TWI762113B - 一種用於單晶矽生長爐的熱屏及單晶矽生長爐 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種單晶矽生長爐熱屏及單晶矽生長爐，所述熱屏設置在所述單晶矽生長爐的熔體坩堝的上部，所述熱屏包括屏壁和屏底，所述屏底具有供熔體提拉通過的視窗，所述屏底包括上層、下層和側壁，所述側壁連接與所述上層和所述下層之間且圍成所述窗口，所述下層朝向所述熔體的液面，所述下層設為齒狀結構，用於將外部熱能反射到所述熔體液面時不會繼續反射到單晶矽晶體側壁；通過將屏底的下層設置為齒狀結構，可以避免外部熱能量被單晶矽晶體吸收，從而避免晶體表面熱補償過高，有效優化晶體縱向溫度梯度，提高矽片徑向的品質均勻性。

Description

一種用於單晶矽生長爐的熱屏及單晶矽生長爐

本發明涉及半導體製造設備及設計領域，特別涉及一種用於單晶矽生長爐的熱屏及單晶矽生長爐。

單晶矽是製造半導體矽器件的原料，用於制大功率整流器、大功率電晶體、二極體、開關器件等。熔融的單質矽在凝固時矽原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結合起來便結晶成單晶矽。單晶矽的制法通常是先制得多晶矽或無定形矽，然後用直拉法或懸浮區熔法從熔體中生長出棒狀單晶矽。

單晶爐是一種在惰性氣體(氮氣、氦氣為主)環境中，用石墨加熱器將多晶矽等多晶材料熔化，用直拉法生長無錯位單晶的設備。

目前，大尺寸矽單晶尤其是 12 寸以上矽單晶主要通過直拉法製備獲得。直拉法是通過將 11 個 9 的高純多晶矽在石英坩堝內熔化，利用籽晶經過引晶、放肩、等徑、收尾製備矽單晶。該方法最關鍵的是由石墨及保溫材料組成的熱場，熱場的設計直接決定了晶體的品質、工藝、能耗等。

在整個熱場設計中，最為關鍵的就是熱屏的設計。首先熱屏的設計直接影響固液介面的垂直溫度梯度，通過梯度的變化影響 V/G 比值決定晶體品質。其次，會影響固液介面的水準溫度梯度，控制整個矽片的品質均勻性。最後，熱屏的合理設計會影響晶體熱歷史，控制晶體內部缺陷的形核與長大，在製備高階矽片過程中非常關鍵。

針對現有技術的上述問題，本發明的目的在於，提供一種用於單晶矽生長爐的熱屏及單晶矽生長爐，能控制單晶矽晶體側壁表面穩定的熱補償，避免底部熱補償過大，影響晶體的生長。

為瞭解決上述技術問題，本發明的具體技術方案如下：

一方面，本發明提供一種用於單晶矽生長爐的熱屏，所述單晶矽生長爐包括熔體坩堝，所述熱屏設置在所述熔體坩堝的上部，所述熱屏包括屏壁和屏底，所述屏底具有供熔體提拉通過的視窗，所述屏底包括上層、下層和側壁，所述側壁連接與所述上層和所述下層之間且圍成所述窗口，所述下層朝向所述熔體的液面，所述下層設為齒狀結構，用於防止外部熱能反射到單晶矽晶體側壁。

進一步地，所述下層所在平面與所述熔體液面平行設置。

進一步地，所述齒狀結構包括第一齒排和第二齒排，所述第一齒排朝向所述上層方向設置，所述第二齒排遠離所述上層方向設置，所述第一齒排包括多個呈第一夾角設置的第一齒，所述第二齒排包括多個呈第二夾角設置的第二齒，所述第一齒和所述第二齒依次交錯設置。

作為可選地，多個所述第一夾角不全部相等，多個所述第二夾角不全部相等。

作為優選地，所述第一夾角的角交平分線與所述熔體的液面呈銳角設置，並且所述銳角開口遠離所述單晶矽晶體。

進一步地，所述第一夾角和/或所述第二夾角通過設置圓弧過渡。

進一步地，所述上層、所述下層和所述側壁圍成所述屏底的內部空間，所述內部空間填充有保溫材料。

作為可選地，所述保溫材料包括碳纖維氈。

進一步地，所述上層和所述下層均設有石墨層。

另一方面，本發明還提供一種單晶矽生長爐，所述單晶矽生長爐包括：爐體，包括爐體壁以及腔體，所述腔體由所述爐體壁所包圍； 熔體坩堝，設置於所述腔體內，用以承載熔體； 加熱器，設置所述腔體內且分佈於所述熔體坩堝外周，用以提供所述熔體坩堝的熱場；以及如上述所述的一種用於單晶矽生長爐的熱屏。

