本实用新型再一个实施例的单晶炉上加热丝与晶棒结构示意图；

图4是根据本实用新型又一个实施例的单晶炉上加热丝与晶棒结构示意图；

图5是根据本实用新型又一个实施例的单晶炉上加热丝与晶棒结构示意图；

图6是根据本实用新型又一个实施例的单晶炉上加热丝与晶棒结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种单晶炉。根据本实用新型的实施例，参考图1，该单晶炉包括：单晶炉本体100、石英坩埚200、籽晶300、第一加热器400、第二加热器500、导流筒600和第三加热器700。

根据本实用新型的实施例，单晶炉本体100内限定出容纳空间10，并且需要说明的是，单晶炉本体100结构同于现有技术中常规使用的单晶炉本体。

根据本实用新型的实施例，石英坩埚200设在容纳空间10内用于熔化多晶硅原料且盛放熔硅。具体的，将多晶硅原料在石英坩埚中加热使其完全熔融，得到熔硅，并且在拉晶过程中，该石英坩埚自转。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要对石英坩埚自转转速进行调整，此处不再赘述。

根据本实用新型的实施例，籽晶300可垂直移动地设在石英坩埚200上方且可伸入熔硅中以便直拉长晶得到晶棒31。需要说明的是，在拉晶过程中，本领技术人员可以根据实际需要对籽晶的拉速进行调整，此处不再赘述。

根据本实用新型的实施例，第一加热器400设在单晶炉本体100内且位于石英坩埚200的下方，该第一加热器400用于对石英坩埚200底部进行加热，以使石英坩埚中多晶硅原料熔化并保温。需要说明的是，该第一加热器400可以为现有技术中任何结构的加热设备，只要可以实现加热效果即可，此处不再赘述。

根据本实用新型的实施例，第二加热器500设在单晶炉本体100内且环绕石英坩埚200的侧壁，该第二加热器500用于对石英坩埚200侧壁进行加热，并且与第一加热器400共同对石英坩埚200中多晶硅原料进行加热熔化和保温。需要说明的是，该第二加热器500可以为桶状的加热设备，其环绕石英坩埚200的侧壁布置，并且该第二加热器500为石英坩埚200加热的主要热源来源。

根据本实用新型的实施例，导流筒600设在石英坩埚200上方且环绕晶棒31的一部分，该导流筒600可以避免直拉晶棒的热辐射损失。具体的，该导流筒600自上而下横截面积逐渐减小。

根据本实用新型的实施例，参考图1，第三加热器700包括加热丝71、正极脚72和负极脚73，并且加热丝71围绕晶棒31周向的一部分且位于石英坩埚200和导流筒600之间，正极脚72穿过导流筒600与加热丝71的一端连接，负极脚73穿过导流筒600与加热丝71的另一端连接，正极脚72负极脚73在接通电源下，加热丝71发热提供热量。发明人发现，通过在石英坩埚和导流筒之间设置带有加热丝的第三加热器，加热丝围绕晶棒外周的一部分设置，在拉晶过程中，随着籽晶的拉伸和旋转，加热丝可以补偿晶棒外周部分的热损失，降低外周温梯，达到中心温梯≈外周温梯，即本申请可以通过控制晶棒提拉方向上温度梯度G的波动来控制V/G恒定，从而在不降低提拉速度V的情况下拉出单晶，进而可以在提高单晶生产效率的同时提高单晶品质。

进一步的，为了提高晶棒31品质，加热丝71在晶棒31上的投影不低于晶棒31外周向周长的1/2，即加热丝71至少围绕晶棒外周向的一半设置，优选加热丝71在晶棒31上的投影为晶棒31外周向周长的1/2。

