本發(fā)明屬于單晶硅生長爐，尤其是涉及一種提高原料熔化速率、降低單晶硅生長功耗的單晶硅生長爐。

背景技術(shù)：

隨著集成電路向小型化、低功耗、高運(yùn)算速率、窄線寬的快速發(fā)展，對大尺寸集成電路用硅片的品質(zhì)與性能提出了更高的要求。隨著晶錠尺寸的加大，晶錠生長所需的溫度場設(shè)計(jì)難度增大，單晶硅生長爐制造難度與成本大幅增加，單晶硅生長周期和成本大幅度增加。

半導(dǎo)體單晶硅生長主要采用切克勞斯基法（Czochralski法，簡稱Cz法）。在這種方法中，多晶硅被裝進(jìn)石英坩堝內(nèi)，加熱熔化，然后，將硅熔體略做降溫，給予一定的過冷度，把一支特定徑向的硅單晶體（籽晶）與硅熔體接觸，通過調(diào)整熔體的溫度和籽晶向上提升速率，使籽晶體長大至近目標(biāo)直徑時(shí)，提高提拉速率，使晶體近恒直徑生長。在生長過程的末期，此時(shí)坩堝內(nèi)的硅熔體尚有殘余，通過增加晶錠提拉速率和調(diào)整加熱功率使晶錠直徑漸漸縮小而形成一個(gè)錐形尾部，直至晶錠與頁面脫離，從而完成晶錠的生長過程。因而單晶硅生長過程大致分為：裝填多晶料、抽真空、氣氛化、升溫化料、引晶、縮頸、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑生長、收尾、降溫、冷卻、出爐等工藝步驟。

現(xiàn)有的單晶硅生長爐，在抽真空工藝過程，采用真空系統(tǒng)通過單晶硅生長爐底部的排氣孔對整個(gè)生長爐爐膛進(jìn)行抽真空；隨后在氣氛化過程，通過上部進(jìn)氣口入高純氬氣，氬氣經(jīng)過導(dǎo)流筒到達(dá)坩堝口中央，從坩堝口邊緣流出；隨后躍過坩堝口壁和石墨坩堝口壁，經(jīng)過石墨加熱器（主加熱器），流向坩堝底部，經(jīng)下部排氣口流出單晶硅生長爐，使整個(gè)爐膛環(huán)境被氬氣氣氛化，保護(hù)爐膛內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與器件良好。但在升溫化料以及晶錠提拉生長過程，氬氣氣流包圍并流過主加熱器，致使主加熱器的大部分熱量被氣流帶走而浪費(fèi)，能量損耗大，升溫化料時(shí)間長；同時(shí)氣流不斷吹拂整個(gè)主加熱器，主加熱器腐蝕與損傷速度較高。

現(xiàn)有的改進(jìn)技術(shù)諸如CN200910218910提供一種用于硅單晶的節(jié)能熱場，氬氣直接從坩堝口上部與熱屏的下部開設(shè)的排氣口直接排除腔室。該工藝雖然是的氬氣流不經(jīng)過石墨加熱器直接排出腔體，節(jié)約能源；但是不利于爐膛溫場的均勻性、氧含量的控制，同時(shí)嚴(yán)重影響晶錠生長后爐膛的降溫速率，不利于晶錠出爐與清掃；顯著增長了晶錠生長周期，反而降低了晶錠的品質(zhì)和生產(chǎn)成本。

本發(fā)明的目的是提供一種提高原料熔化速率、降低單晶硅生長功耗、加快爐膛冷卻速度的單晶硅生長爐。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種設(shè)有分流導(dǎo)流筒和豎直分流筒的單晶硅生長爐，其特征在于分流導(dǎo)流筒疊放于石墨坩堝口上，可隨同坩堝一起旋轉(zhuǎn)，使氬氣氣流躍過主加熱器；通過豎直分流筒將氣流分隔成內(nèi)外兩股，并可通過排氣閥門調(diào)整氣流量。從而使氣流不直接吹拂主加熱器，從豎直分流筒外排出腔室。

分流導(dǎo)流筒由呈喇叭狀的排氣導(dǎo)流筒、水平段的導(dǎo)流平臺和豎直段的輔助分流筒三個(gè)部分構(gòu)成一個(gè)整體。

豎直分流筒包括外層石英筒、中間層石墨碳?xì)趾蛢?nèi)層石墨保溫筒。

進(jìn)一步，豎直分流筒頂部距離排氣導(dǎo)流筒水平段導(dǎo)流平臺底部的最大高度△H不小于100mm且不大于400mm。為了保證在升溫階段，坩堝鍋位下降至合理位置時(shí)，豎直分流筒不會(huì)碰撞正上方的排氣導(dǎo)流筒。同時(shí)，在晶錠提拉生長過程，不斷上升的坩堝不會(huì)使頂撞上部熱屏。

