TWI742707B - 一種用於晶體生長的坩堝底座裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種用於晶體生長的坩堝底座裝置,包括:底座本體,所述底座本體的上表面的一部分與坩堝相接觸;連接機構,配置為將所述底座本體與所述坩堝固定連接。根據本發明提供的一種用於晶體生長的坩堝底座裝置,通過使底座本體的上表面的一部分與坩堝相接觸,減少坩堝底座裝置與坩堝的接觸面積,從而減少了通過傳導(固固傳熱)的方式散失的熱量,提高了熱場的保溫性,減少電能的消耗,延長了設備的使用壽命,降低了生產成本。
Description
本發明係關於晶體生長技術領域,尤其是關於一種用於晶體生長的坩堝底座裝置。
隨著集成電路(integrated circuit,IC)產業的迅速發展,裝置製造商對IC級矽單晶材料提出了更加嚴格的要求,而大直徑單晶矽是製備裝置所必須的基板材料。提拉法(Czochralski method,簡稱CZ法)是現有技術中由熔體生長單晶的最主要方法之一,其具體做法是將構成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化,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。
晶體生長過程需要大量的熱量提供,如果熱場的保溫性能越差,則欲持晶體的正常穩定生長必須提供大量熱量,從而消耗更多電能並增加生產成本。現有的坩堝及其底座大多採用石墨材料,石墨材料的導熱係數相對較高,並且坩堝及其底座的接觸面積較大,導致大量的熱量通過傳導(固固傳熱)的方式從坩堝軸導出,引起大量的熱散失。
因此,有必要提出一種新的用於晶體生長的坩堝底座裝置,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。
本發明提供一種用於晶體生長的坩堝底座裝置,包括:
底座本體,所述底座本體的上表面的一部分與坩堝相接觸;
連接機構,配置為將所述底座本體與所述坩堝固定連接。
於一實施例中,所述底座本體包括基座和突出部分,所述突出部分的上表面與所述坩堝相接觸。
於一實施例中,所述突出部分包括一個或多個圓環形或多邊形突出結構。
於一實施例中,所述突出部分包括多個凸起的圓柱。
於一實施例中,所述底座本體包括外部殼體部分和內部填充部分。
於一實施例中,所述外部殼體部分的構成材料的導熱係數低於所述坩堝的構成材料的導熱係數,所述外部殼體部分的構成材料包括連續纖維複合材料,所述坩堝的構成材料包括石墨。
於一實施例中,所述內部填充部分的構成材料的導熱係數低於所述外部殼體部分的構成材料的導熱係數,所述內部填充部分包括石墨硬氈和/或石墨軟氈。
於一實施例中,所述突出部分上設置有連接孔,所述連接機構包括與所述連接孔配合的螺栓。
於一實施例中,所述連接機構的構成材料包括連續纖維複合材料或石墨。
根據本發明提供的一種用於晶體生長的坩堝底座裝置,通過使底座本體的上表面的一部分與坩堝相接觸,減少坩堝底座裝置與坩堝的接觸面積,從而減少了通過傳導的方式散失的熱量,提高了熱場的保溫性,減少電能的消耗,延長了設備的使用壽命,降低了生產成本。
在下文的描述中,提供大量具體的細節以便徹底理解本發明。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步驟,以便闡釋本發明提出的一種用於晶體生長的坩堝底座裝置。顯然,本發明的施行並不限定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。
