具有雙電源加熱的區熔爐熱場及保溫方法與流程
2023-05-01 22:08:52
本發明涉及半導體製造領域，特別涉及具有雙電源加熱的區熔爐熱場及保溫方法。
背景技術：
矽是全球第一產業——電子信息技術產業的基礎材料，佔全球半導體材料使用量的95%以上。區熔矽單晶由於其獨特的生長方式，具有純度高，均勻性好、缺陷少等優點，適合用於大功率半導體元器件。隨著電力電子產業的蓬勃發展，各類新型電力電子器件對大直徑區熔矽單晶的需求越來越旺盛，如SR矽整流器、SCR可控矽、GTR巨型電晶體、GTO晶閘管、SITH靜電感應晶閘管、IGBT絕緣柵雙極電晶體、PIN超高壓二極體、智能功率器件(SMARTPOWER)、功率集成器件(POWERIC)等，因此，大直徑區熔矽單晶具有廣闊的應用領域和良好的發展前景。區熔矽單晶的生長採用懸浮區域熔煉法，即用高頻感應加熱線圈加熱多晶矽料使其熔化，在線圈下方用籽晶接住熔融矽連續生長出單晶棒。由於採用懸浮區域熔煉，熱場集中在熔區附近，熔區下方溫度分布不均勻。尤其對於生長大直徑矽單晶，因單晶棒表面快速冷卻，中心和表面徑向溫度梯度擴大而導致單晶棒開裂。隨著單晶棒直徑的增大，熔區面積和熱應力呈幾何數級增大，當單晶棒內熱應力大於其臨界剪壓力時，單晶棒中將產生位錯，導致單晶棒斷稜甚至炸裂，影響生產效率，並對設備造成損害。現有技術中，6.5英寸以上的大直徑區熔單晶矽生長都面臨著因熱場分布不合理、熱應力過大造成的單晶棒開裂的問題，3-6英寸的區熔單晶矽生長中因熱場分布不合理、熱應力過大造成的斷稜也是提高矽單晶生產率面臨的最主要的問題之一。現有技術中的區熔爐熱場均採用單一熱源，即採用高頻電源通過主加熱線圈進行加熱、化料。單一電源加熱難以調整，特別是對主加熱線圈以下的單晶棒熱場分布難以控制。為彌補熔區下方的單晶棒熱量不足問題，改善熔區下方熱場分布，現有技術多採用一種銅質保溫環裝置（見圖1）：該裝置能將熔區輻射的熱量反射到單晶棒表面，對熔區下方的單晶棒起到一定的保溫作用。但這個裝置只能被動地反射從熔區輻射過來的熱量，因此反射的熱量大小和位置都不可控。中國（公開）專利CN102808216A,CN102321913A，CN102358951A，CN202492612U等公開的均是採用這種主加熱線圈加保溫環的熱場結構。公開的技術中還有採用不同材料來保溫的，但這些保溫裝置都是採用被動保溫的，難以控制，無法適應大直徑區熔單晶矽的生長。因此迫切需要開發一種 具有雙電源加熱的區熔爐熱場，通過合理的控制，使得區熔爐熱場分布可根據工藝需要精確控制，以解決大直徑單晶棒開裂問題，並提高矽單晶品質。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是，克服現有技術中的不足，提供一種具有雙電源加熱的區熔爐熱場及保溫方法。本發明中，主加熱功率和輔助加熱功率可根據工藝實時調節，並適應不同直徑、不同晶向單晶棒的生長。為解決上述技術問題，本發明的解決方案是：提供一種具有雙電源加熱的區熔爐熱場，包括中心設有圓孔的主加熱線圈，主加熱線圈與主加熱電源相連，還包括一個輔助加熱器，輔助加熱器的主體是石墨或矽材質，其外形呈上下方向往復彎折的波浪狀且在水平方向上圍繞形成圓環狀，其兩個端部設接口並通過電纜與輔助加熱電源相連；輔助加熱電源還通過信號線依次連接數據分析模塊和紅外測溫儀。作為一種改進，所述輔助加熱器圍繞形成的圓環狀的直徑在150mm～400mm之間，其在上下方向往復彎折的波浪狀的高度在50mm～800mm之間。