進(jìn)一步，分流導(dǎo)流筒的豎直段輔助分流筒的高度不小于△H且不大于1.5倍△H。為了保證在升溫階段，坩堝鍋位下降至合理位置時(shí)，分流導(dǎo)流筒的豎直段輔助分流筒的下邊緣必須低于豎直分流筒的上邊緣，使氣流在該處被分隔成內(nèi)外兩股。當(dāng)輔助分流筒的高度過大時(shí)，將大幅增加排氣導(dǎo)流筒的整體重量，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

進(jìn)一步，分流導(dǎo)流筒采用輕質(zhì)保溫石墨材料制成，熱導(dǎo)率不大于20W/m/K，厚度d為10-50mm。

更進(jìn)一步，分流導(dǎo)流筒的豎直段輔助分流筒的厚度減薄為1/2~3/4倍。其目的是為了減小排氣導(dǎo)流筒的自重，防止變形，保護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性。

進(jìn)一步，分流導(dǎo)流筒的豎直段導(dǎo)流筒與豎直分流筒之間的距離不小于20mm不大于100mm。

本發(fā)明還提供另一種排氣導(dǎo)流筒，主要由呈喇叭狀的排氣導(dǎo)流筒和水平段導(dǎo)流平臺兩部分構(gòu)成。

進(jìn)一步，水平段導(dǎo)流平臺的末端距離主導(dǎo)流筒的外邊緣的距離不小于20mm不大于100mm。即水平段必須伸長至豎直分流筒外20~30mm，以保證豎直分流筒與排氣導(dǎo)流筒形成良好的分流功能。

本發(fā)明還提供一種應(yīng)用方法，通過排氣氣閥主動(dòng)調(diào)整豎直分流筒內(nèi)外兩股氣流的單位流量，調(diào)控?zé)崃康姆植?，其主要?yīng)用方法在于：

（1）抽真空：關(guān)閉所有閥門，打開腔體底部內(nèi)外筒排氣閥，對整個(gè)腔體進(jìn)行抽真空，使腔體壓力小于0.1Torr。

（2）氣氛化：當(dāng)氣壓低于0.1Torr時(shí)，打開氬氣閥，向腔體一邊通氬氣，一邊抽真空。節(jié)約抽真空、氣氛化工藝過程耗時(shí)。

（3）升溫化料：通過調(diào)整豎直分流筒內(nèi)側(cè)的排氣閥門，使豎直分流筒內(nèi)氬氣流的單位流量小于氬氣總通入量的1/3。減少主加熱器熱量的流失，提高熱量的有效利用率，提高多晶硅原料融化速率，降低化料功率。

（4）晶錠生長：當(dāng)晶錠的重量大于2/3倍多晶硅總投料量時(shí)，通過調(diào)整豎直分流筒內(nèi)側(cè)的排氣閥門，使豎直分流筒內(nèi)氬氣流的單位流量不小于氬氣總通入量的1/3，不大于氬氣總通入量的2/3。

（5）降溫冷卻：通過調(diào)整豎直分流筒外側(cè)的排氣閥門，使豎直分流筒內(nèi)氬氣流的單位流量不小于氬氣總通入量的2/3。

本發(fā)明的有益效果

本發(fā)明通過排氣導(dǎo)流筒和豎直分流筒，將氬氣氣流分割成內(nèi)外筒兩股，分別通過排氣閥門調(diào)節(jié)流量，從而減少氬氣流帶走加熱器的熱量，同時(shí)借助豎直分流筒屏蔽熱流并反射加熱器的熱輻射，從而減少熱量從爐壁的散失，降低爐內(nèi)徑向溫度梯度。降低整體功耗、且有利于縮短多晶料融化時(shí)長，節(jié)約成本。

