CN114752995A - 一种用于拉晶炉的热场控制装置及拉晶炉 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于拉晶炉的热场控制装置及拉晶炉，所述热场控制装置包括：所述拉晶炉的导流筒，所述导流筒固定地设置在所述拉晶炉中；隔热件，所述隔热件设置在硅熔体与从所述硅熔体拉制出的单晶硅棒之间，以与所述导流筒一起构成用于阻隔从所述硅熔体辐射至所述单晶硅棒的热量的热屏蔽体，其中，所述隔热件由适于机械传动的材料制成；隔热件驱动器，所述隔热件驱动器用于驱动所述隔热件移动来改变所述热屏蔽体的底部与所述硅熔体的液面之间的间距并相应地改变从所述硅熔体辐射至所述单晶硅棒的热量，以在所述单晶硅棒中获得所需要的轴向温度梯度。

Description

一种用于拉晶炉的热场控制装置及拉晶炉

技术领域

本发明涉及半导体硅片生产领域，尤其涉及一种用于拉晶炉的热场控制装置及拉晶炉。

背景技术

对于半导体硅片的生产而言，通常首先通过直接法拉制出单晶硅棒，之后进行切片、研磨、抛光以及可能的外延生长处理之后便可以获得所需品质的硅片。其中对于直接法拉制单晶硅棒而言，所使用的装置为拉晶炉，坩埚放置于拉晶炉的炉体中，高纯度多晶硅料容纳在坩埚中，通过加热获得硅熔体，将籽晶浸入硅熔体中并经过引晶、放肩、等径，收尾、冷却等工艺过程后便可以最终获得单晶硅棒。

随着半导体制程的缩短，对于硅片的要求越来越高，一般都需要无晶体生长缺陷的硅片，这就要求在拉制单晶硅棒的过程中有效地控制晶体生长缺陷。根据用于确定晶体生长缺陷的V/G理论，拉制单晶硅棒过程中的晶体生长缺陷除了与拉速V有关以外还与单晶硅棒的轴向温度梯度G有关，而单晶硅棒的轴向温度梯度G取决于热场设计，好的热场设计可有利于单晶硅棒无生长缺陷。

影响拉制出的单晶硅棒周围的热场的因素是综合性的，拉晶炉中的热量来源于用于对多晶硅料进行加热以使固态的多晶硅料熔化为硅熔体并且使硅熔体保持一定温度的加热器，因此，比如加热器的热量会辐射或传导至单晶硅棒，另外由于单晶硅棒是从硅熔体中拉制出的，因此比如硅熔体也会向单晶硅棒辐射热量，再比如拉制出的单晶硅棒是穿过拉晶炉中的导流筒移动的，因此导流筒会对辐射至单晶硅棒的热量产生阻隔作用。因此，提供一种高效的热场控制装置，使得单晶硅棒的轴向温度梯度G能够得到精确控制，由此使单晶硅棒无生长缺陷化，成为亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种用于拉晶炉的热场控制装置及拉晶炉，能够以简单且有效的方式实现对单晶硅棒的轴向温度梯度的精确控制，从而实现单晶硅的无缺陷生长。

本发明的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种用于拉晶炉的热场控制装置，所述热场控制装置包括：

所述拉晶炉的导流筒，所述导流筒固定地设置在所述拉晶炉中；

隔热件，所述隔热件设置在硅熔体与从所述硅熔体拉制出的单晶硅棒之间，以与所述导流筒一起构成用于阻隔从所述硅熔体辐射至所述单晶硅棒的热量的热屏蔽体，其中，所述隔热件由适于机械传动的材料制成；

隔热件驱动器，所述隔热件驱动器用于驱动所述隔热件移动来改变所述热屏蔽体的底部与所述硅熔体的液面之间的间距并相应地改变从所述硅熔体辐射至所述单晶硅棒的热量，以在所述单晶硅棒中获得所需要的轴向温度梯度。

第二方面，本发明实施例提供了一种拉晶炉，所述拉晶炉包括根据第一方面所述的热场控制装置。

本发明实施例提供了一种用于拉晶炉的热场控制装置及拉晶炉，热屏蔽体设置在硅熔体与单晶硅棒之间，通过使热屏蔽体的底部与硅熔体的液面之间的间距发生改变，或者说相当于通过使热屏蔽体移动，来改变从硅熔体辐射至单晶硅棒的热量，从而以简单且有效的方式实现了对单晶硅棒周围的热场进行控制，由此满足了单晶硅棒的轴向温度梯度的要求，而且，拉晶炉的导流筒是被固定地设置的，这样，避免了通过由脆性的石墨材料制成因而不适合于进行机械传动否则易于发生破裂的导流筒的移动来实现上述间距的变化。

