TWI852339B - 坩堝裝置、單晶爐裝置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供了一種坩堝裝置、單晶爐裝置及其工作方法，屬於半導體製造技術領域。坩堝裝置包括：石墨坩堝；套設在石墨坩堝中的石英坩堝；位於石墨坩堝外側、包覆石墨坩堝的下半部分的坩堝隔熱結構。單晶爐裝置包括：爐體；爐體內設置有加熱器，加熱器通過電極螺栓固定在爐體底部，並與爐體底部的加熱電極相連接；設置在加熱器中央的坩堝軸，坩堝軸的上端設置有坩堝托盤，坩堝軸的下端穿出爐體的底部，坩堝托盤承載有坩堝裝置；控制單元，與坩堝軸和晶棒提拉裝置分別連接，用於分別控制坩堝軸和晶棒的轉動方向以及轉速。
Description
本發明屬於半導體製造技術領域，尤其是關於一種坩堝裝置、單晶爐裝置及其工作方法。
單晶矽作為一種半導體材料，一般用於製造積體電路和其他電子元件，目前單晶矽的生長技術有兩種：區熔法和直拉法，其中直拉法是目前普遍採用的方法。在直拉法製造單晶矽時，要將多晶料置於石英坩堝中，經過高溫加熱使其熔化，然後籽晶由頂部降下至熔化的多晶矽中，通過控制液面的溫度，使熔化的多晶矽在籽晶周圍重新結晶，生成排列整齊的單晶矽棒。
隨著半導體矽晶圓品質的不斷提高，對拉晶過程中的晶棒的晶體缺陷有了更高的管控要求，影響晶體缺陷的因素主要有兩個因素，其一是拉晶製程參數，用優化的製程參數去拉晶能製得品質更好的晶棒；其二是熱場的結構和性能，其好壞是晶棒品質的先決條件，熱場是拉晶爐中至關重要的組成部分，由於拉晶爐拉晶環境要求嚴苛，對於熱場的品質和材質要求極高，不僅要耐高溫，熱穩定性好，而且純度要高。
坩堝作為熱場中最為重要的部件之一，一般分為兩部分，外側通常為石墨坩堝，起到支撐石英坩堝和傳遞熱的作用，內側石英坩堝用於盛放矽溶液，同時晶棒中的氧是從石英坩堝分解得來，通常情況下R形弧面處的氧析出量最多，晶棒頭部氧含量很高，在晶棒尾部，由於溶液的減少導致矽溶液與石英坩堝R部的接觸面積減少，導致晶棒尾部氧含量過低。
為了解決上述技術問題，本發明提供一種坩堝裝置、單晶爐裝置及其工作方法，能夠增加氧在晶棒中的均一性，改善晶棒尾部氧含量偏低的問題。
為了達到上述目的，本發明實施例採用的技術方案是：
一種坩堝裝置，包括：
石墨坩堝；
套設在該石墨坩堝中的石英坩堝；
位於該石墨坩堝外側、包覆該石墨坩堝的下半部分的坩堝隔熱結構。
一些實施例中，該坩堝隔熱結構包括：
石墨底筒；
承載在該石墨底筒上的石墨外筒；
套設在該石墨外筒中的石墨內筒。
一些實施例中，該坩堝隔熱結構還包括：
位於該石墨外筒和該石墨內筒之間的隔熱氈。
一些實施例中，該坩堝裝置還包括：
設置在該石英坩堝底部的攪拌螺旋槳。
一些實施例中，該攪拌螺旋槳的螺旋槳葉的葉展為30mm-40mm。
一些實施例中，該攪拌螺旋槳的螺旋槳葉的高度為40mm-60mm。
本發明實施例還提供了一種單晶爐裝置，包括：
爐體；
該爐體內設置有加熱器，該加熱器通過電極螺栓固定在該爐體底部，並與該爐體底部的加熱電極相連接；
設置在該加熱器中央的坩堝軸，該坩堝軸的上端設置有坩堝托盤，該坩堝軸的下端穿出該爐體的底部，該坩堝托盤承載有如上所述的坩堝裝置；
控制單元，與該坩堝軸和晶棒提拉裝置分別連接，用於分別控制該坩堝軸和該晶棒提拉裝置的轉動方向以及轉速。
一些實施例中，該控制單元還與該攪拌螺旋槳連接，用於控制該攪拌螺旋槳的轉動方向和轉速。
