TW202100824A - 一種半導體晶體生長裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種半導體晶體生長裝置。包括：爐體；坩堝，所述坩堝設置在所述爐體內部，用以容納矽熔體；提拉裝置，所述提拉裝置設置在所述爐體頂部，用以從所述矽熔體內提拉出矽晶棒；導流筒，所述導流筒呈桶狀並沿垂直方向設置在所述爐體內的所述矽熔體的上方，所述提拉裝置提拉所述矽晶棒在垂直方向上穿過所述導流筒；以及磁場施加裝置，用以對所述坩堝內的所述矽熔體施加水平方向的磁場；其中，在所述提拉裝置提拉所述矽晶棒穿過所述導流筒的過程中，在所述磁場的方向上的所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離大於垂直於所述磁場的方向上的所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離。根據本發明的半導體晶體生長裝置，改善了半導體晶體生長的品質。
Description
本發明涉及半導體技術領域，具體而言涉及一種半導體晶體生長裝置。
直拉法（CZ）是備製半導體及太陽能用單晶矽的一種重要方法，利用碳素材料組成的熱場對放入坩堝的高純矽料進行加熱使之熔化，之後利用將籽晶浸入熔體當中並經過一系列（引晶、放肩、等徑、收尾、冷卻）工藝過程，最終獲得單晶棒。
使用CZ法的半導體單晶矽或太陽能單晶矽的晶體生長中，晶體和熔體的溫度分佈直接影響晶體的品質和生長速度。在CZ晶體的生長期間，由於熔體存在著熱對流，使微量雜質分佈不均勻，形成生長條紋。因此，在拉晶過程中，如何抑制熔體的熱對流和溫度波動，是人們廣泛關注的問題。
在磁場發生裝置下的晶體生長（MCZ）技術利用對作為導電體的矽熔體施加磁場，使熔體受到與其運動方向相反的勞倫茲力作用，阻礙熔體中的對流，增加熔體中的黏滯性，減少了氧、硼、鋁等雜質從石英坩堝進入熔體，進而進入晶體，最終使得生長出來的矽晶體可以具有得到控制的從低到高廣範圍的氧含量，減少了雜質條紋，因而廣泛應用於半導體晶體生長工藝。一種典型的MCZ技術是磁場晶體生長（HMCZ）技術，其對半導體熔體施加磁場，廣泛適用於大尺寸、高要求的半導體晶體的生長。
在磁場裝置下的晶體生長（HMCZ）技術中，晶體生長的爐體，熱場，坩堝，包括矽晶體都是在圓周方向儘量形狀對稱，而且利用坩堝和晶體的旋轉使得圓周方向的溫度分佈趨於均一。但是磁場施加過程中施加的磁場的磁力線從一端平行穿過在石英坩堝內矽熔體到另一端，旋轉中的矽熔體產生的勞倫茲力在圓周方向的各處均不相同，因此矽熔體的流動和溫度分佈在圓周方向上不一致。
如圖1A和圖1B所示，示出了一種半導體晶體生長裝置中，晶體生長的晶體和熔體的界面下方的溫度分佈的示意圖。其中，圖1A示出坩堝內矽熔體的水平面上分佈的測試點的圖，其中，在熔體液面下方25mm、距中心距離L=250mm處每隔θ=45°角度測試一個點。圖1B是沿著圖1A中與X軸呈角度θ上的各個點採用模擬計算和測試獲得的溫度分佈的曲線，其中實線表示採用模擬計算獲得的溫度分佈圖，點圖表示採用測試的方法獲得的溫度的分佈圖。在圖1A中，箭頭A示出坩堝的旋轉方向為逆時針旋轉，箭頭B示出磁場方向沿著Y軸方向橫向穿過坩堝直徑。從圖1B可以看出，在半導體晶體生長過程中，無論從模擬計算還是測試的方法獲得數據，均體現了在半導體晶體生長過程中，半導體晶體和熔液的界面下方的溫度隨著角度的變化在圓周上呈現波動。
根據Voronkov晶體生長理論，晶體和液面的界面的熱平衡方程如下，
PS * LQ = Kc*Gc - Km*Gm。
其中，LQ是矽熔體向矽晶體相變的潛能，Kc，Km分別代表晶體和熔體的熱傳導係數； Kc，Km和LQ均為矽材料的物性參數；PS代表晶體的在拉伸方向的結晶速度，近似為晶體的提拉速度；Gc，Gm分別是界面處的晶體和熔體的溫度梯度（dT/dZ）。由於，在半導體晶體生長過程中，半導體晶體和熔液的界面下方的溫度隨著圓周角度的變化呈現週期性的波動，即作為界面的晶體和熔體的溫度梯度（dT/dZ）的Gc，Gm呈現波動，因而，圓周角度方向的晶體的結晶速度PS呈現週期性的波動，這不利於晶體生長品質的控制。
為此，有必要提出一種新的半導體晶體生長裝置，用以解決現有技術中的問題。
