坩埚组件、单晶炉和晶棒生长方法

技术领域

本发明涉及硅产品制作技术领域，尤其涉及一种坩埚组件、单晶炉和晶棒生长方法。

背景技术

直拉法是目前单晶硅生长所采用的较为普遍的一种方法。直拉法中的单晶硅的拉制一般在单晶炉中进行，目前单晶炉的结构均较为简单，一次只能拉制一根单晶棒，平均运行在三天时间左右，不仅生产效率低下，而且能源消耗较大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种坩埚组件、单晶炉和晶棒生长方法，解决生产效率低的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：一种坩埚组件，包括石英坩埚和位于所述石英坩埚内的分隔件，所述分隔件将所述石英坩埚的内部容纳腔分隔为多个相互独立的子容纳腔。

可选的，所述石英坩埚和所述分隔件为分体结构，所述石英坩埚和所述分隔件采用可拆卸的方式连接。

可选的，所述分隔件包括筒状结构和连接于所述筒状结构的外部的多个分隔挡墙，所述分隔挡墙远离所述筒状结构的一侧与所述石英坩埚的内表面连接。

可选的，沿所述筒状结构的周向方向，多个所述分隔挡墙均匀分布于所述筒状结构的外部。

可选的，所述石英坩埚的容纳腔的底部设置有石英砂层，所述分隔件的一端插接入所述石英砂层内。

可选的，所述石英砂层中的氧化钡和所述石英坩埚中的二氧化硅反应以在所述石英坩埚的内表面形成硅酸钡薄膜。

可选的，在所述石英坩埚的轴向方向上，所述石英坩埚的高度为330-600mm，所述石英砂层的高度为78-85mm。

本发明实施例还提供一种单晶炉，包括上述的坩埚组件。

可选的，还包括用于控制多个晶棒升降和旋转的多个提拉结构，多个所述提拉结构与多个所述晶棒一一对应，多个所述晶棒与多个所述子容纳腔一一对应。

本发明实施例还提供一种晶棒生长方法，应用于上述的单晶炉，包括：

将待熔化的多晶硅料盛放在石英坩埚中；

密封单晶炉的炉体并抽真空通入惰性气体；

加热以熔化多晶硅料；

多晶硅料全部熔化后，将分隔件与所述石英坩埚连接，以将石英坩埚内部的容纳腔分隔为相互独立的多个子容纳腔；

下降多个籽晶到对应的子容纳腔内，对多个所述籽晶设置不同的生长参数，以进行不同晶棒的拉制，其中所述生长参数包括籽晶旋转速度和籽晶提拉速度。

本发明的有益效果是：通过所述分隔件的设置可以将石英坩埚内部的容纳腔分隔为多个相互独立的子容纳腔，这样每个子容纳腔内都可以拉制一个晶棒，提高生产效率，且互不干扰。

附图说明

图1表示本发明实施例中的坩埚组件的结构示意图；

图2表示本发明实施例中的分隔件的结构示意图；

图3表示本发明实施例中石英坩埚内设置石英砂层的示意图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

参考图1-图3，本实施例提供一种坩埚组件，包括石英坩埚1和位于所述石英坩埚1内的分隔件2，所述分隔件2将所述石英坩埚1的内部容纳腔分隔为多个相互独立的子容纳腔。

通过所述分隔件2的设置可以将石英坩埚1内部的容纳腔分隔为多个相互独立的子容纳腔，这样每个子容纳腔内都可以拉制一个晶棒，提高生产效率，且互不干扰。

示例性的实施方式中，所述石英坩埚1和所述分隔件2为分体结构，所述石英坩埚1和所述分隔件2采用可拆卸的方式连接。

可拆卸的连接方式，便于所述石英坩埚1和所述分隔件2的拆卸和组装，便于在单个晶棒拉制模式和多个晶棒同时拉制的模式之间切换，而不必更换石英坩埚1，只需在需要进行多个晶棒拉制时，将所述石英坩埚1和所述分隔件2组装在一起，而需要拉制单个晶棒时，使得所述石英坩埚1和所述分隔件2分离即可。

