CN110129879A - 一种双副室单晶硅筒生长炉及单晶硅生长方法 - Google Patents

一种双副室单晶硅筒生长炉及单晶硅生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双副室单晶硅筒生长炉，包括主室，主室连接有真空泵，主室内安装有坩埚，主室的顶部对称设置有两个与主室连通的副室，主室内表面安装有加热装置；副室顶部通过转盘安装有提拉电机，提拉电机通过提拉线连接有夹持机构，夹持机构夹持有籽晶硅筒，副室底部安装有导流筒，导流筒内设置有冷却水循环管。本发明能够改进现有技术的不足，提高提拉法制作晶体硅筒靶材的良品率。

Description

一种双副室单晶硅筒生长炉及单晶硅生长方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种双副室单晶硅筒生长炉及单晶硅生长方法。
背景技术
晶体硅筒作为一种半导体靶材,一般用于制造集成电路、电子元件、动力电池的功能薄膜,目前硅筒状靶材的生长技术有两种:喷涂法和机械加工法。
其中喷涂法是目前普遍采用的方法，专利CN107557737A中提及一种制备管状靶材的方法,在大气气氛中,采用等离子喷涂或冷喷涂等在包含过渡层的不锈钢背衬管表面喷涂靶材层。因为在大气中，得到的靶材材料的纯度下降。CN107620048A中涉及一种硅靶材结构及其制造方法中指出硅靶材焊接面上形成铜镀层,来改善硅靶材与其他材料的焊接性能,使得硅靶材可以与背板实现可靠的结合,以满足硅靶材组件长期稳定使用的需求。市场上晶体硅筒靶材还通过对实心多晶硅棒状基材进行机械加工得到，硅材料有解理面，机械加工过程会产生较高的破损，增加了成本。此外，机械加工产生的高温过程给硅靶材引入了沾污，降低了硅靶材的纯度。
而采用籽晶硅筒进行提拉制作晶体硅筒靶材，由于晶体硅筒对于提拉过程中硅原料熔液的扰动较大，导致制成的晶体硅筒靶材良品率较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种带校准功能的光电隔离装置及其校准方法，能够解决现有技术的不足，提高提拉法制作晶体硅筒靶材的良品率。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种双副室单晶硅筒生长炉，包括主室，主室连接有真空泵，主室内安装有坩埚，主室的顶部对称设置有两个与主室连通的副室，主室内表面安装有加热装置；副室顶部通过转盘安装有提拉电机，提拉电机通过提拉线连接有夹持机构，夹持机构夹持有籽晶硅筒，副室底部安装有导流筒，导流筒内设置有冷却水循环管。
作为优选，所述加热装置包括在主室底面矩形阵列排布的若干个第一加热器和在主室侧壁环形排布的若干个第二加热器。
作为优选，所述主室底面设置有若干个升降台，每个升降台顶部安装有一个第一加热器，升降台的数量小于第一加热器数量的数量。
作为优选，所述每个第二加热器的顶部轴接有一个反射板。
作为优选，所述冷却水循环管的外壁均匀设置有若干个凸缘，凸缘的内侧面设置有导流片。
作为优选，所述冷却水循环管轴心设置有导流螺旋管。
一种上述双副室单晶硅筒生长炉的单晶硅生长方法，包括以下步骤：
A、加料
将硅原料放入坩埚内；
B、熔化
启动真空泵抽真空，使主室压力保持在小于5Pa，开启加热装置进行加热，使硅原料熔化；
C、稳温
当硅原料熔化成液体后降低加热功率，使主室温度保持恒定并维持；
D、引晶
下降籽晶硅筒，使籽晶硅筒与硅原料液面距离保持在3～5mm，对籽晶硅筒进行预热；然后将籽晶硅筒浸入硅原料熔液中，然后对籽晶硅筒进行提拉，提拉速度为1.75mm/min；
E、放肩
将籽晶硅筒提拉速度控制在0.6mm/min，使生长出的单晶硅筒形成圆锥形肩部结构；
F、转肩
当硅筒直径增长设定直径的80％时，将籽晶硅筒提拉速度控制在0.75mm/min，同时转动籽晶硅筒，籽晶硅筒的转速为5rpm；
G、等径生长
当硅筒直径增长设定直径时，将籽晶硅筒提拉速度控制在0.5mm/min，籽晶硅筒的转速为10rpm；调整加热装置的加热状态，使硅原料熔液的温场保持如下状态，
坩埚内轴向温度变化曲线满足，
其中z＞0，k为距离硅原料液面10cm位置的实时坐标值；
坩埚内径向温度变化满足以下条件，
