保護(hù)熱場部件減小損耗的熱場及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及直拉單晶硅熱場技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種保護(hù)熱場部件減小損耗的 熱場及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 單晶硅作為一種半導(dǎo)體材料，主要用于半導(dǎo)體和光伏領(lǐng)域。大部分的半導(dǎo)體單晶 硅采用直拉法(CZ)制造。在這種方法中，多晶硅被裝進(jìn)石英坩堝內(nèi)，加熱熔化，然后將熔硅 略做降溫，給予一定的過冷度，把一支特定晶向的硅單晶體(稱做籽晶）與熔體硅接觸，通過 調(diào)整熔體的溫度和籽晶的向上提升速度，使籽晶體長大至近目標(biāo)直徑時，提高提升速度，使 單晶體近恒直徑生長。在生長過程的尾期，此時堝內(nèi)的硅熔體尚未完全消失，通過增加晶體 的提升速度和調(diào)整向堝的供熱量將晶體直徑漸漸減小而形成一個尾形錐體，當(dāng)錐體的尖足 夠小時，晶體就會與熔體脫離，從而完成晶體的無位錯生長過程。
[0003] 直拉單晶爐的熱場系統(tǒng)是單晶硅成晶的最重要的條件之一，熱場的溫度梯度分布 直接影響著是否能順利的拉制出單晶以及單晶的質(zhì)量。因而熱場的設(shè)計和改進(jìn)對一個有競 爭力的拉晶廠家來說非常重要。熱場的部件主要包括加熱器、三瓣坩堝、保溫筒、保溫蓋、導(dǎo) 流筒以及底盤等等，各家在設(shè)計過程中會略有不同，各個部件主要是采用石墨材料加工而 成的。
[0004] 單晶生長過程中以惰性氣體氬氣作為保護(hù)氣體，減壓狀態(tài)下流動的氬氣會帶走熔 硅與石英坩堝反應(yīng)(見式1)產(chǎn)生的一氧化硅蒸氣。被帶走的一氧化硅蒸氣會與熱場部件表 面(碳)發(fā)生反應(yīng)(見式2)，生成一層薄的碳化硅，在這種情況下形成的碳化硅，其粘結(jié)強(qiáng)度 和硬度都不是很高，冷卻后很小的摩擦就能掉落，熱場部件逐漸損耗變薄，影響其正常使用 和壽命。
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[0008] 在熱場系統(tǒng)中，加熱器可以說是最核心的部件，加熱器的形狀通常為圓筒鳥籠狀， 側(cè)面進(jìn)行開槽，形成多個葉片。當(dāng)一氧化硅氣體流經(jīng)加熱器時，會發(fā)生反應(yīng)損耗加熱器，尤 其以固液界面附近的部位損耗最大。葉片損耗部位越薄，發(fā)熱就越厲害，因而損耗也加劇， 最終導(dǎo)致葉片該部位最先斷裂。這種葉片損耗不均勻的情況，不僅大大縮短了加熱器的壽 命，而且嚴(yán)重影響了加熱器的發(fā)熱情況，使得固液界面的溫度梯度逐漸發(fā)生變化，影響單晶 的生長和質(zhì)量。
[0009] 更換頻率最高的部件是三瓣坩堝，由于其在單晶生長過程中長時間承受熔硅的重 量，并要做旋轉(zhuǎn)，還要承受拉晶結(jié)束后硅熔體結(jié)晶產(chǎn)生的沖擊，因此對材料的機(jī)械強(qiáng)度和抗 沖擊能力都有很高要求。由于石墨材料的強(qiáng)度有限，而且在使用過程中經(jīng)歷一氧化硅蒸氣 長時間地腐蝕后表面老化變脆，容易開裂影響壽命，甚至引發(fā)漏硅打火等事故。
[0010] 保溫裝置的作用十分重要，單晶生長需要合適的溫度梯度，保溫裝置可以使熔體 維持一個比較合適的溫度梯度，以利于單晶的拉制。保溫裝置的材質(zhì)和形狀，對熔體的溫度 梯度有著很大影響。保溫筒在使用時需要承受其他熱場部件的重量，長時間腐蝕老化后也 容易變脆開裂，造成保溫效果下降，使溫度梯度發(fā)生變化，影響單晶的生長和質(zhì)量。
