一种半导体单晶硅的拉晶炉制造技术

本实用新型专利技术涉及一种半导体单晶硅的拉晶炉，属于单晶硅生产技术领域。包括炉体、设置在炉体内的坩埚和加热器，炉体内设有梯度测温装置，炉体的底部设有温度测试仪；加热器设置在坩埚的外围，包括间隔一定距离上下布置的上加热器和下加热器，上加热器和下加热器的发热区高度为坩埚高度的1/4至1/2，且上加热器与下加热器的加热区之间间隔为50mm至坩埚高度的1/3。实现了坩埚内熔体的温度梯度和坩埚底部的温度的精准控制，从而获得了低缺陷密度低COP的高品质硅单晶，以及各类半导体硅器件对单晶氧含量的要求，并且硅单晶的品质的稳定性、一致性也得到极大的提升，为半导体硅单晶的晶体生长提供了有效的控制方法。生长提供了有效的控制方法。生长提供了有效的控制方法。

【技术实现步骤摘要】
一种半导体单晶硅的拉晶炉


[0001]本技术涉及单晶硅生产
，具体地说，涉及一种半导体单晶硅的拉晶炉。

技术介绍

[0002]目前主流的半导体大直径拉晶主要采用超导磁场拉晶技术，3000
‑
8000高斯的强磁场，极大地抑制了坩埚内的硅熔体的对流，熔体的稳定性得到了极大的提高，晶体生长可以在0.5rpm左右的极低埚转下实现，硅中的氧含量可以降到12ppma以下，各类晶体缺陷、空位型缺陷密度COP也得到很好的控制，但低埚转带来的明显劣势如热场的不对称性引起的径向波动，熔体未充分搅拌引起的熔体温度、杂质浓度的不均匀，晶体缺陷检测会时常发现原生层错、热氧化诱生层错(OISF)等严重晶体缺陷，因此，无磁场、常规埚转下的氧含量和晶体缺陷控制技术的创新成为另一种选择。
[0003]研究表明，硅晶格中原生点缺陷的类型和密度与V/G(T)的比值有关，V为晶体生长速度，G(T)为跨过固液界面的温度梯度，通常情况下，V/G比有一个临界值，大于这个临界值，晶体生长成空位性缺陷，V/G比的比值越大空位型点缺陷的密度也就越大，小于这个临界值，晶体生长成间隙型缺陷，且V/G比的比值越低间隙型点缺陷密度也越大，一般情况下，晶体中心区域形成空位型缺陷，边缘区域形成间隙型缺陷，而在同一生长界面上，同时形成二种类型的点缺陷的晶体，在空位型和间隙型晶体的交界处很容易形成OISF环，OISF环是聚光灯下肉眼可见的大尺寸面缺陷，一旦形成将导致整片报废。
[0004]晶体生长首要条件是避免OISF环的形成，可以从二个方向上控制，一种是保持整个生长界面上V/G比尽可能的小，从而使整个生长界面都是间隙型缺陷，可以通过降低拉速的办法使得V很小，一种完美晶体生长方法就是控制拉速很小，虽然OISF环消失了，晶体缺陷要求得到满足，但生长效率也很低，不具有性价比，不适合工业生产。另一个方向就是保持整个生长界面上V/G比尽可能的大，保证整个界面都是空位型缺陷，一般都会采取提高拉速和降低G(T)的办法，从而保持整个界面V/G比都大于临界值，提升拉速必须加大单晶的热传输，使单晶快速冷却下来，晶体的温度梯度相应增加，不仅有利于刚刚形成的大量空位型点缺陷通过滑移排出晶体外，同时也有效阻止了点缺陷的相互聚集形成更大尺寸的微缺陷。降低G(T)最有效的办法就是降低熔体的温度梯度。
[0005]硅中间隙氧的行为不仅与间隙氧含量有关，而且与硅器件制造的热过程有关，氧沉淀及其诱生缺陷的密度及其尺寸大小，一方面有内吸杂的作用，另一方面，与器件尺寸相近的缺陷又严重影响器件的性能和成品率，所以，半导体硅单晶的间隙氧含量的浓度不能太高也不能太低，通常要控制在合适的范围内。
[0006]磁场拉晶主要通过埚转控制氧含量，高磁场强度的超导磁场，一般可以控制1rpm以下的低埚转拉晶，氧含量可以控制到12ppma以下，一般磁场(1000高斯)可以在3
‑
5rpm埚转拉晶，氧含量在15ppma左右，非磁场拉晶氧含量的控制需要有特殊的热场设计，研究表明，硅中氧含量的大小与坩埚底的温度强相关，硅中氧来源于石英坩埚，高温下液态硅料腐
蚀石英坩埚内壁，坩埚中的氧进入熔体，并随熔体的流动进入整个坩埚中，绝大部分的氧(>95％)以SiO的气体的方式从液面挥发进入保护气中，少量的氧通过分凝而进入硅晶体中，决定硅中氧含量高低的是生长界面附近硅熔体中氧含量的大小，生长界面远离坩埚壁，生长界面附件熔体中的氧来源二种途径，一种是通过扩散，氧从高浓度区域进入到生长界面附近，一种是通过热对流使坩埚壁附近高浓度氧的熔体通过传输进入到生长界面附近，尤其是生长界面正下方坩埚底部的熔体通过热对流垂直进入到生长界面附近后，上方的硅晶体阻止了氧的挥发，氧通过分凝作用进入到晶格中，晶体中氧含量的控制主要是控制熔体中纵向温度梯度，从而控制熔体热对流的大小，控制石英坩埚壁附近的富含氧的熔体快速传输至晶体生长区域，以达到控氧的目的。极端的情况在确保坩埚底部不结晶的情况下，尽可能保持坩埚底部温度最低时，坩埚底部附近处于负的温度梯度，这样就能显著降低热对流甚至不对流，坩埚壁附近的高浓度氧的熔体不能进入到生长界面附近，晶体生长的固液面下方成为一个相对封闭的区域，由此可获得极低氧含量的单晶，降氧的效果甚至超过超导磁场拉晶的效果。
[0007]综上所述，非磁场半导体硅单晶的缺陷主要取决于晶体生长固液界面下的熔体的温度梯度，硅中间隙氧含量主要取决于坩埚底的温度，为此，可通过在加热器外侧的保温层内筒的纵向位置设置热电偶温度探头以间接测量熔体的温度梯度，在坩埚底的坩埚托中心设置热电偶以监测坩埚底的温度，或者通过在炉底设置高温红外测温仪监测坩埚底温度，并通过加热器的组合实现对熔体的温度梯度和坩埚底的温度控制，从而实现对半导体硅单晶的晶体缺陷和氧含量的控制。

