单晶硅生长炉制造技术

本发明专利技术公开了一种单晶硅生长炉，其特征在于在石墨坩埚口上设有分流导流筒，且在主加热器周围设有竖直分流筒，使氩气气流被竖直分流筒分隔成两股，一股进入竖直分流筒内经过主加热器排出腔体，另一股直接从竖直分流筒外排出腔体；并可通过排气阀门调整两股气流的流量，从而调整热场的分布以及减少热量散失。本发明专利技术的单晶硅生长炉，能显著降低功耗，缩短晶锭生长周期，降低生产成本。

Monocrystalline silicon growth furnace

The invention discloses a silicon single crystal growth furnace, which is characterized in that the graphite crucible opening is provided with a shunt guide tube, and in the main heater is arranged around the vertical dividing cylinder, argon gas flow is the vertical separating tube is divided into two shares, a shares in the vertical tube shunt through the main heater discharging cavity, the other shares directly from the vertical separating tube outside the discharge chamber; and through the exhaust valve to adjust the two streams flow loss distribution so as to adjust the thermal field and reduce heat. The monocrystalline silicon growth furnace can remarkably reduce power consumption, shorten crystal ingot growth cycle and reduce production cost.

【技术实现步骤摘要】
单晶硅生长炉
本专利技术属于单晶硅生长炉，尤其是涉及一种提高原料熔化速率、降低单晶硅生长功耗的单晶硅生长炉。
技术介绍
随着集成电路向小型化、低功耗、高运算速率、窄线宽的快速发展，对大尺寸集成电路用硅片的品质与性能提出了更高的要求。随着晶锭尺寸的加大，晶锭生长所需的温度场设计难度增大，单晶硅生长炉制造难度与成本大幅增加，单晶硅生长周期和成本大幅度增加。半导体单晶硅生长主要采用切克劳斯基法（Czochralski法，简称Cz法）。在这种方法中，多晶硅被装进石英坩埚内，加热熔化，然后，将硅熔体略做降温，给予一定的过冷度，把一支特定径向的硅单晶体（籽晶）与硅熔体接触，通过调整熔体的温度和籽晶向上提升速率，使籽晶体长大至近目标直径时，提高提拉速率，使晶体近恒直径生长。在生长过程的末期，此时坩埚内的硅熔体尚有残余，通过增加晶锭提拉速率和调整加热功率使晶锭直径渐渐缩小而形成一个锥形尾部，直至晶锭与页面脱离，从而完成晶锭的生长过程。因而单晶硅生长过程大致分为：装填多晶料、抽真空、气氛化、升温化料、引晶、缩颈、放肩、转肩、等径生长、收尾、降温、冷却、出炉等工艺步骤。现有的单晶硅生长炉，在抽真空工艺过程，采用真空系统通过单晶硅生长炉底部的排气孔对整个生长炉炉膛进行抽真空；随后在气氛化过程，通过上部进气口入高纯氩气，氩气经过导流筒到达坩埚口中央，从坩埚口边缘流出；随后跃过坩埚口壁和石墨坩埚口壁，经过石墨加热器（主加热器），流向坩埚底部，经下部排气口流出单晶硅生长炉，使整个炉膛环境被氩气气氛化，保护炉膛内部的结构与器件良好。但在升温化料以及晶锭提拉生长过程，氩气气流包围并流过主加热器，致使主加热器的大部分热量被气流带走而浪费，能量损耗大，升温化料时间长；同时气流不断吹拂整个主加热器，主加热器腐蚀与损伤速度较高。现有的改进技术诸如CN200910218910提供一种用于硅单晶的节能热场，氩气直接从坩埚口上部与热屏的下部开设的排气口直接排除腔室。该工艺虽然是的氩气流不经过石墨加热器直接排出腔体，节约能源；但是不利于炉膛温场的均匀性、氧含量的控制，同时严重影响晶锭生长后炉膛的降温速率，不利于晶锭出炉与清扫；显著增长了晶锭生长周期，反而降低了晶锭的品质和生产成本。本专利技术的目的是提供一种提高原料熔化速率、降低单晶硅生长功耗、加快炉膛冷却速度的单晶硅生长炉。
技术实现思路