附圖說明

圖1為單晶硅生長爐分流示意圖

圖2為單晶硅生長爐示意圖

圖3為豎直分流筒示意圖

圖4為兩種分流導(dǎo)流筒示意圖。

其中：1、單晶硅爐提拉旋轉(zhuǎn)裝置；2、進(jìn)氣口；3、爐體；4、保溫層；5、外部腔體排氣口；6、內(nèi)部腔體；7、坩堝旋轉(zhuǎn)支撐軸；8、籽晶提拉線；9、籽晶夾頭；10、籽晶；11單晶硅晶錠；12、上部熱屏；13、主加熱器；14、石墨坩堝；15坩堝托盤；16、導(dǎo)流筒；17石英坩堝、18、下部腔體；19、上部腔體；20、分流導(dǎo)流筒；21、豎直分流筒；211、石墨桶；212、石墨碳?xì)郑?13、石英筒；201、呈喇叭狀的排氣導(dǎo)流筒段；202水平的導(dǎo)流平臺段；203豎直的輔助分流筒段。

具體實(shí)施方式

下面，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的最佳實(shí)施例。

首先，對適用本發(fā)明的單晶硅錠生長方法的單晶硅生長爐裝置進(jìn)行說明。

圖1是概略地表示適用了根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的單晶硅硅錠生長法的單晶硅生長爐裝置的結(jié)構(gòu)圖。

參照圖1，給出了一種適用Cz法或施加磁場的Cz法單晶硅生長爐，與傳統(tǒng)的單晶硅生長爐相比，該生長爐內(nèi)的石墨坩堝14的正上方，疊放有一呈喇叭型的分流導(dǎo)流筒20A，分流導(dǎo)流筒與石英坩堝17、石墨坩堝14同心，且該分流導(dǎo)流筒20A可跟隨石墨坩堝14一起旋轉(zhuǎn)。該分流導(dǎo)流筒20A由輕質(zhì)保溫石墨材料制成，熱導(dǎo)率不大于20W/m/K，厚度d為10-50mm。該分流導(dǎo)流筒20A由呈喇叭狀的排氣導(dǎo)流筒、水平段的導(dǎo)流平臺和豎直段的輔助分流筒三個(gè)部分組成一個(gè)整體。

在石墨加熱器13外圍設(shè)有豎直分流筒21，由外層石英筒203、中間層石墨碳?xì)?02和內(nèi)層石墨保溫筒201構(gòu)成，并與腔體底部緊密相連，且與石英坩堝17、石墨坩堝14、加熱器13同心，從而將腔室分成兩個(gè)內(nèi)、外腔室。且豎直分流筒21外徑小于分流導(dǎo)流筒20A的豎直段輔助導(dǎo)流筒的內(nèi)徑，使豎直分流筒21距離分流導(dǎo)流筒20A的豎直段輔助導(dǎo)流筒的間距在20~100mm較為適宜，豎直分流筒21與加熱器13的間距應(yīng)不小于20mm，防止短路、局部溫度過高等問題。以確保氬氣流能順利越過加熱器，以便于減少氬氣流對主加熱的吹拂效果，減少熱量損失。

內(nèi)外筒腔室分別有獨(dú)立的排氣口，并接有排氣閥5、6。可在排氣閥前增設(shè)獨(dú)立的測壓儀器，便于精確控制內(nèi)外筒兩股氣流的流量。

本發(fā)明不限于必須安裝分流導(dǎo)流筒20A，僅僅安裝豎直分流筒21和底部兩個(gè)排氣閥門5、6也能實(shí)現(xiàn)氬氣氣流分流的功能，同樣可以起到降低功耗、調(diào)整溫場的作用，僅節(jié)能效果稍微偏差。

在以Cz法或施加磁場Cz法生長單晶硅晶錠時(shí)，本發(fā)明提供的單晶硅生長爐，具體操作步驟如下：

（1）清掃爐膛：主要清掃揮發(fā)的SiO氣體的結(jié)晶物。防止顆粒掉落入石英坩堝內(nèi)，影響晶錠的品質(zhì)；

（2）裝填原料：向石英坩堝內(nèi)裝填多晶硅原料和摻雜劑；

（3）閉合爐膛：將分流導(dǎo)流筒20A，吊裝于石墨坩堝14上，且與石英坩堝17同心，閉合上腔體，關(guān)閉所有氣體閥門；

（4）抽真空：打開底部兩個(gè)排氣閥門5、6，抽真空，使?fàn)t內(nèi)壓力小于0.1Torr；

（5）氣氛化：當(dāng)爐內(nèi)氣壓達(dá)到0.1Torr時(shí)，打開氬氣閥門，一邊通氬氣一邊抽真空；

（6）升溫化料：通過調(diào)整豎直分流筒21內(nèi)側(cè)的排氣閥門，逐漸調(diào)小內(nèi)筒氬氣氣流的流量，使豎直分流筒21內(nèi)氬氣流的單位流量小于氬氣總通入量的1/3。減少氬氣流與主加熱器熱量13的對流傳熱損耗，提高加熱功率的有效利用率以及多晶硅原料融化速率，降低化料功率，降低生產(chǎn)成本。

