一种新式结构的单晶炉用加热器的制作方法

本发明涉及一种新式结构的单晶炉用加热器，属于硅单晶制备技术领域。

背景技术：

在全球信息化进程中，以通信业、计算机业、网络业、家电业为代表的信息技术，获得了飞速发展，信息产业已经成为每一个发达国家的第一大产业。我国信息产业的发展已超过传统产业而成为国民经济中第一大产业和对外出口创汇的支柱产业。半导体工业，特别是集成电路工业是信息产业的基础和核心，是国民经济现代化与信息化建设的先导和支柱产业，是改造和提升传统产业及众多高新技术产业的核心技术。半导体工业的主要物质基础是半导体材料。半导体材料制造技术的不断进步，推动了超大规模、超高速集成电路的迅速发展，带来了现代电子计算机的更新换代。半导体材料、半导体器件及集成电路的发展与应用水平已成为衡量一个国家的国力、国防、国民经济现代化和人民生活水平的重要标志。半导体硅材料是重要的半导体功能材料，其用量约占半导体材料总用量的95％以上。

目前，半导体硅材料可分为重掺硅单晶和轻掺硅单晶。拉制单晶的电阻率值是由被选择的掺杂元素的掺入量来确定的，掺杂元素的掺入量越大，单晶的电阻率越低，掺入量很大的低电阻率单晶，称为重掺硅单晶；反之，掺杂元素的掺入量少，则称为轻掺硅单晶。

其中，重掺硅单晶是最为理想的外延衬底材料，其市场需求量不断增加。现代超大规模集成电路(ulsi)制造过程的主流工艺为coms工艺。cmos工艺因其优异的特性深受人们的关注。重掺硅单晶用于制造超大规模集成电路开关电源肖特基二极管和场控高频电力电子器件等特殊电子器件。现代电网控制系统要求集成电路体积小、转换快、耐高压，军事控制、制导的电路，要求抗高频能力强、体积小，重掺硅单晶产品是首选产品，是我国国民经济发展、国防等特殊行业急需的新材料。coms工艺中普遍采用n/n～+、p/p～+的外延结构，这种以重掺杂硅片为衬底的外延结构与内吸杂工艺相结合，是解决集成电路中的闩锁效应和α粒子引起的软失效的有效途径。

重掺单晶硅最重要参数指标为电阻率，随着竞争的激烈，其要求控制的范围不断缩小电阻率数值不断降低，掺杂剂的含量随之逐渐加大。目前主要的搀杂剂是砷、磷、锑，均具有很强的挥发性，如何保持熔体的杂质浓度并尽快成晶自然就成了重掺单晶拉制工作最重要的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种新式结构的单晶炉用加热器，用于重掺杂单晶硅的生产，以获得杂质浓度均匀的重掺杂单晶硅，提升拉晶效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种单晶炉用加热器，该加热器由环形的石墨板构成，石墨板上均匀开槽，该加热器具有在轴向上宽下窄的结构，该加热器的上半部分与下半部分之间为弧形过渡。

在所述单晶炉用加热器中，从加热器顶部至加热器高度三分之一的区域为加热器的上半部分，从加热器底部至加热器高度三分之二的区域为加热器的下半部分。

本发明的优点在于：

本发明的加热器的外形结构类似于酒杯，高温区在加热器底部，解决了多晶硅熔化时粘连的问题。采用该加热器，在拉晶过程中能产生明显的温度梯度，熔体热对流明显，可以使杂质浓度保持均匀。

附图说明

图1为采用本发明的加热器的热场示意图。

图2为采用本发明的加热器的化料情况示意图。

图3为采用本发明的加热器拉晶时的示意图。

图4为采用普通加热器拉晶时的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

如图1所示，为采用本发明的加热器的热场示意图。本发明的加热器1由环形的石墨板构成，石墨板上均匀开槽，该加热器具有在轴向上宽下窄的结构，从加热器顶部至加热器高度三分之一的区域为加热器的上半部分2，从加热器底部至加热器高度三分之二的区域为加热器的下半部分3，上半部分2与下半部分3之间为弧形过渡。

