一種在熔體區(qū)域具有攪拌環(huán)的直拉法單晶硅生長(zhǎng)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明屬于直拉法晶體生長(zhǎng)裝置領(lǐng)域，具體涉及一種在熔體區(qū)域具有攪拌環(huán)的直拉法單晶硅生長(zhǎng)裝置。
【背景技術(shù)】
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[0002]以下以直拉法(Czochralski，CZ)生長(zhǎng)單晶硅棒為例說明使用的方法。直拉單晶生長(zhǎng)法由波蘭科學(xué)家Jan Czochralski于1918年發(fā)明，其方法是利用旋轉(zhuǎn)著籽晶從反方向旋轉(zhuǎn)的坩禍中的硅熔體里持續(xù)提拉制備出單晶硅。
[0003]CZ法單晶硅生長(zhǎng)主要包含以下幾個(gè)步驟:首先，將高純多晶硅原料以及摻雜物質(zhì)放入石英坩禍內(nèi)；完成裝料后，將長(zhǎng)晶爐關(guān)閉，抽真空，并打開石墨加熱器，加熱使硅原料熔化；當(dāng)熔體溫度穩(wěn)定后，將籽晶浸入硅熔體中，開始進(jìn)行引晶；種晶與硅熔體接觸時(shí)的熱應(yīng)力將會(huì)使種晶產(chǎn)生位錯(cuò)，這些位錯(cuò)則通過晶頸的生長(zhǎng)使之消失；生長(zhǎng)完晶頸后，降低拉速和溫度，使晶體的直徑逐漸增大到目標(biāo)直徑，這個(gè)過程便稱為放肩；達(dá)到目標(biāo)直徑后，不斷調(diào)整提拉速度與溫度，使晶棒直徑與目標(biāo)值的變差維持在±2mm間，等徑生長(zhǎng)的部分稱之為晶身，也是制作硅片的部分；晶身生長(zhǎng)完后，將晶棒直徑逐漸縮小至一尖點(diǎn)與熔體分開，這個(gè)過程稱為尾部生長(zhǎng)。長(zhǎng)完的晶棒在上爐室冷卻至室溫后取出，整個(gè)生長(zhǎng)周期一般持續(xù)I?2天。
[0004]長(zhǎng)晶過程主要希望能夠達(dá)到目標(biāo)直徑下的晶體長(zhǎng)度最大化和無位錯(cuò)，電阻率和氧雜質(zhì)沿軸向和徑向分布均勻，熱應(yīng)力水平合適。位錯(cuò)可能發(fā)生在長(zhǎng)晶的任何階段，由于硅晶體具有很高的彈性強(qiáng)度，一般當(dāng)長(zhǎng)晶過程中的機(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力低于其彈性強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力可以在晶棒冷卻過程中自然消失；如果應(yīng)力高于其彈性強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)來減小應(yīng)變。一旦在長(zhǎng)晶界面出現(xiàn)位錯(cuò)，位錯(cuò)馬上會(huì)開始多重延伸，整個(gè)晶棒可能由單晶變?yōu)槎嗑?。位錯(cuò)的原因有多種，其中長(zhǎng)晶界面形狀對(duì)位錯(cuò)的形成有很大影響。位錯(cuò)更容易出現(xiàn)在長(zhǎng)晶界面形狀過凹或過凸情況下，在直拉法生長(zhǎng)單晶硅過程中需要控制凝固界面的形狀盡量平坦。因此，在直拉單晶硅生長(zhǎng)過程中，凝固界面形狀關(guān)系著生長(zhǎng)出晶體的質(zhì)量，凝固界面處的熱場(chǎng)與流動(dòng)形態(tài)決定了凝固界面形狀。一般可以通過改變熱屏、導(dǎo)流筒等部件結(jié)構(gòu)來改變爐內(nèi)熱場(chǎng)進(jìn)而改變凝固界面形狀，或通過改變晶體轉(zhuǎn)速和坩禍轉(zhuǎn)速來影響凝固界面附近硅熔體流動(dòng)進(jìn)而改變凝固界面形狀。但是，這些方法并不能十分有效的控制界面形狀并使其相對(duì)平坦。