CN110129884A - 拉晶炉、单晶硅锭的制备方法、单晶硅锭及硅片 - Google Patents

拉晶炉、单晶硅锭的制备方法、单晶硅锭及硅片 Download PDF

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文英熙
柳清超
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Abstract

本发明提供一种拉晶炉、单晶硅锭的制备方法、单晶硅锭及硅片，其中，拉晶炉用于制造单晶硅锭，包括：炉体，所述炉体内包括主炉室和与所述主炉室相连通的副炉室，所述副炉室上设有用于通入惰性气的进气口；冷却装置，所述冷却装置设置在所述炉体内，用于在拉制单晶硅锭时，对所述单晶硅锭冷却；挡板，所述挡板固定设置在所述副炉室内，并与所述进气口相对设置，用于对从所述进气口通入的惰性气体进行分流，以使得惰性气体流向所述单晶硅锭的外周面并结合所述冷却装置对所述单晶硅棒进行冷却。本发明实施例的拉晶炉能够快速的对单晶硅锭降温，提高单晶硅锭的质量。

Description

拉晶炉、单晶硅锭的制备方法、单晶硅锭及硅片
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种拉晶炉、单晶硅锭的制备方法、单晶硅锭及硅片。
背景技术
在半导体硅片的制造过程中，单晶硅棒的质量决定硅片的质量，因此，提高单晶硅锭的质量至关重要，在生长单晶硅锭的过程中，主要的原生缺陷，根据不同的检测方法可将其命名为，晶体原生缺陷(Crystal Originated Particle，COP)，流动图案缺陷(FlowPattern Defect，FPD)，激光散射层析缺陷(Laser scattering topography defect，LSTD)。而这些缺陷对于后续制成半导体器件会造成严重的不良影响，因此，生产降低单晶硅棒的生长缺陷是提高硅片质量的重要环节。
硅单晶中原生缺陷的形成主要是由空位和自间隙硅原子的过饱和度引起的。在硅熔点时，自间隙和空位是相当的。当晶锭逐渐离开固液界面，温度下降过程中，首先两者将快速复合，而产生的缺陷主要是由V/G的值来决定，其中，V为拉晶速率，G为轴向温度梯度。V/G较大时主要是空位占主导的空洞型缺陷区域，空洞型缺陷的形成通常经过两个过程，首先是少量空位的聚集形核，然后形成核心吸收大量的空位从而形成空洞型缺陷。其中空洞型缺陷快速形核的温度区间Tn大致为1120～1040℃之间，这个过程主要决定缺陷尺寸大小。当单晶硅锭温度小于Tn后，空洞型缺陷开始生长，这个过程中温度的降低，主要是增加缺陷的密度，而缺陷的尺寸不会有太大的变化。因此，为了让生产的单晶硅锭中缺陷的尺寸变小，密度变大，需要让硅锭尽可能快速的通过缺陷形核区，到达缺陷生长区。因此，如何加快硅锭的冷却速率是提高单晶硅锭质量所面临的重要问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种拉晶炉，在单晶硅锭生产时，快速对单晶硅锭进行冷却，以解决单晶硅锭生长时产生的缺陷尺寸较大，影响单晶硅锭的质量。
为解决上述技术问题，本发明提供一种拉晶炉。
根据本发明第一方面实施例的拉晶炉，用于制造单晶硅锭，包括：
炉体，所述炉体内包括主炉室和与所述主炉室相连通的副炉室，所述副炉室上设有用于通入惰性气的进气口；
冷却装置，所述冷却装置设置在所述炉体内，用于在拉制单晶硅锭时，对所述单晶硅锭冷却；
挡板，所述挡板固定设置在所述副炉室内，并与所述进气口相对设置，用于对从所述进气口通入的惰性气体进行分流，以使得惰性气体流向所述单晶硅锭的外周面并结合所述冷却装置对所述单晶硅棒进行冷却。
优选地，所述冷却装置包括：
冷却套筒，所述冷却套筒的内径大于所述单晶硅锭的直径，所述冷却套筒套设在所述单晶硅锭的外周，以对所述单晶硅锭进行冷却。
优选地，所述挡板的横截面为圆形，所述挡板的直径小于所述冷却套筒的直径。
优选地，所述挡板的邻近所述进气口的一侧为弧面，以对从所述进气口流进的惰性气体进行导流。
优选地，所述挡板为硅、二氧化硅或碳化硅材料件。
本发明第二方面实施例的单晶硅锭的制备方法，所述方法包括：
