TW202421864A - 水冷裝置和單晶爐 - Google Patents

Abstract

本發明屬於一種水冷裝置和單晶爐，水冷裝置應用於單晶爐內，包括水冷套，沿水冷套的軸向方向，水冷套包括相對的第一端和第二端，在水冷套位於單晶爐內時，第二端靠近單晶爐內的坩堝設置，沿從第一端到第二端的方向，水冷套包括第一部分和第二部分，第一部分包括間隔設置的冷卻區和非冷卻區。

Description

水冷裝置和單晶爐

本發明屬於單晶棒製作技術領域，特別是關於一種水冷裝置和單晶爐。

相關技術中，電子級大尺寸半導體拉晶過程中，為了提升晶體生長速度以及缺陷控制，一般會在已完成晶體生長的區域添加水冷裝置。對於有體微缺陷（Bulk Micro Defect，BMD）密度（＞5E8）要求的用於磊晶產品的晶棒開發，一般採用摻雜氮的方法。為滿足高BMD濃度，摻氮濃度一般高於1E14atom/cm ³，然而當氮濃度過高時會在高溫時（1000-1200°C）形成較多的大尺寸氧沉澱，在晶體冷卻過程中產生較大應力併產生相關位錯缺陷。當該種缺陷出現在磊晶矽片基底表面時，會出現隨著磊晶層的生長而延伸到磊晶層中造成磊晶層錯（EPI Stacking Fault）。另外為形成高密度的BMD，首先需要晶體中有足夠的殘存空位濃度，此外還需要晶體在成核溫度區間（600-850°C）盡量延長停留時間。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種水冷裝置和單晶爐，解決如何延長晶體在溫度區間600-850°C的停留時間，以拉製高密度BMD的晶棒。

為了達到上述目的，本發明採用的技術方案是：一種水冷裝置，應用於單晶爐內，包括水冷套，沿水冷套的軸向方向，水冷套包括相對的第一端和第二端，在水冷套位於單晶爐內時，第二端靠近單晶爐內的坩堝設置，沿從第一端到第二端的方向，水冷套包括第一部分和第二部分，第一部分包括間隔設置的冷卻區和非冷卻區。

可選地，非冷卻區設置有至少一個通孔。

可選地，冷卻區的面積小於非冷卻區的面積。

可選地，非冷卻區的面積大於或等於第一部分的總面積的80%。

可選地，在水冷套的周向方向上，一個冷卻區的周向長度小於一個非冷卻區的周向長度。

可選地，冷卻區的內表面設置有第一塗層，第一塗層的發射率小於0.3。

可選地，冷卻區的側壁上設置有沿水冷套的軸向方向延伸的第一冷卻管道，第二部分的側壁上設置有與第一冷卻管道連通的第二冷卻管道。

可選地，第二部分的側壁中空以形成第二冷卻管道。

可選地，第二部分的內表面設置有第二塗層，第二塗層的發射率大於0.8。

本發明還提供一種單晶爐，包括上述的水冷裝置。

本發明的有益效果是：將水冷套沿其軸向方向進行分段設置，並在第一部分上設置冷卻區和非冷卻區，降低第一部分的冷卻面積，從而降低第一部分的冷卻效率，進而可以延長晶體在BMD形核溫度（600-850°C）區域滯留的時間以促進BMD形核密度。

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例的附圖，對本發明實施方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於所描述的本發明的實施例，本領域具通常知識者在無需進步性改良的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

除非另外定義，本發明使用的技術術語或者科學術語應當為本發明所屬領域內具有一般技能的人士所理解的通常意義。本發明中使用的“第一”、“第二”以及類似的詞語並不表示任何順序、數量或者重要性，而只是用來區分不同的組成部分。同樣，“一個”、“一”或者“該”等類似詞語也不表示數量限制，而是表示存在至少一個。“包括”或者“包含”等類似的詞語意指出現該詞前面的元件或者物件涵蓋出現在該詞後面列舉的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“連接”或者“相連”等類似的詞語並非限定於實體的或者機械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。“上”、“下”、“左”、“右”等僅用於表示相對位置關係，當被描述對象的絕對位置改變後，則該相對位置關係也可能相應地改變。

