專利名稱：一種直拉法生長(zhǎng)單晶硅用硅籽晶夾持器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種直拉法生長(zhǎng)單晶硅用硅籽晶夾持器。
在直拉硅單晶制造過(guò)程中，需要一種有特定晶向的硅單晶體，通常稱為籽晶。它是由一定晶向的硅單晶切割或鉆取而成。常用的晶向?yàn)?amp;lt;100>、<111>、<110>、<511>等。籽晶一般為圓柱體或長(zhǎng)方體，它上面有一個(gè)或多個(gè)缺口，用銷子或金屬絲把籽晶固定在稱做硅籽晶夾持器的工件中。
在直拉硅單晶制造過(guò)程中，硅籽晶夾持器是必需部件，籽晶需要很好地固定到硅籽晶夾持器中，確保在提升籽晶過(guò)程中籽晶不至于脫落，最終使硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程順利完成，所以硅籽晶夾持器下端結(jié)構(gòu)要與所夾持的硅籽晶的形狀相配合。一般來(lái)說(shuō)，硅籽晶夾持器由金屬鉬材料或石墨制成，有一與籽晶軸聯(lián)接的聯(lián)接件，硅籽晶夾持器下端可用于固定硅籽晶，其形狀根據(jù)與所夾持的硅籽晶的形狀不同而不同。
目前國(guó)內(nèi)籽晶一般采用長(zhǎng)方體，在長(zhǎng)方體的上端一側(cè)開(kāi)有多個(gè)缺口，硅籽晶夾持器13下端為有一垂向缺口的圓柱，形狀與長(zhǎng)方體籽晶相配合，籽晶1半嵌于夾持器13的下端，用金屬鉬絲15將二者固定在一起，鉬絲15正好進(jìn)入籽晶1的缺口中，起到固定籽晶1的作用。國(guó)內(nèi)籽晶與硅籽晶夾持器示意圖見(jiàn)附圖
2。此種夾持器適合制造小直徑的硅晶體，一般只能制造直徑小于160毫米，重量不超過(guò)60Kg的硅晶體。當(dāng)籽晶用于制造大于此范圍的晶體時(shí)，就容易在籽晶的缺口部位斷裂，降低使用次數(shù)，增加成本。同時(shí)由于金屬鉬與硅的膨脹系數(shù)不同，在多次使用后容易造成鉬絲松動(dòng)，使籽晶落入熔體中，導(dǎo)致制備過(guò)程失敗。
國(guó)外采用的還有一種籽晶的形狀為圓柱體，圓柱體的一側(cè)有凹槽，硅籽晶夾持器13下端的形狀為中空的圓柱體，其中也有與金屬鉬銷子14相同大小的孔，圓柱體籽晶1可裝入夾持器13的下端，籽晶1的凹槽與夾持器側(cè)邊孔相對(duì)，金屬鉬銷子14插入孔中，起到固定籽晶1的作用。國(guó)外籽晶及硅籽晶夾持器示意圖見(jiàn)附圖3。此種夾持器也只適合制造小直徑的硅晶體，一般可制造直徑小于160毫米，重量不超過(guò)60Kg的硅晶體。當(dāng)制造大直徑的晶體時(shí)，或在多次使用后，籽晶也容易在有孔處斷裂，使籽晶落入熔體中，同樣也導(dǎo)致制備過(guò)程失敗。
可是現(xiàn)在半導(dǎo)體硅材料的發(fā)展非常迅速，晶體逐漸向大直徑、高重量方向發(fā)展，直徑已增加到450毫米，重量也超過(guò)250Kg。在這種情況下，目前已有的籽晶及其夾持裝置已不能滿足要求，也不安全，籽晶容易發(fā)生斷裂，為了減少這種情形，一般采用每支籽晶只用1～5個(gè)晶體生長(zhǎng)，這樣就增加了制造成本。為了滿足并促進(jìn)硅材料的發(fā)展，需要設(shè)計(jì)出一種適合于制備大直徑晶體的硅籽晶夾持器。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的硅籽晶夾持器13上端為一與籽晶軸12連接的聯(lián)接件13c，其特征在于所述的硅籽晶夾持器13下端包括硅籽晶夾持器上部13a和硅籽晶夾持器下部13b，所述的硅籽晶夾持器上部13a與所述的硅籽晶夾持器下部13b之間為可拆卸聯(lián)接，所述的硅籽晶夾持器下部13b內(nèi)含一上大下小且上下貫通的空腔。
