TW201807266A - 熱屏組件及單晶提拉爐熱場結構 - Google Patents

熱屏組件及單晶提拉爐熱場結構 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種熱屏組件及單晶提拉爐熱場結構，所述熱屏組件包括熱屏及位於所述熱屏週邊的排氣管。本發明的熱屏組件通過在熱屏的週邊設置一組排氣管，將所述熱屏組件用於單晶提拉爐熱場結構時，所述排氣管可以作為新增的氬氣出口，可以改變氬氣在熱場結構內流動的路徑，使得氬氣在熱場結構內不易形成渦旋。同時可以將從熔體中揮發的氧化矽(SiO)及時排出，減少氬氣流中的氧化矽(SiO)進入熔體及與坩堝下方的高溫石墨元件反應，從而延長各石墨元件的使用壽命，降低晶體中的氧含量和碳含量，並降低長晶結束後清爐的難度；同時，所述熱屏組件還可以通過改變排氣管中的流速，調節熱屏附近的溫度梯度。

Description

熱屏組件及單晶提拉爐熱場結構
本發明屬半導體設備技術領域，特別是涉及一種熱屏組件及單晶提拉爐熱場結構。
在直拉法製備矽單晶過程中，石英坩堝長時間處於高溫環境下發生溶解，產生的氧會在長晶過程中通過熔體對流傳輸進入晶體中並與晶體中其他缺陷發生反應，嚴重影響矽片的品質以及後續製備半導體器件的性能。
而石英坩堝溶解進入矽熔體的氧中有超過99%會以氧化矽(SiO)的形式從熔體自由表面揮發，所以在矽單晶生長過程中會往爐內通入氬氣帶走爐體氣氛中的氧化矽(SiO)，避免氧重新溶入矽熔體中。但到了長晶後期，石英坩堝內熔體量較少，氬氣在其中會形成渦旋，導致氧化矽(SiO)無法迅速排出，使得矽晶體尾部中氧濃度升高。
目前直拉法製備單晶矽的熱場結構如圖1所示，由圖1可知，所述熱場結構在坩堝11中將熔體12直拉形成晶體13，所述坩堝11的上方設有熱屏10；圖1中的箭頭表示所述熱場結構內氬氣流動路徑。在單晶生長後期，由於所述坩堝11內的所述熔體12減少，氣相所占體積增大，當氬氣流掃過所述熔體12表面後，會在所述坩堝11內的所述熔體12上方形成渦旋， 如圖2所示，即圖2中表示氬氣流動路徑的箭頭呈渦旋狀。使得從所述熔體12中揮發的SiO不能及時帶走，使得最終的氧濃度偏高。而且SiO會與爐內石墨組件在高溫下發生如下反應：SiO+2C=SiC+CO，生成的CO會增加所述晶體13中的碳濃度。所述晶體13內碳濃度及氧濃度升高，均會對所述晶體13的性能產生不良影響。
鑒於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種熱屏組件及單晶提拉爐熱場結構，用於解決現有技術中單晶提拉爐熱場結構在單晶生長後期，由於坩堝內的熔體減少，氣相所占體積增大，會在坩堝內的熔體上方形成渦旋而無法及時排除，從而導致生長的晶體內氧濃度及碳濃度升高的問題。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種熱屏組件，適用于單晶提拉爐熱場結構，所述熱屏組件包括熱屏及位於所述熱屏週邊的排氣管。
本發明還提供一種單晶提拉爐熱場結構，所述單晶矽提拉爐熱場結構包括：爐體；坩堝，位於所述爐體內；如上述任一方案中所述的熱屏組件，位於所述爐體內，且位於所述坩堝上方；所述排氣管的第二段延伸至所述爐體的外部。
作為本發明的單晶提拉爐熱場結構的一種優選方案，所述單晶矽提拉爐熱場結構還包括：加熱器，位於所述爐體內，且位於所述坩堝週邊；石墨結構，位於所述爐體內，且位於所述加熱器及所述熱屏組件週邊；保溫層，位於所述爐體內，且位於所述石墨結構的週邊；石墨端蓋， 位於所述爐體內，且位於所述石墨結構及所述保溫層的頂部；所述排氣管的第二端自所述石墨端蓋的上表面延伸至所述爐體的外部。
