CN115948792A - 单晶炉装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单晶炉装置，属于半导体制造技术领域。其中，单晶炉装置，包括：拉晶炉；所述拉晶炉内设置有坩埚轴，所述坩埚轴的上端设置有坩埚托盘，所述坩埚轴的下端穿出所述拉晶炉的底部，所述坩埚托盘内设置有石墨坩埚，所述石墨坩埚内设置有石英坩埚，所述石英坩埚内用于放置多晶硅料；所述拉晶炉下部设置有排气管道，用于排出所述拉晶炉内单晶硅生长产生的尾气；尾气反应室，与所述排气管道连通，用于容纳所述排气管道传送的尾气，并对所述尾气进行处理，去除所述尾气中的磷化物。本发明的技术方案能够对拉晶炉排放的尾气进行处理。

Description

单晶炉装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种单晶炉装置。

背景技术

单晶硅作为一种半导体材料，一般用于制造集成电路和其他电子元件，目前单晶硅的生长技术有两种：区熔法和直拉法，其中直拉法是目前普遍采用的方法。在直拉法制造单晶硅时，要将多晶料置于石英坩埚中，经过高温加热使其熔化，然后籽晶由顶部降下至熔化的多晶硅中，通过控制液面的温度，使熔化的多晶硅在籽晶周围重新结晶，生成排列整齐的单晶硅棒。

相关技术中，在制备N⁺晶棒时，需要掺杂高纯红磷，在拉制N⁺晶棒时，由于红磷具有很强的挥发性，通常掺入的红磷有约50％以氧化物的形式挥发掉，在惰性气体的吹扫下磷化物(通常为氧化磷和磷化氢)会通过排气管排出拉晶炉，该尾气具有很强的毒性且化学性质不稳定，需要进行相应的尾气处理才能排放。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种单晶炉装置，能够对拉晶炉排放的尾气进行处理。

为了达到上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：

一种单晶炉装置，包括：

拉晶炉；

所述拉晶炉内设置有坩埚轴，所述坩埚轴的上端设置有坩埚托盘，所述坩埚轴的下端穿出所述拉晶炉的底部，所述坩埚托盘内设置有石墨坩埚，所述石墨坩埚内设置有石英坩埚，所述石英坩埚内用于放置多晶硅料；

所述拉晶炉下部设置有排气管道，用于排出所述拉晶炉内单晶硅生长产生的尾气；

尾气反应室，与所述排气管道连通，用于容纳所述排气管道传送的尾气，并对所述尾气进行处理，去除所述尾气中的磷化物。

一些实施例中，所述尾气反应室包括：

过滤室，用于对所述尾气进行过滤，分离出所述尾气中的磷化物和惰性气体，并容纳过滤后的惰性气体；

反应室，位于所述过滤室下方，用于通入含氧空气，与所述磷化物进行燃烧反应。

一些实施例中，所述过滤室包括：

第一容器，用于容纳过滤后的惰性气体；

设置在所述第一容器的进口处的过滤网，用于过滤出所述尾气中的磷化物。

一些实施例中，所述尾气的流动方向上，所述过滤网的过滤孔隙的直径逐渐变小。

一些实施例中，所述单晶炉装置还包括：

设置在所述尾气反应室的重量传感器，用于检测所述尾气反应室内容纳的磷化物的重量，并生成重量数据；

控制单元，与所述重量传感器连接，用于接收所述重量数据，并在所述重量数据大于设定值时，控制所述尾气反应室以预设频率振动。

一些实施例中，所述单晶炉装置还包括：

设置在所述反应室的单向阀；

所述控制单元还用于在所述重量数据大于设定值时，控制所述单向阀打开，使得含氧空气进入所述反应室，与所述磷化物进行燃烧反应。

一些实施例中，所述控制单元用于根据所述重量数据控制所述单向阀的阀门开合度，所述单向阀的阀门开合度与所述重量数据成正比。

一些实施例中，所述反应室的底座为多孔结构，所述单晶炉装置还包括：

设置在所述反应室的沿竖直方向下方的水槽；

所述控制单元还用于在燃烧完成后，控制所述反应室的底座浸入所述水槽。

一些实施例中，所述单晶炉装置还包括：

真空泵，所述真空泵的第一端与所述过滤室的出口连通，用于抽取所述过滤室的出口排出的惰性气体；

与所述真空泵的第二端连通的惰性气体回收结构，用于存储所述真空泵抽取的惰性气体。

一些实施例中，所述惰性气体回收结构包括：

次氯酸钠溶液容纳槽，所述真空泵的第二端伸入所述次氯酸钠溶液容纳槽容纳的次氯酸钠溶液中，用于与所述惰性气体中残留的磷化物发生反应生成磷酸盐。

本发明的有益效果是：

本实施例中，拉晶炉下部设置有排气管道，用于排出单晶硅生长产生的尾气，避免尾气影响单晶硅的生长；另外，尾气反应室与排气管道连通，能够对尾气进行处理，去除尾气中的磷化物，避免有毒的磷化物危害环境。

