CN220788870U - 一种拉晶炉及单晶硅棒 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种拉晶炉及单晶硅棒。所述拉晶炉包括：炉体，提拉机构以及磁吸组件；其中，所述炉体用于限定出用于拉制单晶硅棒的炉室；其中，所述炉室包括用来引导提拉所述单晶硅棒的上炉室；所述提拉机构用于通过所述炉体的顶部开设的提拉口引伸出籽晶缆来提拉所述单晶硅棒；所述磁吸装置设置在所述上炉室内，所述磁吸装置用于在所述提拉机构与所述炉体发生摩擦并产生金属碎屑时来吸附从所述提拉口掉落至所述炉室内的所述金属碎屑。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种拉晶炉及单晶硅棒。
背景技术
单晶硅棒大部分采用切克劳斯基(Czochralski，以下简称“CZ”)法，又或被称之为直拉法来进行制造的。该CZ法是运用熔体的冷凝结晶驱动原理，在固体和液体的交界面处，由于熔体温度下降导致产生了由液体转换成固体的相变化。在该CZ法拉制单晶硅棒的过程中，通过将固态的多晶硅原料放置在石英坩埚内并通过石墨加热器加热使得盛放于石英坩埚中的多晶硅原料熔化，之后经过试温、引晶、放肩、转肩，等径和收尾等工序，最终拉制得到了无位错的单晶硅棒。
该CZ法在拉制单晶硅棒时通常采用的是自下而上的提拉方式。在整个单晶硅棒的提拉过程中，由于温度分布等因素影响，通常会利用边提拉边旋转的方式来提拉单晶硅棒，以使单晶硅棒的各个部分的温度场保持一致，从而来提高单晶硅棒的品质。
目前，单晶硅棒的提拉及旋转动作均通过拉晶炉中的提拉机构带动籽晶缆来完成。在拉晶过程中由于单晶硅棒的旋转会造成提拉机构与炉体之间的接触部分产生摩擦。由于长时间的摩擦使得提拉机构与炉体之间的接触部分产生了金属碎屑。在单晶硅棒的拉制过程中，若上述产生的金属碎屑掉落至石英坩埚的硅熔体中，会影响单晶硅棒中的金属杂质含量，进而影响单晶硅棒的品质，严重时甚至会造成单晶硅棒的报废，降低生产效率的同时也对生产成本造成了严重的浪费。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型实施例期望提供一种拉晶炉及单晶硅棒，能够自动处理掉落至拉晶炉内的金属碎屑，提高单晶硅棒的品质，降低了生产成本。
本实用新型的技术方案是这样实现的：
第一方面，本实用新型的实施例提供了一种拉晶炉，所述拉晶炉包括：炉体，提拉机构以及磁吸组件；其中，
所述炉体用于限定出用于拉制单晶硅棒的炉室；其中，所述炉室包括用来引导提拉所述单晶硅棒的上炉室；
所述提拉机构用于通过所述炉体的顶部开设的提拉口引伸出籽晶缆来提拉所述单晶硅棒；
所述磁吸装置设置在所述上炉室内，所述磁吸装置用于在所述提拉机构与所述炉体发生摩擦并产生金属碎屑时来吸附从所述提拉口掉落至所述炉室内的所述金属碎屑。
可选地，在一些示例中，所述磁吸装置固定地设置在所述上炉室的内侧壁上。
可选地，在一些示例中，所述磁吸装置包括用于接纳所述金属碎屑的容纳部。
可选地，在一些示例中，其特征在于，所述磁吸装置在拉晶方向上的长度为10cm～50cm。
可选地，在一些示例中，所述容纳部的底部与所述炉体的顶部在拉晶方向上的距离为30cm～100cm。
可选地，在一些示例中，所述磁吸装置在所述上炉室的径向方向上的宽度小于所述上炉室的半径与所述单晶硅棒的半径之间的差值。
可选地，在一些示例中，所述拉晶炉还包括磁场发射装置，所述磁场发射装置设置在所述上炉室的外周以提高所述磁吸装置的吸附力。
可选地，在一些示例中，所述拉晶炉还包括控制装置，所述控制装置与所述磁场发射装置连接，用于控制所述磁场发射装置的开启和关闭。
可选地，在一些示例中，所述拉晶炉还包括清理装置，所述清理装置用于清理所述磁吸装置表面吸附的所述金属碎屑。
第二方面，本实用新型的实施例提供了一种单晶硅棒，所述单晶硅棒通过第一方面所述的拉晶炉拉制得到。