所述的硅籽晶夾持器下部13b的空腔至少包含有一個(gè)倒臺(tái)狀孔，或?yàn)閮蓚€(gè)成階梯狀的柱孔，所述的倒臺(tái)狀孔為倒圓臺(tái)孔或倒棱臺(tái)孔，所述的柱孔為圓柱孔或棱柱孔。
所述的硅籽晶夾持器下部13b的空腔除有一個(gè)倒臺(tái)狀孔外，還在倒臺(tái)狀孔下方有一柱孔，或在倒臺(tái)狀孔上方有一柱孔，或在倒臺(tái)狀孔上、下方各有一柱孔。
所述的棱柱孔或倒棱臺(tái)孔的邊數(shù)為3～16個(gè)，優(yōu)選的邊數(shù)為4～10個(gè)。
所述倒棱臺(tái)孔或倒圓臺(tái)孔的側(cè)邊與垂直線之間的夾角θ為10°～＜90°，優(yōu)選的θ為10°～60°。
所述的硅籽晶夾持器下部13b的空腔依次分別為一倒圓臺(tái)孔和一圓柱孔、一倒棱臺(tái)孔和一棱柱孔、一圓柱孔和一倒圓臺(tái)孔和一圓柱孔、一棱柱孔和一倒棱臺(tái)孔和一棱柱孔、一倒圓臺(tái)孔、一倒棱臺(tái)孔、兩個(gè)階梯狀圓柱孔或兩個(gè)階梯狀棱柱孔等其中的一種。
所述的夾持器與籽晶軸12連接的聯(lián)接件13c可為螺紋聯(lián)接或銷聯(lián)接，所述的夾持器上部13a與所述的夾持器下部13b之間可為螺紋聯(lián)接或銷聯(lián)接。
本實(shí)用新型對(duì)所述的夾持器上部13a和下部13b的外部形狀沒(méi)有限制。可為圓柱體、棱柱體、圓臺(tái)與圓柱的組合體或棱臺(tái)與棱柱的組合體等其中的一種。
所述的硅籽晶夾持器由金屬鉬或石墨制成。
所述的硅籽晶夾持器是為了滿足硅籽晶形狀的要求，使籽晶可以卡嵌在夾持器下部13b，以承受不斷長(zhǎng)大的硅單晶的重量。
本實(shí)用新型所述的夾持器所夾持的硅籽晶包括相互連為一體的硅籽晶上部1 a和硅籽晶下部1b，其中所述的硅籽晶上部1a為倒圓臺(tái)、倒棱臺(tái)或柱體中的一種，所述的硅籽晶下部1b為柱體，當(dāng)所述的硅籽晶上部1a為柱體時(shí)，所述的硅籽晶上部1a柱體的橫截面大于所述的硅籽晶下部1b柱體的橫截面。所述的柱體為圓柱體或棱柱體。
所述的棱柱體或倒棱臺(tái)的邊數(shù)為3～16個(gè)，優(yōu)選的邊數(shù)為4～10個(gè)。
所述的硅籽晶上部1a倒圓臺(tái)或倒棱臺(tái)的側(cè)邊與軸的夾角θ為10°～＜90°，優(yōu)選的夾角θ為10°～60°。
為了提高籽晶的強(qiáng)度，在籽晶的上部1a還有一個(gè)柱體1c，所的柱體1c為圓柱體或棱柱體。所述的棱柱體的邊數(shù)為3～16個(gè)，優(yōu)選的邊數(shù)為4～10個(gè)。此時(shí)硅籽晶由相互連為一體的三個(gè)橫截面不同的柱體組成。
本實(shí)用新型所述的夾持器上部13a與所述的夾持器下部13b之間為可拆卸聯(lián)接，因此在所述的硅籽晶用于在直拉法硅單晶生長(zhǎng)時(shí)，先將所述的夾持器上部13a與所述的夾持器下部13b拆卸開(kāi)，然后將所述的硅籽晶從上面裝入所述的夾持器下部13b，再將所述的夾持器上部13a與所述的夾持器下部13b聯(lián)接，這樣硅籽晶就固定于所述的夾持器中，可以用于大體積、高重量的硅單晶的生長(zhǎng)。
