(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201510572960.X
(22)申请日 2015.09.10
C30B 15/00(2006.01)
C30B 29/06(2006.01)
(71)申请人上海超硅半导体有限公司
地址201604 上海市松江区石湖荡镇养石路
88号
(72)发明人李秦霖 山田宪治 刘浦锋
宋洪伟 陈猛
(54)发明名称
(57)摘要
本发明提供一种单晶硅生长炉用导流筒。该
导流筒包括锥形导流内筒和外筒，内筒和外筒之
间具有填充保温碳毡的保温层，外筒与保温层之
间设有金属钼或钨制备的隔热层。通过锥形内筒
高晶锭的轴向温度梯度。同时借助导流筒整流气
体，提高气体的流速，降低熔体液面处的SiO 分
压，从而降低熔体中的氧含量。提高晶锭的品质，
加快晶体生长速率，降低生产成本。本发明还提供
一种借助该导流筒消除石英坩埚壁多晶颗粒的应
用方法。(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书6页 附图1页CN 105239150 A 2016.01.13
C N 105239150
A
1.一种单晶硅生长炉用导流筒，其特征在于：锥形的内筒1、底部带有环状水平台阶的外筒2、内筒与外筒间填充的保温层4以及保温层与外筒之间的设有隔热层3。
2.所述的内筒1由金属钼或金属钨制作而成，外筒2由碳/碳的复合材料制作而成，所述的保温层3由碳毡制作而成，所述的隔热层由金属钼或金属钨薄片制作而成。
3.根据权利要求书1所述的单晶硅生长炉用导流筒，其特征在于所述内筒1的内壁1A 为粗糙面。
4.根据权利要求书2所述的单晶硅生长炉用导流筒，其特征在于所述内筒1的内壁1A 是经喷砂工艺处理得到粗糙面。
5.根据权利要求书1所述的单晶硅生长炉用导流筒，其特征在于所述内筒1的外壁1B 为光滑面，其表面粗糙度不大于0.2μm。
6.根据权利要求书1所述的单晶硅生长炉用导流筒，其特征在于所述内筒1的外壁1A 与保温层4不接触，且内筒外壁1A与保温层4的间距不小于5mm。
7.根据权利要求书1所述的单晶硅生长炉用导流筒，其特征在于所述内筒1的锥形筒体与水平面形成的坡度Θ为60~85度之内。
8.根据权利要求书1所述的单晶硅生长炉用导流筒，其特征在于所述的外筒2包括竖直段筒体、底部环形平面的水平段、竖直段与水平段连接的弧形段以及水平台阶边缘固定内筒的支撑段。
9.根据权利要求书1所述的单晶硅生长炉用导流筒，其特征在于所述外筒2的竖直段的外壁2A、弧形段的外壁以及外筒水平段的下表面2B均为光滑面，表面粗糙度不大于0.2μm。
10.根据权利要求书1所述的单晶硅生长炉用导流筒，其特征在于所述外筒1下部中央
开口内径R
1a 为所需生长晶锭直径R
i
的1.2~1.4倍。
11.根据权利要求书1所述的单晶硅生长炉用导流筒，其特征在于所述弧形段与竖直段和水平段平滑连接，且弧形段的弧长为石英坩埚内径R
c的
1/10~1/8倍。
12.根据权利要求书1所述的单晶硅生长炉用导流筒，其特征在于所述竖直段筒体的
外径R
2为石英坩埚内径R
c
的0.8~0.9倍。
13.根据权利要求书1所述的单晶硅生长炉用导流筒，其特征在于所述外筒的弧形段
与水平段的水平宽度为d=（R
2b -R
2a
）/2，且满足一下公式：
1/6R
c ≤d≤1/4R
c
式中Rc为石英坩埚的直径。
14.本发明还提供一种基于该导流筒的特殊应用，其特在在于：在单晶硅生长过程中，利用该导流筒辅助融化粘附于石英坩埚壁上的多晶料颗粒并降低熔体中的氧含量，具体操作步骤如下：
（1）待多晶原料完全融化后，通过坩埚升降机构升高石英坩埚的锅位；
（2）通过增加加热功率，使熔体液面的温度升高0~20℃；
（3）对粘附于石英坩埚壁上的多晶料颗粒恒温处理0.5~5小时；
（4）下降坩埚位置，调整加热功率，稳定温场，准备执行引晶操作。
15.根据权利要求书13所述的应用方法，所述的锅位其特征在于熔体液面距离导流筒底部的高度控制在20~50mm之间。
16.根据权利要求书13所述的应用方法，其特征在于石英坩埚的上升速率控制在100mm/h~150mm/h之间。
单晶硅生长炉用导流筒及其应用
技术领域
[0001] 本发明属于单晶硅制造装置，尤其是涉及一种提高硅单晶生长速度、降低单晶硅中氧含量的单晶硅生长炉用导流筒。
背景技术
[0002] 随着集成电路向小型化、低功耗、高运算速率、窄线宽的快速发展，对大尺寸集成电路用硅片的品质与性能提出了更高的要求。随着晶锭尺寸的加大，晶锭生长所需的温度场设计难度增大，单晶硅生长炉制造难度与成本大幅增加。
[0003] 集成电路制造过程中，对硅片中氧含量具有严格的要求，以免所制造的芯片在使用过程发生烧毁等严重事故。在单晶硅生长过程中，氧元素主要来源于多晶原料表面的吸附氧和石英坩埚，降低熔体中氧元素的浓度是单晶硅生长所面对的首要问题。由于熔体中的氧元素多以SiO形式存在，通过导流筒，将氩气流汇聚至坩埚中央，从而加速SiO的挥发，可大幅降低熔体中氧浓度。同时，汇聚的氩气流可加速晶锭的冷却，增大晶锭轴向温度梯度，提高晶锭生长速率。