本实用新型实施例提供了一种拉晶炉及单晶硅棒。在上述提拉机构提拉上述单晶硅棒的过程中，当该提拉机构与上述炉体的顶部开设的提拉口的接触部分发生摩擦而产生金属碎屑时，通过在上炉室内设置磁吸装置，使得在上述金属碎屑经由上述的提拉口进入上炉室内时该磁吸装置能够及时吸附上述的金属碎屑，避免了上述的金属碎屑掉落至硅熔体中，降低了对单晶硅棒品质的影响，减少了生产损失。
附图说明
图1为相关技术中的拉晶炉的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种拉晶炉的结构示意图；
图3(a)为本实用新型一实施例提供的磁吸装置的容纳部的结构示意图；
图3(b)为本实用新型另一实施例提供的磁吸装置的容纳部的结构示意图；
图4为本实用新型实施例提供的另一种拉晶炉的结构示意图；
图5为本实用新型实施例提供的清理装置示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参见图1，其示出了相关技术中的拉晶炉1的结构示意图。由如图1所示，该拉晶炉1包括：炉体10，石英坩埚20，石墨加热器30，导流筒40，支撑架50以及水冷套60。
上述的炉体10用于限定出用于拉制单晶硅棒S的炉室101。该炉室101包括上炉室1011(图1中虚线以上所示的腔室)和下炉室1012(图1中虚线以下所示的腔室)，并且上炉室1011和下炉室1012连通设置。
在一些示例中，上述的拉晶炉1通常分为冷场与热场。上炉室1011为冷场，其温度约为100℃。下炉室1012为热场，温度能够达到1000℃以上。通常石英坩埚20，石墨加热器30，导流筒40，支撑架50以及水冷套60均设置在下炉室1012中。
上述的石英坩埚20设置于下炉室102的底部，用于在拉制单晶硅棒S的初始阶段容纳固态的多晶硅原料(或可称之为“多晶硅熔料”)。
上述的石墨加热器30分布于上述石英坩埚20的四周。
在具体拉制单晶硅棒S的过程中，当设定质量的多晶硅原料盛装于上述石英坩埚20后，通过石墨加热器30对该石英坩埚20内的多晶硅原料进行加热以使多晶硅原料熔化以形成硅熔体。
上述的导流筒40呈倒锥筒状。
一方面，该导流筒40用于在单晶硅棒S的拉制过程中隔绝石墨加热器30对单晶硅棒S产生热辐射，以保证单晶硅棒S生长时所需要的温度梯度，进而保证单晶硅棒S的成晶率。另一方面，该导流筒40用于将例如氩气的惰性保护气体从上至下引流至上述石英坩埚20中的硅熔体的上方，以加速硅熔体的液面表面的气体流速，以加快带走挥发杂质。
上述的支撑架50用于支撑导流筒40。
上述的水冷套60呈圆筒状，用于对拉制得到的单晶硅棒S进行冷却。
该水冷套60的径向尺寸小于导流筒40的顶部的径向尺寸，以使在竖向方向上该水冷套60以交叠的方式设置在导流筒40的上方。
在一些示例中，上述拉晶炉1的结构中还包括：籽晶缆70以及与籽晶缆70相连接的提拉机构80。
具体来说，在单晶硅棒S的拉制过程中，当石英坩埚20中装入设定质量的多晶硅原料后，通过石墨加热器30加热石英坩埚20以使石英坩埚20中的多晶硅原料熔化形成硅熔体且当硅熔体的液面温度稳定后，通过籽晶缆70下降籽晶至硅熔体的固液界面处并开始引晶、缩颈、放肩、等径生长以及收尾等工序，最终拉制得到设定长度的单晶硅棒S。
在拉晶的过程中，上述的提拉机构80主要是用于实现籽晶以及单晶硅棒的旋转以及提拉。可以理解地，在下降籽晶以及提拉、旋转单晶硅棒S的过程中，该提拉机构80与炉体10顶部相接触并发生摩擦。该提拉机构80与炉体10之间结构关系如图1中的虚线矩形框放大图所示。由图1可以看出，在炉体10的顶部通常开设有提拉口101。上述的提拉机构80通过该提拉口引伸出一籽晶缆70，并通过该籽晶缆70下降籽晶至炉室101内或者通过该籽晶缆70提拉单晶硅棒S。
