TW202325926A - 二次加料裝置、二級加料系統以及二次加料方法 - Google Patents

Abstract

本發明為一種二次加料裝置、二級加料系統以及二次加料方法，二次加料裝置，包括加料筒、連接桿和石英錐，石英錐包括位於加料筒內部的內側面，內側面上設置有螺旋槽，螺旋槽從石英錐。

Description

二次加料裝置、二級加料系統以及二次加料方法

本發明屬於二次加料技術領域，尤指一種二次加料裝置、二級加料系統以及二次加料方法。

隨著半導體矽晶圓品質的不斷提高，對拉晶過程中的晶棒的晶體缺陷有了更高的管控要求，影響晶體缺陷的因素主要有兩個因素，其一是拉晶技術參數，用優化的技術參數去拉晶能製得品質更好的晶棒。相關技術中拉晶技術過程包括化料（Melting）-二次加料（Dumping）-穩溫（Stabilize Temperature，STB）-浸漬（Dip）-縮徑（Necking）-放肩（Shoulder）-轉肩（Over Shoulder）-等徑（Body）-收尾（Tail）等技術。其中Dumping步驟主要是通過再次加料的方式往坩堝中裝滿矽溶液。

進行二次加料的二次加料裝置主要由石英管和石英錐兩部分組成，石英錐連接著鉬桿，當石英管裝載多晶矽料後，整個裝置連接著籽晶硬軸繩向下移動，當石英管上端凸緣與拉晶爐的副爐室內的卡環接觸後，石英管將不會再向下移動，鉬桿會帶動石英錐繼續往下移動，直至石英管與石英錐分離至較大距離時，多晶矽料一瀉而下加入至坩堝中，但該裝置無法控制下料速度，當固體矽料加入至液態矽熔液中時，受衝擊作用液體會飛濺至周圍熱場部件上，該飛濺液體在熱場部件表面冷凝成固體，拉晶完成後很難清理，對於一些表面有塗層材料的熱場部件（如導流筒部件），該冷凝固體會影響塗層與基體的結合強度（冷凝固體在塗層表面零散分佈，在拉晶過程中導致塗層受熱不均，長時間會影響塗層結合力），甚至會導致塗層局部脫落，而一旦塗層脫層脫落掉進矽熔液中，必然會導致晶體斷線，失去單晶品質，即使回熔重新拉製，拉製出的晶棒也會受到碳汙染，出現碳含量超標，影響晶棒品質。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種二次加料裝置、二級加料系統以及二次加料方法，解決二次加料速度過快造成液體飛濺的問題。

為了達到上述目的，本發明採用的技術方案是：一種二次加料裝置，包括加料筒、連接桿和石英錐，石英錐包括位於加料筒內部的內側面，內側面上設置有螺旋槽。

可選的，螺旋槽的寬度大於待加矽料的直徑。

可選的，螺旋槽的深度大於待加矽料的直徑。

可選的，螺旋槽包括靠近石英錐的底部設置的矽料出口端，二次加料裝置還包括旋轉結構，旋轉結構用於在矽料出口端外露於加料筒時，控制連接桿旋轉以帶動石英錐旋轉。

可選的，石英錐的旋轉方向與螺旋槽的螺旋方向相反

可選的，石英錐和連接桿固定連接，以使得石英錐能夠與連接桿同步旋轉。

可選的，沿著連接桿的延伸方向，石英錐的相對的兩端設置有螺旋安裝於連接桿上的兩個螺栓，兩個螺栓的內螺紋的螺旋方向相反。

本發明還提供一種二次加料系統，包括單晶爐，以及上述的二次加料裝置，單晶爐包括爐體，爐體包括主爐室和副爐室，副爐室的內壁上設置有與加料筒的外壁上的凸緣相配合的卡環，主爐室內設置有坩堝組件，和位於坩堝組件的週邊的加熱結構。

本發明還提供一種二次加料方法，採用上述的二次加料系統進行二次加料，包括以下步驟：降低加熱結構的功率，使得容納於坩堝組件內的矽熔液的中心凝固形成一固態承載盤；將二次加料裝置伸入爐體內，並控制二次加料裝置直至加料筒的外壁上的凸緣與副爐室的內壁上的卡環相接觸，對二次加料裝置進行對位；控制連接桿下降，直至螺旋槽的矽料出口端外露於加料筒，控制連接桿旋轉以帶動石英錐旋轉，進行加料。

