一种可调节导流筒及半导体晶体生长装置

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种可调节导流筒及半导体晶体生长装置。

背景技术

直拉法(Cz)是制备半导体及太阳能用硅单晶的一种重要方法，通过碳素材料组成的热场对放入坩埚的高纯硅料进行加热使之熔化，之后通过将籽晶浸入熔体当中并经过一系列(引晶、放肩、等径、收尾、冷却)工艺过程，最终获得单晶棒。

在拉晶过程中，往往在产生的硅晶棒四周设置热屏装置，如导流筒(或反射屏)，一方面用以在晶体生长过程中隔离石英坩埚以及坩埚内的硅熔体对晶体表面产生的热辐射，使晶棒的轴向温度梯度加大，径向温度分布尽可能均衡，使晶棒的生长速度控制在合适的范围内，同时控制晶体的内部缺陷等；另一方面用以对从晶体生长炉上部导入的惰性气体进行导流，使之以较大的流速通过硅熔体表面，达到控制硅晶棒晶体内氧含量和杂质含量的效果。

在半导体晶体生长装置的设计过程中，往往需要考虑热屏装置与硅熔体液面和晶棒之间的距离，以控制晶棒的轴向温度梯度和径向温度分布。具体的，在设计过程中，往往需要考虑热屏装置液面的最小距离(以下称液面距D2)和热屏装置和晶棒之间的最小距离(以下称晶棒距D1)这两个重要参数，如图1所示。其中，D2控制硅晶体在拉晶液面之间的稳定生长，D1控制硅晶棒在轴向方向上的温度梯度。为了实现硅晶棒和硅熔体液面之间的硅晶体的稳定生长，往往通过控制坩埚的上升速度以控制D2稳定在合适的范围内。而在热屏装置固定的情况下，导流筒形状和位置固定，在硅晶棒的直径一定的情况下，要进一步减小D1以实现硅晶体较大的轴向温度梯度，而目前传统的导流筒D1不能变化。

因此，有必要提出一种可调节导流筒及半导体晶体生长装置，以解决上述问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

针对现有技术的不足，本发明提出了一种可调节导流筒，所述导流筒包括固定部和调节部，所述导流筒呈桶状并绕晶棒四周设置，其中，所述固定部上端向外延伸的部分固定于半导体生长装置上，所述固定部向下延伸的部分为逐渐向晶体靠近的斜面，所述固定部底部为靠近液面的平面，以控制与液面的最小距离；所述调节部位于所述固定部的斜面上，所述调节部通过固定装置固定于所述固定部的斜面上，所述调节部用于根据需要调整与晶棒之间的最小距离。

可选地，所述固定部与所述调节部一体成型，所述调节部为从所述固定部切割下来的一部分。

可选地，所述固定部与所述调节部为石墨材料。

一种可调节导流筒，所述导流筒包括固定部、中间部和调节部，所述导流筒呈桶状并绕晶棒四周设置，其中，所述固定部上端向外延伸的部分固定于半导体生长装置上，所述固定部向下延伸的部分为逐渐向晶体靠近的斜面，所述固定部底部为靠近液面的平面，以控制与液面的最小距离；所述中间部位于所述固定部的斜面上，所述中间部悬挂在所述固定部上，所述中间部的底部与所述固定部底部持平，以控制与液面的最小距离；所述调节部位于所述中间部的斜面上，所述调节部通过固定装置固定于所述中间部的斜面上，所述调节部用于根据需要调整与晶棒之间的最小距离。

可选地，所述中间部与所述调节部一体成型，所述调节部为从所述中间部切割下来的一部分。

可选地，所述固定部、所述中间部和所述调节部为石墨材料。

可选地，所述固定装置为螺栓。

可选地，所述固定部还包括位于其中部的中间碳材料固化毡。

可选地，所述导流筒由一个或更多个弧形部件拼接而成。

一种半导体晶体生长装置，包括炉体、坩埚、提拉装置以及上述的可调节导流筒。

本发明提供的一种可调节导流筒及半导体晶体生长装置，可灵活改动距离晶棒距离的导流筒附件调节部，在不改变其他参数的情况下，通过改变导流筒的调节部来改变导流筒距离晶棒的距离，进而可以调整晶体氧含量，从而控制晶体的质量。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1为现有技术的一个实施例的导流筒及半导体晶体生长装置的结构示意图；

