CN211734524U - 一种半导体硅材料耗材生长炉 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种半导体硅材料耗材生长炉。生长炉包括炉体、位于炉体内的隔热屏、加热装置、坩埚。坩埚被可升降的坩埚轴支撑，通过下降坩埚及坩埚轴，通过坩埚轴和下隔热屏的位置配合，造成坩埚底部中心过冷的方式，避免提升加热器或隔热屏的方式，使坩埚上方的热场件产生运动，造成附着的沉积物散落进坩埚，提高了晶体纯度。坩埚底部中心过冷的方式配合多段加热器营造的热场环境，不仅可以维持固液生长界面相对加热器的高度位置不变，保证生长界面处热环境的稳定，还可以形成由固体凸向液体的生长界面，便于结晶过程中排杂，提高晶体纯度。
Description
技术领域
本实用新型属于硅晶体材料生长炉技术领域。
背景技术
硅材料由于具有单方向导电性、热敏特性、光电特性以及掺杂特性等优良性能，可以生长为大尺寸高纯度晶体，故而成为全球应用广泛的重要集成电路基础材料。
半导体硅材料按照应用场景划分，可以分为芯片用单晶硅材料和蚀刻用硅材料。其中芯片用单晶硅材料是制造半导体器件的基础原材料，芯片用单晶硅材料经过一系列晶圆制造工艺形成极微小的电路结构，再经切割、封装、测试等环节成为芯片，并广泛应用于集成电路下游市场。蚀刻用硅材料则是加工制成半导体级硅部件，用于蚀刻设备上的硅电极，由于硅电极在硅片氧化膜刻蚀等加工工艺过程会逐渐腐蚀并变薄，当硅电极厚度减少到一定程度后，需要更换新的硅电极，因此硅电极是晶圆制造蚀刻环节所需的核心耗材。硅材料耗材中的杂质不仅会降低材料的使用寿命，更严重的是会污染正在加工的晶片，考虑到半导体材料的高纯净度要求，硅材料耗材需求极低的金属杂质及碳氧杂质含量，因此对制备硅材料耗材的生长炉在杂质控制方面提出的更高的要求。
现有技术方案中，一般是是设计发热均匀的加热体及隔热屏来提供热环境，由上隔热屏进入气管，从坩埚上方吹入惰性气体，加热体和隔热屏可以向上提升，侧屏固定位置开有测温孔，用以控温方式降温。但是该方案也存在若干缺点，包括：1、提升加热器或隔热屏会使坩埚上方的热场件产生运动，附着在上的沉积物会散落进坩埚内，造成污染，导致成品杂质含量高；2、由坩埚上方吹入惰性气体时，气管内沉积的挥发物会掉落进坩埚内，造成污染；3、生长过程无法控制排杂，产品杂质含量较高。
故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
实用新型内容
发明目的：本实用新型提供一种半导体硅材料耗材生长炉，解决了该材料制备过程中杂质污染问题，提高了材料的纯度，以满足半导体领域对材料超高纯度的要求。
技术方案：为达到上述目的，本实用新型可采用如下技术方案：
一种半导体硅材料耗材生长炉，包括炉体、位于炉体内的隔热屏、加热装置、坩埚，所述隔热屏内部为隔热腔，所述坩埚及围绕坩埚的加热装置均位于隔热腔内，所述加热装置与隔热屏相互固定，坩埚的下方设有坩埚轴，该坩埚轴自坩埚下方延伸并穿过隔热屏的底壁；所述隔热屏的底壁设有供坩埚轴穿过的轴孔，该轴孔的横截面自上而下逐渐变大；而所述坩埚轴具有与该轴孔配合的轴塞部，该轴塞部的横截面与轴孔对应同样为自上而下逐渐变大；当所述轴塞部上升至最高位置时与轴孔配合而形成封闭状态；
还包括位于坩埚上方的气罩，该气罩面对坩埚的下方设有吹气孔；气罩的一端连接进气管，另一端连接出气管，所述进气管自气罩向下弯折延伸，出气管自气罩同样向下延伸；所述隔热屏的底壁固定有贯穿底壁的两个直管；其中一个直管与进气管的下端配合，进气管的下端相对该直管伸缩；另一个直管与出气管的下端配合，出气管的下端同样相对该直管伸缩。
进一步的，所述轴孔为圆锥形孔，轴塞为与该圆锥形孔配合的圆锥形轴塞，该圆锥形轴塞围绕坩埚设置且与坩埚轴同轴。
进一步的，所述加热装置包括上加热器、中加热器、下加热器；所述上加热器位于坩埚上方，中加热器及下加热器围绕坩埚设施，中加热器位于下加热器上方。