作為一種改進，所述的主加熱電源和輔助加熱電源相互獨立，且均設有控制操作模塊和屏蔽防幹擾裝置。作為進一步的發明目的，本發明中具有雙電源加熱的區熔爐熱場的區熔爐保溫方法是：通過輔助加熱電源為輔助加熱器施加直流電源，通過輔助加熱器對生長在其內部的單晶棒施加熱輻射，從而實現對單晶棒的保溫；通過紅外測溫儀實時監測單晶棒特定點的溫度，並傳輸給數據分析模塊，數據分析模塊通過內置的控制方法來控制輔助加熱器的電流，從而調節對單晶棒的保溫效果；內置於數據分析模塊的控制方法，其控制目標為單晶棒特定點的溫度，控制輸入量為輔助加熱器電流，且在不同的生長階段採取不同的控制策略，具體包括：在擴肩階段，單晶棒直徑不斷變化，設定單晶棒特定點溫度隨單晶棒直徑的變化曲線T(d)為目標值，其中，單晶棒特定點溫度隨單晶棒直徑的變化曲線T（d）由對作為標準參照的單晶棒生產過程進行標定的方式獲得；單晶棒直徑為D時，通過查找曲線獲得單晶棒溫度目標值為T（D）；溫差△T=T1-T（D），其中T1為單晶棒直徑為D時紅外測溫儀檢測到單晶棒特定點的溫度；輔助加熱器電流設定值I分三段控制：當溫度偏差△T＜Tm時，I=Imax，即輔助加熱器輸出最大電流；當△T＞Tb時，I=0，即關閉輔助加熱器；當Tm≤△T≤Tb時，I=I0-0.45×△T+0.0038×（D/△T）；其中，Tm為單晶棒溫度目標值為T（D）允許的下偏差，Tb為單晶棒溫度目標值為T（D）允許的上偏差，且滿足：-20℃≤Tm≤0℃ ≤Tb≤20℃，I0為擴肩階段輔助加熱器電流的初始設置值，其值在0.3Imax～0.5Imax之間；進入等徑階段，由於單晶棒直徑不再變化，主加熱器功率基本保持穩定，輔助加熱器電流設定值I=I1+0.05×T，其中，I1為等徑階段輔助加熱器電流的初始設置值，其值為0.4Imax～0.7Imax之間，T為進入等徑階段的時間；在收尾階段，設定單晶棒特定點溫度隨單晶棒直徑的變化曲線T(d)』為目標值，其中，單晶棒特定點溫度隨單晶棒直徑的變化曲線T(d)』由對作為標準參照的單晶棒生產過程進行標定的方式獲得；單晶棒直徑為D時，通過查找曲線獲得單晶棒溫度目標值為T（D）』；溫差△T』=T1』-T（D）』，其中T1』為單晶棒直徑為D時紅外測溫儀檢測到單晶棒特定點的溫度；輔助加熱器電流設定值I分三段控制：當溫度偏差△T』＜Tm』時，I=Imax，即輔助加熱器輸出最大電流；當△T』＞Tb』時,I=0，即關閉輔助加熱器；當Tm』≤△T』≤Tb』時，I=I0』-0.65×△T』+0.0025×（D/△T』）；其中，Tm』為單晶棒溫度目標值為T（D）』允許的下偏差，Tb』為單晶棒溫度目標值為T（D）』允許的上偏差，且滿足：-20℃≤Tm』≤0℃≤Tb』≤20℃，I0』為收尾階段輔助加熱器電流的初始設置值，其值為0.3Imax～0.5Imax之間。本發明中主加熱線圈為圓柱形平板，中心設有通孔和臺階；主加熱電源的功率可由拉晶人員現場實時設定，也可按照設定好的工藝程序進行調整。通過主加熱電源施加高頻交變電流使多晶棒感應生熱熔化；單晶棒在主加熱線圈下方，熔融矽穿過主加熱線圈中心孔將多晶棒和單晶棒聯接；輔助加熱器設置在單晶棒外部，通過輔助加熱電源加熱。