本發明實施例還提供了一種單晶爐裝置的工作方法，應用於如上所述的單晶爐裝置，該工作方法包括：
在拉晶過程中，該控制單元控制該坩堝軸的轉動方向與該提拉裝置晶棒的轉動方向相同，且轉速相同。
一些實施例中，該工作方法還包括：
在拉晶過程中，該控制單元控制該攪拌螺旋槳的轉動方向與該坩堝軸的轉動方向相反。
本發明的優點在於：
坩堝裝置有利於阻隔加熱器熱量向坩堝R部位的輻射，減少拉晶過程中石英坩堝R部氧的析出，同時在拉晶過程中坩堝轉向和晶棒轉向為同方向且轉速相同，減少熔體與晶棒的相對對流，進而減少浸入晶棒中的氧含量。
為了避免坩堝底部溶液過冷凝固，尤其晶棒尾部氧含量過低（矽溶液與坩堝R部的接觸面積減少，極大地減少了氧含量的析出），設置了底部攪拌螺旋槳，增加熔體強迫對流，使得石英坩堝內表面析出的氧（主要是石英坩堝R形弧處的氧）均勻浸入到晶棒裡面，增加晶棒軸中氧的均一性。
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，對本發明實施例的技術方案進行清楚、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所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
在本發明的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「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」、「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
本發明提供一種坩堝裝置、單晶爐裝置及其工作方法，能夠增加氧在晶棒中的均一性，改善晶棒尾部氧含量偏低的問題。
本發明實施例提供一種坩堝裝置，如圖1和圖2所示，包括：
石墨坩堝2；
套設在該石墨坩堝2中的石英坩堝1；
位於該石墨坩堝2外側、包覆該石墨坩堝2的下半部分的坩堝隔熱結構。
本實施例中，在石墨坩堝2的外側設置包覆石墨坩堝2的下半部分的坩堝隔熱結構，坩堝隔熱結構可以很好地阻擋加熱器的熱量向石墨坩堝2的R部輻射，進而在減少R部氧的析出的同時減小R部附近的自然對流，從而改善氧在晶棒中的均一性，改善晶棒尾部氧含量偏低的問題。
一些實施例中，如圖1和圖2所示，該坩堝隔熱結構包括：
石墨底筒7；
承載在該石墨底筒7上的石墨外筒5；
套設在該石墨外筒5中的石墨內筒4。
坩堝隔熱結構採用三層石墨結構，能夠有效阻擋加熱器的熱量向石墨坩堝2的R部輻射，進而減少R部氧的析出。另外，由於石墨高溫下具有很高的導熱係數，其可以很好地將加熱器的熱量均勻地傳輸至石英坩堝1，石英坩堝1再將熱傳遞給矽溶液，維持液面溫度恆定，有助於拉晶凝固過程穩定進行。
如圖3所示，其中，石墨底筒7呈盤狀，能夠為石墨外筒5和石墨內筒4提供很好的支撐。
如圖4所示，石墨內筒4的形狀與石墨坩堝2下半部分的形狀匹配，能夠很好地貼合石墨坩堝2下半部分，阻擋加熱器的熱量向石墨坩堝2的R部輻射。
如圖5所示，石墨外筒5呈圓筒狀，石墨外筒5底面的形狀可以與石墨底筒7的上表面相匹配，如圖3所示，石墨底筒7的上表面設置有一圈凹槽，則石墨外筒5的底面可以設置有與該圈凹槽匹配的一圈凸起，這樣可以使得石墨外筒5穩定地固定在石墨底筒7上。
一些實施例中，如圖1和圖2所示，該坩堝隔熱結構還包括：