採用上述技術方案，本發明所述的一種用於單晶矽生長爐的熱屏及單晶矽生長爐具有如下有益效果：本發明所述的一種用於單晶矽生長爐的熱屏及單晶矽生長爐，通過將屏底的下層設置為齒狀結構，可以避免外部熱能量被單晶矽晶體吸收，從而避免晶體表面熱補償過高，有效優化晶體縱向溫度梯度，提高矽片徑向的品質均勻性。

本發明所述的一種用於單晶矽生長爐的熱屏及單晶矽生長爐，通過將屏底的下層設置為齒狀結構，可以將外部熱能反射到熔體中，從而被溶體吸收，避免熔體液面溫度下降過快，保證了熔體的熔融狀態，提高了拉晶的效果。

本發明所述的一種用於單晶矽生長爐的熱屏及單晶矽生長爐，通過對屏底結構的改進，可有效提高工藝效果，在半導體製造領域具有較好的應用前景。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

需要說明的是，本發明的說明書和請求項書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”等是用於區別類似的物件，而不必用於描述特定的順序或先後次序。應該理解這樣使用的資料在適當情況下可以互換，以便這裡描述的本發明的實

施例能夠以除了在這裡圖示或描述的那些以外的順序實施。此外，術語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、裝置、產品或設備不必限於清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或對於這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或單元。

實施例 1由於在單晶矽拉晶生成過程中，對晶體縱向和橫向溫度梯度要求很高，特別是晶體底部位置，由於外部熱能，比如熔體坩堝以外的位置的熱能通過熱屏和熔體液面之間的空隙，經過多次反射能夠被晶體側壁吸收，導致熱接收部位的熱補償會比較高，導致晶體縱向溫度梯度發生變化，不利於拉晶的快速進行，同時晶體內部橫向的溫度梯度變化小，降低晶體的結晶效率，進而影響整個矽片的品質。

為瞭解決上述問題，本說明書實施例提供一種熱屏，通過對熱屏結構的改進有效地優化晶體底部熱補償效果，從而提高晶體的拉晶效率和生長品質。

具體地，如圖 1 所示，為本說明書實施例中提供的熱屏具體工作場景示意圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖示中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的元件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各元件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其元件佈局型態也可能更為複雜。

所述熱屏 1 設置在所述單晶矽生長爐中的熔體坩堝的上部，可以將所述熱屏 1 分為屏壁 11 和屏底 12，所述屏壁 11 用於連接所述單晶矽生長爐，具體地，所述屏壁 11 固定在所述單晶矽生長爐的爐壁上。

在本說明書實施例中所述屏壁 11 可以是單層設置，可以直接貼合在所述單晶矽生長爐的爐壁上，也可以與所述爐壁呈一定角度，這樣所述屏壁 11 就能承載熔體向上揮發的熱能，避免底部熱能傳播到單晶矽上生長爐上部，保證晶體縱向上溫度梯度。具體的，所述屏壁 11 可以是單層石墨層，所述石墨層的熱反射系統根據不同的要求設置。

在一些其他實施例中，所述屏壁 11 也可以設置雙層結構，中間填充保溫材料，作為優選地，所述屏壁 11 的上層和下側可以設置不同反射係數的石墨層，所述屏壁 11 的上層石墨層可以承載熱能，避免熱能達到單晶矽生長爐上部，所述屏壁 11 的下層石墨層用於反射熔體的熱能，兩者的反射係數的具體參數這裡就不做具體限定。

在本說明書實施例中，所述屏底 12 與所述屏壁 11 連接，可以包括上層 121、下層 122 和側壁 123，當所述屏壁 11 為單層結構時，所述上層 121、所述下層122 和所述側壁 123 就圍成內部空間結構，所述上層 121 和所述下層 122 之間的距離不做限定，作為可選地可以是 300mm-500mm，在所述內部空間填充有保溫材料，可以保證所述屏底 12 熱量的溫度，這樣可以在拉晶過程中，在縱向上提供較優的溫度梯度，作為可選地，所述內部空間可以填充碳纖維氈。

在一些其他實施例中，當所述屏壁 11 為雙層結構時，所述上層 121、所述下層 122 和所述側壁 123 圍成的內部空間和所述屏壁 11 的內部空間連通，這樣在連通的空間內均可以填充保溫材料，避免熱量向上擴散。

同時所述上層 121 和所述下層 122 均可以是石墨層，以及所述側壁 123 也可以是石墨層，所述上層 121、所述下層 122 和所述側壁 123 上石墨層的熱反射係數也是可以不同的。