图2为根据本发明的一个实施例的导流筒及半导体晶体生长装置的结构示意图；

图3A为现有技术的一个实施例的导流筒的结构示意图；

图3B为在图3A的基础上根据本发明的一个实施例的可调节导流筒的结构示意图；

图4A为根据本发明的一个实施例的导流筒的结构示意图；

图4B为在图4A的基础上可调节导流筒的中间部结构示意图；

图4C为在图4B的基础上调整可调节导流筒的调节部的结构示意图；

图5为根据本发明的一个实施例的导流筒的立体图；

图6为根据本发明的一个实施例的导流筒的调节部调节前后氧含量的对比图；

其中：1—晶棒；

2—熔体；

3—导流筒；

31—固定部；

32—调节部；

33—螺栓；

34—中间部；

35—中间碳材料固化毡；

4—坩埚。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的结构。显然，本发明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

下面结合附图对本发明的可调节导流筒及半导体晶体生长装置做进一步的说明。

导流筒作为反射溶液表面热，调整温度梯度以获得不同晶体品质的热场构件，同时对于氩气流的流动有很大的影响。氩气流的表现影响晶体中氧浓度的分布。因此在不改变其他参数的情况下，改变导流筒的构造可以调整晶体氧含量。

如图1所示，导流筒离液面距离D2和距离晶体的距离D1是影响氩气流流过熔体表面的流速的关键因素。通常导流筒安装后，由于目标晶棒直径稳定，导流筒作为一个环形固件，D1不能变化，D2可以随导流筒上升或者下降变化。

如图2所示，在一个实施例中的可调节导流筒，所述导流筒3包括固定部31和调节部32，所述导流筒呈桶状并绕晶棒1四周设置，其中，所述固定部上端向外延伸的部分固定于坩埚4上，所述固定部向下延伸的部分为逐渐向晶体靠近的斜面，所述固定部底部为靠近熔体2液面的平面，以控制与液面的最小距离D2；所述调节部位于所述固定部的斜面上，所述调节部通过固定装置固定于所述固定部的斜面上，所述调节部用于根据需要调整与晶棒之间的最小距离D1。

如图3A所示，所述固定部与所述调节部一体成型，如图3B所示，所述调节部为从所述固定部切割下来的一部分，即从现有的导流筒固定部切割下来的条形部分作为调节部。

在一个实施例中，所述固定部与所述调节部为石墨材料。

如图4A-4C所示，一种可调节导流筒，导流筒3包括固定部31、中间部34和调节部32，所述导流筒呈桶状并绕晶棒1四周设置，其中，所述固定部上端向外延伸的部分固定于半导体生长装置上，所述固定部向下延伸的部分为逐渐向晶体靠近的斜面，所述固定部底部为靠近液面的平面，以控制与液面的最小距离；所述中间部位于所述固定部的斜面上，所述中间部悬挂在所述固定部上，所述中间部的底部与所述固定部底部持平，以控制与液面的最小距离；所述调节部位于所述中间部的斜面上，所述调节部通过固定装置固定于所述中间部的斜面上，所述调节部用于根据需要调整与晶棒之间的最小距离。