附图说明

图1表示本发明实施例单晶炉装置的结构示意图。

附图标记

1 拉晶炉

2 坩埚装置

3 排气管道

4 反应室

5反应室的底座

6 水槽

7 过滤网

8 单向阀

9 惰性气体回收结构

10次氯酸钠溶液

11 真空泵的第二端

12 次氯酸钠溶液容纳槽

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

拉晶炉拉制的晶棒主要有两种：N-晶棒和N⁺晶棒，其中N-晶棒的电阻为8-30Ω/cm²，这种晶棒的掺杂通常以母合金的方式掺入，和P型晶棒的拉制相似，掺杂时直接将母合金片和硅料一起装入坩埚加热熔化，掺杂方式较为简单；但对于N⁺晶棒，由于需要掺入高纯红磷，而红磷具有很强的挥发性，因此一般在硅料熔化之后再掺杂。N⁺晶棒的电阻率为0.001-0.002Ω/cm²，掺杂红磷重量为900-1900-g，硅投料量为400-450kg。在拉制重掺晶棒时，由于红磷具有很强的挥发性，通常掺入的红磷有约50％以氧化物的形式挥发掉，在惰性气体的吹扫下磷化物(通常为氧化磷和磷化氢)会通过排气管排出拉晶炉，由于该尾气具有很强的毒性且化学性质不稳定，需要进行相应的尾气处理才能排放。

本发明提供一种单晶炉装置，用于制备上述N⁺晶棒，能够对拉晶炉排放的尾气进行处理。

本发明提供一种单晶炉装置，如图1所示，包括：

拉晶炉1；

所述拉晶炉1内设置有坩埚轴，所述坩埚轴的上端设置有坩埚托盘，所述坩埚轴的下端穿出所述拉晶炉1的底部，所述坩埚托盘内设置有石墨坩埚，所述石墨坩埚内设置有石英坩埚，所述石英坩埚内用于放置多晶硅料，其中，石英坩埚、石墨坩埚和坩埚托盘组成坩埚装置2；

所述拉晶炉1下部设置有排气管道3，用于排出所述拉晶炉1内单晶硅生长产生的尾气；

尾气反应室，与所述排气管道3连通，用于容纳所述排气管道3传送的尾气，并对所述尾气进行处理，去除所述尾气中的磷化物。

本实施例中，拉晶炉下部设置有排气管道，用于排出单晶硅生长产生的尾气，避免尾气影响单晶硅的生长；另外，尾气反应室与排气管道连通，能够对尾气进行处理，去除尾气中的磷化物，避免有毒的磷化物危害环境。

本实施例中，在拉晶过程中，拉晶炉1内石英坩埚中盛放着硅溶液，石英坩埚外有石墨坩埚，石墨坩埚起到支撑包裹石英坩埚的作用，因为高温下石英坩埚会发生局部软化现象，而石墨材质的坩埚高温下具有很高的强度和结构稳定性，给石英坩埚提供了有利的支撑；同时由于石墨高温下具有很高的导热系数，其可以很好地将加热器的热量均匀地传输至石英坩埚，石英坩埚再将热传递给硅溶液，维持液面温度恒定，有助于拉晶凝固过程稳定进行，石墨坩埚下有坩埚托盘，坩埚托盘下方为坩埚轴，在拉晶过程中为了获得均匀的径向氧含量，坩埚轴托着整个坩埚装置(包括坩埚托盘、石墨坩埚和石英坩埚)及硅溶液做旋转运动，同时晶棒提拉装置带着晶棒以相同转向相同转速做旋转运动，整个坩埚装置与晶棒保持相对静止，这样可以很好地减少晶棒对熔体的扰动，减少熔体中紊流的产生，有助于氧均匀地浸入晶棒。

一些实施例中，如图1所示，所述尾气反应室包括：

过滤室，用于对所述尾气进行过滤，分离出所述尾气中的磷化物和惰性气体，并容纳过滤后的惰性气体；

反应室4，位于所述过滤室下方，用于通入含氧空气，与所述磷化物进行燃烧反应。

本实施例中，排气管道3一端与拉晶炉1内排气管相连，一端与尾气反应室连接，尾气在惰性气体的吹扫下沿着排气管道3进入尾气反应室，该尾气反应室分为两部分：上部为过滤室，下部为反应室4，过滤室能够分离磷化物和惰性气体，进而可以实现惰性气体的回收再利用；反应室4能够通入含氧空气，使磷化物与含氧空气进行燃烧反应，生成固体颗粒。

