TWI738466B

TWI738466B - 晶體生長裝置

Info

Publication number: TWI738466B
Application number: TW109127848A
Authority: TW
Inventors: 沈偉民; 王剛
Original assignee: 大陸商上海新昇半導體科技有限公司
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2020-08-17
Publication date: 2021-09-01
Also published as: TW202124792A; CN110528063A; US20210071313A1

Abstract

本發明提供一種晶體生長裝置，包括：坩堝，配置為盛裝用於晶體生長的熔體；加熱器，設置於所述坩堝周圍，配置為加熱所述坩堝；均熱套筒，所述均熱套筒設置於所述加熱器與所述坩堝之間，所述均熱套筒的側壁包括厚壁區域和薄壁區域，其中，所述薄壁區域與高溫區域對應設置，所述厚壁區域與低溫區域對應設置。根據本發明提供的晶體生長裝置，透過在加熱器與坩堝之間設置均熱套筒，所述均熱套筒的側壁包括厚壁區域和薄壁區域，利用壁厚的不同調節加熱器對石墨坩堝輻射能量，平衡溫度的影響，使坩堝在旋轉中從晶體生長裝置輻射的熱量盡可能相同。

Description

晶體生長裝置

本發明涉及晶體生長技術領域，具體而言涉及一種晶體生長裝置。

隨著積體電路（Integrated Circuit，IC）產業的迅猛發展，元件製造商對IC級單晶矽材料提出了更加嚴格的要求，而大直徑單晶矽是備製元件所必須的基板材料。提拉法（Czochralski，CZ法）是現有技術中由熔體生長單晶的一項最主要的方法，其具體做法是將構成晶體的原料放在石英坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提拉熔體，在受控條件下，使籽晶和熔體在交界面上不斷進行原子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長出晶體。

現有的晶體生長裝置中加熱器環繞坩堝設置，然而，通常環形加熱器採用將多個加熱器間隔設置或者加熱器中僅部分位置通電加熱，因此，在圓周方向上加熱區域是不均勻的，例如加熱器在某一個高度位置的圓周方向上其溫度會呈現高-低-高-低的變化，而且熱輻射導致旋轉中的石墨坩堝的表面溫度也會發生週期性的變化，石墨坩堝發生熱循環應力，縮短了坩堝的使用壽命。

因此，有必要提出一種晶體生長裝置，以解決上述問題。

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。

本發明提供一種晶體生長裝置，包括：坩堝，配置為盛裝用於晶體生長的熔體；加熱器，設置於所述坩堝周圍，配置為加熱所述坩堝；均熱套筒，所述均熱套筒設置於所述加熱器與所述坩堝之間，所述均熱套筒的側壁包括厚壁區域和薄壁區域，其中，所述薄壁區域與高溫區域對應設置，所述厚壁區域與低溫區域對應設置。

進一步，所述厚壁區域的內壁與所述坩堝之間的距離小於所述薄壁區域的內壁與所述坩堝之間的距離。

進一步，所述高溫區域包括所述加熱器或者所述加熱器的加熱區域，所述加熱器的加熱區域包括通電的電極。

進一步，所述低溫區域包括所述加熱器之間的間隔或者所述加熱器的非加熱區域，所述加熱器的非加熱區域包括不通電的電極。

進一步，所述厚壁區域與所述薄壁區域的厚度差範圍是2 mm至10 mm。

進一步，所述均熱套筒均分為多個所述厚壁區域與多個所述薄壁區域，所述厚壁區域與所述薄壁區域交替設置。

進一步，所述均熱套筒為整體構造或者由多個分體組合而成。

進一步，所述均熱套筒的構成材料包括石墨或石墨碳纖維材料。

根據本發明提供的晶體生長裝置，透過在加熱器與坩堝之間設置均熱套筒，所述均熱套筒的側壁包括厚壁區域和薄壁區域，利用壁厚的不同調節加熱器對石墨坩堝輻射能量，平衡溫度的影響，使石墨坩堝在旋轉中從晶體生長裝置輻射的熱量盡可能相同。

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步驟，以便闡釋本發明提出的晶體生長裝置。顯然，本發明的施行並不限定於本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。

在此使用的術語的目的僅在於描述具體實施例並且不作為本發明的限制。在此使用時，單數形式的“一”、“一個”和“所述/該”也意圖包括複數形式，除非上下文清楚指出另外的方式。還應明白術語“組成”和/或“包括”，當在該說明書中使用時，確定所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或更多其它的特徵、整數、步驟、操作、元件、部件和/或組的存在或添加。在此使用時，術語“和/或”包括相關所列項目的任何及所有組合。

為了徹底理解本發明，將在下列的描述中提出詳細的步驟以及詳細的結構，以便闡釋本發明提出的技術方案。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。

如圖1所示的晶體生長裝置，包括爐體1，所述爐體1中包括坩堝5，所述坩堝5的外圍設置有加熱器6，所述坩堝5中有熔體4，所述熔體4的上方為晶體2，所述坩堝5的上方圍繞所述晶體2設置有反射屏3。作為一個實例，坩堝5中的熔體4為矽熔體，生長的晶體2為單晶矽棒。