位於該石墨外筒5和該石墨內筒4之間的隔熱氈6。隔熱氈6具有良好的隔熱係數，能夠有效阻擋加熱器的熱量向石墨坩堝2的R部輻射，進而減少R部氧的析出。
如圖6所示，隔熱氈6的外表面的形狀可以與石墨外筒5的內表面的形狀相匹配，隔熱氈6的內表面的形狀可以與石墨內筒4的外表面的形狀相匹配，這樣可以使得隔熱氈6分別與石墨內筒4和石墨外筒5緊密貼合。
一些實施例中，如圖2所示，為了避免石英坩堝1底部矽溶液過冷凝固，尤其晶棒尾部氧含量過低（矽溶液與坩堝的R部的接觸面積減少，極大地減少了氧含量的析出），該坩堝裝置還包括：
設置在該石英坩堝1底部的攪拌螺旋槳3，通過攪拌螺旋槳3可以增加熔體強迫對流，使得石英坩堝1內表面析出的氧（主要是石英坩堝1在R形弧處的氧）均勻浸入到晶棒裡面，增加晶棒中氧的均一性。
一些實施例中，該攪拌螺旋槳3的螺旋槳葉的葉展為30-40mm，在攪拌螺旋槳3的螺旋槳葉的葉展為30-40mm時，可以有效地對矽溶液進行攪拌。
一些實施例中，該攪拌螺旋槳3的螺旋槳葉的高度為40-60mm，在攪拌螺旋槳3的螺旋槳葉的高度為40-60mm時，可以有效地對矽溶液進行攪拌。
本實施例能夠製備N型低氧且軸向氧含量均一的產品（4.5ppma±0.5ppma）。
本發明實施例還提供了一種單晶爐裝置，如圖2所示，包括：
爐體；
該爐體內設置有加熱器，該加熱器通過電極螺栓固定在該爐體底部，並與該爐體底部的加熱電極相連接；
設置在該加熱器中央的坩堝軸9，該坩堝軸9的上端設置有坩堝托盤8，該坩堝軸9的下端穿出該爐體的底部，該坩堝托盤8承載有如上所述的坩堝裝置；
控制單元，與該坩堝軸9和晶棒提拉裝置分別連接，用於分別控制該坩堝軸9和該晶棒提拉裝置的轉動方向以及轉速。
本實施例中，在石墨坩堝的外側設置包覆石墨坩堝的下半部分的坩堝隔熱結構，坩堝隔熱結構可以很好地阻擋加熱器的熱量向石墨坩堝的R部輻射，進而在減少R部氧的析出的同時減小R部附近的自然對流，從而改善氧在晶棒中的均一性，改善晶棒尾部氧含量偏低的問題。
本實施例中，控制單元能夠控制該坩堝軸9和該晶棒提拉裝置的轉動方向以及轉速，這樣在拉晶過程中，控制單元能夠控制坩堝裝置的轉動方向和晶棒的轉動方向為同方向且轉速相同，能夠減少熔體與晶棒的相對對流，進而減少浸入晶棒中的氧含量。
一些實施例中，該控制單元還與該攪拌螺旋槳連接，用於控制該攪拌螺旋槳的轉動方向和轉速。控制單元能夠驅動攪拌螺旋槳3旋轉，這樣在拉晶過程中，控制單元能夠控制攪拌螺旋槳3的轉動方向與該坩堝軸9的轉動方向相反，這樣可以增加熔體強迫對流，使得石英坩堝內表面析出的氧（主要是石英坩堝在R形弧處的氧）均勻浸入到晶棒裡面，增加晶棒中氧的均一性。
本發明實施例還提供了一種單晶爐裝置的工作方法，應用於如上所述的單晶爐裝置，該工作方法包括：
在拉晶過程中，該控制單元控制該坩堝軸的轉動方向與該晶棒提拉裝置的轉動方向相同，且轉速相同。
本實施例中，控制單元能夠控制該坩堝軸和該晶棒提拉裝置的轉動方向以及轉速，這樣在拉晶過程中，控制單元能夠控制坩堝裝置的轉動方向和晶棒的轉動方向為同方向且轉速相同，能夠減少熔體與晶棒的相對對流，進而減少浸入晶棒中的氧含量。
一些實施例中，該工作方法還包括：
在拉晶過程中，該控制單元控制該攪拌螺旋槳的轉動方向與該坩堝軸的轉動方向相反。
控制單元能夠驅動攪拌螺旋槳3旋轉，這樣在拉晶過程中，控制單元能夠控制攪拌螺旋槳的轉動方向與該坩堝軸9的轉動方向相反，這樣可以增加熔體強迫對流，使得石英坩堝內表面析出的氧（主要是石英坩堝R形弧處的氧）均勻浸入到晶棒裡面，增加晶棒中氧的均一性。
