TWI726505B - 一種晶體生長爐的導流筒和晶體生長爐 - Google Patents

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Abstract

一種晶體生長爐的導流筒和晶體生長爐，所述導流筒包括內筒、外筒和設置在所述內筒和所述外筒之間的隔熱材料，其中所述內筒的熱阻較所述外筒的熱阻低。據此，外筒的熱阻高於內筒的熱阻，降低了導流筒上外筒對內筒的傳熱，從而使內筒的溫度降低，有效增加了晶棒表面到導流筒內筒的輻射熱傳導，從而提升了晶棒的縱向溫度梯度；同時，使外筒的溫度上升，減少了矽熔體液面蒸發的矽氧化蒸汽（SiOx）在導流筒外筒上凝聚，從而減少了氧化物（SiOx）落入矽液產生雜質而發生多晶化（dislocation）的現象。

Description

一種晶體生長爐的導流筒和晶體生長爐
本發明係關於半導體製造領域和用於光伏發電用矽單晶製造領域，尤其係關於一種晶體生長爐的導流筒和晶體生長爐。
直拉法生長單晶矽是目前生產單晶矽最廣泛的應用技術，而隨著半導體產業的不斷發展，在保證產品品質的前提下需要進一步提高生產效率，以降低成本。提高生產效率最直接的方式為提高晶體等徑生長速度，縮短拉晶時間。實際生產中，首先需增加晶體軸向溫度梯度以增加結晶潛熱的釋放，再降低結晶界面處熔體內軸向溫度梯度，以達到提高晶體等徑生長速度，縮短拉晶時間的生產目的。
一種增加晶體軸向溫度梯度的方法是在晶體生長方向上設置導流筒，從而在晶體生長過程中阻止坩堝及坩堝內的矽熔體對晶體表面的熱輻射，使晶體在軸向上的溫度梯度加大；同時導流筒還對從晶體生長爐上部導入的惰性氣體進行導流使之以較大的流速通過矽熔體表面，達到控制晶體內的氧含量和雜質含量的效果。
一種典型的導流筒結構包括內筒、外筒和設置在內筒與外筒之間的隔熱層，其中，內筒的厚度設置為較外筒的厚度小以保證導流筒的強度。然而，隨著晶圓尺寸的要求越來越大，現有的導流筒的絕熱效果已無法達到晶體在軸向上的溫度梯度要求。
為此，有必要提出一種新的晶體生長爐的導流筒和晶體生長爐，用以解決現有技術中的問題。
在發明內筒部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發明的發明內筒部分並不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特徵和必要技術特徵，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。
本發明提供了一種晶體生長爐的導流筒，包括內筒、外筒和設置在所述內筒和所述外筒之間的隔熱材料，其中所述內筒的熱阻較所述外筒的熱阻低。
示例性地，所述外筒的壁厚與所述內筒的壁厚的比值大於0且小於等於1，亦即，0＜外筒壁厚/內筒壁厚≦1。
示例性地，外筒的壁厚與所述內筒的壁厚的比值大於0且小於1，所述內筒和所述外筒設置為同一材料。示例性地，所述內筒和所述外筒均設置為石墨材料。
示例性地，所述內筒的壁厚的範圍為10-14毫米（mm），所述外筒的壁厚的範圍為6 mm-10mm。
示例性地，所述內筒與所述外筒設置為不同的材料，其中所述內筒的熱導率較所述外筒的熱導率大。
示例性地，所述內筒的材料設置為第一石墨材料，所述外筒的材料設置為第二石墨材料或陶瓷材料，其中所述第二石墨材料和所述陶瓷材料的熱導率小於所述第一石墨材料的熱導率。
示例性地，所述隔熱材料包括玻璃纖維、石棉、岩棉、軟氈或真空層。
本發明還提供了一種晶體生長爐，包括如前述的導流筒。