在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分並不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特徵和必要技術特徵，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。
為了解決現有技術中的問題，本發明提供了一種半導體晶體生長裝置，所述裝置包括：
爐體；
坩堝，所述坩堝設置在所述爐體內部，用以容納矽熔體；
提拉裝置，所述提拉裝置設置在所述爐體頂部，用以從所述矽熔體內提拉出矽晶棒；
導流筒，所述導流筒呈桶狀並沿垂直方向設置在所述爐體內的所述矽熔體上方，所述提拉裝置提拉所述矽晶棒在垂直方向上穿過所述導流筒；以及
磁場施加裝置，用以對所述坩堝內的所述矽熔體施加水平方向的磁場；
其中，在所述提拉裝置提拉所述矽晶棒穿過所述導流筒的過程中，在所述磁場的方向上的所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離大於垂直於所述磁場的方向上的所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離。
示例性地，所述導流筒底部的橫截面呈橢圓形。
示例性地，所述橢圓形的長軸與所述磁場的夾角的範圍為0-45°。
示例性地，在所述橢圓形的短軸方向上，所述導流筒底部與所述矽晶棒的距離為10-40mm。
示例性地，在所述橢圓形的長軸方向上，所述導流筒底部與所述矽晶棒的最大距離為20-60mm。
示例性地，所述導流筒包括調整裝置，用以調整所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離。
示例性地，所述導流筒包括內筒、外筒以及隔熱材料，其中，所述外筒的底部延伸至所述內筒底部下方並與所述內筒底部閉合以在所述內筒和所述外筒之間形成空腔，所述隔熱材料設置在所述空腔內；其中，
所述調整裝置包括插入部件，所述插入部件包括突出部和插入部，所述插入部插入所述外筒底部延伸至所述內筒底部下方的部分與所述內筒底部之間的位置，所述突出部位於所述內筒底部內側。
示例性地，所述調整裝置包括沿著垂直於所述磁場的方向上設置在所述導流筒上的至少兩個。
示例性地，所述突出部設置為橢圓形圓環。
根據本發明的半導體晶體生長裝置，利用沿著所述矽晶棒的圓周方向，將導流筒底部與矽晶棒之間設置不同的距離，在所述磁場的方向上所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離大於垂直於所述磁場的方向上所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離，從而對矽晶棒與矽熔體界面下方的矽熔體溫度的分佈起到調節作用，從而可以調整因為施加的磁場導致的矽熔體溫度在圓周方向分佈的波動，有效改善了矽熔體溫度分佈的均勻性，從而改善了晶體生長的速度均勻性，改善了拉晶質量。同時還對矽熔體的流動結構進行調整，使矽熔體的流動狀態沿著圓周方向更加均勻，這進一步改善了晶體生長的速度均勻性，減小了晶體生長的缺陷。
在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對於本領域技術人員而言顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對於本領域公知的一些技術特徵未進行描述。
為了徹底理解本發明，將在下列的描述中提出詳細的描述，以說明本發明所述的半導體晶體生長裝置。顯然，本發明的施行並不限於半導體領域的技術人員所熟習的特殊細節。本發明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。
應予以注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施例，而非意圖限制根據本發明的示例性實施例。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式。此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在所述特徵、整體、步驟、操作、元件和/或組件，但不排除存在或附加一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組合。