近年來，隨著半導體元件製造過程中細微化的發展，對所需要的矽片的要求越來越高，不僅要求矽片表面區域缺陷很少甚至無缺陷，而且要求矽片具有足夠的體微缺陷（Bulk Micro Defects，BMD），以保護設置電子元件的矽片區域不被重金屬雜質汙染。而矽片中含有的重金屬雜質已然成為影響半導體元件品質的重要因素，因此重金屬雜質的含量需要在矽片生產過程中極力減少。目前，已知當在矽片內部形成足夠多的BMD時，這些BMD具有捕捉重金屬雜質的本徵吸雜（Intrinsic Gettering，IG）作用，能夠極大改善由於重金屬雜質導致的半導體元件品質不良的問題。近年來對含有BMD密度等於或大於1×10 ⁸個/cm ³的矽片需求增加，因此在矽片供應至電子元件製造廠時需要在基材矽片中具有足夠的BMD核心，從而可以獲得高的BMD密度。

磊晶矽片是在矽片上通過氣相沉積反應生長一層單晶層（也稱之為磊晶層），由於磊晶層具有高的結晶完整性，且幾乎沒有缺陷的特性，因此目前磊晶矽片被作為半導體元件的基板材料而廣泛使用。但是在磊晶生長過程中，由於矽片暴露在1000°C以上的高溫環境中，較小的BMD核心會被消除，因此磊晶矽片中不能夠提供足夠數量的BMD核心，導致利用上述磊晶矽片製造半導體元件時無法充分引起足夠密度的BMD，進而使得製造得到的半導體元件品質不佳。

參考圖1-圖4，本實施例提供一種水冷裝置，應用於單晶爐內，包括水冷套，沿水冷套的軸向方向，水冷套包括相對的第一端和第二端，在水冷套位於單晶爐內時，第二端靠近單晶爐內的坩堝設置，沿從第一端到第二端的方向，水冷套包括第一部分1和第二部分2，第一部分1包括間隔設置的冷卻區11和非冷卻區12。

將水冷套沿其軸向方向進行分段設置，並在第一部分上設置冷卻區和非冷卻區，降低第一部分的冷卻面積，從而降低第一部分的冷卻效率，進而可以延長晶體100在BMD形核溫度（600-850°C）區域滯留的時間以促進BMD形核密度。

需要說明的是，第一部分中1的非冷卻區11的設置，使得水冷套只有底部（即第二端）具有最大的冷卻效果，相比於傳統水冷套可以減少晶體100中的應力產生從而減少由於冷卻過快導致的晶體100開裂問題。

需要說明的是，非冷卻區12和冷卻區11的具體結構形式可以有多種，只要可以減小第一部分1的冷卻面積，以降低第一部分1的冷區效率即可。以下具體介紹本實施例中的非冷卻區12和冷卻區11的結構形式。

示例性的實施方式中，沿水冷套的周向方向間隔設置冷卻區11和非冷卻區12。

在晶棒拉製過程中，晶棒位於水冷套的中部的晶棒提升區域，沿水冷套的周向方向間隔設置冷卻區11和非冷卻區12，利於晶棒在周向方向上的溫度的均勻性。

為了有效的降低第一部分1的冷卻效率，非冷卻區12的總面積大於冷卻區11的總面積。

在一具體實施例中，在水冷套的周向方向上，一個冷卻區11的周向長度小於一個非冷卻區12的周向長度。使得每一個非冷卻區12的面積大於每一個冷卻區11的面積。

非冷卻區12的面積越大，冷卻區11的面積越小，則第一部分1的冷卻效率越低。

需要說明的是，為增加晶體在溫度區間600-850°C的滯留時間，第一部分在水冷套的軸向方向上的長度L1長度亦不應過大，例如L1的最大長度不應超過30cm（例如可以為L1可以為20cm、25cm、30cm等）。同時在L1部分，非冷卻區的面積應保證第二部分的水冷效果的情況下盡量大，示例性地，非冷卻區的面積的佔比大於或等於80%，但並不以此為限。

示例性地，在第一部分包括至少兩個冷卻區11，至少兩個冷卻區11的面積相同，提高水冷套對晶棒的溫度的均勻性，以及對矽熔液的溫度的均勻性。

示例性的實施方式中，非冷卻區12設置有至少一個通孔。

通孔的設置，可以有效的減小第一部分1的冷卻面積，從而減小第一部分1的冷卻效率，增加晶體在拉製過程中，在溫度區間（600-850°C）的停留時間。

在一實施方式中，非冷卻區12設置有一個通孔，且通孔完全覆蓋非冷卻區12。

需要說明的是，為了避免影響晶體的軸向梯度變化，晶體停留在溫度區間600-850°C的時間不宜過長，因此，第一端設置有凸緣3，凸緣3和第一部分1之間設置有連接區4，即第一部分並未直接貫穿水冷套的第一端，但並不以此為限。