在一个实施例中，所述固定部、所述中间部和所述调节部为石墨材料。

如图4C所示，在一个实施例中，所述固定装置为螺栓33。可根据需要调整调节部的位置。

如图4A所示，在一个实施例中，所述固定部还包括位于其中部的中间碳材料固化毡35。

如图5所示，在一个实施例中，所述导流筒由一个或更多个弧形部件拼接而成，此处为一个圆弧形部件。

一种半导体晶体生长装置，包括炉体、坩埚4、提拉装置以及上述的可调节导流筒3。

半导体晶体生长装置包括炉体，炉体内设置有坩埚4，坩埚4外侧设置有对其进行加热的加热器，坩埚4内容纳有硅熔体2。在炉体顶部设置有提拉装置，在提拉装置的带动下，籽晶从硅熔体液面提拉拉出硅晶棒，同时环绕硅晶棒四周设置热屏装置，示例性的，热屏装置可以为导流筒3，导流筒3设置为圆锥桶型，其作为热屏装置一方面用以在晶体生长过程中隔离石英坩埚以及坩埚内的硅熔体对晶体表面产生的热辐射，提升晶棒的冷却速度和轴向温度梯度，增加晶体生长数量，另一方面，影响硅熔体表面的热场分布，而避免晶棒的中心和边缘的轴向温度梯度差异过大，保证晶棒与硅熔体液面之间的稳定生长；同时导流筒还用以对从晶体生长炉上部导入的惰性气体进行导流，使之以较大的流速通过硅熔体表面，达到控制晶体内氧含量和杂质含量的效果。导流筒底部与硅熔体液面之间的最小距离作为热屏装置与硅熔体之间的最小距离，称为液面距，以D2表示；导流筒最靠近硅晶棒处距离硅晶棒的最小距离作为热屏装置与硅晶棒之间的最小距离称为晶棒距，以D1表示。

为了实现硅晶棒的稳定增长，在炉体底部还设置有驱动坩埚旋转和上下移动的驱动装置，驱动装置驱动坩埚在拉晶过程中保持旋转是为了减少硅熔体的热的不对称性，使硅晶柱等径生长；驱动装置驱动坩埚上下移动是为了控制液面距D2在合理的范围内，保持硅熔体液面的热辐射稳定性，以满足硅晶棒稳定生长的要求。示例性的，驱动装置驱动坩埚上下移动将液面距D2控制在20mm至80mm之间。

然而在热屏装置固定的情况下，导流筒形状和位置固定，在硅晶棒形状一定的情况下，要进一步减小D1以实现硅晶棒较大的轴向温度梯度却很难通过装置本身的控制实现。

为此，参看图2，在本发明的半导体晶体生长装置中，在导流筒的下端设置有调节部，作为热屏装置对硅熔体液面和晶棒之间的热场分布进行调整。相较于没有调节部的情形，使得热屏装置与硅晶棒之间的最小距离D1由初始的导流筒与晶棒之间的最小距离变化为调节部与晶棒之间的最小距离，从而使热屏装置与晶棒之间的最小距离D1减小，使热屏装置重新对硅晶棒和热屏装置之间，热屏装置和硅熔体液面之间的辐射能量进行调整，进而对晶体表面的热流速强度和分布进行调整，使硅晶棒中心和边缘的轴向温度梯度增加，有效提高了晶体生长速度；与此同时，中心和边缘的轴向温度梯度的差值减小，有利于晶体在硅熔体液面上的稳定生长。同时调整装置还减小了氩气通过导流筒流向硅熔体液面的通道尺寸，从而调整氩气从硅熔体液面径向方向展开的气体流速，调节生长的晶体的含氧量，进一步提升了拉晶质量。

进一步，设置调节部的情况下，使得热屏装置与硅晶棒之间的最小距离D1减小，使得硅熔体液面向晶棒辐射传热减小，增加了晶棒的轴向温度梯度，有利于提高晶体的生长速度，与此同时还可以降低晶体生长的加热器的功率消耗；在导流筒和晶棒之间设置调节部，还能够减少导流筒向晶棒的辐射传热，从而减少晶棒中心和边缘的轴向温度梯度的差值，使得晶体生长的工艺窗口(拉速范围)变宽，提高制品的良率。

如图3B所示，当可调节导流筒将D1调整为D1’时，氧含量明显下降，参见图6。通过减小D1，表面惰性气体氩气流的流动速率增加，晶棒表面的压力下降，氧从硅中溢出，晶体中氧含量下降。在生长晶体过程中，调整D1，从而改变了氧含量的分布。

本发明可以灵活改动距离晶棒距离的导流筒附件，可以螺栓固定调节部，可以增加不同工艺参数D1设定可能性。

原有整体热屏的结构是内层石墨、外层石墨和中间碳材料固化毡的环形结构，并由三者从内至外套装而成。现在改为分离式的固定部和悬挂的中间部，为此将内层石墨单独改为两部分，并用螺栓连接，这时更换不同内径，得到不同D1的效果。

调节部的尺寸设计可以根据导流筒形状以及需要的D1进行变化以及更换。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施例中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施例，除非该特征在该另一个实施例中不适用或是另有说明。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。