需要说明的是，在拉晶过程中提拉机构80与与炉体10顶部是相接触的。图1中的虚线矩形框放大图仅是为了清楚地示出提拉机构80通过该提拉口101引伸出用于下降籽晶和提拉单晶硅棒的籽晶缆70。
当然，在一些示例中，上述的提拉机构80也可以记录籽晶以及单晶硅棒的位移等数据。
除此之外，图1所示的拉晶炉1中还可以包括其他未示出的结构，比如，坩埚升降装置等，本实用新型实施例在此不作具体的阐述。
但是，对于图1所示的拉晶炉1，在拉晶过程中由于提拉机构80的旋转，使得提拉机构80与炉体10上的提拉口位置处的接触部分(也就是位置A处)会由于长时间的摩擦而产生金属碎屑。目前，工艺人员会定期的清理上述的金属碎屑，又或者，工艺人员会通过减缓提拉机构80与炉体10之间的摩擦来降低金属碎屑的产生。但是这种通过减缓摩擦来减少金属碎屑的效果并不明显，在拉晶过程中仍然存在部分的金属碎屑经由提拉口101经炉室101掉落至石英坩埚20中的硅熔体中。
若上述金属碎屑掉落至硅熔体内，由于肉眼无法直接发现掉落至硅熔体中的金属碎屑，并且当上述的金属碎屑掉落至硅熔体后由于该金属碎屑的自身形式的限制，工艺人员很难对硅熔体中的金属碎屑进行处理。上述情况造成硅熔体中的金属碎屑会影响单晶硅棒内的金属含量，进而影响了单晶硅棒的品质，严重时会造成单晶硅棒的报废，对生产带来严重的损失。
基于上述阐述，本实用新型实施例期望提供一种能够避免上述的金属碎屑直接掉落至硅熔体的技术方案，以确保上述的金属碎屑在掉落至硅熔体前就能够被收集及清理，避免对单晶硅棒的品质造成影响。
具体地，参见图2，其示出了本实用新型实施例提供的一种拉晶炉2，该拉晶炉包括：炉体10，提拉机构80以及磁吸组件201。
上述的炉体10用于限定出用于拉制单晶硅棒S的炉室101。该炉室101炉室包括用来引导提拉所述单晶硅棒的上炉室1011。
上述的提拉机构80用于通过上述炉体10的顶部开设的提拉口101引伸出籽晶缆70来提拉单晶硅棒S。
上述的磁吸装置201设置在上述上炉室1011内。
该磁吸装置201用于吸附上述提拉机构80与所述提拉口101的接触部分发生摩擦所产生的金属碎屑。
在一些示例中，上述的磁吸装置201为磁铁。该磁铁能够吸附上述的金属碎屑。
此外，在一些示例中，该磁吸装置201的材料为四氧化三铁(Fe3O4)。
可以理解地，四氧化三铁(Fe3O4)材料的熔点约为1594℃。在具体实施过程中在上炉室101内设置磁吸装置201时，该磁吸装置201不会因处于高温环境下而产生其他的杂质来影响单晶硅棒S内的杂质含量。
对于图2所示的技术方案，当产生金属碎屑时，该碎屑首先会通过拉晶口101进入拉晶炉2的内部，进而经过上炉室1011后经由下炉室1012掉落至石英坩埚20内的硅熔体中。为了防止上述的金属碎屑掉落至硅熔体内，在上述的碎屑经过上炉室1011时本实用新型的实施例会及时对上述的金属碎屑进行处理，以避免对单晶硅棒的品质产生影响。
对于图2所示的拉晶炉2，在上述提拉机构80提拉上述单晶硅棒S的过程中当该提拉机构80与上述炉体10的顶部开设的提拉口101的接触部分发生摩擦而产生金属碎屑时，通过在上炉室1011内设置磁吸装置201，使得在上述金属碎屑经由上述的提拉口101进入上炉室1011内时该磁吸装置201能够及时吸附上述的金属碎屑，避免了上述的金属碎屑掉至硅熔体中，降低了对单晶硅棒品质的影响，减少了生产损失。
对于图2所示的技术方案，在一些可能的实施方式中，上述的磁吸装置201被固定地设置在所述上炉室的内侧壁上。
在一些示例中，上述的磁吸装置201能够通过螺纹连接的方式被固定地设置在上炉室1011的内侧壁上。
在具体实施过程中，该磁吸装置201与上炉室1011之间的连接方式包括但不限于螺纹连接。
可以理解的是，上述的磁吸装置201被固定地设置在上炉室1011的内侧壁上，能够避免该磁吸装置201由于连接不牢固而造成该磁吸装置2011掉落至硅熔体中的情况发生。
