TW201812120A - 拉晶爐的拉晶機構 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種拉晶爐的拉晶機構，包括：熱遮罩反射器，位於坩堝上方，圍繞坩堝形成一個中央開口，使由坩堝內熔體提拉生長的晶錠從所述中央開口穿過；籽晶夾，位於坩堝上方，設有固定結構夾持籽晶；提拉部件，與所述籽晶夾連接，控制所述籽晶夾在由坩堝內熔體提拉生長晶錠的提拉方向上提升或下降；其中，所述籽晶夾具有在垂直所述提拉方向上的橫向延伸部分，且所述籽晶夾在垂直於所述提拉方向的平面上的投影覆蓋由坩堝內熔體提拉生長的晶錠在所述平面上的投影。本發明的拉晶機構使晶錠頂端的熱場更加穩定，明顯改善了晶錠前端部分的均勻性和內部缺陷，同時也減少了熱量損耗，節約能源，降低了成本。

Description

拉晶爐的拉晶機構

本發明涉及晶圓製造技術領域，特別是涉及一種拉晶爐的拉晶機構。

在晶圓製造工藝中，單晶半導體材料通常用提拉法(Czochralski，CZ)製作，例如提拉生長單晶矽晶錠。提拉法的過程一般是：在坩堝內熔化諸如多晶矽的多晶半導體原料，然後將籽晶降至熔化的多晶半導體原料再緩慢升高從而在籽晶的基礎上生長出單晶晶錠。生長晶錠時，通過降低拉速和/或熔體溫度形成上部尾錐，從而擴大晶錠直徑直至達到目標直徑。達到目標直徑後，通過控制拉速和熔體溫度形成晶錠的圓柱主體。接近生長工藝後期並在坩堝變空之前，縮減晶錠直徑形成下部尾錐，下部尾錐離開熔體得到半導體材料的最終晶錠。

拉晶爐通常包括爐腔、位於爐腔內的坩堝、坩堝加熱部件、籽晶夾以及提拉機構等，坩堝內承載並熔化多晶半導體原料，籽晶夾固定籽晶，提拉機構控制籽晶夾的升降，從而在籽晶的基礎上拉制出單晶晶錠。

在拉晶爐內晶體固化和冷卻時周圍的溫度環境對晶錠的均勻性和內部缺陷有很大影響。為了提高單晶半導體材料的品質，減少內在缺陷，有的拉晶爐內設置了熱遮罩裝置，熱遮罩定位在坩堝內熔體表面上 方來保存晶錠和熔體材料之間介面處的熱量，防止其從熔體表面散失。這些熱遮罩通常包括反射器，反射器在坩堝上方圍繞坩堝形成一個中央開口，使由熔體提拉生長的晶錠從中穿過。公開號為CN1272146A的專利文獻就公開了一種用於拉晶爐內的熱遮罩，它環繞由單晶爐內裝填半導體熔體原料的坩堝生長出來的單晶毛坯。該熱遮罩包括一種反射器，其所具有環繞正在生長毛坯的中央開口的尺寸和形狀能減少來自坩堝的傳熱。

然而，現有的拉晶爐，即便安裝了熱遮罩裝置，在晶錠前端500mm左右的一節晶體仍然存在較多缺陷且均勻性較差，難以滿足產品品質要求而被浪費。

鑒於以上所述習知技術，本發明的目的在於提供一種改良的拉晶爐的拉晶機構，用於解決習知技術中拉晶爐拉制晶錠的前端時，存在較多缺陷且均勻性較差等問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種拉晶爐的拉晶機構，所述拉晶爐包括爐腔和位於爐腔內的坩堝；所述拉晶機構包括：熱遮罩反射器，位於所述坩堝上方，圍繞所述坩堝形成一個中央開口，使由所述坩堝內熔體提拉生長的晶錠從所述中央開口穿過；籽晶夾，位於所述坩堝上方，設有固定結構夾持籽晶；提拉部件，與所述籽晶夾連接，控制所述籽晶夾在由所述坩堝內熔體提拉生長晶錠的提拉方向上提升或下降；其中，所述籽晶夾具有在垂直所述提拉方向上的橫向延伸部分，且所述籽晶夾在垂直於所述提拉方向的平面上的投影覆蓋由所述坩堝內熔體提拉生長的晶錠在所述平面上的投影。

如上所述，本發明的拉晶爐的拉晶機構，具有以下有益效果：本發明提供的拉晶機構，配置有橫向尺寸較大的籽晶夾，在提拉生長晶錠時，可以使晶體固化和冷卻的熱場更加穩定，從而可提高晶錠的均勻性，減少內部缺陷。

一方面，現有的熱遮罩反射器雖然可以保存晶錠和熔體材料之間介面處的熱量，然而由於提拉生長晶錠需要在提拉方向上留出空間，因此不能對晶錠生長的前端部分保溫，而本發明提出的橫向大尺寸籽晶夾可以起到在晶錠頂部反射熱量的作用，解決了晶錠生長初期的散熱較多的問題；另一方面，拉晶爐工作時爐腔會被抽成真空然後充入高純氬氣使之維持一定壓力範圍，在拉制晶錠時，氬氣氣流對晶體固化和冷卻的熱場有較大影響，本發明提出的橫向大尺寸籽晶夾可以起到分流氬氣流量的作用，這樣使得熔體上方的溫度環境更加穩定。

