本發(fā)明涉及一種單晶硅錠生長裝置，具體涉及一種對石墨坩堝和加熱器進行改進的裝置，屬于單晶硅晶體生長領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著高度集成電路制造業(yè)的迅速發(fā)展，不但硅單晶的需求量越來越多，而且對硅單晶的質(zhì)量要求也愈來愈高，直拉單晶爐設(shè)備運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和自動化程度也愈來愈高。要獲得高質(zhì)量的大尺寸晶片，則需要獲得高質(zhì)量的單晶硅錠。在已知的單晶硅錠生長裝置中，人們廣泛應(yīng)用的是切克勞斯基晶體生長法（簡稱CZ法）。

CZ法生長單晶硅是在熱場中進行拉制的，熱場的優(yōu)劣對單晶硅質(zhì)量有很大影響。單晶硅生長過程中，好的熱場，能生產(chǎn)出高質(zhì)量的單晶。不好的熱場容易使單晶變成多晶，甚至根本引不出單晶。有的熱場雖然能生長單晶，但質(zhì)量較差，有位錯和其他結(jié)構(gòu)缺陷。因此，找到較好的熱場條件，配置最佳熱場，是非常主要的直拉單晶工藝技術(shù)。熱場主要包括：石墨坩堝、加熱器、保溫材料等。

石墨坩堝是單晶爐的主發(fā)熱體，供給直拉法生產(chǎn)工藝所需的熱量，直接影響能不能直接拉出單晶，以及拉制單晶的質(zhì)量好壞。由于生產(chǎn)的硅單晶的直徑不斷增大，所需的單晶爐熱場的直徑也不斷增大，導(dǎo)致石墨坩堝的重量不斷增加。目前普遍采用的石墨坩堝結(jié)構(gòu)簡單、熱傳效率低、加熱時間長、能耗高等特點，在高溫環(huán)境、溫度變化的環(huán)境中容易損壞，更換成本高，同時，石英坩堝的熱變形應(yīng)力不易得到緩解，影響石英坩堝的壽命，同樣提高了生產(chǎn)成本。

加熱器是熱系統(tǒng)的主體，是熱系統(tǒng)的核心部件，用于石墨坩堝的加熱，溫度最高的時候可達1600℃以上。常見的加熱器有三種形狀：筒狀、杯裝和螺旋狀，目前直拉單晶熱場加熱器普遍采用均勻的圓筒結(jié)構(gòu)，雖然可以提供合理的橫向溫度梯度，而在縱向溫度梯度控制上有所欠缺，導(dǎo)致成晶區(qū)域狹窄，如難以生長較長的晶體。

保溫材料是為保持熱量，為硅溶液提供合適的溫度梯度，目前傳統(tǒng)的保溫材料通常采用石墨和碳氈相疊加的結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)的石墨在內(nèi)層起到支撐和反射熱輻射的作用，外層由數(shù)層碳氈組成，是主要的隔熱保溫材料。這種結(jié)構(gòu)的不足之處在于內(nèi)層的石墨隔熱材料密度較高，所以其熱導(dǎo)率、比熱都相對較高；其次，石墨顏色為黑色，所以其反射熱輻射效果較差。熱導(dǎo)率相對較高以及熱反射能力較低使得加熱器需要較大的功率才能保證熱場溫度的穩(wěn)定，而如果溫度一旦發(fā)生波動，由于熱系統(tǒng)的比熱容較大，調(diào)整溫度比較緩慢，這就使得熱場的穩(wěn)定性降低。

本發(fā)明的目的是提供一種單晶硅錠的生長裝置，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過優(yōu)化石墨坩堝的結(jié)構(gòu)、加熱器結(jié)構(gòu)和調(diào)整保溫材料，來改善單晶爐的保溫效果，改善熱場分布，從而降低能耗；并且可以增加石墨坩堝、加熱器等部件的重復(fù)使用率，降低生產(chǎn)成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

