TW202300736A - 一種加熱器和單晶爐 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種加熱器和單晶爐。該加熱器包括加熱本體；該加熱本體呈碗狀且底部具有開口；該加熱本體在周向上劃分為第一加熱區和第二加熱區，第一加熱區包括第一主加熱區，第二加熱區包括第二主加熱區，第一主加熱區和第二主加熱區位於加熱本體的軸向的不同高度。本發明實施例中，通過將加熱本體的形狀設置為與坩堝外形相適配的碗狀，並且第一加熱區包括的第一主加熱區和第二加熱區包括的第二主加熱區位於加熱本體的軸向的不同高度，即呈現出不對稱性，從而有利於晶棒中心的軸向溫度差與晶棒邊緣的軸向溫度差的差值變小，有利於無缺陷晶棒的生長，同時控制氧含量的有效析出，提高晶棒軸向和徑向的氧含量均一性。
Description
本發明屬於單晶製備技術領域，具體關於一種加熱器和單晶爐。
隨著對半導體矽晶圓品質要求的不斷提高，對拉晶過程中晶棒的晶體缺陷有了更高的管控要求，而熱場 (Hot Zone) 的結構及性能直接影響著晶棒的品質，因此熱場的設計至關重要。對於單晶爐而言，加熱器的設計是熱場設計的核心之一。加熱器承擔著單晶爐的熱量輸出，在多晶矽料熔化階段和後期成形階段都起著重要的作用，其形狀及加熱區域的大小直接影響著拉晶爐溫度場，進而影響晶棒的品質。
而相關技術中的加熱器的加熱效率不高，尤其在晶棒等徑生長後期，隨著熔體的不斷減少，熔體保持熱量的能力下降，這更大程度上加劇了熔體溫度場的不均勻性，同時傳統加熱器由於受熱量傳輸方式的限制，對流方式不利於氧的有效析出及晶棒中氧的徑向均勻浸入，這很大程度上限制了晶棒中氧的均勻性分佈，影響了晶棒的整體品質。
有鑑於此，本發明提供一種加熱器和單晶爐，能夠解決相關技術中加熱器的加熱效率不高，不利於氧的有效析出及晶棒中氧的徑向均勻侵入，導致晶棒品質不高的問題。
為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案：
本發明第一方面實施例提供了一種加熱器，該加熱器包括加熱本體；
該加熱本體呈與坩堝外形相適配的碗狀，且該加熱本體的底部具有開口；
該加熱本體在周向上劃分為第一加熱區和第二加熱區，該第一加熱區包括第一主加熱區，該第二加熱區包括第二主加熱區，該第一主加熱區和該第二主加熱區位於該加熱本體的軸向的不同高度。
可選地，該加熱本體包括在該加熱本體的軸向呈上下設置並連為一體的直筒部和弧形部，該第一加熱區中的第一主加熱區位於該直筒部，該第二加熱區中的第二主加熱區位於該弧形部。
可選地，該加熱本體上開設有周向交替分佈的第一開槽和第二開槽以將該加熱本體分割為多根首尾依次相連的加熱條，該第一開槽自該加熱本體的上端向該加熱本體的下端延伸且未貫穿該加熱本體的下端，該第二開槽自該加熱本體的下端向該加熱本體的上端延伸且未貫穿該加熱本體的上端，位於該第一加熱區中的第二開槽延伸至相鄰兩條該第一開槽之間的區域，位於該第二加熱區中的第一開槽延伸至相鄰兩條該第二開槽之間的區域。
可選地，該第二開槽延伸至相鄰兩條該第一開槽之間的區域的部分的長度與該直筒部的高度的比值為1/2~2/3。
可選地，該第一開槽延伸至相鄰兩條該第二開槽之間的區域的部分的長度與該弧形部的弧線長度的比值為3/4。
可選地，該第一開槽延伸至相鄰兩條該第二開槽之間的區域的部分的長度大於該第二開槽延伸至相鄰兩條該第一開槽之間的區域的部分的長度。
可選地，該直筒部的高度小於該弧形部的弧線長度。
可選地，該第一加熱區與該第二加熱區為該加熱本體在周向上平分得到。
本發明另一方面實施例還提供了一種單晶爐，該單晶爐包括第一方面所述之加熱器。
可選地，該單晶爐還包括：
坩堝，該坩堝的外形與該加熱器的加熱本體的外形均為碗狀。
本發明上述技術方案的有益效果如下：
