TW202302940A - 水冷套和單晶爐 - Google Patents

Abstract

本發明屬於一種水冷套和單晶爐，該水冷套包括套設的內筒和外筒，以及位於該內筒和該外筒之間的水冷管道，該內筒呈倒錐形結構。內筒採用倒錐形結構，可形成縱向的不對稱水冷效果，以此達到縱向和軸向的梯度溫梯變化，大大提高晶棒軸向和徑向的散熱，減少內部熱量累積，改變晶棒的熱歷史，減少錯排及其他晶體缺陷的產生，提高晶棒品質。

Description

水冷套和單晶爐

本發明屬於單晶矽產品製作技術領域，尤其關於一種水冷套和單晶爐。

隨著半導體先進製程地不斷提高，對半導體晶圓的品質要求越來越高，而對於晶圓的品質，拉晶步驟對晶圓核心品質的影響非常大，如氧含量、體微缺陷(Bulk Micro Defects，BMD)、層錯、晶體起源粒子(crystal originated particles ，COPs)、流型缺陷(flow pattern defects，FPD)、缺陷的鐳射散射層析圖像(laser scattering tomography defects，LSTDs)等品質都與拉晶步驟有密切關係。

晶棒生長過程中所經歷的熱歷史很大程度上影響著晶棒的整體品質，而熱歷史主要受晶棒的縱向和軸向溫度梯度影響，拉晶爐的結構部件對溫梯的影響很大，這其中非常重要的一個部件就是水冷套，其很大程度上改變了晶棒的縱向和橫向溫度梯度，提高了晶棒的冷卻速率，進而影響晶棒的拉制速率。

相關技術中水冷套為圓筒狀，這極大地限制了其對晶棒軸向和縱向的溫度調節，晶棒的晶體缺陷不能很好地管控，如調節能力受限導致晶棒中心熱量不能很好地傳導出，造成過大的內應力累積，進而導致錯排產生，這極大地影響了晶棒的品質，尤其對於外延產品在進行外延沉積步驟時層錯會造成沉積的不均勻，甚至會造成沉積失效。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種水冷套，解決晶棒軸向和縱向的溫度調節受限的問題。

為了達到上述目的，本發明實施例採用的技術方案是：一種水冷套，包括套設的內筒和外筒，以及位於該內筒和該外筒之間的水冷管道，該內筒呈倒錐形結構。

可選地，沿該內筒的軸向方向，該內筒的內側壁上設置有齒狀波紋結構。

可選地，從該內筒的頂端到該內筒的底部的方向上，該齒狀波紋結構在該內筒的徑向方向上的厚度逐漸增大。

可選地，該內筒的內側壁設置有吸熱塗層。

可選地，從該內筒的頂端到該內筒的底部的方向上，該吸熱塗層在該內筒的徑向方向上的厚度逐漸增大。

可選地，該吸熱塗層採用陶瓷製成。

可選地，該吸熱塗層的厚度為200±50微米。

可選地，該內筒的外側壁和/或該外筒的內側壁設置有隔熱塗層。

可選地，從該內筒的頂端到該內筒的底部的方向上，該隔熱塗層在該內筒的徑向方向上的厚度逐漸增大。

可選地，該隔熱塗層採用氧化鋯陶瓷製成。

可選地，該隔熱塗層的厚度為100±25微米。

可選地，沿著該內筒的軸向方向，該水冷管道螺旋式環繞分佈於該內筒的外側壁上。

可選地，從該內筒的頂端到該內筒的底部的方向上，該水冷管道的直徑逐漸增大。

本發明實施例還提供一種單晶爐，包括上述的水冷套。

本發明的有益效果是：內筒採用倒錐形結構，可形成縱向的不對稱水冷效果，以此達到縱向和軸向的梯度溫梯變化，大大提高晶棒軸向和徑向的散熱，減少內部熱量累積，改變晶棒的熱歷史，減少錯排及其他晶體缺陷的產生，提高晶棒品質。

為利 貴審查委員了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本發明配合附圖及附件，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請範圍，合先敘明。

在本發明實施例的描述中，需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特徵。在本發明實施例的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

在本發明實施例中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的具通常知識者而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明實施例中的具體含義。