圖1繪示本發明示例性實施例所提供的用於晶體生長的長晶爐的示意圖。如圖1所示,所述長晶爐用於採用直拉法生長矽單晶,包括爐體101,爐體101中設有加熱裝置和提拉裝置。加熱裝置包括石英坩堝102、石墨坩堝103、加熱器104。其中,石英坩堝102用於盛放矽料,例如多晶矽。矽料在其中被加熱為矽熔體105。石墨坩堝103包裹在石英坩堝102的外側,用於在加熱過程中對石英坩堝102提供支撐,加熱器104設置在石墨坩堝103的外側。石英坩堝102上方設置有熱屏106,所述熱屏106具有下伸的環繞矽單晶107生長區域的倒錐形屏狀物,可阻斷加熱器104和高溫矽熔體105對生長的單晶矽晶棒107的直接熱輻射,降低單晶矽晶棒107的溫度。同時,熱屏還能夠使下吹的保護氣集中直接噴到生長界面附近,進一步增強單晶矽晶棒107的散熱。爐體101側壁上還設有保溫材料,例如碳氈。
提拉裝置包括豎直設置的籽晶軸108和坩堝軸109,籽晶軸108設置在石英坩堝102的上方,坩堝軸109設置在石墨坩堝103的底部,籽晶軸108的底部通過夾具安裝有籽晶,其頂部連接籽晶軸驅動裝置,使其能夠一邊旋轉一邊向上緩慢提拉。坩堝軸109的底部設有坩堝軸驅動裝置,使坩堝軸109能夠帶動坩堝進行旋轉。
坩堝軸109與石墨坩堝103通過坩堝底座104相連接,在一個實施例中,石墨坩堝103與坩堝底座104採用一體化設計,在另一個實施例中,坩堝底座104包括但不限於圓柱體、正方體、錐台、梯台等形狀,其整個上表面與石墨坩堝103相接觸。
在進行單晶生長時,首先在石英坩堝102中投放矽料,接著關閉長晶爐並抽真空,在長晶爐中充入保護氣體。示例性地,所述保護氣體為氬氣,其純度為97%以上,壓力為5毫巴(mbar)-100 mbar,流量為70標準公升每分鐘(standard liter per minute,slpm)-200 slpm。然後,打開加熱器104,加熱至熔化溫度1420℃以上,使矽料全部熔化為矽熔體105。
接著,將籽晶浸入矽熔體105中,通過籽晶軸108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晶棒107。所述籽晶是由一定晶向的矽單晶切割或鑽取而成,常用的晶向為<100>、<111>、<110>等,所述籽晶一般為圓柱體。單晶矽晶棒107的長晶過程依次包括引晶、放肩、轉肩、等徑及收尾幾個階段。
具體地,首先進行引晶階段。即當矽熔體105穩定到一定溫度後,將籽晶浸入矽熔體中,將籽晶以一定的拉速進行提升,使矽原子沿籽晶生長為一定直徑的細頸,直至細頸達到預定長度。所述引晶過程的主要作用是為了消除因熱衝擊而導致單晶矽形成的位錯缺陷,利用結晶前沿的過冷度驅動矽原子按順序排列在固液界面的矽固體上,形成單晶矽。示例性地,所述拉速為1.5毫米/分鐘(mm/min)-4.0 mm/min,細頸長度為晶棒直徑的0.6-1.4倍,細頸直徑為5-7 mm。
然後,進入放肩階段,當細頸達到預定長度之後,減慢所述籽晶向上提拉的速度,同時略降低矽熔體的溫度,進行降溫是為了促進所述單晶矽的橫向生長,即使所述單晶矽的直徑加大,該過程稱為放肩階段,該階段所形成的錐形晶棒為晶棒的放肩段。
接著,進入轉肩階段。當單晶矽的直徑增大至目標直徑時,通過提高加熱器104的加熱功率,增加矽熔體的溫度,同時調整所述籽晶向上提拉的速度、旋轉的速度以及石英坩堝的旋轉速度等,抑制所述單晶矽的橫向生長,促進其縱向生長,使所述單晶矽近乎等直徑生長。