示例性地，所述爐體1為不銹鋼腔體，所述爐體1內為真空或者充滿保護氣體。作為一個實例，所述保護氣體為氬氣，其純度為97％以上，壓力為5 mbar-100 mbar，流量為70 slpm -200 slpm。

示例性地，所述坩堝5由耐高溫耐腐蝕材料製成，坩堝5內盛裝有用於晶體生長的熔體。在一個實施例中，坩堝5包括石英坩堝和/或石墨坩堝，坩堝5內盛裝有矽料，例如多晶矽。矽料在坩堝5中被加熱為用於生長單晶矽棒的矽熔體，具體地，將籽晶浸入矽熔體中，利用籽晶軸帶動籽晶旋轉並緩慢提拉，以使矽原子沿籽晶生長為單晶矽棒。所述籽晶是由一定晶向的單晶矽切割或鑽取而成，常用的晶向為＜100＞、＜111＞、＜110＞等，所述籽晶一般為圓柱體。

示例性地，所述坩堝5的外圍設置有加熱器6，所述加熱器6為石墨加熱器，可以設置在坩堝5的側面，配置為對坩堝5進行加熱。進一步，所述加熱器6包括圍繞坩堝5進行設置的一個或多個加熱器，以使坩堝5的熱場分佈均勻。

示例性地，爐體1內還設置有反射屏3，其位於坩堝5的上方，並且位於晶體2的外側圍繞所述晶體2設置，避免熔體4的熱量以熱輻射等形式傳遞到爐體1中，造成熱損失。

進一步，晶體生長裝置還包括坩堝升降機構7，配置為支撐和旋轉坩堝軸，以實現坩堝7的升降。

進一步，晶體生長裝置還包括隔熱結構8，設置於爐體1的側壁內側，以防止熱量散失並實現爐體1的保溫。如圖1所示，反射屏3透過固定結構與隔熱結構8相連，以將反射屏3固定在坩堝5的上方。

然而，在現有技術中，在圓周方向上的加熱區域是不均勻的，這是將多個加熱器間隔設置或者一個加熱器中僅部分位置通電加熱導致的。在一個實施例中，加熱器6為圓環形的單個加熱器，其環繞坩堝5設置，但該圓環形加熱器配有多個（例如，四個）石墨電極座，固定在爐體1的四個電極位置上，其中相向的兩個電極通入加熱電流，另外兩個僅用於固定加熱器6。爐體1的電極利用水冷降低金屬銅電極的溫度，因此不通電的電極位置的區域溫度低於通電電極位置的區域溫度，因此在一定高度位置，圓周方向呈現高-低-高-低的溫度變化，該溫度變化導致輻射到坩堝5的熱量也是波動的，進而導致坩堝5發生熱循環應力，縮短了坩堝5的使用壽命。

針對上述問題，本發明提供了一種晶體生長裝置，包括：坩堝5，配置為盛裝用於晶體生長的熔體4；加熱器6，設置於所述坩堝5周圍，配置為加熱所述坩堝5；均熱套筒9，所述均熱套筒9設置於所述加熱器6與所述坩堝5之間，所述均熱套筒9的側壁包括厚壁區域和薄壁區域，其中，所述薄壁區域與高溫區域對應設置，所述厚壁區域與低溫區域對應設置。

示例性地，所述厚壁區域的側壁厚度大於所述薄壁區域的側壁厚度。在一個實施例中，所述厚壁區域與所述薄壁區域的厚度差範圍是2 mm至10 mm。

示例性地，所述薄壁區域與高溫區域對應佈置；所述厚壁區域與低溫區域對應佈置。其中，所述高溫區域包括所述加熱器或者所述加熱器的加熱區域，所述加熱器的加熱區域包括通電的電極；所述低溫區域包括所述加熱器之間的間隔或者所述加熱器的非加熱區域，所述加熱器的非加熱區域包括不通電的電極。

在一個實施例中，設置有多個加熱器6，每個加熱器6對應的區域為高溫區域，加熱器6之間的間隔區域為低溫區域。在另一個實施例中，設置有一個加熱器6，其中通電的加熱區域為高溫區域，不通電的非加熱區域為低溫區域。

示例性地，所述均熱套筒9的外壁與所述加熱器6的間距處處相等；所述厚壁區域的內壁與所述坩堝5之間的距離小於所述薄壁區域的內壁與所述坩堝5之間的距離。

在一個實施例中，如圖2所示，所述加熱器6和所述坩堝5的橫截面均為圓環形，因此，所述均熱套筒9的外壁的橫截面也為圓形，且加熱器6與均熱套筒9的圓心重合，以實現所述均熱套筒9的外壁與所述加熱器6的間距處處相等。然而，由於所述均熱套筒9包括厚壁區域與所述薄壁區域，所述厚壁區域的側壁厚度大於所述薄壁區域的側壁厚度，因此，所述均熱套筒9的內壁的橫截面為類似齒輪的不規則形狀，其中厚壁區域的內壁距離所述坩堝5較近，而薄壁區域的內壁距離所述坩堝5較遠。

