TWI776210B

TWI776210B - 晶體生長裝置

Info

Publication number: TWI776210B
Application number: TW109127847A
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: 2022-09-01
Also published as: TW202111170A; US20210071316A1; CN110592661A

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；導流套筒，所述導流套筒設置於所述加熱器與所述坩堝之間；輔助結構，所述導流套筒與所述輔助結構連接，以將所述加熱器的頂部和側面包圍。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導流套筒，且導流套筒與輔助結構可以連接組合以將所述加熱器的頂部和側面包圍，避免了SiO蒸氣對加熱器表面的侵蝕，延長了加熱器的使用壽命，提高了晶體生長品質的穩定性。

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。

在矽晶體生長當中，與矽熔體接觸的石英坩堝（SiO₂ ）一部分溶解到矽熔體中，並在矽液表面以SiO氣體的形式擴散混合到氬氣中並由真空泵抽引排出爐外，該混合氣體通過石墨加熱器時，與表面的石墨發生反應，使加熱器的石墨不斷被侵蝕，厚度和寬度逐漸減少，電阻逐漸升高，加熱效果的不穩定導致晶體生長的品質不穩定。

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；導流套筒，所述導流套筒設置於所述加熱器與所述石墨坩堝之間；輔助結構，所述導流套筒與所述輔助結構連接，以將所述加熱器的頂部和側面包圍。

進一步，所述導流套筒的下表面低於所述加熱器的下表面。

進一步，所述導流套筒與所述加熱器相鄰的表面的間距大於10 mm，所述導流套筒與所述坩堝相鄰的表面的間距大於10 mm。

進一步，所述導流套筒的厚度範圍為2 mm-20 mm。

進一步，所述晶體生長裝置還包括爐體以及設置在所述爐體內壁的隔熱結構，所述輔助結構覆蓋於所述隔熱結構上。

進一步，所述輔助結構與所述導流套筒一體化設計。

進一步，所述導流套筒為整體構造或者由多個分體組合而成。

進一步，所述導流套筒的形狀為圓筒或圓錐筒，或圓筒和圓錐筒的組合。

進一步，所述導流套筒的構成材料包括石墨或碳/碳複合材料。

進一步，所述晶體生長裝置還包括排氣裝置，所述排氣裝置設置於所述晶體生長裝置的底部，所述排氣裝置的中心到所述爐體的中心的距離小於所述導流套筒的半徑。

進一步，所述坩堝包括石墨坩堝，所述熔體包括矽熔體，所述加熱器包括石墨加熱器。

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導流套筒，且導流套筒與輔助結構可以連接組合以將所述加熱器的頂部和側面包圍，避免了SiO蒸氣對加熱器表面的侵蝕，延長了加熱器的使用壽命，提高了晶體生長品質的穩定性。

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，在CZ法生長晶體的過程中，由於和矽熔體接觸的石英坩堝的內壁發生高溫溶解和擴散，大量的氧原子溶解到矽熔體中。其中大部分的氧通過SiO蒸氣形式從矽熔體的表面自由脫逸至氬氣中，該SiO蒸氣在通過加熱器6的高溫的石墨表面時和石墨發生反應： SiO（氣體) + 2C（固體）= CO（氣體) + SiC（固體）（公式1）

此外，由於板狀固定結構的存在，避免了大部分SiO蒸氣擴散至爐體1的上部，進一步，由於真空泵9設置在爐體1的底部，促使SiO蒸氣的向爐體1的下方移動，因此大量的SiO蒸氣都會經過加熱器6並與其高溫的石墨表面發生上述反應。

隨著上述反應的發生，CO氣體和氬氣經由真空泵9被排出爐體1，SiC沉積在石墨表面，晶體生長裝置內的石墨元件不斷被反應侵蝕，特別是加熱器6的高溫的石墨表面。經過一定的時間或使用次數後，加熱器6表面的石墨的厚度和寬度會減少，加熱器6的通電電阻會逐步上升；同時，加熱器6的發熱範圍和加熱效果也發生變化，進而導致晶體生長的品質不穩定。

針對上述問題，本發明提供了一種晶體生長裝置，如圖2所示，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；導流套筒10，所述導流套筒10設置於所述加熱器6與所述坩堝5之間；輔助結構11，所述導流套筒10與所述輔助結構11連接，以將所述加熱器6的頂部和側面包圍。

如圖2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4。在一個實施例中，坩堝5包括石英坩堝和/或石墨坩堝，石英坩堝放入石墨坩堝中。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，藉由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5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的內壁，以防止熱量散失實現爐體1的保溫。所述隔離結構8位於加熱器6的上方和外側。

進一步，晶體生長裝置還包括真空泵9，配置為將爐體1內的氣體抽出。所述真空泵9設置在爐體1的底部，以將爐體1內的氣體從爐體1的下側排出。

將真空泵9設置在爐體1底部採用下側排氣與將真空泵9設置在爐體1上部採用上側排氣相比，上側排氣導致爐體1上部的熱損失較大，而且在圓周方向呈現溫度不均勻，導致晶體生長良率下降，而採用下側排氣對晶體生長周圍區域的溫度影響較小，保證了晶體的良好生長。

如圖2所示，反射屏3利用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。所述固定結構通常為板狀結構，因此，所述固定結構的存在可以避免固定結構上方與下方的氣體流通。

