单晶硅生长炉的制作方法

本发明属于单晶硅生长炉，尤其是涉及一种提高原料熔化速率、降低单晶硅生长功耗的单晶硅生长炉。

背景技术：

随着集成电路向小型化、低功耗、高运算速率、窄线宽的快速发展，对大尺寸集成电路用硅片的品质与性能提出了更高的要求。随着晶锭尺寸的加大，晶锭生长所需的温度场设计难度增大，单晶硅生长炉制造难度与成本大幅增加，单晶硅生长周期和成本大幅度增加。

半导体单晶硅生长主要采用切克劳斯基法（Czochralski法，简称Cz法）。在这种方法中，多晶硅被装进石英坩埚内，加热熔化，然后，将硅熔体略做降温，给予一定的过冷度，把一支特定径向的硅单晶体（籽晶）与硅熔体接触，通过调整熔体的温度和籽晶向上提升速率，使籽晶体长大至近目标直径时，提高提拉速率，使晶体近恒直径生长。在生长过程的末期，此时坩埚内的硅熔体尚有残余，通过增加晶锭提拉速率和调整加热功率使晶锭直径渐渐缩小而形成一个锥形尾部，直至晶锭与页面脱离，从而完成晶锭的生长过程。因而单晶硅生长过程大致分为：装填多晶料、抽真空、气氛化、升温化料、引晶、缩颈、放肩、转肩、等径生长、收尾、降温、冷却、出炉等工艺步骤。

现有的单晶硅生长炉，在抽真空工艺过程，采用真空系统通过单晶硅生长炉底部的排气孔对整个生长炉炉膛进行抽真空；随后在气氛化过程，通过上部进气口入高纯氩气，氩气经过导流筒到达坩埚口中央，从坩埚口边缘流出；随后跃过坩埚口壁和石墨坩埚口壁，经过石墨加热器（主加热器），流向坩埚底部，经下部排气口流出单晶硅生长炉，使整个炉膛环境被氩气气氛化，保护炉膛内部的结构与器件良好。但在升温化料以及晶锭提拉生长过程，氩气气流包围并流过主加热器，致使主加热器的大部分热量被气流带走而浪费，能量损耗大，升温化料时间长；同时气流不断吹拂整个主加热器，主加热器腐蚀与损伤速度较高。

现有的改进技术诸如CN200910218910提供一种用于硅单晶的节能热场，氩气直接从坩埚口上部与热屏的下部开设的排气口直接排除腔室。该工艺虽然是的氩气流不经过石墨加热器直接排出腔体，节约能源；但是不利于炉膛温场的均匀性、氧含量的控制，同时严重影响晶锭生长后炉膛的降温速率，不利于晶锭出炉与清扫；显著增长了晶锭生长周期，反而降低了晶锭的品质和生产成本。

本发明的目的是提供一种提高原料熔化速率、降低单晶硅生长功耗、加快炉膛冷却速度的单晶硅生长炉。

技术实现要素：

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种设有分流导流筒和竖直分流筒的单晶硅生长炉，其特征在于分流导流筒叠放于石墨坩埚口上，可随同坩埚一起旋转，使氩气气流跃过主加热器；通过竖直分流筒将气流分隔成内外两股，并可通过排气阀门调整气流量。从而使气流不直接吹拂主加热器，从竖直分流筒外排出腔室。

分流导流筒由呈喇叭状的排气导流筒、水平段的导流平台和竖直段的辅助分流筒三个部分构成一个整体。

竖直分流筒包括外层石英筒、中间层石墨碳毡和内层石墨保温筒。

进一步，竖直分流筒顶部距离排气导流筒水平段导流平台底部的最大高度△H不小于100mm且不大于400mm。为了保证在升温阶段，坩埚锅位下降至合理位置时，竖直分流筒不会碰撞正上方的排气导流筒。同时，在晶锭提拉生长过程，不断上升的坩埚不会使顶撞上部热屏。

进一步，分流导流筒的竖直段辅助分流筒的高度不小于△H且不大于1.5倍△H。为了保证在升温阶段，坩埚锅位下降至合理位置时，分流导流筒的竖直段辅助分流筒的下边缘必须低于竖直分流筒的上边缘，使气流在该处被分隔成内外两股。当辅助分流筒的高度过大时，将大幅增加排气导流筒的整体重量，不利于结构的稳定。

