一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置的制造方法
【技术领域】
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[0001]本发明属于直拉法晶体生长装置领域，具体涉及一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置。
【背景技术】
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[0002]以下以直拉法(Czochralski，CZ)生长单晶硅棒为例说明使用的方法。直拉单晶生长法由波兰科学家Jan Czochralski于1918年发明，其方法是利用旋转着籽晶从反方向旋转的坩祸中的硅熔体里持续提拉制备出单晶硅。
[0003]CZ法单晶硅生长主要包含以下几个步骤:首先，将高纯多晶硅原料以及掺杂物质放入石英坩祸内；完成装料后，将长晶炉关闭，抽真空，并打开石墨加热器，加热使硅原料熔化；当熔体温度稳定后，将籽晶浸入硅熔体中，开始进行引晶；种晶与硅熔体接触时的热应力将会使种晶产生位错，这些位错则通过晶颈的生长使之消失；生长完晶颈后，降低拉速和温度，使晶体的直径逐渐增大到目标直径，这个过程便称为放肩；达到目标直径后，不断调整提拉速度与温度，使晶棒直径与目标值的变差维持在±2mm间，等径生长的部分称之为晶身，也是制作硅片的部分；晶身生长完后，将晶棒直径逐渐缩小至一尖点与熔体分开，这个过程称为尾部生长。长完的晶棒在上炉室冷却至室温后取出，整个生长周期一般持续I?2天。
[0004]长晶过程主要希望能够达到目标直径下的晶体长度最大化和无位错，电阻率和氧杂质沿轴向和径向分布均匀，热应力水平合适。位错可能发生在长晶的任何阶段，由于硅晶体具有很高的弹性强度，一般当长晶过程中的机械应力或热应力低于其弹性强度时，应力可以在晶棒冷却过程中自然消失；如果应力高于其弹性强度，就会产生位错来减小应变。一旦在长晶界面出现位错，位错马上会开始多重延伸，整个晶棒可能由单晶变为多晶。位错的原因有多种，其中长晶界面形状对位错的形成有很大影响。位错更容易出现在长晶界面形状过凹或过凸情况下，在直拉法生长单晶硅过程中需要控制凝固界面的形状尽量平坦。因此，在直拉单晶硅生长过程中，凝固界面形状关系着生长出晶体的质量，凝固界面处的热场与流动形态决定了凝固界面形状。一般可以通过改变热屏、导流筒等部件结构来改变炉内热场进而改变凝固界面形状，或通过改变晶体转速和坩祸转速来影响凝固界面附近硅熔体流动进而改变凝固界面形状。但是，这些方法并不能十分有效的控制界面形状并使其相对平坦。
【发明内容】
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[0005]本发明的目的是提供一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置，通过改变硅熔体表面及凝固界面附近硅熔体的流动，最终改变凝固界面的形状，克服在长晶过程中由于凝固界面形状过度凹状导致的位错增殖等问题。
[0006]为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现:
[0007]一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置，包括由外向内依次设置的炉壁和隔热层，在隔热层中心的底部设置有支撑轴，支撑轴上依次设置有石墨坩祸和石英坩祸，支撑轴用于带动石墨坩祸和石英坩祸升降及旋转，在石英坩祸的外侧上设置有石墨加热器；在石墨坩祸内设置有搅拌环，且搅拌环的顶端与导流筒的底端相连，导流筒的顶端与设置在炉壁顶端且用于驱动导流筒和搅拌环旋转的驱动装置相连；使用时，搅拌环的底端浸渍在石墨坩祸内的硅熔体的上表面，生长的硅晶体通过提升装置牵引提升。
[0008]本发明进一步的改进在于:搅拌环的横截面形状为长方形，其外侧平行于石英坩祸侧壁，整体形状为环形，搅拌环与导流筒之间留有空隙以保证氩气通流，并通过其顶端设置的三个延伸结构与导流筒的底端相连。
[0009]本发明进一步的改进在于:搅拌环由二氧化硅制成。
