一種用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置製造方法

2023-09-21 09:08:50 1

一種用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置，該裝置安裝在直拉矽單晶爐的熱場上方，包括環形布置的數個氣嘴，該數個氣嘴圍繞晶體軸呈對稱分布。本實用新型的氬氣簾裝置可以調整晶體生長速度和生長界面溫度梯度以及界面形狀，在一定的範圍內調節矽單晶體中的缺陷分布。該裝置還可以降低單晶棒中金屬的含量，提高成晶率。
【專利說明】-種用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置。

【背景技術】
[0002] 目前約85%的集成電路用半導體矽單晶體是採用切克勞斯基（Czochralski)法 (又稱直拉法）製造的。在這種方法中，多晶矽被裝進石英堝內，加熱熔化，然後，將熔矽略 做降溫，給予一定的過冷度，把一支特定晶向的矽單晶體（稱作籽晶）與熔體矽接觸，通過 調整熔體的溫度和籽晶向上提升速度，使籽晶體長大至近目標直徑時，提高提升速度，使單 晶體近恆直徑生長。在生長過程的最後階段，堝內的矽熔體尚未完全提出，通過增加晶體的 提升速度和調整向堝的供熱量將晶體直徑漸漸減小而形成一個尾形錐體，當錐體的尖足夠 小時，晶體就會與熔體脫離，從而完成晶體的生長過程。
[0003] 矽單晶體中廣泛地存在兩種點缺陷：矽間隙原子和空位。通俗地講，如果在矽正 常的晶格中，夾進去一個矽原子，這個矽原子就稱不矽間隙原子，矽間隙原子的存在會造成 局部矽晶格受漲應力（向外壓）；如果在正常的矽晶格中，抽掉一個矽原子，所留下的空隙 就叫做"空位"，空位會使它周圍的晶格受到向內的壓力。空位佔主導的晶體叫富空位晶體 (V-rich)，矽間隙原子佔主導的晶體叫富矽間隙原子晶體（I-rich)。隨著晶體生長的進行， 晶體的溫度從矽熔點變為室溫，這兩種點缺陷將與其它周圍的原子（包括氧、碳、氮、矽等） 通過複合、擴散、聚集等複雜的過程，形成更大的缺陷。
[0004] 矽單晶體中，由一個稱叫臨界係數€Q=V/G=0. 0013cm2. min'Γ1係數，這裡的V 是指晶體生長界面處的晶體生長速度，G是指晶體生長界面處的縱向溫度梯度。當實際的 大於時，瞬間長成的是富空位型（V-rich)晶體；當實際的ξΜ3?小於時，瞬間 長成的是富矽間隙原子型（I-rich)晶體。可以部分地理解為生長界面晶體的生長速度和 縱向溫度梯度共同決定晶體初期的缺陷類型及分布。該理論是由V.V Voronkov首先提出 的，並廣為人們所共識。
[0005] 現代集成電路（1C製程）是大多是以矽單晶棒經過切、磨、拋光、清洗所加工成 的拋光片或外延片為基質材料製造的。根據用途不同，又需要數量不等"測試片"（稱為： "Test and Monitor Wafer",用來監測1C製程參數的，比如顆粒、對焦、氧化層質量等等）、 "正片"（稱作"Prime Wafer"，用來製造電路晶片）等等，它們對矽單晶片中的缺陷要求是 不同的。例如：監測小環境顆粒水平的"測試片"以富間隙原子矽原子型的（I-rich)矽片 為最佳，而快拉加外延的富空位片（V-rich)則是常用的一種正片（Prime Wafer)。
[0006] 因此矽單晶的整個生長過程中通過控制ξ _= ξ Q=0. 0013cm2. min' Γ1可以調節 矽單晶體中缺陷的分布。在工程上，有許多手段可以使用，例如：控制單晶爐室內由石墨部 件以及保溫材料所構成的熱場是很重要的；另外，通過調整堝位、堝轉、晶轉、晶體生長速度 等也可以調節G。 實用新型內容
[0007] 本實用新型的目的在於提供一種用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置，該裝置可以調 整晶體生長速度和生長界面溫度梯度以及界面形狀，在一定的範圍內調節矽單晶體中的缺 陷分布。
[0008] 為實現上述目的，本實用新型採用以下技術方案：
[0009] -種用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置，該裝置安裝在直拉矽單晶爐的熱場上方， 包括環形布置的數個氣嘴，該數個氣嘴圍繞晶體軸呈對稱分布。
[0010] 優選地，所述數個氣嘴以法蘭的方式安裝單晶爐的爐蓋的下方，氣嘴的噴孔朝向 爐底。
[0011] 優選地，在單晶爐的爐蓋的下方安裝一掛筒，所述數個氣嘴布置在該掛筒的內壁 上，氣嘴的噴孔朝向晶體軸。
[0012] 優選地，所述氣嘴的截面形狀為圓形、橢圓形、正方形、長方形或其它不規則的形 狀。所述氣嘴的截面面積優選為1?350mm 2。
[0013] 優選地，所述氣嘴的數量為2?500個，優選為12個。
[0014] 優選地，所述氣嘴的邊緣形狀為有倒角的或者為圓弧狀的。
[0015] 優選地，通過所有氣嘴的氬氣的總流量為10?300slpm。通過每個氣嘴上的氬氣 的流量可以相同的，也可以通過改變氣嘴的截面面積而單獨控制。
[0016] 本實用新型的優點在於：
[0017] 本實用新型的氬氣簾裝置可以調整晶體生長速度和生長界面溫度梯度以及界面 形狀，在一定的範圍內調節矽單晶體中的缺陷分布。該裝置還可以降低單晶棒中金屬的含 量，提1?成晶率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為直拉矽單晶爐熱場的結構示意圖。
[0019] 圖2為氬氣簾以法蘭方式安裝在單晶爐的爐蓋上的結構示意圖。
[0020] 圖3為圖2中法蘭位置的剖面圖。
[0021] 圖4是氬氣嘴在法蘭上的分布示意圖。
[0022] 圖5為氬氣簾以掛筒的方式安裝在單晶爐的爐蓋上的結構示意圖。
[0023] 圖6為圖5中掛筒位置的剖面圖。