[0011] 隨著單晶硅市場競爭的日益激烈，降低能耗、節(jié)省成本、提升質(zhì)量成為技術(shù)發(fā)展的 核心，諸如碳/碳復(fù)合材料之類的新型復(fù)合保溫材料不斷地應(yīng)用于熱場系統(tǒng)中。碳/碳復(fù)合 材料是以碳纖維增強(qiáng)碳基體制備而成的，與石墨材料相比，其機(jī)械強(qiáng)度和韌性都大大提高， 熱膨脹系數(shù)小，抗熱震性好，在急熱、急冷環(huán)境中使用時不會開裂，而且其導(dǎo)熱系數(shù)小，有利 于保溫節(jié)能。熱場各個部件使用碳/碳復(fù)合材料的主要目的是不一樣的：一是延長使用壽命 (如三瓣坩堝）；二是增強(qiáng)保溫降低能耗(如保溫筒）；三是形成穩(wěn)定合適的溫度梯度，提高拉 晶穩(wěn)定性和單晶品質(zhì)(如導(dǎo)流筒）。但是，由于碳/碳復(fù)合材料的密度較小，材質(zhì)相對疏松，因 此受到一氧化硅的腐蝕要比石墨材料更加厲害，嚴(yán)重影響了它的使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明要解決的問題是針對在直拉單晶硅生長過程中，由于熱場部件的損耗影響 其使用和壽命，從而進(jìn)一步影響單晶的生長和質(zhì)量的難題，提供一種能夠保護(hù)熱場部件減 小損耗的熱場改進(jìn)方案。
[0013] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種一種直拉單晶硅生長的熱場系統(tǒng);包括 設(shè)置在熱場外殼內(nèi)的加熱器、三瓣坩堝、主保溫內(nèi)筒、主保溫外筒、上保溫內(nèi)筒、主保溫蓋、 上保溫外筒、上保溫蓋、下保溫蓋、導(dǎo)流筒和底盤;所述熱場外殼的下方設(shè)置有導(dǎo)流孔，三瓣 坩堝通過軸支撐在底盤上，三瓣坩堝的正上方設(shè)置導(dǎo)流筒，三瓣坩堝與熱場外殼之間依次 設(shè)置主保溫內(nèi)筒和主保溫外筒;所述導(dǎo)流筒與熱場外殼之間依次設(shè)置上保溫內(nèi)筒和上保溫 外筒;所述導(dǎo)流筒和上保溫內(nèi)筒以及上保溫外筒之間的連接處設(shè)置上保溫蓋，在上保溫內(nèi) 筒以及上保溫外筒和主保溫內(nèi)筒以及主保溫外筒之間的連接處設(shè)置主保溫蓋，在主保溫內(nèi) 筒和主保溫外筒的下方設(shè)置下保溫蓋;三瓣坩堝和主保溫內(nèi)筒之間設(shè)置加熱器，加熱器與 三瓣坩堝以及加熱器與主保溫內(nèi)筒之間分別設(shè)置導(dǎo)流通道。
[0014] 作為對本發(fā)明所述的直拉單晶硅生長的熱場系統(tǒng)的改進(jìn):所述導(dǎo)流筒為倒圓錐 形。
[0015] 作為對本發(fā)明所述的直拉單晶硅生長的熱場系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn):所述加熱器通過 石墨材料制成;其葉片內(nèi)外表面設(shè)置碳化硅涂層。
[0016] 作為對本發(fā)明所述的直拉單晶硅生長的熱場系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn):所述三瓣坩堝、 主保溫內(nèi)筒、上保溫內(nèi)筒以及導(dǎo)流筒均由碳/碳復(fù)合材料制成;所述導(dǎo)流筒和三瓣坩堝的外 表面、以及主保溫內(nèi)筒和上保溫內(nèi)筒的內(nèi)表面均設(shè)置有碳化硅涂層。
