TWI835330B - 一種用於拉晶爐的熱場控制裝置及拉晶爐 - Google Patents
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Abstract
本發明實施例公開了一種用於拉晶爐的熱場控制裝置及拉晶爐，該熱場控制裝置包括：該拉晶爐的導流筒，該導流筒固定地設置在該拉晶爐中；隔熱件，該隔熱件設置在矽熔體與從該矽熔體拉制出的單晶矽棒之間，以與該導流筒一起構成用於阻隔從該矽熔體輻射至該單晶矽棒的熱量的熱遮罩體，其中，該隔熱件由適於機械傳動的材料製成；隔熱件驅動器，該隔熱件驅動器用於驅動該隔熱件移動來改變該熱遮罩體的底部與該矽熔體的液面之間的間距並相應地改變從該矽熔體輻射至該單晶矽棒的熱量，以在該單晶矽棒中獲得所需要的軸向溫度梯度。
Description
本發明屬於半導體矽片生產領域，尤其關於一種用於拉晶爐的熱場控制裝置及拉晶爐。
對於半導體矽片的生產而言，通常首先通過直接法拉制出單晶矽棒，之後進行切片、研磨、拋光以及可能的外延生長處理之後便可以獲得所需品質的矽片。其中對於直接法拉制單晶矽棒而言，所使用的裝置為拉晶爐，坩堝放置於拉晶爐的爐體中，高純度多晶矽料容納在坩堝中，通過加熱獲得矽熔體，將籽晶浸入矽熔體中並經過引晶、放肩、等徑、收尾、冷卻等製程過程後便可以最終獲得單晶矽棒。
隨著半導體製程的縮短，對於矽片的要求越來越高，一般都需要無晶體生長缺陷的矽片，這就要求在拉制單晶矽棒的過程中有效地控制晶體生長缺陷。根據用於確定晶體生長缺陷的V/G理論，拉制單晶矽棒過程中的晶體生長缺陷除了與拉速V有關以外還與單晶矽棒的軸向溫度梯度G有關，而單晶矽棒的軸向溫度梯度G取決於熱場設計，好的熱場設計可有利於單晶矽棒無生長缺陷。
影響拉制出的單晶矽棒周圍的熱場的因素是綜合性的，拉晶爐中的熱量來源於用於對多晶矽料進行加熱以使固態的多晶矽料熔化為矽熔體並且使矽熔體保持一定溫度的加熱器，因此，比如加熱器的熱量會輻射或傳導至單晶矽棒，另外由於單晶矽棒是從矽熔體中拉制出的，因此比如矽熔體也會向單晶矽棒輻射熱量，再比如拉制出的單晶矽棒是穿過拉晶爐中的導流筒移動的，因此導流筒會對輻射至單晶矽棒的熱量產生阻隔作用。因此，提供一種高效的熱場控制裝置，使得單晶矽棒的軸向溫度梯度G能夠得到精確控制，由此使單晶矽棒無生長缺陷化，成為亟需解決的問題。
為解決上述技術問題，本發明實施例期望提供一種用於拉晶爐的熱場控制裝置及拉晶爐，能夠以簡單且有效的方式實現對單晶矽棒的軸向溫度梯度的精確控制，從而實現單晶矽的無缺陷生長。本發明的技術方案是這樣實現的：
第一方面，本發明實施例提供了一種用於拉晶爐的熱場控制裝置，該熱場控制裝置包括：
該拉晶爐的導流筒，該導流筒固定地設置在該拉晶爐中；
隔熱件，該隔熱件設置在矽熔體與從該矽熔體拉制出的單晶矽棒之間，以與該導流筒一起構成用於阻隔從該矽熔體輻射至該單晶矽棒的熱量的熱遮罩體，其中，該隔熱件由適於機械傳動的材料製成；
隔熱件驅動器，該隔熱件驅動器用於驅動該隔熱件移動來改變該熱遮罩體的底部與該矽熔體的液面之間的間距並相應地改變從該矽熔體輻射至該單晶矽棒的熱量，以在該單晶矽棒中獲得所需要的軸向溫度梯度。
第二方面，本發明實施例提供了一種拉晶爐，該拉晶爐包括根據第一方面該的熱場控制裝置。
本發明實施例提供了一種用於拉晶爐的熱場控制裝置及拉晶爐，熱遮罩體設置在矽熔體與單晶矽棒之間，通過使熱遮罩體的底部與矽熔體的液面之間的間距發生改變，或者說相當於通過使熱遮罩體移動，來改變從矽熔體輻射至單晶矽棒的熱量，從而以簡單且有效的方式實現了對單晶矽棒周圍的熱場進行控制，由此滿足了單晶矽棒的軸向溫度梯度的要求，而且，拉晶爐的導流筒是被固定地設置的，這樣，避免了通過由脆性的石墨材料製成因而不適合於進行機械傳動否則易於發生破裂的導流筒的移動來實現上述間距的變化。
