專利名稱：雙加熱器移動熱屏式直拉單晶爐的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于制造太陽能級和半導體級單晶硅的設備，特指一種熱屏上下移動而坩堝靜止的雙加熱器移動熱屏式直拉單晶爐。
背景技術：
直拉法(CZ)晶體生長技術是太陽能級和半導體級單晶硅生長的最主要方法。其工藝流程為先將一定量的多晶硅原料放入坩堝中，加熱至熔化(溫度高達1600°C )，在拉桿下端裝夾籽晶(即晶種)，沉浸到熔化的晶體原料中，提拉桿緩緩向上提拉，同時緩慢旋轉， 最終生長出圓柱體形狀的單晶硅棒。整個單晶生長過程大致分為六個階段(1)裝料和熔料；(2)籽晶與熔硅的熔接；(3)引細頸；(4)放肩和轉肩；(5)等徑生長；(6)收尾。其中等徑生長約占整個生長時間的80%。而后期的晶圓切片工藝，選用的也是等徑生長的晶棒。直拉法生長的單晶硅，要求盡可能大的結晶速率和盡可能少的晶格缺陷。結晶速率V取決于晶體和熔體熱流量的差值
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其中《^、<L 分別為固液界面處晶體和熔體的溫度梯度。為增大結晶速率，應增大 ，減小1。晶格缺陷可通過控制結晶速率Z與固液界面附近晶體軸向溫度梯度的比值，即V/G比來實現。V/G比存在一個臨界值(V/G)c=0. 2mm2/min ·Κ。當V/G< (V/G)c時，自填隙缺陷占主導；當￥/6>作/6)。時，空位缺陷占主導。在硅材料中，希望空位占主導，這就需要控制V/G比大于臨界值。因此，控制好界面處晶體和熔體的溫度梯度，對于控制單晶硅中的晶格缺陷和結晶速率至關重要。在傳統(tǒng)的直拉單晶爐中，為了保持固液界面的熱環(huán)境和溫度梯度不變，隨著晶棒的逐漸提升，坩堝也緩慢地向上頂起。其結果是，坩堝逐漸脫離加熱區(qū)域，雖然熔體量在不斷減少，但加熱器的功率反而不斷升高，造成了能源的極大浪費。又由于采用單一加熱器， 無法實現爐體上部和下部溫場的分別獨立控制，從而使晶體和熔體的軸向溫度梯度難以控制。此外，坩堝既要旋轉又要垂直平穩(wěn)上升，傳動和控制系統(tǒng)復雜，安裝維護不便。氬氣在外掠晶體時，由于無導流裝置，強化換熱效果不理想。中國專利(專利號ZL 200620042514. 4)公開了一種單晶爐移動熱屏裝置，該裝置利用安裝于上爐體兩側肩部的兩個滾珠絲杠和伺服電機，控制熱屏上下運動。此設計雖然實現了熱屏的上下運動，但系統(tǒng)結構較復雜，且爐體肩部密封較困難。中國專利(專利申請?zhí)?009100998 . 0)公開了一種改進的直拉單晶爐加熱器結構，設計的加熱器上部較厚，下部較薄，使得加熱器下部較薄處加熱功率增加，從而通過單個加熱器的結構設計，在不增加加熱器數量的情況下，實現了上下不同功率的加熱效果。但這種加熱器的上部和下部功率不能實現各自獨立控制。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的即在于解決傳統(tǒng)的直拉單晶爐中界面處晶體和熔體的溫度梯度難以控制，加熱器的能量利用率不高等問題。本發(fā)明提供一種利用熱屏的向下移動替代坩堝向上運動、爐體上下溫場分別自動控制、利用導流筒強化氬氣與晶體換熱的直拉式單晶爐， 從而能夠方便地控制晶體和熔體的軸向溫度梯度，同時降低晶體生長的能源消耗。