根據本發明的晶體生長爐的導流筒和晶體生長爐，將導流筒設置成包括內筒、外筒和設置在內筒和外筒之間的隔熱材料，使外筒的熱阻高於內筒的熱阻，降低了導流筒上外筒對內筒的傳熱，從而使內筒的溫度降低，有效增加了晶棒表面到導流筒內筒的輻射熱傳導，從而提升了晶棒的縱向溫度梯度；同時，使外筒的溫度上升，減少了矽熔體液面蒸發的矽氧化蒸汽（SiOx）在導流筒外筒上凝聚，從而減少了氧化物（SiOx）落入矽液產生雜質而發生多晶化（dislocation）的現象。
在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對於本領域技術人員而言顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對於本領域習知的一些技術特徵未進行描述。
為了徹底理解本發明，將在下列的描述中提出詳細的描述，以說明本發明所述的晶體生長爐的導流筒和晶體生長爐。顯然，本發明的施行並不限於半導體領域的技術人員所熟習的特殊細節。本發明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。
應予以注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施例，而非意圖限制根據本發明的示例性實施例。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式。此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在所述特徵、整體、步驟、操作、元件和/或元件，但不排除存在或附加一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、元件和/或它們的組合。
現在，將參照附圖更詳細地描述根據本發明的示例性實施例。然而，這些示例性實施例可以多種不同的形式來實施，並且不應當被解釋為只限於這裡所闡述的實施例。應當理解的是，提供這些實施例是為了使得本發明的公開徹底且完整，並且將這些示例性實施例的構思充分傳達給具本領域通常知識者。在附圖中，為了清楚起見，誇大了層和區域的厚度，並且使用相同的附圖標記表示相同的元件，因而將省略對它們的描述。
為了解決現有技術中的技術問題，本發明提供了一種晶體生長爐的導流筒和晶體生長爐。
實施例一
參見圖1、圖2和圖3對本發明所提出的一種晶體生長爐的導流筒和晶體生長爐進行示例性說明，圖1為根據本發明的一個實施例的一種晶體生長爐的結構示意圖；圖2為根據本發明的一個實施例的一種晶體生長爐的導流筒的結構示意圖；圖3A和圖3B分別為對現有技術中導流筒的內筒和對圖2中的內筒進行類比計算後得到的溫度分佈示意圖。
柴氏拉晶法（以下稱為“CZ法”）是矽晶圓的製造中最廣泛採用的單晶製備方法。CZ法是將晶種浸漬於石英坩堝內的熔融矽中，一邊提拉一邊使單晶生長的方法。通過CZ法形成的晶柱，進一步進行切割形成矽晶圓。一種典型的晶體生長爐的結構示意圖如圖1所示，晶體生長爐包括爐體1，爐體1內設置有坩堝101和對坩堝101進行加熱的加熱器102，坩堝101下方設置有坩堝驅動裝置（未示出）用以驅動坩堝101旋轉（如圖1中箭頭A所示）和在垂直方向上下移動（如圖1中箭頭B所示）。在拉晶過程中，在坩堝101內盛有矽熔體2，在爐體頂部設置的用以提拉晶棒201向上移動（如圖1中箭頭C所示）的提升裝置（未示出）從而達到晶體生長的目的。