在一些其他實施例中，所述上層 121  所在平面與水平面呈預設夾角設置，所述下層122 所在平面與水平面平行設置，作為可選地，所述預設夾角可以是0°-30°，在一些其他實施例中，所述預設夾角可以更高。

需要說明的是，所述屏壁 11 主要起到連接所述屏底 12 以及避免熔體熱量向上擴散的功能，在實際應用中，所述屏壁 11 呈圓環形設置，在圓環形遮罩下方連接有圓環形的屏底，所述屏底 12 中間設有供拉晶上升的視窗，即通過所述側壁 123 圍成所述窗口。

在本說明書實施例中，為了避免拉晶過程中晶體底部熱補償過高，可以將下層 122 設置成齒狀結構，可以實現從外部進來的熱能經所述下層 122 表面反射後能被熔體液面全部吸收。當晶體底部側壁的熱補償強度降低時，會同時優化晶體底部橫向的溫度梯度和整個晶體縱向的溫度梯度，有利於提升拉晶速度和晶體結晶速度，最終提高矽片的品質。

具體地，如圖 2  所示，為本說明書一個實施例，所述齒狀結構可以包括第一齒排 124 和第二齒排 125，所述第一齒排 124 朝向所述上層 121 方向設置，所述第二齒排 125 遠離所述上層 121 方向設置，所述第一齒排 124 包括多個第一齒，所述第二齒排 125 包括多個第二齒。

其中多個所述第一齒可以相同，也可以不同，相應地，所述第二齒都可以相同，也可以不同，具體地，如圖 3 所示，多個所述第一夾角可以不同，多個所述第二夾角也可以不同，作為可選地，所述第一夾角和所述第二夾角相等。

需要說明的是，所述第一夾角可以被配置為其角平分線可以垂直所述熔體液面，在一些其他實施例中，作為優選地，所述第一夾角的角平分線也可以與所述熔體液面斜交，具體地，所述第一夾角的角平分線與所述熔體的液面呈銳角設置，並且所述銳角開口遠離所述單晶矽晶體，這樣就能使得外部來源熱能經過所述下層 12 反射後，能直接被熔體液面吸收，進而避免繼續反射到晶體側面，能在保證液面溫度的前提下，降低晶體底部表面的溫度，提高了拉晶的速度和效率。相應地，所述第二夾角可以被配置為其角平分線可以垂直所述熔體液面，在一些其他實施例中，所述第二夾角的角平分線也可以與所述熔體液面斜交，所述第一夾角和所述第二夾角的大小根據實際工作情況設置，比如需要考慮熔體液面到下層之間距離，視窗尺寸或者晶體的尺寸等等，作為選地，所述第一夾角可以為20°-60°，所述第二夾角可以為 20°-60°。

在一些其他實施例中，所述第一夾角和/或所述第二夾角通過設置圓弧過渡，如圖 4 至圖 6 所示，為所述齒狀結構的其他結構形式，具體地，如圖 4 所示，所述第二齒排125中夾角全部圓弧過渡，因為在第二齒排125設為夾角時，在安裝零件或更換零件時，朝外的夾角會有傷害工作人員的風險，起到保護工作人員的作用。

如圖 5 所示，也可以將第一齒排124中夾角全部圓弧過渡，這樣可以擴大下層能熱能接觸的面積，即熱能能均勻地被下層表面吸收，從而可以減少反射的人熱能，如圖 6 所示，所述第一齒排124和所述第二齒排125中的夾角均通過圓弧過渡；可以更全面的接收來自外部和熔體的熱能，而且熱能吸收均勻，可以更好地減少熱能的反射；需要說明的是，如圖 4 和圖 5 中的結構，也可以是其中部分夾角圓弧過渡，形成不同的齒狀結構，在這裡就不一一贅述了。

再次需要說明的是，所述齒狀結構中第一齒和第二齒的數量和大小也是不受限制，肯定客戶或使用者的操作環境，以及對溫度梯度的把握可以進行調整。作為可選地，所述齒狀結構完全覆蓋所述下層 122，並且每個第一齒和第二齒的長度為 50mm，在一些其他實施例中，所述第一齒和所述第二齒的大小也可以不同。

在上述提供的熱屏的基礎上，還提供了所述熱屏應用的裝置，即本說明書實施例還提供了一種單晶矽生長爐，如圖 7 所示，所述單晶矽生長爐包括：爐體 2，包括爐體壁 21 以及腔體，所述腔體由所述爐體壁所包圍；熔體坩堝 3，設置於所述腔體內，用以承載熔體；加熱器 4，設置所述腔體內且分佈於所述熔體坩堝 3 外周，用以提供所述熔體坩堝 3 的熱場；以及上述提供的熱屏。