本發(fā)明的雙加熱器移動熱屏式直拉單晶爐包括不銹鋼爐體和水冷結構、石墨坩堝、石英坩堝、移動熱屏、石墨連接臂、導流筒、鉬連接螺栓、側面保溫碳氈、底部保溫碳氈、 氬氣出口、連接桿和同心套管、伺服電機、籽晶拉桿、筒形石墨加熱器、托盤形石墨加熱器、 石墨坩堝托、坩堝旋轉軸。不銹鋼爐體為軸對稱結構，由不銹鋼爐體和水冷結構構成整個單晶爐的外部框架。伺服電機安裝在不銹鋼爐體頂端，籽晶拉桿和同心套管與不銹鋼爐體同軸，兩者安裝于伺服電機下端，籽晶拉桿穿過同心套管，并在籽晶拉桿最下端夾持籽晶。伺服電機控制籽晶拉桿的升降與旋轉，同時控制同心套管的升降。同心套管最底端沿周向均勻焊接三個連接桿，三個連接桿與導流筒上部卡槽連接，導流筒下部通過三個鉬連接螺栓與石墨連接臂相連，石墨連接臂通過三個鉬連接螺栓與移動熱屏相連，該連接組合即構成移動熱屏機構。不銹鋼爐體下端的坩堝旋轉軸與不銹鋼爐體同軸，坩堝旋轉軸上部由下至上依次安裝石墨坩堝托、石墨坩堝和石英坩堝，坩堝旋轉軸可帶動安裝其上的石墨坩堝托、 石墨坩堝和石英坩堝旋轉。筒形石墨加熱器與不銹鋼爐體同軸，套在石墨坩堝外側，托盤形石墨加熱器與不銹鋼爐體同軸，安裝于石墨坩堝的底部；筒形石墨加熱器和托盤形石墨加熱器分別獨立加熱。側面保溫碳氈和底部保溫碳氈與不銹鋼爐體同軸，安裝于靠近不銹鋼爐體的內壁面，對不銹鋼爐體保溫。兩個氬氣出口對稱安裝在不銹鋼爐體下部。其工作過程為伺服電機安裝在不銹鋼爐體頂端，籽晶拉桿和同心套管與不銹鋼爐體同軸，兩者安裝于伺服電機下端，籽晶拉桿穿過同心套管，并在籽晶拉桿最下端夾持籽晶。伺服電機控制籽晶拉桿的升降與旋轉，同時控制同心套管的升降。同心套管最底端沿周向均勻焊接三個連接桿，三個連接桿與導流筒上部卡槽連接，導流筒下部通過三個鉬連接螺栓與石墨連接臂相連，石墨連接臂通過三個鉬連接螺栓與移動熱屏相連，該連接組合即構成移動熱屏機構。把多晶硅原料裝入石英坩堝中，將不銹鋼爐體密封并通入氬氣抽真空，打開水冷結構，使籽晶拉桿和坩堝旋轉軸逆向按一定速率旋轉，同時啟動筒形石墨加熱器和托盤形石墨加熱器，進入熔料階段。待所有多晶硅全部熔融并達到穩(wěn)定后，通過伺服電機控制移動熱屏提拉機構，使移動熱屏最下端與熔體自由液面的距離保持約20mm恒定。將籽晶下降到熔體硅自由液面附近，依次進行籽晶熔接、引細頸和轉肩，隨后晶體進入等徑生長階段，此時只要保證熔體硅熔融即可，可逐漸降低或關閉側面筒形石墨加熱器的功率，保留底部托盤形石墨加熱器的功率。隨著晶體的提升，移動熱屏隨籽晶拉桿的上升成比例下降，使移動熱屏最下端與熔體自由液面的豎直距離保持恒定。在生長過程的末期，石英坩堝中仍有少量熔體時，提高底部托盤形石墨加熱器的功率，通過提高晶升速率和調整加熱器功率，使晶體直徑逐漸縮小，從而形成一個尾部錐體，當錐體長度與晶體直徑相等時，晶體硅與熔體硅脫離，從而完成晶體的生長過程。本發(fā)明的優(yōu)點為(1)筒形石墨加熱器和托盤形石墨加熱器分別位于石墨坩堝的側面和底部，針對晶體生長的不同階段分別控制，使晶體和熔體的溫度梯度控制更加方便； (2)石英坩堝與兩個加熱器的相對位置均保持平行且不變，加熱器的熱輻射直接烘烤坩堝，