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，但並不用於限定本發明。
需要說明的是，當元件被稱為“固定於”或“設置於”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者間接在所述另一個元件上。當一個元件被稱為是“連接於”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或間接連接至所述另一個元件上。
需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“豎直”、“水準”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特徵。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的具有通常知識者而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
參見圖1，本發明實施例提供了一種用於拉晶爐1的熱場控制裝置10，其中對於拉晶爐1而言，圖1中僅示出了其坩堝20及導流筒11，而對於拉晶爐1的其他部件比如爐體、加熱器等，本領域的具有通常知識者是知曉的因此並未在圖1中示出，該熱場控制裝置10可以包括：
該拉晶爐1的導流筒11，該導流筒11固定地設置在該拉晶爐1中，如本領域的具有通常知識者知曉的，導流筒11的作用在於將例如氬氣之類的保護性氣體引導致圖1中示出的矽熔體SM的液面L處，以便於比如防止矽熔體SM發生不必要的化學反應，而且在拉制單晶矽棒R的過程中，單晶矽棒R會穿過導流筒11移動因而導流筒11可以起到對從其外部輻射至單晶矽棒R的熱量進行遮罩的作用，另外導流筒11是由脆性的石墨材質製成的，因而不適合於作為機械傳動的部件來使用，因為在被頻繁驅動的情況下容易發生破裂而導致損壞；
隔熱件12，該隔熱件12設置在矽熔體SM與從該矽熔體SM拉制出的單晶矽棒R之間，以與該導流筒11一起構成用於阻隔從該矽熔體SM輻射至該單晶矽棒R的熱量的熱遮罩體10A，例如在圖1中，通過虛線箭頭示意性地示出的熱量輻射路徑被熱遮罩體10A隔斷，因而熱量無法輻射至單晶矽棒R，而通過虛線箭頭下方的實線箭頭示意性地示出的熱量輻射路徑沒有受到任何阻隔，因此來自矽熔體SM的熱量會輻射至單晶矽棒R，其中，該隔熱件12的材質與導流筒11的材質是不同的，該隔熱件12由適於機械傳動的材料製成；
隔熱件驅動器13，該隔熱件驅動器13用於驅動該隔熱件12移動來改變該熱遮罩體10A的底部與該矽熔體SM的液面L之間的間距D1並相應地改變從該矽熔體SM輻射至該單晶矽棒R的熱量，以在該單晶矽棒R中獲得所需要的軸向溫度梯度，對此，參考圖1容易理解的是，當隔熱件驅動器13驅動隔熱件12向上移動時，間距D1增大，因而會有更多的熱量從矽熔體SM輻射至單晶矽棒R，而當隔熱件驅動器13驅動隔熱件12向下移動時，間距D1減小，因而會有更少的熱量從矽熔體SM輻射至單晶矽棒R。
根據本發明的上述實施例的技術方案，熱遮罩體10A設置在矽熔體SM與單晶矽棒R之間，通過使熱遮罩體10A的底部與矽熔體SM的液面L之間的間距D1發生改變，或者說相當於通過使熱遮罩體10A移動，來改變從矽熔體SM輻射至單晶矽棒R的熱量，從而以簡單且有效的方式實現了對單晶矽棒R周圍的熱場進行控制，由此滿足了單晶矽棒R的軸向溫度梯度的要求，而且，拉晶爐1的導流筒是被固定地設置的，這樣，避免了通過由脆性的石墨材料製成因而不適合於進行機械傳動否則易於發生破裂的導流筒11的移動來實現上述間距D1的變化。