如上所述，本發明的熱屏組件及單晶提拉爐熱場結構，具有以下有益效果：本發明的熱屏組件通過在熱屏的週邊設置一組排氣管，將所述熱屏組件用於單晶提拉爐熱場結構時，所述排氣管可以作為新增的氬氣出口，可以改變氬氣在熱場結構內流動的路徑，使得氬氣在熱場結構內不易形成渦旋。同時可以將從熔體中揮發的氧化矽(SiO)及時排出，減少氬氣流中的氧化矽(SiO)進入熔體及與坩堝下方的高溫石墨元件反應，從而延長各石墨元件的使用壽命，降低晶體中的氧含量和碳含量，並降低長晶結束後清爐的難度；同時，所述熱屏組件還可以通過改變排氣管中的流速，調節熱屏附近的溫度梯度。
10‧‧‧熱屏
11‧‧‧坩堝
12‧‧‧熔體
13‧‧‧晶體
20‧‧‧熱屏組件
201‧‧‧熱屏
202‧‧‧排氣管
203‧‧‧擋板
21‧‧‧爐體
22‧‧‧坩堝
221‧‧‧石墨坩堝
222‧‧‧石英坩堝
23‧‧‧加熱器
24‧‧‧石墨結構
25‧‧‧保溫層
26‧‧‧石墨端蓋
27‧‧‧熔體
28‧‧‧晶體
圖1顯示為習知技術中的單晶提拉爐熱場結構的結構示意圖。
圖2顯示為習知技術中的單晶提拉爐熱場結構中氬氣在坩堝內的熔體表面形成渦旋的結構示意圖。
圖3顯示為本發明實施例一中提供的熱屏組件的結構示意圖。
圖4顯示為沿圖3中AA’方向的截面結構示意圖。
圖5顯示為本發明實施例一中提供的熱屏組件的仰視結構示意圖。
圖6顯示為本發明實施例二中提供的單晶提拉爐熱場結構的結構示意圖。
圖7顯示為本發明實施例二中提供的單晶提拉爐熱場結構中氬氣的流向示意圖。
以下透過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本發明所屬技術領域者可由本說明書所揭露的內容輕易地瞭解本發明的其他優點與功效。本發明還可以透過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱圖3至圖7，需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，雖圖示中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的元件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各元件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其元件佈局型態也可能更為複雜。
實施例一：
請參閱圖3至圖4，本發明提供一種熱屏組件20，所述熱屏組件20適用於單晶提拉爐熱場結構，所述熱屏組件20包括熱屏201及位於所述熱屏201週邊的排氣管202，也可以說所述排氣管202位於所述熱屏201的背面。透過在所述熱屏201的週邊設置所述排氣管202，將所述熱屏組件20用於單晶提拉爐熱場結構時，所述排氣管202可以作為新增的氬氣出口，可以改變氬氣在所述單晶提拉爐熱場結構內流動的路徑，使得氬氣在所述單晶提拉爐熱場結構內不易形成渦旋。同時可以將從熔體中揮發的氧化矽(SiO)及時排出，減少氬氣流中的SiO進入熔體及與坩堝下方的高溫石墨元件反應，從而延長各石墨元件的使用壽命，降低晶體中的氧含量和碳含量，並降低長晶結束後清爐的難度；同時，所述熱屏組件20還可以透過改變所述 排氣管202中的流速，調節熱屏附近的溫度梯度。