[0017] 作為對本發(fā)明所述的直拉單晶硅生長的熱場系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn):所述下保溫蓋、 主保溫蓋、上保溫蓋和底盤均由保溫材料制成;所述下保溫蓋、主保溫蓋、上保溫蓋和底盤 上設(shè)置有碳化硅涂層。
[0018] 作為對本發(fā)明所述的直拉單晶硅生長的熱場系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn):所述碳化硅涂層 均勾，表觀密度為2.0~4. Og/cm2，純度大于99.99%，厚度為10~500μηι。
[0019] 作為對本發(fā)明所述的直拉單晶硅生長的熱場系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn):所述的內(nèi)表面是 指朝向中心的一面，所述的外表面是指朝向爐壁的一面。
[0020] 保護(hù)熱場部件減小損耗的熱場改進(jìn)方法:通過石墨材料制成加熱器，并在其葉片 內(nèi)外表面均勻設(shè)置碳化硅涂層;通過碳/碳復(fù)合材料制成三瓣坩堝、主保溫內(nèi)筒、上保溫內(nèi) 筒以及導(dǎo)流筒，并在其內(nèi)表面均勻設(shè)置碳化硅涂層；通過保溫材料制成下保溫蓋、主保溫 蓋、上保溫蓋和底盤，并在其上設(shè)置碳化硅涂層。
[0021] 作為對本發(fā)明所述的保護(hù)熱場部件減小損耗的熱場改進(jìn)方法的改進(jìn):所述碳化硅 涂層均勻設(shè)置，表觀密度為2.0~4. Og/cm2，純度大于99.99 %，厚度為10~500μπι。
[0022] 作為對本發(fā)明所述的保護(hù)熱場部件減小損耗的熱場改進(jìn)方法的進(jìn)一步改進(jìn):所述 保溫材料由碳/碳復(fù)合材料和碳?xì)窒嗷ュe開層疊，并高溫?zé)Y(jié)固化而成。
[0023] 本發(fā)明中，硅單晶的少子壽命大大提升以及碳含量大大下降，這是因為碳化硅涂 層隔絕了熱場部件中的雜質(zhì)高溫?fù)]發(fā)進(jìn)入到熔硅中。另外，硅單晶的徑向電阻率均勻性(簡 稱RRV)以及空洞型原生微缺陷（簡稱C0P)都有很好的改善，這是因為改進(jìn)的熱場使用了導(dǎo) 熱系數(shù)較小的新型復(fù)合保溫材料，熱場保溫更佳，硅單晶受到的熱輻射有所減弱，晶體生長 界面的溫度梯度增大，生長界面變得更平坦，不僅可以有效抑制C0P缺陷的長大，徑向的雜 質(zhì)分布也更加均勻。
【附圖說明】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025] 圖1是本發(fā)明的改進(jìn)方法所使用的單晶爐熱場的主要結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 實施例1、圖1給出了一種能夠保護(hù)熱場部件減小損耗的熱場改進(jìn)方法，包括一種 適用于直拉法CZ制造單晶硅的單晶爐熱場，單晶爐熱場包括設(shè)置在熱場外殼內(nèi)的加熱器3、 三瓣坩堝2、主保溫內(nèi)筒6、主保溫外筒7、上保溫外筒10、上保溫內(nèi)筒9、主保溫蓋8、上保溫蓋 11、下保溫蓋5、導(dǎo)流筒1和底盤4;熱場外殼的下方設(shè)置導(dǎo)流孔，三瓣坩堝2通過軸支撐在底 盤4上，三瓣坩堝2的正上方設(shè)置有倒圓錐形的導(dǎo)流筒1，三瓣坩堝2與熱場外殼之間依次設(shè) 置主保溫內(nèi)筒6和主保溫外筒7;導(dǎo)流筒1與熱場外殼之間依次設(shè)置上保溫內(nèi)筒9和上保溫外 筒