TWI730594B - 一種半導體晶體生長裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種半導體晶體生長裝置，所述裝置包括：爐體；坩堝，所述坩堝設置在所述爐體內部，用以容納矽熔體；提拉裝置，所述提拉裝置設置在所述爐體頂部，用以從所述矽熔體內提拉出矽晶棒；以及熱屏裝置，所述熱屏裝置包括導流筒，所述導流筒呈桶狀並繞所述矽晶棒四周設置，用以對從所述爐體頂部輸入的氬氣進行整流並調整所述矽晶棒和所述矽熔體液面之間的熱場分佈；其中，所述熱屏裝置還包括在所述導流筒下端內側設置的調整裝置，用以調整所述熱屏裝置與所述矽晶棒之間的最小距離。根據本發明，通過在導流筒下端內側設置調整裝置，在不改變導流筒形狀、位置的情況下調整矽晶棒和與其靠近熱屏裝置之間的距離，提升了晶體生長速度和質量。

Description

一種半導體晶體生長裝置
本發明涉及半導體製造領域，具體而言涉及一種半導體晶體生長裝置。
直拉法（Cz）是製備半導體及太陽能用矽單晶的一種重要方法，通過碳素材料組成的熱場對放入坩堝的高純矽料進行加熱使之熔化，之後通過將籽晶浸入熔體當中並經過一系列（引晶、放肩、等徑、收尾、冷卻）工藝過程，最終獲得單晶棒。
在拉晶過程中，往往在產生的矽晶棒四周設置熱屏裝置，如導流筒（或反射屏），一方面用以在晶體生長過程中隔離石英坩堝以及坩堝內的矽熔體對晶體表面產生的熱輻射，使晶棒的軸向溫度梯度加大，徑向溫度分佈盡可能均衡，使晶棒的生長速度控制在合適的範圍內，同時控制晶體的內部缺陷等；另一方面用以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矽熔體表面，達到控制矽晶棒晶體內氧含量和雜質含量的效果。
在半導體晶體生長裝置的設計過程中，往往需要考慮熱屏裝置與矽熔體液面和晶棒之間的距離，以控制晶棒的軸向溫度梯度和徑向溫度分佈。具體的，在設計過程中，往往需要考慮熱屏裝置液面的最小距離（以下稱液面距Drm）和熱屏裝置和晶棒之間的最小距離（以下稱晶棒距Drc）這兩個重要參數。其中，Drm控制矽晶體在拉晶液面之間的穩定生長，Drc控制矽晶棒在軸向方向上的溫度梯度。為了實現矽晶棒和矽熔體液面之間的矽晶體的穩定生長，往往通過控制坩堝的上升速度以控制Drm穩定在合適的範圍內。而在熱屏裝置固定的情況下，導流筒形狀和位置固定，在矽晶棒的直徑一定的情況下，要進一步減小Drc以實現矽晶體較大的軸向溫度梯度卻很難通過熱屏裝置本身的控制實現。
為此，有必要提出一種新的半導體晶體生長裝置，用以解決現有技術中的問題。
在發明內容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。本發明的發明內容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。
本發明提供了一種半導體晶體生長裝置，所述裝置包括： 爐體； 坩堝，所述坩堝設置在所述爐體內部，用以容納矽熔體； 提拉裝置，所述提拉裝置設置在所述爐體頂部，用以從所述矽熔體內提拉出矽晶棒；以及 熱屏裝置，所述熱屏裝置包括導流筒，所述導流筒呈桶狀並繞所述矽晶棒四周設置，用以對從所述爐體頂部輸入的氬氣進行整流並調整所述矽晶棒和所述矽熔體液面之間的熱場分佈；其中，所述熱屏裝置還包括在所述導流筒下端內側設置的調整裝置，用以調整所述熱屏裝置與所述矽晶棒之間的最小距離。
示例性地，所述調整裝置包括環繞所述導流筒內側設置的環形裝置。
示例性地，所述環形裝置由至少兩個弧形部件拼接而成。
示例性地，所述調整裝置與所述導流筒可拆卸地連接。
示例性地，所述導流筒包括內筒、外筒以及隔熱材料，其中，所述外筒的底部延伸至所述內筒底部下方並與所述內筒底部閉合以在內筒和外筒之間形成空腔，所述隔熱材料設置在所述空腔內。
示例性地，所述調整裝置包括插入部和突出部，所述插入部插入所述外筒底部延伸至所述內筒底部下方的部分與所述內筒底部之間的位置。
