单晶硅生长炉用导流筒及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于单晶硅制造装置，尤其是涉及一种提高硅单晶生长速度、降低单晶硅中氧含量的单晶硅生长炉用导流筒。
【背景技术】
[0002]随着集成电路向小型化、低功耗、高运算速率、窄线宽的快速发展，对大尺寸集成电路用硅片的品质与性能提出了更高的要求。随着晶锭尺寸的加大，晶锭生长所需的温度场设计难度增大，单晶硅生长炉制造难度与成本大幅增加。
[0003]集成电路制造过程中，对硅片中氧含量具有严格的要求，以免所制造的芯片在使用过程发生烧毁等严重事故。在单晶硅生长过程中，氧元素主要来源于多晶原料表面的吸附氧和石英坩祸，降低熔体中氧元素的浓度是单晶硅生长所面对的首要问题。由于熔体中的氧元素多以S1形式存在，通过导流筒，将氩气流汇聚至坩祸中央，从而加速S1的挥发，可大幅降低熔体中氧浓度。同时，汇聚的氩气流可加速晶锭的冷却，增大晶锭轴向温度梯度，提高晶锭生长速率。
[0004]现有技术诸如CN201420688047.7所述的一种提高直拉硅单晶生长速度的新型导流筒，虽然采用了内外筒和内筒又分上部与下部独立设计的思想，减少了导流筒对晶锭的辐射热，但在晶锭生长末期，随着熔体体积的减少，石英坩祸裸露面积显著增大，石英坩祸壁对外筒的辐射热大幅增加，导致内筒温度升高，反而对晶锭产生了较大辐射热，不利于晶锭生长。
[0005]又诸如201320808094.6所述的一种拉制大直径N型单晶的导流筒，虽然在内胆与保温层之间设置了钼隔板，但是在外胆与保温层直接未设置钼隔板，导致熔体液面和石英坩祸壁热辐射通过外筒全部被保温层吸收，同时保温层与钼隔板紧密接触，形成传导导热，使钼隔板温度升高，且高于内胆的温度，反而对内筒形成热辐射，不利于晶锭的热释放。
[0006]综上所述，现有的技术在一定程度上具有提供晶锭生长速率，降低熔体中氧浓度的作用，但依然存在诸多问题，如:(1)晶锭生长末期，坩祸壁对导流筒的辐射加剧，导流筒温度升高，导流筒自身对晶锭的辐射加剧，不利于晶锭的生长。(2)坩祸和熔体热辐射热量散失严重，升温化料时间较长，单晶炉功耗高。(3)晶锭中氧浓度依然较高，需进一步降低熔体中的氧含量，从而提尚晶徒的电阻率。
[0007]同时，在单晶硅生长过程中，多晶硅原料融化后，容易在石英坩祸内壁上粘附很多未融化的多晶硅颗粒或者块体，通常是通过增加石墨加热器的输出功率，提高坩祸壁的温度，缓慢的将颗粒或者块体融化，耗时长，耗能多，且去除能力有限。而且，在晶锭提拉生长过程，粘附于石英坩祸内壁上的颗粒或块体容易发生突然脱落，掉落入坩祸中，严重破坏熔体温场和流体场的稳定性，影响晶锭品质。
[0008]因而，本发明还提供一种高效去除石英坩祸内壁粘附多晶颗粒或者块体的方法。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种能有效提高晶体生长速率、降低生长功耗、降低晶锭中氧含量的单晶硅生长炉用导流筒。
[0010]—种单晶硅生长炉用导流筒，它包含带有锥形内筒的筒体，所述的筒体包括锥形的内筒、底部水平台阶的外筒、内筒与外筒间填充的保温层以及保温层与外筒之间的设有隔热层。所述的内筒由碳/碳的复合材料制成，所述的外筒由金属钼或金属钨制作而成，所述的保温层由碳毡制作而成，所述的隔热层由金属钼或金属钨薄片制作而成。