（7）晶錠生長：當(dāng)晶錠11的重量大于2/3倍多晶硅總投料量時(shí)，通過調(diào)整豎直分流筒21內(nèi)側(cè)的排氣閥門6，使豎直分流筒21內(nèi)氬氣流的單位流量不小于氬氣總通入量的1/3，不大于氬氣總通入量的2/3。

（8）降溫冷卻：通過調(diào)整豎直分流筒21外側(cè)的排氣閥門5，使豎直分流筒內(nèi)氬氣流的單位流量不小于氬氣總通入量的2/3。

以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1

采用Cz法或施加磁場Cz法生長8英寸N型集成電路用單晶硅，采用24英寸石英坩堝，多晶硅原料裝填量120Kg。其分流導(dǎo)流筒的厚度為10mm，所用石墨材料的熱導(dǎo)率為20W/m/K;豎直分流筒的總厚度為80mm，豎直分流筒與分流導(dǎo)流筒之間的水平間距為20mm、最大豎直間距為100mm，底部導(dǎo)流筒分隔成的內(nèi)外兩個(gè)腔室的底部分別設(shè)有兩組排氣閥門。豎直分流筒外層的石英筒的厚度為20mm，內(nèi)層石墨筒的厚度為30mm，其中間層填充有石墨碳?xì)帧?/p>

待裝料完成后，放置分流導(dǎo)流筒，閉合腔室，打開底部兩組排氣閥門，對腔體抽真空，當(dāng)爐內(nèi)壓力小于0.1Torr時(shí)，打開氬氣閥門，一邊抽真空，一邊通氬氣，最終是氬氣流量控制在400L/min，逐漸使腔體氣氛化。通過調(diào)整內(nèi)部排氣閥門使氬氣進(jìn)入內(nèi)腔室的氣體流量控制在100L/min。隨后打開主加熱電源，使石墨加熱器對原料加熱，直至原料完全融化。調(diào)整加熱功率，待熱場穩(wěn)定后，籽晶慢慢浸入液面之下，進(jìn)行引晶，放肩、等徑生長等工藝操作。當(dāng)晶錠的質(zhì)量增長到80Kg時(shí)，均勻地調(diào)整內(nèi)腔室排氣閥門使進(jìn)入內(nèi)腔室的氣體流量控制在200L/min。當(dāng)晶錠的收尾結(jié)束后，均勻地調(diào)整外腔室排氣閥門使進(jìn)入內(nèi)腔室的氣體流量控制在100L/min。

通過該實(shí)施例在單晶硅生長過程，在抽真空、氣氛化工藝過程耗時(shí)0.5小時(shí)；升溫化料工藝階段耗時(shí)4小時(shí)，升溫化料過程最高功率為94kW；引晶后晶錠生長功率62kW左右；晶錠降溫冷卻工藝階段耗時(shí)4小時(shí)。

實(shí)施例2

采用Cz法或施加磁場Cz法生長8英寸N型集成電路用單晶硅，采用24英寸石英坩堝，多晶硅原料裝填量120Kg。其分流導(dǎo)流筒的厚度為10mm，所用石墨材料的熱導(dǎo)率為20W/m/K;豎直分流筒的總厚度為80mm，豎直分流筒與分流導(dǎo)流筒之間的水平間距為20mm、最大豎直間距為100mm，底部導(dǎo)流筒分隔成的內(nèi)外兩個(gè)腔室的底部分別設(shè)有兩組排氣閥門。豎直分流筒外層的石英筒的厚度為20mm，內(nèi)層石墨筒的厚度為30mm，其中間層填充有石墨碳?xì)帧?/p>