【具體實施方式】
[0024] 如圖1所示，直拉矽單晶爐的熱系統包括上爐筒1、爐蓋2、熱屏3、上保溫4、上保 溫座5、中保溫6、保溫筒7、加熱器8、下爐筒9、底保溫10、電極11、電極板12、氣體出口 13、 下軸14、堝底15、對中盤16、石墨堝17、石英堝18、矽熔體19、熱屏支撐20,下爐筒的側面或 底部上設有供氬氣排出的出口（如圖1、2所示）。氬氣白單晶爐的上爐筒1沿箭頭方向進 入爐室，白下爐筒上的出口排出。
[0025] 本實用新型的氬氣簾裝置安裝在直拉矽單晶爐的熱場上方，包括環形布置的數個 氣嘴，該數個氣嘴圍繞晶體軸呈對稱分布。如圖2、3所示，該裝置可以法蘭的方式安裝單晶 爐的爐蓋2的下方。法蘭21通過螺絲固定在爐蓋2上，法蘭21上設有密封槽25,在該密封 槽25內安裝0型密封圈22密封。法蘭21上設有氬氣入口 23和數個噴出氬氣的氣嘴24， 數個氣嘴24均勻地布置在法蘭21上。如圖4所示，數個氣嘴可以設計在法蘭的下表面或者 側面上，即噴孔可以朝向晶體軸或者朝向爐室底部。氬氣通過氣嘴噴出，由於壓差的影響， 氬氣從氣嘴的噴孔排出後以既向內側又向下方向吹的方式流動。
[0026] 除了以上安裝方式以外，如圖5、6所示，還可以在單晶爐的爐蓋的下方安裝一掛 筒26,該掛筒26為雙層結構，內外壁的下端封口，該掛筒26的上端通過螺絲釘27和掛條 28聯接在爐蓋2上。該掛筒的外壁上設置有氬氣入口 29,數個氣嘴30布置在該掛筒的內 壁或內外壁的下端封口，圍繞晶體軸均勻對稱分布。這樣數個氣嘴的噴孔可以朝向晶體軸， 也可以朝向爐室底部。氬氣通過氣嘴噴出，由於壓差的影響，氬氣從氣嘴的噴孔排出後以既 向內側又向下方向吹的方式流動。
[0027] 氣嘴的截面形狀以及截面面積可以根據實際需要進行選擇，例如可以是圓形、橢 圓形、正方形、長方形或其它不規則的形狀。氣嘴的截面面積可以在1?350mm 2範圍內進 行調整。氣嘴的數量為2?500個，優選為12個。氣嘴的邊緣形狀可以為有倒角的或者為 圓弧狀的。通過所有氣嘴的氬氣的總流量為10?300slpm。通過每個氣嘴上的氬氣的流量 可以相同的，也可以通過改變氣嘴的截面面積而單獨控制。
[0028] 採用本實用新型的氬氣簾裝置，通過調節氣嘴中氬氣流量，可以局部地調整生長 界面的形狀、晶體生長速度和界面的溫度梯度。調節的原理為：加大氬氣流量相當於降低晶 體邊緣的溫度，使得晶體生長界邊的邊緣更加突向熔體；使得晶體在生長的某些階段，界面 的形狀變得更平坦，對單晶棒體內的缺陷控制更加容易。另外，加大氣嘴中的氬氣流量後， 減少了金屬雜質與晶棒表面接觸的機會，降低了晶體中的金屬含量，又吹掉了晶體周圍可 能存在的一部分氧化矽氣氛，從面提高的成晶率。
【權利要求】
1. 一種用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置，其特徵在於，該裝置安裝在直拉矽單晶爐的 熱場上方，包括環形布置的數個氣嘴，該數個氣嘴圍繞晶體軸呈對稱分布。
2. 根據權利要求1所述的用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置，其特徵在於，所述數個氣 嘴以法蘭的方式安裝單晶爐的爐蓋的下方，氣嘴的噴孔朝向爐底。
3. 根據權利要求1所述的用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置，其特徵在於，在單晶爐的 爐蓋的下方安裝一掛筒，所述數個氣嘴布置在該掛筒的內壁上，氣嘴的噴孔朝向晶體軸。
4. 根據權利要求1?3中任一項所述的用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置，其特徵在於， 所述氣嘴的截面形狀為圓形、橢圓形、正方形、長方形或其它不規則的形狀。
5. 根據權利要求4所述的用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置，其特徵在於，所述氣嘴的 截面面積為1?350mm2。
6. 根據權利要求1?3中任一項所述的用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置，其特徵在於， 所述氣嘴的數量為2?500個。
7. 根據權利要求6所述的用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置，其特徵在於，所述氣嘴的 個數為12個。
8. 根據權利要求1?3中任一項所述的用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置，其特徵在於， 所述氣嘴的邊緣形狀為有倒角的或者為圓弧狀的。
9. 根據權利要求1?3中任一項所述的用於直拉矽單晶爐的氬氣簾裝置，其特徵在於， 通過所有氣嘴的氬氣的總流量為10?300slpm。
【文檔編號】C30B15/00GK203890490SQ201320782705
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2013年12月2日
【發明者】戴小林, 崔彬, 劉大力, 姜艦, 李洋, 吳志強, 汪麗都 申請人:有研新材料股份有限公司