为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种设有分流导流筒和竖直分流筒的单晶硅生长炉，其特征在于分流导流筒叠放于石墨坩埚口上，可随同坩埚一起旋转，使氩气气流跃过主加热器；通过竖直分流筒将气流分隔成内外两股，并可通过排气阀门调整气流量。从而使气流不直接吹拂主加热器，从竖直分流筒外排出腔室。分流导流筒由呈喇叭状的排气导流筒、水平段的导流平台和竖直段的辅助分流筒三个部分构成一个整体。竖直分流筒包括外层石英筒、中间层石墨碳毡和内层石墨保温筒。进一步，竖直分流筒顶部距离排气导流筒水平段导流平台底部的最大高度△H不小于100mm且不大于400mm。为了保证在升温阶段，坩埚锅位下降至合理位置时，竖直分流筒不会碰撞正上方的排气导流筒。同时，在晶锭提拉生长过程，不断上升的坩埚不会使顶撞上部热屏。进一步，分流导流筒的竖直段辅助分流筒的高度不小于△H且不大于1.5倍△H。为了保证在升温阶段，坩埚锅位下降至合理位置时，分流导流筒的竖直段辅助分流筒的下边缘必须低于竖直分流筒的上边缘，使气流在该处被分隔成内外两股。当辅助分流筒的高度过大时，将大幅增加排气导流筒的整体重量，不利于结构的稳定。进一步，分流导流筒采用轻质保温石墨材料制成，热导率不大于20W/m/K，厚度d为10-50mm。更进一步，分流导流筒的竖直段辅助分流筒的厚度减薄为1/2~3/4倍。其目的是为了减小排气导流筒的自重，防止变形，保护结构的完整性。进一步，分流导流筒的竖直段导流筒与竖直分流筒之间的距离不小于20mm不大于100mm。本专利技术还提供另一种排气导流筒，主要由呈喇叭状的排气导流筒和水平段导流平台两部分构成。进一步，水平段导流平台的末端距离主导流筒的外边缘的距离不小于20mm不大于100mm。即水平段必须伸长至竖直分流筒外20~30mm，以保证竖直分流筒与排气导流筒形成良好的分流功能。本专利技术还提供一种应用方法，通过排气气阀主动调整竖直分流筒内外两股气流的单位流量，调控热量的分布，其主要应用方法在于：（1）抽真空：关闭所有阀门，打开腔体底部内外筒排气阀，对整个腔体进行抽真空，使腔体压力小于0.1Torr。（2）气氛化：当气压低于0.1Torr时，打开氩气阀，向腔体一边通氩气，一边抽真空。节约抽真空、气氛化工艺过程耗时。（3）升温化料：通过调整竖直分流筒内侧的排气阀门，使竖直分流筒内氩气流的单位流量小于氩气总通入量的1/3。减少主加热器热量的流失，提高热量的有效利用率，提高多晶硅原料融化速率，降低化料功率。（4）晶锭生长：当晶锭的重量大于2/3倍多晶硅总投料量时，通过调整竖直分流筒内侧的排气阀门，使竖直分流筒内氩气流的单位流量不小于氩气总通入量的1/3，不大于氩气总通入量的2/3。（5）降温冷却：通过调整竖直分流筒外侧的排气阀门，使竖直分流筒内氩气流的单位流量不小于氩气总通入量的2/3。本专利技术的有益效果本专利技术通过排气导流筒和竖直分流筒，将氩气气流分割成内外筒两股，分别通过排气阀门调节流量，从而减少氩气流带走加热器的热量，同时借助竖直分流筒屏蔽热流并反射加热器的热辐射，从而减少热量从炉壁的散失，降低炉内径向温度梯度。降低整体功耗、且有利于缩短多晶料融化时长，节约成本。附图说明图1为单晶硅生长炉分流示意图图2为单晶硅生长炉示意图图3为竖直分流筒示意图图4为两种分流导流筒示意图。其中：1、单晶硅炉提拉旋转装置；2、进气口；3、炉体；4、保温层；5、外部腔体排气口；6、内部腔体；7、坩埚旋转支撑轴；8、籽晶提拉线；9、籽晶夹头；10、籽晶；11单晶硅晶锭；12、上部热屏；13、主加热器；14、石墨坩埚；15坩埚托盘；16、导流筒；17石英坩埚、18、下部腔体；19、上部腔体；20、分流导流筒；21、竖直分流筒；211、石墨桶；212、石墨碳毡；213、石英筒；201、呈喇叭状的排气导流筒段；202水平的导流平台段；203竖直的辅助分流筒段。具体实施方式下面，参照附图详细说明本专利技术的最佳实施例。首先，对适用本专利技术的单晶硅锭生长方法的单晶硅生长炉装置进行说明。图1是概略地表示适用了根据本专利技术的一实施例的单晶硅硅锭生长法的单晶硅生长炉装置的结构图。参照图1，给出了一种适用Cz法或施加磁场的Cz法单晶硅生长炉，与传统的单晶硅生长炉相比，该生长炉内的石墨坩埚14的正上方，叠放有一呈喇叭型的分流导流筒20A，分流导流筒与石英坩埚17、石墨坩埚14同心，且该分流导流筒20A可跟随石墨坩埚14一起旋转。该分流导流筒20A由轻质保温石墨材料制成，热导率不大于20W/m/K，厚度d为10-50mm。该分流导流筒20A由呈喇叭状的排气导流筒、水平段的导流平台和竖直段的辅助分流筒三个部分组成一个整体。在石墨加热器13外围设有竖直分流筒21，由外层石英筒203、中间层石墨碳毡202和内层石墨保温筒201构成，并与腔体底部紧密相连，且与石英坩埚1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单晶硅生长炉，其特征在于在石墨坩埚口上设有分流导流筒，且在主加热器周围设有竖直分流筒，使氩气气流被竖直分流筒分隔成两股，一股通过进入竖直分流筒内经过主加热器排出腔体，另一股直接从竖直分流筒外排出腔体；并可通过排气阀门调整两股气流的流量，调整热场的分布以及热量散失。

