一种晶体冷却装置的制作方法

1.本实用新型属于半导体硅晶体制造技术领域，具体涉及一种晶体冷却装置。

背景技术：

2.半导体元器件主要的基底材料为单晶硅，而大多数的单晶硅都是由czochralski法(柴可拉斯基法，又称为直拉法)制造，如今电子组件的最小化趋势使得对所使用的基底材料单晶硅的缺陷要求日益严格，故如何降低缺陷为是目前亟需攻关的问题。
3.直拉法拉晶过程中熔体结晶为单晶硅时会形成空位及间隙原子的本征点缺陷，当单晶硅离开固液界面冷却过程中，依据不同的生长条件会形成过量的空位及间隙本征缺陷的v型单晶或i型单晶，若调整拉晶炉内的热场分布使空洞型缺陷成核及成长的温度区间减小，可抑制本征缺陷的过饱和度，避免产生较大尺寸的空位缺陷，显着提高晶棒品质。
4.基于上述问题，本实用新型拟提出一种用于拉晶棒冷却的装置，以提高拉晶棒的冷却速率，使其缺陷产生温度区间缩短来达到降低缺陷改善晶体品质的目的。

技术实现要素：

5.本实用新型的目的就在于为解决现有技术的不足而提供一种晶体冷却装置。
6.本实用新型的目的是以下述技术方案实现的：
7.一种晶体冷却装置，由内至外包括同轴设置的石墨套筒、以及具有空心夹层的水冷套；所述石墨套筒的中心设有供拉晶棒穿过的轴向通孔；
8.所述石墨套筒的内壁上设有石墨烯涂层；
9.所述冷却装置还包括氩气系统；所述氩气系统沿所述水冷套的外壁向下输送用于冷却的氩气。
10.优选的，所述水冷套的顶部外侧设有用于与拉晶炉炉盖连接的法兰；
11.所述氩气系统包括设于法兰上的氩气输送口，所述氩气输送口的出口端方向向下。
12.优选的，所述水冷套的夹层内设有高度与所述夹层高度一致的第一隔板，以所述第一隔板为起点，沿圆周方向还设有多个均匀分布且交替排列的第二隔板和第三隔板，而且最后与所述第一隔板另一侧相邻的也为所述第二隔板；所述第二隔板的底端与所述夹层的底端、以及所述第三隔板的顶端与所述夹层的顶端设有供冷却水流通的缺口；
13.所述第一隔板与相邻的所述第二隔板之间的夹层上设有进水口，与另一侧相邻的所述第二隔板之间的夹层上设有出水口。
14.优选的，所述第一隔板的上、下两端、所述第二隔板的上端、所述第三隔板的下端设有过水孔。
15.优选的，所述水冷套和所述石墨套筒的下端设有拉晶棒观察窗。
16.优选的，所述水冷套和法兰材质为不锈钢。
17.本技术通过石墨烯热量辐射、水冷套水冷冷却、氩气冷却三重冷却系统，使晶棒快
速通过空洞型缺陷成长成核的特征温度区间(1100～1070℃)，有效改善了晶体品质。使用本实用新型提供的冷却装置，可使晶棒上37nm大小的缺陷尺寸小于100颗(未使用本技术前37nm缺陷数量约为10000颗左右)。
附图说明
18.图1是本实用新型提供的晶体冷却装置的结构示意图；
19.图2是本实用新型提供的晶体冷却装置的仰视视角的结构示意图；
20.图3是将水冷套周面水平展开，第一隔板、第二隔板和第三隔板设置的示意图；
21.其中：1-水冷套；2-观察窗；3-法兰；4-石墨套筒；7-螺纹孔；8-第一隔板；9-第二隔板；10-第三隔板；11-过水孔；12-进水管；13-出水管；14-氩气输送口。
具体实施方式
22.本实用新型提供了一种晶体冷却装置，如图1～2所示，由内至外包括同轴设置的石墨套筒4、具有空心夹层的水冷套1；石墨套筒的中心设有供拉晶棒穿过的轴向通孔；
23.石墨套筒4的内壁上设有石墨烯涂层；
24.该冷却装置还包括氩气系统；氩气系统可沿水冷套的外壁向下输送用于冷却的氩气。
25.常规拉晶生产时，拉晶炉的上部需要炉盖，以防止杂质进入硅熔融液体中影响晶棒纯度。本实用新型使用时，将水冷套和石墨套筒置于拉晶炉的硅原料熔融液面上方，使拉晶棒从轴向通孔穿过，水冷套顶部与炉盖连接，随着拉晶棒的生长与炉盖保持同步上升或下降，不需再另行设置升降装置。在拉晶过程中向水冷套的夹层内通入循环冷却水，通过冷却水在水冷套内的流通，可快速带走拉晶棒附近热量。而且位于水冷套内侧的石墨套筒，借由石墨稀的高反射率及高热传导率可以将晶体表面的辐射热有效传递到水冷套，进一步提高冷却效率。另外，本技术特别设置的氩气系统，输送的氩气可沿水冷套外壁流动，一方面可以进一步带走水冷套的热量，另一方面氩气沿外壁继续向下可流动至硅材料熔融液面表面和晶体表面，进一步带走晶体热量及硅熔融液面表面氧化物。
26.因此，本技术通过石墨烯热量辐射、水冷套水冷冷却、氩气冷却三重冷却系统，使晶棒快速通过空洞型缺陷成长成核的特征温度区间(1100～1070℃)，有效改善了晶体品质。使用本实用新型提供的冷却装置，可使晶棒上37nm大小的缺陷尺寸小于100颗(未使用本技术前相同规格晶棒37nm缺陷数量约为10000颗左右)。
27.优选的，水冷套1的顶部外侧设有用于与拉晶炉炉盖连接的法兰3；通过法兰可将水冷套与炉盖固定连接。优选的，法兰上设有供固定螺丝穿过的螺纹孔7。
28.氩气系统包括设于法兰上的氩气输送口14，氩气输送口14的出口端方向向下，使氩气向下环绕水冷套外壁输送。氩气输送口的进口端可位于法兰的上表面或侧面，如图2所示，氩气可从法兰侧面进入，向下方输送。另外，还可直接在水冷套外侧设氩气输送管道。
29.优选的，水冷套和石墨套筒的下端设有拉晶棒观察窗2，通过观察窗可随时监控晶棒生长状态，在观测到晶棒生长异常时可及时进行调整。
30.优选的，如图3所示，水冷套1的夹层内设有高度与夹层高度一致的第一隔板8，以第一隔板为起点，沿圆周方向设有多个均匀分布且交替排列的第二隔板9和第三隔板10，而
且最后与第一隔板8另一侧相邻的仍是第二隔板9；第二隔板9的底端与夹层的底端、以及第三隔板10的顶端与夹层的顶端设有供冷却水流通的缺口；第一隔板8与相邻的第二隔板9之间的夹层上设有进水口，与另一侧相邻的第二隔板之间的夹层上设有出水口。进一步地，水冷套进水口处连接有进水管12，出水口处连接有出水管13。在第一隔板、第二隔板和第三隔板的作用下，冷却水在夹层内沿如图2所示的设定路线流动，最后从出水口处流出，使冷却水流动路径全面均匀覆盖整个水冷套，提高了冷却水的利用率和冷却效率。
31.优选的，在第一隔板的上、下两端、第二隔板的上端、第三隔板的下端设有过水孔11，通过该过水孔，可供少量的冷却水向左右两侧流动，防止在水冷套夹层内形成冷却水流通死角，从而进一步提高冷却效率。
32.优选的，水冷套和法兰材质为不锈钢。
33.尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：