參考圖1-圖3，本實施例提供一種水冷套，包括套設的內筒2和外筒1，以及位於該內筒2和該外筒1之間的水冷管道3，該內筒2呈倒錐形結構。

相比於單一的直筒式結構，本實施例中採用套設的內筒和外筒的雙層結構，該外筒採用直筒式結構，該外筒起到阻隔熱的作用，該內筒採用倒錐形結構，可以形成縱向梯度水冷的效果，因晶棒縱向（即晶棒的軸向方向）的溫度呈梯度變化（下端熱上端冷，靠近矽熔液的一端為下端，遠離矽熔液的一端為上端），晶棒的熱量主要是以輻射的方式傳輸給周圍溫度低的物體，輻射傳熱的強度與距離的三次方呈反比，即距離越近輻射傳熱越強，相應的水冷效果越好，該內筒呈倒錐形，沿縱向方向，該內筒的內壁與晶棒在該晶棒的徑向方向上的距離呈梯度變化，可以實現梯度水冷地效果，即縱向不對稱效果，以此達到縱向和軸向的梯度溫梯變化，大大提高晶棒軸向和徑向的散熱，減少內部熱量累積，改變晶棒的熱歷史，減少錯排及其他晶體缺陷的產生，提高晶棒品質。可根據拉晶步驟需要，調節該內筒的內壁的傾斜角度，可以很大限度地調節晶棒的縱向和徑向溫度梯度，控制晶棒中缺陷的反應速率，調節缺陷分佈。

示例性地，該內筒的頂部的內直徑為450mm，該內筒的底部的內直徑為390mm，但並不以此為限。

該內筒的頂部設置有第二凸緣22，該外筒的頂部設置有第一凸緣11，該第一凸緣11靠近該內筒的一側設置有臺階形凹槽13，該第二凸緣22搭接於該臺階形凹槽13內。

該第二凸緣22遠離該內筒底部的第一面與該第一凸緣11遠離該內筒底部的第二面位於同一平面。

該內筒的底部具有第一通孔，該外筒的底部具有第二通孔12，該第一通孔的圓心在該外筒1的底部上的正投影與該第二通孔12的圓心重合。

示例性地，該第二通孔12的邊緣朝向該外筒1的頂部凸設有環形凸起14，該環形凸起14起到擋牆的作用，用於對該內筒2進行限位。

示例性地，沿該內筒2的軸向方向，該內筒2的內側壁上設置有齒狀波紋結構21。

齒狀波紋結構21的設置可以增加該內筒的內壁的表面積，即增加水冷套的吸熱面積，相較於平滑表面，這樣的表面吸熱效果更好，具有很好的冷卻晶棒效果。

該齒狀波紋結構21包括多個沿該內筒2的周向延伸的環形齒，多個該環形齒沿該內筒2的軸向排列形成，單個環形齒的截面形狀可以為三角形、梯形、弧形等。

示例性地，從該內筒2的頂端到該內筒2的底部的方向上，該齒狀波紋結構21在該內筒2的徑向方向上的厚度逐漸增大。

示例性地，該內筒2的內側壁設置有吸熱塗層。

該吸熱塗層設置於該齒狀波紋結構21遠離該外筒1的一側，該吸熱塗層的形狀與該齒狀波紋結構21的形狀相符，即該吸熱塗層與該內筒2的連接面和與該連接面相對設置的內表面均為齒狀波紋結構21。

該吸熱塗層具有吸熱作用，該吸熱塗層與該內筒2的結合強度高，可有效緩解吸熱塗層介面（該吸熱塗層與該內筒2的連接面）的熱應力，熱力學性能穩定，該內筒2可以很好地即時帶走晶棒傳輸的熱量，大大提高晶棒的冷卻速率，提高拉速，增加拉晶效率。

示例性地，從該內筒2的頂端到該內筒2的底部的方向上，該吸熱塗層在該內筒2的徑向方向上的厚度逐漸增大。

示例性地，該吸熱塗層採用陶瓷製成，但並不以此為限。

示例性地，該吸熱塗層的厚度為200±50微米。

示例性地，該內筒2的外側壁和/或該外筒1的內側壁設置有隔熱塗層。

該隔熱塗層具有反射及遮罩熱的作用，防止外面的熱量從該外筒1向水冷套（即該內筒2的內部）內部傳輸，維持水冷套內部的溫度恆定。

示例性地，該內筒2的外側壁設置有隔熱塗層，從該內筒2的頂端到該內筒2的底部的方向上，該隔熱塗層在該內筒2的徑向方向上的厚度逐漸增大。

示例性地，該隔熱塗層採用耐高溫隔熱氧化鋯陶瓷製成。

示例性地，該隔熱塗層的厚度為100±25微米，但並不以此為限。

示例性地，沿著該內筒2的軸向方向，該水冷管道3螺旋式環繞分佈於該內筒2的外側壁上。

該水冷管道3可以設置在該內筒2的外側壁上，也可以設置在該外筒1的內側壁上。

該水冷管道3的具體結構形式並不以此為限，例如該水冷管道3可呈蛇形，分佈於該內筒2的外側壁，該水冷管道3呈蛇形，包括沿該內筒2的軸向延伸的多個直線形管道和設置於相鄰兩個直線形管道之間的彎折形管道。