4與傳統(tǒng)單晶爐中坩堝不斷遠離加熱區(qū)域相比，傳熱效率大大提高，更加節(jié)能；(3)利用熱屏的向下移動替代坩堝向上運動，使坩堝只有旋轉而不再上升，減少了一個自由度，降低了系統(tǒng)的復雜性，同時也使下爐腔的高度大大降低；(4)由于坩堝不再上升，降低了由于機械傳動而引起的振動，使熔體自由液面更加穩(wěn)定；(5)導流筒引導氬氣對晶體強化換熱，抑制了熔體上方的氬氣對流渦旋，有利于減少晶體中的雜質和微缺陷，并降低氬氣消耗量。本發(fā)明不僅限于單晶硅的生長，同樣適用于InP、GaAS等其它光學單晶體的生長。


下面結合附圖和實例對本發(fā)明作進一步說明。圖1是爐體結構示意圖。圖2是移動熱屏提拉機構示意圖。圖中，1.底部保溫碳氈2.氬氣出口 3.水冷結構4.不銹鋼爐體5.側面保溫碳氈6.石墨坩堝7.石英坩堝8.移動熱屏9.鉬連接螺栓10.石墨連接臂11. 導流筒12.連接桿13.同心套管14.伺服電機15.籽晶拉桿16.籽晶17.晶體硅 18.筒形石墨加熱器19.熔體硅20.石墨坩堝托21.托盤形石墨加熱器22.坩堝旋轉軸。
具體實施例方式如圖所示，不銹鋼爐體4為軸對稱結構，由不銹鋼爐體4和水冷結構3構成整個單晶爐的外部框架。伺服電機14安裝在不銹鋼爐體4頂端，籽晶拉桿15和同心套管13與不銹鋼爐體4同軸，兩者安裝于伺服電機14下端，籽晶拉桿15穿過同心套管13，并在籽晶拉桿15最下端夾持籽晶16。伺服電機14控制籽晶拉桿15的升降與旋轉，同時控制同心套管13的升降。同心套管13最底端沿周向均勻焊接三個連接桿12，三個連接桿12與導流筒11上部卡槽連接，導流筒11下部通過三個鉬連接螺栓9與石墨連接臂10相連，石墨連接臂10通過三個鉬連接螺栓9與移動熱屏8相連，該連接組合即構成移動熱屏機構。不銹鋼爐體4下端的坩堝旋轉軸22與不銹鋼爐體4同軸，坩堝旋轉軸22上部由下至上依次安裝石墨坩堝托20、石墨坩堝6和石英坩堝7，坩堝旋轉軸22可帶動安裝其上的石墨坩堝托 20、石墨坩堝6和石英坩堝7旋轉。筒形石墨加熱器18與不銹鋼爐體4同軸，套在石墨坩堝6外側，托盤形石墨加熱器21與不銹鋼爐體4同軸，安裝于石墨坩堝6的底部；筒形石墨加熱器18和托盤形石墨加熱器21分別獨立加熱。側面保溫碳氈5和底部保溫碳氈1與不銹鋼爐體4同軸，安裝于靠近不銹鋼爐體4的內壁面，對不銹鋼爐體4保溫。兩個氬氣出口 2對稱安裝在不銹鋼爐體4下部。在實際應用時，伺服電機14安裝在不銹鋼爐體4頂端，籽晶拉桿15和同心套管13 與不銹鋼爐體4同軸，兩者安裝于伺服電機14下端，籽晶拉桿15穿過同心套管13，并在籽晶拉桿15最下端夾持籽晶16。伺服電機14控制籽晶拉桿15的升降與旋轉，同時控制同心套管13的升降。同心套管13最底端沿周向均勻焊接三個連接桿12，三個連接桿12與導流筒11上部卡槽連接，導流筒11下部通過三個鉬連接螺栓9與石墨連接臂10相連，石墨連接臂10通過三個鉬連接螺栓9與移動熱屏8相連，該連接組合即構成移動熱屏機構。把多晶硅原料裝入石英坩堝7中，將不銹鋼爐體4密封并通入氬氣抽真空，打開水冷結構3，使籽晶拉桿15和坩堝旋轉軸22逆向按一定速率旋轉，同時啟動筒形石墨加熱器18和托盤形石墨加熱器21，進入熔料階段。待所有多晶硅全部熔融并達到穩(wěn)定后，通過伺服電機14控制移動熱屏提拉機構，使移動熱屏8最下端與熔體自由液面的距離保持約20mm恒定。將籽晶16下降到熔體硅19自由液面附近，依次進行籽晶熔接、引細頸和轉肩，隨后晶體進入等徑生長階段，此時只要保證熔體硅19熔融即可，可逐漸降低或關閉側面筒形石墨加熱器18 的功率，保留底部托盤形石墨加熱器21的功率。隨著晶體的提升，移動熱屏8隨籽晶拉桿 15的上升成比例下降，使移動熱屏8最下端與熔體自由液面的豎直距離保持恒定。在生長過程的末期，石英坩堝7中仍有少量熔體硅19時，提高底部托盤形石墨加熱器21的功率， 通過提高晶升速率和調整加熱器功率，使晶體直徑逐漸縮小，從而形成一個尾部錐體，當錐體長度與晶體直徑相等時，晶體硅17與熔體硅19脫離，從而完成晶體的生長過程。