所述的硅籽晶用于直拉法硅單晶的生長(zhǎng)，硅單晶在生長(zhǎng)室內(nèi)生長(zhǎng)，在生長(zhǎng)時(shí)用惰性氣體氬氣做保護(hù)氣體，先將石英坩堝11放入石墨制的石英坩堝支持器10內(nèi)，把多晶硅放入石英坩堝11內(nèi)，所述的硅籽晶1裝入硅籽晶夾持器下部13b，夾持器上部13a與夾持器下部13b聯(lián)接，夾持器13再與籽晶軸12固定，合上爐室，并抽真空，然后加熱使硅熔化，等硅完全熔化后，逐步降低熔硅的溫度至硅熔點(diǎn)附近。使石英坩堝11在石墨中軸9的帶動(dòng)下與硅籽晶夾持器13在籽晶軸12的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，將硅籽晶1慢慢下降，并與熔硅接觸，然后以一定的速度向上提升籽晶，此過(guò)程的目的主要是消除籽晶中因熱沖擊形成的位錯(cuò)缺陷。待籽晶提升到一定長(zhǎng)度時(shí)，將提升速度減慢，同時(shí)略降低熔體的溫度，使籽晶直徑加大，當(dāng)籽晶直徑增大到比目標(biāo)直徑約低10毫米左右時(shí)，增加提升速度，使晶體近乎等直徑生長(zhǎng)。在石英坩堝11內(nèi)存儲(chǔ)硅料不多時(shí)，再提高提升速度，同時(shí)適當(dāng)增加加熱的功率，使晶體直徑變化至一個(gè)倒錐形，當(dāng)錐尖足夠小時(shí)，它會(huì)脫離硅熔體，這時(shí)晶體的生長(zhǎng)過(guò)程結(jié)束。等晶體冷卻到近乎室溫時(shí)，可將晶體取下。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)出了特殊形狀的硅籽晶夾持器，能夠滿足半導(dǎo)體硅材料的發(fā)展需要，可用于制造集成電路和其它電子元件的半導(dǎo)體級(jí)硅單晶的制備。采用本實(shí)用新型的硅籽晶夾持器可以大大延長(zhǎng)籽晶的使用壽命，可以使硅籽晶使用次數(shù)達(dá)到40次以上，降低硅晶體的加工成本，生產(chǎn)的硅晶體重量高達(dá)500Kg時(shí)，能保證硅籽晶的安全使用，避免硅籽晶斷裂，可以用于制備重量高達(dá)500Kg的硅晶體。
實(shí)施例1圖4所示為本實(shí)用新型所述的硅籽晶夾持器的剖視圖。本實(shí)用新型的硅籽晶夾持器包括一與籽晶軸12連接的聯(lián)接件13c、與聯(lián)接件連為一體的夾持器上部13a、夾持器下部13b，所述的夾持器下部13b為一含上大下小且上下貫通的空腔的圓柱體，所述的夾持器上部13a為圓柱體。
所述的夾持器上部13a與所述的夾持器下部13b之間為螺紋聯(lián)接，所述的夾持器與籽晶軸12連接的聯(lián)接件13c為銷聯(lián)接，聯(lián)接件13c為一雙耳結(jié)構(gòu)。
所述的夾持器下部13b的空腔為一倒圓臺(tái)孔和一圓柱孔，倒圓臺(tái)孔的側(cè)邊與軸的夾角θ為15°。
圖5所示為本實(shí)用新型硅籽晶夾持器與籽晶示意圖。所述的夾持器上部13a與所述的夾持器下部13b拆卸開(kāi)，籽晶1裝入硅籽晶夾持器下部13b，所述的夾持器下部13b的空腔形狀與所夾持的籽晶1形狀相匹配，起到夾持并固定籽晶的作用。