與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明在區熔矽單晶生產中採用雙電源加熱的熱場：主加熱電源通過主加熱線圈的渦流生熱實現多晶棒的加熱和化料，輔助加熱電源通過輔助加熱器對熔區下的單晶棒進行熱場調整，使得單晶棒的溫度分布得到精確控制。本發明可解決6.5英寸以上的大直徑區熔矽單晶生長中面臨的因熱場分布不合理、熱應力過大造成的單晶棒開裂的問題，同時也可改善3～6英寸的區熔矽單晶生長的熱場分布，解決因熱場分布不合理、熱應力過大造成的斷稜問題，將矽單晶生產率從現有技術的70%提高到85%以上，並提高矽單晶品質。附圖說明圖1為傳統技術的熱場結構；圖2為本發明實施案例的結構示意圖；圖3本發明與現有技術實施效果圖。圖中的附圖標記為：1主加熱電源；2主加熱線圈；3輔助加熱電源；4輔助加熱器；5數據分析模塊；6紅外測溫儀；7保溫環；A多晶棒；B單晶棒。具體實施方式首先需要說明的是，在本發明實現過程中會涉及自動控制技術和計算機技術的運用。申請人認為，如在仔細閱讀申請文件、準確理解本發明的實現原理和發明目的以後完全能夠實現本發明。例如數據分析模塊5可採用PLC，可選型號CJ2M，生產商為歐姆龍。本領域技術人員完全可以運用其掌握的軟體編程技能在結合現有公知技術的情況下完成其內置的控制軟體。因此，凡本發明申請文件提及的均屬此範疇，申請人不再一一列舉。下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細描述：圖2所述為本發明的一實施案例：具有雙電源加熱的區熔爐熱場，包括中心設有圓孔的主加熱線圈2、主加熱電源1、輔助加熱電源3、輔助加熱器4、紅外測溫儀6和數據分析模塊5。輔助加熱器4的主體是石墨或矽材質，其外形呈上下方向往復彎折的波浪狀且在水平方向上圍繞形成圓環狀，其兩個端部設接口並通過電纜與輔助加熱電源3相連；輔助加熱電源3還通過信號線依次連接數據分析模塊5和紅外測溫儀6。主加熱電源1施加給主加熱線圈2高頻交變電流，在主加熱線圈2附近產生同頻率的交變磁場，而之前通過預熱機構而溫度已經上升到600°C以上的多晶棒A自身會感生渦流生熱，從而實現多晶棒的局部熔化，熔融矽穿過主加熱線圈2中心孔，在線圈下方用籽晶接住熔融矽連續生長出單晶棒；所述的輔助加熱器4設置在單晶棒B外部，通過輔助加熱電源3加熱；爐壁及爐室外還設有紅外測溫儀6和數據分析模塊5。輔助加熱器4圍繞形成的圓環狀的直徑在150mm～400mm之間，其在上下方向往復彎折的波浪狀的高度在50mm～800mm之間。主加熱電源1和輔助加熱電源3所述的主加熱電源1和輔助加熱電源3相互獨立可單獨調節，且均設有防幹擾裝置。主加熱電源1頻率為高頻，輔助加熱電源3為直流電源。本發明中，主加熱電源1的功率可由拉晶人員現場實時設定，也可按照設定好的工藝程序進行調整。設置在爐壁上的紅外測溫儀6可實時檢測矽單晶棒B特定點的溫度，並傳輸給數據分析模塊5，數據分析模塊5通過一定的控制方法來控制輔助加熱功率，從而使得單晶棒B特定點的溫度能夠按照所需的工藝要求得到精確控制：區熔矽單晶生長主要包括引晶、擴肩、等徑和收尾等階段，數據分析模塊5主要在擴肩、等徑及收尾階段起作用，其控制目標為：單晶棒B特定點的溫度，控制輸入量為：輔助加熱器4電流，且在不同的生長階段採取不同的控制方法。現有技術中一般在線圈下端單晶棒B外設置保溫環7或者其他的保溫材料，而這些裝置一般是不透明，會影響測溫儀和CCD等裝置對單晶棒B和熔區的監測。而本發明中採用的輔助加熱器4給單晶棒B和熔區留有較大空隙，可保證測溫儀和CCD全範圍監測。