需要说明的是，所述分隔件2和所述石英坩埚1内壁之间的连接方式可以有多种，例如，所述分隔件2和所述石英坩埚1内壁之间采用过盈配合的方式连接，或者，所述石英坩埚1的内壁开设凹槽，所述分隔件2插接于所述凹槽内。为了避免影响所述石英坩埚1的使用寿命，优选的，所述分隔件2和所述石英坩埚1内壁之间采用过盈配合的方式连接。

需要说明的是，在所述分隔件2与所述石英坩埚1采用过盈配合的连接方式连接的实施方式中，在所述分隔件2与所述石英坩埚1组装后，在后续拉制工序中，所述石英坩埚1是静止不动的，不同子容纳腔内的晶棒的拉制是通过独立控制位于不同子容纳腔内的籽晶的上升和/或旋转来实现。

示例性的，所述分隔件2和所述石英坩埚1的内壁之间设置有弹性缓冲层，以避免所述分隔件2和所述石英坩埚1之间的刚性摩擦，且利于所述分隔件2和所述石英坩埚1的内壁之间的密封连接，从而保证多个所述子容纳腔相互独立，互不干涉。

所述分隔件2的具体形状可以有多种，示例性的实施方式中，所述分隔件2包括筒状结构21和连接于所述筒状结构21的外部的多个分隔挡墙22，所述分隔挡墙22远离所述筒状结构21的一侧与所述石英坩埚1的内表面连接。

在一具体实施方式中，所述分隔件2和所述石英坩埚1内壁之间采用过盈配合的方式连接。在实际应用中，在所述石英坩埚1内的硅料熔化后，再将所述分隔件2放置于所述石英坩埚1内，由于所述分隔件2和所述石英坩埚1是采用过盈配合的方式连接，则只需施加外力，将所述分隔件2压接于所述石英坩埚1内即可。

需要说明的是，通过所述分隔件2的设置，使得所述石英坩埚1内的所述容纳腔划分为独立的多个子容纳腔，在籽晶放入对应的子容纳腔后，可以通过对不同的籽晶进行独立控制，并设置不同的生长参数(包括旋转速度、提拉速度等)，以实现不同晶棒的拉制，因此，为了避免多个所述子容纳腔之间互相干扰，在所述石英坩埚1的轴向方向上，所述分隔件2的高度大于所述子容纳腔内的硅熔液的高度，且在籽晶旋转过程中，需要控制旋转速度以防止硅熔液溢出。

所述石英坩埚1与所述分隔件2组装后，所述筒状结构21对应设置于所述石英坩埚1的中间位置，而所述分隔挡墙22设置于所述石英坩埚1的内壁和所述筒状结构21之间。

需要说明的是，在拉晶过程中由于所述石英坩埚1的边缘部分的温度较高，坩埚溶解速度较快，硅溶液中的氧含量较高，因此，在所述筒状结构21和所述石英坩埚1的内壁之间的子容纳腔可以对应拉制含氧量较高的高氧晶棒。相较于在所述筒状结构21和所述石英坩埚1的内壁之间的子容纳腔，石英坩埚1的中心部分(即所述筒状结构21对应的区域)远离加热器，其温度偏低，坩埚溶解速率较低，溶液中氧含量偏低，因此，所述筒状结构21对应的子容纳腔可以拉制氧含量较低的低氧晶棒。

同时由于容纳腔的分隔导致每个晶棒的边缘与晶棒的中心的轴向温度差的差值变小，根据V/G理论(V为长晶速率，G为固液界面处的温度梯度，且V/G值可用于确定产生点缺陷区域的边界)，将有助于晶棒的无缺陷生长，同时相比于一个大的容纳腔，每个子容纳腔内的溶液中径向的氧含量将更加均一，其可以很好地均匀浸入对应的晶棒凝固，可生成径向氧含量均一的晶棒。