作為示例，所述排氣管202包括第一段及第二段；所述排氣管202之第一段緊貼所述熱屏201背面並延伸至所述熱屏201底部附近；所述排氣管202之第二段水平地設置，所述排氣管202的第二段的一端與所述排氣管202的第一段內部相連通而另一端延伸至所述單晶提拉爐熱場結構的外部。
作為示例，所述排氣管202的第一段底部呈喇叭口狀，即所述排氣管202靠近所述熱屏201底部的一端呈喇叭口狀。由於所述熱屏組件20用於所述單晶提拉爐熱場結構時，所述熱屏201的底部靠近熔體的表面，將所述排氣管202的第一段設置為喇叭口狀，可以防止所述排氣管202的第一段的氣流對所述熔體的液面產生影響，從而避免對生長的晶體的品質造成不良影響。
作為示例，所述排氣管202可以為鉬管但不僅限於鉬管。
作為示例，所述熱屏201徑向截面的形狀可以為圓環形但不僅限於圓環形，所述排氣管202徑向截面的形狀可以為圓環但不僅限於圓環形，如圖4所示；所述熱屏201及所述排氣管202的徑向截面即為沿圖3中AA’方向的截面。當然，在其他示例中，所述熱屏201徑向截面的形狀及所述排氣管202徑向截面的形狀還均可以為矩形、正方形、六邊形等等。
作為示例，所述熱屏組件20還包括擋板203，所述擋板203固定於所述熱屏201底部，且自所述熱屏201的底部向所述熱屏201的外側延伸至所述排氣管202的下方。在所述熱屏201的底部設置所述擋板203，可以進一步防止所述排氣管202的第一段的氣流對所述熔體的液面產生影響。
作為示例，所述排氣管202的第一段在所述擋板203上的投影位於所述擋板203的表面內，且所述排氣管202的第一端與所述擋板203的上表面相隔一定的間距；即所述擋板203在垂直方向上完全遮擋所述排氣管202的第一端，以盡最大限度防止所述排氣管202的第一端的氣流對所述熔體的液面產生影響。
作為示例，所述擋板203可以為鉬擋板但不僅限於鉬擋板。
作為示例，所述擋板203徑向截面的形狀可以為圓環形但不僅限於圓環形，如圖5所示。當然，在其他示例中，所述擋板203徑向截面的形狀還可以為矩形、正方形、六邊形等等。
需要說明的是，圖5中所述熱屏201及所述排氣管202為不可見，但為了便於示意，圖5中將所述熱屏201及所述排氣管202予以示出。
實施例二：
請參閱圖6，本發明還提供一種單晶提拉爐熱場結構，所述單晶矽提拉爐熱場結構包括：爐體21；坩堝22，所述坩堝22位於所述爐體21內；如實施例一中所述的熱屏組件20，所述熱屏組件20位於所述爐體21內，且位於所述坩堝22上方；所述熱屏組件20中的所述排氣管202的第二段延伸至所述爐體21的外部。所述熱屏組件20的具體結構請參閱實施例一，此處不再累述。
作為示例，所述坩堝22包括石墨坩堝221及石英坩堝222，所述石英坩堝222位於所述石墨坩堝221內。
作為示例，所述單晶矽提拉爐熱場結構還包括：加熱器23，所述加熱器23位於所述爐體21內，且位於所述坩堝22週邊；石墨結構24， 所述石墨結構24位於所述爐體21內，且位於所述加熱器23及所述熱屏組件20的週邊；保溫層25，所述保溫層25位於所述爐體21內，且位於所述石墨結構24的週邊；所述保溫層25可以為石墨保溫層但不僅限於石墨保溫層；石墨端蓋26，所述石墨端蓋26位於所述爐體21內，且位於所述石墨結構24及所述保溫層25的頂部；所述排氣管202的第二段自所述石墨端蓋26的上表面延伸至所述爐體21的外部。
