单晶生长炉和晶体生长方法与流程

1.本发明涉及半导体制造技术领域，尤其是涉及一种单晶生长炉和晶体生长方法。


背景技术：

2.相关技术中指出，在传统的cz(直拉法)中，坩埚内的多晶硅料经过加热熔化成熔汤，熔汤在长晶环境下随着籽晶的旋转和提拉结晶，形成晶棒。在晶体生长的过程中，单晶炉炉室内的温度通常通过调整加热器的加热功率来控制，但是控制加热器的功率调整幅度较大，难以进行微调，导致在晶体生长的过程中炉室内温度变化较大，不能精准控制，进而影响长晶品质。
3.此外，mcz法单晶生长法在传统的cz法的基础上对坩埚外加磁场，磁场沿坩埚径向贯穿坩埚，以抑制硅液熔汤中的热对流，同时也降低了晶棒中的氧含量。根据外加磁场的不同，mcz法分为hmcz(外加横向磁场)以及vmcz法(外加纵向磁场)。对于hmcz法，磁场施加过程中磁力线从一端平行穿过在石英坩埚内硅熔体到另一端，只能在垂直磁场的方向上产生洛伦兹力，熔汤在洛伦兹力的作用下产生涡流一部分抵消了由于晶转、埚转、晶棒提拉等产生的强制涡流，但是另一部分无法被抵消，进而出现磁场导致的多余涡流的问题。且hmcz法在平行于磁场的方向上无法调节热场，也就是所hmcz存在单一方向的不稳定性，进而熔汤在垂直磁场方向上具有较大的涡流，不利于熔汤界面的稳定，在平行磁场方向上无法调节热场，导致晶棒生长不均匀，晶棒中氧含量不均匀的问题。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明在于提出一种单晶生长炉，所述单晶生长炉可以解决晶体生长不均匀、晶棒中氧含量不均匀的问题。
5.本发明还在于提出一种晶体生长方法。
6.根据本发明第一方面的单晶生长炉，包括：炉体，所述炉体内形成有炉室；坩埚，所述坩埚设于所述炉室内用于容纳熔汤；加热器，所述加热器设于所述炉室内且环绕所述坩埚的径向外侧；保温结构，包括：保温件和调节件，所述调节件的热反射系数或者热吸收系数与所述保温件不同，所述调节件设置于所述保温件和所述加热器之间，可相对所述保温件转动，用于调节所述保温件与所述加热器相对面的面积。
7.根据本发明的单晶生长炉，设置具有不同热反射系数或者热保温系数的保温件和调节件的保温结构，调节件可相对保温件转动，从而改变保温件与加热器的相对面积，有利于在坩埚的周向控制加热器传递到坩埚的热量，实现坩埚内熔汤热量的微调，改善熔汤周向方向上温度分布不均，解决了晶体生长不均匀、晶棒中氧含量不均匀的问题。
8.在一些实施例中，所述保温件包括：交替连接的所述反射部和所述吸收部，所述反射部的热反射率高于所述吸收部的热反射率，所述吸收部的热吸收率高于所述反射部的热吸收率；所述调节件包括：所述反射部或所述吸收部。
9.在一些实施例中，所述保温件形成有沿所述保温结构周向交替设置的第一区和第
二区，所述第一区和所述第二区的其中一个为所述反射部，所述第一区和所述第二区的其中另一个为所述吸收部；所述调节件形成有沿所述保温结构周向交替设置的第三区和第四区，所述第三区为所述反射部或所述吸收部，所述第四区为镂空结构。
10.在一些实施例中，所述保温件相对于所述调节件在第一位置和第二位置之间可转动，所述调节件相对于所述保温件在所述第一位置时，所述第四区和所述第一区至少部分重合；所述调节件相对于所述保温件在所述第二位置时，所述第四区和所述第二区至少部分重合。
11.在一些实施例中，所述保温结构包括：侧保温结构，所述侧保温结构套设于所述加热器的径向外侧。
12.在一些实施例中，所述保温结构包括：底部保温结构，所述底部保温结构设于所述炉室内且位于所述坩埚的下方。
13.在一些实施例中，所述反射部形成为钼质，所述吸收部形成为石墨质。
14.在一些实施例中，所述保温件和所述调节件均包括：沿所述炉室轴向间隔设置的第一连接部和第二连接部，以及设置于所述第一连接部和所述第二连接部之间的多个主体部，所述第一连接部和所述第二连接部均为环形，多个所述主体部沿所述第一连接部和所述第二连接部的周向连接设置。
15.在一些实施例中，单晶生长炉还包括：驱动机构，所述驱动机构与所述保温件和/或所述调节件连接，驱动所述保温件和所述调节件相对转动。
16.根据本发明第二方面的单晶生长炉的晶体生长方法，利用根据本发明第一方面所述的单晶生长炉生长晶体，所述晶体生长方法包括：控制所述调节件相对所述保温件转动，调节所述保温件与所述加热器相对面的面积，从而调节所述炉室内的温度。
17.根据本发明的单晶生长炉的晶体生长方法，通过利用根据发明第一方面实施例所述的单晶生长炉生长晶体，提高了固液界面的稳定性，避免了杂质偏析的问题，并且在平行磁场方向上调节热场，改善熔汤周向方向上温度分布不均，解决了晶体生长不均匀、晶棒中氧含量不均匀的问题。