拉制单晶硅锭时，向拉晶炉的炉体内通入惰性气体，将所述惰性气体进行分流，以使得惰性气体流向所述单晶硅锭的外周面并对所述单晶硅棒进行冷却。
优选地，单晶硅锭的制备方法还包括：对所述惰性气体进行引流，以使得惰性气体集中流向所述单晶硅锭在外周面。
优选地，单晶硅锭的制备方法还包括：
调整所述惰性气体的在进气口时的温度和流速，以对单晶硅锭进行快速冷却。
本发明第三方面实施例的单晶硅锭，通过上述实施例所述的单晶硅锭的制备方法制备得到。
本发明第四方面实施例的硅片，通过对上述实施例所述的单晶硅锭切割得到。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明实施例的拉晶炉，通过在炉体内设置冷却装置以及在副炉室的进气口处设置挡板，该挡板可以有效的将从进气口进入的惰性气体分流，以使惰性气体集中在单晶硅棒的外周，并与冷却装置结合对单晶硅锭快速冷却，有效的避免单晶硅棒产生较大尺寸的空洞型缺陷，影响单晶硅锭的质量。
附图说明
图1为本发明实施例的拉晶炉的结构示意图；
图2为本发明实施例的拉晶炉内惰性气体流动的状态图；
图3为本发明实施例的另一个结构的拉晶炉内惰性气体流动的状态图。
附图标记
拉晶炉100；
炉体10；主炉室11；副炉室12；进气口121；
冷却套筒20
挡板30；
坩埚40；
加热器50；
硅熔体60；
单晶硅锭70；
惰性气体80。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的拉晶炉100。
如图1至图3所示，根据本发明实施例的拉晶炉100，用于制造单晶硅锭70，包括：炉体10、冷却装置和挡板30。
具体地，炉体10内包括主炉室11和与主炉室11相连通的副炉室12，副炉室12上设有用于通入惰性气的进气口121，冷却装置设置在炉体10内，用于在拉制单晶硅锭70时，对单晶硅锭70冷却，挡板30固定设置在副炉室12内，并与进气口121相对设置，用于对从进气口121通入的惰性气体80进行分流，以使得惰性气体80流向单晶硅锭70的外周面并结合冷却装置对单晶硅棒进行冷却。
也就是说，在副炉室12的进气口121处设置有挡板30，当从进气口121向拉晶炉100内通入惰性气体80时，惰性气体80受到挡板30的阻挡，向挡板30的周围流动，进而使惰性气体80集中流向单晶硅锭70的外周并对生长的单晶硅锭70进行冷却，同时，惰性气体80结合冷却装置一同对单晶硅锭70冷却，如图1所示，主炉室内设有加热器50和坩埚40，加热器50对坩埚40进行加热，坩埚40内盛装硅溶体60，单晶硅锭70的一端与硅溶体60接触，生产时，提拉单晶硅锭并通过惰性气体和冷却装置同时对单晶硅锭进行快速的降温，加快了单晶硅锭70的冷却速度，使单晶硅锭70的温度快速的越过容易生长空洞型缺陷的温度区间，进而可以有效的减小空洞型缺陷的生长尺寸，甚至不会产生空洞型缺陷，提高单晶硅锭70的质量。
本发明中的惰性气体80可以优选为氩气，氩气作为保护气体具有较好的稳定性。
由此，根据本发明实施例的拉晶炉100，通过在炉体10内设置冷却装置以及在副炉室12的进气口121处设置挡板30，该挡板30可以有效的将从进气口121进入的惰性气体80分流，以使惰性气体80集中在单晶硅棒的外周，并与冷却装置结合对单晶硅锭70快速冷却，有效的避免单晶硅棒产生较大尺寸的空洞型缺陷，影响单晶硅锭70的质量。
优选地，冷却装置包括冷却套筒20，冷却套筒20的内径大于单晶硅锭70的直径，冷却套筒20套设在单晶硅锭70的外周，以对单晶硅锭70进行冷却。
也就是说，通过在炉体10内设置冷却套筒20，单晶硅锭70可以放置在冷却套筒20内，通过冷却套筒20可以实现对单晶硅锭70的外周进行冷却，例如，当冷却套筒20内的冷却介质进行循环流动时，可以快速的对单晶硅锭70进行降温，以有效的避免单晶硅棒产生较大尺寸的空洞型缺陷。
优选地，挡板30的横截面为圆形，挡板30的直径小于冷却套筒20的直径。该结构更有利于惰性气体80流进冷却套筒20内以对单晶硅锭70进行冷却，如图2和3所示，当惰性气体80在挡板30的外沿流向单晶硅锭70时，惰性气体80可以顺利的流向冷却套筒20内，并与冷却套筒20一同对单晶硅锭70进行冷却，实现对单晶硅锭70的快速降温。