如圖1所示，在晶體生長過程中，在晶棒201的四周設置有導流筒103。由於晶體生長過程中，隨著晶棒201的形成，晶棒201上軸向溫度梯度越大越有利於結晶潛熱的釋放，在晶棒201的四周設置導流筒103，一方面阻止坩堝101內的矽熔體2對晶棒201的表面產生熱輻射，有利於晶棒201上軸向溫度梯度的增加。另一方面，在晶體生長過程中，從爐體1上部導入的惰性氣體以避免矽熔體和矽晶棒氧化，導流筒還起到對惰性氣體進行整流的作用。
在根據本發明的導流筒103設置為上下開口的錐形桶狀結構，錐形桶狀結構底部直徑小於頂部直徑。導流筒103包括內筒、外筒和設置在內筒與外筒之間的隔熱層。
參見圖2，示出了根據本發明的一個實施例的一種晶體生長爐的導流筒側壁的截面結構示意圖。導流筒103包括內筒1031和外筒1032，內筒1031和外筒1032之間設置有隔熱材料1033。所述導流筒103的外筒1032具有大於所述導流筒103的內筒1031的熱阻。將導流筒設置成包括內筒、外筒和設置在內筒和外筒之間的隔熱材料，使外筒的熱阻高於內筒的熱阻，降低了導流筒上外筒對內筒的傳熱，從而使內筒的溫度降低，有效增加了晶棒表面到導流筒內筒的輻射熱傳導，從而提升了晶棒的縱向溫度梯度；同時，使外筒的溫度上升，減少了矽熔體液面蒸發的矽氧化蒸汽（SiOx）在導流筒外筒上凝聚，從而減少了氧化物（SiOx）落入矽液產生雜質而發生多晶化的現象。
示例性地，所述隔熱材料包括玻璃纖維、石棉、岩棉、軟氈、真空層等。在本發明的一個示例中，隔熱材料設置為在內筒和外筒之間的真空腔，最大限度的減少內筒和外筒之間的傳熱。
在一個示例中，所述內筒和所述外筒設置為同一材料，如石墨材料或碳-碳複合材料，將內筒的壁厚設置為較外筒的壁厚大。如圖2所示，內筒1031的壁厚D1較外筒1032的壁厚D2大，由於內筒1031與外筒1032的材料設置為相同，內筒1031的導熱性能較外筒1032的導熱性能好，即熱量從外筒1032導向內筒1031的少，相較於內筒1031壁厚較外筒1032壁厚小的情形，有效降低了內筒上的溫度，從而增加了晶棒301表面到內筒1031的輻射熱傳導，提升了晶棒201上的軸向溫度梯度。同時，在這種情況下，外筒1032上的溫度上升，減少了矽液面蒸發形成的矽氧化蒸汽（SiOx）在外筒1032上凝聚，減少了外筒1032上凝聚的氧化物（SiOx）落入矽液產生雜質而發生多晶化的現象。
示例性地，所述內筒和所述外筒均設置為石墨材料。由於石墨材料在高溫下仍具有較高的強度，在增加內筒壁厚，減少外筒壁厚的情況下，有效保證了導流筒的強度。
示例性地，所述內筒的壁厚的範圍為10-14mm，所述外筒的壁厚的範圍為6-10mm。將內筒和外筒的壁厚分別設置在10-14mm與6-10mm之間，內筒壁厚大於外筒的壁厚，同時，也保證外筒一定的散熱效率以及導流筒整體重量不至於過重。在本發明的一個示例中，內筒的壁厚設置為12mm，外筒的壁厚設置為8mm。
參見圖3A和圖3B，其分別示出了為對現有技術中導流筒的內筒和對圖2中的內筒進行類比計算後得到的溫度分佈示意圖，其中，圖3A示出了對現有技術中壁厚為6mm的導流筒內筒進行類比計算後得到的溫度分佈示意圖；圖3B示出了對圖2中壁厚為12mm的導流筒內筒進行類比計算得到的溫度分佈示意圖。如圖3A所示，在壁厚為6mm的情況下，內筒底部溫度達到1000℃，頂部溫度為800℃；如圖3B所示，在壁厚為12mm的情況下，內筒底部溫度為930℃，頂部溫度為690℃，顯然，在壁厚為6mm的情況下的溫度梯度（0.2）小於壁厚為12mm情況下的溫度梯度（0.26）。有利於增加晶棒表面到內筒的輻射熱傳導。