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0005]本發(fā)明的目的是提供一種在熔體區(qū)域具有攪拌環(huán)的直拉法單晶硅生長(zhǎng)裝置，通過改變硅熔體表面及凝固界面附近硅熔體的流動(dòng)，最終改變凝固界面的形狀，克服在長(zhǎng)晶過程中由于凝固界面形狀過度凹狀導(dǎo)致的位錯(cuò)增殖等問題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0007]一種在熔體區(qū)域具有攪拌環(huán)的直拉法單晶硅生長(zhǎng)裝置，包括由外向內(nèi)依次設(shè)置的爐壁和隔熱層，在隔熱層中心的底部設(shè)置有支撐軸，支撐軸上依次設(shè)置有石墨坩禍和石英坩禍，支撐軸用于帶動(dòng)石墨坩禍和石英坩禍升降及旋轉(zhuǎn)，在石英坩禍的外側(cè)上設(shè)置有石墨加熱器；在石墨坩禍內(nèi)設(shè)置有攪拌環(huán)，且攪拌環(huán)的頂端與導(dǎo)流筒的底端相連，導(dǎo)流筒的頂端與設(shè)置在爐壁頂端且用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)流筒和攪拌環(huán)旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置相連；使用時(shí)，攪拌環(huán)的底端浸漬在石墨坩禍內(nèi)的硅熔體的上表面，生長(zhǎng)的硅晶體通過提升裝置牽引提升。
[0008]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:攪拌環(huán)的橫截面形狀為長(zhǎng)方形，其外側(cè)平行于石英坩禍側(cè)壁，整體形狀為環(huán)形，攪拌環(huán)與導(dǎo)流筒之間留有空隙以保證氬氣通流，并通過其頂端設(shè)置的三個(gè)延伸結(jié)構(gòu)與導(dǎo)流筒的底端相連。
[0009]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:攪拌環(huán)由二氧化硅制成。
[0010]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:攪拌環(huán)在徑向的厚度小于石英坩禍的厚度，以減小其對(duì)硅熔體區(qū)域熱場(chǎng)的影響，攪拌環(huán)延伸部分的厚度與環(huán)狀部分的厚度一致，且厚度大于延伸部分高度的1/20。
[0011]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:導(dǎo)流筒最低點(diǎn)距離硅熔體上表面的距離大于10mm，最高點(diǎn)距離娃恪體上表面小于200mm。
[0012]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:攪拌環(huán)的環(huán)形結(jié)構(gòu)的高度小于石英坩禍深度的1/2 ;攪拌環(huán)高度要大于石英坩禍深度1/20。
[0013]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:攪拌環(huán)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中露出硅熔體上表面的高度大于5mm ο
[0014]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:攪拌環(huán)在硅熔體表面徑向的位置為硅晶體外側(cè)到石英坩禍內(nèi)壁距離的1/3到2/3。
[0015]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:支撐軸的橫截面呈T型狀。
[0016]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:導(dǎo)流筒的內(nèi)腔由上至下逐漸縮小。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0018]本發(fā)明通過在硅熔體自由表面附近安裝一個(gè)攪拌環(huán)，能夠使凝固界面變得更為平坦，以克服在長(zhǎng)晶過程中由于凝固界面形狀過度凹狀導(dǎo)致的位錯(cuò)增殖等問題，從而提高晶體質(zhì)量。本發(fā)明可以僅通過攪拌環(huán)旋轉(zhuǎn)來控制凝固界面形狀，實(shí)現(xiàn)了所提拉晶體周向的靜止，使長(zhǎng)晶過程更為可靠穩(wěn)定。本發(fā)明通過攪拌環(huán)旋轉(zhuǎn)可以使硅熔體自由表面的溫度沿周向分布更為均勻減少熱場(chǎng)不對(duì)稱性帶來的影響。