根據本發明實施例的加熱器，通過將加熱本體的形狀設置為與坩堝外形相適配的碗狀，可以高效地將熱量傳輸給坩堝，提高了加熱器的加熱效率；並且加熱本體在周向上劃分的第一加熱區和第二加熱區中，第一加熱區包括的第一主加熱區和第二加熱區包括的第二主加熱區位於加熱本體的軸向的不同高度，即呈現出不對稱性，從而有利於晶棒中心的軸向溫度差與晶棒邊緣的軸向溫度差的差值變小，使固液交界面的形狀變得平緩，有利於無缺陷晶棒的生長，同時改變了熔體自然外對流，配合坩堝轉速，可以控制氧含量的有效析出，同時改變熔體表面張力，使其呈現沿徑向呈梯度變化，形成介面對流，與晶轉形成的內對流配合，有利於氧均勻浸入晶棒，提高晶棒軸向和徑向的氧含量均勻性。
為利 貴審查委員了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本發明配合附圖及附件，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請範圍，合先敘明。
在本發明實施例的描述中，需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特徵。在本發明實施例的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
在本發明實施例中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的具通常知識者而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明實施例中的具體含義。
請參考圖1和圖2，圖1為本發明實施例提供的一種加熱器的裝配示意圖，圖2為本發明實施例提供的一種加熱本體的示意圖。如圖1和圖2所示，本發明一方面實施例提供了一種加熱器，該加熱器應用於單晶爐，該加熱器包括加熱本體1，加熱本體1呈與坩堝的外形相適配的碗狀，也就是說，單晶爐中用於盛放矽料的坩堝呈碗狀，該坩堝具體可以為石墨坩堝5，而加熱器的加熱本體1也呈與坩堝的外形相同的碗狀，相當於將石墨坩堝5等比例擴大，由此，加熱本體1不同部分與坩堝對應部分的距離基本一致，加熱本體1產生的熱量可以均勻地傳輸給坩堝，坩堝再將熱量均勻傳遞給坩堝內的矽料，從而提升了加熱器的加熱效率。
本發明實施例中，加熱本體1在周向上劃分為第一加熱區和第二加熱區，第一加熱區包括第一主加熱區111，該第一主加熱區111的加熱功率大於第一加熱區中除第一主加熱區111以外的其他區域的加熱效率，可選地，第一主加熱區111與第一加熱區中其他區域呈上下設置。而第二加熱區則包括第二主加熱區112，該第二主加熱區112的加熱功率大於第二加熱區中除第二主加熱區112以外的其他區域的加熱效率，可選地，第二主加熱區112與第二加熱區中其他區域呈上下設置。並且，第一主加熱區111和第二主加熱區112位於加熱本體1的軸向的不同高度，也就是說，第一加熱區中的第一主加熱區111和第二加熱區中的第二主加熱區112在加熱本體1的軸向上的高度不同，第一主加熱區111和第二主加熱區112在周向上呈現出不對稱性。如圖1所示，第一主加熱區111形成的加熱方向主要為橫向輻射，而第二主加熱區112形成的加熱方向主要為斜向上輻射。其中，加熱過程中，熔體3會產生自然外對流6，晶棒2轉動則會形成強迫內對流7。
由此，本發明實施例中的加熱器採用上述設置方式，有利於晶棒2中心的軸向溫度差與晶棒2邊緣的軸向溫度差的差值△G變小，使得固液交界面的形狀變得平緩，從而有利於無缺陷晶棒的生長；並且，還可以改變熔體3的自然外對流6，配合坩堝自身的轉速，可以控制氧含量的有效析出；此外，還可以改變熔體3表面張力，使其呈現沿徑向呈梯度變化，形成介面對流，與晶棒2轉動形成的強迫內對流7配合，可以有利於氧均勻浸入晶棒2，繼而提高晶棒2的軸向和徑向的氧含量均一性，從而提升晶棒2的品質。
本發明的一些實施例中，加熱本體1包括在加熱本體1的軸向上呈上下設置、並且連為一體的直筒部11和弧形部12，也即直筒部11位於弧形部12的上方，直筒部11即呈直筒形狀，而弧形部12則呈弧形。其中，第一加熱區中的第一主加熱區111位於直筒部11，而第二加熱區中的第二主加熱區112則位於弧形部12。由此，第一主加熱區111和第二主加熱區112位於加熱本體1的軸向的不同高度，實現不對稱設置。