如上該隔熱件12是由適於機械傳動的材料製成的，對此，在本發明的可選實施例中，該隔熱件12可以由不銹鋼製成，鋼材是一種成本低廉的韌性材料因而是與石墨不同的，或者說即使在被頻繁驅動的情況下也不會發生破裂因而是適合於機械傳動的，但是另一方面，在拉晶爐1中存在鋼材可能會導致金屬污染的引入，影響拉晶製程過程或可能使拉制出的單晶矽棒R的品質降低，對此，該隔熱件12的表面積可以小於該導流筒11的表面積，這樣，與將材料同樣為鋼材的導流筒11作為移動部件來實現上述間距D1的變化相比，減小了金屬污染的可能性。
對於由適於機械傳動的材料而言，例如對於上述的鋼材而言，往往會因其存在於拉晶爐1中而在拉晶爐1中引入不期望的污染，對此，在本發明的可選實施例中，參見圖2，該隔熱件12可以包括本體120和覆蓋該本體120的覆層121，該覆層121用於防止該本體120的污染性雜質逸出。這樣，在確保隔熱件12適於進行機械傳動的同時，避免了因其材質而導致的污染的引入。
在本發明的可選實施例中，該隔熱件12可以由鉬製成，如本領域的具有通常知識者知曉的，金屬鉬是存在於拉晶爐1中的常規材質，不僅不會引入污染而且具有較高的熱輻射反射率，能夠更有效地實現對來自於矽熔體SM的熱量進行阻隔的作用。
在本發明的可選實施例中，返回參見圖1，該隔熱件12可以與導流筒11一樣呈圓筒狀，由此更高效地針對單晶矽棒R實現熱量阻隔，並且該隔熱件12的內周壁12W垂直地延伸。如前該，導流筒11的作用在於將例如氬氣的保護性氣體引導致圖1中示出的矽熔體SM的液面L處，以便於比如防止矽熔體SM發生不必要的化學反應，因此，導流筒11需要具有特定的形狀以便於形成有效地引導保護性氣體的通道，具體地如在圖1中示出的，導流筒11的內周壁11W具有從上到下漸縮的部分，由此易於受到被引導而進行流動的保護性氣體的較大的衝擊力，在導流筒11被驅動而進行移動的情況下，會因氣流衝擊力的作用而發生晃動，進一步促使與驅動裝置的連接處受力斷裂，甚至當晃動幅度較大時可能與單晶矽棒R發生碰撞，從而導致單晶矽棒R或導流筒11自身的掉落。而隔熱件12是不需要承擔引導氣流的作用的，因此其內周壁12W如上該可以垂直地延伸，由此避免了流動的保護性氣體的衝擊力，即使隔熱件12被驅動而進行移動，也不會發生晃動，與將形成有用於引導保護性氣體的通道的導流筒11作為移動部件來實現上述間距D1的變化相比，提高了部件穩定性並確保了生產安全性。
為了進一步避免隔熱件12發生晃動，在本發明的可選實施例中，仍然參見圖1，該隔熱件12的高度可以小於該導流筒11的高度。這樣，在保護性氣體流動的情況下，隔熱件12的“迎風面”進一步減少，因此隔熱件12承受的流動的保護性氣體的作用力進一步減小，從而能夠進一步避免發生晃動。
可選地，在該單晶矽棒R的直徑為300mm至308mm的情況下，參見圖1，該隔熱件12的內周壁12W與該單晶矽棒R外周壁之間的間距D2可以介於20mm至50mm之間。
可選地，在上述情況下，仍然參見圖1，該導流筒11的底部與該矽熔體的液面之間的間距D3可以介於20mm至60mm之間，容易理解的是，該間距D3決定了該熱遮罩體10A的底部與該矽熔體SM的液面L之間的間距D1的最大值，而該間距D1的最小值由隔熱件12的移動來確定，可以為10mm。在導流筒11固定的情況下，改變該間距D3便可以對熱遮罩體10A的底部與矽熔體SM的液面L之間的間距D1進行改變。
為了使導流筒11實現隔熱作用，在本發明的可選實施例中，參見圖3該導流筒11可以包括殼體110和設置在該殼體內部的保溫材料111。殼體110可以由高純石墨製成，並且可以在外表面覆蓋碳化矽塗層，保溫材料111可以為保溫石墨氈。
參見圖4，本發明實施例還提供了一種拉晶爐1，該拉晶爐1可以包括根據本發明前述各實施例該的熱場控制裝置10。