本发明的加热器具有类似于酒杯的结构，其上半部分比现在常用的加热器稍宽，下半部分收窄，之间以弧度自然过渡，在保证不影响石墨埚上下行程的基础上通过调节热源的远近，在热场中实现温度梯度的明显划分。可以实现：

1、使用本发明的加热器在熔料过程功率不额外增加的前提下，高温集中的于底部，使化料过程逐层有序的进行。不会产生溅硅、熔料沾粘埚壁等情况。而普通加热器，如图4所示，热辐射10对熔体9的热量几乎是均匀的，所以硅料的融化过程不可控，难免会存在体积小的料块先融化，融化后又附着在大料块上重新凝固得现象。这样会使大量的硅料粘连在一起形成一个巨大的料块，这个大料块在融化、下落、翻转等过程中，会使熔料过程存在很多不可靠的因素——溅硅、粘埚甚至可能会使石英埚造成硬伤。

2、本发明的加热器能使拉晶过程产生明显的温度梯度，有利于晶体生长。可以提高晶体生长的成功率和提升晶体生长速率。而普通加热器，如图4所示，熔体9因受热均匀，温度梯度不大。没有足够的温度梯度晶体的生长容易长坏且长的慢。

3、本发明的加热器的使用能让熔体拥有明显的温度梯度，熔体热对流明显，可以使杂质浓度保持均匀。并且熔体液面端温度处于相对低温区，能抑制杂质的挥发。普通加热器，如图4所示。因温度梯度不够，熔体流动缓慢，而造成杂质扩散不均匀，易在局部产生淤积。晶体的生长对杂质浓度很敏感，当遇到淤积的高浓度杂质时容易坏死。而且普通加热器的熔体表面温度较高，这就造成熔体内杂质的挥发损失也很大。

如图2所示，为使用本发明的加热器的化料情况示意图，箭头e指示加热器产生的热辐射方向，加热器1外侧的热场保温5的结构与加热器的外形匹配。石英埚6中硅料7的下半部分在加热器底部，为离热源很近的高温区。石英埚6中硅料7的上半部分在加热器上部，为离热源比较远的低温区。在硅料融化过程中，处于高温区的硅料先融化，同时低温区的硅料完全不会融化，这样就能避免硅料融化过程粘连埚壁。

如图3所示，为采用本发明的加热器拉晶时的示意图，图中箭头f方向为硅料融化成硅溶液后的热对流方向。拉晶之前杂质应该已完全融入熔体中，此时熔体液面处于低温区，会减少杂质的挥发。熔体底部处于高温区，这必然会促使熔体内部产出很强的热对流，带动熔体中杂质的均匀分布，并能在熔体表面产生明显的温度梯度。有了适当的温度就能实现拉晶效率的提升。

实施例

对比本发明的加热器(如图1、2、3所示)和普通加热器(如图4所示)用于拉晶过程时的效果，技术参数及结果如下表1所示。

表1

从数据分析来看，两种加热器的熔料过程近乎相同，但拉晶情况本发明的加热器有明显的改善，而且电阻率要更低。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种新式结构的单晶炉用加热器，该加热器由环形的石墨板构成，石墨板上均匀开槽；该加热器具有在轴向上宽下窄的结构，该加热器的上半部分与下半部分之间为弧形过渡，其中，从加热器顶部至加热器高度三分之一的区域为加热器的上半部分，从加热器底部至加热器高度三分之二的区域为加热器的下半部分。本发明的加热器的外形结构类似于酒杯，高温区在加热器底部，解决了多晶硅熔化时粘连的问题。采用该加热器，在拉晶过程中能产生明显的温度梯度，熔体热对流明显，可以使杂质浓度保持均匀。

技术研发人员：邓德辉;王学锋;李超
受保护的技术使用者：有研半导体材料有限公司
技术研发日：2017.12.11
技术公布日：2019.06.18