由於厚壁區域與低溫區域對應佈置，其接收的熱輻射較少，但厚壁區域的內壁與坩堝5之間的距離較小，輻射形狀係數較大；薄壁區域對高溫區域對應佈置，且接收的熱輻射較多，但薄壁區域的內壁與坩堝5之間的距離較大，輻射形狀係數較小；因此，利用增大厚壁區域的輻射形狀係數，可以平衡溫度相對較低的影響，使坩堝在旋轉中從加熱器6至均熱套筒9輻射的熱量盡可能相同。

利用減小坩堝5的熱循環應力，延長了坩堝5的使用壽命，具體地，石墨坩堝的使用次數從30次延長至60次以上。此外，利用減少坩堝5圓周方向上的溫度變化，使晶體生長製程更加穩定可靠。

示例性地，所述均熱套筒9均分為多個所述厚壁區域與多個所述薄壁區域，所述厚壁區域與所述薄壁區域交替設置。

在一個實施例中，所述厚壁區域的數量和所述薄壁區域的數量取決於加熱器6的數量或者加熱器6中加熱區域的數量，如圖2所示，加熱器6具有相對設置的兩個加熱區域，則相應地設計兩個薄壁區域，而兩個加熱區域之間的非加熱區域，則相應地設計兩個厚壁區域，因此，厚壁區域與所述薄壁區域總是交替出現的。此外，多個厚壁區域中每一個的長度可以相同或不同，多個薄壁區域中每一個的長度可以相同或不同，厚壁區域之一與薄壁區域之一的長度可以相同或不同。優選地，將均熱套筒9均分為多個厚壁區域和多個薄壁區域，即每個厚壁區域和每個薄壁區域的長度均相同。

示例性地，所述均熱套筒9為整體構造或者由多個分體組合而成。在一個實施例中，所述均熱套筒9採用一體化設計，直接成型。在另一個實施例中，所述均熱套筒9由多個厚壁區域和多個薄壁區域拼接組合而成。

示例性地，所述均熱套筒9的構成材料包括保溫隔熱材料。在一個實施例中，所述均熱套筒9的構成材料為高純石墨。在另一個實施例中，均熱套筒9的構成材料為碳/碳複合材料，碳/碳複合材料是利用碳纖維及其織物增強的碳基體複合材料，具有低密度、高強度、高比模量、高導熱性、低膨脹係數、摩擦性能好，以及抗熱衝擊性能好、尺寸穩定性高等優點。

如圖1所示，均熱套筒9透過固定結構與隔熱結構8相連，以將均熱套筒9固定在坩堝5的周圍。

根據本發明提供的晶體生長裝置，利用在加熱器與坩堝之間設置均熱套筒，所述均熱套筒的側壁包括厚壁區域和薄壁區域，利用壁厚的不同調節輻射形狀係數，平衡溫度的影響，使坩堝在旋轉中從晶體生長裝置輻射的熱量盡可能相同。

本發明已經透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發明申請專利範圍及其等效範圍所界定。

1...爐體 2...晶體 3...反射屏 4...熔體 5...坩堝 6...加熱器 7...坩堝升降機構 8...隔熱結構 9...均熱套筒

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，用來解釋本發明的裝置及原理。在附圖中，圖1根據本發明示例性實施例的晶體生長裝置的示意圖；圖2根據本發明示例性實施例的晶體生長裝置的截面圖。

無

5...坩堝 6...加熱器 9...均熱套筒

Claims

一種晶體生長裝置，包括：坩堝，配置為盛裝用於晶體生長的熔體；加熱器，設置於所述坩堝周圍，配置為加熱所述坩堝；均熱套筒，所述均熱套筒設置於所述加熱器與所述坩堝之間，所述均熱套筒的側壁包括厚壁區域和薄壁區域，其中，所述薄壁區域與高溫區域對應設置，所述厚壁區域與低溫區域對應設置。
如請求項1所述的晶體生長裝置，其中，所述厚壁區域的內壁與所述坩堝之間的距離小於所述薄壁區域的內壁與所述坩堝之間的距離。
如請求項1所述的晶體生長裝置，其中，所述高溫區域包括所述加熱器或者所述加熱器的加熱區域，所述加熱器的加熱區域包括通電的電極。
如請求項1所述的晶體生長裝置，其中，所述低溫區域包括所述加熱器之間的間隔或者所述加熱器的非加熱區域，所述加熱器的非加熱區域包括不通電的電極。
如請求項1所述的晶體生長裝置，其中，所述厚壁區域與所述薄壁區域的厚度差範圍是2 mm至10 mm。
如請求項1所述的晶體生長裝置，其中，所述均熱套筒均分為多個所述厚壁區域與多個所述薄壁區域，所述厚壁區域與所述薄壁區域交替設置。
如請求項1所述的晶體生長裝置，其中，所述均熱套筒為整體構造或者由多個分體組合而成。
如請求項1所述的晶體生長裝置，其中，所述均熱套筒的構成材料包括石墨或石墨碳纖維材料。