[0011]进一步，所述的内筒其特征在于内筒内壁为粗糙面，其目的是吸收来至晶锭表面的辐射热，减少对晶锭的辐射，提高晶锭的散热效率。
[0012]进一步，所述的内筒内壁可经喷砂工艺处理。
[0013]进一步，所述内筒的外壁为光滑面，其表面粗糙度不大于0.2 μ m，其目的是反射来至保温层的辐射热。
[0014]进一步，所述内筒的外壁与保温层不接触，内筒外壁与保温层的间距不小于5_。
[0015]进一步，所述内筒的内筒壁与水平面的坡度?为60~85度，内筒的壁厚山为5?10mmo
[0016]所述的外筒其特征在于包括竖直段筒体、水平段环形台阶、竖直段与水平段连接的弧形段以及水平台阶边缘固定内筒的支撑段。
[0017]进一步，所述外筒的外壁以及外筒水平段的下表面为光滑面，表面粗糙度不大于0.2 μ m，其目的是反射来至液面和坩祸壁的辐射热，降低晶锭生长功耗。
[0018]进一步，所述外筒的壁厚为5~10mm。
[0019]进一步，所述外筒下部中央开口内径Rla为所需生长晶锭直径R ^勺1.2-1.4倍。
[0020]进一步，所述弧形段与竖直段和水平段平滑连接，弧形段的弧长为石英坩祸内径Rc的 1/10-1/8 倍。
[0021]进一步，所述竖直段筒体的外径&为石英坩祸内径R。的0.8-0.9倍。
[0022]进一步，所述外筒的弧形段与水平段的水平宽度为d= (R2b-R2a) /2，且满足一下公式
1/6RC彡 d ( 1/4RC式中Rc为石英坩祸的直径。
[0023]本发明还提供一种基于该导流筒的特殊应用，在单晶硅生长过程中，利用该导流筒辅助融化粘附于石英坩祸壁上的多晶料颗粒并降低熔体中的氧含量。具体操作步骤如下:
(1)待多晶原料完全融化后，通过坩祸升降机构升高坩祸的锅位；
(2)通过增加加热功率，使熔体液面的温度升高0~20°C；
(3)借助导流筒的反射与整流功能，对粘附于石英坩祸壁上的多晶料颗粒，恒温处理0.5~5小时；
(4)下降坩祸位置，调整加热功率，稳定温场，准备执行引晶操作。
[0024]进一步，所述的锅位其特征在于使熔体液面距离导流筒底部的高度控制在20—50mm 之间。
[0025]进一步，所述的操作方法其特征在于i甘祸的上升速率控制在100mm/h~150mm/h之间。
【附图说明】
[0026]图1为本发明所述的单晶硅生长炉用导流筒示意图。
[0027]图2为本发明所述的单晶硅生长炉用导流筒应用示意图。
【具体实施方式】
[0028]以下结合实施例对本发明作进一步说明。
[0029](1)单晶硅生长炉用导流筒
参照图1，本发明单晶硅生长炉用导流筒，包括由碳/碳复合材料制成的内屏1、由金属钼或金属钨制备而成的外筒2、外筒与内筒之间填充的保温层4以及保温层与外筒之间的设有隔热板3。保温层4由碳复合材料制备而成，隔热板由薄的金属钼或者金属钨压制而成。
[0030]通过喷砂处理工艺提供内筒内壁表面的粗糙度，提高内筒内壁表面的热吸收能力，降低表面对来至晶锭热辐射的反射能力，利于晶锭热量的释放，提高晶锭的轴向温度梯度，加快晶锭生长速率。