可選的，在步驟“控制連接桿下降，直至螺旋槽的矽料出口端外露於加料筒，控制連接桿旋轉以帶動石英錐旋轉，進行加料”中，還包括：控制坩堝組件以預設速度向遠離副爐室的方向移動，使得矽熔液的表面與爐體內的導流筒之間的距離大於預設值。

可選的，固態承載盤的直徑為400-450mm。

本發明的有益效果是：通過在石英錐的內側面上設置螺旋槽，在進行二次加料時，使得矽料沿著螺旋槽旋出，減緩矽料的下落速度，從而降低加料時的液體飛濺程度。

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例的附圖，對本發明實施方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於所描述的本發明的實施例，本領域具通常知識者所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“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”、“第三”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

參考圖1-圖3，本實施例提供一種二次加料裝置，包括加料筒1、連接桿8和石英錐9，石英錐9包括位於加料筒1內部的內側面91，內側面91上設置有螺旋槽92。

螺旋槽92的設置增加了下落矽料的下落路程，且在沿著螺旋槽92的螺旋方向螺旋下落的過程中，減緩了矽料的下落速度，從而降低了固態矽料落入液態矽熔液內時引起的液體飛濺的程度，從而避免液體飛濺至單晶爐內的熱場部件

示例性的實施方式中，螺旋槽92的寬度大於待加矽料的直徑。以保證裝載於加料筒1內的矽料沿著螺旋槽92下落。

需要說明的是，加料筒1內裝載的矽料的直徑存在並不相同的情況，此時螺旋槽92的寬度大於待加矽料的最大直徑，或者螺旋槽92的寬度大於待加矽料的平均直徑。

需要說明的是，矽料的截面形狀可以是圓形，也可以是多邊形，或者異形，在矽料的截面的形狀不是圓形時，螺旋槽92的寬度大於待加矽料上的任意兩點之間的連線的平均長度，或者，螺旋槽92的寬度大於待加矽料上的任意兩點之間的連線的最大長度。也就是說，在矽料的截面的形狀不是圓形時，上述的直徑定義為矽料上任意兩點之間的連線的長度。

示例性的，螺旋槽92的寬度小於待加矽料的直徑（平均直徑或者最大直徑）的兩倍，減小一次性進入螺旋槽92內的矽料的數量，減小一次性加料的數量，從而降低液體飛濺程度。

示例性的實施方式中，螺旋槽92的深度大於待加矽料的直徑。以保證裝載於加料筒1內的矽料沿著螺旋槽92下落。

需要說明的是，加料筒1內裝載的矽料的直徑存在並不相同的情況，此時螺旋槽92的深度大於待加矽料的最大直徑，或者螺旋槽92的深度大於待加矽料的平均直徑。

需要說明的是，矽料的截面形狀可以是圓形，也可以是多邊形，或者異形，在矽料的截面的形狀不是圓形時，螺旋槽92的深度大於待加矽料上的任意兩點之間的連線的平均長度，或者，螺旋槽92的深度大於待加矽料上的任意兩點之間的連線的最大長度。也就是說，在矽料的截面的形狀不是圓形時，上述的直徑定義為矽料上任意兩點之間的連線的長度。

示例性的，螺旋槽92的深度小於待加矽料的直徑（平均直徑或者最大直徑）的兩倍，減小一次性進入螺旋槽92內的矽料的數量，減小一次性加料的數量，從而降低液體飛濺程度

需要說明的是，螺旋槽92的螺距和石英錐的錐度以及高度相關，示例性的，可以設定螺旋槽92的螺距為84-100mm，但並不以此為限。需要說明的是，在具體的應用過程中，調整螺旋槽92的螺距、石英錐的錐度、以及石英錐的旋轉速度等參數可以調節矽料的下落速度以及下落的區域範圍。

示例性的實施方式中，螺旋槽92包括靠近石英錐9的底部設置的矽料出口端，二次加料裝置還包括旋轉結構，旋轉結構用於在矽料出口端外露於加料筒1時，控制連接桿8旋轉以帶動石英錐9旋轉。

旋轉結構的設置利於矽料沿著螺旋槽92下落。

需要說明的是，加料筒1包括位於其軸向方向的相對的兩端的進料端和出料端，圖1中矽料100容納於加料筒1內，石英錐9位於出料端，石英錐9包括沿加料筒1的軸向方向相對設置的頂部93和底部94，頂部93靠近進料端設置，底部94遠離進料端設置。螺旋槽92由石英錐9的頂部93向石英錐9的底部94螺旋延伸設置，螺旋槽92的出口端位於石英錐9的底部，且石英錐9的內側面91（石英錐9與矽料接觸的表面）包括位於底部的第一邊緣，出口端貫穿第一邊緣設置，以使得矽料能夠沿著螺旋槽92順利的下落。