其中所述熱屏設置在所述熔體坩堝 3  的上部，用以提供提拉單晶矽的結晶所需的溫度梯度。在所述熔體坩堝 3 的底部還連接有轉軸 5，通過轉軸 5 控制熔體坩堝 3 上升和旋轉，可以保證熔體能量的穩定，提高熔體加熱的均勻性。通過上述提供的熱屏及單晶矽生長爐，可以取得如下有益效果：

本發明所述的一種熱屏及單晶矽生長爐，通過將屏底的下層設置為齒狀結構，可以避免外部熱能量被單晶矽晶體吸收，從而避免晶體表面熱補償過高，有效優化晶體縱向溫度梯度，提高矽片徑向的品質均勻性。

本發明所述的一種熱屏及單晶矽生長爐，通過將屏底的下層設置為齒狀結構，可以將外部熱能反射到熔體中，從而被溶體吸收，避免熔體液面溫度下降過快，保證了熔體的熔融狀態，提高了拉晶的效果。

本發明所述的一種熱屏及單晶矽生長爐，通過對屏底結構的改進，可有效提高工藝效果，在半導體製造領域具有較好的應用前景。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附請求項而不是上述說明限定，因此旨在將落在請求項的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將請求項中的任何附圖標記視為限制所涉及的請求項。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。

1.:熱屏 2.:爐體 3.:熔體坩堝 4.:加熱器 5.:轉軸 11.:屏壁 12.:屏底 21.:爐體壁 121.:上層 122.:下層 123.:側壁 124.:第一齒排 125.:第二齒排。

為了更清楚地說明本發明的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它附圖。 圖 1 本發明所述的熱屏工作環境簡圖。 圖 2 本說明書實施例中屏底結構示意圖。 圖 3  本說明書其他實施例中屏底結構示意圖。 圖 4  本說明書其他實施例中屏底結構示意圖。 圖 5  本說明書其他實施例中屏底結構示意圖。 圖 6  本說明書其他實施例中屏底結構示意圖。 圖 7  本說明書實施例中單晶矽生長爐示意圖。

3:熔體坩堝

11:屏壁

12:屏底

121:上層

122:下層

123:側壁

Claims (9)

1. 一種用於單晶矽生長爐的熱屏，所述單晶矽生長爐包括熔體坩堝，其中，所述熱屏設置在所述熔體坩堝的上部，所述熱屏包括屏壁和屏底，所述屏底具有供熔體提拉通過的視窗，所述屏底包括上層、下層和側壁，所述側壁連接與所述上層和所述下層之間且圍成所述窗口，所述下層朝向所述熔體的液面，所述下層設為齒狀結構，用於防止外部熱能反射到單晶矽晶體側壁；所述齒狀結構包括第一齒排和第二齒排，所述第一齒排朝向所述上層方向設置，所述第二齒排遠離所述上層方向設置，所述第一齒排包括多個呈第一夾角設置的第一齒，所述第二齒排包括多個呈第二夾角設置的第二齒，所述第一齒和所述第二齒依次交錯設置。
2. 根據請求項1所述的用於單晶矽生長爐的熱屏，其中，所述下層所在平面與所述熔體液面平行設置。
3. 根據請求項1所述的用於單晶矽生長爐的熱屏，其中，多個所述第一夾角不全部相等，多個所述第二夾角不全部相等。
4. 根據請求項1所述的用於單晶矽生長爐的熱屏，其中，所述第一夾角的角平分線與所述熔體的液面呈銳角設置，並且所述銳角開口遠離所述單晶矽晶體。
5. 根據請求項1所述的用於單晶矽生長爐的熱屏，其中，所述第一夾角和/或所述第二夾角通過設置圓弧過渡。
6. 根據請求項1所述的用於單晶矽生長爐的熱屏，其中，所述上層、所述下層和所述側壁圍城所述屏底的內部空間，所述內部空間填充有保溫材料。
7. 根據請求項6所述的熱屏，其特徵在於，所述保溫材料包括碳纖維氈。
8. 根據請求項1所述的熱屏，其特徵在於，所述上層和所述下層均設有石墨層。
9. 一種單晶矽生長爐，其特徵在於，所述單晶矽生長爐包括：爐體，包括爐體壁以及腔體，所述腔體由所述爐體壁所包圍；熔體坩堝，設置於所述腔體內，用以承載熔體；加熱器，設置在所述腔體內且分佈於所述熔體坩堝外周，用以提供所述熔體坩堝的熱場；以及如請求項1至8所述的一種用於單晶矽生長爐的熱屏。

Images