需要理解的是，本實施例採用將內筒和外筒設置為同一材料，並將內筒的壁厚設置為較外筒的壁厚大以設置外筒熱阻大於內筒熱阻的情形，僅為示例性。任何熱阻大於內筒熱阻的情形均適用于本發明。
實施例二
下面參見圖1和圖4對本發明所提出的一種晶體生長爐的導流筒和晶體生長爐進行示例性說明，圖1為根據本發明的一個實施例的一種晶體生長爐的結構示意圖；圖4為根據本發明的一個實施例的一種晶體生長爐的導流筒的結構示意圖。
參見圖1，示出根據本發明的一個實施例的一種晶體生長爐的結構示意圖。如圖1所示，晶體生長爐包括爐體1，爐體1內設置有坩堝101和對坩堝101進行加熱的加熱器102，坩堝101下方設置有坩堝驅動裝置（未示出）用以驅動坩堝101旋轉（如圖1中箭頭A所示）和在垂直方向上上下移動（如圖1中箭頭B所示）。在拉晶過程中，在坩堝101內盛有矽熔體2，在爐體頂部設置的用以提拉晶棒201向上移動（如圖1中箭頭C所示）的提升裝置（未示出）從而達到晶體生長的目的。
如圖1所示，在晶體生長過程中，在晶棒201的四周設置有導流筒103。由於晶體生長過程中，隨著晶棒201的形成，晶棒201上軸向溫度梯度越大越有利於結晶潛熱的釋放，在晶棒201的四周設置導流筒103，一方面阻止坩堝101內的矽熔體2對晶棒201的表面產生熱輻射，有利於晶棒201上軸向溫度梯度的增加。另一方面，在晶體生長過程中，從爐體1上部導入的惰性氣體以避免矽熔體和矽晶棒氧化，導流筒還起到對惰性氣體進行整流的作用。
在根據本發明的導流筒103設置為上下開口的錐形桶狀結構，錐形桶狀結構底部直徑小於頂部直徑。導流筒103包括內筒、外筒和設置在內筒與外筒之間的隔熱層。
參見圖4，示出了根據本發明的一個實施例的一種晶體生長爐的導流筒側壁的截面結構示意圖。導流筒103包括內筒1031和外筒1032，內筒1031和外筒1032之間設置有隔熱材料1033。所述導流筒103的外筒1032大於所述導流筒103的內筒1031的熱阻。將導流筒設置成包括內筒、外筒和設置在內筒和外筒之間的隔熱材料，使外筒的熱阻高於內筒的熱阻，降低了導流筒上外筒對內筒的傳熱，從而使內筒的溫度降低，有效增加了晶棒表面到導流筒內筒的輻射熱傳導，從而提升了晶棒的縱向溫度梯度；同時，使外筒的溫度上升，減少了矽熔體液面蒸發的矽氧化蒸汽（SiOx）在導流筒外筒上凝聚，從而減少了氧化物（SiOx）落入矽液產生雜質而發生多晶化的現象。
示例性地，所述隔熱材料包括玻璃纖維、石棉、岩棉、軟氈、真空層等。在本發明的一個示例中，隔熱材料設置為在內筒和外筒之間的真空腔，最大限度的減少內筒和外筒之間的傳熱。
在一個示例中，所述內筒與所述外筒設置為不同的材料，其中所述內筒的熱導率較所述外筒的熱導率大。通過不同的熱導率，在內筒和外筒之間具有不同的熱阻，從而內筒更容易輻射傳熱，而外筒更不容易輻射傳熱，達到降低內筒溫度，增加外筒溫度的效果。如圖4所示，內筒1031的材料與外筒1032的厚度設置為相同，材料設置不同。其中，內筒1031的材料的熱導率較外筒1032的熱導率大，內筒1031的導熱性能較外筒1032的導熱性能好，即熱量從外筒1032導向內筒1031的少，有效降低了內筒上的溫度，從而增加了晶棒301表面到內筒1031的輻射熱傳導，提升了晶棒201上的軸向溫度梯度。同時，在這種情況下，外筒1032上的溫度上升，減少了矽液面蒸發形成的矽氧化蒸汽（SiOx）在外筒1032上凝聚，減少了外筒1032上凝聚的氧化物（SiOx）落入矽液產生雜質而發生多晶化的現象。同時，內筒1031和外筒1032設置為相同的厚度，可以在提升內筒導熱性能、降低外筒導熱性能的同時保證導流筒的強度。示例性地，所述內筒的材料設置為第一石墨材料，所述外筒的材料設置為第二石墨材料或陶瓷材料，所述第一石墨材料具有較所述第二石墨材料和所述陶瓷材料較大的熱導率，如SiC陶瓷。