18.进一步地，所述单晶生长炉包括：横向磁场施加装置，所述横向磁场装置设置于所述炉室中，用于对所述坩埚内的熔汤施加横向磁场，
19.所述晶体生长方法还包括：根据所述横向磁场的方向，控制所述保温结构与所述横向磁场的相对位置，使所述保温结构在平行于所述横向磁场方向上的热反射系数小于在垂直于所述横向磁场方向上的热反射系数。
20.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
21.图1是根据本发明实施例的单晶生长炉的示意图，其中，内保温层位于第一位置；
22.图2是图1中所示的侧保温结构的示意图，其中，内保温层位于第一位置；
23.图3是图1中所示的单晶生长炉的示意图，其中，内保温层位于第二位置；
24.图4是图1中所示的侧保温结构的示意图，其中，内保温层位于第二位置；
25.图5是图1中所示的侧保温结构的旋转示意图；
26.图6是根据本发明另一个实施例的单晶生长炉的示意图，其中，内保温层位于第一位置；
27.图7是图6中所示的侧保温结构的示意图，其中，内保温层位于第一位置；
28.图8是图6中所示的单晶生长炉的示意图，其中，内保温层位于第二位置；
29.图9是图6中所示的侧保温结构的示意图，其中，内保温层位于第二位置；
30.图10是图6中所示的侧保温结构的旋转示意图；
31.图11是根据本发明又一个实施例的单晶生长炉的示意图；
32.图12是根据本发明再一个实施例的单晶生长炉的示意图。
33.附图标记：
34.100、单晶生长炉；
35.1、炉体；11、炉室；
36.2、坩埚；21、石英坩埚；22、石墨坩埚；
37.3、加热器；
38.4、保温结构；
39.41、保温件；411、第一区；412、第二区；
40.42、调节件；421、第三区；422、第四区；
41.5、导流筒。
具体实施方式
42.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
43.下面参考图1-图12描述根据本发明实施例的单晶生长炉100。
44.如图1所示，根据本发明实施例的单晶生长炉100，包括：炉体1、坩埚2、加热器3和保温结构4。
45.具体地，炉体1内形成有炉室11，坩埚2设于炉室11内用于容纳熔汤，加热器3设于炉室11内且环绕坩埚2的径向外侧，保温结构4包括：保温件41和调节件42。调节件42设置于保温件41和加热器3之间，可相对保温件41转动。调节件42的热反射系数或者热吸收系数与保温件41不同，用于调节保温件41和加热器3的相对面的面积。
46.上述，在热辐射领域中，热量投射到物体的表面，可能会发生热反射、热吸收和热透过现象。热反射率是指透射到物体的热射线中被物体表面反射的能量与投射到物体的总能量之比，热反射率高的物体反射的热量相对较多。热吸收率是指投射到物体上的热射线中被吸收的能量与投射的总能量之比，热吸收率高的物体吸收的热量相对较多。热透过率指投射到物体表面的热射线中透过的能量与投射到表面的总能量之比，热透过率高的物体热量散失较多，保温性能较前两种较差。
47.本发明实施例公开的保温件41和调节件42可选择热透过率较低，热反射率或者热吸收率不同的材质，可以保证保温结构4的保温性能。调节件42相对保温件41可转动，能够在加热器3和保温件41之间对保温件41形成遮挡，从而改变整个保温结构4对单晶生长炉100的保温性能，进而调控炉室11的温度。
48.在本发明的一些实施例中，保温件41具有交替连接的反射部和吸收部，反射部的热反射率高于吸收部的热反射率，吸收部的热吸收率高于反射部的热吸收率。调节件42包括：反射部或者吸收部。
49.上述，反射部在接收到加热器产生的热量后将一部分热射线反射至炉室11内，吸收部在接收到加热器3产生的热量后将一部份热射线吸收，反射部反射的热量大于吸收部反射的热量，吸收部吸收的热量大于反射部吸收的热量。本发明实施例中，保温件41设置于炉体1和加热器3之间，保温件41与加热器3存在相对的面，保温件41中反射部的热反射率高于吸收部的热反射率，吸收部的热吸收率高于反射部的热吸收率，反射部和吸收部与加热器3相对部分的面积可调，可以控制保温件41与加热器3的相对面中是反射部面积较大还是吸收部面积较大，由此本发明实施例公开的保温件41可以调节反射的热量和吸收的热量，进而可以微调炉室11内的温度。此外，需要说明的是，在实际的长晶过程中，坩埚2需要持续旋转，因此尽管本发明实施例保温件41具有两种不同的材质，保温件41与坩埚2相对转动也可以均衡坩埚2周向方向上的温度差，稳定热场。反射部和吸收部与坩埚2的相对面积可以相同也可以不同，各反射部的面积可以相同也可以不同。保温件41上的反射部和吸收部可以间隔交替设置也可以反射部连续设置或者吸收部连续设置。
