一种单晶提拉炉热场结构的制作方法

本发明属于半导体级单晶硅制造领域，特别是涉及一种单晶提拉炉热场结构。

背景技术

在利用直拉法制备大尺寸硅单晶的过程中，由于多晶硅投料量大，为了满足热场温度梯度的要求以及保障长晶过程的温度波动小，使用如图1所示的单晶提拉炉热场结构：采用位于坩埚12侧部的第一加热器13和位于坩埚12底部的第二加热器14来实现对温度场的精确控制。

然而，在长期长晶过程和模拟仿真工作中，逐渐发现由于固液界面中心散热慢而边缘散热快，导致固液界面的形状凸向晶体，即固液界面中间位置高而周边位置低，这样就直接导致制备出来的硅片中心和边缘质量差别大；如图2所示，横坐标表示硅片中心到边缘的半径变化，纵坐标表示拉速与横坐标处温度梯度的比值，用于衡量制备的硅单晶的质量，其中，黑色虚线作为衡量硅单晶质量的标准衡量值；可见，硅片中心和边缘的质量存在较大差异。

鉴于此，有必要设计一种新的单晶提拉炉热场结构用以解决上述技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单晶提拉炉热场结构，用于解决现有单晶提拉炉热场结构制备的硅单晶存在质量不均匀的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单晶提拉炉热场结构，所述单晶提拉炉热场结构包括：

炉体；

位于所述炉体内的坩埚；

位于所述坩埚侧面的第一加热器；

位于所述坩埚底部的第二加热器；以及

位于所述坩埚内熔体上方的第三加热器。

优选地，所述第三加热器为环形加热器。

优选地，所述环形加热器的圆心与所述坩埚的中心线重合。

优选地，所述环形加热器的内圆半径为300～400mm。

优选地，所述环形加热器的厚度为20～80mm。

优选地，所述第三加热器与所述坩埚内熔体的垂直距离为0～200mm。

优选地，所述第一加热器的功率为70～110kw，所述第二加热器的功率为10～45kw，所述第三加热器的功率为0～30kw。

优选地，所述第一加热器、第二加热器、及第三加热器均为石墨加热器。

优选地，所述单晶提拉炉热场结构还包括位于所述坩埚上方的热屏，其中，所述第三加热器位于所述热屏内侧。

优选地，所述第三加热器的外侧壁与所述热屏的内侧壁的最小距离为0～100mm。

优选地，所述单晶提拉炉热场结构还包括位于所述坩埚上方的籽晶夹头，以及与所述籽晶夹头连接，用于控制所述籽晶夹头在提拉方向上提升或下降的提拉结构。

如上所述，本发明的单晶提拉炉热场结构，具有以下有益效果：

1.本发明所述单晶提拉炉热场结构利用第三加热器控制固液界面位置的温度分布，抑制固液界面边缘散热，使得固液界面的中心与边缘散热更加均匀，避免固液界面中心区域向上凸起，进而提高制备硅单晶的径向质量均匀度。

2.本发明所述单晶提拉炉热场结构通过设置第三加热器，增加了热场控制的多样性，更好地优化了热场。

附图说明

图1显示为现有单晶提拉炉热场结构示意图。

图2显示为利用现有单晶提拉炉热场结构制备硅单晶时硅单晶中心到边缘的质量曲线。

图3显示为本发明单晶提拉炉热场结构示意图。

图4a显示为有无第三加热器时固液界面温度的变化曲线，图4b显示为有无第三加热器时固液界面位置的变化曲线。

元件标号说明

11炉体

12坩埚

121熔体

13第一加热器

14第二加热器

15第三加热器

16热屏

17籽晶夹头

18提拉结构

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图3至4b。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例一

如图3所示，本实施例提供一种单晶提拉炉热场结构，所述单晶提拉炉热场结构包括：

炉体11；

位于所述炉体11内的坩埚12；

位于所述坩埚12侧面的第一加热器13；

位于所述坩埚12底部的第二加热器14；以及

位于所述坩埚12内熔体121上方的第三加热器15。

需要说明的是，所述第一加热器13与所述第二加热器14用于在长晶过程中使热场温度分布达到长晶要求，所述第三加热器15用于抑制固液界面边缘散热，提高固液界面中心与边缘散热的均匀性。

具体的，所述第三加热器15为环形加热器。

优选地，在本实施例中，所述环形加热器的圆心与所述坩埚的中心线重合。

优选地，所述环形加热器的内圆半径为300～400mm；进一步优选地，在本实施例中，所述环形加热器的内圆半径为350mm；当然，在其它实施例中，所述环形加热器的内圆半径还可以为300mm、320mm、340mm、360mm、380mm或400mm等。