附图说明

图1在拉晶炉中示出了根据本发明的实施例的热场控制装置的示意图；

图2为根据本发明的实施例的隔热件的局部剖视示意图；

图3为根据本发明的实施例的导流筒的局部剖视示意图；

图4为根据本发明的实施例的拉晶炉的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，本发明实施例提供了一种用于拉晶炉1的热场控制装置10，其中对于拉晶炉1而言，图1中仅示出了其坩埚20及导流筒11，而对于拉晶炉1的其他部件比如炉体、加热器等，本领域技术人员是知晓的因此并未在图1中示出，所述热场控制装置10可以包括：

所述拉晶炉1的导流筒11，所述导流筒11固定地设置在所述拉晶炉1中，如本领域技术人员知晓的，导流筒11的作用在于将例如氩气之类的保护性气体引导致图1中示出的硅熔体SM的液面L处，以便于比如防止硅熔体SM发生不必要的化学反应，而且在拉制单晶硅棒R的过程中，单晶硅棒R会穿过导流筒11移动因而导流筒11可以起到对从其外部辐射至单晶硅棒R的热量进行屏蔽的作用，另外导流筒11是由脆性的石墨材质制成的，因而不适合于作为机械传动的部件来使用，因为在被频繁驱动的情况下容易发生破裂而导致损坏；

隔热件12，所述隔热件12设置在硅熔体SM与从所述硅熔体SM拉制出的单晶硅棒R之间，以与所述导流筒11一起构成用于阻隔从所述硅熔体SM辐射至所述单晶硅棒R的热量的热屏蔽体10A，例如在图1中，通过虚线箭头示意性地示出的热量辐射路径被热屏蔽体10A隔断，因而热量无法辐射至单晶硅棒R，而通过虚线箭头下方的实线箭头示意性地示出的热量辐射路径没有受到任何阻隔，因此来自硅熔体SM的热量会辐射至单晶硅棒R，其中，所述隔热件12的材质与导流筒11的材质是不同的，所述隔热件12由适于机械传动的材料制成；

隔热件驱动器13，所述隔热件驱动器13用于驱动所述隔热件12移动来改变所述热屏蔽体10A的底部与所述硅熔体SM的液面L之间的间距D1并相应地改变从所述硅熔体SM辐射至所述单晶硅棒R的热量，以在所述单晶硅棒R中获得所需要的轴向温度梯度，对此，参考图1容易理解的是，当隔热件驱动器13驱动隔热件12向上移动时，间距D1增大，因而会有更多的热量从硅熔体SM辐射至单晶硅棒R，而当隔热件驱动器13驱动隔热件12向下移动时，间距D1减小，因而会有更少的热量从硅熔体SM辐射至单晶硅棒R。

根据本发明的上述实施例的技术方案，热屏蔽体10A设置在硅熔体SM与单晶硅棒R之间，通过使热屏蔽体10A的底部与硅熔体SM的液面L之间的间距D1发生改变，或者说相当于通过使热屏蔽体10A移动，来改变从硅熔体SM辐射至单晶硅棒R的热量，从而以简单且有效的方式实现了对单晶硅棒R周围的热场进行控制，由此满足了单晶硅棒R的轴向温度梯度的要求，而且，拉晶炉1的导流筒是被固定地设置的，这样，避免了通过由脆性的石墨材料制成因而不适合于进行机械传动否则易于发生破裂的导流筒11的移动来实现上述间距D1的变化。

如上所述隔热件12是由适于机械传动的材料制成的，对此，在本发明的优选实施例中，所述隔热件12可以由不锈钢制成，钢材是一种成本低廉的韧性材料因而是与石墨不同的，或者说即使在被频繁驱动的情况下也不会发生破裂因而是适合于机械传动的，但是另一方面，在拉晶炉1中存在钢材可能会导致金属污染的引入，影响拉晶工艺过程或可能使拉制出的单晶硅棒R的品质降低，对此，所述隔热件12的表面积可以小于所述导流筒11的表面积，这样，与将材料同样为钢材的导流筒11作为移动部件来实现上述间距D1的变化相比，减小了金属污染的可能性。

对于由适于机械传动的材料而言，例如对于上述的钢材而言，往往会因其存在于拉晶炉1中而在拉晶炉1中引入不期望的污染，对此，在本发明的优选实施例中，参见图2，所述隔热件12可以包括本体120和覆盖所述本体120的覆层121，所述覆层121用于防止所述本体120的污染性杂质逸出。这样，在确保隔热件12适于进行机械传动的同时，避免了因其材质而导致的污染的引入。