一種單晶硅錠的生長裝置，主要包括：石墨坩堝、加熱器、上下保溫筒、支撐環(huán)、保溫罩、導(dǎo)流筒、坩堝托盤、坩堝支撐軸和底盤保溫層。其特征在于，所述石墨坩堝內(nèi)裝有石英坩堝；所述加熱器連接石墨電極，石墨電極連接爐體電極，電流通過電極傳到加熱器，并利用電流穿過加熱器所產(chǎn)生的熱量，達到熔融多晶硅和持續(xù)提供熱量的作用；所述保溫筒、保溫罩和底盤保溫層都是保溫材料，主要起為熱場保溫、減低功耗的作用；所述支撐環(huán)是用來支撐保溫筒；所述導(dǎo)流筒主要用來隔斷熱場內(nèi)部和外部，使外部的溫度大小小于內(nèi)部，從而起到加快單晶拉速的作用，同時也起到導(dǎo)流的作用；所述坩堝托盤是用來支撐坩堝，防止三瓣坩堝傾倒；所述坩堝支撐軸起到支撐作用的同時，由于它連著爐體升溫器，也起到調(diào)節(jié)坩堝位置的作用。

所述石墨坩堝由圓筒狀的坩堝本體構(gòu)成，所述坩堝本體由豎向的大小相同的三瓣或四瓣塊體及一個底盤圍成，所述底盤的頂面為一弧面，底盤的直徑占所述堝體開口部直徑的比例為1/2至3/4之間，優(yōu)先為2/3。所述瓣體底部的拐角為圓角，這樣可以大幅度地提高石墨坩堝的受力能力，延長石墨坩堝的壽命，降低生產(chǎn)成本。

進一步地，石墨坩堝的角落部分至少設(shè)置一個排氣孔，并且排氣孔的方向是近似水平的，由于石英坩堝與硅溶液、石墨坩堝在高溫下的反應(yīng)所產(chǎn)生的CO氣體被平穩(wěn)地排出而不會在石英坩堝的表面上累計壓力，并且避免了在石墨坩堝的內(nèi)部形成累計SiC，從而避免石英坩堝的變形，確保在制造過程的安全性和延長石墨坩堝的使用壽命。

所述加熱器采用由高純石墨或碳/碳復(fù)合材料制作的圓筒形結(jié)構(gòu)，外圓面與保溫筒之間保持一定的間隙，加熱器的圓面與多瓣坩堝之間設(shè)有間隙，使熱量能均勻達到整個加熱器的各個部位。加熱器的安裝是由電極螺栓直接固定到電極柱上，電極的作用，一是平穩(wěn)的固定加熱器，二是通過它對加熱器輸送電流。石墨螺栓用來連接石墨電極和加熱器。

進一步地，所述加熱器在現(xiàn)有的圓筒形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在軸線方向上布置了相互且均勻開槽的圓形加熱器，在圓形加熱器上部和底部設(shè)置一個減薄加熱段，減薄加熱段的形狀為半圓形結(jié)構(gòu)，避免方形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的電阻率不均勻，減薄面積為加熱器其余部位的橫截面積的1/5-1/4，減薄加熱段與加熱器其余部位具有相同的徑向厚度。通過這種改進來改變加熱器軸向電阻的分布，由于加熱器通直流電工作，因此使得加熱功率在加熱器的減薄處增加，軸向分布得到改變，間接地在圓形加熱器底部形成一個附加的上部、底部加熱器功能，從而通過單個加熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計達到原有技術(shù)中加底部加熱器或雙加熱器的效果。不僅減少了設(shè)備投入，也降低了石墨加熱器的制造成本，簡化操作程序。

所述上下保溫筒和底盤保溫層均采用質(zhì)量很輕的新型復(fù)合隔熱材料，材料的密度較低且內(nèi)表面涂覆一層光亮的鉬反射層，所以其反射能力強而比熱容、熱導(dǎo)率較低。上保溫筒厚度為50±20mm、下保溫筒厚度為80±20mm、底盤保溫層厚度為90±20mm。

