具有双电源加热的区熔炉热场及保温方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及具有双电源加热的区熔炉热场及保温方法。

背景技术：
硅是全球第一产业——电子信息技术产业的基础材料，占全球半导体材料使用量的95%以上。区熔硅单晶由于其独特的生长方式，具有纯度高，均匀性好、缺陷少等优点，适合用于大功率半导体元器件。随着电力电子产业的蓬勃发展，各类新型电力电子器件对大直径区熔硅单晶的需求越来越旺盛，如SR硅整流器、SCR可控硅、GTR巨型晶体管、GTO晶闸管、SITH静电感应晶闸管、IGBT绝缘栅双极晶体管、PIN超高压二极管、智能功率器件(SMARTPOWER)、功率集成器件(POWERIC)等，因此，大直径区熔硅单晶具有广阔的应用领域和良好的发展前景。区熔硅单晶的生长采用悬浮区域熔炼法，即用高频感应加热线圈加热多晶硅料使其熔化，在线圈下方用籽晶接住熔融硅连续生长出单晶棒。由于采用悬浮区域熔炼，热场集中在熔区附近，熔区下方温度分布不均匀。尤其对于生长大直径硅单晶，因单晶棒表面快速冷却，中心和表面径向温度梯度扩大而导致单晶棒开裂。随着单晶棒直径的增大，熔区面积和热应力呈几何数级增大，当单晶棒内热应力大于其临界剪压力时，单晶棒中将产生位错，导致单晶棒断棱甚至炸裂，影响生产效率，并对设备造成损害。现有技术中，6.5英寸以上的大直径区熔单晶硅生长都面临着因热场分布不合理、热应力过大造成的单晶棒开裂的问题，3-6英寸的区熔单晶硅生长中因热场分布不合理、热应力过大造成的断棱也是提高硅单晶生产率面临的最主要的问题之一。现有技术中的区熔炉热场均采用单一热源，即采用高频电源通过主加热线圈进行加热、化料。单一电源加热难以调整，特别是对主加热线圈以下的单晶棒热场分布难以控制。为弥补熔区下方的单晶棒热量不足问题，改善熔区下方热场分布，现有技术多采用一种铜质保温环装置（见图1）：该装置能将熔区辐射的热量反射到单晶棒表面，对熔区下方的单晶棒起到一定的保温作用。但这个装置只能被动地反射从熔区辐射过来的热量，因此反射的热量大小和位置都不可控。中国（公开）专利CN102808216A,CN102321913A，CN102358951A，CN202492612U等公开的均是采用这种主加热线圈加保温环的热场结构。公开的技术中还有采用不同材料来保温的，但这些保温装置都是采用被动保温的，难以控制，无法适应大直径区熔单晶硅的生长。因此迫切需要开发一种 具有双电源加热的区熔炉热场，通过合理的控制，使得区熔炉热场分布可根据工艺需要精确控制，以解决大直径单晶棒开裂问题，并提高硅单晶品质。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种具有双电源加热的区熔炉热场及保温方法。本发明中，主加热功率和辅助加热功率可根据工艺实时调节，并适应不同直径、不同晶向单晶棒的生长。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：提供一种具有双电源加热的区熔炉热场，包括中心设有圆孔的主加热线圈，主加热线圈与主加热电源相连，还包括一个辅助加热器，辅助加热器的主体是石墨或硅材质，其外形呈上下方向往复弯折的波浪状且在水平方向上围绕形成圆环状，其两个端部设接口并通过电缆与辅助加热电源相连；辅助加热电源还通过信号线依次连接数据分析模块和红外测温仪。作为一种改进，所述辅助加热器围绕形成的圆环状的直径在150mm～400mm之间，其在上下方向往复弯折的波浪状的高度在50mm～800mm之间。作为一种改进，所述的主加热电源和辅助加热电源相互独立，且均设有控制操作模块和屏蔽防干扰装置。作为进一步的发明目的，本发明中具有双电源加热的区熔炉热场的区熔炉保温方法是：通过辅助加热电源为辅助加热器施加直流电源，通过辅助加热器对生长在其内部的单晶棒施加热辐射，从而实现对单晶棒的保温；通过红外测温仪实时监测单晶棒特定点的温度，并传输给数据分析模块，数据分析模块通过内置的控制方法来控制辅助加热器的电流，从而调节对单晶棒的保温效果；内置于数据分析模块的控制方法，其控制目标为单晶棒特定点的温度，控制输入量为辅助加热器电流，且在不同的生长阶段采取不同的控制策略，具体包括：在扩肩阶段，单晶棒直径不断变化，设定单晶棒特定点温度随单晶棒直径的变化曲线T(d)为目标值，其中，单晶棒特定点温度随单晶棒直径的变化曲线T（d）由对作为标准参照的单晶棒生产过程进行标定的方式获得；单晶棒直径为D时，通过查找曲线获得单晶棒温度目标值为T（D）；温差△T=T1-T（D），其中T1为单晶棒直径为D时红外测温仪检测到单晶棒特定点的温度；辅助加热器电流设定值I分三段控制：当温度偏差△T＜Tm时，I=Imax，即辅助加热器输出最大电流；当△T＞Tb时，I=0，即关闭辅助加热器；当Tm≤△T≤Tb时，I=I0-0.45×△T+0.0038×（D/△T）；其中，Tm为单晶棒温度目标值为T（D）允许的下偏差，Tb为单晶棒温度目标值为T（D）允许的上偏差，且满足：-20℃≤Tm≤0℃ ≤Tb≤20℃，I0为扩肩阶段辅助加热器电流的初始设置值，其值在0.3Imax～0.5Imax之间；进入等径阶段，由于单晶棒直径不再变化，主加热器功率基本保持稳定，辅助加热器电流设定值I=I1+0.05×T，其中，I1为等径阶段辅助加热器电流的初始设置值，其值为0.4Imax～0.7Imax之间，T为进入等径阶段的时间；在收尾阶段，设定单晶棒特定点温度随单晶棒直径的变化曲线T(d)’为目标值，其中，单晶棒特定点温度随单晶棒直径的变化曲线T(d)’由对作为标准参照的单晶棒生产过程进行标定的方式获得；单晶棒直径为D时，通过查找曲线获得单晶棒温度目标值为T（D）’；温差△T’=T1’-T（D）’，其中T1’为单晶棒直径为D时红外测温仪检测到单晶棒特定点的温度；辅助加热器电流设定值I分三段控制：当温度偏差△T’＜Tm’时，I=Imax，即辅助加热器输出最大电流；当△T’＞Tb’时,I=0，即关闭辅助加热器；当Tm’≤△T’≤Tb’时，I=I0’-0.65×△T’+0.0025×（D/△T’）；其中，Tm’为单晶棒温度目标值为T（D）’允许的下偏差，Tb’为单晶棒温度目标值为T（D）’允许的上偏差，且满足：-20℃≤Tm’≤0℃≤Tb’≤20℃，I0’为收尾阶段辅助加热器电流的初始设置值，其值为0.3Imax～0.5Imax之间。本发明中主加热线圈为圆柱形平板，中心设有通孔和台阶；主加热电源的功率可由拉晶人员现场实时设定，也可按照设定好的工艺程序进行调整。通过主加热电源施加高频交变电流使多晶棒感应生热熔化；单晶棒在主加热线圈下方，熔融硅穿过主加热线圈中心孔将多晶棒和单晶棒联接；辅助加热器设置在单晶棒外部，通过辅助加热电源加热。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在区熔硅单晶生产中采用双电源加热的热场：主加热电源通过主加热线圈的涡流生热实现多晶棒的加热和化料，辅助加热电源通过辅助加热器对熔区下的单晶棒进行热场调整，使得单晶棒的温度分布得到精确控制。本发明可解决6.5英寸以上的大直径区熔硅单晶生长中面临的因热场分布不合理、热应力过大造成的单晶棒开裂的问题，同时也可改善3～6英寸的区熔硅单晶生长的热场分布，解决因热场分布不合理、热应力过大造成的断棱问题，将硅单晶生产率从现有技术的70%提高到85%以上，并提高硅单晶品质。附图说明图1为传统技术的热场结构；图2为本发明实施案例的结构示意图；图3本发明与现有技术实施效果图。图中的附图标记为：1主加热电源；2主加热线圈；3辅助加热电源；4辅助加热器；5数据分析模块；6红外测温仪；7保温环；A多晶棒；B单晶棒。具体实施方式首先需要说明的是，在本发明实现过程中会涉及自动控制技术和计算机技术的运用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后完全能够实现本发明。例如数据分析模块5可采用PLC，可选型号CJ2M，生产商为欧姆龙。本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能在结合现有公知技术的情况下完成其内置的控制软件。因此，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：图2所述为本发明的一实施案例：具有双电源加热的区熔炉热场，包括中心设有圆孔的主加热线圈2、主加热电源1、辅助加热电源3、辅助加热器4、红外测温仪6和数据分析模块5。辅助加热器4的主体是石墨或硅材质，其外形呈上下方向往复弯折的波浪状且在水平方向上围绕形成圆环状，其两个端部设接口并通过电缆与辅助加热电源3相连；辅助加热电源3还通过信号线依次连接数据分析模块5和红外测温仪6。主加热电源1施加给主加热线圈2高频交变电流，在主加热线圈2附近产生同频率的交变磁场，而之前通过预热机构而温度已经上升到600°C以上的多晶棒A自身会感生涡流生热，从而实现多晶棒的局部熔化，熔融硅穿过主加热线圈2中心孔，在线圈下方用籽晶接住熔融硅连续生长出单晶棒；所述的辅助加热器4设置在单晶棒B外部，通过辅助加热电源3加热；炉壁及炉室外还设有红外测温仪6和数据分析模块5。