示例性地，所述調整裝置的截面呈倒L型或逆時針旋轉90°的T型。
示例性地，所述突出部設置為倒三角形或者向所述矽晶棒一側突出的形狀。
示例性地，所述突出部向下延伸超出所述導流筒底部。
示例性地，所述突出部向下延伸超出所述導流筒底部的形狀包括內凹型曲面或外凸型曲面
示例性地，所述調整裝置的材料包括低導熱係數材料。
示例性地，所述調整裝置的材料包括單晶矽、石墨、石英、高熔點金屬或者前述材料的組合。
示例性地，所述突出部面向所述矽晶棒的一側設置有低熱輻射係數層，以進一步改變所述調整裝置與所述矽晶棒表面之間的輻射傳熱。
根據本發明的半導體晶體生長裝置，在熱屏裝置設計中，通過在導流筒下端內側設置調整裝置，可以實現在不改變導流筒形狀、位置的情況下，減小熱屏裝置與晶棒之間的最小距離，提高了矽晶棒的軸向溫度梯度，從而提升了晶體生長速度；與此同時，晶棒中心和邊緣的軸向溫度梯度的差值減小，有利於晶體的穩定生長。同時調整裝置通過熱屏裝置與晶棒之間的最小距離Drc可以改變氬氣通過導流筒流向矽熔體液面及其從矽熔體液面向徑向方向展開的氣體流速，調節晶體的含氧量，進一步提升了拉晶質量。
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，對於本領域公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半導體晶體生長裝置。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/或組件，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、組件和/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本領域普通技術人員。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，本發明提供了一種半導體晶體生長裝置，所述裝置包括： 爐體； 坩堝，所述坩堝設置在所述爐體內部，用以容納矽熔體； 提拉裝置，所述提拉裝置設置在所述爐體頂部，用以從所述矽熔體內提拉出矽晶棒；以及 熱屏裝置，所述熱屏裝置包括導流筒，所述導流筒呈桶狀並繞所述矽晶棒四周設置，用以對從所述爐體頂部輸入的氬氣進行整流並調整所述矽晶棒和所述矽熔體液面之間的熱場分佈；其中，所述熱屏裝置還包括在所述導流筒下端內側設置的調整裝置，用以調整所述熱屏裝置與所述矽晶棒之間的最小距離。
下面參看圖1和圖2對本發明所提出的一種半導體晶體生長裝置進行示例性說明，圖1為根據本發明的一個實施例的一種半導體晶體生長裝置的結構示意圖；圖2為根據本發明的一個實施例的一種調整裝置安裝在導流筒上的結構示意圖；圖3A-圖3C分別為根據本發明的一個實施例的一種調整裝置的結構示意圖。
直拉法（Cz）是製備半導體及太陽能用矽單晶的一種重要方法，通過碳素材料組成的熱場對放入坩堝的高純矽料進行加熱使之熔化，之後通過將籽晶浸入熔體當中並經過一系列（引晶、放肩、等徑、收尾、冷卻）工藝過程，最終獲得單晶棒。
參看圖1，其示出了根據本發明的一個實施例的半導體晶體生長裝置。半導體晶體生長裝置包括爐體1，爐體1內設置有坩堝11，坩堝11外側設置有對其進行加熱的加熱器12，坩堝11內容納有矽熔體13。
在爐體1頂部設置有提拉裝置14，在提拉裝置14的帶動下，籽晶從矽熔體液面提拉拉出矽晶棒10，同時環繞矽晶棒10四周設置熱屏裝置，示例性的，如圖1所示，熱屏裝置包括有導流筒16，導流筒16設置為圓錐桶型，其作為熱屏裝置一方面用以在晶體生長過程中隔離石英坩堝以及坩堝內的矽熔體對晶體表面產生的熱輻射，提升晶棒的冷卻速度和軸向溫度梯度，增加晶體生長數量，另一方面，影響矽熔體表面的熱場分佈，而避免晶棒的中心和邊緣的軸向溫度梯度差異過大，保證晶棒與矽熔體液面之間的穩定生長；同時導流筒還用以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，達到控制晶體內氧含量和雜質含量的效果。繼續參看圖1，導流筒16底部與矽熔體13液面之間的最小距離作為熱屏裝置與矽熔體之間的最小距離，稱為液面面距，以Drm表示；導流筒16最靠近矽晶棒10處距離矽晶棒的最小距離作為熱屏裝置與矽晶棒之間的最小距離稱為晶棒距，以Drc表示。