示例性的實施方式中，非冷卻區12設置有多個通孔，相對於單個通孔的設置，可以增加水冷套整體的連接穩定性。

多個通孔的具體分佈方式可以有多種。例如，沿著水冷套的周向方向，並排且間隔設置多列通孔。

每一個通孔在水冷套的軸向方向上的長度可以根據實際需要設定。

每一個通孔在水冷套的周向方向上的長度也可以根據實際需要設定。

在水冷套的周向方向上，相鄰兩列通孔之間的間距可以根據實際需要設置，例如，相鄰兩列通孔之間的間距可以為通孔在水冷套的周向方向上的寬度的一半，但並不以此為限。

示例性地，多列通孔包括相鄰的第一列通孔和第二列通孔，第一列通孔中的一個通孔在第二列通孔上的正投影與第二列通孔中相應的通孔完全重合。

示例性地，多列通孔包括相鄰的第一列通孔和第二列通孔，第一列通孔中的一個通孔在第二列通孔上的正投影與第二列通孔中相應的通孔部分重合。

示例性的實施方式中，冷卻區11的內表面設置有第一塗層，第一塗層的發射率小於0.3，但並不以此為限。

第一塗層的設置可以減少冷卻區11吸收的熱量，從而降低冷卻區11的冷卻效率。

需要說明的是，第一塗層採用矽基陶瓷材料，並可通過設置其顏色的深淺來控制其發射率的大小，顏色越深則發射率越大，吸熱能力越大，顏色越淺則發射率越小，吸熱能力越小。

示例性地，第一塗層的顏色為白色，但並不以此為限。

相關技術中，為了解決磊晶矽片中BMD密度降低的問題，通常會在單晶矽棒拉制過程中進行摻氮處理以獲得穩定的BMD核心。當氮濃度過高時會在高溫時（1000-1200°C）形成較多的大尺寸氧沉澱，在晶體冷卻過程中產生較大應力併產生相關位錯缺陷。當該種缺陷出現在磊晶矽片基底表面時，會出現隨著磊晶層的生長而延伸到磊晶層中造成磊晶層錯（EPI Stacking Fault）。另外，為形成高密度的BMD，需要晶體在成核溫度區間（600-850°C）盡量延長停留時間。

相關技術中通過提升晶體拉速來減少晶體在形成大尺寸氧沉澱溫度區域（1000-1200°C）的停留時間，但此種方法相應的也會減少晶體在BMD成核溫度區間（600-850°C）的時間而不利於形成高密度BMD核心。

為了避免摻雜高氮濃度時產生磊晶層錯，使晶體在冷卻過程中在形成大尺寸氧沉澱區域的溫度（1000-1200°C）區域停留時間儘可能縮短。相對於相關技術中的水冷套，本實施例中增加第二部分的冷卻效率，具體的可以通過增加第二部分的冷卻面積來增加第二部分的冷卻效率，但並不以此為限。

示例性地，可以通過增加第二部分在水冷套的軸向方向上的長度，來增加第二部分的冷卻面積。

需要說明的是，第二部分在水冷套的軸向方向上的長度增加，則水冷套在其軸向方向上的總長度增加，進而水冷套與矽熔液的液面之間的距離減小，例如，第二部分在水冷套的軸向方向上的長度增加10-20cm，但並不以此為限。

示例性地，在水冷套的軸向方向上，第二部分的長度大於或等於10cm，例如可以為12cm、15cm等，但並不以此為限。

通過第二部分2吸收熱量以能夠充分帶走熔體輻射的熱量以及並保證晶體生長速度，降低在溫度為1000-1200°C溫度區域的停留時間。

圖2為相關技術中得晶體的軸向溫度分佈示意圖，圖3為採用本發明實施例中的水冷裝置後形成的晶體的軸向溫度分佈示意圖。

圖2和圖3中，標號101-標號102之間的區域為溫度為1000-1200°C的溫度區間，標號為103和標號104之間的區域為溫度為600-850°C的溫度區間。

從圖2和圖3中可以看出：採用本發明實施例的水冷裝置後，晶體在溫度區間1000-1200°C的拉製距離減小，晶體在溫度區間（600-850°C）的拉製距離增大，圖2中晶體在1000-1200°C的拉製距離為73mm，圖3中晶體在1000-1200°C的拉製距離減小至59mm，圖2中晶體在溫度區間（600-850°C）的拉製距離為172mm，圖3中晶體在溫度區間（600-850°C）的拉製距離增加到320mm。

需要說明的是，對應於圖2中晶體的軸向溫度分佈，水冷套的底端距矽熔液35cm，對應於圖3中晶體的軸向溫度分佈，水冷套的底端距矽熔液23cm，且第二部分在水冷套的軸向方向上的長度L2為10cm，第一部分在水冷套的軸向方向上的長度L1為30cm，非冷卻區設置通孔，且通孔的面積為第一部分的總面積的80%。