进一步的，所述上加热器与上电极连接并通过上电极与隔热屏顶盖固定，上电极穿过隔热屏以及炉体；中加热器与中电极连接并通过中电极与隔热屏顶盖固定，中电极穿过隔热屏以及炉体；下加热器与下电极连接并通过下电极与隔热屏顶盖固定，下电极穿过隔热屏以及炉体。
进一步的，所述气罩与坩埚上方固定。
进一步的，所述坩埚包括圆形石墨坩埚以及位于石墨坩埚中的圆形石英坩埚，石墨坩埚由下方坩埚轴支撑。
有益效果：相对于现有技术，本实用新型技术方案的优点为：
以下降坩埚及坩埚轴，通过坩埚轴和下隔热屏的位置配合，造成坩埚底部中心过冷的方式，避免提升加热器或隔热屏的方式，使坩埚上方的热场件产生运动，造成附着的沉积物散落进坩埚，提高了晶体纯度。坩埚底部中心过冷的方式配合多段加热器营造的热场环境，不仅可以维持固液生长界面相对加热器的高度位置不变，保证生长界面处热环境的稳定，还可以形成由固体凸向液体的生长界面，便于结晶过程中排杂，提高晶体纯度。坩埚上方通过气罩吹气，而进气管的气体为自下而上吹入气罩，使进气管内残留的挥发物不会直接掉落进熔体。
附图说明
图1是本实用新型中半导体硅材料耗材生长炉的剖面示意图。
图2本实用新型中半导体硅材料耗材生长炉另一个角度的剖面示意图。
具体实施方式
请结合图1及图2所示，本实施例公开一种半导体硅材料耗材生长炉，包括炉体17、位于炉体17内的隔热屏、加热装置、坩埚，所述隔热屏内部为隔热腔，所述坩埚及围绕坩埚的加热装置均位于隔热腔内。所述坩埚包括圆形石墨坩埚8以及位于石墨坩埚8中的圆形石英坩埚9，石墨坩埚8由下方坩埚轴7支撑。所述加热装置与隔热屏相互固定。炉体17上下分别具有炉体上壁18、炉体底壁19，上述炉体17、炉体上壁18、炉体底壁19都设置有冷却水槽，炉体17开有两个中电极孔和两个下电极孔，炉体上壁18开有两个上电极孔，炉体底壁19开有一个坩埚轴孔，两个气管孔。上述炉体底壁19上放置有溢流盘20，溢流盘20开有一个坩埚轴孔，两个气管孔，所述溢流盘20中装有两根直径50-60mm的支撑柱13，支撑柱13上放置下隔热屏3，下隔热屏3厚度100-200mm，开有两个气管孔。隔热屏包括侧隔热屏1、上隔热屏2、下隔热屏3。上述下隔热屏3上放置侧隔热屏1，侧隔热屏1上开有两个中电极孔和两个下电极孔，侧隔热屏1厚度100-200mm。上述侧隔热屏1上放置上隔热屏2，上隔热屏2上开有两个上电极孔，上隔热屏2厚度100-200mm。上述下隔热屏3、隔热屏1、隔热屏2构成整体隔热屏系统，在所述隔热屏系统内，加热装置包括上加热器4、中加热器5、下加热器6。所述上加热器4位于坩埚上方，中加热器5及下加热器6围绕坩埚设施，中加热器5位于下加热器6上方。上述上加热器4与上隔热屏2的距离50-70mm，由两个上电极14固定，上电极14穿过上隔热屏2、上法兰18的上电极孔，与炉体外电源相连。上述中加热器5与侧隔热屏1的距离80-100mm，由两个中电极16固定，所述中加热器5上开有两个宽槽，方便弯气管11运动不发生干涉，电极16穿过侧隔热屏1、炉体17的中电极孔，与炉体外电源相连。上述下加热器6与侧隔热屏1的距离80-100mm，由两个下电极15固定，下电极15穿过侧隔热屏1、炉体17的下电极孔，与炉体外电源相连。上述中加热器5与下加热器6之间的距离30-50mm。
坩埚的下方设有坩埚轴7，该坩埚轴7自坩埚下方延伸并穿过隔热屏的底壁，即下隔热屏3。所述隔热屏的底壁设有供坩埚轴穿过的轴孔，该轴孔的横截面自上而下逐渐变大；而所述坩埚轴7具有与该轴孔配合的轴塞部71，该轴塞部71的横截面与轴孔对应同样为自上而下逐渐变大；当所述轴塞部71上升至最高位置时与轴孔配合而形成封闭状态。在本实施方式中，所述轴孔为圆锥形孔，锥角90-120°。轴塞71为与该圆锥形孔配合的圆锥形轴塞，该圆锥形轴塞围绕坩埚设置且与坩埚轴同轴。