為了實現矽晶棒的穩定增長，在爐體1底部還設置有驅動坩堝11旋轉和上下移動的驅動裝置15，驅動裝置15驅動坩堝11在拉晶過程中保持旋轉是為了減少矽熔體的熱的不對稱性，使矽晶柱等徑生長；驅動裝置15驅動坩堝上下移動是為了控制液面距Drm在合理的範圍內，保持矽熔體液面的熱輻射穩定性，以滿足矽晶棒穩定生長的要求。示例性的，驅動裝置15驅動坩堝上下移動將液面距Drm控制在20mm至80mm之間。
然而在熱屏裝置固定的情況下，導流筒形狀和位置固定，在矽晶棒形狀一定的情況下，要進一步減小Drc以實現矽晶棒較大的軸向溫度梯度卻很難通過裝置本身的控制實現。
為此，參看圖2，在本發明的半導體晶體生長裝置中，在導流筒16的下端設置有調整裝置17，使調整裝置17和導流筒16一起作為熱屏裝置對矽熔體液面和晶棒之間的熱場分佈進行調整。具體的，在導流筒下端內側設置調整裝置，在不調整導流筒尺寸和位置的情況下，相較於未安裝調整裝置的情形，使得熱屏裝置與矽晶棒之間的最小距離Drc由初始的導流筒與晶棒之間的最小距離變化為調整裝置與晶棒之間的最小距離，從而使熱屏裝置與晶棒之間的最小距離Drc減小，使熱屏裝置重新對矽晶棒和熱屏裝置之間，熱屏裝置和矽熔體液面之間的輻射能量進行調整，進而對晶體表面的熱流束強度和分佈進行調整，使矽晶棒中心和邊緣的軸向溫度梯度增加，有效提高了晶體生長速度；與此同時，中心和邊緣的軸向溫度梯度的差值減小，有利於晶體在矽熔體液面上的穩定生長。同時調整裝置還減小了氬氣通過導流筒流向矽熔體液面的通道尺寸，從而調整氬氣從矽熔體液面徑向方向展開的氣體流速，調節生長的晶體的含氧量，進一步提升了拉晶質量。
進一步，設置調整裝置的情況下，使得熱屏裝置與矽晶棒之間的最小距離Drc減小，使得矽熔體液面向晶棒輻射傳熱減小，增加了晶棒的軸向溫度梯度，有利於提高晶體的生長速度，與此同時還可以降低晶體生長的加熱器的功率消耗；在導流筒和晶棒之間設置調整裝置，還能夠減少導流筒向晶棒的輻射傳熱，從而減少晶棒中心和邊緣的軸向溫度梯度的差值，使得晶體生長的工藝窗口（拉速範圍）變寬，提高製品的良率。
所述導流筒呈桶狀、繞所述矽晶棒四周設置，示例性的，所述調整裝置17設置為環繞所述導流筒內側的環形裝置。
示例性的，所述調整裝置與所述導流筒可拆卸的連接。
進一步，示例性的，所述環形裝置由至少兩個弧形部件拼接而成。由於拉晶過程處於高溫環境，為了避免在調整裝置在高溫環境下膨脹，而導致與導流筒安裝配合不穩定，採用將環形的調整裝置設置為多段弧形，多段弧形之間的縫隙設置有效避免因為膨脹導致的調整裝置與導流筒配合不穩定的問題，同時，將環形的調整裝置設置為多段弧形也可以進一步簡化調整裝置安裝到導流筒上的過程。
繼續參看圖2，根據本發明的一個實施例，導流筒16包括內筒161、外筒162以及設置在內筒161和外筒162之間的隔熱材料163，其中，外筒162的底部延伸至內筒161的底部下方並與內筒161的底部閉合以在內筒161和外筒162之間形成容納隔熱材料163的空腔。將導流筒設置為包括內筒、外筒和隔熱材料的結構，可以簡化導流筒的安裝。示例性的，內筒和外筒的材料設置為石墨，隔熱材料包括玻璃纖維、石棉、岩棉、矽酸鹽、氣凝膠氈、真空板等。
繼續參看圖2，在導流筒16設置為包括內筒161、外筒162以及設置在內筒161和外筒162之間的隔熱材料163的形式下，調整裝置17包括突出部171和插入部172，所述插入部172設置為插入外筒162底部延伸至內筒161底部下方的部分與內筒161底部之間的位置。將調整裝置以插入的形式安裝在導流筒上，而不需要對導流筒進行改造，就可實現調整裝置的安裝，進一步簡化調整裝置與導流筒的製造和安裝成本。同時，插入部插入外筒底部和內筒底部之間的位置，有效減小了外筒向內筒的熱傳導，降低了內筒的溫度，進一步減少了內筒向晶棒的輻射傳熱，有效減小了矽晶棒中心和外周的軸向溫度梯度的差值，提升了拉晶質量。