示例性的實施方式中，冷卻區11的側壁上設置有沿水冷套的軸向方向延伸的第一冷卻管道，第二部分2的側壁上設置有與第一冷卻管道連通的第二冷卻管道。

第一冷卻管道和第二冷卻管道內容納有冷卻介質，該冷卻介質可以為冷卻水，但並不以此為限。

第一冷卻管道僅分佈在冷卻區11，從而減小了第一部分1的冷卻效率。

需要說明的是，非冷卻區的面積越大，第一部分的冷區效率越低，從而晶體在溫度區域600-850度停留的時間越長，但是冷卻區的面積要保證向第二部分輸送足夠的冷卻介質，以保證第二部分的冷卻效率，因此，在一些實施方式中，非冷卻區的面積所佔第一部分的總的面積的比例小於或等於80%，但並不以此為限。

示例性地，第二部分2整體均為冷卻區11，有效的吸收熱量，保證晶體的生長速率。

為了增加第二部分2的冷卻效率，示例性的實施方式中，第二部分2整體進行中空設置，即第二部分2的側壁的內部空間作為第二冷卻管道，充滿冷卻介質，相對於鋪設多個冷卻管道的設置，可以增加冷卻面積，且可以減低成本。

為了增加第二部分2的冷卻效率，示例性的實施方式中，第二部分2的內表面設置有第二塗層，第二塗層的發射率大於0.8。

示例性地，第二塗層採用矽基陶瓷材料製成，並可通過設置其顏色的深淺來控制其發射率的大小，顏色越深則發射率越大，吸熱能力越大，顏色越淺則發射率越小，吸熱能力也越小。

示例性地，第二塗層的顏色為黑色，但並不以此為限。

為了增加第二部分2的冷卻效率，示例性的實施方式中，第二部分2的內壁設置凹凸結構，以增加冷卻面積。

需要說明的是，凹凸結構的具體結構形式可以有多種，只要可以增加第二部分2的冷卻面積即可，以下介紹幾種本實施例中的凹凸結構的具體設置形式。

示例性的實施方式中，凹凸結構包括多個沿水冷套的周向方向延伸設置的凸部和凹部，使得凹凸結構呈波浪狀。

示例性的實施方式中，凹凸結構包括間隔設置於第二部分2的內壁的多個凸起。

示例性地，多個凸起均勻分佈於第二部分2。

示例性地，多個凸起與第二部分2的側壁為一體結構，簡化製作技術，且提高多個凸起與第二部分2之間的連接穩定性。

示例性地，多個凸起由第二部分2的內壁上的相應的位置向內部延伸形成。

示例性地，相鄰兩個凸起之間為凹陷，即多個凸起的形成，是由第二部分2的內壁上的相應位置向外凹陷，使得對應凸起的位置形成凸起。

示例性地，第二部分2的內壁包括交錯設置的第一區域和第二區域，第一區域向內延伸形成凸起，以在第二部分2的內壁形成凹凸結構，和/或，第二區域向外凹陷，使得第二部分2的內壁形成凹凸結構。

示例性地，為了避免凸起對晶棒造成損傷，凸起遠離第二部分2的內壁的一端為圓端。

示例性地，水冷套的側壁的直徑從第一部分1到第二部分2的方向逐漸減小。即水冷套為錐形結構，水冷套的側壁與晶棒之間的距離越近，則冷卻速率越高，水冷套的側壁與晶棒之間的距離越遠，則冷卻速率越低。

示例性地，在水冷套的徑向方向上，第二部分2的厚度大於第一部分1的厚度，第二部分2的內部整體中空，以容納冷卻介質，增大了冷卻介質的容量，從而增大冷卻速率。

示例性地，第一部分1的外表面和第二部分2的外表面位於同一平面，第一部分1的內表面和第二部分2的內表面形成台階結構，第二部分2的內壁向內凸出設置，以免水冷套與其他部件產生干涉。