以两个籽晶硅筒的轴线为中心形成对称的圆形温度梯度场，圆形温度梯度场的直径大于硅筒设定直径的3倍，圆形温度梯度场由中心至边缘的梯度变化函数为y＝0.1x；
H、收尾
将籽晶硅筒提拉速度控制在1.5mm/min，当长度达到设定值时提断停炉。
作为优选，步骤G中，在开始调整籽晶硅筒提拉速度时，将提拉速度调整过程分为三个阶段，每个阶段采用相同的速度变化率对提拉速度进行调整，相邻阶段之间保持40s～60s的间隙时间。
作为优选，步骤G中，在每个提拉速度的调整阶段中，籽晶硅筒的转速降低至1rpm。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明通过改进生长炉的结构，通过带有冷却装置的导流筒对提拉结晶过程的温度进行精确控制，同时配合对坩埚温度场的优化，实现双副室的单晶硅同步提拉生长，提高了生产效率。冷却水循环管的结构可以有效提高冷却水的热交换效率和均匀度。坩埚内的温场设计充分考虑了中空的单晶硅筒对温场的影响，利用三维温度控制方法，减小单晶硅筒对提拉结晶过程的影响。在等径生长阶段，通过改变传统的提拉速度控制方式，降低了速度变化对原料液面的干扰。更为关键的是，本发明改变传统方法中通过停止旋转降低液面波动的方式，利用籽晶硅筒的低速旋转，有效降低了原料液面的波动。本发明通过进一步优化加热装置的结构，提高了对于坩埚温场调控的精度。由于本发明对于坩埚内温场和液面的优化控制，不需要在提拉过程中对坩埚进行提升操作，从而省略了埚升装置，降低了设备成本，避免了埚升过程对原料液面的干扰以及给温场控制带来的难度。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方式的生长炉结构图。
图2是本发明一个具体实施方式中冷却水循环管的结构图。
具体实施方式
参照图1-2，本发明一个具体实施方式包括主室1，主室1连接有真空泵2，主室1内安装有坩埚3，主室1的顶部对称设置有两个与主室1连通的副室4，主室1内表面安装有加热装置5；副室4顶部通过转盘19安装有提拉电机6，提拉电机6通过提拉线7连接有夹持机构8，夹持机构8夹持有籽晶硅筒9，副室4底部安装有导流筒10，导流筒10内设置有冷却水循环管11。加热装置5包括在主室1底面矩形阵列排布的若干个第一加热器12和在主室1侧壁环形排布的若干个第二加热器13。主室1底面设置有若干个升降台14，每个升降台14顶部安装有一个第一加热器12，升降台14的数量小于第一加热器12数量的数量。每个第二加热器13的顶部轴接有一个反射板15。冷却水循环管11的外壁均匀设置有若干个凸缘16，凸缘16的内侧面设置有导流片17。冷却水循环管11轴心设置有导流螺旋管18。
一种上述的双副室单晶硅筒生长炉的单晶硅生长方法，包括以下步骤：
A、加料
将硅原料放入坩埚3内；
B、熔化
启动真空泵2抽真空，使主室压力保持在小于5Pa，开启加热装置5进行加热，使硅原料熔化；
C、稳温
当硅原料熔化成液体后降低加热功率，使主室温度保持恒定并维持；
D、引晶
下降籽晶硅筒9，使籽晶硅筒9与硅原料液面距离保持在3～5mm，对籽晶硅筒9进行预热；然后将籽晶硅筒9浸入硅原料熔液中，然后对籽晶硅筒9进行提拉，提拉速度为1.75mm/min；籽晶硅筒9直径为4英寸到8英寸，宽度为1毫米到20毫米；
E、放肩
将籽晶硅筒9提拉速度控制在0.6mm/min，使生长出的单晶硅筒形成圆锥形肩部结构；
F、转肩
当硅筒直径增长设定直径的80％时，将籽晶硅筒9提拉速度控制在0.75mm/min，同时转动籽晶硅筒9，籽晶硅筒9的转速为5rpm；
G、等径生长
当硅筒直径增长设定直径时，将籽晶硅筒9提拉速度控制在0.5mm/min，籽晶硅筒9的转速为10rpm；调整加热装置5的加热状态，使硅原料熔液的温场保持如下状态，
坩埚3内轴向温度变化曲线满足，
其中z＞0，k为距离硅原料液面10cm位置的实时坐标值；
坩埚3内径向温度变化满足以下条件，
以两个籽晶硅筒9的轴线为中心形成对称的圆形温度梯度场，圆形温度梯度场的直径大于硅筒设定直径的3倍，圆形温度梯度场由中心至边缘的梯度变化函数为y＝0.1x；
H、收尾
将籽晶硅筒9提拉速度控制在1.5mm/min，当长度达到设定值时提断停炉。