示例性的，所述調整裝置設置為低熱導係數材料。進一步，示例性的所述低熱傳導係數材料包括熱導係數小於 5-10 W/m*K的材料。示例性的，所述調整裝置的材料設置為SiC陶瓷、石英、單晶矽、石墨、石英、高熔點金屬或者前述材料的組合等。
需要理解的是，本實施例中將調整裝置設置為可拆卸的安裝在導流筒上，一方面是為了實現兩者之間的安裝和分別製造，簡化製造過程，減少製造成本；另一方面還能夠對調整裝置進行單獨更換，將調整裝置作為耗材部件進行加工和使用，使調整裝置形成系列化產品，縮短研發週期，降低開發成本。本領域技術人員應當理解，將調整裝置設置為與導流筒內筒一體製造，也適用于與本發明。
示例性的，所述調整裝置截面呈倒L型或逆時針旋轉90°的T型。繼續參看圖2，調整裝置17的截面呈逆時針旋轉90°的T型，其中插入部172插入外筒162底部延伸至內筒161底部下方的部分與內筒161底部之間的位置，突出部171呈倒三角形使晶棒與熱屏裝置之間的最小距離減小。
需要理解的是，突出部設置為倒三角形僅僅是示例性的，其還可以設置為向矽晶棒一側突出的任何形狀，任何能夠減小晶棒與熱屏裝置之間的最小距離的形狀設置均適用于本發明。
參看圖3A-圖3C，其中示出了突出部171設置為向晶棒一側突出的形狀。如圖3A-圖3C所示，突出部171向下延伸超出所述導流筒底部，如圖中箭頭P示出的部分。如圖2所示，突出部向下伸出導流筒底部，在不改變導流筒尺寸和位置的情況下，熱屏裝置與矽熔體液面之間的最小距離Drm由導流筒底部與矽熔體液面之間的最小距離變為調整裝置突出部下端與矽筒體液面之間的最小距離，從而使熱屏裝置與矽熔體液面之間的最小距離Drm減小，從而改變氬氣通過導流筒流向矽熔體液面以及從矽熔體液面向徑向方向展開的氣體流速，控制在矽晶體周邊附近的矽熔體內部的氧濃度，調節晶體的含氧量，進一步提升了拉晶質量。
示例性地，所述突出部171的向下延伸超出所述導流筒底部的形狀包括內凹型曲面（如圖3B所示）或外凸型曲面（如圖3C所示）。將突出部向下延長超出所述導流筒底部的形狀設置為內凹型曲面或者外凸型曲面，通過調整裝置與矽熔體液面之間相對的形狀可以進一步調整矽晶棒表面、矽熔體液面和調整裝置之間的輻射傳熱，調整晶體表面沿軸向的方向，晶體向外部釋放的熱流束的變化，使得中心和邊緣的軸向溫度梯度的差值減小，以達到晶體和熔體間的界面形狀更加平坦，減小晶體的徑向差異的效果。
示例性的，所述突出部面向矽晶棒的一側設置有低熱輻射係數（高反射係數）層，以進一步減少導流筒與矽晶棒表面的輻射傳熱。所述熱輻射係數e在0-1之間（反射係數p=1-e）。示例性的，所述低輻射係數材料的熱輻射系統e＜0.5。在一個示例中，所述突出部採用拋光的不銹鋼，其中，拋光的不銹鋼表面，其中熱輻射係數e=0.2－0.3。
示例性的，所述調整裝置的材料設置為石墨，在所述石墨表面進行表面處理形成SiC塗層和/或熱分解碳塗層，其塗層的厚度在10µm-100µm之間，其中熱分解碳塗層的表面緻密性高，高溫的熱反射係數較高，表面處理的方式包括化學氣相沉積等。
示例性地，在所述調整裝置的突出部的形狀和表面施以塗層處理，以形成表面的高反射係數（低熱輻射係數）層，改變矽晶棒表面，液面和調整裝置之間的輻射傳熱，調整晶體表面沿軸向的方向，晶體向外部釋放的熱流束的變化，使得中心和邊緣的軸向溫度梯度的差值減小，以達到晶體和熔體間的界面形狀更加平坦，減小晶體的徑向差異的效果。
上面已經對根據本發明的一種半導體晶體生長裝置進行了示例性的介紹，需要理解的是，本實施例中對半導體晶體生長裝置中的調整裝置的形狀、安裝方式材料等的限定，僅僅是示例性的，任何能夠減小晶棒與熱屏裝置之間的最小距離的調整裝置均適用于本發明。