优选地，所述环形加热器的厚度d为20～80mm，所述环形加热器的厚度d即为外圆半径与内圆半径之差；进一步优选地，在本实施例中，所述环形加热器的厚度d为45mm；当然，在其它实施例中，所述环形加热器的厚度d还可以为20mm、35mm、50mm、65mm或80mm等。

具体的，所述第三加热器15与所述坩埚12内熔体121的垂直距离为0～200mm。

优选地，在本实施例中，所述第三加热器15与所述坩埚12内熔体121的垂直距离为100mm；当然，在其它实施例中，所述第三加热器15与所述坩埚12内熔体121的垂直距离还可以为0mm、45mm、90mm、135mm、180mm或200mm等。

具体的，所述第一加热器13的功率为70～110kw，所述第二加热器14的功率为10～45kw，所述第三加热器15的功率为0～30kw。

具体的，所述第一加热器13、第二加热器14、及第三加热器15均为石墨加热器。

具体的，所述炉体11的底部和顶部均设置有石墨电极，所述第一加热器13和第二加热器14通过电极螺栓固定在所述炉体底部的石墨电极上，所述第三加热器15通过电极螺栓固定在所述炉体顶部的石墨电极上，并通过石墨电极对所述第一加热器13、第二加热器14及第三加热器15输送电流，实现加热。

具体的，所述单晶提拉炉热场结构还包括位于所述坩埚12上方的热屏16，其中，所述第三加热器15位于所述热屏16内侧。

需要说明的是，所述热屏16固定在所述保温盖上，所述保温盖通过压环固定在所述炉体上。

优选地，所述第三加热器15的外侧壁与所述热屏16的内侧壁的最小距离l为0～100mm。

优选地，所述热屏16为石墨热屏。

具体的，所述单晶提拉炉热场结构还包括位于所述坩埚12上方的籽晶夹头17，以及与所述籽晶夹头17连接，用于控制所述籽晶夹头17在提拉方向上提升或下降的提拉结构18。

优选地，所述籽晶夹头17选用耐高温、具有一定强度的材料；进一步优选地，在本实施例中，所述籽晶夹头17的材料为mo、ni、w及其合金，或石墨等高熔点、高强度材料。

具体的，所述炉体11的内侧壁表面还设有保温罩，所述保温罩包括保温筒，以及包裹所述保温筒的多层石墨碳毡；通过在保温筒表面设置不同的石墨碳毡的层数，将保温罩分为上保温罩、中保温罩和下保温罩，用以在加强坩埚部分、坩埚顶部及坩埚底部的保温作用，减少热量损失的同时，形成不同的温度梯度。

需要说明的是，所述石墨碳毡的层数根据实际的温度需求而定，即所述炉体内的温度要求越高，所述石墨碳毡的层数越多。

具体的，所述坩埚包括石英坩埚，以及固定在所述石英坩埚外侧的石墨坩埚；其中，所述石墨坩埚通过支撑体固定在所述炉体11的底部上方。

需要说明的是，所述支撑体包括固定在炉体11底部的坩埚托杆，以及固定在所述坩埚托杆上方的坩埚托盘；通过将所述坩埚12固定在所述坩埚托盘内，实现将所述坩埚12安装在所述炉体11的底部上方。

通过本实施例所述单晶提拉炉热场结构制备硅单晶时，其固液界面的温度梯度曲线如图4a中黑色实线所示，其中，图4a中其它曲线表示使用现有单晶提拉炉热场结构同时采用cz工艺及ccz工艺制备硅单晶时其固液界面的温度梯度曲线。从图4a中可以看出，相较于现有单晶提拉炉热场结构，采用本实施例所述单晶提拉炉热场结构(设置有第三加热器)制备硅单晶时，其固液界面的温度变化幅度小，温度分布更均匀。

通过本实施例所述单晶提拉炉热场结构制备硅单晶时，其界面位置变化曲线如图4b中黑色实线所示，其中，图4b中其它曲线表示使用现有单晶提拉炉热场结构同时采用cz工艺及ccz工艺制备硅单晶时其界面位置变化曲线。从图4b中可以看出，相较于现有单晶提拉炉热场结构，采用本实施例所述单晶提拉炉热场结构(设置有第三加热器)制备硅单晶时，其界面位置的变化幅度较小，即固液界面的中心和边缘高度差较小，通过提高固液界面的高度一致性进而提高晶体质量。

综上所述，本发明的单晶提拉炉热场结构，具有以下有益效果：

1.本发明所述单晶提拉炉热场结构利用第三加热器控制固液界面位置的温度分布，抑制固液界面边缘散热，使得固液界面的中心与边缘散热更加均匀，避免固液界面中心区域向上凸起，进而提高制备硅单晶的径向质量均匀度。

2.本发明所述单晶提拉炉热场结构通过设置第三加热器，增加了热场控制的多样性，更好地优化了热场。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。