单晶炉热场和单晶炉的制作方法

1.本技术实施例涉及单晶硅制造技术领域，特别涉及一种单晶炉热场和单晶炉。

背景技术：

2.半导体硅单晶体的生长中，大都是利用切克劳斯基(czochralski)法制造(简称cz法)。在此方法中，将高纯度的多晶硅按一定要求装入石英坩埚内，然后加热石英坩埚，将其中的多晶硅熔化，接下来将熔硅略微降温，给予一定的过冷度，等熔硅静定后，把一根特制的标准硅单晶体(通常叫籽晶)与熔硅接触进行引晶，引晶到适当长度后开始放肩(晶棒直径变大)，稍后即开始转肩，随后即进入等径生长阶段，这一阶段持续时间可以很长，视拉晶的长度而定，达到设计要求的长度后即可收尾，收尾完毕后晶棒冷却，取出单晶体，即完成一次拉晶。
3.上述拉晶过程中，如何提高拉晶效率及降低能耗一直是此领域研究的重点。单晶炉热场通常由热场部件和保温材料构成，一套随机设计的单晶炉热场，加热器功率的50％左右足以维持其单晶长晶条件，其余的能量都消耗在环境中。
4.因此，需要改变单晶炉热场结构，减少热量的损失，从而有效降低拉晶时的功率损失。

技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种单晶炉热场和单晶炉，以降低单晶炉热场的功率损失。
6.根据本技术一些实施例，本技术实施例一方面提供一种单晶炉热场，包括：加热器、导流筒以及保温筒；其中，保温筒包括上保温部和下保温部，上保温部的底部与下保温部的顶部相固定，上保温部围成第一腔室，下保温部围成第二腔室，第一腔室与第二腔室相连通，加热器设置于第二腔室内，上保温部的顶部具有开口，导流筒的下端从开口伸入第一腔室以及第二腔室内，上保温部的顶部具有向第一腔室延伸的突出部。
7.在一些实施例中，突出部与导流筒之间的间隙范围为0～20mm。
8.在一些实施例中，沿第一腔室指向第二腔室的方向上，突出部的高度与上保温部的高度之比范围为0.02～0.1。
9.在一些实施例中，上保温部的内壁与导流筒外壁之间的距离小于下保温部的内壁与导流筒外壁之间的距离。
10.在一些实施例中，加热器包括上加热器和下加热器，上加热器位于上保温部内壁到下保温部内壁之间的区域，下加热器位于下保温部的底部。
11.在一些实施例中，还包括坩埚，坩埚设置于第一腔室和第二腔室内，且坩埚可沿第一腔室指向第二腔室的方向上下移动，加热器设置于坩埚的外部周围，导流筒的下端伸入至坩埚内。
12.在一些实施例中，下保温部的内壁与加热器之间的间隙范围为20～25mm。
13.在一些实施例中，保温筒的底部具有开孔，开孔与抽气管道连通，抽气管道与泵相
连接。
14.在一些实施例中，沿第一腔室指向第二腔室的方向上，至少部分导流筒下端的尺寸逐渐减小。
15.根据本技术一些实施例，本技术实施例另一方面提供一种单晶炉，具有上述实施例中提供的单晶炉热场，包括：炉体，单晶炉热场设置于炉体内部。
16.本技术实施例提供的技术方案至少具有以下优点：单晶炉热场中的保温筒具有上保温部和下保温部，上保温部和下保温部相固定，其中，上保温部围成第一腔室，下保温部围成第二腔室，第一腔室与第二腔室相连通，共同构成保温腔室；加热器设置于第二腔室内，可以向置于单晶炉热场中坩埚的底部或侧壁进行加热，以使坩埚中的多晶硅加热熔融；导流筒从上保温部的顶部开口深入至第一腔室和第二腔室内，可以有利于气流流向坩埚内的熔融多晶硅，从而对熔融的多晶硅适当降温，以给予熔融的多晶硅一定的过渡冷，进而便于拉晶；上保温部的顶部具有向第一腔室延伸的突出部，可以减小第一腔室的空间，从而降低导流筒通入的气流在保温筒内的运动体积，避免导流筒内的气流冲刷的面积过大带走过多的热量，以增加保温筒的保温性能，减少加热器的功率损失。
附图说明
17.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制；为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本技术一实施例提供的一种单晶炉热场的结构示意图；
19.图2为本技术一实施例提供的一种保温筒结构示意图；
20.图3为本技术另一实施例提供的一种单晶炉热场的结构示意图；
21.图4为本技术另一实施例提供的上保温部的结构示意图；