綜上所示，根據本發明的半導體晶體生長裝置，通過在導流筒下端內側設置調整裝置，在不改變導流筒形狀、位置的情況下，減小了熱屏裝置與晶棒之間的最小距離，提高了矽晶棒的軸向溫度梯度，從而調高了晶體生長速度；與此同時，中心和邊緣的軸向溫度梯度的差值減小，有利於晶體的穩定生長。同時調整裝置通過熱屏裝置與晶棒之間的最小距離，減小了氬氣從導流筒流向矽熔體液面的通道尺寸，可以改變氬氣通過導流筒流向矽熔體液面以及從矽熔體液面向徑向方向展開的氣體流速，控制在矽晶體周邊附近的矽熔體內部的氧濃度，調節晶體的含氧量，進一步提升了拉晶質量。
本發明已經利用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，本發明並不局限於上述實施例，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 10:矽晶棒 11:坩堝 12:加熱器 13:矽熔體 14:提拉裝置 15:驅動裝置 16:導流筒 17:調整裝置 161:內筒 162:外筒 163:隔熱材料 171:突出部 172:插入部
本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用於理解本發明。附圖中示出了本發明的實施例及其描述，用來解釋本發明的原理。 附圖中：
圖1為根據本發明的一個實施例的一種半導體晶體生長裝置的結構示意圖；
圖2為根據本發明的一個實施例的一種調整裝置安裝在導流筒上的結構示意圖；
圖3A-圖3C分別為根據本發明的一個實施例的一種調整裝置的結構示意圖。
10:矽晶棒
13:矽熔體
17:調整裝置
161:內筒
162:外筒
163:隔熱材料
171:突出部
172:插入部

Claims (11)

  1. 一種半導體晶體生長裝置，包括：爐體；坩堝，所述坩堝設置在所述爐體內部，用以容納矽熔體；提拉裝置，所述提拉裝置設置在所述爐體頂部，用以從所述矽熔體內提拉出矽晶棒；以及熱屏裝置，所述熱屏裝置包括導流筒，所述導流筒呈桶狀並繞所述矽晶棒四周設置，用以對從所述爐體頂部輸入的氬氣進行整流並調整所述矽晶棒和所述矽熔體液面之間的熱場分佈；其中，所述熱屏裝置還包括在所述導流筒下端內側設置的調整裝置，用以調整所述熱屏裝置與所述矽晶棒之間的最小距離，其中所述導流筒包括內筒、外筒以及隔熱材料，其中，所述外筒的底部延伸至所述內筒底部下方並與所述內筒底部閉合以在內筒和外筒之間形成空腔，所述隔熱材料設置在所述空腔內，且其中所述調整裝置包括插入部和突出部，所述插入部插入所述外筒底部延伸至所述內筒底部下方的部分與所述內筒底部之間的位置。
  2. 根據請求項1所述的半導體晶體生長裝置，其中所述調整裝置包括環繞所述導流筒內側設置的環形裝置。
  3. 根據請求項2所述的半導體晶體生長裝置，其中所述環形裝置由至少兩個弧形部件拼接而成。
  4. 根據請求項1所述的半導體晶體生長裝置，其中所述調整裝置與所述導流筒可拆卸地連接。
  5. 根據請求項1所述的半導體晶體生長裝置，其中所述調整裝置的截面呈倒L型或逆時針旋轉90°的T型。
  6. 根據請求項1所述的半導體晶體生長裝置，其中所述突出部設置為倒三角形或者向所述矽晶棒一側突出的形狀。
  7. 根據請求項6所述半導體晶體生長裝置，其中所述突出部向下延伸超出所述導流筒底部。
  8. 根據請求項6所述半導體晶體生長裝置，其中所述突出部向下延伸超出所述導流筒底部的形狀包括內凹型曲面或外凸型曲面。
  9. 根據請求項1所述的半導體晶體生長裝置，其中所述調整裝置的材料包括低導熱係數材料。
  10. 根據請求項1所述的半導體晶體生長裝置，其中所述調整裝置的材料包括單晶矽、石墨、石英、高熔點金屬或者前述材料的組合。
  11. 根據請求項7所述的半導體晶體生長裝置，其中所述突出部面向所述矽晶棒的一側設置有低熱輻射係數層，以進一步改變所述調整裝置與所述矽晶棒表面之間的輻射傳熱。
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