需要理解的是，本實施例中將內筒和外筒設置為相同的厚度，以及將內筒設置為石墨材料，外筒設置為SiC陶瓷材料僅僅是示例性地，任何使內筒的熱導率較外筒的熱導率大的材料的組合均適用于本發明。
至此已完成對本發明的晶體生長爐的導流筒和晶體生長爐，根據本發明的晶體生長爐的導流筒和晶體生長爐，將導流筒設置成包括內筒、外筒和設置在內筒和外筒之間的隔熱材料，使外筒的熱阻高於內筒的熱阻，降低了導流筒上外筒對內筒的傳熱，從而使內筒的溫度降低，有效增加了晶棒表面到導流筒內筒的輻射熱傳導，從而提升了晶棒的縱向溫度梯度；同時，使外筒的溫度上升，減少了矽熔體液面蒸發的矽氧化蒸汽（SiOx）在導流筒外筒上凝聚，從而減少了氧化物（SiOx）落入矽液產生雜質而發生多晶化的現象。
本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制於所描述的實施例範圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發明並不侷限於上述實施例，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的範圍以內。本發明的保護範圍由附屬的申請專利範圍及其等效範圍所界定。
1:爐體 101:坩堝 102:加熱器 103:導流筒 1031:內筒 1032:外筒 1033:隔熱材料 2:矽熔體 201:晶棒 D1、D2:壁厚
圖1為根據本發明一實施例的晶體生長爐的結構示意圖。
圖2為根據本發明一實施例的晶體生長爐的導流筒的結構示意圖。
圖3A和圖3B分別為對習知導流筒的內筒和對圖2中的內筒進行類比計算後得到的溫度分佈示意圖。
圖4為根據本發明一實施例的晶體生長爐的導流筒的結構示意圖。
103:導流筒
1031:內筒
1032:外筒
1033:隔熱材料
D1、D2:壁厚

Claims (8)

  1. 一種晶體生長爐的導流筒，包括內筒、外筒和設置在所述內筒和所述外筒之間的隔熱材料，其中所述內筒的熱阻較所述外筒的熱阻低，且其中所述外筒的壁厚與所述內筒的壁厚的比值大於0且小於等於1。
  2. 如申請專利範圍第1項的導流筒，其中所述內筒和所述外筒設置為同一材料。
  3. 如申請專利範圍第1項的導流筒，其中所述內筒和所述外筒均設置為石墨材料。
  4. 如申請專利範圍第3項的導流筒，其中所述內筒的壁厚的範圍為10-14mm，所述外筒的壁厚的範圍為6mm-10mm。
  5. 如申請專利範圍第1項的導流筒，其中所述內筒與所述外筒設置為不同的材料，其中所述內筒的熱導率較所述外筒的熱導率大。
  6. 如申請專利範圍第4項的導流筒，其中所述內筒的材料設置為第一石墨材料，所述外筒的材料設置為第二石墨材料或陶瓷材料，其中所述第二石墨材料和所述陶瓷材料的熱導率小於所述第一石墨材料的熱導率。
  7. 如申請專利範圍第1項的導流筒，其中所述隔熱材料包括玻璃纖維、石棉、岩棉、軟氈或真空層。
  8. 一種晶體生長爐，包括如申請專利範圍第1-7項任一項所述的導流筒。
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