示例性的，为了在所述石英坩埚1的内部容纳腔内形成多个相互独立的子容纳腔，所述分隔挡墙22远离是所述筒状结构21的一侧具有一连接面，该连接面的形状与所述石英坩埚1的内壁的形状相符，以使得多个所述分隔挡墙22与所述石英坩埚1之间紧密连接，避免相邻两个子容纳腔产生干扰，进而每个籽晶可以设置不同的S/R(Seed Rotation)和P/S(Pulling Speed)等参数，以拉制不同特性的晶棒。

具体的，所述石英坩埚1包括侧壁和底壁，所述侧壁包括直壁部分和弧形壁部分，所述弧形壁部分与所述底壁连接，所述连接面包括与所述直壁部分对应连接的平面部分231，与所述弧形壁部分对应连接的弧面232，以及与所述底壁对应连接的底面233，所述筒状结构21的一端与所述底壁连接，参考图2。

示例性的实施方式中，沿所述筒状结构21的周向方向，多个所述分隔挡墙22均匀分布于所述筒状结构21的外部。以便于在位于所述筒状结构21和所述石英坩埚1的内壁之间的多个子容纳腔内拉制特性相同的晶棒。

需要说明的是，所述分隔件2分隔所述容纳腔所形成的子容纳腔的数量可根据实际需要设定，本实施例中，子容纳腔的数量为5个，包括位于所述筒状结构21内的一个子容纳腔，和形成于所述筒状结构21和所述石英坩埚1的内壁之间的4个子容纳腔，但并不以此为限。

示例性的实施方式中，所述筒状结构21的侧壁的厚度和所述分隔挡墙22的厚度相同，且所述筒状结构21的侧壁的厚度与所述石英坩埚1的侧壁的厚度相同，以使得所述石英坩埚1和所述分隔件2的使用寿命相同。

示例性的实施方式中，所述分隔件2的材料与所述石英坩埚1的材料相同。

示例性的，为了避免高温对所述分隔件2的腐蚀，所述石英坩埚1和所述分隔件2采用过盈配合的方式连接，且在硅料熔化后，再降温到预设温度后，再将所述分隔件2与所述石英坩埚1连接。

硅料熔化温度为1450-1500度，所述预设温度为1200-1420度，一具体实施方式中，所述预设温度为1410度，但并不以此为限。

示例性的，所述石英坩埚1的外部设置有加强层，以增加所述石英坩埚1的强度，延长其适用寿命。

参考图3，示例性的实施方式中，所述石英坩埚1的容纳腔的底部设置有石英砂层3，所述分隔件2的一端插接入所述石英砂层3内。

示例性的，所述石英砂层3采用颗粒状的石英砂铺设在所述石英坩埚1的底部，便于所述分隔件2的插接，但并不以此为限。

所述石英砂层3铺设在所述石英坩埚1的底部，所述分隔件2与所述石英坩埚1组装时，所述分隔件2插接入所述石英砂层3内，所述石英砂层3起到固定所述分隔件2的作用。

示例性的实施方式中，所述石英砂层3中的氧化钡和所述石英坩埚1中的二氧化硅反应以在所述石英坩埚1的内表面形成硅酸钡薄膜。

所述石英砂层3中含有氧化钡物质，该物质在拉晶过程中将与所述石英坩埚1中的二氧化硅反应，并溶解生成硅酸钡沉积在石英坩埚1表面，形成硅酸钡薄膜，有助于延缓石英坩埚1溶解，防止塌边的发生，延长石英坩埚1的使用寿命。

示例性的实施方式中，在所述石英坩埚1的轴向方向上，所述石英坩埚的高度为550-600mm，所述石英砂层3的高度为78-85mm。

在所述石英坩埚1和所述分隔件2采用过盈配合的方式连接时，所述石英砂起到固定所述分隔件2的作用，因此，所述分隔件2的一端要插接入所述石英砂层3中，以保证其稳定性，因此所述石英砂层3在所述石英坩埚1的轴向方向上的厚度不能过薄；且所述石英砂层3在所述石英坩埚1的轴向方向上的厚度不能过厚，以免减小硅熔液的容量，且石英砂过多会带来多余的杂质，影响晶棒的质量。