然後,進入等徑階段。當單晶矽晶棒直徑達到預定值以後,進入等徑階段,該階段所形成的圓柱形晶棒為晶棒的等徑段。具體地,調整坩堝溫度、拉晶速度、坩堝轉速和晶體轉速,穩定生長速率,使晶體直徑保持不變,一直到拉晶完畢。等徑過程是單晶矽生長的主要階段,長達數幾十小時甚至一百多小時的生長。
最後,進入收尾階段。收尾時,加快提升速率,同時升高矽熔體105的溫度,使晶棒直徑逐漸變小,形成一個圓錐形,當錐尖足夠小時,它最終會離開液面。將完成收尾的晶棒升至上爐室冷卻一段時間後取出,即完成一次生長週期。
針對石墨坩堝103與坩堝底座110通過傳導的方式使大量的熱量從坩堝軸109導出,引起大量的熱散失的問題,本發明提供了一種用於晶體生長的坩堝底座裝置,如圖2和圖3所示,包括:
底座本體,所述底座本體的上表面的一部分與坩堝相接觸;
連接機構,配置為將所述底座本體與所述坩堝固定連接。
示例性地,如圖2所示,所述底座本體包括基座201和突出部分202,所述突出部分202的上表面與所述坩堝相接觸。於一實施例中,所述突出部分202之間存在凹槽,並且所述底座本體僅突出部分202的上表面與所述坩堝相接觸,從而實現所述底座本體的上表面的一部分與坩堝相接觸,減小底座本體與坩堝之間的接觸面積。
示例性地,所述突出部分202與基座201採用一體化設計或者所述突出部分202固定在所述基座上201。所述基座201的形狀與所述突出部分的形狀相同或不同,較佳地,所述基座包括圓形或正方形。
在一個實施例中,所述突出部分202包括一個或多個圓環形或多邊形突出結構,例如三角形、正方形、長方形或六邊形等,以實現底座本體僅上表面的一部分與坩堝相接觸,減小底座本體與坩堝之間的接觸面積。於一實施例中,如圖2和圖3所示,所述突出部分202包括圓環形,其中所述多個突出的圓環可以為同心圓環。於一實施例中,所述突出的圓環的數量可以根據需求進行增減,例如可以根據支撐強度選擇圓環的數量。
在另一個實施例中,所述突出部分202包括多個凸起的圓柱及螺栓孔203,所述圓柱的直徑較小,以使底座本體與坩堝之間實現點接觸,從而實現底座本體僅上表面的一部分與坩堝相接觸,減小底座本體與坩堝之間的接觸面積。於一實施例中,所述凸起的圓柱的數量通常包括三個或更多個,所述多個凸起的圓柱可以採用任意方式排列,包括排成三角形、四邊形、不規則多邊形、散射狀或無規律排布。於一實施例中,每個凸起的圓柱的截面面積遠小於所述基座201的截面面積,例如每個凸起的圓柱的截面面積為所述基座201的截面面積的1/10至1/1000。
通過減小坩堝底座裝置與坩堝之間的接觸面積,可以減少通過傳導的方式從坩堝軸109導出的熱量,提高熱場的保溫性,減少電能的消耗,延長加熱裝置的使用壽命,降低生產成本。
示例性地,所述底座本體包括外部殼體部分和內部填充部分。於一實施例中,所述外部殼體部分包括硬質塑形材料,所述內部填充部分包括柔性多孔材料和/或硬性多孔材料。
於一實施例中,所述外部殼體部分的構成材料的導熱係數低於石墨的導熱係數,所述內部填充部分的構成材料的導熱係數低於所述外部殼體部分的構成材料。
作為一個實例,所述外部殼體部分的構成材料包括但不限於連續纖維複合材料(continuous fiber composite,CFC),與石墨相比,CFC材料的導熱係數約為40 W/(m·K),石墨的導熱係數約為90 W/(m·K),CFC材料的導熱能力遠小於石墨,可以減少經由底座本體進而通過坩堝軸導出的熱量,此外,CFC材料的強度約為200MPa,石墨的強度約為100MPa,因此採用CFC材料的坩堝底座可以為坩堝提供更好的支撐。