圖6所示為本實(shí)用新型硅籽晶夾持器下部13b的剖視圖。夾持器下部13b的空腔為一倒圓臺(tái)孔和一圓柱孔，倒圓臺(tái)孔的側(cè)邊與軸的夾角θ為15°，硅籽晶夾持器下部13b有一螺紋結(jié)構(gòu)，與夾持器上部13a聯(lián)接。
實(shí)施例2圖7所示為本實(shí)用新型另一硅籽晶夾持器下部13b剖視圖。與實(shí)施例1不同的是，所述的夾持器下部13b空腔為一倒圓臺(tái)。
實(shí)施例3圖8所示為本實(shí)用新型又一硅籽晶夾持器下部13b剖視圖。與實(shí)施例1不同的是，所述的夾持器下部13b空腔為兩個(gè)階梯狀的圓柱孔，上圓柱孔的孔徑大于下圓柱孔的孔徑。
實(shí)施例4與實(shí)施例1不同的是，所述的夾持器上部13a與所述的夾持器下部13b之間為銷連接，所述的夾持器下部13b空腔為一倒六棱臺(tái)孔和一六棱柱孔，倒六棱臺(tái)孔側(cè)邊與軸的夾角θ為60°。
實(shí)施例5圖9所示為另一硅籽晶夾持器下部13b剖視圖。
與實(shí)施例1不同的是，所述的夾持器下部13b的空腔為上大下小且上下貫通的孔，形狀為一圓柱孔、一倒圓臺(tái)孔、和一圓柱孔。
實(shí)施例6與實(shí)施例3不同的是，所述的夾持器下部13b空腔為倒六棱臺(tái)孔和六棱柱孔。
實(shí)施例7與實(shí)施例5不同的是，所述的夾持器下部13b的空腔形狀分別為一棱柱孔、一倒棱臺(tái)孔、和一棱柱孔，棱臺(tái)孔和棱柱孔的邊數(shù)為8，棱臺(tái)側(cè)邊與軸的夾角θ為75°。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)出的硅籽晶夾持器，能夠在硅晶體重量高達(dá)500Kg時(shí)，保證籽晶本身不會(huì)發(fā)生斷裂。這樣硅籽晶可以反復(fù)使用，大大延長(zhǎng)籽晶的使用壽命，降低硅晶體的加工成本?？梢杂糜谥圃旒呻娐泛推渌娮釉陌雽?dǎo)體級(jí)硅單晶的制備，滿足半導(dǎo)體硅材料的發(fā)展需要。
權(quán)利要求1.一種直拉法生長(zhǎng)單晶硅用硅籽晶夾持器，所述的硅籽晶夾持器(13)上端為一與籽晶軸(12)連接的聯(lián)接件(13c)，其特征在于所述的硅籽晶夾持器(13)下端包括硅籽晶夾持器上部(13a)和籽晶夾持器下部(13b)，所述的硅籽晶夾持器上部(13a)與所述的硅籽晶夾持器下部(13b)之間為可拆卸聯(lián)接，所述的硅籽晶夾持器下部(13b)內(nèi)含一上大下小且上下貫通的空腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅籽晶夾持器，其特征在于所述的硅籽晶夾持器下部(13b)的空腔為至少包含有一個(gè)倒臺(tái)狀孔，或?yàn)閮蓚€(gè)成階梯狀的柱孔，所述的倒臺(tái)狀孔為倒圓臺(tái)孔或倒棱臺(tái)孔，所述的柱孔為圓柱孔或棱柱孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅籽晶夾持器，其特征在于所述的硅籽晶夾持器下部(13b)的空腔除有一個(gè)倒臺(tái)狀孔外，還在倒臺(tái)狀孔下方有一柱孔，或在倒臺(tái)狀孔上方有一柱孔，或在倒臺(tái)狀孔上、下方各有一柱孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅籽晶夾持器，其特征在于所述的棱柱孔或倒棱臺(tái)孔的邊數(shù)為3～16個(gè)。