还包括位于坩埚上方的气罩，该气罩面对坩埚的下方设有吹气孔；气罩的一端连接进气管11，另一端连接出气管111，所述进气管11自气罩向下弯折延伸，出气管自气罩同样向下延伸。所述隔热屏的底壁固定有贯穿底壁的两个直管12；其中一个直管12与进气管11的下端配合，进气管11的下端相对该直管12伸缩；另一个直管12与出气管的下端配合，出气管111的下端同样相对该直管12伸缩。在本实施方式中，进气管11及出气管下端与直气管12上端有卡扣连接而可以在直气管12内上下滑动。晶体生长时，一端进气管11通入高纯氩气，出气管抽气，气体在气罩10内流通，吹扫熔体液面，带走挥发物、杂质，提高晶体纯度。进气管11的气体为自下而上吹入气罩，使进气管内残留的挥发物不会直接掉落进熔体。坩埚和坩埚轴7向下运动时，进气管11及出气管111随着石墨坩埚8一起运动，直气管12固定不动。进气管11及出气管111内径40-60mm，管壁厚5-7mm，直气管12内径65-75mm，管壁厚5-7mm。
上述下隔热屏3中心开有，与上述坩埚轴7的圆锥面相配合，在坩埚轴7向下运动时，两个原本贴合的两个锥面逐渐拉开距离，增大相对面积，增加坩埚底部中心漏热，逐渐增大过冷度来提供结晶驱动力，避免提升加热器或隔热屏的方式，使坩埚上方的热场件产生运动，造成附着的沉积物散落进坩埚。随坩埚位置的下降，配合上述多段加热器营造的热场环境，可以维持固液生长界面相对加热器的高度位置不变，保证生长界面处热环境的稳定，可以形成由固体凸向液体的生长界面，便于结晶过程中排杂，提高晶体纯度。
在使用时，生长硅材料晶体时坩埚随坩埚轴向下运动；坩埚上方气罩中吹出气体吹到坩埚内的熔体液面上。在坩埚轴7向下运动时，两个原本贴合的两个锥面逐渐拉开距离，增大相对面积，增加坩埚底部中心漏热，逐渐增大过冷度来提供结晶驱动力，避免提升加热器或隔热屏的方式，使坩埚上方的热场件产生运动，造成附着的沉积物散落进坩埚。随坩埚位置的下降，配合上述多段加热器营造的热场环境，可以维持固液生长界面相对加热器的高度位置不变，保证生长界面处热环境的稳定，可以形成由固体凸向液体的生长界面，便于结晶过程中排杂，提高晶体纯度。
本实用新型具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (6)
1.一种半导体硅材料耗材生长炉，包括炉体、位于炉体内的隔热屏、加热装置、坩埚，所述隔热屏内部为隔热腔，所述坩埚及围绕坩埚的加热装置均位于隔热腔内，其特征在于，所述加热装置与隔热屏相互固定，坩埚的下方设有坩埚轴，该坩埚轴自坩埚下方延伸并穿过隔热屏的底壁；所述隔热屏的底壁设有供坩埚轴穿过的轴孔，该轴孔的横截面自上而下逐渐变大；而所述坩埚轴具有与该轴孔配合的轴塞部，该轴塞部的横截面与轴孔对应同样为自上而下逐渐变大；当所述轴塞部上升至最高位置时与轴孔配合而形成封闭状态；
还包括位于坩埚上方的气罩，该气罩面对坩埚的下方设有吹气孔；气罩的一端连接进气管，另一端连接出气管，所述进气管自气罩向下弯折延伸，出气管自气罩同样向下延伸；所述隔热屏的底壁固定有贯穿底壁的两个直管；其中一个直管与进气管的下端配合，进气管的下端相对该直管伸缩；另一个直管与出气管的下端配合，出气管的下端同样相对该直管伸缩。
2.根据权利要求1所述的半导体硅材料耗材生长炉，其特征在于：所述轴孔为圆锥形孔，轴塞为与该圆锥形孔配合的圆锥形轴塞，该圆锥形轴塞围绕坩埚设置且与坩埚轴同轴。
3.根据权利要求2所述的半导体硅材料耗材生长炉，其特征在于：所述加热装置包括上加热器、中加热器、下加热器；所述上加热器位于坩埚上方，中加热器及下加热器围绕坩埚设施，中加热器位于下加热器上方。
4.根据权利要求3所述的半导体硅材料耗材生长炉，其特征在于：所述上加热器与上电极连接并通过上电极与隔热屏顶盖固定，上电极穿过隔热屏以及炉体；中加热器与中电极连接并通过中电极与隔热屏顶盖固定，中电极穿过隔热屏以及炉体；下加热器与下电极连接并通过下电极与隔热屏顶盖固定，下电极穿过隔热屏以及炉体。
5.根据权利要求1所述的半导体硅材料耗材生长炉，其特征在于：所述气罩与坩埚上方固定。
6.根据权利要求1所述的半导体硅材料耗材生长炉，其特征在于：所述坩埚包括圆形石墨坩埚以及位于石墨坩埚中的圆形石英坩埚，石墨坩埚由下方坩埚轴支撑。
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