權利要求
1. 一種雙加熱器移動熱屏式直拉單晶爐，其特征在于，包括不銹鋼爐體(4)和水冷結構(3)、石墨坩堝(6)、石英坩堝(7)、移動熱屏(8)、石墨連接臂(10)、導流筒(11)、鉬連接螺栓(9)、側面保溫碳氈(5)、底部保溫碳氈(1)、氬氣出口(2)、連接桿(12)、同心套管 (13)、伺服電機(14)、籽晶拉桿(15)、筒形石墨加熱器(18)、托盤形石墨加熱器(21)、石墨坩堝托(20)和坩堝旋轉軸(22);所述不銹鋼爐體(4)為軸對稱結構，不銹鋼爐體(4)和水冷結構(3)構成整個單晶爐的外部框架；所述伺服電機(14)安裝在不銹鋼爐體(4)頂端， 籽晶拉桿(15)和同心套管(13)與不銹鋼爐體(4)同軸，兩者安裝于伺服電機(14)下端，籽晶拉桿(15)穿過同心套管(13);所述伺服電機(14)控制籽晶拉桿(15)的升降與旋轉，同時控制同心套管(13)的升降；所述同心套管(13)底端沿周向均勻焊接三個連接桿(12)，三個連接桿(12 )與導流筒(11)上部卡槽連接，導流筒(11)下部通過三個鉬連接螺栓(9 )與石墨連接臂(10)相連，石墨連接臂(10)通過三個鉬連接螺栓(9)與移動熱屏(8)相連；所述不銹鋼爐體(4)下端安裝坩堝旋轉軸(22)，坩堝旋轉軸(22)與不銹鋼爐體(4)同軸，坩堝旋轉軸(22)的上部由下至上依次安裝石墨坩堝托(20)、石墨坩堝(6)和石英坩堝(7)，坩堝旋轉軸(22)帶動安裝其上的石墨坩堝托(20)、石墨坩堝(6)和石英坩堝(7)旋轉；所述筒形石墨加熱器(18)與不銹鋼爐體(4)同軸，套在石墨坩堝(6)外側，所述托盤形石墨加熱器(21)與不銹鋼爐體(4)同軸，安裝于石墨坩堝(6)的底部，所述筒形石墨加熱器(18)和托盤形石墨加熱器(21)分別獨立加熱；所述側面保溫碳氈(5)和底部保溫碳氈(1)與不銹鋼爐體(4)同軸，安裝于靠近不銹鋼爐體(4)的內壁面，對不銹鋼爐體(4)保溫；兩個所述氬氣出口(2)對稱安裝在不銹鋼爐體(4)下部。
全文摘要
本發(fā)明公開一種半導體材料生長設備，具體為一種用于半導體單晶生長的直拉型單晶爐。本發(fā)明利用熱屏的向下移動替代坩堝的向上運動，使坩堝只有旋轉而不再上升，減少了一個自由度，降低了系統(tǒng)的復雜性；采用分別位于坩堝底部和側面的雙加熱器，針對晶體生長的不同階段分別控制，使晶體和熔體的溫度梯度控制更加方便；坩堝與加熱器的相對位置保持平行且不變，加熱器的熱輻射直接烘烤坩堝，與傳統(tǒng)單晶爐中坩堝不斷遠離加熱區(qū)域相比，傳熱效率大大提高；導流筒引導氬氣對晶體強化換熱，抑制了熔體上方的氬氣對流渦旋，有利于減少晶體中的雜質和微缺陷，并降低氬氣消耗量。
文檔編號C30B15/14GK102162123SQ201110081268
公開日2011年8月24日 申請日期2011年4月1日 優(yōu)先權日2011年4月1日
發(fā)明者左然, 蘇文佳 申請人:江蘇大學