作為一個實例,所述內部填充部分的構成材料包括但不限於石墨硬氈和/或石墨軟氈等疏鬆多孔的隔熱材料。其中,石墨硬氈的導熱係數約為0.7 W/(m·K),石墨軟氈的導熱係數約為0.3W/(m·K),均遠小於CFC和石墨的導熱係數,進一步減少經由底座本體進而通過坩堝軸導出的熱量。此外,石墨硬氈的強度約為1 MPa,石墨軟氈的強度約為0 MPa,便於以任意形式填充在底座本體內。
於一實施例中,內部填充部分包括僅石墨硬氈、僅石墨軟氈、石墨硬氈與石墨軟氈複合、石墨硬氈與石墨軟氈多層交錯等填充形式,以實現更好的隔熱效果。
通過採用導熱係數低的材料製成坩堝底座裝置,可以減少從坩堝傳導到坩堝底座裝置進而從坩堝軸109導出的熱量,提高熱場的保溫性,減少電能的消耗,延長加熱裝置的使用壽命,降低生產成本。
本發明提供的用於晶體生長的坩堝底座裝置還包括連接機構,配置為將所述底座本體與所述坩堝固定連接。
示例性地,所述連接機構包括與所述連接孔配合的螺栓。於一實施例中,所述連接孔和螺栓的數量可以根據需求進行增減,例如根據強度設計要求選擇連接孔和螺栓的數量。如圖3所示,所述底座本體上設置有多個連接孔,以利用螺栓將所述底座本體與所述坩堝固定連接。於一實施例中,所述連接孔設置在所述底座本體的突出部分上。
示例性地,所述連接機構由硬質隔熱材料製成,包括但不限於石墨、CFC等。
根據本發明提供的一種用於晶體生長的坩堝底座裝置,通過使底座本體的上表面的一部分與坩堝相接觸,減少坩堝底座裝置與坩堝的接觸面積,從而減少了通過傳導(固固傳熱)的方式散失的熱量,提高了熱場的保溫性,減少電能的消耗,延長了設備的使用壽命,降低了生產成本。
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權利要求書及其等效範圍所界定。
101:爐體
102:石英坩堝
103:石墨坩堝
104:加熱器
105:矽熔體
106:熱屏
107:矽單晶
108:籽晶軸
109:坩堝軸
110:坩堝底座
201:基座
202:突出部分
203:螺栓孔
圖1繪示本發明一實施例的用於晶體生長的長晶爐的示意圖。
圖2繪示本發明一實施例的用於晶體生長的坩堝底座裝置的剖面圖。
圖3繪示本發明一實施例的用於晶體生長的坩堝底座裝置的橫截面圖。
201:基座
202:突出部分
Claims (8)
- 一種用於晶體生長的坩堝底座裝置,包括:底座本體,所述底座本體的上表面的一部分與坩堝相接觸;連接機構,配置為將所述底座本體與所述坩堝固定連接;其中,所述底座本體包括外部殼體部分和內部填充部分,所述外部殼體部分的構成材料的導熱係數低於所述坩堝的構成材料的導熱係數,及,所述內部填充部分的構成材料的導熱係數低於所述外部殼體部分的構成材料的導熱係數。
- 如申請專利範圍第1項的坩堝底座裝置,其中,所述底座本體包括基座和突出部分,所述突出部分的上表面與所述坩堝相接觸。
- 如申請專利範圍第1項的坩堝底座裝置,其中,所述突出部分包括一個或多個圓環形或多邊形突出結構。
- 如申請專利範圍第1項的坩堝底座裝置,其中,所述突出部分包括多個凸起的圓柱。
- 如申請專利範圍第1項的坩堝底座裝置,其中,所述外部殼體部分的構成材料包括連續纖維複合材料,所述坩堝的構成材料包括石墨。
- 如申請專利範圍第1項的坩堝底座裝置,其中,所述內部填充部分包括石墨硬氈和/或石墨軟氈。
- 如申請專利範圍第2項的坩堝底座裝置,其中,所述突出部分上設置有連接孔,所述連接機構包括與所述連接孔配合的螺栓。
- 如申請專利範圍第1項的坩堝底座裝置,其中,所述連接機構的構成材料包括連續纖維複合材料或石墨。
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