所述保溫罩和支撐環(huán)使用石墨氈材質(zhì)，石墨氈具有一定彈性，使得熱系統(tǒng)的整體密封性有很大提高，能避免熱能的損失。

所述支撐軸與石墨坩堝托盤的下部相連接，用于石墨坩堝的轉(zhuǎn)動以及上下移動，并為石墨坩堝提供支撐。

內(nèi)外導(dǎo)流筒里的空隙里需要填充碳氈，以增加隔熱作用，從而降低功率，增加晶棒的冷卻速率。

本發(fā)明的有益效果在于：通過優(yōu)化石墨坩堝的結(jié)構(gòu)、加熱器結(jié)構(gòu)和調(diào)整保溫材料，大大提高了單晶硅錠生長裝置的可靠性，改善單晶爐的保溫效果，改善熱場分布，從而降低能耗；并且可以增加石墨坩堝、加熱器等部件的重復(fù)使用率，降低生產(chǎn)成本。使用該生長裝置的晶體生長爐，運行平穩(wěn)可靠，能獲得品質(zhì)高的單晶硅產(chǎn)品，可以滿足集成電路對單晶硅材料的要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的單晶硅錠生長裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明所屬的石墨坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明所述的加熱器結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下是結(jié)合具體附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的闡述：

如圖1所示，本發(fā)明所述單晶硅錠生長裝置，包括保溫罩1、上保溫筒2、上保溫筒支撐環(huán)3、下保溫筒4、加熱器5、排氣管道6、底盤保溫層7、支撐軸8、坩堝托盤9、石墨坩堝10、石英坩堝11、硅溶液12、導(dǎo)流筒14、單晶硅錠14。

熱場底部具有底盤保溫層7，熱場中心設(shè)置有支撐軸8，支撐軸8上具有坩堝托盤9，坩堝托盤上依次有石墨坩堝10、石英坩堝11，石英坩堝11用于盛放多晶硅原料或熔化的硅溶液12。將一根直徑約10mm的籽晶浸入硅溶液12中，在合適的溫度下，溶液中的硅原子會順著晶種的硅原子排列結(jié)構(gòu)在固液界面上形成規(guī)則的結(jié)晶，把晶種微微的旋轉(zhuǎn)向上提升，溶液中的硅原子會在單晶體上繼續(xù)結(jié)晶，并延續(xù)其規(guī)則的原子排列結(jié)構(gòu)，稱為硅單晶錠14。保溫筒和石墨坩堝之間設(shè)有加熱器5，加熱器5連接石墨電極，石墨電極連接爐體電極。保溫材料（保溫筒2、4，底盤保溫層7）主要起熱場保溫、減低功耗的作用。導(dǎo)流筒13主要是用來隔斷熱場內(nèi)部和外部，使外部的溫度大大小于內(nèi)部，從而起到加快單晶拉速的作用，同時也起到導(dǎo)流的作用。坩堝托盤9用來支撐坩堝，防止多瓣坩堝傾倒。支撐軸8起到支撐作用的同時，它將連著爐體升降器，也起到調(diào)節(jié)坩堝位置的作用。排氣管道6是由于工藝的需要，Ar氣體會被輸入爐內(nèi)，排氣管道6就將Ar氣體導(dǎo)出。

如圖2所示，石墨坩堝10堝體101是由豎向的大小相同的三瓣或四瓣瓣體102和一個底盤103構(gòu)成，底盤103的頂面為一弧面，堝體1底部的各瓣體102的拐角104采用圓角，這樣，可以減小堝體1底部的弧度，從而增加堝體101的受力能力，延長石墨坩堝10的使用壽命。在拐角104處設(shè)置有排氣孔105，對排氣孔的位置、形狀和數(shù)量并無特別的限制，優(yōu)選為：形狀選用圓形，半徑優(yōu)選在10mm范圍內(nèi)，方向設(shè)置在水平方向更容易實現(xiàn)平穩(wěn)的氣流，排氣孔的數(shù)量優(yōu)選為2個/瓣。構(gòu)成石墨坩堝堝體101的瓣體102越多，堝體101的受力能力越強，石墨坩堝的壽命也會進一步增加，但瓣體102的數(shù)量過多，會增加制造成本，降低生產(chǎn)效率，增加勞動強度，且堝體101的整體強度也會下降，反而會縮短石墨坩堝的使用壽命。

如圖3所示，加熱器5采用了圓筒形結(jié)構(gòu)，包括20篇加熱棒片，加熱片501頂部和底部被減薄成半圓形形狀，以避免現(xiàn)在技術(shù)使用的方形加熱片存在的電阻率不均勻的問題，可實現(xiàn)縱向溫度梯度的均勻和穩(wěn)定。電極502采用石墨電極，由石墨電極連接爐體電極。