辅助加热器4围绕形成的圆环状的直径在150mm～400mm之间，其在上下方向往复弯折的波浪状的高度在50mm～800mm之间。主加热电源1和辅助加热电源3所述的主加热电源1和辅助加热电源3相互独立可单独调节，且均设有防干扰装置。主加热电源1频率为高频，辅助加热电源3为直流电源。本发明中，主加热电源1的功率可由拉晶人员现场实时设定，也可按照设定好的工艺程序进行调整。设置在炉壁上的红外测温仪6可实时检测硅单晶棒B特定点的温度，并传输给数据分析模块5，数据分析模块5通过一定的控制方法来控制辅助加热功率，从而使得单晶棒B特定点的温度能够按照所需的工艺要求得到精确控制：区熔硅单晶生长主要包括引晶、扩肩、等径和收尾等阶段，数据分析模块5主要在扩肩、等径及收尾阶段起作用，其控制目标为：单晶棒B特定点的温度，控制输入量为：辅助加热器4电流，且在不同的生长阶段采取不同的控制方法。现有技术中一般在线圈下端单晶棒B外设置保温环7或者其他的保温材料，而这些装置一般是不透明，会影响测温仪和CCD等装置对单晶棒B和熔区的监测。而本发明中采用的辅助加热器4给单晶棒B和熔区留有较大空隙，可保证测温仪和CCD全范围监测。区熔硅单晶生长主要包括引晶、扩肩、等径和收尾等阶段，数据分析模块中的内置控制方法主要在扩肩、等径及收尾阶段起作用，其控制目标为单晶棒特定点的温度；控制输入量为辅助加热器电流（功率），且在不同的生长阶段采取不同的控制方法。在扩肩阶段，单晶棒直径不断变化，设定单晶棒特定点温度随单晶棒直径的变化曲线T(d)为目标值，其中，单晶棒特定点温度随单晶棒直径的变化曲线T（d）由对作为标准参照的单晶棒生产过程进行标定的方式获得；单晶棒直径为D时，通过查找曲线获得单晶棒温度目标值为T（D）；温差△T=T1-T（D）,其中T1为单晶棒直径为D时红外测温仪检测到单晶棒特定点的温度；辅助加热器电流设定值I分三段控制：当温度偏差△T＜Tm时，I=Imax，即辅助加热器输出最大电流；当△T＞Tb时，I=0，即关闭辅助加热器；当Tm≤△T≤Tb时，I=I0-0.45×△T+0.0038×（D/△T）；其中，Tm为单晶棒温度目标值为T（D）允许的下偏差，Tb为单晶棒温度目标值为T（D）允许的上偏差，且满足：-20℃≤Tm≤0℃≤Tb≤20℃，I0为扩肩阶段辅助加热器电流的初始设置值，其值在0.3Imax～0.5Imax之间；进入等径阶段，由于单晶棒直径不再变化，主加热器功率基本保持稳定，辅助加热器电流设定值I=I1+0.05×T，其中，I1为等径阶段辅助加热器电流的初始设置值，其值为0.4Imax～0.7Imax之间，T为进入等径阶段的时间；在收尾阶段，设定单晶棒特定点温度随单晶棒直径的变化曲线T(d)’为目标值，其中，单晶棒特定点温度随单晶棒直径的变化曲线T(d)’由对作为标准参照的单晶棒生产过程进行标定的方式获得；单晶棒直径为D时，通过查找曲线获得单晶棒温度目标值为T（D）’；温差△T’=T1’-T（D）’，其中T1’为单晶棒直径为D时红外测温仪检测到单晶棒特定点的温度；辅助加热器电流设定值I分三段控制：当温度偏差△T’＜Tm’时，I=Imax，即辅助加热器输出最大电流；当△T’＞Tb’时,I=0，即关闭辅助加热器；当Tm’≤△T’≤Tb’时，I=I0’-0.65×△T’+0.0025×（D/△T’）；其中，Tm’为单晶棒温度目标值为T（D）’允许的下偏差，Tb’为单晶棒温度目标值为T（D）’允许的上偏差，且满足：-20℃≤Tm’≤0℃≤Tb’≤20℃，I0’为收尾阶段辅助加热器电流的初始设置值，其值为0.3Imax～0.5Imax之间。本发明中，采用双电源加热的热场，通过适当的功率控制策略，单晶棒B及熔区温度分布可根据工艺需要得到精确控制，可得到合理的热场分布。相比于现有技术中普遍 采用的单一热源加保温环7的结构，本发明中双电源加热的热场易于控制，也为区熔自动化单晶生产奠定了基础。配合合理的功率控制策略，本发明可解决6.5英寸以上的大直径区熔硅单晶生长中面临的因热场分布不合理、热应力过大造成的单晶棒开裂的问题，同时也可改善3～6英寸的区熔硅单晶生长的热场分布，解决因热场分布不合理、热应力过大造成的断棱问题，将硅单晶生产率从现有技术的70%提高到85%以上，并提高硅单晶品质。图3中所示为相同拉晶人员下采用现有技术和本发明分别进行10次6英寸硅单晶生产试验的统计数据，其中硅单晶生产率是指生产出符合要求的单晶棒质量与投料量的比值。当然，上述案例只是本发明的一个实施案例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。