如參見圖4容易理解的，隨著單晶矽棒R的不斷生長，坩堝20中的矽熔體SM的體積逐漸減小，一方面液面L下降導致間距D1增大從而使從矽熔體SM輻射至單晶矽棒R的熱量發生變化，另一方面由於存在更少的矽熔體SM，因此矽熔體SM本身能夠輻射的熱量減少，也會導致從矽熔體SM輻射至單晶矽棒R的熱量發生變化，這兩方面的綜合作用會使單晶矽棒R的軸向溫度梯度變化，從而產生晶體生長缺陷。在相關技術中，對導流筒的底部與矽熔體的液面之間的間距進行監控並由此獲得單晶矽棒所需要的軸向溫度梯度是通過這樣的方式來實現的：對應監測而言，在導流筒的底部懸掛石英吊鉤，利用攝像機捕捉石英吊鉤在液面的倒影，並測量石英吊鉤與倒影之間的距離，而對於控制而言，是使坩堝進行升降從而確保導流筒底部與矽熔體的液面之間的間距滿足單晶矽棒無缺陷生長的要求。然而，由於高溫輻射、液面波動等原因，攝像機捕捉石英吊鉤在液面的倒影會非常不穩定，很大程度影響監測的準確性，在這種情況下進行的控制其精度也是無法滿足要求的，難以避免單晶矽棒晶體生長缺陷。而且，由於導流筒的底部與矽熔體的液面之間的間距的調節要考慮到坩堝上升和單晶矽棒提拉速度之間的協調關係，否則容易發生回融或者單晶矽棒提斷，從而限制了上述方式的調節能力，尤其在目前為了保證體微缺陷（Bulk Micro Defect，BMD）密度進行摻氮處理的單晶矽棒，隨著氮濃度的增加，單晶矽棒∆G逐漸變大，導致單晶矽棒無缺陷拉速區域縮小，實際生產過程中對導流筒的底部與矽熔體的液面之間的間距的調節不足以改善單晶矽棒中的缺陷分佈，使矽棒出現晶體生長缺陷。
對此，參見圖4，在本發明的可選實施例中，該拉晶爐1還可以包括：
坩堝20，該坩堝用於容納該矽熔體SM；
坩堝驅動器30，該坩堝驅動器30用於驅動該坩堝20移動，如在圖4中通過空心箭頭示意性地示出的，以在拉制該單晶矽棒R期間容納在該坩堝20中的矽熔體SM的量持續減少的過程中使該矽熔體SM的液面L的高度保持恆定，
其中，該熱場控制裝置10還可以包括：
測量單元14，該測量單元14用於測量該隔熱件12的移動距離；
確定單元15，該確定單元15用於僅根據該移動距離確定出該熱遮罩體10A的底部與該矽熔體SM的液面L之間的間距D1。
在上述實施例中，不再如相關技術中那樣去利用石英吊鉤及其倒影，而是簡單地通過測量隔熱件12的移動距離來精確地獲得間距D1，在測量精度能夠得到保證的情況下控制精度相應地也能夠得到保證，因此能夠避免晶體生長缺陷的產生。而且，通過使隔熱件12移動的調節方式能夠實現對單晶矽棒S的軸向溫度梯度具有更大的調節範圍，能夠有效控制晶體生長缺陷，有利於單晶矽棒以無生長缺陷的方式生長。
需要說明的是：本發明實施例所記載的技術方案之間，在不衝突的情況下，可以任意組合。
上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的具有通常知識者在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，均屬於本發明的保護之內。
1:拉晶爐
10:熱場控制裝置
10A:熱遮罩體
11:導流筒
11W:內周壁
110:殼體
111:保溫材料
12:隔熱件
12W:內周壁
120:本體
121:覆層
13:隔熱件驅動器
14:測量單元
15:確定單元
20:坩堝
30:坩堝驅動器
D1:間距
D2:間距
D3:間距
L:液面
SM:矽熔體
R:單晶矽棒
圖1在拉晶爐中示出了根據本發明的實施例的熱場控制裝置的示意圖；
圖2為根據本發明的實施例的隔熱件的局部剖視示意圖；
圖3為根據本發明的實施例的導流筒的局部剖視示意圖；
圖4為根據本發明的實施例的拉晶爐的示意圖。
1:拉晶爐
10:熱場控制裝置
10A:熱遮罩體
11:導流筒
11W:內周壁
12:隔熱件
12W:內周壁
13:隔熱件驅動器
20:坩堝
D1:間距
D2:間距