區熔矽單晶生長主要包括引晶、擴肩、等徑和收尾等階段，數據分析模塊中的內置控制方法主要在擴肩、等徑及收尾階段起作用，其控制目標為單晶棒特定點的溫度；控制輸入量為輔助加熱器電流（功率），且在不同的生長階段採取不同的控制方法。在擴肩階段，單晶棒直徑不斷變化，設定單晶棒特定點溫度隨單晶棒直徑的變化曲線T(d)為目標值，其中，單晶棒特定點溫度隨單晶棒直徑的變化曲線T（d）由對作為標準參照的單晶棒生產過程進行標定的方式獲得；單晶棒直徑為D時，通過查找曲線獲得單晶棒溫度目標值為T（D）；溫差△T=T1-T（D）,其中T1為單晶棒直徑為D時紅外測溫儀檢測到單晶棒特定點的溫度；輔助加熱器電流設定值I分三段控制：當溫度偏差△T＜Tm時，I=Imax，即輔助加熱器輸出最大電流；當△T＞Tb時，I=0，即關閉輔助加熱器；當Tm≤△T≤Tb時，I=I0-0.45×△T+0.0038×（D/△T）；其中，Tm為單晶棒溫度目標值為T（D）允許的下偏差，Tb為單晶棒溫度目標值為T（D）允許的上偏差，且滿足：-20℃≤Tm≤0℃≤Tb≤20℃，I0為擴肩階段輔助加熱器電流的初始設置值，其值在0.3Imax～0.5Imax之間；進入等徑階段，由於單晶棒直徑不再變化，主加熱器功率基本保持穩定，輔助加熱器電流設定值I=I1+0.05×T，其中，I1為等徑階段輔助加熱器電流的初始設置值，其值為0.4Imax～0.7Imax之間，T為進入等徑階段的時間；在收尾階段，設定單晶棒特定點溫度隨單晶棒直徑的變化曲線T(d)』為目標值，其中，單晶棒特定點溫度隨單晶棒直徑的變化曲線T(d)』由對作為標準參照的單晶棒生產過程進行標定的方式獲得；單晶棒直徑為D時，通過查找曲線獲得單晶棒溫度目標值為T（D）』；溫差△T』=T1』-T（D）』，其中T1』為單晶棒直徑為D時紅外測溫儀檢測到單晶棒特定點的溫度；輔助加熱器電流設定值I分三段控制：當溫度偏差△T』＜Tm』時，I=Imax，即輔助加熱器輸出最大電流；當△T』＞Tb』時,I=0，即關閉輔助加熱器；當Tm』≤△T』≤Tb』時，I=I0』-0.65×△T』+0.0025×（D/△T』）；其中，Tm』為單晶棒溫度目標值為T（D）』允許的下偏差，Tb』為單晶棒溫度目標值為T（D）』允許的上偏差，且滿足：-20℃≤Tm』≤0℃≤Tb』≤20℃，I0』為收尾階段輔助加熱器電流的初始設置值，其值為0.3Imax～0.5Imax之間。本發明中，採用雙電源加熱的熱場，通過適當的功率控制策略，單晶棒B及熔區溫度分布可根據工藝需要得到精確控制，可得到合理的熱場分布。相比於現有技術中普遍 採用的單一熱源加保溫環7的結構，本發明中雙電源加熱的熱場易於控制，也為區熔自動化單晶生產奠定了基礎。配合合理的功率控制策略，本發明可解決6.5英寸以上的大直徑區熔矽單晶生長中面臨的因熱場分布不合理、熱應力過大造成的單晶棒開裂的問題，同時也可改善3～6英寸的區熔矽單晶生長的熱場分布，解決因熱場分布不合理、熱應力過大造成的斷稜問題，將矽單晶生產率從現有技術的70%提高到85%以上，並提高矽單晶品質。圖3中所示為相同拉晶人員下採用現有技術和本發明分別進行10次6英寸矽單晶生產試驗的統計數據，其中矽單晶生產率是指生產出符合要求的單晶棒質量與投料量的比值。當然，上述案例只是本發明的一個實施案例，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。