含辅助加料结构的单晶炉及其应用制造技术

本发明专利技术提供一种含有辅助加料结构的单晶炉及其应用，其特征在于该单晶硅生长炉内部装有辅助加料结构，该辅助加料结构带有独立的称重装置，可在辅助加料的同时，实时监控辅助原料的加入量，从而能实现单晶硅掺杂浓度的精确控制，有利于稳定单晶硅轴向电阻率，以及满足特殊掺杂需求单晶硅晶锭生长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种含有辅助加料结构的单晶炉及其应用，具体涉及一种含有辅助加料结构的可在晶锭生长过程中不断添加辅助掺杂剂的单晶硅提拉炉。
技术介绍
随着电力电子技术向高频化、节能化、轻量化、小型化发展，对功率半导体器件的频率特性、开关特性、功率容量、功率耗损、高可靠性、低成本提出了新要求。新一代硅微波了器件、肖特基器件、场控高频电力电子器件和功率集成电路要求硅单晶衬底材料为超低阻值(1.8X10 3Ω.αιι)。目前在0.002-0.005 Ω ?cm的电阻率范围内一般选用重掺砷硅单晶，在低于0.0018 Ω ?cm的电阻率范围内一般选用重掺磷硅单晶。重掺硅单晶的掺杂一般采用固体掺杂方法，即在装料过程所需的磷和多晶料一次性全部投入石英坩祸中。由于磷的蒸汽压较高，它在多晶硅融化和单晶生长过程中会在液面处大量的挥发，难以有效控制晶锭中实际的掺杂浓度，晶锭轴向掺杂浓度变化梯度大，致使轴向电阻率变化大，晶锭利用率低。传统的改进方法是在单晶炉上设计一掺杂勺，在原料完全融化后，将提前装入掺杂勺内的含磷元素的原料倒入熔体中。这一方法的缺点是掺杂勺内的原料在升温过程处于高温环境，容易蒸发。在倒入熔体的过程中极易发生溅射，容易破坏炉内结构器件，污染炉内环境，直接影响单晶硅生长，且未改善生长过程熔体中磷元素的挥发而引起的浓度变化。国外曾采用气相掺杂法在硅熔体中掺杂磷元素，所采用的气体均匀磷元素的烷类，空气中易燃易爆，剧毒。气相掺杂装置比较复杂，尾气处理与安全保障投入巨大。生产与运营成本较高，利于规模化生产。同时，在集成电路用单晶硅生长过程中，由于掺杂元素的分凝问题，熔体中掺杂元素的浓度逐渐升高，导致晶锭从头部到尾部电阻率降低幅度较大，晶锭轴向电阻率波动增大，不利于集成电路设计制造。目前现有技术是在装料过程一次性投入相反导电类型的掺杂元素，从而抑制电阻率降低的速率。该技术虽在一定纯度上能缓解电阻率降低的幅度，但在晶体生长过程中不能进行实时调控，晶锭尾部电阻率变化幅度依然较大，不能彻底解决因分凝而导致的电阻率降低的问题。针对以上缺点，本专利技术提供一种带有连续辅助加料结构的单晶硅生长炉以及其应用方法，能实现单晶硅内所含掺杂元素的掺杂浓度的精确控制，稳定晶锭中的掺杂浓度，减小电阻率的波动。
技术实现思路
本专利技术是鉴于如上述的问题而完成的，其目的在于提供一种含有辅助加料结构的单晶炉，所述单晶炉可以在晶锭生长过程中，向石英坩祸内按需精确添加辅料例如掺杂剂、多晶硅料，从而满足特殊性能晶锭的生长与制造，诸如高掺杂低电阻率功率器件用的单晶硅片、较小轴向电阻率波动的集成电路用硅片、功率器件用单晶硅片，提高晶锭的品质和利用率。为了达成所述目的，本专利技术提供一种含有辅助加料结构的单晶炉，是利用切克劳斯法来实行的单晶硅生长炉，其具备:包括融化原料的石英坩祸，支撑石英坩祸的石墨坩祸，以及坩祸支撑架；坩祸包围于石墨加热器内，在石墨加热器15外，装配有辐射材料4、保温材料5等形成了下部热屏；上部热屏包括漏斗型的具有导流功能的保温热屏17，以及与其相连的水平保温热屏12，从而使上部热屏之上的空间与下部空间仅通过漏斗型热屏的下部中央导通。同时，本专利技术在上部热屏的水平保温热屏12之上设有由气缸18、导杆28和导杆33、称重传感器30、称重传感器固定支座29、辅料夹具34、称重杠杆35组成的辅助加料结构。称重传感器30设于上部热屏的水平保温热屏12上方，且固定于内嵌有冷却循环水装置的固定支座29上，固定支座29固定于气缸18所连连接的导杆28上，该设计有利于减小高温对称重传感器30的干扰与侵蚀，有利于提高称重传感器30的使用寿命和测量精度。