一种改善直拉法生长单晶硅品质的加热器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及直拉法单晶硅生长技术，特别涉及一种改善直拉法生长单晶硅质量的加热器。
【背景技术】
[0002]直拉法单晶生长技术(Czochralski，CZ法)是把原料放入石英坩祸中，在单晶炉中加热融化，再将棒状晶种(籽晶)浸入熔液中。在合适的温度下，熔液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升，熔液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的单晶娃晶体，即单晶娃徒。
[0003]直拉法单晶生长广泛应用于半导体单晶硅和太阳能单晶硅，随着直拉法单晶生长向大直径大装料方向发展，现有技术中直拉法单晶硅生产中加热器用于熔化原料硅和拉晶过程中保温，现有技术中一般采用高纯石墨材料，目前也有用到C-C复合材料。普通的石墨加热器结构如图1所示，加热器包括筒状的发热本体I和固定在发热本体上的电极脚2和备用脚板3，发热本体I上开设有沿周向交替布置的上开槽11和下开槽12，上开槽和下开槽将发热本体分成多根依次串联的加热条13，加热器是在圆柱状或圆桶状石墨胚体上加工而成，通过均匀开槽，形成宽度、厚度一致且来回弯曲的纵向石墨加热条，由于各石墨加热条电阻率相同，截面积相同，加热条上下发热均匀，
[0004]拉晶过程中，盛料的石英坩祸被置于上述加热器内部，坩祸上部是敞开系统，没有保温或保温效果差，且保护气的流动带走大量热量，而加热器侧面和底部保温效果好，因此，石英坩祸中熔体的温度随熔体的深度加深越来越高，从而形成较大的温度梯度，温度曲线如图2中的a所示，熔体的温度随熔体的深度加深不断升高，从而使温度梯度引起的热对流加剧，进而导致晶体中缺陷密度急剧加大；另外硅熔体侵蚀石英坩祸导致坩祸中的杂质氧随对流增加进入晶体的机会也大幅增加。
[0005]V(r)/G(r)是拉晶过程中的一个重要参数，V为拉速，G为跨过固液生长界面的温度梯度，r为晶体半径，表明V、G随r而变化，V/G比值的大小决定了生长出的晶体中的晶格缺陷的类型和密度大小，V/G很大时形成空位型缺陷的单晶硅，V/G很小时形成间隙型缺陷的单晶硅，从间隙型单晶硅到空位型单晶硅，V/G有一个中间的临界值_(V/G) ，V/G正好在这个临界值附近时，空位和自间隙硅的缺陷密度都很低，单晶近乎完美，但要实际控制到这样的条件很难，如果要保证整个生长界面上都能控制到这样的条件那几乎是不可能，因此，在单晶硅的实际生产中并不寻求完美单晶，而是要控制缺陷的危害程度。
[0006]在整个生长界面上，由于单晶表面的冷却速度更快，所以，G(r)随单晶中心到边缘有增大趋势，V/G随中心到边缘有变小趋势，因此，单晶中心位置更容易形成空位型缺陷，边缘更容易形成间隙型缺陷，如果拉晶参数控制不好，使得V/G处于临界值附近，这时拉出的单晶就会形成中心空位型、边缘间隙型缺陷的单晶，空位和间隙型缺陷的交界处的单晶容易形成OISF环，它使半导体单晶硅因这种大尺寸的缺陷而导致器件失效。
[0007]另一方面，在高温区域的石英坩祸的内壁被熔硅侵蚀，内壁的Si02进入熔硅中，进入熔体中的O随熔体的对流被带到熔体表面，并以S1的形式挥发进入保护气中被真空泵抽走，只有1%左右的氧随熔体的流动被输送到生长界面附近进而进入单晶硅中，熔体的温度梯度越大，坩祸底部的富氧的熔体越容易被带到生长界面附近，制备的硅中的氧含量就越尚。