一些实施方式中，所述石英砂层3在所述石英坩埚1的轴向方向上的厚度小于或等于所述石英坩埚1在其轴向方向(参考图3中的X方向)上的高度的1/7，但并不以此为限。

本发明实施例还提供一种单晶炉，包括炉体和位于所述炉体内的上述的坩埚组件。

示例性的实施方式中，所述单晶炉还包括用于控制多个晶棒升降和旋转的多个提拉结构，多个所述提拉结构与多个所述晶棒一一对应，多个所述晶棒与多个所述子容纳腔一一对应。

一个所述子容纳腔对应一个提拉结构，通过所述提拉结构控制对应的晶棒的升降以及旋转，从而可以拉制相应的特性的晶棒。

需要说明的是，在拉制过程中，所述石英坩埚1是固定不动的，仅通过所述提拉结构控制对应的晶棒的升降以及旋转，避免所述分隔件2和所述石英坩埚1之间产生相对运动，避免多个所述子容纳腔之间产生干扰。

单晶炉的热场结构主要有用于加热熔化多晶硅料的加热组件，用于阻挡热量散失的热屏蔽件，围绕石英坩埚1的石墨加热器、坩埚托杆和坩埚托盘，等等。为了制备出高质量的单晶硅，均匀地形成并且保持界面周围的热环境，可以使单晶生长至更大的长度也能保持单晶的质量和提拉速度并且易于控制拉伸速度。更具体地，多晶硅料和硅熔体从加热器连续地接收热量，并且通过热屏蔽结构来阻挡热量的损失，以便保持预定的温度梯度。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。具体实施方式如下：

坩埚组件包括石英坩埚1、设置于石英坩埚1内部的分隔件2，以及设置于所述石英坩埚1底部的石英砂层3。所述分隔件2与所述石英坩埚1之间采用过盈配合的方式连接。所述分隔件2包括筒状结构21和连接于所述筒状结构21的外部的多个分隔挡墙22，所述分隔挡墙22远离所述筒状结构21的一侧与所述石英坩埚1的内表面紧密连接，以将所述石英坩埚1内的容纳腔分隔为5个子容纳腔。所述石英砂层3中的氧化钡和所述石英坩埚1中的二氧化硅反应以在所述石英坩埚1的内表面形成硅酸钡薄膜，以延长石英坩埚1的使用寿命。所述分隔件2插接入所述石英砂层3内，保证所述分隔件2的稳定性。

大部分单晶硅采用直拉法制备，直拉法，即直拉单晶制造法(Czochralski,CZ法)是把高纯度的多硅晶块放入石英坩埚1中，在真空环境下，用氩气充当保护性气体，将多晶硅加热到1420℃以上，然后保持这个温度一段时间，让硅料熔化，从固态变成液态，等温度稳定到目标温度后，将一根直径只有10mm左右的棒状晶种(籽晶)浸入熔液中，使确定晶向的籽晶与溶体熔接后引出直径为3～5mm的细颈晶体，以消除结晶位错，然后执行放肩、转肩、等径、收尾、冷却等完成单晶硅的生长过程。但是一般一个单晶炉对应一个石英坩埚1，一个石英坩埚1对应一个容纳硅熔液的容纳腔，进而一次只能拉制一个晶棒。

本发明实施例还提供一种晶棒生长方法，应用于上述的单晶炉，包括：

将待熔化的多晶硅料盛放在石英坩埚1中；

密封单晶炉的炉体并抽真空通入惰性气体；

加热以熔化多晶硅料；

多晶硅料全部熔化后，将分隔件2与所述石英坩埚1连接，以将石英坩埚1内部的容纳腔分隔为相互独立的多个子容纳腔；

下降多个籽晶到对应的子容纳腔内，对多个所述籽晶设置不同的生长参数，以进行不同晶棒的拉制，其中所述生长参数包括籽晶旋转速度和籽晶提拉速度。

示例性的，为了避免高温对所述分隔件2的腐蚀，以保证所述分隔件2的使用寿命，多晶硅料全部熔化后，将分隔件2与所述石英坩埚1连接，以将石英坩埚1内部的容纳腔分隔为相互独立的多个子容纳腔，具体的包括：