50.在本发明的一些实施例中，如图2所示，保温件41形成有沿保温结构4周向交替设置的第一区4121和第二区4122，第一区4121和第二区4122的其中一个为反射部，第一区4121和第二区4122的其中另一个为吸收部；调节件42形成有沿保温结构4周向交替设置的第三区4111和第四区4112，第三区4111为反射部或吸收部，第四区4112为镂空结构。
51.上述，调节件412的第四区为镂空区，通过调节件42和保温件41的相对旋转可以控制与加热器3相对的保温件41的反射部或吸收部的面积。加热器3相对的反射部的面积大则加热器3接收到的总热量高，加热器3接收到的吸收部的面积大则加热器3接收到的总热量低。
52.在本发明的一些实施例中，保温件41相对于调节件42在第一位置和第二位置之间可转动，调节件42相对于保温件41在第一位置时，第四区4112和第一区4121至少部分重合；调节件42相对于保温件41在第二位置时，第四区4112和第二区4122至少部分重合。
53.示例性地，如图3和图4所示，保温件41包括反射部和吸收部，调节件42包括反射部和镂空结构，镂空结构和保温件41的反射部相对，由此加热器3相对的保温件41均为反射部，此时在加热器3加热功率不变的情况下，炉室11的热量最高。如图5所示，调整调节件42和保温件41相对旋转，使镂空结构对应保温件41的相邻的反射部和吸收部的部分，由于调节件42为反射部，因此保温件41与加热器3相对的反射部的面积大于吸收部的面积，此时在加热器3加热功率不变的情况下，坩埚2接收到的热量较高。如图6和图7所示，保温件41包括反射部和吸收部，调节件42包括吸收部和镂空结构，镂空结构与保温件41的反射部对应，保温件41与坩埚2相对的既有反射部也有吸收部，此时炉室11内的温度较前述两种较低。如图8和图9所示，镂空结构与保温件41的吸收部对应，保温件41与坩埚2相对的仅有吸收部，此时炉室11的温度较前述最低。此外，如图10所示，镂空结构与保温件41相邻的反射部和吸收部对应，此时保温件41与加热器3相对吸收部的面积大于反射部的面积。
54.在本发明的一些实施例中，如图11所示，保温结构4包括：侧保温结构41，侧保温结构41套设于加热装置3的径向外侧，侧保温结构41具有内保温层411和外保温层412，保温件
41形成为外保温层412，调节件42形成为内保温层411。由此，侧保温结构41的整体结构简单，内保温层411和外保温层412可相对转动，改变了反射部和吸收部的面积比例，从加热器3的径向外侧的方向上对炉室11的温度进行微调。
55.在本发明的一些实施例中，如图12所示，保温结构4包括：底部保温结构42，底部保温结构42设于炉室11内且位于坩埚2的下方，底部保温结构42具有上保温层421和下保温层422，保温件41形成为下保温层422，调节件42形成为上保温层421。由此，底部保温结构42的整体结构简单，上保温层421和下保温层422之间相对转动，从而改变反射部和吸收部的面积比例，从加热器3的下方对炉室11的温度进行微调。
56.由于钼具有较大的热反射率、较小的热吸收率，石墨具有较大的热吸收率，较小的热反射率，因此，反射部形成为钼质，吸收部形成为石墨质，通过调整保温结构4与坩埚2相对面中包含的钼的面积以及石墨的面积在坩埚2周向热量反射和吸收的差异，从而使保温结构4的不同部位具有不同的保温性能，进行炉室11温度的微调。
57.在一些实施例中，反射部可以是钼板也可以是在保温件41或者调节件42的外层涂布的钼层，吸收部可以是石墨板也可以是在保温件41或者调节件42的外层涂布的石墨层。
58.在本发明的一些实施例中，保温件41和调节件42均包括：沿炉室11轴向间隔设置的第一连接部和第二连接部，以及设置于第一连接部和第二连接部之间的多个主体部，第一连接部和第二连接部均为环形，多个主体部沿第一连接部和第二连接部的周向连接设置。由此，能够稳定的固定反射部和吸收部，避免反射部和吸收部发生松动，保证了保温结构4的稳定性，延长了保温结构4的使用寿命。
59.在本发明的一些实施例中，如图1所示，单晶生长炉100还包括：导流筒，导流筒呈筒状设置在炉室11内并位于熔汤的上方，提拉机构提拉晶棒在竖直方向上穿过导流筒并伸入坩埚2内。由此，单晶生长炉100的整体结构简单，便于装配，且晶体生长均匀。