【附圖說明】
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[0019]圖1為本發(fā)明一種在熔體區(qū)域具有攪拌環(huán)的直拉法單晶硅生長(zhǎng)裝置的剖面圖。
[0020]圖2為圖1的局部放大示意圖。
[0021]圖3為攪拌環(huán)三維視圖。
[0022]圖4為第一次為全局模擬所得凝固界面形狀。
[0023]圖5為第二次全局模擬所得凝固界面形狀。
【具體實(shí)施方式】
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[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025]參見圖1，本發(fā)明一種在熔體區(qū)域具有攪拌環(huán)的直拉法單晶硅生長(zhǎng)裝置，包括導(dǎo)流筒1、隔熱層2、石墨加熱器3、攪拌環(huán)4、硅晶體5、爐壁6、石墨坩禍7、石英坩禍8、硅熔體9、支撐軸10、提拉裝置11以及驅(qū)動(dòng)導(dǎo)流筒和攪拌環(huán)的驅(qū)動(dòng)裝置12。其中i為所選定有攪拌環(huán)的局部區(qū)域并在圖2中進(jìn)行放大。石墨坩禍7和石英坩禍8均為圓形坩禍；石墨坩禍7和石英坩禍8外側(cè)為石墨加熱器3，石墨加熱器3外側(cè)為防止熱散失的隔熱層2 ;硅晶體5上方為控制硅晶體5提拉和旋轉(zhuǎn)的拉晶裝置11。
[0026]具體來說，本發(fā)明包括由外向內(nèi)依次設(shè)置的爐壁6和隔熱層2，在隔熱層2中心的底部設(shè)置有支撐軸10，支撐軸10上依次設(shè)置有石墨坩禍7和石英坩禍8，支撐軸10用于帶動(dòng)石墨坩禍7和石英坩禍8升降及旋轉(zhuǎn)，在石英坩禍8的外側(cè)上設(shè)置有石墨加熱器3 ;在石墨坩禍7內(nèi)設(shè)置有攪拌環(huán)4，且攪拌環(huán)4的頂端與導(dǎo)流筒I的底端相連，導(dǎo)流筒I的頂端與設(shè)置在爐壁6頂端且用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)流筒I和攪拌環(huán)4旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置12相連；使用時(shí)，攪拌環(huán)4的底端浸漬在石墨坩禍7內(nèi)的硅熔體9的上表面，生長(zhǎng)的硅晶體5通過提升裝置11牽引提升。其中，導(dǎo)流筒I的內(nèi)腔由上至下逐漸縮小。此外，支撐軸10的橫截面呈T型狀。
[0027]裝置中攪拌環(huán)4和導(dǎo)流筒I為本發(fā)明的核心部件。攪拌環(huán)4除與導(dǎo)流筒I相連部分為三個(gè)延伸結(jié)構(gòu)，下方為環(huán)形，如圖2所示。攪拌環(huán)4在徑向的厚度要小于石英坩禍8的厚度，以減小其對(duì)硅熔體9區(qū)域熱場(chǎng)的影響，延伸部分與環(huán)狀部分的厚度一致且厚度要大于延伸高度的1/20以保證其強(qiáng)度符合要求。攪拌環(huán)4三個(gè)延伸結(jié)構(gòu)與導(dǎo)流筒I相連，延伸結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度由導(dǎo)流筒I距熔體表面的距離決定，導(dǎo)流筒I最低點(diǎn)距離熔體表面的距離應(yīng)大于10mm，最高點(diǎn)距離恪體自由表面小于200mm。攪拌環(huán)4的環(huán)形結(jié)構(gòu)的高度要小于石英i甘禍8深度的1/2，以減少其對(duì)石英坩禍8內(nèi)整個(gè)熔體熱場(chǎng)和流場(chǎng)的影響；同時(shí)攪拌環(huán)4高度要大于坩禍深度1/20，攪拌環(huán)4過小則攪拌效果不明顯。攪拌環(huán)4的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中露出熔體表面的高度應(yīng)大于5_，小于延伸結(jié)構(gòu)的高度。攪拌環(huán)4在恪體表面徑向的位置為娃晶體5外側(cè)到石英坩禍8內(nèi)壁距離的1/3到2/3，攪拌