作为本发明的一个优选实施例，如图3所示，挡板30的邻近进气口121的一侧为弧面，以对从进气口121流进的惰性气体80进行导流。通过将挡板30的朝向进气口121的一端设置为弧面，更有利于惰性气体80顺利的流向冷却套筒20内并对单晶硅锭70进行冷却。
优选地，挡板30为硅、二氧化硅或碳化硅材料件，该材料不会因引入其他杂质而影响单晶硅锭70的质量。当然本发明的其他实施例中也可以采用其他不会引入杂质的材料，在此并不作为限定。
本发明实施例的拉晶炉100，能够在单晶硅锭70生长时快速的冷却单晶硅锭70，进而可以避免空洞型缺陷的生长或减小空洞型缺陷的尺寸，提高单晶硅锭70的质量。
根据本发明第二方面实施例的单晶硅锭的制备方法，该方法包括：拉制单晶硅锭70时，向拉晶炉100的炉体10内通入惰性气体80，将惰性气体80进行分流，以使得惰性气体80集中流向单晶硅锭70的外周面，并结合冷却装置对单晶硅棒进行冷却，该方法加快了单晶硅锭70的冷却速度，使单晶硅锭70的温度快速的越过容易生长空洞型缺陷的温度区间，进而可以有效的减小空洞型缺陷的生长尺寸，甚至不会产生空洞型缺陷，提高单晶硅锭70的质量。
优选地，单晶硅锭的制备方法还包括对惰性气体80进行引流，以使得惰性气体80集中流向单晶硅锭70在外周面。通过引流的方式，可以使惰性气体80顺利的流向单晶硅锭70外周并与冷却装置一同对单晶硅锭70快速冷却。
优选地，单晶硅锭的制备方法还包括调整惰性气体80的在进气口121时的温度和流速，以对单晶硅锭70进行快速冷却。
也就是说，在单晶硅锭70生长时，可以根据生长需求，调整惰性气体80的在进气口121时的温度和速度，以使惰性气体80能够高效的对单晶硅锭70快速的冷却。
本发明实施例的单晶硅锭的制备方法，实现了对单晶硅锭70的快速冷却，有效的避免单晶硅棒产生较大尺寸的空洞型缺陷，影响单晶硅锭70的质量。
根据本发明第三方面实施例的单晶硅锭70，通过上述实施例的单晶硅锭的制备方法制备得到，该单晶硅锭70质量较好。
根据本发明第四方面实施例的硅片，通过对上述实施例的单晶硅锭70切割得到，通过该单晶硅锭70可以得到缺陷较小甚至无缺陷的硅片。
除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种拉晶炉，用于制造单晶硅锭，其特征在于，包括：
炉体，所述炉体内包括主炉室和与所述主炉室相连通的副炉室，所述副炉室上设有用于通入惰性气的进气口；
冷却装置，所述冷却装置设置在所述炉体内，用于在拉制单晶硅锭时，对所述单晶硅锭冷却；
挡板，所述挡板固定设置在所述副炉室内，并与所述进气口相对设置，用于对从所述进气口通入的惰性气体进行分流，以使得惰性气体集中流向所述单晶硅锭的外周面并结合所述冷却装置对所述单晶硅棒进行冷却。
2.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述冷却装置包括：
冷却套筒，所述冷却套筒的内径大于所述单晶硅锭的直径，所述冷却套筒套设在所述单晶硅锭的外周，以对所述单晶硅锭进行冷却。
3.根据权利要求2所述的拉晶炉，其特征在于，所述挡板的横截面为圆形，所述挡板的直径小于所述冷却套筒的直径。
4.根据权利要求3所述的拉晶炉，其特征在于，所述挡板的邻近所述进气口的一侧为弧面，以对从所述进气口流进的惰性气体进行导流。
5.根据权利要求4所述的拉晶炉，其特征在于，所述挡板为硅、二氧化硅或碳化硅材料件。
6.一种单晶硅锭的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
拉制单晶硅锭时，向拉晶炉的炉体内通入惰性气体，将所述惰性气体进行分流，以使得惰性气体流向所述单晶硅锭的外周面并对所述单晶硅棒进行冷却。
7.根据权利要求6所述的单晶硅锭的制备方法，其特征在于，还包括：对所述惰性气体进行引流，以使得惰性气体集中流向所述单晶硅锭在外周面。
8.根据权利要求6所述的单晶硅锭的制备方法，其特征在于，还包括：
调整所述惰性气体的在进气口时的温度和流速，以对单晶硅锭进行快速冷却。
9.一种单晶硅锭，其特征在于，通过权利要求6-8任一项所述的单晶硅锭的制备方法制备得到。
10.一种硅片，其特征在于，通过对权利要求9所述的单晶硅锭切割得到。
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