待裝料完成后，放置分流導(dǎo)流筒，閉合腔室，打開底部兩組排氣閥門，對腔體抽真空，當(dāng)爐內(nèi)壓力小于0.1Torr時(shí)，打開氬氣閥門，一邊抽真空，一邊通氬氣，最終是氬氣流量控制在400L/min，逐漸使腔體氣氛化。通過調(diào)整內(nèi)部排氣閥門使氬氣進(jìn)入內(nèi)腔室的氣體流量控制在120L/min。隨后打開主加熱電源，使石墨加熱器對原料加熱，直至原料完全融化。調(diào)整加熱功率，待熱場穩(wěn)定后，籽晶慢慢浸入液面之下，進(jìn)行引晶，放肩、等徑生長等工藝操作。當(dāng)晶錠的質(zhì)量增長到80Kg時(shí)，均勻地調(diào)整內(nèi)腔室排氣閥門使進(jìn)入內(nèi)腔室的氣體流量控制在200L/min。當(dāng)晶錠的收尾結(jié)束后，均勻地調(diào)整外腔室排氣閥門使進(jìn)入內(nèi)腔室的氣體流量控制在100L/min。

通過該實(shí)施例在單晶硅生長過程，在抽真空、氣氛化工藝過程耗時(shí)0.5小時(shí)；升溫化料工藝階段耗時(shí)4小時(shí)，升溫化料過程所需最高功率為102kW；引晶后晶錠生長功率65kW左右；晶錠降溫冷卻工藝階段耗時(shí)4小時(shí)。

實(shí)施例3

采用Cz法或施加磁場Cz法生長8英寸N型集成電路用單晶硅，采用24英寸石英坩堝，多晶硅原料裝填量120Kg。其分流導(dǎo)流筒的厚度為10mm，所用石墨材料的熱導(dǎo)率為20W/m/K;豎直分流筒的總厚度為80mm，豎直分流筒與分流導(dǎo)流筒之間的水平間距為20mm、最大豎直間距為100mm，底部導(dǎo)流筒分隔成的內(nèi)外兩個(gè)腔室的底部分別設(shè)有兩組排氣閥門。豎直分流筒外層的石英筒的厚度為20mm，內(nèi)層石墨筒的厚度為30mm，其中間層填充有石墨碳?xì)帧?/p>

待裝料完成后，放置分流導(dǎo)流筒，閉合腔室，打開底部兩組排氣閥門，對腔體抽真空，當(dāng)爐內(nèi)壓力小于0.1Torr時(shí)，打開氬氣閥門，一邊抽真空，一邊通氬氣，最終是氬氣流量控制在400L/min，逐漸使腔體氣氛化。通過調(diào)整內(nèi)部排氣閥門使氬氣進(jìn)入內(nèi)腔室的氣體流量控制在80L/min。隨后打開主加熱電源，使石墨加熱器對原料加熱，直至原料完全融化。調(diào)整加熱功率，待熱場穩(wěn)定后，籽晶慢慢浸入液面之下，進(jìn)行引晶，放肩、等徑生長等工藝操作。當(dāng)晶錠的質(zhì)量增長到80Kg時(shí)，均勻地調(diào)整內(nèi)腔室排氣閥門使進(jìn)入內(nèi)腔室的氣體流量控制在200L/min。當(dāng)晶錠的收尾結(jié)束后，均勻地調(diào)整外腔室排氣閥門使進(jìn)入內(nèi)腔室的氣體流量控制在100L/min。

通過該實(shí)施例在單晶硅生長過程，在抽真空、氣氛化工藝過程耗時(shí)0.5小時(shí)；升溫化料工藝階段耗時(shí)4小時(shí)，升溫化料過程最高功率為89kW；引晶后晶錠生長功率60kW左右；晶錠降溫冷卻工藝階段耗時(shí)4小時(shí)。

比較例1

與實(shí)施例1一致，僅在當(dāng)晶錠的收尾結(jié)束后，均勻地調(diào)整外腔室排氣閥門使進(jìn)入內(nèi)腔室的氣體流量控制在200L/min。

通過該比較例在單晶硅生長過程，在抽真空、氣氛化工藝過程耗時(shí)0.5小時(shí)；升溫化料工藝階段耗時(shí)4小時(shí)，升溫化料過程所需最高功率為94kW；引晶后晶錠生長功率62kW左右；晶錠降溫冷卻工藝階段耗時(shí)6小時(shí)。

比較例2

與比較例1一致，僅在裝料后，不放置分流導(dǎo)流筒。采用Cz法或未施加磁場的Cz法生長8英寸集成電路用單晶硅晶錠。

其結(jié)果，在抽真空、氣氛化工藝過程耗時(shí)0.5小時(shí)；升溫化料工藝階段耗時(shí)6小時(shí)，升溫化料過程所需最高功率為112kW；引晶后晶錠生長功率68kW左右；晶錠降溫冷卻工藝階段耗時(shí)4小時(shí)。