在本发明的优选实施例中，所述隔热件12可以由钼制成，如本领域技术人员知晓的，金属钼是存在于拉晶炉1中的常规材质，不仅不会引入污染而且具有较高的热辐射反射率，能够更有效地实现对来自于硅熔体SM的热量进行阻隔的作用。

在本发明的优选实施例中，返回参见图1，所述隔热件12可以与导流筒11一样呈圆筒状，由此更高效地针对单晶硅棒R实现热量阻隔，并且所述隔热件12的内周壁12W竖直地延伸。如前所述，导流筒11的作用在于将例如氩气的保护性气体引导致图1中示出的硅熔体SM的液面L处，以便于比如防止硅熔体SM发生不必要的化学反应，因此，导流筒11需要具有特定的形状以便于形成有效地引导保护性气体的通道，具体地如在图1中示出的，导流筒11的内周壁11W具有从上到下渐缩的部分，由此易于受到被引导而进行流动的保护性气体的较大的冲击力，在导流筒11被驱动而进行移动的情况下，会因气流冲击力的作用而发生晃动，进一步促使与驱动装置的连接处受力断裂，甚至当晃动幅度较大时可能与单晶硅棒R发生碰撞，从而导致单晶硅棒R或导流筒11自身的掉落。而隔热件12是不需要承担引导气流的作用的，因此其内周壁12W如上所述可以竖直地延伸，由此避免了流动的保护性气体的冲击力，即使导隔热件12被驱动而进行移动，也不会发生晃动，与将形成有用于引导保护性气体的通道的导流筒11作为移动部件来实现上述间距D1的变化相比，提高了部件稳定性并确保了生产安全性。

为了进一步避免隔热件12发生晃动，在本发明的优选实施例中，仍然参见图1，所述隔热件12的高度可以小于所述导流筒11的高度。这样，在保护性气体流动的情况下，隔热件12的“迎风面”进一步减少，因此隔件件12承受的流动的保护性气体的作用力进一步减小，从而能够进一步避免发生晃动。

优选地，在所述单晶硅棒R的直径为300mm至308mm的情况下，参见图1，所述隔热件12的内周壁12W与所述单晶硅棒R外周壁之间的间距D2可以介于20mm至50mm之间。

优选地，在上述情况下，仍然参见图1，所述导流筒11的底部与所述硅熔体的液面之间的间距D3可以介于20mm至60mm之间，容易理解的是，该间距D3决定了所述热屏蔽体10A的底部与所述硅熔体SM的液面L之间的间距D1的最大值，而该间距D1的最小值由隔热件12的移动来确定，可以为10mm。在导流筒11固定的情况下，改变该间距D3便可以对热屏蔽体10A的底部与硅熔体SM的液面L之间的间距D1进行改变。

为了使导流筒11实现隔热作用，在本发明的优选实施例中，参见图3，所述导流筒11可以包括壳体110和设置在所述壳体内部的保温材料111。壳体110可以由高纯石墨制成，并且可以在外表面覆盖碳化硅涂层，保温材料111可以为保温石墨毡。

参见图4，本发明实施例还提供了一种拉晶炉1，所述拉晶炉1可以包括根据本发明前述各实施例所述的热场控制装置10。

如参见图4容易理解的，随着单晶硅棒R的不断生长，坩埚20中的硅熔体SM的体积逐渐减小，一方面液面L下降导致间距D1增大从而使从硅熔体SM辐射至单晶硅棒R的热量发生变化，另一方面由于存在更少的硅熔体SM，因此硅熔体SM本身能够辐射的热量减少，也会导致从硅熔体SM辐射至单晶硅棒R的热量发生变化，这两方面的综合作用会使单晶硅棒R的轴向温度梯度变化，从而产生晶体生长缺陷。在现有技术中，对导流筒的底部与硅熔体的液面之间的间距进行监控并由此获得单晶硅棒所需要的轴向温度梯度是通过这样的方式来实现的：对应监测而言，在导流筒的底部悬挂石英吊钩，利用摄像机捕捉石英吊钩在液面的倒影，并测量石英吊钩与倒影之间的距离，而对于控制而言，是使坩埚进行升降从而确保导流筒底部与硅熔体的液面之间的间距满足单晶硅棒无缺陷生长的要求。然而，由于高温辐射、液面波动等原因，摄像机捕捉石英吊钩在液面的倒影会非常不稳定，很大程度影响监测的准确性，在这种情况下进行的控制其精度也是无法满足要求的，难以避免单晶硅棒晶体生长缺陷。而且，由于导流筒的底部与硅熔体的液面之间的间距的调节要考虑到坩埚上升和单晶硅棒提拉速度之间的协调关系，否则容易发生回融或者单晶硅棒提断，从而限制了上述方式的调节能力，尤其在目前为了保证BMD密度进行掺氮处理的单晶硅棒，随着氮浓度的增加，单晶硅棒ΔG逐渐变大，导致单晶硅棒无缺陷拉速区域缩小，实际生产过程中对导流筒的底部与硅熔体的液面之间的间距的调节不足以改善单晶硅棒中的缺陷分布，使硅棒出现晶体生长缺陷。