[0031]通过抛光工艺降低外筒外壁和外筒下表面的粗糙度，提高表面反射效率，提高表面对来至熔体液面和石英坩祸壁热辐射的反射能力，起到屏蔽热量的目的。降低熔体液面和石英坩祸的热辐射损失，降低晶锭生长所需的功耗，降低生产成本。
[0032]在外筒底部设置较宽的水平段，增大高速气流，降低气流中S1的分压，同时增加气流与熔体液面的接触面积，促进熔体中S1的挥发，进一步降低熔体中氧浓度，从而降低晶徒中的氧浓度，提尚晶徒的电阻率。
[0033](2)—种基于该导流筒处理石英坩祸壁上粘附的多晶料颗粒并降低熔体中氧浓度的方法。
[0034]本发明还提供一种基于该导流筒的特殊应用，在单晶硅生长过程中，利用该导流筒辅助融化粘附于石英坩祸壁上的多晶料颗粒，并促进熔体中S1的挥发，降低熔体中氧含量。具体操作步骤如下:
A、待多晶原料完全融化后，通过坩祸升降机构以100mm/h~150mm/h的速率升高坩祸的锅位，使熔体液面距离导流筒底部的高度控制在20~50mm之间；
B、通过增加加热功率，使熔体表面的温度升高0~20°C;
C、随后借助导流筒，对坩祸壁上粘附的多晶料颗粒进行恒温处理0.5-5小时，使多晶料颗粒逐渐融化缩小或消失；
D、下降坩祸位置，调整加热功率，稳定温场，准备执行引晶操作。
[0035]通过导流筒缩小液面至导流筒的高度、缩小导流筒与坩祸壁之间的缝隙，以及通过导流筒较宽水平段的特殊设计，增大气流与液面热交换的接触面积与热交换时长，升高流向石英坩祸壁气体的温度，增大气体的流速，从而在石英坩祸壁周围形成高温气幕，借助导流筒反射来至石英坩祸壁的热辐射，提高石英坩祸烘壁的温度，促使石英坩祸壁内壁附着的多晶料颗粒逐渐融化变小或消失，减小或消除石英坩祸壁粘附的多晶料颗粒对温场对称性和稳定性的影响。
[0036]实施例1 对于8英寸单晶硅生长炉用导流筒，所用石英坩祸内径R。为22英寸，所需生长单晶硅直径民为8英寸。
[0037]导流筒外筒2下部中央开口内径R2a=l.4XR-11.2inch ;导流筒外筒2弧形段与外筒竖直段和水平段平滑连接，弧形段的弧长L=1/10XI^=2.2英寸；导流筒外筒2竖直段筒体的外径R2b=0.8XRc=17.6英寸;则导流筒外筒2的总厚度d= (R2b-R2a)/2=(17.6-11.2)/2=3.2英寸。整个外筒2采用金属钼或者金属钨制得，其厚度为5mm。外筒2的外壁2A和水平底面2B经过抛光处理，提高表面对热辐射的反射能力。
[0038]导流筒内筒1的下端与导流筒外筒通过半面型台阶连接，导流筒内筒1的坡度为75度。整个导流筒内筒1由碳/碳的复合物制备而成，其厚度为5mm。导流筒内筒1的内壁1A经喷砂处理，提高表面粗糙度，提高内筒内壁1A对晶锭热辐射的吸收率。导流筒内筒1的外壁1B经抛光处理，粗糙度不高于0.2um,提高内筒外壁1B对保温层4热辐射的反射率。
[0039]在内筒1和外筒2之间设有碳毡填充的保温层4，在保温层4与外筒2之间设有金属钼制成的厚度约3mm的高反射层3，表面粗糙度不高于0.2um。保温层4与内筒1不接触，设有宽度约5mm的间隙，减少保温层热量对内筒的热传导。
[0040]外筒悬挂于上部水平热屏之上，内筒与外筒同心且叠压在内筒上，在叠压区域加有密封圈，使得气流经能通过内筒聚集至晶锭生长界面，经过熔体液面流至石英坩祸壁，再经石英坩祸壁与导流筒外筒之间的空隙流出坩祸，从而达到