22.图5为本技术另一实施例提供的另一种单晶炉热场的结构示意图。
具体实施方式
23.由背景技术可知，需要改变单晶炉热场结构，减少热量的损失，从而有效降低拉晶时的功率损失。
24.拉晶是指熔融的单质硅在凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅，单晶硅主要用于制作半导体元件。单晶炉热场的优劣对单晶硅的质量有很大的影响，合适的单晶炉热场能够生长出高质量的单晶；不好的热场容易使单晶变成多晶或者根本无法引晶。单晶炉热场的构造决定了单晶的质量以及内部结构，因此，匹配较好的单晶炉热场是拉晶工艺技术的前提。
25.参考图1，图1为本技术一实施例提供的一种单晶炉热场的结构示意图，分析发现，单晶炉热场100通常包括加热器101和保温筒102，在拉晶过程中需要通过导流筒103向单晶
炉热场100中通入气流，使熔融的多晶硅略微降温，给予一定的过冷度，以使单晶硅结晶；且在拉晶过程中，熔融多晶硅时会产生杂质气体或者氧化物，导流筒103中的气流(如图1中箭头所示的气流路径s1)可以带走熔融过程中产生的杂质，从而避免杂质对单晶的品质造成影响。然而，参考图2，图2为本技术一实施例提供的一种保温筒结构示意图，保温筒102通常设置为直壁结构，因此，导流筒103通入的气流在保温筒102内的运动空间较大，进而气流进入保温筒102内的流量以及冲刷热量的面积较大，导致气流不断冲刷带走的热量过多，进而使加热器101的功率损耗增加。
26.根据本技术一些实施例，本技术一实施例提供一种单晶炉热场，以降低单晶炉热场的功率损失。
27.下面将结合附图对本技术的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本技术各实施例中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。
28.图3为本技术另一实施例提供的一种单晶炉热场的结构示意图，图4为本技术另一实施例提供的上保温部的结构示意图，图5为本技术另一实施例提供的另一种单晶炉热场的结构示意图，以下将结合附图对本实施例提供的单晶炉热场进行详细说明，具体如下：
29.参考图3，单晶炉热场200包括：加热器201、导流筒202以及保温筒203；其中，保温筒203包括上保温部213和下保温部223，上保温部213的底部与下保温部223的顶部相固定，上保温部213围成第一腔室，下保温部223围成第二腔室，第一腔室与第二腔室相连通，加热器201设置于第二腔室内，上保温部213的顶部具有开口，导流筒202的下端从开口伸入第一腔室以及第二腔室内，参考图4，上保温部213的顶部具有向第一腔室延伸的突出部233。
30.本实施例提供的单晶炉热场200中，保温筒203具有上保温部213和下保温部223，上保温部213和下保温部223相固定，其中，上保温部213围成第一腔室，下保温部223围成第二腔室，第一腔室与第二腔室相连通，共同构成保温腔室；加热器201设置于第二腔室内，可以向置于单晶炉热场200中坩埚204的底部或侧壁进行加热，以使坩埚204中的多晶硅加热熔融；导流筒202从上保温部213的顶部开口深入至第一腔室和第二腔室内，可以有利于气流流向坩埚204内的熔融多晶硅，从而对熔融的多晶硅适当降温，以给予熔融的多晶硅一定的过渡冷，进而便于拉晶；上保温部213的顶部具有向第一腔室延伸的突出部233，可以减小第一腔室的空间，从而降低导流筒202通入的气流在保温筒203内的运动体积，避免导流筒202内的气流冲刷的面积过大带走过多的热量，以增加保温筒203的保温性能，减少加热器201的功率损失。
31.需要说明的是，在一些实施例中，上保温部213与突出部233可以采用一体成型的方式进行结合；在另一些实施例中，上保温部213与突出部233可以分别成型，并采用其他的工艺方式进行结合。在本实施例中，上保温部213的顶面还具有上保温盖243，下保温部223的底面还具有下保温盖253，从而有利于保温筒203构成密闭的保温腔室。在一些实施例中，上保温部213、突出部233和上保温盖243可以采用一体成型的方式结合，下保温部223与下保温盖253可以采用一体成型的方式结合；在另一些实施例中，上保温部213、突出部233和上保温盖243可以分别成型，并采用其他的工艺方式结合，下保温部223与下保温盖253可以分别成型，并采用其他的工艺方式结合。