本發明的一些實施例中，加熱本體1上開設有周向交替分佈的第一開槽8和第二開槽9，第一開槽8和第二開槽9將加熱本體1分割為多根首尾依次相連的加熱條，也即多根加熱條呈串聯形式。其中，第一開槽8自加熱本體1的上端向加熱本體1的下端延伸且未貫穿加熱本體1的下端，而第二開槽9則自加熱本體1的下端向加熱本體1的上端延伸且未貫穿加熱本體1的上端；並且，位於第一加熱區中的第二開槽9延伸至相鄰兩條第一開槽8之間的區域，也即第一加熱區中的第二開槽9的部分位於相鄰兩條第一開槽8之間的區域；而位於第二加熱區中的第一開槽8延伸至相鄰兩條第二開槽9之間的區域，也即第二加熱區中的第一開槽8的部分位於相鄰兩條第二開槽9之間的區域。由此，使得第一加熱區中的第一開槽8和第二開槽9形成的第一主加熱區111位於直筒部11，而第二加熱區中的第一開槽8和第二開槽9形成的第二主加熱區112位於弧形部12。
可選地，加熱本體1上還設置有用於與電極連接的引腳，以方便加熱本體與外部電源接通，實現電加熱。
本發明的另一些實施例中，在第一加熱區中，第二開槽9延伸至相鄰兩條第一開槽8之間的區域的部分的長度與直筒部11的高度的比值為1/2~2/3，由此，通過控制第二開槽9延伸至相鄰兩條第一開槽8之間的區域的部分的長度與直筒部11的高度的比值，繼而可以控制第一加熱區中的第一主加熱區111的面積大小。
本發明的另一些實施例中，在第二加熱區中，第一開槽8延伸至相鄰兩條第二開槽9之間的區域的部分的長度與該弧形部12的弧線長度的比值為3/4，由此，通過控制第一開槽8延伸至相鄰兩條第二開槽9之間的區域的部分的長度與該弧形部12的弧線長度的比值，繼而可以控制第二加熱區中的第二主加熱區112的面積大小。其中，所謂弧形部12的弧線長度，即弧形部12的下端到弧形部12的上端之間的弧線的長度，該弧線為過加熱本體1的軸線的平面剖切弧形部12得到。
本發明的一些實施例中，第二加熱區中的第一開槽8延伸至相鄰兩條第二開槽9之間的區域的部分的長度大於第一加熱區中的第二開槽9延伸至相鄰兩條第一開槽8之間的區域的部分的長度。也就是說，第二加熱區中的第二主加熱區112的加熱效率要大於第一加熱區中的第一主加熱區111的加熱效率，從而有利於氧的有效析出及晶棒2中氧的徑向均勻侵入。
本發明的另一些實施例中，直筒部11的高度小於弧形部12的弧線長度。其中，所謂弧形部12的弧線長度，即弧形部12的下端到弧形部12的上端之間的弧線的長度，該弧線為過加熱本體1的軸線的剖切面剖切弧形部12得到。由此，弧形部12在加熱本體1的軸向上的加熱範圍大於直筒部11在加熱本體1的軸向上的加熱範圍，即弧形部12的加熱效率大於直筒部11的加熱效率，從而改善熔體3自然外對流6和晶體轉動形成的內對流。
本發明的一些實施例中，第一加熱區與第二加熱區為加熱本體1在周向上平分得到，也即第一加熱區和第二加熱區在加熱本體1的周向上的長度相同。當然，可選地，在一些實施例中，第一加熱區和第二加熱區在加熱本體1的周向上的長度也可以不相同，例如，第一加熱區在加熱本體1的周向上的長度占加熱本體1的周向長度的1/3，而第二加熱區在加熱本體1的周向上的長度占加熱本體1的周向長度的2/3，具體的尺寸可以根據實際單晶爐設計需求確定，本發明實施例不做具體限定。
本發明實施例中，通過將加熱本體1的形狀設置為與坩堝外形相適配的碗狀，可以高效地將熱量傳輸給坩堝，提高了加熱器的加熱效率；並且加熱本體在周向上劃分的第一加熱區和第二加熱區中，第一加熱區包括的第一主加熱區和第二加熱區包括的第二主加熱區位於加熱本體的軸向的不同高度，即呈現出不對稱性，從而有利於晶棒中心的軸向溫度差與晶棒邊緣的軸向溫度差的差值變小，使固液交界面的形狀變得平緩，有利於無缺陷晶棒的生長，同時改變了熔體自然外對流，配合坩堝轉速，可以控制氧含量的有效析出，同時改變熔體表面張力，使其呈現沿徑向呈梯度變化，形成介面對流，與晶轉形成的強迫內對流配合，有利於氧均勻浸入晶棒，提高晶棒軸向和徑向的氧含量均勻性。
本發明另一方面實施例還提供了一種單晶爐，該單晶爐包括上述實施例中所述之加熱器，且能達到相同的技術效果，為避免重複，在此不再贅述。
本發明的一些實施例中，單晶爐還包括：
坩堝，該坩堝的外形與該加熱器的加熱本體1的外形均為碗狀。