在一個實施例中，所述輔助結構11可以包括晶體生長裝置內原有的結構的一部分，例如為隔熱結構8的一部分，其與導流套筒10連接，以形成僅底部開口的罩體，將加熱器6的頂部和側面包圍。作為一個實例，如圖2所示，輔助結構11覆蓋於所述隔熱結構8上，隔熱結構8原本位於加熱器6的上方和外側，其與導流套筒10連接後，導流套筒10與覆蓋於所述隔熱結構8上的輔助結構11相連接，並形成如圖2所示的包圍加熱器6的頂部和側面的罩體結構，所述加熱器6的底部露出。

在另一個實施例中，所述輔助結構11為專為本發明的晶體生長裝置設計的結構，其與導流套筒10一體化設計或者與導流套筒10連接組合，以形成僅底部開口的罩體，將加熱器6的頂部和側面包圍。

示例性地，導流套筒10的長度至少應保證加熱器6的加熱區域（例如，加熱器6上電流穿過的部分）的高度在導流套筒10的底部之上，以避免SiO蒸氣與加熱器6的高溫的石墨表面反應。較佳地，導流套筒10的下表面低於加熱器6的下表面。

進一步，所述導流套筒10的厚度範圍較佳地設置為2 mm-20 mm。利用控制所述導流套筒10的厚度範圍，可以使所述導流套筒10在不影響加熱器6對坩堝5的熱輻射的情況下，實現阻擋SiO蒸氣的效果。

利用形成將加熱器6的頂部和側面包圍的罩體，可以將加熱器6與氣流通道隔開，如圖2所示，在真空泵9的作用下，SiO蒸氣由坩堝5上方向爐體1的底部流動並排出，在導流套筒10的隔離作用下，SiO蒸氣不經過加熱器6，避免了SiO蒸氣與加熱器6的高溫的石墨表面反應。

利用減小加熱器6的侵蝕損耗，延長了加熱器6的使用壽命，具體地，加熱器6的使用次數從30次延長至80次以上。同樣地，由於加熱器6侵蝕損耗變慢，晶體生長過程中製程參數的調整頻率降低，具體地，從每個批次均需調整延長到每5個批次進行調整。

可選地，加熱器6僅頂部和側面被包圍，其底部未被上述導流套筒10和輔助結構11組成的罩體包圍。

利用在罩體下方設置開口，使加熱器6的底部露出，與利用罩體將加熱器6完全包圍相比，SiO蒸氣對加熱器6表面的侵蝕無明顯差異，且底部開口有利於設備的清潔、檢修和維護，同時結構簡單、便於加工，降低了成本。

在一個實施例中，導流套筒10與輔助結構11形成的罩體將加熱器6包圍，但罩體與加熱器6之間有一定距離。較佳地，所述導流套筒10與所述加熱器6相鄰的表面的間距大於10 mm，所述導流套筒10與所述坩堝5相鄰的表面的間距大於10 mm。具體地，所述導流套筒10的遠離所述坩堝5的一側的外表面與所述加熱器6靠近所述坩堝5的一側的內表面之間的距離大於10 mm，所述導流套筒10的靠近所述坩堝5的一側的內表面與所述坩堝5的外表面之間的距離大於10 mm。

示例性地，所述導流套筒10的形狀為圓筒或圓錐筒，或圓筒和圓錐筒的組合。進一步，所述排氣裝置的中心到所述爐體1的中心的距離小於所述導流套筒10的半徑。在一個實施例中，真空泵9到爐體1的底部中心的距離小於導流套筒10的半徑，以使SiO蒸氣沿導流套筒10的內表面向下排出爐體1，避免SiO蒸氣與加熱器6接觸。

示例性地，所述導流套筒10的構成材料包括石墨或碳/碳複合材料。在一個實施例中，導流套筒10的構成材料為高純石墨。在另一個實施例中，導流套筒10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。

利用採用耐高溫且保溫效果良好的石墨或碳/碳複合材料製成導流套筒10，不僅可以使導流套筒10實現氣體導流的作用，而且可以增強坩堝5周圍的保溫效果，晶體生長的品質更加穩定。

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:真空泵 10:導流套筒 11:輔助結構

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為現有技術的晶體生長裝置的示意圖；圖2為根據本發明示例性實施例的晶體生長裝置的示意圖。

無

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:真空泵

10:導流套筒

11:輔助結構

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；導流套筒，所述導流套筒設置於所述加熱器與所述坩堝之間，及，所述導流套筒的下表面低於所述加熱器的下表面；輔助結構，所述導流套筒與所述輔助結構連接，以將所述加熱器的頂部和側面包圍；其中，所述導流套筒與所述加熱器相鄰的表面的間距大於10mm，所述導流套筒與所述坩堝相鄰的表面的間距大於10mm。
如請求項1所述的晶體生長裝置，其中，所述導流套筒的厚度範圍為2mm-20mm。
如請求項1所述的晶體生長裝置，還包括爐體以及設置在所述爐體內壁的隔熱結構，所述輔助結構覆蓋於所述隔熱結構上。
如請求項1所述的晶體生長裝置，其中，所述輔助結構與所述導流套筒一體化設計。
如請求項1所述的晶體生長裝置，其中，所述導流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，所述導流套筒的形狀為圓筒或圓錐筒，或圓筒和圓錐筒的組合。
如請求項1所述的晶體生長裝置，其中，所述導流套筒的構成材料包括石墨或碳/碳複合材料。
如請求項3所述的晶體生長裝置，還包括排氣裝置，所述排氣裝置設置於所述晶體生長裝置的底部，所述排氣裝置的中心到所述爐體的中心的距離小於所述導流套筒的半徑。
如請求項1所述的晶體生長裝置，其中，所述坩堝包括石墨坩堝和石英坩堝，所述熔體包括矽熔體，所述加熱器包括石墨加熱器。