32.在一些实施例中，单晶炉热场200还可以包括坩埚204，坩埚204设置于第一腔室和第二腔室内，且坩埚204可沿第一腔室指向第二腔室的方向上下移动，加热器201设置于坩埚204的外部周围，导流筒202的下端伸入至坩埚204内。通过坩埚204存放熔融的多晶硅，导流筒202的下端可深入至坩埚204内，可以减小导流筒202与熔融多晶硅之间的距离，进而有利于气流对拉出的单晶进行迅速降温。
33.在生长硅单晶棒的过程中，直径的控制是利用拉速与加热器功率的调整来完成。其中拉速的调整是属于短程的控制效应，所谓短程就是直径变化的反应时间是几十秒钟到几分钟，加热器功率的调整是属于长程的控制效应，所谓长程就是反应在20-40分钟才能有效地开始影响直径。然而在生产低缺陷硅单晶棒时，拉速必须维持在很小的范围内，甚至锁定为固定速度，才能精准的生产出低缺陷的单晶棒，不允许有大的拉速变化来调整直径。
34.进一步地，在一些实施例中，坩埚204的底部还可以具有支撑结构206，支撑结构206的顶部与坩埚204的底部连接，底部延伸至保温筒203的底部之外，通过该支撑结构206可以实现对坩埚204的上下移动或者旋转，从而保持熔料时坩埚204有合适的低锅位，在拉晶时坩埚204有足够的锅跟随动行程，以配合拉晶过程的进行。
35.对于保温筒203，保温筒203包括上保温部213和下保温部223，上保温部213具有沿第一腔室延伸的突出部233。在一些实施例中，突出部233与导流筒202之间的间隙范围为0～20mm，具体地，突出部233与导流筒202之间的间隙范围可以是0mm、5mm、10mm、15mm或者20mm。可以理解的是，导流筒202的外壁与突出部233的内壁可以紧密贴合，从而使第一腔室的剩余体积减小，相应的气流的运动体积减小，则气流可以带走的保温筒203内的热量相应减少，加热器201的功率损失减少；当突出部233与导流筒202之间具有一定的间隙时，可以使保温筒203内容易产生气旋，进而有利于气旋带走加热多晶硅时产生的氧化物和杂质气体，以提高单晶的品质。因此，突出部233与导流筒202之间的间隙可以根据实际情况调整，以避免气流的活动空间过大带走的热量过多，同时有利于气流带走杂质和氧化物。
36.在一些实施例中，沿第一腔室指向第二腔室的方向上，突出部233的高度与上保温部213的高度之比范围为0.02～0.1，具体地，突出部233的高度与上保温部213的高度之比可以是0.02、0.05、0.08或者0.1。可以理解的是，突出部233的高度与上保温部213的高度之比越大，则突出部233占用第一腔室的体积越大，相反的气流可以运动的空间范围越小，则气流能够带走的热量越少；但是突出部233的高度与上保温部213的高度之比越大，导流筒202外壁与上保温部213内壁之间的间隙高度越低，也就是说，坩埚204可以向上运动的高度越低，导流筒202可以伸入坩埚204内的深度相应降低，对于拉晶过程后期熔融多晶硅的液面较低时，导流筒202可以深入坩埚204内的深度越低，则导流筒202与熔融多晶硅液面之间的距离增加，对单晶的冷却效果下降，从而导致拉晶结束形成完结棒后，熔融多晶硅的留锅量增加，造成部分熔融多晶硅的浪费。因此，突出部233的高度与上保温部213的高度之比需要结合实际情况进行适当的调整，以满足减少气流在保温筒203内的运动空间，降低气流带走的热量的同时，避免造成坩埚204的运动距离减小，以减少熔融多晶硅的浪费。
37.参考图3，在一些实施例中，上保温部213的内壁与导流筒202外壁之间的距离等于下保温部223的内壁与导流筒202外壁之间的距离，即在沿第一腔室指向第二腔室的方向上，上保温部213的内壁与下保温部223的内壁齐平；参考图5，在另一些实施例中，上保温部213的内壁与导流筒202外壁之间的距离小于下保温部223的内壁与导流筒202外壁之间的