称重杠杆35的支点32与气缸18下的导杆28的下端连接，称重杠杆35的一端连接辅料夹具34，称重杠杆35的另一端连接称重导杆33，且称重杠杆35支点32距离辅料夹具34的臂长不小于称重杠杆35总长度的5/6，通过该设计将辅料夹具34所夹持的辅料23的重量放大5倍以上，从而使重量监测更加精确，有利于微量掺杂元素掺杂浓度的精确控制。进一步，所述的称重杠杆35、辅料夹具34由高纯S12陶瓷或玻璃制成，以减少辅助加料结构中有害元素对硅原料的污染。且称重杠杆35的长度应保证辅料夹具34所夹持的辅料23能顺利下降至石英坩祸16内。更进一步，所述的辅料夹具34的中心法线距离石英坩祸壁的垂直距离不小于50mm。假如所需添加的辅料23的熔点略高于或小于单晶硅晶锭11的熔点，在升温化料过程或晶锭生长过程，可能导致石英坩祸壁和熔体14的辐射热直接将所需添加的辅料23熔化，丧失精确控制辅料23添加量和添加速率的设计目的。进一步，所述的辅料夹具34呈圆环状且设有辅料固定卡槽，或者在圆环状辅料夹具34的侧面设有一对通孔，以便于插销24固定所需添加的辅料23。进一步，所述的导杆28和导杆33相互平行且竖直穿过上部水平保温热屏12，经由滑块27和滑块31固定于上部热屏的水平保温热屏12上。导杆33 —端固定于称重杠杆35的非辅料夹具34端，且与称重杠杆35垂直；同时导杆33的另一端竖直顶压在称重传感器33上。本专利技术还提供一种含有辅助加料结构的单晶炉的应用方法，即通过该单晶炉生长单晶硅的方法，其特征在于在晶锭提拉生长过程中，通过辅助加料结构不断向坩祸中添加辅助原料，修正坩祸内熔体中掺杂元素的浓度的偏差，生长出轴向电阻率波动较小的单晶硅晶锭的方法。至少包括:将投入石英坩祸16内的多晶原料融化的工序、从该多晶料熔液14生长单晶硅11的工序、降温冷却收晶锭的工序，其特征在于: 所述的投入石英坩祸内的原料融化工序，还包括将辅料23例如硅合金通过由S1jiJ造的插销固定于辅料夹具34上，并调整辅料23的高度、计算当前重量。所述的向熔体里添加辅料23的工序，还包括在晶锭提拉生长的同时，通过辅助加料装置将熔体中所需补偿的辅料23，通过气缸18的推动精确地浸入熔体中。本专利技术公布的带有辅助加料结构的单晶炉，能够通过称重传感器30精确控制辅料23的实时添加量，满足单晶硅生长过程需要实时监控调整加料方案的需求。同时通过称重杠杆35原理放大辅料23的重量，提高辅料23添加量的监控精度。同时可通过称重反馈及时修正气缸18的推进速率，实现辅料23添加量的实时调整。因而，通过本专利技术对于生长N型、P型集成电路级单晶硅，可在晶锭生长过程通过模拟分析晶锭中主掺杂元素因分凝而导致的浓度升高的速率，设定相应的辅料23添加控制程序，不断向熔体中添加相反导电类型的元素，从而抵消因主掺杂元素分凝而导致晶锭中掺杂元素浓度不断升高而增多的载流子，解决随着晶锭的生长新结晶区域电阻率不断下降的问题，有利于降低晶锭轴向电阻率波动的幅度，提高晶锭轴向电阻率的均匀性，提供晶徒的品质和利用率。同时，通过本专利技术对于生长高导电性低电阻率的功率器件用单晶硅而言，可在晶锭生长过中通过该装置根据磷元素的挥发速率，不断向熔体中补充挥发的磷元素，从而保证晶锭中磷元素的掺杂浓度，提高晶锭中磷元素的平均掺杂浓度，降低晶锭电阻率的同时，满足功率器件对单晶硅必须具有低的轴向电阻率波动的严格要求。【附图说明】图1为含辅助加料结构的单晶炉整体示意图。图2为单晶炉中辅助加料结构示意图。【具体实施方式】以下，说明本专利技术的实施形态，但本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含辅助加料结构的单晶炉，其特征在于在上部热屏之上设有由气缸、导轨、称重传感器、称重传感器固定支座、辅料夹具、称重称重杠杆组成的辅助加料结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李秦霖，山田宪治，刘浦锋，宋洪伟，陈猛，
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