示例性的實施方式中，石英錐9的旋轉方向與螺旋槽92的螺旋方向相反，以使得矽料在石英錐9旋轉的過程中，沿著螺旋槽92下落。

示例性的實施方式中，石英錐9和連接桿8固定連接，以使得石英錐9能夠與連接桿8同步旋轉。

石英錐9和連接桿8可以一體成型，也可以是分體固定連接，示例性的實施方式中，沿著連接桿8的延伸方向，石英錐9的相對的兩端設置有螺旋安裝於連接桿8上的兩個螺栓10，兩個螺栓10的內螺紋的螺旋方向相反。

採用內螺紋螺旋方向相反的螺栓10來固定連接桿8和石英錐9，保證連接桿8和石英錐9的連接穩定性，也便於兩個螺栓10的緊固。

示例性的，連接桿8採用鉬製成。

參考圖3，本發明實施例還提供一種二次加料系統，包括單晶爐，以及上述的二次加料裝置，單晶爐包括爐體2，爐體2包括主爐室和副爐室，副爐室的內壁上設置有與加料筒1的外壁上的凸緣11相配合的卡環，主爐室內設置有坩堝組件，和位於坩堝組件的週邊的加熱結構6。

坩堝組件包括石英坩堝4和圍設於石英坩堝4的週邊的石墨坩堝5，石英坩堝4内容納有矽溶液3，坩堝組件底部連接有坩堝軸7。

示例性的，二次加料系統還包括用於控制加熱結構6的加熱功率的溫度控制單元，溫度控制單元包括自動溫度控制電路ATC（Automatic Temperature Control），在溫度控制單元的控制下降低加熱結構6的功率，使得矽熔液的液面的中心區域形成一個具有預設直徑的固態承載盤。矽料下落至固態承載盤上，防止液體飛濺。

示例性的，固態承載盤的預設直徑為400-450mm，但並不以此為限。

參考圖4，本發明實施例還提供一種二次加料方法，採用上述的二次加料系統進行二次加料，包括以下步驟：將加熱結構的功率調整至75-85kw，使得容納於坩堝組件內的矽熔液的中心凝固形成一固態承載盤；將二次加料裝置伸入爐體內，並控制二次加料裝置直至加料筒的外壁上的凸緣與副爐室的內壁上的卡環相接觸，對二次加料裝置進行對位；控制連接桿下降，直至螺旋槽的矽料出口端外露於加料筒，控制連接桿旋轉以帶動石英錐旋轉，進行加料。

二次加料裝置還包括提拉結構，通過籽晶硬軸繩與連接桿連接，當加料筒裝載多晶矽料後，加料筒連接著籽晶硬軸繩向下移動，當加料筒上的凸緣與爐體的副爐室的內壁上的圓形卡環接觸後，加料筒將不會再向下移動，加料筒與石英錐慢慢分離，直至露出石英錐的螺旋槽的出口端（需要說明的是，此處露出螺旋槽的出口的大小足夠矽料從螺旋槽和加料筒之間的空隙中下落），此時，籽晶硬軸繩帶動連接桿及石英錐一體做旋轉運動，多晶矽料會沿著螺旋槽均勻且緩慢地落入至坩堝組件內的矽熔液中

在下料之前提前預設時間（預設時間可以為25-35分鐘，例如預設時間可以為30分鐘）降低加熱結構的功率，加熱結構的功率從化料功率90kw（即熔化矽料所需的功率為90kw）下降至80kw，此時由於矽溶液的液面中心溫度低（加熱部件位於坩堝組件的週邊，因此，矽熔液液面的溫度由中心向邊緣逐漸增大），加熱部件的功率降低則矽熔液的液面由內向外逐漸凝固，通過溫補控制在矽熔液的液面的中心區域形成一個具有預設直徑的固態承載盤，而後進行下料，下料時矽料會下落至該固態承載盤上，避免了矽溶液的飛濺。

需要說明的是，固態承載盤的預設直徑可以通過加熱部件的功率的控制設定，在一實施方式中預設直徑為400-450mm，但並不以此為限，只要可以使得從加料筒中下落的矽料落入該固態承載盤，以有效的防止液體飛濺即可。