距离。也就是说，在沿第一腔室指向第二腔室的方向上，上保温部213的内壁相较于下保温部223的内壁更靠近导流筒202的外壁，则上保温部213形成的第一腔室体积可以进一步减小，相应的对于导流筒202内通入的气流来说，可以运动的空间进一步减小，气流的流量和带走的热量进一步降低，进而单晶炉热场200的热功率损失减小。
38.在一些实施例中，保温筒203的底部还可以具有开孔，开孔与抽气管道205连通，抽气管道205与泵相连接。气流从导流筒202中流出对熔融的多晶硅进行适当降温后，沿坩埚204的内壁与导流筒202外壁之间的间隙到达第一腔室，再沿加热器201与下保温部223内壁之间的间隙到达第二腔室至保温筒203底部，最后通过保温筒203的底部的开孔与抽气管道205被泵抽走，从而形成固定的气流路线(参考图3中s2所示的气流路径或者参考图5中s3所示的气流路径)，以带走熔融多晶硅时产生的杂质和氧化物，保持保温筒203内气流洁净度，有效降低了气氛中杂质对单晶生长环境的污染，从而提高成晶率。
39.对于加热器201，加热器201包括石墨加热器，在一些实施例中，当单晶硅棒的直径大于或等于200mm时，一个大直径直拉法(czochralski)拉晶炉里通常会用到两个石墨加热器。例如，参考图3和图5，加热器201可以包括上加热器211和下加热器221，上加热器211可以位于第二腔室内坩埚204的外壁，下加热器可以位于第二腔室内坩埚204的底部，以对坩埚204的外壁和底部均进行加热，提高加热器201对坩埚204的加热面积，使坩埚204中大量的多晶硅受热均匀并产生对流，从而更有利于多晶硅的熔融。
40.进一步地，参考图5，当上保温部213的内壁相较于下保温部223的内壁更靠近导流筒202时，在一些实施例中，上加热器211可以位于上保温部213内壁到下保温部223内壁之间的区域，下加热器221位于下保温部223的底部。也就是说，在第一腔室指向第二腔室的方向上，上加热器211的内壁可以与上保温部213的内壁齐平，或者上加热器211的内径大于上保温部213的内径，且上加热器211的外径小于下保温部223的内径，以此，上加热器211可以在第二腔室内对坩埚204的外壁进行加热，下加热器221在第二腔室内可以对坩埚204的底部进行加热。可以理解的是，当上保温部213的内壁相较于下保温部223的内壁更靠近倒流筒的外壁时，上保温部213的底部与下保温部223的顶部之间可以产生拐角，当上加热器211置于上保温部213内壁到下保温部223内壁之间的区域时，气流仅能够从上加热器211的顶部和拐角之间的间隙通过，气流通过路径(参考图5中s3所示的气流路径)的宽度范围减小，气流的流量和带走的热量可以进一步降低，从而减少单晶炉热场200的功率损失。另外，上保温部213的底部与下保温部223的顶部之间产生的拐角，可以屏蔽上加热器211顶部的热量对坩埚204内的单晶进行直接烘烤，进而使已生成的单晶迅速冷却退火，提高单晶的生长速度，缩短单晶的生长周期，促进单晶的电阻率更加均匀，提升单晶内在品质。
41.在一些实施例中，下保温部223的内壁与加热器201之间的间隙范围为20～25mm，具体地，下保温部223的内壁与加热器201之间的间隙可以是20mm、22mm、24mm或者25mm。气流从导流筒202的下端进入保温筒203后，需要从加热器201的外壁与下保温部223的内壁之间的间隙流至保温筒203的底部以便于排出，则下保温部223的内壁与加热器201之间的间隙作为气流的通路。下保温部223的内壁与加热器201之间的间隙越小，相应的气流可以通过的路径越窄，能够通过的气流越小，相应的能够带走的热量越小，但是为了避免加热器201对下保温部223的内壁造成损坏，加热器201与下保温部223的内壁之间需要保持一定的安全距离，以保证单晶炉热场200的使用安全。因此，下保温部223的内壁与加热器201之间
的间隙需要结合实际使用情况，在保证安全距离的条件下，尽量减小气流通过的路径宽度，避免过多的气流通过带走过多的热量，进而降低单晶炉热场200的功率损失。
42.对于导流筒202，在一些实施例中，沿第一腔室指向第二腔室的方向上，至少部分导流筒202下端的尺寸逐渐减小。可以理解的是，部分导流筒202的下端尺寸沿第一腔室指向第二腔室的方向上逐渐减小时，导流筒202内的气流可以沿第一腔室指向第二腔室的方向逐渐向尺寸减小的方向集中，从而使气流更加有效的对单晶进行冷却，有利于单晶的退火，以形成品质较好的单晶。