进一步，分流导流筒采用轻质保温石墨材料制成，热导率不大于20W/m/K，厚度d为10-50mm。

更进一步，分流导流筒的竖直段辅助分流筒的厚度减薄为1/2~3/4倍。其目的是为了减小排气导流筒的自重，防止变形，保护结构的完整性。

进一步，分流导流筒的竖直段导流筒与竖直分流筒之间的距离不小于20mm不大于100mm。

本发明还提供另一种排气导流筒，主要由呈喇叭状的排气导流筒和水平段导流平台两部分构成。

进一步，水平段导流平台的末端距离主导流筒的外边缘的距离不小于20mm不大于100mm。即水平段必须伸长至竖直分流筒外20~30mm，以保证竖直分流筒与排气导流筒形成良好的分流功能。

本发明还提供一种应用方法，通过排气气阀主动调整竖直分流筒内外两股气流的单位流量，调控热量的分布，其主要应用方法在于：

（1）抽真空：关闭所有阀门，打开腔体底部内外筒排气阀，对整个腔体进行抽真空，使腔体压力小于0.1Torr。

（2）气氛化：当气压低于0.1Torr时，打开氩气阀，向腔体一边通氩气，一边抽真空。节约抽真空、气氛化工艺过程耗时。

（3）升温化料：通过调整竖直分流筒内侧的排气阀门，使竖直分流筒内氩气流的单位流量小于氩气总通入量的1/3。减少主加热器热量的流失，提高热量的有效利用率，提高多晶硅原料融化速率，降低化料功率。

（4）晶锭生长：当晶锭的重量大于2/3倍多晶硅总投料量时，通过调整竖直分流筒内侧的排气阀门，使竖直分流筒内氩气流的单位流量不小于氩气总通入量的1/3，不大于氩气总通入量的2/3。

（5）降温冷却：通过调整竖直分流筒外侧的排气阀门，使竖直分流筒内氩气流的单位流量不小于氩气总通入量的2/3。

本发明的有益效果

本发明通过排气导流筒和竖直分流筒，将氩气气流分割成内外筒两股，分别通过排气阀门调节流量，从而减少氩气流带走加热器的热量，同时借助竖直分流筒屏蔽热流并反射加热器的热辐射，从而减少热量从炉壁的散失，降低炉内径向温度梯度。降低整体功耗、且有利于缩短多晶料融化时长，节约成本。

附图说明

图1为单晶硅生长炉分流示意图

图2为单晶硅生长炉示意图

图3为竖直分流筒示意图

图4为两种分流导流筒示意图。

其中：1、单晶硅炉提拉旋转装置；2、进气口；3、炉体；4、保温层；5、外部腔体排气口；6、内部腔体；7、坩埚旋转支撑轴；8、籽晶提拉线；9、籽晶夹头；10、籽晶；11单晶硅晶锭；12、上部热屏；13、主加热器；14、石墨坩埚；15坩埚托盘；16、导流筒；17石英坩埚、18、下部腔体；19、上部腔体；20、分流导流筒；21、竖直分流筒；211、石墨桶；212、石墨碳毡；213、石英筒；201、呈喇叭状的排气导流筒段；202水平的导流平台段；203竖直的辅助分流筒段。

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明的最佳实施例。

首先，对适用本发明的单晶硅锭生长方法的单晶硅生长炉装置进行说明。

图1是概略地表示适用了根据本发明的一实施例的单晶硅硅锭生长法的单晶硅生长炉装置的结构图。

参照图1，给出了一种适用Cz法或施加磁场的Cz法单晶硅生长炉，与传统的单晶硅生长炉相比，该生长炉内的石墨坩埚14的正上方，叠放有一呈喇叭型的分流导流筒20A，分流导流筒与石英坩埚17、石墨坩埚14同心，且该分流导流筒20A可跟随石墨坩埚14一起旋转。该分流导流筒20A由轻质保温石墨材料制成，热导率不大于20W/m/K，厚度d为10-50mm。该分流导流筒20A由呈喇叭状的排气导流筒、水平段的导流平台和竖直段的辅助分流筒三个部分组成一个整体。