一些实施例中，如图1所示，所述过滤室包括：

第一容器，用于容纳过滤后的惰性气体；

设置在所述第一容器的进口处的过滤网7，用于过滤出所述尾气中的磷化物。

尾气由排气管道排出后，容纳于第一容器中，从排气管道(设置于室温环境下，因而温度低)进入到第一容器的过程中，尾气中的磷化物气体在温度降低的作用下转换为磷化物颗粒，磷化物颗粒会被过滤至过滤网7上，被过滤网7阻挡，而不会进入第一容器。通过对过滤网7的过滤孔隙进行设计，可以使得过滤网7的过滤孔隙小于磷化物颗粒的粒径，大于惰性气体的分子直径，这可以使得过滤网7过滤出磷化物，并使得磷化物沉积在过滤网7上，过滤后的惰性气体进入真空泵中。

一些实施例中，所述尾气的流动方向上，所述过滤网7的过滤孔隙的直径逐渐变小，过滤网7的过滤孔隙的直径逐渐变小，这样可以有效地将磷化物阻挡在过滤网7之外。

一些实施例中，所述单晶炉装置还包括：

设置在所述尾气反应室的重量传感器，用于检测所述尾气反应室内容纳的磷化物的重量，并生成重量数据；

控制单元，与所述重量传感器连接，用于接收所述重量数据，并在所述重量数据大于设定值时，控制所述尾气反应室以预设频率振动。

这样在尾气反应室内容纳一定重量的磷化物后，控制单元可以控制尾气反应室以预设频率振动，在震荡作用下，可以使得过滤网7上吸附的磷化物掉落至下方的反应室4，从而避免过滤网7阻塞，不能发挥过滤作用。预设频率可以为700-800次每分钟，这样可以保证过滤网7上吸附的磷化物掉落至反应室4。具体地，可以在尾气反应室上设置振动马达，通过振动马达驱动尾气反应室振动。其中，反应室4上方可以设置有开关门，当尾气反应室振动时，开关门打开，过滤网7上吸附的磷化物可以掉落至下方的反应室4；当尾气反应室停止振动时，开关门关闭，过滤网7上吸附的磷化物不能掉落至下方的反应室4。

一些实施例中，如图1所示，所述单晶炉装置还包括：

设置在所述反应室的单向阀8；

所述控制单元还用于在所述重量数据大于设定值时，控制所述单向阀8打开，使得含氧空气进入所述反应室，与所述磷化物进行燃烧反应。

这样含氧空气通过单向阀8进入反应室4，可以与反应室4底部的磷化物5发生反应，生成固体反应物颗粒。

一些实施例中，所述控制单元用于根据所述重量数据控制所述单向阀8的阀门开合度，所述单向阀8的阀门开合度与所述重量数据成正比。这样尾气反应室容纳的磷化物越多，单向阀8的阀门开合度越大，能通入更多的含氧空

气与磷化物发生反应；如果尾气反应室容纳的磷化物比较少，不需要太多的含0氧空气，则单向阀8的阀门开合度不需要太大，通入少量的含氧空气使磷化物缓慢燃烧。

一些实施例中，如图1所示，所述反应室的底座5为多孔结构，其孔径小于固体反应物颗粒的直径，所述单晶炉装置还包括：

设置在所述反应室4的沿竖直方向下方的水槽6，水槽6内容纳有水；5所述控制单元还用于在燃烧完成后，控制所述反应室的底座5浸入所述水槽6，反应室的底座5可以上下移动，在燃烧完成后，反应室的底座5承载有生成的固体反应物颗粒，由于反应室的底座5为多孔结构，因此，在反应室的底座5浸入所述水槽6后，水可以通过反应室的底座5与固体反应物颗粒接触，

使得固体反应物颗粒溶解于水中，为了保证固体反应物颗粒充分溶解于水中，0水槽6可以容纳温水，温水的温度可以为50-70摄氏度，在该种水温下，固体反应物颗粒能够充分溶解于水中。