需要說明的是，二次加料系統還包括用於控制加熱結構的加熱功率的溫度控制單元，溫度控制單元包括自動溫度控制電路（Automatic Temperature Control，ATC），在溫度控制單元的控制下降低加熱結構的功率，使得矽熔液的液面的中心區域形成一個具有預設直徑的固態承載盤。

示例性的實施方式中，在步驟“控制連接桿下降，直至螺旋槽的矽料出口端外露於加料筒，控制連接桿旋轉以帶動石英錐旋轉，進行加料”中，還包括：控制坩堝組件以預設速度向遠離副爐室的方向移動，使得矽熔液的表面與爐體內的導流筒之間的距離大於預設值。

預設速度可以根據下料速率設定，在一實施方式中，預設速度為10-15mm/min，具體的可以為12mm/min，但並不以此為限。

在下料過程中，坩堝組件以預設速度（坩堝組件的下降速度可以根據下料速率進行調整）進行下降，避免因矽料在矽溶液表面沉積過高碰觸到導流筒。

坩堝組件包括石英坩堝和圍設於石英坩堝的外部的石墨坩堝，石英坩堝内容納有矽溶液。

可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不局限於此。對於本領域內具通常知識者而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。

1:加料筒 2:爐體 3:矽溶液 4:石英坩堝 5:石墨坩堝 6:加熱結構 7:坩堝軸 8:連接桿 9:石英錐 91:內側面 92:螺旋槽 93:頂部 94:底部 10:螺栓 11:凸緣 100:矽料

圖1表示本發明實施例中的二次加料裝置的示意圖； 圖2表示本發明實施例中的石英錐的示意圖； 圖3表示本發明實施例中的二次加料系統的示意圖； 圖4表示本發明實施例中的二次加料方法流程示意圖。

8:連接桿

9:石英錐

91:內側面

10:螺栓

11:凸緣

100:矽料

Claims (11)

1. 一種二次加料裝置，包括加料筒、連接桿和石英錐，該石英錐包括位於該加料筒內部的內側面，該內側面上設置有螺旋槽。
2. 如請求項1所述的二次加料裝置，其中，該螺旋槽的寬度大於待加矽料的直徑。
3. 如請求項1所述的二次加料裝置，其中該螺旋槽的深度大於待加矽料的直徑。
4. 如請求項1所述的二次加料裝置，其中該螺旋槽包括靠近該石英錐的底部設置的矽料出口端，該二次加料裝置還包括旋轉結構，該旋轉結構用於在該矽料出口端外露於該加料筒時，控制該連接桿旋轉以帶動該石英錐旋轉。
5. 如請求項4所述的二次加料裝置，其中該石英錐的旋轉方向與該螺旋槽的螺旋方向相反。
6. 如請求項1所述的二次加料裝置，其中該石英錐和該連接桿固定連接，以使得該石英錐能夠與該連接桿同步旋轉。
7. 如請求項1所述的二次加料裝置，其中沿著該連接桿的延伸方向，該石英錐的相對的兩端設置有螺旋安裝於該連接桿上的兩個螺栓，該等螺栓的內螺紋的螺旋方向相反。
8. 一種二次加料系統，包括單晶爐，以及如請求項1至7中任一項所述的二次加料裝置，該單晶爐包括爐體，該爐體包括主爐室和副爐室，該副爐室的內壁上設置有與該加料筒的外壁上的凸緣相配合的卡環，該主爐室內設置有坩堝組件，和位於該坩堝組件的週邊的加熱結構。
9. 一種二次加料方法，採用如請求項8所述的二次加料系統進行二次加料，其步驟包括： 降低該加熱結構的功率，使得容納於該坩堝組件內的矽熔液的中心凝固形成一固態承載盤； 將該二次加料裝置伸入該爐體內，並控制該二次加料裝置直至該加料筒的外壁上的凸緣與該副爐室的內壁上的該卡環相接觸，對該二次加料裝置進行對位； 控制該連接桿下降，直至該螺旋槽的該矽料出口端外露於該加料筒，控制該連接桿旋轉以帶動該石英錐旋轉，進行加料。
10. 如請求項9所述的二次加料方法，其中控制該連接桿下降，直至該螺旋槽的該矽料出口端外露於該加料筒，控制該連接桿旋轉以帶動該石英錐旋轉，進行加料，還包括： 控制該坩堝組件以預設速度向遠離該副爐室的方向移動，使得該矽熔液的表面與該爐體內的導流筒之間的距離大於預設值。
11. 如請求項9所述的二次加料方法，其中該固態承載盤的直徑為400-450mm。