在石墨加热器13外围设有竖直分流筒21，由外层石英筒203、中间层石墨碳毡202和内层石墨保温筒201构成，并与腔体底部紧密相连，且与石英坩埚17、石墨坩埚14、加热器13同心，从而将腔室分成两个内、外腔室。且竖直分流筒21外径小于分流导流筒20A的竖直段辅助导流筒的内径，使竖直分流筒21距离分流导流筒20A的竖直段辅助导流筒的间距在20~100mm较为适宜，竖直分流筒21与加热器13的间距应不小于20mm，防止短路、局部温度过高等问题。以确保氩气流能顺利越过加热器，以便于减少氩气流对主加热的吹拂效果，减少热量损失。

内外筒腔室分别有独立的排气口，并接有排气阀5、6。可在排气阀前增设独立的测压仪器，便于精确控制内外筒两股气流的流量。

本发明不限于必须安装分流导流筒20A，仅仅安装竖直分流筒21和底部两个排气阀门5、6也能实现氩气气流分流的功能，同样可以起到降低功耗、调整温场的作用，仅节能效果稍微偏差。

在以Cz法或施加磁场Cz法生长单晶硅晶锭时，本发明提供的单晶硅生长炉，具体操作步骤如下：

（1）清扫炉膛：主要清扫挥发的SiO气体的结晶物。防止颗粒掉落入石英坩埚内，影响晶锭的品质；

（2）装填原料：向石英坩埚内装填多晶硅原料和掺杂剂；

（3）闭合炉膛：将分流导流筒20A，吊装于石墨坩埚14上，且与石英坩埚17同心，闭合上腔体，关闭所有气体阀门；

（4）抽真空：打开底部两个排气阀门5、6，抽真空，使炉内压力小于0.1Torr；

（5）气氛化：当炉内气压达到0.1Torr时，打开氩气阀门，一边通氩气一边抽真空；

（6）升温化料：通过调整竖直分流筒21内侧的排气阀门，逐渐调小内筒氩气气流的流量，使竖直分流筒21内氩气流的单位流量小于氩气总通入量的1/3。减少氩气流与主加热器热量13的对流传热损耗，提高加热功率的有效利用率以及多晶硅原料融化速率，降低化料功率，降低生产成本。

（7）晶锭生长：当晶锭11的重量大于2/3倍多晶硅总投料量时，通过调整竖直分流筒21内侧的排气阀门6，使竖直分流筒21内氩气流的单位流量不小于氩气总通入量的1/3，不大于氩气总通入量的2/3。

（8）降温冷却：通过调整竖直分流筒21外侧的排气阀门5，使竖直分流筒内氩气流的单位流量不小于氩气总通入量的2/3。

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

采用Cz法或施加磁场Cz法生长8英寸N型集成电路用单晶硅，采用24英寸石英坩埚，多晶硅原料装填量120Kg。其分流导流筒的厚度为10mm，所用石墨材料的热导率为20W/m/K;竖直分流筒的总厚度为80mm，竖直分流筒与分流导流筒之间的水平间距为20mm、最大竖直间距为100mm，底部导流筒分隔成的内外两个腔室的底部分别设有两组排气阀门。竖直分流筒外层的石英筒的厚度为20mm，内层石墨筒的厚度为30mm，其中间层填充有石墨碳毡。

待装料完成后，放置分流导流筒，闭合腔室，打开底部两组排气阀门，对腔体抽真空，当炉内压力小于0.1Torr时，打开氩气阀门，一边抽真空，一边通氩气，最终是氩气流量控制在400L/min，逐渐使腔体气氛化。通过调整内部排气阀门使氩气进入内腔室的气体流量控制在100L/min。随后打开主加热电源，使石墨加热器对原料加热，直至原料完全融化。调整加热功率，待热场稳定后，籽晶慢慢浸入液面之下，进行引晶，放肩、等径生长等工艺操作。当晶锭的质量增长到80Kg时，均匀地调整内腔室排气阀门使进入内腔室的气体流量控制在200L/min。当晶锭的收尾结束后，均匀地调整外腔室排气阀门使进入内腔室的气体流量控制在100L/min。

通过该实施例在单晶硅生长过程，在抽真空、气氛化工艺过程耗时0.5小时；升温化料工艺阶段耗时4小时，升温化料过程最高功率为94kW；引晶后晶锭生长功率62kW左右；晶锭降温冷却工艺阶段耗时4小时。