優(yōu)選的邊數(shù)為4～10個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅籽晶夾持器，其特征在于所述的棱柱孔或倒棱臺(tái)孔的邊數(shù)為4～10個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅籽晶夾持器，其特征在于所述的倒棱臺(tái)孔或倒圓臺(tái)孔的側(cè)邊與垂直線之間的夾角θ為10°～＜90°。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅籽晶夾持器，其特征在于所述的倒棱臺(tái)孔或倒圓臺(tái)孔的側(cè)邊與垂直線之間的夾角θ為10°～60°。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅籽晶夾持器，其特征在于所述的硅籽晶夾持器下部(13b)的空腔依次分別為一倒圓臺(tái)孔和一圓柱孔、一倒棱臺(tái)孔和一棱柱孔、一圓柱孔和一倒圓臺(tái)孔和一圓柱孔、一棱柱孔和一倒棱臺(tái)孔和一棱柱孔、一倒圓臺(tái)孔、一倒棱臺(tái)孔、兩個(gè)階梯狀圓柱孔或兩個(gè)階梯狀棱柱孔其中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅籽晶夾持器，其特征在于所述的夾持器與籽晶軸(12)連接的聯(lián)接件(13c)可為螺紋聯(lián)接或銷聯(lián)接，所述的夾持器上部(13a)與所述的夾持器下部(13b)之間可為螺紋聯(lián)接或銷聯(lián)接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅籽晶夾持器，其特征在于所述的夾持器上部(13a)和所述夾持器下部(13b)的外形為圓柱體、棱柱體、圓臺(tái)與圓柱的組合體或棱臺(tái)與棱柱的組合體其中的一種。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種直拉法生長(zhǎng)單晶硅用硅籽晶夾持器，所述的硅籽晶夾持器(13)上端為一與籽晶軸(12)連接的聯(lián)接件(13c)，其特征在于所述的硅籽晶夾持器(13)下端包括硅籽晶夾持器上部(13a)和硅籽晶夾持器下部(13b)，所述的硅籽晶夾持器上部(13a)與所述的硅籽晶夾持器下部(13b)之間為可拆卸聯(lián)接，所述的硅籽晶夾持器下部(13b)內(nèi)含一上大下小且上下貫通的空腔。硅籽晶夾持器能保證硅籽晶的安全使用，避免硅籽晶斷裂，大大延長(zhǎng)籽晶的使用壽命，可以用于制備重量高達(dá)500Kg的硅晶體?？梢杂糜谥圃旒呻娐泛推渌娮釉陌雽?dǎo)體級(jí)硅單晶的制備，滿足半導(dǎo)體硅材料的發(fā)展需要。
文檔編號(hào)C30B15/32GK2578342SQ0228165
公開(kāi)日2003年10月8日 申請(qǐng)日期2002年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月15日
發(fā)明者屠海令, 戴小林, 吳志強(qiáng), 周旗鋼, 張果虎, 萬(wàn)關(guān)良, 王學(xué)鋒 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院, 有研半導(dǎo)體材料股份有限公司