現在，將參照附圖更詳細地描述根據本發明的示例性實施例。然而，這些示例性實施例可以多種不同的形式來實施，並且不應當被解釋為只限於這裡所闡述的實施例。應當理解的是，提供這些實施例是為了使得本發明的公開徹底且完整，並且將這些示例性實施例的構思充分傳達給本領域普通技術人員。在附圖中，為了清楚起見，誇大了層和區域的厚度，並且使用相同的附圖標記表示相同的元件，因而將省略對它們的描述。
參看圖2，示出了一種半導體晶體生長裝置的結構示意圖，半導體晶體生長裝置包括爐體1，爐體1內設置有坩堝11，坩堝11外側設置有對其進行加熱的加熱器12，坩堝11內容納有矽熔體13，坩堝11由石墨坩堝和套設在石墨坩堝內的石英坩堝構成，石墨坩堝接收加熱器的加熱使石英坩堝內的多晶矽材料融化形成矽熔體。其中每一石英坩堝用於一個批次半導體生長工藝，而每一石墨坩堝用於多批次半導體生長工藝。
在爐體1頂部設置有提拉裝置14，在提拉裝置14的帶動下，籽晶從矽熔體液面提拉拉出矽晶棒10，同時環繞矽晶棒10四周設置熱屏裝置，示例性地，如圖1所示，熱屏裝置包括有導流筒16，導流筒16設置為桶型，其作為熱屏裝置一方面用以在晶體生長過程中隔離石英坩堝以及坩堝內的矽熔體對晶體表面產生的熱輻射，提升晶棒的冷卻速度和軸向溫度梯度，增加晶體生長數量，另一方面，影響矽熔體表面的熱場分佈，而避免晶棒的中心和邊緣的軸向溫度梯度差異過大，保證晶棒與矽熔體液面之間的穩定生長；同時導流筒還用以對從晶體生長爐上部導入的惰性氣體進行導流，使之以較大的流速利用矽熔體表面，達到控制晶體內氧含量和雜質含量的效果。在半導體晶體生長過程中，在提拉裝置14的帶動下，矽晶棒10垂直向上穿過導流筒16。
為了實現矽晶棒的穩定增長，在爐體1底部還設置有驅動坩堝11旋轉和上下移動的驅動裝置15，驅動裝置15驅動坩堝11在拉晶過程中保持旋轉是為了減少矽熔體的熱的不對稱性，使矽晶柱等徑生長。
為了阻礙矽熔體的對流，增加矽熔體中的黏滯性，減少氧、硼、鋁等雜質從石英坩堝進入熔體，進而進入晶體，最終使得生長出來的矽晶體可以具有得到控制的從低到高廣範圍的氧含量，減少雜質條紋，半導體生長裝置中還包括設置在爐體外側的磁場施加裝置17，用以對坩堝內的矽熔體施加磁場。
由於磁場施加裝置17施加的磁場的磁力線從一端平行穿過在坩堝內矽熔體到另一端（參看圖2中虛線箭頭），旋轉中的矽熔體產生的勞倫茲力在圓周方向都不相同，因此矽熔體的流動和溫度分佈在圓周方向上不一致，其中沿著磁場方向的溫度高於垂直於磁場的方向。矽熔體的流動和溫度的不一致表現為半導體晶體和熔液的界面下方的熔液溫度隨著角度的變化呈現波動，從而使晶體的結晶速度PS呈現波動，從而半導體生長速度在圓周上呈現不均勻，不利於半導體晶體生長品質的控制。
為此，本發明的半導體生長裝置中，將導流筒16設置為沿著所述矽晶棒的圓周方向，所述導流筒底部與所述矽晶棒之間具有不同的距離。
沿著矽晶棒的圓周，將導流筒底部與矽晶棒之間設置不同的距離，在磁場的方向上所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離大於垂直於所述磁場的方向上所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離，在距離較大的地方，矽熔體液面輻射到矽晶棒和導流筒內側的熱量大，在距離較小的地方，矽熔體液面輻射到矽晶棒和導流筒內側的熱量小，從而使距離較大的地方的矽熔體液面的溫度較距離較小的地方的矽熔體液面的溫度減少的多，彌補了因為施加的磁場對矽熔體流動的影響導致的在磁場的施加方向上的溫度高於垂直於磁場施加方向的溫度的問題。據此，利用設置導流筒底部與矽晶棒之間的距離，從而對矽晶棒與矽熔體界面下方的矽熔體溫度的分佈起到調節作用，從而可以調整因為施加的磁場導致的矽熔體溫度在圓周方向分佈的波動，有效改善了矽熔體溫度分佈的均勻性，從而改善了晶體生長的速度均勻性，改善了拉晶質量。