[0010]本发明进一步的改进在于:搅拌环在径向的厚度小于石英坩祸的厚度，以减小其对硅熔体区域热场的影响，搅拌环延伸部分的厚度与环状部分的厚度一致，且厚度大于延伸部分高度的1/20。
[0011]本发明进一步的改进在于:导流筒最低点距离硅熔体上表面的距离大于10mm，最高点距离娃恪体上表面小于200mm。
[0012]本发明进一步的改进在于:搅拌环的环形结构的高度小于石英坩祸深度的1/2 ;搅拌环高度要大于石英坩祸深度1/20。
[0013]本发明进一步的改进在于:搅拌环的环状结构中露出硅熔体上表面的高度大于5mm ο
[0014]本发明进一步的改进在于:搅拌环在硅熔体表面径向的位置为硅晶体外侧到石英坩祸内壁距离的1/3到2/3。
[0015]本发明进一步的改进在于:支撑轴的横截面呈T型状。
[0016]本发明进一步的改进在于:导流筒的内腔由上至下逐渐缩小。
[0017]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0018]本发明通过在硅熔体自由表面附近安装一个搅拌环，能够使凝固界面变得更为平坦，以克服在长晶过程中由于凝固界面形状过度凹状导致的位错增殖等问题，从而提高晶体质量。本发明可以仅通过搅拌环旋转来控制凝固界面形状，实现了所提拉晶体周向的静止，使长晶过程更为可靠稳定。本发明通过搅拌环旋转可以使硅熔体自由表面的温度沿周向分布更为均匀减少热场不对称性带来的影响。
【附图说明】
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[0019]图1为本发明一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置的剖面图。
[0020]图2为图1的局部放大示意图。
[0021]图3为搅拌环三维视图。
[0022]图4为第一次为全局模拟所得凝固界面形状。
[0023]图5为第二次全局模拟所得凝固界面形状。
【具体实施方式】
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[0024]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0025]参见图1，本发明一种在熔体区域具有搅拌环的直拉法单晶硅生长装置，包括导流筒1、隔热层2、石墨加热器3、搅拌环4、硅晶体5、炉壁6、石墨坩祸7、石英坩祸8、硅熔体9、支撑轴10、提拉装置11以及驱动导流筒和搅拌环的驱动装置12。其中i为所选定有搅拌环的局部区域并在图2中进行放大。石墨坩祸7和石英坩祸8均为圆形坩祸；石墨坩祸7和石英坩祸8外侧为石墨加热器3，石墨加热器3外侧为防止热散失的隔热层2 ;硅晶体5上方为控制硅晶体5提拉和旋转的拉晶装置11。
[0026]具体来说，本发明包括由外向内依次设置的炉壁6和隔热层2，在隔热层2中心的底部设置有支撑轴10，支撑轴10上依次设置有石墨坩祸7和石英坩祸8，支撑轴10用于带动石墨坩祸7和石英坩祸8升降及旋转，在石英坩祸8的外侧上设置有石墨加热器3 ;在石墨坩祸7内设置有搅拌环4，且搅拌环4的顶端与导流筒I的底端相连，导流筒I的顶端与设置在炉壁6顶端且用于驱动导流筒I和搅拌环4旋转的驱动装置12相连；使用时，搅拌环4的底端浸渍在石墨坩祸7内的硅熔体9的上表面，生长的硅晶体5通过提升装置11牵引提升。其中，导流筒I的内腔由上至下逐渐缩小。此外，支撑轴10的横截面呈T型状。
[0027]装置中搅拌环4和导流筒I为本发明的核心部件。搅拌环4除与导流筒I相连部分为三个延伸结构，下方为环形，如图2所示。搅拌环4在径向的厚度要小于石英坩祸8的厚度，以减小其对硅熔体9区域热场的影响，延伸部分与环状部分的厚度一致且厚度要大于延伸高度的1/20以保证其强度符合要求。搅拌环4三个延伸结构与导流筒I相连，延伸结构的长度由导流筒I距熔体表面的距离决定，导流筒I最低点距离熔体表面的距离应大于10mm，最高点距离恪体自由表面小于200mm。搅拌环4的环形结构的高度要小于石英i甘祸8深度的1/2，以减少其对石英坩祸8内整个熔体热场和流场的影响；同时搅拌环4高度要大于坩祸深度1/20，搅拌环4过小则搅拌效果不明显。搅拌环4的环状结构中露出熔体表面的高度应大于5_，小于延伸结构的高度。搅拌环4在恪体表面径向的位置为娃晶体5外侧到石英坩祸8内壁距离的1/3到2/3，搅拌