1.一种晶体冷却装置，其特征在于，由内至外包括同轴设置的石墨套筒、以及具有空心夹层的水冷套；所述石墨套筒的中心设有供拉晶棒穿过的轴向通孔；所述石墨套筒的内壁上设有石墨烯涂层；所述冷却装置还包括氩气系统；所述氩气系统沿所述水冷套的外壁向下输送用于冷却的氩气。2.如权利要求1所述的晶体冷却装置，其特征在于，所述水冷套的顶部外侧设有用于与拉晶炉炉盖连接的法兰；所述氩气系统包括设于法兰上的氩气输送口，所述氩气输送口的出口端方向向下。3.如权利要求1所述的晶体冷却装置，其特征在于，所述水冷套的夹层内设有高度与所述夹层的高度一致的第一隔板，以所述第一隔板为起点，沿圆周方向还设有多个均匀分布且交替排列的第二隔板和第三隔板，而且最后与所述第一隔板另一侧相邻的也为所述第二隔板；所述第二隔板的底端与所述夹层的底端、以及所述第三隔板的顶端与所述夹层的顶端设有供冷却水流通的缺口；所述第一隔板与相邻的所述第二隔板之间的夹层上设有进水口，与另一侧相邻的所述第二隔板之间的夹层上设有出水口。4.如权利要求3所述的晶体冷却装置，其特征在于，所述第一隔板的上、下两端、所述第二隔板的上端、所述第三隔板的下端设有过水孔。5.如权利要求1所述的晶体冷却装置，其特征在于，所述水冷套和所述石墨套筒的下端设有拉晶棒观察窗。6.如权利要求1所述的晶体冷却装置，其特征在于，所述水冷套和法兰材质为不锈钢。

技术总结

本实用新型公开了一种晶体冷却装置，由内至外包括同轴设置的石墨套筒、以及具有空心夹层的水冷套；所述石墨套筒的中心设有供拉晶棒穿过的轴向通孔；所述石墨套筒的内壁上设有石墨烯涂层；所述冷却装置还包括氩气系统；所述氩气系统沿所述水冷套的外壁向下输送用于冷却的氩气。本申请通过石墨烯热量辐射、水冷套水冷冷却、氩气冷却三重冷却系统，使晶棒快速通过空洞型缺陷成长成核的特征温度区间(1100～1070℃)，有效改善了晶体品质。有效改善了晶体品质。有效改善了晶体品质。