实施例2

采用Cz法或施加磁场Cz法生长8英寸N型集成电路用单晶硅，采用24英寸石英坩埚，多晶硅原料装填量120Kg。其分流导流筒的厚度为10mm，所用石墨材料的热导率为20W/m/K;竖直分流筒的总厚度为80mm，竖直分流筒与分流导流筒之间的水平间距为20mm、最大竖直间距为100mm，底部导流筒分隔成的内外两个腔室的底部分别设有两组排气阀门。竖直分流筒外层的石英筒的厚度为20mm，内层石墨筒的厚度为30mm，其中间层填充有石墨碳毡。

待装料完成后，放置分流导流筒，闭合腔室，打开底部两组排气阀门，对腔体抽真空，当炉内压力小于0.1Torr时，打开氩气阀门，一边抽真空，一边通氩气，最终是氩气流量控制在400L/min，逐渐使腔体气氛化。通过调整内部排气阀门使氩气进入内腔室的气体流量控制在120L/min。随后打开主加热电源，使石墨加热器对原料加热，直至原料完全融化。调整加热功率，待热场稳定后，籽晶慢慢浸入液面之下，进行引晶，放肩、等径生长等工艺操作。当晶锭的质量增长到80Kg时，均匀地调整内腔室排气阀门使进入内腔室的气体流量控制在200L/min。当晶锭的收尾结束后，均匀地调整外腔室排气阀门使进入内腔室的气体流量控制在100L/min。

通过该实施例在单晶硅生长过程，在抽真空、气氛化工艺过程耗时0.5小时；升温化料工艺阶段耗时4小时，升温化料过程所需最高功率为102kW；引晶后晶锭生长功率65kW左右；晶锭降温冷却工艺阶段耗时4小时。

实施例3

采用Cz法或施加磁场Cz法生长8英寸N型集成电路用单晶硅，采用24英寸石英坩埚，多晶硅原料装填量120Kg。其分流导流筒的厚度为10mm，所用石墨材料的热导率为20W/m/K;竖直分流筒的总厚度为80mm，竖直分流筒与分流导流筒之间的水平间距为20mm、最大竖直间距为100mm，底部导流筒分隔成的内外两个腔室的底部分别设有两组排气阀门。竖直分流筒外层的石英筒的厚度为20mm，内层石墨筒的厚度为30mm，其中间层填充有石墨碳毡。

待装料完成后，放置分流导流筒，闭合腔室，打开底部两组排气阀门，对腔体抽真空，当炉内压力小于0.1Torr时，打开氩气阀门，一边抽真空，一边通氩气，最终是氩气流量控制在400L/min，逐渐使腔体气氛化。通过调整内部排气阀门使氩气进入内腔室的气体流量控制在80L/min。随后打开主加热电源，使石墨加热器对原料加热，直至原料完全融化。调整加热功率，待热场稳定后，籽晶慢慢浸入液面之下，进行引晶，放肩、等径生长等工艺操作。当晶锭的质量增长到80Kg时，均匀地调整内腔室排气阀门使进入内腔室的气体流量控制在200L/min。当晶锭的收尾结束后，均匀地调整外腔室排气阀门使进入内腔室的气体流量控制在100L/min。

通过该实施例在单晶硅生长过程，在抽真空、气氛化工艺过程耗时0.5小时；升温化料工艺阶段耗时4小时，升温化料过程最高功率为89kW；引晶后晶锭生长功率60kW左右；晶锭降温冷却工艺阶段耗时4小时。

比较例1

与实施例1一致，仅在当晶锭的收尾结束后，均匀地调整外腔室排气阀门使进入内腔室的气体流量控制在200L/min。

通过该比较例在单晶硅生长过程，在抽真空、气氛化工艺过程耗时0.5小时；升温化料工艺阶段耗时4小时，升温化料过程所需最高功率为94kW；引晶后晶锭生长功率62kW左右；晶锭降温冷却工艺阶段耗时6小时。

比较例2

与比较例1一致，仅在装料后，不放置分流导流筒。采用Cz法或未施加磁场的Cz法生长8英寸集成电路用单晶硅晶锭。

其结果，在抽真空、气氛化工艺过程耗时0.5小时；升温化料工艺阶段耗时6小时，升温化料过程所需最高功率为112kW；引晶后晶锭生长功率68kW左右；晶锭降温冷却工艺阶段耗时4小时。