【技术特征摘要】
1.一种单晶硅生长炉，其特征在于在石墨坩埚口上设有分流导流筒，且在主加热器周围设有竖直分流筒，使氩气气流被竖直分流筒分隔成两股，一股通过进入竖直分流筒内经过主加热器排出腔体，另一股直接从竖直分流筒外排出腔体；并可通过排气阀门调整两股气流的流量，调整热场的分布以及热量散失。2.根据权利要求1所述的单晶硅生长炉，其特征在于所述的分流导流筒包括呈喇叭状的排气导流筒、水平段的导流平台和竖直段的辅助分流筒三个部分。3.根据权利要求1所述的单晶硅生长炉，其特征在于所述的竖直分流筒包括外层石英筒、中间层石墨碳毡和内层石墨保温筒。4.根据权利要求1所述的单晶硅生长炉，其特征在于所述的竖直分流筒顶部距离排气导流筒底部的最大高度△H不小于100mm不大于400mm。5.根据权利要求2所述的单晶硅生长炉，其特征在于所述的竖直段辅助分流筒的高度不小于△H且不大于1.5倍△H。6.根据权利要求3所述的单晶硅生长炉，其特征在于所述的分流导流筒采用轻质保温石墨材料制成，热导率不大于20W/m/K，厚度d为10-50mm。7.根据权利要求3所述的单晶硅生长炉...

【专利技术属性】
技术研发人员：李秦霖，宋洪伟，
申请(专利权)人：上海超硅半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31