示例性地，從該內筒2的頂端到該內筒2的底部的方向上，該水冷管道3的直徑逐漸增大。

採用上述方案，水冷管道3的水冷效果沿著該內筒2的軸向方向呈梯度變化，有利於徑向和軸向的梯度溫度的調節。

示例性地，該水冷管道的直徑為5-10mm，但並不以此為限。

示例性地，從該內筒2的頂端到該內筒2的底部的方向上，水冷管道的環繞間距為48mm。

參考圖1和圖4，示例性地，該水冷套本體的底部設置與該水冷套本體內部連通的調節套筒6，該調節套筒6包括與該水冷套本體連接的第一端，和與該第一端相對的第二端，從該第一端到該第二端，該調節套筒6在該水冷套本體的徑向方向上截面的面積逐漸減小。

通過該調節套筒6的設置，阻擋該水冷套本體下方熱量傳輸到水冷套內部空間，有效阻擋熱量的自下而上的散失。且該調節套筒6在該水冷套本體的徑向方向上截面的面積逐漸減小，當惰性氣體流從拉晶爐上方吹撒流經該調節套筒時，流速變大，保證了惰性氣體流與晶棒的充分接觸，提高了晶棒的冷卻速率，很好地調節晶棒的縱向和徑向溫梯，控制晶棒中缺陷的反應速率，調節缺陷分佈，拉制不同類型的晶棒。

示例性地，該調節套筒6的內表面為曲面。

示例性地，該調節套筒6在該水冷套本體的軸向方向上的截面的形狀呈抛物線形狀。

示例性地，在該水冷套本體的軸向方向上，該調節套筒6包括靠近該水冷套本體的第一部分和與該第一部分相鄰的第二部分，該第二部分的外表面內凹形成凹部61。

水冷套位於坩堝的上方，該凹部61的設置可將下方的熱量定向反射至水冷套下方石墨部件或矽熔液液面，維持下方溫度場的穩定。

示例性地，該調節套筒6的內表面設置有吸熱層。

該吸熱層具有吸熱作用，該吸熱層與該調節套筒6的結合強度高，可有效緩解吸熱層介面（該吸熱層與該調節套筒6的連接面）的熱應力，熱力學性能穩定，該調節套筒6可以很好地即時帶走晶棒傳輸的熱量，大大提高晶棒的冷卻速率，提高拉速，增加拉晶效率。

示例性地，該吸熱層包括靠近該調節套筒6的第一層和遠離該調節套筒的第二層，該第一層為石墨材質與該調節套筒6的內壁發生化學反應形成的過渡層。

該調節套筒的材質為碳纖維複合材料，該第一層為C+SiC複合過渡塗層(厚度為80±10微米)，該第二層為SiC塗層（厚度為50±5微米）。這樣的塗層結構（上述該吸熱層與該調節套筒的結合方式）具有高結合強度、高緻密度等特點。可以很好的保護基體，延長其使用壽命。

示例性地，該吸熱層的厚度為130±15微米。

示例性地，該調節套筒6的外表面設置有隔熱層。

該隔熱層具有反射及遮罩熱的作用，防止外面的熱量從該調節套筒6向水冷套內部傳輸，維持水冷套內部的溫度恆定。

示例性地，該隔熱層包括靠近該調節套筒6的第三層和遠離該調節套筒的第四層，該第三層為石墨材質與該調節套筒的外壁發生化學反應形成的過渡層。

該調節套筒的材質為碳纖維複合材料，該第三層為C+SiC複合過渡塗層(厚度為80±10微米)，該第四層為SiC塗層（厚度為50±5微米）。這樣的塗層結構（上述該隔熱層與該調節套筒的結合方式）具有高結合強度、高緻密度等特點。可以很好的保護基體，延長其使用壽命。

示例性地，該隔熱層的厚度為160±15微米。

示例性地，該水冷套本體包括內筒2和位於該內筒2的外部的外筒1，該外筒1的底部包括用於承載該內筒的第一區和與該第一區相鄰的第二區，該第一區靠近該外筒1的側壁設置，該調節套筒6的頂部設置有凸緣（第三凸緣62），該凸緣與該第二區連接。