[0008]虽然在半导体单晶硅中适量的氧在器件加工过程中形成的氧沉淀具有内吸杂作用，从而能改善器件的性能，但过高的氧含量形成的大量氧沉淀及诱生的二次缺陷达到一定的尺寸，将严重影响器件的性能，高的缺陷密度和高氧的同时存在情况下，更容易形成肉眼就能观察到的漩涡缺陷和OISF环，导致器件的报废，因此需要降低单晶硅内的含氧量。而在太阳单晶硅中，电池的加工尽管温度不高，时间也不长，氧沉淀的量不大，但氧沉淀的初期对材料的少子寿命影响巨大，高密度的缺陷及高氧的结合，引起少子寿命的大幅下降，产生黑心低效现象，严重影响产品质量。
【实用新型内容】
[0009]本实用新型提供了一种改善直拉法生长单晶硅质量的加热器，通过改善单晶炉的热场设计，实现低缺陷、超低氧、高少子寿命的单晶硅的制造。
[0010]一种改善直拉法生长单晶硅质量的加热器，包括筒状的发热本体和固定在发热本体上的电极脚，所述发热本体上开设有沿周向交替布置的上开槽和下开槽，所述上开槽和下开槽将发热本体分成多根依次串联的加热条，所述加热条位于所述发热本体上部产生的热量大于位于下部产生的热量。
[0011]所述的上开槽的开口向下，下开槽的开口向上。
[0012]现有的石墨加热器的加热条上下发热均匀，又由于炉体上下的保温情况不同，从而导致坩祸内的熔体上下温差大，使用时，难以将G(r)控制在较小的范围，而将本实用新型的加热器应用到现有的晶体炉内时，由于加热器本身产生的热能上多下少，正好与现有的晶体炉口部保温措施不佳相对应，从而使坩祸内的熔体上下温差减小，使温度梯度下降。
[0013]直拉法生长单晶硅质量的方法包括步骤:将原料硅投入晶体炉的坩祸内；加热器加热坩祸融化祸内的原料硅并保持熔体在熔融状态；将棒状籽晶浸入熔液中；通入惰性气体至熔体液面，控制炉内压力；一边旋转坩祸，一边提升相对坩祸反向旋转的棒状籽晶，得到圆柱形的单晶硅晶体。
[0014]与现有技术的熔体的温度梯度相比，使用本实用新型的加热器时，通过靠近生长界面的熔体中的温度梯度设置在较低的范围内，从而减小生长界面的温度梯度G(r)，如图2所示，温度曲线a为现有技术下产生的温度曲线，熔体的温度随熔体的深度加深不断升高，沿着熔体的深度，温度梯度一直较大，生长界面的温度梯度G (r)较大，会形成中心空位型、边缘间隙型缺陷的单晶，空位和间隙型缺陷的交界处的单晶容易形成OISF环，它使半导体单晶硅因这种大尺寸的缺陷而导致器件失效。
[0015]而按照使用本实用新型可以对熔体温度进行控制，呈现出如温度曲线b和c在靠近生长界面的温度梯度明显降低，从而对应的生长界面的温度梯度G(r)明显降低，在V保持不变的情况下，V/G变大，使V/G远离临界点-(V/G).#，从而防止发生形成中心空位型、边缘间隙型缺陷的单晶，避免空位和间隙型缺陷的交界处形成OISF环，提高少子寿命。
[0016]为了使温度曲线成c曲线的趋势，便于G(r)控制在更小的范围内，尽量减小加热器下部的发热量，使得靠近坩祸底部的熔体沿着深度方向的温度梯度为负值，即在靠近坩祸底部时，熔体的温度逐渐降低。坩祸底部熔体温度降低，底部富氧的熔体不能产生热对流而流向生长界面，这时生长出的硅单晶氧含量极低，有效降低单晶硅的含氧量。
[0017]根据发热功率W = I2R, R= P *1/S，P为材料电阻率，I为电阻长度，S为电阻的截面积，为使这些串联的加热条在通电后，使上部产生的热量大于下部产生的热量方式主要有改变加热条的截面积、长度和电阻率这三种方式。
[0018]截面积的变化可以通过改变加热条的厚度和宽度来实现，其中，电流在串联的加热条中流动，包括各加热条纵向电流以及加热条之间的横向电流产生的热量，优选的，所述发热本体的壁厚自上而下逐渐变大。从而使各加热条上薄下厚。为了便于制造，使发热本体的壁厚自上而下逐渐变大的方式有保持发热本体的内径不变，通过外部磨削使发热本体外径上小下大；保持发热本体的外径不变，通过内挖