技术实现思路

[0008]本技术的目的是提供一种半导体单晶硅的拉晶炉，可以获得低缺陷密度低COP的高品质硅单晶，以及各类半导体硅器件对单晶氧含量的要求。
[0009]为了实现上述目的，本技术提供的半导体单晶硅的拉晶炉包括炉体、设置在所述炉体内的坩埚和加热器，所述炉体内设有梯度测温装置，炉体的底部设有温度测试仪；
[0010]所述加热器设置在所述坩埚的外围，包括间隔一定距离上下布置的上加热器和下加热器，所述上加热器和下加热器的发热区高度为坩埚高度的1/4至1/2，且上加热器与下加热器的加热区之间间隔为50mm至坩埚高度的1/3。
[0011]可选地，在一个实施例中，所述的坩埚包括用于盛装熔体的石英坩埚和包裹在所述石英坩埚外的石墨或碳碳纤维坩埚，所述的加热器设置在所述石墨或碳碳纤维坩埚的外侧。
[0012]可选地，在一个实施例中，所述的石墨或碳碳纤维坩埚的底部设有坩埚轴，所述的温度测试仪为设置在所述坩埚轴的底端的红外温度测试仪。
[0013]可选地，在一个实施例中，所述坩埚轴具有沿轴线方向的光通道，所述的红外温度测试仪的红外光通过所述光通道。
[0014]可选地，在一个实施例中，所述的炉体内设有保温内筒，所述保温内筒设置在所述加热器外。
[0015]可选地，在一个实施例中，所述的梯度测温装置包括沿竖直方向间隔固定在所述保温内筒上的热电偶温度探头。
[0016]可选地，在一个实施例中，所有热电偶温度探头汇总到一个石英或陶瓷总管内，总管穿透保温层并将各热电偶温度探头的数据信号线与炉体的相应数据线相连，并最终与信号采集与控制系统连接。
[0017]可选地，在一个实施例中，所述的坩埚的底部正下方设有底部加热器。
[0018]与现有技术相比，本技术的有益之处在于：
[0019]本技术通过温度监测和加热器的功率调节，实现了坩埚内熔体的温度梯度和坩埚底部的温度的精准控制，从而获得了低缺陷密度低COP的高品质硅单晶，以及各类半导体硅器件对单晶氧含量的要求，并且硅单晶的品质的稳定性、一致性也得到极大的提升，为半导体硅单晶的晶体生长提供了有效的控制方法。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体单晶硅的拉晶炉，包括炉体、设置在所述炉体内的坩埚和加热器，其特征在于，所述炉体内设有梯度测温装置，炉体的底部设有温度测试仪；所述加热器设置在所述坩埚的外围，包括间隔一定距离上下布置的上加热器和下加热器，所述上加热器和下加热器的发热区高度为坩埚高度的1/4至1/2，且上加热器与下加热器的加热区之间间隔为50mm至坩埚高度的1/3。2.根据权利要求1所述的半导体单晶硅的拉晶炉，其特征在于，所述的坩埚包括用于盛装熔体的石英坩埚和包裹在所述石英坩埚外的石墨或碳碳纤维坩埚，所述的加热器设置在所述石墨或碳碳纤维坩埚的外侧。3.根据权利要求2所述的半导体单晶硅的拉晶炉，其特征在于，所述的石墨或碳碳纤维坩埚的底部设有坩埚轴，所述的温度测试仪为设置在所述坩埚轴的底端的红外温度测试仪。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜益群，
申请(专利权)人：姜益群，
类型：新型
国别省市：