參考圖1、圖5-圖7，示例性地，本實施例中該水冷套裝置還包括用於控制該水冷套本體升降的升降結構； 該水冷套本體包括內筒2和位於該內筒2外部的外筒1； 該升降結構包括相對設置於該水冷套本體的兩側的兩個升降部4，每個該升降部4包括驅動件和傳動件，該傳動件通過連接結構與該外筒1連接，使得兩個該升降部4能夠非同步運動以帶動該水冷套本體傾斜預設角度。

通過該升降結構的設置，控制該水冷套本體的升降，且兩個升降部4採用獨立驅動的方式，以使得兩個該升降部4可非同步運動，使得水冷套本體可在預設角度範圍內傾斜從而形成不對稱的水冷效果，大的梯度變化可加快晶棒熱量向水冷套進行傳輸，提高傳熱效率，加快晶棒軸向和徑向的散熱。且可根據拉晶步驟需要，很大限度地調節晶棒的縱向溫度梯度和徑向溫度梯度，控制晶棒中缺陷的反應速率，調節缺陷分佈，具有很好的冷卻速率，可拉制不同缺陷類型的晶棒（如無層錯晶棒，BMD晶棒）。

不同步驟參數要求的晶棒需要匹配不同的水冷效果，非同步移動的水冷套裝置可以根據需求進行相應調整得到合適的冷卻效果。

非同步移動的目的是造成徑向不對稱效果，提高水冷效果，升降機構的作用：當拉制外延晶棒時，需要大的拉速拉制，通過水冷套向液面移動，增加冷卻效果，以此來提高拉速；當拉制無缺陷拋光晶棒時，可將水冷套向上移動，抑制COP的形成；當拉制BMD晶棒時，會促進BMD的形核及長大，可通過水冷套的移動調節，BMD在650℃-700℃的低溫形核，同時對於高溫區域，通過非同步移動調節，擴大在750℃-1100℃溫度範圍內的晶棒區間。以此來促進BMD的高溫形核。

需要說明的是，在該升降結構的作用下，兩個相對設置的該升降部4相配合可使得該水冷套本體傾斜升降，即通過兩個該升降部4非同步運動傾斜預設角度後，再控制兩個該升降部4同步運動以控制該水冷套本體以傾斜的狀態進行升降運動。

需要說明的是，升降結構所包括的該升降部4的數量並不做限定，該水冷套本體的相對的兩側設置兩個該升降部4，兩個相對設置的升降部4為一組，該升降結構可以包括多組該升降部4，每一組該升降部4可以實現該水冷套本體在一個方向上的傾斜，從而可以根據實際需要，設置多組該升降部4，從而靈活控制該水冷套本體的傾斜方向，從而可以更好的控制水冷效果。

需要說明的是，兩個相對設置的該升降部4相配合可使得該水冷套本體傾斜升降，傾斜的角度可以根據實際需要設定，例如可以為0-17度，但並不以此為限。

示例性地，該傳動件包括： 升降桿41，沿該外筒1的軸向方向延伸，且該升降桿41外表面上設置有齒條411結構； 傳動齒輪42，該傳動齒輪42通過與該齒條411結構嚙合以與該升降桿41傳動連接。

本實施例中採用傳動齒輪42和升降桿41相配合的方式，傳動齒輪42旋轉，在該升降桿41的傳動作用下，實現該水冷套本體的升降。

示例性地，每個該升降部4的該驅動件可以為驅動電機。

示例性地， 一個該升降桿41的外表面具有遠離該另一個該升降桿41設置的第一區域，該第一區域內凹形成一連接面，該連接面上設置該齒條411結構。

該連接面為與該外筒1的軸向方向相平行的平面，在該連接面上設置該齒條411結構，利於該齒條411結構與該傳動齒輪42的配合。

示例性地，該齒條411結構包括凸設於該連接面上的多個相平行設置的齒條411，多個該齒條411沿該外筒1的軸向方向並排設置，相鄰兩個該齒條411之間形成齒槽。

該齒條411的延伸方向與該外筒1的軸向方向相垂直，該傳動齒輪42的軸向方向與該齒條411的延伸方向相平行，該傳動齒輪42的齒對應於該齒槽，從而該傳動齒輪42旋轉，帶動該升降桿41進行升降運動，從而帶動該水冷套本體進行升降運動。

示例性地，該齒條411為螺紋齒條，螺紋齒條具有高精度和大負載的特點。

示例性地，該升降桿41遠離該外筒1的一端設置有限位台43。

該限位台43的設置，防止該傳動齒輪42與該升降桿41脫離，該限位台43可以為圓形結構，且該限位台43在該升降桿41的徑向方向上的面積大於該升降桿41的端面的截面面積。