60.在本发明的一些实施例中，单晶生长炉100还包括：驱动机构，所述驱动机构与所述保温件41和/或所述调节件42连接，驱动所述保温件41和所述调节件42相对转动。具体地，可以驱动调节件42转动，也可以驱动保温件41转动，还可以同时驱动调节件42和保温件41相对转动。
61.在本发明的一个实施例中，坩埚2包括石英坩埚212和石墨坩埚222。
62.在本发明的一个实施例中，单晶生长炉100还包括：横向磁场施加装置，用于对坩埚2内的熔汤施加横向磁场。横型磁场(hmcz)可抑制传统的直拉法(cz)由于热对流造成的熔汤表面的波动，横型磁场抑制纵向的热对流，施加横型磁场后可以降低熔汤的平均温度。然而横型磁场施加的过程中，磁场的磁力线从一端平行穿过在石英坩埚内硅熔体到另一端，旋转中的硅熔体产生的洛伦兹力在圆周方向的各处均不相同，因此硅熔体的流动和温度分布在圆周方向上不一致。
63.本发明实施例公开的单晶生长炉中的保温件具有热反射系数不同的反射部和吸收部，可调整保温装置在横向磁场方向上的热反射系数低于垂直于横向磁场方向上的热反射系数，调节熔汤内的温度分布，使晶体生长速度更加均匀，减少晶体生长缺陷。进一步地，对于本发明实施例提供的包含可相对转动的保温件411和调节件412的保温件，可通过调整保温件中反射部和吸收部的面积对应不同的磁场强度和磁场范围。例如，若横向磁场的磁场强度大且磁场范围较宽，则可转动保温件411和调节件412调节保温件在横向磁场方向上
吸收部的面积大于反射部的面积，在垂直横向磁场的方向上反射部的面积大于吸收部的面积。
64.根据本发明第二方面实施例的单晶生长炉100的晶体生长方法，利用根据发明第一方面实施例所述的单晶生长炉100生长晶体，晶体生长方法包括：控制调节件42相对保温件41转动，调节保温件41与加热器3相对面的面积，从而调节炉室11内的温度
65.进一步地，单晶生长炉100包括：横向磁场施加装置，横向磁场装置设置于炉室11中，用于对坩埚2内的熔汤施加横向磁场，晶体生长方法还包括：根据横向磁场的方向，控制保温结构4与横向磁场的相对位置，使保温结构4在平行于横向磁场方向上的热反射系数小于在垂直于横向磁场方向上的热反射系数。
66.上述，横向磁场的方向可在横向磁场施加装置中设定。控制保温结构4中的保温件41和调节件42的相对位置可通过驱动旋转装置控制，具体可设定旋转的速度、角度等参数。控制保温结构4和横向磁场的相对位置，包括：控制保温结构4中保温件41和调节件42的相对位置；控制整体的保温结构4与横向磁场的相对位置。
67.在一个实施例中，若保温件41包括反射部和吸收部，调节件42包括反射部和镂空部，则调整调节件42中的反射部和保温件41中的反射部对应，调整保温结构4整体，使吸收部设置在平行于横向磁场的方向上，反射部设置在垂直于横向磁场的方向上。
68.若保温件41包括反射部和吸收部，调节件42包括吸收部和镂空部，则调整调节件42中的吸收部和保温件41中的吸收部对应，调整保温结构4整体，使吸收部设置在平行于横向磁场的方向上，反射部设置在垂直于横向磁场的方向上。
69.更进一步地，保温结构4在坩埚2周向制造的温差在坩埚2中的熔汤中形成第一涡流，横向磁场在垂直磁场方向在坩埚中的熔汤中形成第二涡流，第一涡流和第二涡流的流向相反。
70.上述，本发明公开的保温结构可以形成侧保温结构和/或底部保温结构，侧保温结构和底部保温结构均能够通过对加热器产生热量的反射或者吸收的差异对坩埚中的熔汤造成影响，产生涡流。保温结构造成的熔汤涡流可平衡横向磁场造成的熔汤涡流，使熔汤更加温度，提高了固液界面的稳定性，避免了杂质偏析的问题，解决了晶体生长不均匀、晶棒中氧含量不均匀的问题。
71.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
72.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
73.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以
是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
74.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
75.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。