採用本發明改良的拉晶機構得到的晶錠，由於晶錠頂端的熱場更加穩定，保溫效果更好，因此明顯改善了晶錠前端部分的均勻性和內部缺陷，提高了晶錠前端的晶體品質，避免了晶錠前端難以滿足產品品質需要而造成的浪費，同時也減少了熱量損耗，節約能源，降低了成本。

1‧‧‧爐腔

2‧‧‧坩堝

3‧‧‧熱遮罩反射器

4‧‧‧籽晶夾

5‧‧‧提拉部件

第1a-1c圖顯示採用習知技術之拉晶爐提拉生長晶錠初期的示意圖。

第2圖為本發明一實施例之拉晶爐的拉晶機構示意圖。

第3a-3c圖顯示為採用本發明的拉晶機構提拉生長晶錠初期的示意圖。

以下透過特定的具體實施例，說明本發明的實施方式，本發明所屬技術領域者可經由本說明書所揭露的內容輕易地瞭解本發明的其他優點與功效。本發明還可以透過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。需說明的是，在不衝突的情況下，以下實施例及實施例中的特徵可以相互組合。

需要說明的是，以下實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的元件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各元件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其元件佈局型態也可能更為複雜。

現有的拉晶爐，即便安裝了熱遮罩裝置，在晶錠前端500mm左右的一節晶體仍然存在較多缺陷且均勻性較差，難以滿足產品品質要求而被浪費。發明人深究其原因發現，現有的熱遮罩反射器雖然可以保存晶錠和熔體材料之間介面處的熱量，然而由於提拉生長晶錠需要在提拉方向上留出空間，因此不能對晶錠生長的前端部分保溫。在提拉生長晶錠之初，晶錠頂部散熱較快，且拉晶爐工作時，爐腔會被抽成真空然後充入高純氬氣使之維持一定壓力範圍，在拉制晶錠時，氬氣氣流對晶錠頂部影響較大，使晶體固化和冷卻的溫度環境複雜，因此，即便有熱遮罩裝置的保護，在晶錠前端的一部分晶體仍然由於冷卻環境的不穩定造成內部缺陷多且均勻性較差等問題。

採用現有的拉晶爐提拉生長晶錠的初期環境，如第1a-1c圖所示，其中虛線箭頭表示為氬氣氣流，實線箭頭表示為熱量。在反射器的 遮罩下，熱量僅在熔體表面上向散熱；隨著籽晶向上提拉形成上部尾錐，上部尾錐的表面離開熔體表面散熱加劇，同時上部尾錐的表面受到向下的氬氣氣流影響；上部尾錐繼續向上提拉，開始形成晶錠的圓柱主體時，向下的氬氣氣流在上部尾錐表面分流至晶錠側壁，形成複雜的溫度環境，在這樣的冷卻環境下，晶錠的圓柱主體前端一節難以滿足生產品質。

為解決上述問題，本發明對現有的拉晶爐進行了改良。

請參閱第2圖，本發明實施例提供一種拉晶爐的拉晶機構，所述拉晶爐包括：爐腔1和位於爐腔1內的坩堝2；所述拉晶機構包括：熱遮罩反射器3，位於所述坩堝2上方，且圍繞所述坩堝2形成一個中央開口，使得由所述坩堝2內之熔體提拉生長的晶錠從所述中央開口穿過；籽晶夾4，位於所述坩堝2上方，且設有固定結構夾持籽晶；提拉部件5，與所述籽晶夾4連接，且控制所述籽晶夾4沿著所述坩堝2內之熔體提拉生長晶錠的提拉方向被該提拉部件5提升或下降；其中，所述籽晶夾4具有在垂直所述提拉方向上的橫向延伸部分，且所述籽晶夾4在垂直於所述提拉方向的平面上的投影覆蓋於由所述坩堝2內熔體提拉生長的晶錠在所述平面上的投影。

熱遮罩反射器3可以是單層的或是多層的，可以是平板型的也可以是具有一定弧度的形狀，或其他適合的形狀和結構。熱遮罩反射器3用於保溫、反射熱量，可以採用隔熱材料以減少熱量的散失。

熱遮罩反射器3圍繞所述坩堝2所形成的中央開口通常是圓形的，其直徑略大於所述坩堝2內熔體提拉生長的晶錠的直徑，例如，其直 徑可以是晶錠直徑的1.1倍左右。

作為本實施例的優選方案，所述籽晶夾4在垂直於所述提拉方向的平面上的投影覆蓋於所述熱遮罩反射器3形成的所述中央開口，這樣在籽晶夾4與熱遮罩反射器3的配合下，對晶體周圍溫度環境的穩定效果更佳。