多晶硅料全部熔化，并降温到预设温度后，将分隔件2与所述石英坩埚1连接，以将石英坩埚1内部的容纳腔分隔为相互独立的多个子容纳腔，

所述预设温度可以为1200-1420度，在一具体实施方式中，所述预设温度为1410度，但并不以此为限。

在所述石英坩埚1与所述分隔件2采用过盈配合的方式连接的实施方式中，在将硅熔液的温度下降到所述预设温度后，将所述分隔件2放置于所述石英坩埚1内，并通过外力压接所述分隔件2，使得所述石英坩埚1和所述分隔件2紧密连接，并使得由所述分隔件2形成的多个所述子容纳腔之间相互独立，互不干扰。

需要说明的是，在一具体实施方式中，所述分隔件2包括筒状结构21和连接于所述筒状结构21的外部的多个分隔挡墙22，所述分隔挡墙22远离所述筒状结构21的一侧与所述石英坩埚1的内表面连接。所述石英坩埚1与所述分隔件2组装后，所述筒状结构21对应设置于所述石英坩埚1的中间位置，而所述分隔挡墙22设置于所述石英坩埚1的内壁和所述筒状结构21之间，即所述石英坩埚1的容纳腔划分为位于所述筒状结构内的中间子容纳腔和位于所述中间子容纳腔外围的多个边缘子容纳腔。

多个所述子容纳腔相互独立，则多个子容纳腔可分别单独拉制晶棒，本实施例中设置了与多个所述子容纳腔一一对应的多个提拉结构，从而可以对对应于不同子容纳腔内的籽晶进行独立控制，以形成不同的晶棒。例如，可以对位于不同子容纳腔的籽晶施加不同的旋转速度和/或不同的提拉速度等，以形成不同含氧量的晶棒，例如位于所述中间子容纳腔内的籽晶的旋转速度可以为9-16ram，以形成高氧含量的晶棒，位于所述边缘子容纳腔内的籽晶的旋转速度可以为3-8ram，以形成低氧含量的晶棒。

需要说明的是，在拉晶过程中由于所述石英坩埚1的边缘部分的温度较高，坩埚溶解速度较快，硅溶液中的氧含量较高，因此，在所述筒状结构21和所述石英坩埚1的内壁之间的子容纳腔可以对应拉制含氧量较高的高氧晶棒。相较于在所述筒状结构21和所述石英坩埚1的内壁之间的子容纳腔，石英坩埚1的中心部分(即所述筒状结构21对应的区域)远离加热器，其温度偏低，坩埚溶解速率较低，溶液中氧含量偏低，因此，所述筒状结构21对应的子容纳腔可以拉制氧含量较低的低氧晶棒。

传统的半导体硅晶圆的生长方法以直拉式晶体生长(CZ)方法为主，传统的生长装置中，石英坩埚只有一个容纳腔，因此也只能拉制一个晶棒，本实施例中，通过所述分隔件的设置，将石英坩埚的容纳腔分隔为多个相互独立的子容纳腔，这样就可以同时拉制多个晶棒，提高拉制效率。且通过所述分隔件具体的不同结构的设置，可以使得多个所述子容纳腔在所述石英坩埚的径向方向上的位置不同，从而可以设置不同的生长参数以拉制不同的晶棒。并且由于多个子容纳腔在所述石英坩埚的径向方向上的位置不同，本实施例中，将多个籽晶浸入不同的子容纳腔内的硅溶液后，并通过对应的提拉机构一边旋转一边提拉，经过引晶、缩颈、转肩和等径最终得到不同特性的半导体硅晶棒。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。