步骤G中，在开始调整籽晶硅筒9提拉速度时，将提拉速度调整过程分为三个阶段，每个阶段采用相同的速度变化率对提拉速度进行调整，相邻阶段之间保持40s～60s的间隙时间。
步骤G中，在每个提拉速度的调整阶段中，籽晶硅筒9的转速降低至1rpm。
在调整坩埚3内轴向温度时，通过改变反射板15的反射角度实现对坩埚3内轴向温度的微调。在调整坩埚3内径向温度时，通过改变不同升降台14的高度实现对坩埚3内径向温度的微调。
本发明制作出的单晶硅筒靶材的纯度可达99.9999％，良品率可从不足30％提升至80％以上。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种双副室单晶硅筒生长炉，包括主室(1)，主室(1)连接有真空泵(2)，主室(1)内安装有坩埚(3)，其特征在于：主室(1)的顶部对称设置有两个与主室(1)连通的副室(4)，主室(1)内表面安装有加热装置(5)；副室(4)顶部通过转盘(19)安装有提拉电机(6)，提拉电机(6)通过提拉线(7)连接有夹持机构(8)，夹持机构(8)夹持有籽晶硅筒(9)，副室(4)底部安装有导流筒(10)，导流筒(10)内设置有冷却水循环管(11)。
2.根据权利要求1所述的双副室单晶硅筒生长炉，其特征在于：所述加热装置(5)包括在主室(1)底面矩形阵列排布的若干个第一加热器(12)和在主室(1)侧壁环形排布的若干个第二加热器(13)。
3.根据权利要求2所述的双副室单晶硅筒生长炉，其特征在于：所述主室(1)底面设置有若干个升降台(14)，每个升降台(14)顶部安装有一个第一加热器(12)，升降台(14)的数量小于第一加热器(12)数量的数量。
4.根据权利要求3所述的双副室单晶硅筒生长炉，其特征在于：每个第二加热器(13)的顶部轴接有一个反射板(15)。
5.根据权利要求1所述的双副室单晶硅筒生长炉，其特征在于：所述冷却水循环管(11)的外壁均匀设置有若干个凸缘(16)，凸缘(16)的内侧面设置有导流片(17)。
6.根据权利要求5所述的双副室单晶硅筒生长炉，其特征在于：所述冷却水循环管(11)轴心设置有导流螺旋管(18)。
7.一种权利要求1-6任意一项所述的双副室单晶硅筒生长炉的单晶硅生长方法，其特征在于包括以下步骤：
A、加料
将硅原料放入坩埚(3)内；
B、熔化
启动真空泵(2)抽真空，使主室压力保持在小于5Pa，开启加热装置(5)进行加热，使硅原料熔化；
C、稳温
当硅原料熔化成液体后降低加热功率，使主室温度保持恒定并维持；
D、引晶
下降籽晶硅筒(9)，使籽晶硅筒(9)与硅原料液面距离保持在3～5mm，对籽晶硅筒(9)进行预热；然后将籽晶硅筒(9)浸入硅原料熔液中，然后对籽晶硅筒(9)进行提拉，提拉速度为1.75mm/min；
E、放肩
将籽晶硅筒(9)提拉速度控制在0.6mm/min，使生长出的单晶硅筒形成圆锥形肩部结构；
F、转肩
当硅筒直径增长设定直径的80％时，将籽晶硅筒(9)提拉速度控制在0.75mm/min，同时转动籽晶硅筒(9)，籽晶硅筒(9)的转速为5rpm；
G、等径生长
当硅筒直径增长设定直径时，将籽晶硅筒(9)提拉速度控制在0.5mm/min，籽晶硅筒(9)的转速为10rpm；调整加热装置(5)的加热状态，使硅原料熔液的温场保持如下状态，
坩埚(3)内轴向温度变化曲线满足，
其中z＞0，k为距离硅原料液面10cm位置的实时坐标值；
坩埚(3)内径向温度变化满足以下条件，
以两个籽晶硅筒(9)的轴线为中心形成对称的圆形温度梯度场，圆形温度梯度场的直径大于硅筒设定直径的3倍，圆形温度梯度场由中心至边缘的梯度变化函数为y＝0.1x；
H、收尾
将籽晶硅筒(9)提拉速度控制在1.5mm/min，当长度达到设定值时提断停炉。
8.根据权利要求7所述的双副室单晶硅筒生长炉的单晶硅生长方法，其特征在于：步骤G中，在开始调整籽晶硅筒(9)提拉速度时，将提拉速度调整过程分为三个阶段，每个阶段采用相同的速度变化率对提拉速度进行调整，相邻阶段之间保持40s～60s的间隙时间。
9.根据权利要求8所述的双副室单晶硅筒生长炉的单晶硅生长方法，其特征在于：步骤G中，在每个提拉速度的调整阶段中，籽晶硅筒(9)的转速降低至1rpm。
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