如圖7所示，本發明的所述單晶提拉爐熱場結構透過使用在所述熱屏組件20，所述排氣管202可以作為新增的氬氣出口，可以改變氬氣在熱場結構內流動的路徑，圖7中箭頭的方向即為氬氣的流動路徑，由圖7可知，在晶體28生長後期，一部分氬氣沿原有路徑排除，另一部分氬氣經由所述排氣管202排出到所述爐體21的外部，使得氬氣在所述單晶提拉爐熱場結構內熔體27的上方不易形成渦旋。同時可以將從所述熔體27中揮發的SiO及時排出，減少氬氣流中的SiO進入所述熔體27及與所述坩堝22下方的高溫石墨元件反應，從而延長各石墨元件的使用壽命，降低晶體中的氧含量和碳含量，並降低長晶結束後清爐的難度；同時，還可以透過改變所述熱屏組件20中所述排氣管202中的流速，調節熱屏附近的溫度梯度。
綜上所述，本發明提供一種熱屏組件及單晶提拉爐熱場結構，所述熱屏組件包括熱屏及位於所述熱屏週邊的排氣管。本發明的熱屏組件通過在熱屏的週邊設置一組排氣管，將所述熱屏組件用於單晶提拉爐熱場結構時，所述排氣管可以作為新增的氬氣出口，可以改變氬氣在熱場結構內流動的路徑，使得氬氣在熱場結構內不易形成渦旋。同時可以將從熔體中揮發的SiO及時排出，減少氬氣流中的SiO進入熔體及與坩堝下方的 高溫石墨元件反應，從而延長各石墨元件的使用壽命，降低晶體中的氧含量和碳含量，並降低長晶結束後清爐的難度；同時，所述熱屏組件還可以通過改變排氣管中的流速，調節熱屏附近的溫度梯度。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的申請專利範圍所涵蓋。
20‧‧‧熱屏組件
201‧‧‧熱屏
202‧‧‧排氣管
203‧‧‧擋板

Claims (11)

  1. 一種熱屏組件，適用於單晶提拉爐熱場結構，包括：一熱屏；及一位於所述熱屏之週邊的排氣管。
  2. 如請求項1所述的熱屏組件，其中所述排氣管包括一第一段及一第二段；所述排氣管的第一段緊貼於所述熱屏之背面並延伸至所述熱屏之底部附近；所述排氣管之第二段水平地設置，所述排氣管之第二段的一端與所述排氣管第一段內部相連通而另一端延伸至所述單晶提拉爐熱場結構的外部。
  3. 如請求項1所述的熱屏組件，其中所述排氣管的第一段底部呈喇叭口狀。
  4. 如請求項1所述的熱屏組件，其中所述排氣管為鉬管。
  5. 如請求項1所述的熱屏組件，其中所述熱屏之徑向截面的形狀及所述排氣管之徑向截面的形狀均為圓環形。
  6. 如請求項1所述的熱屏組件，其中所述熱屏組件還包括一擋板，所述擋板固定於所述熱屏之底部，且自所述熱屏之底部向所述熱屏的外側延伸至所述排氣管的下方。
  7. 如請求項6所述的熱屏組件，其中所述排氣管的第一段在所述擋板上的投影位於所述擋板的表面內，且所述排氣管的第一段與所述擋板的上表面相隔一定的間距。
  8. 如請求項6所述的熱屏組件，其中所述擋板為鉬擋板。
  9. 如請求項6所述的熱屏組件，其中所述擋板之徑向截面的形狀為圓環形。
  10. 一種單晶矽提拉爐熱場結構，包括：一爐體；一坩堝，其位於所述爐體內；以及如請求項1至9中任一項所述的熱屏組件，其位於所述爐體內，且位於所述坩堝上方；所述排氣管的第二段延伸至所述爐體的外部。
  11. 如請求項10所述的單晶矽提拉爐熱場結構，還包括：一加熱器，位於所述爐體內，且位於所述坩堝之週邊；一石墨結構，位於所述爐體內，且位於所述加熱器及所述熱屏組件之週邊；一保溫層，位於所述爐體內，且位於所述石墨結構的週邊；一石墨端蓋，位於所述爐體內，且位於所述石墨結構及所述保溫層的頂部；所述排氣管的第二段自所述石墨端蓋的上表面延伸至所述爐體的外部。
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