[0004] 现有技术诸如CN201420688047.7所述的一种提高直拉硅单晶生长速度的新型导流筒，虽然采用了内外筒和内筒又分上部与下部独立设计的思想，减少了导流筒对晶锭的辐射热，但在晶锭生长末期，随着熔体体积的减少，石英坩埚裸露面积显著增大，石英坩埚壁对外筒的辐射热大幅增加，导致内筒温度升高，反而对晶锭产生了较大辐射热，不利于晶锭生长。
[0005] 又诸如201320808094.6所述的一种拉制大直径N型单晶的导流筒，虽然在内胆与保温层之间设置了钼隔板，但是在外胆与保温层直接未设置钼隔板，导致熔体液面和石英坩埚壁热辐射通过外筒全部被保温层吸收，同时保温层与钼隔板紧密接触，形成传导导热，使钼隔板温度升高，且高于内胆的温度，
反而对内筒形成热辐射，不利于晶锭的热释放。[0006] 综上所述，现有的技术在一定程度上具有提供晶锭生长速率，降低熔体中氧浓度的作用，但依然存在诸多问题，如：（1）晶锭生长末期，坩埚壁对导流筒的辐射加剧，导流筒温度升高，导流筒自身对晶锭的辐射加剧，不利于晶锭的生长。（2）坩埚和熔体热辐射热量散失严重，升温化料时间较长，单晶炉功耗高。（3）晶锭中氧浓度依然较高，需进一步降低熔体中的氧含量，从而提高晶锭的电阻率。
[0007] 同时，在单晶硅生长过程中，多晶硅原料融化后，容易在石英坩埚内壁上粘附很多未融化的多晶硅颗粒或者块体，通常是通过增加石墨加热器的输出功率，提高坩埚壁的温度，缓慢的将颗粒或者块体融化，耗时长，耗能多，且去除能力有限。而且，在晶锭提拉生长过程，粘附于石英坩埚内壁上的颗粒或块体容易发生突然脱落，掉落入坩埚中，严重破坏熔体温场和流体场的稳定性，影响晶锭品质。
[0008] 因而，本发明还提供一种高效去除石英坩埚内壁粘附多晶颗粒或者块体的方法。
发明内容
[0009] 本发明的目的是提供一种能有效提高晶体生长速率、降低生长功耗、降低晶锭中氧含量的单晶硅生长炉用导流筒。
[0010] 一种单晶硅生长炉用导流筒，它包含带有锥形内筒的筒体，所述的筒体包括锥形的内筒、底部水
平台阶的外筒、内筒与外筒间填充的保温层以及保温层与外筒之间的设有隔热层。所述的内筒由碳/碳的复合材料制成，所述的外筒由金属钼或金属钨制作而成，所述的保温层由碳毡制作而成，所述的隔热层由金属钼或金属钨薄片制作而成。
[0011] 进一步，所述的内筒其特征在于内筒内壁为粗糙面，其目的是吸收来至晶锭表面的辐射热，减少对晶锭的辐射，提高晶锭的散热效率。
[0012] 进一步，所述的内筒内壁可经喷砂工艺处理。
[0013] 进一步，所述内筒的外壁为光滑面，其表面粗糙度不大于0.2μm，其目的是反射来至保温层的辐射热。
[0014] 进一步，所述内筒的外壁与保温层不接触，内筒外壁与保温层的间距不小于5mm。[0015] 进一步，所述内筒的内筒壁与水平面的坡度Θ为60~85度，内筒的壁厚d1为5~10mm。
[0016] 所述的外筒其特征在于包括竖直段筒体、水平段环形台阶、竖直段与水平段连接的弧形段以及水平台阶边缘固定内筒的支撑段。
[0017] 进一步，所述外筒的外壁以及外筒水平段的下表面为光滑面，表面粗糙度不大于0.2μm，其目的是反射来至液面和坩埚壁的辐射热，降低晶锭生长功耗。
[0018] 进一步，所述外筒的壁厚为5~10mm。
[0019] 进一步，所述外筒下部中央开口内径R1a为所需生长晶锭直径R i的1.2~1.4倍。[0020] 进一步，所述弧形段与竖直段和水平段平滑连接，弧形段的弧长为石英坩埚内径R
c的
1/10~1/8倍。
[0021] 进一步，所述竖直段筒体的外径R2为石英坩埚内径R c的0.8~0.9倍。
[0022] 进一步，所述外筒的弧形段与水平段的水平宽度为d=（R2b-R2a）/2，且满足一下公式
1/6R
c ≤d≤1/4R
c
式中Rc为石英坩埚的直径。
[0023] 本发明还提供一种基于该导流筒的特殊应用，在单晶硅生长过程中，利用该导流筒辅助融化粘附于石英坩埚壁上的多晶料颗粒并降低熔体中的氧含量。具体操作步骤如下：
（1）待多晶原料完全融化后，通过坩埚升降机构升高坩埚的锅位；
（2）通过增加加热功率，使熔体液面的温度升高0~20℃；
（3）借助导流筒的反射与整流功能，对粘附于石英坩埚壁上的多晶料颗粒，恒温处理0.5~5小时；
（4）下降坩埚位置，调整加热功率，稳定温场，准备执行引晶操作。
[0024] 进一步，所述的锅位其特征在于使熔体液面距离导流筒底部的高度控制在20~50mm之间。
[0025] 进一步，所述的操作方法其特征在于坩埚的上升速率控制在100mm/h~150mm/h之间。
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