进一步的，参考图1，第三加热器700可以包括多层加热丝71，并且多层加热丝71沿晶棒31高度方向间隔布置，根据本实用新型的一个具体实施例，参考图2，多层加热丝71在单晶炉底面上的投影重合，即多层加热丝71直径相同且其每层加热丝71的圆心均在晶棒31的轴线上。根据本实用新型的再一个实施例，在晶棒31的高度方向上，加热丝71的直径自上而下逐渐增加，例如参考图3，多层加热丝71在单晶炉底面投影上的圆心重合，即在晶棒31高度自上而下的方向上，加热丝71上相对于晶棒31轴线的最远点的距离逐渐增加，并且每一层加热丝71的圆心位于晶棒31的轴线上，或例如参考图4，多层加热丝71上相对于晶棒31轴线的最远点的距离相等，即在晶棒31高度自上而下的方向上，加热丝71上相对于晶棒31轴线的最远点的距离逐渐增加，并且多层加热丝71上距离晶棒31轴线的最远点在一条竖直线上。根据本实用新型的又一个具体实施例，在晶棒31的高度方向上，加热丝71的直径自上而下逐渐减小，例如，参考图5，多层加热丝71在单晶炉底面投影上的圆心重合，即在晶棒31高度自上而下的方向上，加热丝71上相对于晶棒31轴线的最远点的距离逐渐减小，并且每一层加热丝71的圆心位于晶棒31的轴线上，或例如参考图6，多层加热丝71上相对于晶棒31轴线的最远点的距离相等，即在晶棒31高度自上而下的方向上，加热丝71上相对于晶棒31轴线的最远点的距离逐渐减小，并且多层加热丝71上距离晶棒31轴线的最远点在一条竖直线上。由此，可以快速补偿拉晶过程中拉出熔硅液面的部分晶棒外周部分热损失，保证得到的单晶具有较高品质。

进一步的，加热丝71与石英坩埚200内熔硅液面平行。并且最下层加热丝71半径不低于导流筒600的内径。由此，可以避免晶棒可能的晃动而接触到加热丝而影响长晶。

进一步的，正极脚72与每一层加热丝71的一端相连，负极脚73与每层加热丝71的另一端相连，并且导流筒600上设有贯穿的第一开孔61，正极脚72穿过第一开孔61与每层加热丝71的一端连接，同时导流筒600上还设有贯穿的第二开孔62，负极脚73穿过第二开孔62与每一层加热丝71的另一端连接，并且本申请对第一开孔61和第二开孔的62的位置并没有特殊要求。同时为了避免加热丝71在通电加热过程中产生电火花而引起爆炸，优选在正极脚和负极脚上位于导流筒上方部分外层包裹石英材料层，并且本领域技术人员可以根据实际需要对石英材料层的厚度进行优选选择，只要能够满足本申请的拉晶过程对单晶外周面热补偿和避免电火花爆炸问题即可。

根据本实用新型实施例的单晶炉，相较于现有CZ法拉晶过程中晶棒的中心温梯较小，而晶棒的外周部分热损失严重使得晶棒的外周温梯增大，导致中心温梯小于外周温梯，从而导致晶棒提拉方向上温度梯度不恒定，而本申请的单晶炉通过在石英坩埚和导流筒之间设置带有加热丝的第三加热器，加热丝围绕晶棒外周的一部分设置，在拉晶过程中，随着籽晶的拉伸和旋转，加热丝可以补偿晶棒外周部分的热损失，降低外周温梯，达到中心温梯≈外周温梯。由此，本申请的单晶炉在采用CZ法生长单晶时，可以通过控制晶棒提拉方向上温度梯度G的波动来控制V/G恒定，从而在不降低提拉速度V的情况下拉出单晶，进而可以在提高单晶生产效率的同时提高单晶品质。

需要说明的是，单晶炉的其他未描述结构为本领域单晶炉的常规结构，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，此处不再赘述。

在本说明书的描述中，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”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、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说明书中描述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。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种单晶炉，其特征在于，包括：

单晶炉本体，所述单晶炉本体内限定出容纳空间；

2.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述加热丝在所述晶棒上的投影不低于所述晶棒外周向周长的1/2。

3.根据权利要求1或2所述的单晶炉，其特征在于，所述第三加热器包括多层所述加热丝，多层所述加热丝沿所述晶棒的高度方向间隔设置。

4.根据权利要求3所述的单晶炉，其特征在于，所述多层加热丝在所述单晶炉底面上的投影重合。

5.根据权利要求3所述的单晶炉，其特征在于，在所述晶棒的高度方向上，所述加热丝的直径自上而下逐渐增加或逐渐减小。

6.根据权利要求5所述的单晶炉，其特征在于，所述多层加热丝在所述单晶炉底面投影上的圆心重合。

7.根据权利要求3所述的单晶炉，其特征在于，所述正极脚与每一层所述加热丝的一端相连，所述负极脚与每层所述加热丝的另一端相连。

8.根据权利要求7所述的单晶炉，其特征在于，所述导流筒上设有贯穿的第一开孔，所述正极脚穿过所述第一开孔与每层所述加热丝一端连接，

所述导流筒上设有贯穿的第二开孔，所述负极脚穿过所述第二开孔与每层所述加热丝的另一端连接。

9.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述正极脚和所述负极脚上位于所述导流筒上方部分外层包裹石英材料层。

10.根据权利要求3所述的单晶炉，其特征在于，位于最下层所述加热丝的直径不低于所述导流筒的内径。