对此，参见图4，在本发明的优选实施例中，所述拉晶炉1还可以包括：

坩埚20，所述坩埚用于容纳所述硅熔体SM；

坩埚驱动器30，所述坩埚驱动器30用于驱动所述坩埚20移动，如在图4中通过空心箭头示意性地示出的，以在拉制所述单晶硅棒R期间容纳在所述坩埚20中的硅熔体SM的量持续减少的过程中使所述硅熔体SM的液面L的高度保持恒定，

其中，所述热场控制装置10还可以包括：

测量单元14，所述测量单元14用于测量所述隔热件12的移动距离；

确定单元15，所述确定单元15用于仅根据所述移动距离确定出所述热屏蔽体10A的底部与所述硅熔体SM的液面L之间的间距D1。

在上述实施例中，不再如现有技术中那样去利用石英吊钩及其倒影，而是简单地通过测量隔热件12的移动距离来精确地获得间距D1，在测量精度能够得到保证的情况下控制精度相应地也能够得到保证，因此能够避免晶体生长缺陷的产生。而且，通过使隔热件12移动的调节方式能够实现对单晶硅棒S的轴向温度梯度具有更大的调节范围，能够有效控制晶体生长缺陷，有利于单晶硅棒以无生长缺陷的方式生长。

需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于拉晶炉的热场控制装置，其特征在于，所述热场控制装置包括：

所述拉晶炉的导流筒，所述导流筒固定地设置在所述拉晶炉中；

隔热件，所述隔热件设置在硅熔体与从所述硅熔体拉制出的单晶硅棒之间，以与所述导流筒一起构成用于阻隔从所述硅熔体辐射至所述单晶硅棒的热量的热屏蔽体，其中，所述隔热件由适于机械传动的材料制成；

隔热件驱动器，所述隔热件驱动器用于驱动所述隔热件移动来改变所述热屏蔽体的底部与所述硅熔体的液面之间的间距并相应地改变从所述硅熔体辐射至所述单晶硅棒的热量，以在所述单晶硅棒中获得所需要的轴向温度梯度。

2.根据权利要求1所述的热场控制装置，其特征在于，所述隔热件由不锈钢制成，并且所述隔热件的表面积小于所述导流筒的表面积。

3.根据权利要求1所述的热场控制装置，其特征在于，所述隔热件包括本体和覆盖所述本体的覆层，所述覆层用于防止所述本体的污染性杂质逸出。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热场控制装置，其特征在于，所述隔热件呈圆筒状，并且所述隔热件的内周壁竖直地延伸。

5.根据权利要求4所述的热场控制装置，其特征在于，所述隔热件的高度小于所述导流筒的高度。

6.根据权利要求5所述的热场控制装置，其特征在于，所述单晶硅棒的直径为300mm至308mm，所述内周壁与所述单晶硅棒的外周壁之间的间距介于20mm至50mm之间。

7.根据权利要求6所述的热场控制装置，其特征在于，所述导流筒的底部与所述硅熔体的液面之间的间距介于20mm至60mm之间。

8.根据权利要求1所述的热场控制装置，其特征在于，所述导流筒包括壳体和设置在所述壳体内部的保温材料。

9.一种拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉包括根据权利要求1至8中任一项所述的热场控制装置。

10.根据权利要求9所述的拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉还包括：

坩埚，所述坩埚用于容纳所述硅熔体；

坩埚驱动器，所述坩埚驱动器用于驱动所述坩埚移动以在拉制所述单晶硅棒期间容纳在所述坩埚中的硅熔体的量持续减少的过程中使所述硅熔体的液面的高度保持恒定，

其中，所述热场控制装置还包括：

测量单元，所述测量单元用于测量所述隔热件的移动距离；

确定单元，所述确定单元用于仅根据所述移动距离确定出所述热屏蔽体的底部与所述硅熔体的液面之间的间距。

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