需要說明，本說明書中的各個實施例均採用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對於實施例而言，由於其基本相似於產品實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見產品實施例的部分說明即可。
在上述實施方式的描述中，具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的通常知識者在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以申請專利範圍的保護範圍為準。
1:石英坩堝
2:石墨坩堝
3:攪拌螺旋槳
4:石墨內筒
5:石墨外筒
6:隔熱氈
7:石墨底筒
8:坩堝托盤
9:坩堝軸
圖1表示本發明實施例坩堝裝置的結構示意圖；
圖2表示本發明實施例單晶爐裝置的結構示意圖；
圖3表示本發明實施例石墨底筒的結構示意圖；
圖4表示本發明實施例石墨內筒的結構示意圖；
圖5表示本發明實施例石墨外筒的結構示意圖；
圖6表示本發明實施例隔熱氈的結構示意圖。
1:石英坩堝
2:石墨坩堝
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Claims (9)
- 一種坩堝裝置，包括：石墨坩堝；套設在該石墨坩堝中的石英坩堝；位於該石墨坩堝外側、包覆該石墨坩堝的下半部分的坩堝隔熱結構；其中，該坩堝隔熱結構包括：石墨底筒；承載在該石墨底筒上的石墨外筒；套設在該石墨外筒中的石墨內筒；其中，該石墨內筒的形狀與該石墨坩堝的下半部分形狀匹配；該石墨外筒的底面形狀與該石墨底筒的上表面相匹配。
- 如請求項1所述的坩堝裝置，其中，該坩堝隔熱結構還包括：位於該石墨外筒和該石墨內筒之間的隔熱氈。
- 如請求項1所述的坩堝裝置，該坩堝裝置還包括：設置在該石英坩堝底部的攪拌螺旋槳。
- 如請求項3所述的坩堝裝置，其中，該攪拌螺旋槳的螺旋槳葉的葉展為30-40mm。
- 如請求項3所述的坩堝裝置，其中，該攪拌螺旋槳的螺旋槳葉的高度為40-60mm。
- 一種單晶爐裝置，包括：爐體；該爐體內設置有加熱器，該加熱器通過電極螺栓固定在該爐體底部，並與該爐體底部的加熱電極相連接； 設置在該加熱器中央的坩堝軸，該坩堝軸的上端設置有坩堝托盤，該坩堝軸的下端穿出該爐體的底部，該坩堝托盤承載有如請求項1至5中任一項所述的坩堝裝置；控制單元，與該坩堝軸和晶棒提拉裝置分別連接，用於分別控制該坩堝軸和該晶棒提拉裝置的轉動方向以及轉速。
- 如請求項6所述的單晶爐裝置，包括如請求項3所述的坩堝裝置，該控制單元還與該攪拌螺旋槳連接，用於控制該攪拌螺旋槳的轉動方向和轉速。
- 一種單晶爐裝置的工作方法，應用於如請求項6或7所述的單晶爐裝置，該工作方法包括：在拉晶過程中，該控制單元控制該坩堝軸的轉動方向與該晶棒提拉裝置的轉動方向相同，且轉速相同。
- 如請求項8所述的單晶爐裝置的工作方法，應用於如請求項7所述的單晶爐裝置，該工作方法還包括：在拉晶過程中，該控制單元控制該攪拌螺旋槳的轉動方向與該坩堝軸的轉動方向相反。
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