对于图2所示的技术方案，在一些可能的实施方式中，如图3所示，上述的磁吸装置201包括用于接纳上述金属碎屑的容纳部2011。
具体地，当上述的金属碎屑从炉体10的缝隙进入拉晶炉2的内部时，该磁吸装置201不仅能够吸附上述的金属碎屑，而且使得进入至炉室101的金属碎屑能够直接掉落至该磁吸装置201的容纳部2012中，进一步地避免了进入拉晶炉2内部的金属碎屑掉入硅熔体中对单晶硅棒S的品质产生影响。
需要说明的是，在一些示例中，上述拉晶炉2可以包括在上炉室1011的周向方向上均匀分布的多个磁吸装置201。可选地，在另一些示例中，该拉晶炉2可以包括大致呈筒状的磁吸装置201，该磁吸装置201同心地设置在上炉室1011内壁上，换言之，该磁吸装置201在上炉室1011的周向方向上连续延伸设置。当然，上述磁吸装置201在拉晶方向上的截面形状并不局限于图3(a)所示的“L”状。在一些示例中，该磁吸装置201在拉晶方向上的截面形状可以为如图3(b)所示。
对于图2所示的技术方案，在一些可能的实施方式中，上述磁吸装置201在拉晶方向(图2中的虚线箭头所示)上的长度L为10cm～30cm，并且上述容纳部2011的底部与上述炉体10的顶部在拉晶方向上的距离为30cm～100cm。
如图3(a)和图3(b)所示，在本实用新型实施例中上述磁吸装置201的长度L为10cm～30cm指的是从在拉晶方向上该磁吸装置201的最高点至最低点的距离。在本实用新型的实施例中根据磁吸装置201的长度L的设置可以调整磁吸装置201在上炉室的安装位置，以更好地吸附上述的金属碎屑。
在具体的实施过程中上述容纳部2011的底部与上述炉体10的顶部之间在拉晶方向上的距离为30cm～100cm，以使磁吸装置201能够在金属碎屑进入拉晶炉2内时及时且有效地吸附上述的金属碎屑。
对于图2所示的技术方案，在一些可能的实施方式中，上述磁吸装置201在上述上炉室1011的径向方向上的宽度小于上述上炉室1011的半径与上述单晶硅棒S的半径之间的差值。
在具体实施过程中，该磁吸装置201在上述上炉室1011的径向方向上的宽度D控制在小于上述上炉室1011的半径与上述单晶硅棒S的半径之间的差值的范围内，能够避免当单晶硅棒S被提拉至上炉室1011时，磁吸装置201与单晶硅棒S发生干涉，以影响单晶硅棒的提拉过程。
对于图2所示的技术方案，在一些可能的实施方式中，如图4所示，上述拉晶炉2中还包括磁场发射装置202，该磁场发射装置202设置在上炉室1011的外周以提高上述磁吸装置201的吸附力。
上述的水平磁场(图4中的虚线箭头所示)指的是该磁场的方向为水平方向，也就是说该磁场的磁感线与水平方向平行。
需要说明的是，本实用新型实施例中的水平方向指的是与拉晶方向垂直的方向。
在一些示例中，在上炉室1011的外周可以设置一对激励线圈以产生水平磁场，其中图中的点划线代表水平磁场的水平面。
在本实用新型的实施例中通过设置磁场发射装置202，用于提高磁吸装置201的吸附力，以辅助磁吸装置201吸附进入拉晶炉2内的金属碎屑。
可以理解的是，在水平方向磁场的作用下，进入拉晶炉2内的金属碎屑能够被吸引至磁场附近，进而被磁吸装置201吸附。
需要说明的是，上述的磁场发射装置202设置在上炉室1011内，与石英坩埚20中的硅熔体之间的距离较远，因此在具体实施过程中上述的水平磁场不会影响到硅熔体固溶界面的熔体对流，也就不会对硅熔体的固溶界面处的温度梯度产生影响。
可以理解地，在本实用新型的实施例中，在处理由于提拉机构80与拉晶口101的接触部分由于长时间摩擦而产生的金属碎屑时，不需要工艺人员的观察与参与，即能够利用磁吸装置201与磁场发射装置202的相互配合自动完成金属碎屑的处理，操作简单且可靠。
对于图2所示的技术方案，在一些可能的实施方式中，如图4所示，上述的拉晶炉2还包括控制装置203，上述控制装置203与上述的磁场发射装置202连接，用于控制上述磁场发射装置203的开启和关闭。