同時，由於沿著所述矽晶棒的圓周方向，所述導流筒底部與所述矽晶棒之間具有不同的距離，使得在距離較大的位置處，從爐體頂部通入的利用導流筒導流到矽熔體液面位置處的壓力流速降低，矽熔體液面的剪切力降低，在距離較小的位置處，從爐體頂部通入的利用導流筒導流到矽熔體液面位置處的壓力流速增加，矽熔體液面的剪切力增加，據此，利用設置導流筒底部與矽晶棒之間的距離，從而對矽熔體的流動結構進行進一步調整，使矽熔體的流動狀態沿著圓周方向更加均勻，這進一步改善了晶體生長的速度均勻性，改善了拉晶質量。同時，利用改變矽熔體的流動狀態，可以改善晶體內的氧含量分佈的均勻性，減小晶體生長的缺陷。
根據本發明的一個示例，所述導流筒16的底部的橫截面呈橢圓形。參看圖3，示出了根據本發明的一個實施例的半導體晶體生長裝置中坩堝、導流筒和矽晶棒的橫截面位置排列示意圖。如圖3所示，導流筒16的底部呈橢圓形，其長軸為C1，短軸為C2。箭頭D1示出為磁場的方向，箭頭D2示出為坩堝11旋轉的方向。從圖3中可以看出，由於長軸C1靠近Y軸，沿著磁場的方向（Y軸方向）上導流筒16底部距離矽晶棒10的距離大於垂直於磁場方向（X軸方向）上導流筒16底部距離矽晶棒10的距離。
進一步，示例性的，所述橢圓形的長軸與所述磁場（Y軸方向）的夾角α的範圍為0-45°。
進一步，在所述橢圓形的短軸方向上，所述導流筒底部與所述矽晶棒的距離為10-40mm。
進一步，在所述橢圓形的長軸方向上，所述導流筒底部與所述矽晶棒的最大距離20-60mm。
在上述設置形式下，導流筒底部與矽晶棒之間的距離從短軸方向上的最小距離向長軸方向上的最大距離過渡，使矽熔體液面輻射到矽晶棒和導流筒內側的熱量隨著導流筒底部與矽晶棒之間的距離得到平緩調整，使矽熔體溫度和流動結構得到平緩調整，避免劇烈調整引起的矽熔體溫度和流動結構的波動，進一步改善矽熔體溫度和流動結構均勻性，改善拉晶質量。在本發明的一個示例中，所述橢圓形的長軸與所述磁場（Y軸方向）的夾角α為45°，在所述橢圓形的短軸方向上，所述導流筒底部與所述矽晶棒的距離為10mm，在所述橢圓形的長軸方向上，所述導流筒底部與所述矽晶棒的最大距離60mm。
根據本發明的一個示例，所述導流筒包括調整裝置，用以調整所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離。採用增設調整裝置的形式改變導流筒底部與矽晶棒之間的距離，可以在現有導流筒結構上在簡化導流筒的製造工藝。
示例性的，導流筒包括內筒、外筒以及隔熱材料，其中，所述外筒的底部延伸至所述內筒底部下方並與所述內筒底部閉合以在內筒和外筒之間形成空腔，所述隔熱材料設置在所述空腔內。
根據本發明的一個示例，所述調整裝置包括插入部件，所述插入部件包括突出部和插入部，所述插入部插入所述外筒底部延伸至所述內筒底部下方的部分與所述內筒底部之間的位置，所述突出部位於所述內筒底部內側，由於現有的導流筒一般設置為圓錐桶型，導流筒底部通常採用橫截面為圓形的設置，利用將導流筒設置為包括在內筒和外筒之間的插入部件，可以在不改變現有導流筒結構的情況下，利用調整插入部件的結構和形狀，靈活調整導流筒底部的形狀，以調整導流筒底部與矽晶棒之間的距離；從而實現在不改變現有半導體生長裝置的情況下，利用設置具有插入部的調整裝置達到本發明的效果。同時插入部件可以模塊化製造、更換，進而適應各種不同尺寸的半導體晶體生長工藝，進而節約成本。
參看圖4，示出了根據本發明的一個實施例的半導體生長裝置中的導流筒的結構示意圖。參看圖4，導流筒16包括內筒161、外筒162以及設置在內筒161和外筒162之間的隔熱材料163，其中，外筒162的底部延伸至內筒161的底部下方並與內筒161的底部閉合以在內筒161和外筒162之間形成容納隔熱材料163的空腔。將導流筒設置為包括內筒、外筒和隔熱材料的結構，可以簡化導流筒的安裝。示例性的，內筒和外筒的材料設置為石墨，隔熱材料包括玻璃纖維、石棉、岩棉、矽酸鹽、氣凝膠氈、真空板等。
繼續參看圖4，在導流筒16的下端設置有調整裝置18。調整裝置，調整裝置18包括突出部181和插入部182，所述插入部182設置為插入外筒162底部延伸至內筒161底部下方的部分與內筒161底部之間的位置。將調整裝置以插入的形式安裝在導流筒上，而不需要對導流筒進行改造，就可實現調整裝置的安裝，進一步簡化調整裝置與導流筒的製造和安裝成本。同時，插入部插入外筒底部和內筒底部之間的位置，有效減小了外筒向內筒的熱傳導，降低了內筒的溫度，進一步減少了內筒向晶棒的輻射傳熱，有效減小了矽晶棒中心和外周的軸向溫度梯度的差值，提升了拉晶質量。示例性的，所述調整裝置設置為熱導率較低的材料，如SiC陶瓷，石英等。