具體地，夾持籽晶的所述固定結構可以設置在所述籽晶夾4的中心。所述籽晶夾4在垂直於所述提拉方向的平面上的投影可以為圓形、方形或其他適合的形狀，本實施例優選為圓形。所述圓形的直徑大於或等於由所述坩堝2內熔體提拉生長的晶錠的直徑。或者，所述圓形的直徑大於或等於所述熱遮罩反射器3形成的中央開口的直徑。

例如，可以採用圓板形狀的籽晶夾，籽晶固定在籽晶夾的中心，籽晶的固定結構、籽晶夾的厚度和其他細節結構可以根據實際需要設計，本發明對此不作限制。

具體地，所述籽晶夾4可以選用耐高溫、具有一定強度的材料，例如，所述籽晶夾4的材料可選自鉬(Mo)、鎳(Ni)、鎢(W)及其合金，或石墨等高熔點、高強度材料，或其他適合的材料。

具體地，所述爐腔1內填充有保護氣體。所述保護氣體可以為氬氣。

相較於傳統的拉晶爐，本發明為了穩定晶錠生長之初的溫度環境，採用了橫向尺寸較大的籽晶夾。利用籽晶夾來遮罩散熱和分流氬氣，在橫向大尺寸的籽晶夾的保護下，使晶體固化和冷卻的熱場更加穩定，從而可提高晶錠的均勻性，減少內部缺陷。

採用本實施例的拉晶機構提拉生長晶錠的初期環境，如第3a-3b圖所示，其中虛線箭頭表示為氬氣氣流，實線箭頭表示為熱量。在反射器的遮罩下，熱量僅在熔體表面上向散熱，而大尺寸的籽晶夾覆蓋坩堝頂面，可以引起在晶錠頂部反射熱量的作用，解決了晶錠生長初期的散熱較多的問題；隨著籽晶向上提拉形成上部尾錐，上部尾錐的表面離開熔體表面，在大尺寸的籽晶夾覆蓋遮罩下，上部尾錐周圍的熱量環境變化不大，散熱也仍然較少，向下的氬氣氣流影響被大尺寸的籽晶夾阻擋；上部尾錐繼續向上提拉，開始形成晶錠的圓柱主體時，向下的氬氣氣流被大尺寸的籽晶夾分流至晶錠側壁，形成較為穩定的熱場，從而使晶錠的圓柱主體的整個生長過程均處於穩定一致的溫度環境，因此明顯改善了晶錠前端部分的均勻性和內部缺陷。

綜上所述，本發明提供的拉晶機構，配置有橫向尺寸較大的籽晶夾，在提拉生長晶錠時，可以使晶體固化和冷卻的熱場更加穩定，從而可提高晶錠的均勻性，減少內部缺陷。採用本發明改良的拉晶機構得到的晶錠，由於晶錠頂端的熱場更加穩定，保溫效果更好，因此明顯改善了晶錠前端部分的均勻性和內部缺陷，提高了晶錠前端的晶體品質，避免了晶錠前端難以滿足產品品質需要而造成的浪費，同時也減少了熱量損耗，節約了能源，降低了成本。

所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇 下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的申請專利範圍所涵蓋。

Claims (9)

1. 一種拉晶爐的拉晶機構，所述拉晶爐包括一爐腔和一位於所述爐腔內的坩堝，所述拉晶機構包括：一熱遮罩反射器，位於所述坩堝上方，且圍繞所述坩堝以形成一個中央開口，使得由所述坩堝內熔體提拉生長的晶錠從所述中央開口穿過；一籽晶夾，位於所述坩堝之上方，所述籽晶夾設有一固定結構以夾持籽晶；一提拉部件，與所述籽晶夾連接，且控制所述籽晶夾沿著由所述坩堝內熔體提拉生長晶錠的提拉方向被所述提拉部件提升或下降；其中，所述籽晶夾具有在垂直所述提拉方向上的橫向延伸部分，且所述籽晶夾在垂直於所述提拉方向的平面上的投影覆蓋於由所述坩堝內熔體提拉生長的晶錠在所述平面上的投影。
2. 如請求項1所述的拉晶爐的拉晶機構，其中所述籽晶夾在垂直於所述提拉方向的平面上的投影覆蓋於所述熱遮罩反射器形成的所述中央開口。
3. 如請求項1所述的拉晶爐的拉晶機構，其中夾持所述籽晶的所述固定結構設置在所述籽晶夾的中心。
4. 如請求項3所述的拉晶爐的拉晶機構，其中所述籽晶夾在垂直於所述提拉方向的平面上的投影為圓形。
5. 如請求項4所述的拉晶爐的拉晶機構，其中所述圓形的直徑大於或等於由所述坩堝內熔體提拉生長的晶錠的直徑。
6. 如請求項4所述的拉晶爐的拉晶機構，其中所述圓形的直徑大於或等於所述熱遮罩反射器形成的中央開口的直徑。
7. 如請求項1所述的拉晶爐的拉晶機構，其中所述籽晶夾的材料選自鉬(Mo)、鎳(Ni)、鎢(W)、石墨中的一種或多種。
8. 如請求項1所述的拉晶爐的拉晶機構，其中所述爐腔內填充有保護氣體。
9. 如請求項8所述的拉晶爐的拉晶機構，其中所述保護氣體為氬氣。