在本实用新型的实施例中，当开始拉晶或者当磁吸装置201的吸附力不足时，磁场发射装置203被开启以提升磁吸装置201的吸附力。而当单晶硅棒S拉制完成后，在具体实施过程中该磁场发生装置203被关闭。根据实际的拉晶情况开启或关闭上述磁场发射装置203，节约了生产成本。
对于图2所示的技术方案，在一些可能的实施方式中，如图5所示，上述的拉晶炉2还包括清理装置204，所述清理装置204用于清理上述磁吸装置201表面吸附的金属碎屑。
在一些示例中，上述的清理装置204为磁铁，且清理装置204的磁性大于磁吸装置201的磁性。通常来说，磁铁的磁性与磁铁中包含的四氧化三铁(Fe3O4)的含量有关。当磁铁中包含的四氧化三铁(Fe3O4)的含量较多时，该磁铁的磁性较大。当磁铁中包含的四氧化三铁(Fe3O4)的含量较少时，该磁铁的磁性较小。
当单晶硅棒S拉制结束后，通过将清理装置204设置在籽晶缆70的下端，并通过提拉机构80将该清理装置204下降至磁吸装置201的安装位置处，以吸附磁吸装置201表面的金属碎屑。清理结束后，该磁吸装置201即能够继续吸附掉落至拉晶炉2内的金属碎屑。通过本实用新型实施例提供的技术方案不仅保证了磁吸装置201的吸附力，也提升了单晶硅棒的品质。
最后，本实用新型实施例提供了一种单晶硅棒，该单晶硅棒通过前述技术方案所述的拉晶炉2拉制得到。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉包括：炉体，提拉机构以及磁吸装置；其中，
所述炉体用于限定出用于拉制单晶硅棒的炉室；其中，所述炉室包括用来引导提拉所述单晶硅棒的上炉室；
所述提拉机构用于通过所述炉体的顶部开设的提拉口引伸出籽晶缆来提拉所述单晶硅棒；
所述磁吸装置设置在所述上炉室内，所述磁吸装置用于在所述提拉机构与所述炉体发生摩擦并产生金属碎屑时来吸附从所述提拉口掉落至所述炉室内的所述金属碎屑。
2.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述磁吸装置固定地设置在所述上炉室的内侧壁上。
3.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述磁吸装置包括用于接纳所述金属碎屑的容纳部。
4.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述磁吸装置在拉晶方向上的长度为10cm～50cm。
5.根据权利要求3所述的拉晶炉，其特征在于，所述容纳部的底部与所述炉体的顶部在拉晶方向上的距离为30cm～100cm。
6.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述磁吸装置在所述上炉室的径向方向上的宽度小于所述上炉室的半径与所述单晶硅棒的半径之间的差值。
7.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉还包括磁场发射装置，所述磁场发射装置设置在所述上炉室的外周以提高所述磁吸装置的吸附力。
8.根据权利要求7所述的拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉还包括控制装置，所述控制装置与所述磁场发射装置连接，用于控制所述磁场发射装置的开启和关闭。
9.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉还包括清理装置，所述清理装置用于清理所述磁吸装置表面吸附的所述金属碎屑。
10.一种单晶硅棒，其特征在于，所述单晶硅棒通过权利要求1至9任一项所述的拉晶炉拉制得到。
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