示例性的，所述調整裝置可以分段設置，如沿著垂直於所述磁場的方向上設置在所述導流筒上的兩個；也可以沿著導流筒底部圓周設置，如設置為橢圓形圓環。
需要理解的是，調整裝置以分段設置或者以橢圓形圓環設置僅僅是示例性的，任何能夠調整導流筒內筒底部與所述矽晶棒之間的距離的調整裝置均適用于本發明。
本發明已經利用上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制於所描述的實施例範圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發明並不局限於上述實施例，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的範圍以內。本發明的保護範圍由附屬的申請專利範圍及其等效範圍所界定。
1:爐體
10:矽晶棒
11:驅動坩堝
12:加熱器
13:矽熔體
14:提拉裝置
15:驅動裝置
16:導流筒
17:磁場施加裝置
18:調整裝置
161:內筒
162:外筒
163:隔熱材料
181:突出部
182:插入部
本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用於理解本發明。附圖中示出了本發明的實施例及其描述，用來解釋本發明的原理。
附圖中：
圖1A和圖1B為一種半導體晶體生長裝置中，晶體生長的晶體和熔體的界面下方的溫度分佈的示意圖；
圖2為根據一種半導體晶體生長裝置的結構示意圖；
圖3為根據本發明的一個實施例的半導體晶體生長裝置中坩堝、導流筒和矽晶棒的橫截面位置排列示意圖；
圖4為根據本發明的一個實施例的半導體生長裝置中的導流筒的結構示意圖。
10:矽晶棒
11:驅動坩堝
16:導流筒
Claims (9)
- 一種半導體晶體生長裝置，包括： 爐體； 坩堝，所述坩堝設置在所述爐體內部，用以容納矽熔體； 提拉裝置，所述提拉裝置設置在所述爐體頂部，用以從所述矽熔體內提拉出矽晶棒； 導流筒，所述導流筒呈桶狀並沿垂直方向設置在所述爐體內的所述矽熔體的上方； 所述提拉裝置提拉所述矽晶棒在垂直方向上穿過所述導流筒；以及 磁場施加裝置，用以對所述坩堝內的所述矽熔體施加水平方向的磁場； 其中，在所述提拉裝置提拉所述矽晶棒穿過所述導流筒的過程中，在所述磁場的方向上的所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離大於垂直於所述磁場的方向上的所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離。
- 根據請求項1所述的半導體晶體生長裝置，其中所述導流筒底部的橫截面呈橢圓形。
- 根據請求項2所述的半導體晶體生長裝置，其中所述橢圓形的長軸與所述磁場的夾角的範圍為0-45°。
- 根據請求項2所述的半導體晶體生長裝置，其中在所述橢圓形的短軸方向上，所述導流筒底部與所述矽晶棒的距離為10-40mm。
- 根據請求項3所述的半導體晶體生長裝置，其中在所述橢圓形的長軸方向上，所述導流筒底部與所述矽晶棒的最大距離為20-60mm。
- 根據請求項1所述的半導體晶體生長裝置，其中所述導流筒包括調整裝置，用以調整所述導流筒底部與所述矽晶棒之間的距離。
- 根據請求項6所述的半導體晶體生長裝置，其中所述導流筒包括內筒、外筒以及隔熱材料，其中，所述外筒的底部延伸至所述內筒底部下方並與所述內筒底部閉合以在所述內筒和所述外筒之間形成空腔，所述隔熱材料設置在所述空腔內； 其中，所述調整裝置包括插入部件，所述插入部件包括突出部和插入部，所述插入部插入所述外筒底部延伸至所述內筒底部下方的部分與所述內筒底部之間的位置，所述突出部位於所述內筒底部內側。
- 根據請求項6所述的半導體晶體生長裝置，其中所述調整裝置包括沿著垂直於所述磁場的方向上設置在所述導流筒上的至少兩個。
- 根據請求項7所述的半導體晶體生長裝置，其中所述突出部設置為橢圓形圓環。
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