該限位台43可以是與該升降桿41為一體結構，可以是經過焊接等步驟連接的，也可以是在該連接面形成時同步形成的，該第一區域可以位於該升降桿41的中部，該第一區域內凹形成凹槽，該凹槽的底面為該連接面，從而在該升降桿41的軸向方向上，該凹槽的遠離該外筒1的一端的第一側壁形成該限位台43，該凹槽的與該第一側壁相對的第二側壁形成用於限制該傳動齒輪42的運動行程的限位擋牆。

示例性地，在該外筒1的軸向方向上，該第一區域的長度小於該升降桿41的長度，且該第一區域位於該升降桿41遠離該外筒1的一端。

示例性地，在該外筒1的軸向方向上，該第一區域的長度大於該升降桿41的長度的一半。

示例性地，該連接部5包括套設於該外筒1外部的卡環51，該卡環51的相對的兩側凸設形成兩個凸起52，每個該凸起52上設置有用於與相應的該升降桿41連接的連接通孔521。

示例性地，該升降桿41靠近該外筒1的一端設置有連接環44，該連接環44與該升降桿41通過螺紋連接，該升降桿41與該凸起52以間隙寬鬆配合，這樣便於在兩個該升降桿41非同步運動的時候，實現水冷套的傾斜。

示例性地，該外筒1的頂部設置有第一凸緣11，該卡環51設置於該第一凸緣11靠近該外筒1的底部的一側。

該卡環51可通過黏結層與該第一凸緣11黏接，以增強該連接部5與該外筒1之間的連接強度。

本發明實施例還提供一種單晶爐，包括上述的水冷套。

需要說明的是：本發明實施例所記載的技術方案之間，在不衝突的情況下，可以任意組合。以上僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍，如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。

1:外筒 11:第一凸緣 12:第二通孔 13:臺階形凹槽 14:環形凸起 2:內筒 21:齒狀波紋結構 22:第二凸緣 3:水冷管道 4:升降部 41:升降杆 42:傳動齒輪 43:限位台 411:齒條 5:連接部 51:卡環 52:凸起 521:連接通孔 6:調節套筒 61:凹部 62:第三凸緣

圖1表示本發明實施例中的水冷套的結構示意圖； 圖2表示本發明實施例中的內筒的結構示意圖； 圖3表示本發明實施例中的外筒的結構示意圖； 圖4表示本發明實施例中的調節套筒的結構示意圖； 圖5表示本發明實施例中升降桿的結構示意圖一； 圖6表示本發明實施例中升降桿的結構示意圖二； 圖7表示本發明實施例中的連接部的結構示意圖。

1:外筒

2:內筒

3:水冷管道

11:第一凸緣

22:第二凸緣

Claims (14)

1. 一種水冷套，包括套設的內筒和外筒，以及位於該內筒和該外筒之間的水冷管道，該內筒呈倒錐形結構。
2. 如請求項1所述之水冷套，其中，沿該內筒的軸向方向，該內筒的內側壁上設置有齒狀波紋結構。
3. 如請求項2所述之水冷套，其中，從該內筒的頂端到該內筒的底部的方向上，該齒狀波紋結構在該內筒的徑向方向上的厚度逐漸增大。
4. 如請求項1所述之水冷套，其中，該內筒的內側壁設置有吸熱塗層。
5. 如請求項4所述之水冷套，其中，從該內筒的頂端到該內筒的底部的方向上，該吸熱塗層在該內筒的徑向方向上的厚度逐漸增大。
6. 如請求項5所述之水冷套，其中，該吸熱塗層採用陶瓷製成。
7. 如請求項5所述之水冷套，其中，該吸熱塗層的厚度為200±50微米。
8. 如請求項1所述之水冷套，其中，該內筒的外側壁和/或該外筒的內側壁設置有隔熱塗層。
9. 如請求項8所述之水冷套，其中，該隔熱塗層的厚度為100±25微米。
10. 如請求項8所述之水冷套，其中，從該內筒的頂端到該內筒的底部的方向上，該隔熱塗層在該內筒的徑向方向上的厚度逐漸增大。
11. 如請求項8所述之水冷套，其中，該隔熱塗層採用氧化鋯陶瓷製成。
12. 如請求項1所述之水冷套，其中，沿著該內筒的軸向方向，該水冷管道螺旋式環繞分佈於該內筒的外側壁上。
13. 如請求項12所述之水冷套，其中，從該內筒的頂端到該內筒的底部的方向上，該水冷管道的直徑逐漸增大。
14. 一種單晶爐，包括如請求項1至13中任一項所述之水冷套。

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