一些实施例中，如图1所示，所述单晶炉装置还包括：

真空泵，所述真空泵的第一端与所述过滤室的出口连通，用于抽取所述过滤室的出口排出的惰性气体；

5与所述真空泵的第二端连通的惰性气体回收结构9，用于存储所述真空泵抽取的惰性气体。

真空泵可以抽取出过滤室的出口排出的惰性气体，由于过滤网7已经将磷化物过滤，因此，能够保护真空泵免受磷化物侵蚀，延长真空泵的使用寿命。

一些实施例中，惰性气体回收结构9可以通过输气管道与惰性气体供给***连通，实现惰性气体的回收再利用。

一些实施例中，如图1所示，为了保证惰性气体的安全排放，所述惰性气体回收结构包括：

次氯酸钠溶液容纳槽12，所述真空泵的第二端11伸入所述次氯酸钠溶液容纳槽12容纳的次氯酸钠溶液10中，用于与所述惰性气体中残留的磷化物发生反应生成磷酸盐。

从真空泵中排出的气体进入次氯酸钠溶液中，与惰性气体中残留的磷化物发生反应生成磷酸盐，能够去除惰性气体中残留的少量氧化物，反应生成的稳定的磷酸盐沉积至溶液底部，惰性气体从次氯酸钠溶液中溢出，可以经过输气管道进入惰性气体供给***；这样尾气完成净化可进入拉晶炉再次利用，能够节约成本。

需要说明，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于实施例而言，由于其基本相似于产品实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见产品实施例的部分说明即可。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种单晶炉装置，其特征在于，包括：

拉晶炉；

所述拉晶炉内设置有坩埚轴，所述坩埚轴的上端设置有坩埚托盘，所述坩埚轴的下端穿出所述拉晶炉的底部，所述坩埚托盘内设置有石墨坩埚，所述石墨坩埚内设置有石英坩埚，所述石英坩埚内用于放置多晶硅料；

所述拉晶炉下部设置有排气管道，用于排出所述拉晶炉内单晶硅生长产生的尾气；

尾气反应室，与所述排气管道连通，用于容纳所述排气管道传送的尾气，并对所述尾气进行处理，去除所述尾气中的磷化物。

2.根据权利要求1所述的单晶炉装置，其特征在于，所述尾气反应室包括：

过滤室，用于对所述尾气进行过滤，分离出所述尾气中的磷化物和惰性气体，并容纳过滤后的惰性气体；

反应室，位于所述过滤室下方，用于通入含氧空气，与所述磷化物进行燃烧反应。

3.根据权利要求2所述的单晶炉装置，其特征在于，所述过滤室包括：

第一容器，用于容纳过滤后的惰性气体；

设置在所述第一容器的进口处的过滤网，用于过滤出所述尾气中的磷化物。

4.根据权利要求3所述的单晶炉装置，其特征在于，所述尾气的流动方向上，所述过滤网的过滤孔隙的直径逐渐变小。

5.根据权利要求2所述的单晶炉装置，其特征在于，所述单晶炉装置还包括：

设置在所述尾气反应室的重量传感器，用于检测所述尾气反应室内容纳的磷化物的重量，并生成重量数据；

控制单元，与所述重量传感器连接，用于接收所述重量数据，并在所述重量数据大于设定值时，控制所述尾气反应室以预设频率振动。

6.根据权利要求5所述的单晶炉装置，其特征在于，所述单晶炉装置还包括：

设置在所述反应室的单向阀；

所述控制单元还用于在所述重量数据大于设定值时，控制所述单向阀打开，使得含氧空气进入所述反应室，与所述磷化物进行燃烧反应。

7.根据权利要求6所述的单晶炉装置，其特征在于，

所述控制单元用于根据所述重量数据控制所述单向阀的阀门开合度，所述单向阀的阀门开合度与所述重量数据成正比。

8.根据权利要求6所述的单晶炉装置，其特征在于，所述反应室的底座为多孔结构，所述单晶炉装置还包括：

设置在所述反应室的沿竖直方向下方的水槽；

所述控制单元还用于在燃烧完成后，控制所述反应室的底座浸入所述水槽。

9.根据权利要求2所述的单晶炉装置，其特征在于，所述单晶炉装置还包括：

真空泵，所述真空泵的第一端与所述过滤室的出口连通，用于抽取所述过滤室的出口排出的惰性气体；

与所述真空泵的第二端连通的惰性气体回收结构，用于存储所述真空泵抽取的惰性气体。

10.根据权利要求9所述的单晶炉装置，其特征在于，所述惰性气体回收结构包括：

次氯酸钠溶液容纳槽，所述真空泵的第二端伸入所述次氯酸钠溶液容纳槽容纳的次氯酸钠溶液中，用于与所述惰性气体中残留的磷化物发生反应生成磷酸盐。

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