43.根据本技术一些实施例，本技术实施例另一方面提供一种单晶炉，具有上述实施例中提供的单晶炉热场200，包括：炉体，单晶炉热场200设置于炉体内部，以降低单晶炉热场200的功率损失。
44.本技术实施例提供的单晶炉热场200以及单晶炉中，保温筒203具有上保温部213和下保温部223，上保温部213和下保温部223相固定，其中，上保温部213围成第一腔室，下保温部223围成第二腔室，第一腔室与第二腔室相连通，共同构成保温腔室；加热器201设置于第二腔室内，可以向置于单晶炉热场200中坩埚204的底部或侧壁进行加热，以使坩埚204中的多晶硅加热熔融；导流筒202从上保温部213的顶部开口深入至第一腔室和第二腔室内，可以有利于气流流向坩埚204内的熔融多晶硅，从而对熔融的多晶硅适当降温，以给予熔融的多晶硅一定的过渡冷，进而便于拉晶；上保温部213的顶部具有向第一腔室延伸的突出部233，可以减小第一腔室的空间，从而降低导流筒202通入的气流在保温筒203内的运动体积，避免导流筒202内的气流冲刷的面积过大带走过多的热量，以增加保温筒203的保温性能，减少加热器201的功率损失。
45.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本技术的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本技术的精神和范围。

技术特征：

1.一种单晶炉热场，其特征在于，包括：加热器、导流筒以及保温筒；其中，所述保温筒包括上保温部和下保温部，所述上保温部的底部与所述下保温部的顶部相固定，所述上保温部围成第一腔室，所述下保温部围成第二腔室，所述第一腔室与所述第二腔室相连通，所述加热器设置于所述第二腔室内，所述上保温部的顶部具有开口，所述导流筒的下端从所述开口伸入所述第一腔室以及所述第二腔室内，所述上保温部的顶部具有向所述第一腔室延伸的突出部。2.根据权利要求1所述的单晶炉热场，其特征在于，所述突出部与所述导流筒之间的间隙范围为0～20mm。3.根据权利要求1所述的单晶炉热场，其特征在于，沿所述第一腔室指向所述第二腔室的方向上，所述突出部的高度与所述上保温部的高度之比范围为0.02～0.1。4.根据权利要求1所述的单晶炉热场，其特征在于，所述上保温部的内壁与所述导流筒外壁之间的距离小于所述下保温部的内壁与所述导流筒外壁之间的距离。5.根据权利要求4所述的单晶炉热场，其特征在于，所述加热器包括上加热器和下加热器，所述上加热器位于所述上保温部内壁到所述下保温部内壁之间的区域，所述下加热器位于所述下保温部的底部。6.根据权利要求1所述的单晶炉热场，其特征在于，还包括坩埚，所述坩埚设置于所述第一腔室和所述第二腔室内，且所述坩埚可沿所述第一腔室指向所述第二腔室的方向上下移动，所述加热器设置于所述坩埚的外部周围，所述导流筒的下端伸入至所述坩埚内。7.根据权利要求1所述的单晶炉热场，其特征在于，所述下保温部的内壁与所述加热器之间的间隙范围为20～25mm。8.根据权利要求1所述的单晶炉热场，其特征在于，所述保温筒的底部具有开孔，所述开孔与抽气管道连通，所述抽气管道与泵相连接。9.根据权利要求1所述的单晶炉热场，其特征在于，沿所述第一腔室指向所述第二腔室的方向上，至少部分所述导流筒下端的尺寸逐渐减小。10.一种单晶炉，具有如权利要求1～9中任一项所述的单晶炉热场，其特征在于，包括：炉体，所述单晶炉热场设置于所述炉体内部。

技术总结

本申请实施例涉及单晶硅制造技术领域，提供一种单晶炉热场和单晶炉，单晶炉热场包括：加热器、导流筒以及保温筒；其中，保温筒包括上保温部和下保温部，上保温部的底部与下保温部的顶部相固定，上保温部围成第一腔室，下保温部围成第二腔室，第一腔室与第二腔室相连通，加热器设置于第二腔室内，上保温部的顶部具有开口，导流筒的下端从开口伸入第一腔室以及第二腔室内，上保温部的顶部具有向第一腔室延伸的突出部，以降低单晶炉热场的功率损失。以降低单晶炉热场的功率损失。以降低单晶炉热场的功率损失。