具體來說，如圖1和圖2所示，加熱器包括加熱本體1，加熱本體1呈與坩堝的外形相適配的碗狀，也就是說，單晶爐中用於盛放矽料的坩堝呈碗狀，該坩堝具體可以包括石墨坩堝5以及位於石墨坩堝5內部的石英坩堝4，而加熱器的加熱本體1也呈與石墨坩堝5的外形相同的碗狀，相當於將石墨坩堝5等比例擴大，由此，加熱本體1不同部分與坩堝對應部分的距離基本一致，加熱本體1產生的熱量可以均勻地傳輸給坩堝，坩堝再將熱量均勻傳遞給坩堝內的矽料，從而提升了加熱器的加熱效率。
本發明實施例中，通過將加熱器的加熱本體的形狀設置為與坩堝外形相適配的碗狀，可以高效地將熱量傳輸給坩堝，提高了加熱器的加熱效率；並且加熱本體在周向上劃分的第一加熱區和第二加熱區中，第一加熱區包括的第一主加熱區和第二加熱區包括的第二主加熱區位於加熱本體的軸向的不同高度，即呈現出不對稱性，從而有利於晶棒中心的軸向溫度差與晶棒邊緣的軸向溫度差的差值變小，使固液交界面的形狀變得平緩，有利於無缺陷晶棒的生長，同時改變了熔體自然外對流，配合坩堝轉速，可以控制氧含量的有效析出，同時改變熔體表面張力，使其呈現沿徑向呈梯度變化，形成介面對流，與晶轉形成的內對流配合，有利於氧均勻浸入晶棒，提高晶棒軸向和徑向的氧含量均一性。
需要說明的是：本發明實施例所記載的技術方案之間，在不衝突的情況下，可以任意組合。以上僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍，如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。
1:加熱本體
2:晶棒
3:熔體
4:石英坩堝
5:石墨坩堝
6:自然外對流
7:強迫內對流
8:第一開槽
9:第二開槽
11:直筒部
12:弧形部
111:第一主加熱區
112:第二主加熱區
圖1為本發明實施例提供的一種加熱器的裝配示意圖；
圖2為本發明實施例提供的一種加熱本體的示意圖。
1:加熱本體
2:晶棒
3:熔體
4:石英坩堝
5:石墨坩堝
6:自然外對流
7:強迫內對流
111:第一主加熱區
112:第二主加熱區
Claims (10)
- 一種加熱器，該加熱器包括加熱本體； 該加熱本體呈與坩堝外形相適配的碗狀，且該加熱本體的底部具有開口； 該加熱本體在周向上劃分為第一加熱區和第二加熱區，該第一加熱區包括第一主加熱區，該第二加熱區包括第二主加熱區，該第一主加熱區和該第二主加熱區位於該加熱本體的軸向的不同高度。
- 如請求項1所述之加熱器，其中，該加熱本體包括在該加熱本體的軸向呈上下設置並連為一體的直筒部和弧形部，該第一加熱區中的第一主加熱區位於該直筒部，該第二加熱區中的第二主加熱區位於該弧形部。
- 如請求項2所述之加熱器，其中，該加熱本體上開設有周向交替分佈的第一開槽和第二開槽以將該加熱本體分割為多根首尾依次相連的加熱條，該第一開槽自該加熱本體的上端向該加熱本體的下端延伸且未貫穿該加熱本體的下端，該第二開槽自該加熱本體的下端向該加熱本體的上端延伸且未貫穿該加熱本體的上端，位於該第一加熱區中的第二開槽延伸至相鄰兩條該第一開槽之間的區域，位於該第二加熱區中的第一開槽延伸至相鄰兩條該第二開槽之間的區域。
- 如請求項3所述之加熱器，其中，該第二開槽延伸至相鄰兩條該第一開槽之間的區域的部分的長度與該直筒部的高度的比值為1/2~2/3。
- 如請求項3所述之加熱器，其中，該第一開槽延伸至相鄰兩條該第二開槽之間的區域的部分的長度與該弧形部的弧線長度的比值為3/4。
- 如請求項3所述之加熱器，其中，該第一開槽延伸至相鄰兩條該第二開槽之間的區域的部分的長度大於該第二開槽延伸至相鄰兩條該第一開槽之間的區域的部分的長度。
- 如請求項2所述之加熱器，其中，該直筒部的高度小於該弧形部的弧線長度。
- 如請求項1所述之加熱器，其中，該第一加熱區與該第二加熱區為該加熱本體在周向上平分得到。
- 一種單晶爐，包括如請求項1至8中任一項所述之加熱器。
- 如請求項9所述之單晶爐，還包括： 坩堝，該坩堝的外形與該加熱器的加熱本體的外形均為碗狀。
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