示例性地，水冷裝置還包括提升結構，提升結構用於控制水冷套的升降。

提升結構包括驅動部和傳動部，傳動部包括兩個升降桿，水冷套的第一端包括凸緣3，凸緣3與升降桿連接。

驅動部可以為驅動電機，但並不以此為限。

參考圖4，本發明實施例還提供一種單晶爐，包括上述的水冷裝置。

單晶爐還包括上述的水冷裝置，水冷裝置包括水冷套10和用於控制水冷套10升降的提升結構。

提升結構穿過爐蓋以與水冷套10連接，並控制水冷套10懸置於矽熔液的上方。

單晶爐還包括：爐體5；蓋設在爐體5上的爐蓋；坩堝元件6，設置於爐體5的內腔中，坩堝元件6包括套設的石英坩堝和石墨坩堝，石英坩堝内容納有矽溶液；導流筒9，套設在水冷套10的外側，且導流筒9和水冷套10之間具有間隙；加熱部件7，設置於坩堝元件的四周，用於對坩堝元件6進行加熱，加熱部件通過電極螺栓固定在爐體5的底部，並與爐體5的底部的加熱電極相連接；保溫層20，設置於加熱部件7和爐體5的側壁之間，用於阻擋加熱部件7的熱量向爐體5的外部輻射；支撐軸8，支撐連接於石墨坩堝的底部；支撐軸8的上端設置有坩堝托盤，支撐軸8的下端穿出爐體5的底部。

以下介紹通過上述單晶爐進行拉晶的過程：首先，把晶體原料放入坩堝元件6內，通過加熱部件7產生的高溫將其熔化。

然後，對熔化的矽溶液稍做降溫，使之產生一定的過冷度。

再用一根固定在籽晶軸上的矽單晶體（稱作籽晶）插入熔體表面，待籽晶與熔體熔和後，慢慢向上拉籽晶，晶體便會在籽晶下端生長。

接著，控制籽晶生長出一段長為100mm左右、直徑為3mm~5mm的細頸，用於消除高溫溶液對籽晶的強烈熱衝擊而產生的原子排列的位錯，這個過程就是引晶。

隨後，放大晶體直徑到步驟要求的大小，一般為75mm~300mm，這個過程稱為放肩。

接著，突然提高拉速進行轉肩操作，使肩部近似直角。

然後，進入等徑步驟，通過控制熱場溫度和晶體提升速度，生長出一定規格大小的單晶柱體。

最後，待大部分矽溶液都已經完成結晶時，再將晶體逐漸縮小而形成一個尾形錐體，稱為收尾步驟。

這樣一個單晶拉製過程就基本完成，進行一定的保溫冷卻後就可以取出。

可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不局限於此。對於本領域具通常知識者而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。

1:第一部分 2:第二部分 3:凸緣 4:連接區 5:爐體 6:坩堝元件 7:加熱部件 8:支撐軸 9:導流筒 10:水冷套 11:冷卻區 12:非冷卻區 100:晶體 101:1200°C對應的位置 102:1000°C對應的位置 103:850°C對應的位置 104:600°C對應的位置 L1:長度 L2:長度

圖1表示本發明實施例中的水冷裝置的示意圖； 圖2表示相關技術中晶體內部的溫度分佈示意圖； 圖3表示本發明實施例中的晶體內部的溫度分佈示意圖； 圖4表示本發明實施例中的單晶爐的示意圖。

1:第一部分

2:第二部分

3:凸緣

4:連接區

11:冷卻區

12:非冷卻區

L1:長度

L2:長度

Claims (10)

1. 一種水冷裝置，應用於單晶爐內，包括水冷套，沿該水冷套的軸向方向，該水冷套包括相對的第一端和第二端，在該水冷套位於該單晶爐內時，該第二端靠近該單晶爐內的坩堝設置； 沿從該第一端到該第二端的方向，該水冷套包括第一部分和第二部分，該第一部分包括間隔設置的冷卻區和非冷卻區。
2. 如請求項1所述的水冷裝置，其中該非冷卻區設置有至少一個通孔。
3. 如請求項1所述的水冷裝置，其中該冷卻區的面積小於該非冷卻區的面積。
4. 如請求項3所述的水冷裝置，其中該非冷卻區的面積大於或等於該第一部分的總面積的80%。
5. 如請求項1所述的水冷裝置，其中在該水冷套的周向方向上，一個該冷卻區的周向長度小於一個該非冷卻區的周向長度。
6. 如請求項1所述的水冷裝置，其中該冷卻區的內表面設置有第一塗層，該第一塗層的發射率小於0.3。
7. 如請求項1所述的水冷裝置，其中該冷卻區的側壁上設置有沿該水冷套的軸向方向延伸的第一冷卻管道，該第二部分的側壁上設置有與該第一冷卻管道連通的第二冷卻管道。
8. 如請求項7所述的水冷裝置，其中該第二部分的側壁中空以形成該第二冷卻管道。
9. 如請求項1所述的水冷裝置，其中該第二部分的內表面設置有第二塗層，該第二塗層的發射率大於0.8。
10. 一種單晶爐，包括如請求項1至9中任一項所述的水冷裝置。