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L:液面
SM:矽熔體
R:單晶矽棒
Claims (8)
- 一種用於拉晶爐的熱場控制裝置，該熱場控制裝置包括：該拉晶爐的導流筒，該導流筒固定地設置在該拉晶爐中；隔熱件，該隔熱件設置在矽熔體與從該矽熔體拉制出的單晶矽棒之間，以與該導流筒一起構成用於阻隔從該矽熔體輻射至該單晶矽棒的熱量的熱遮罩體，其中，該隔熱件由適於機械傳動的材料製成；隔熱件驅動器，該隔熱件驅動器用於驅動該隔熱件移動來改變該熱遮罩體的底部與該矽熔體的液面之間的間距並相應地改變從該矽熔體輻射至該單晶矽棒的熱量，以在該單晶矽棒中獲得所需要的軸向溫度梯度；該隔熱件呈圓筒狀，並且該隔熱件的內周壁垂直地延伸；該內周壁與該單晶矽棒的外周壁之間的間距介於20mm至50mm之間；該導流筒的底部與該矽熔體的液面之間的間距介於20mm至60mm之間；該隔熱件的底部與該矽熔體的液面之間的間距的最小值為10mm。
- 如請求項1所述的熱場控制裝置，其中，該隔熱件由不銹鋼製成，並且該隔熱件的表面積小於該導流筒的表面積。
- 如請求項1所述的熱場控制裝置，其中，該隔熱件包括本體和覆蓋該本體的覆層，該覆層用於防止該本體的污染性雜質逸出。
- 如請求項1所述的熱場控制裝置，其中，該隔熱件的高度小於該導 流筒的高度。
- 如請求項4所述的熱場控制裝置，其中，該單晶矽棒的直徑為300mm至308mm。
- 如請求項1所述的熱場控制裝置，其中，該導流筒包括殼體和設置在該殼體內部的保溫材料。
- 一種拉晶爐，該拉晶爐包括如請求項1至6中任一項所述的熱場控制裝置。
- 如請求項7所述的拉晶爐，該拉晶爐還包括：坩堝，該坩堝用於容納該矽熔體；坩堝驅動器，該坩堝驅動器用於驅動該坩堝移動以在拉制該單晶矽棒期間容納在該坩堝中的矽熔體的量持續減少的過程中使該矽熔體的液面的高度保持恆定，其中，該熱場控制裝置還包括：測量單元，該測量單元用於測量該隔熱件的移動距離；確定單元，該確定單元用於僅根據該移動距離確定出該熱遮罩體的底部與該矽熔體的液面之間的間距。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210616029.7 | 2022-05-31 | ||
| CN202210616029.7A CN114752995A (zh) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 一种用于拉晶炉的热场控制装置及拉晶炉 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202302929A TW202302929A (zh) | 2023-01-16 |
| TWI835330B true TWI835330B (zh) | 2024-03-11 |
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ID=
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015037831A1 (ko) | 2013-09-11 | 2015-03-19 | 엘지실트론 주식회사 | 냉각속도 제어장치 및 이를 포함하는 잉곳성장장치 |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015037831A1 (ko) | 2013-09-11 | 2015-03-19 | 엘지실트론 주식회사 | 냉각속도 제어장치 및 이를 포함하는 잉곳성장장치 |
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