[实用新型]一种高速单晶生长装置

说明书

技术领域：

本实用新型属于直拉法晶体生长装置领域，具体涉及一种高速单晶生长装 置。

背景技术：

以下以直拉法(Czochralski，CZ)生长单晶硅棒为例说明使用的方法。直 拉单晶生长法由波兰科学家JanCzochralski于1918年实用新型，其方法是利用 旋转籽晶从反方向旋转的坩埚中的熔体里持续提拉制备出单晶。

CZ法单晶硅生长主要包含以下几个步骤：首先，将高纯多晶硅原料以及掺 杂物质放入石英坩埚内；完成装料后，将长晶炉关闭，抽真空，并打开石墨加 热器，加热使硅原料熔化；当熔体温度稳定后，将籽晶浸入硅熔体中，开始进 行引晶；种晶与硅熔体接触时的热应力将会使种晶产生位错，这些位错则通过 晶颈的生长使之消失；生长完晶颈后，降低拉速和温度，使晶体的直径逐渐增 大到目标直径，这个过程便称为放肩；达到目标直径后，不断调整提拉速度与 温度，使晶棒直径与目标值的变差维持在±2mm间，等径生长的部分称之为晶身， 也是制作硅片的部分；晶身生长完后，将晶棒直径逐渐缩小至一尖点与熔体分 开，这个过程称为尾部生长。长完的晶棒在上炉室冷却至室温后取出，整个生 长周期一般持续1～2天。

长晶过程主要希望能够达到目标直径下的晶体长度最大化和无位错，电阻 率和氧杂质沿轴向和径向分布均匀，热应力水平合适。位错可能发生在长晶的 任何阶段，由于硅晶体具有很高的弹性强度，一般当长晶过程中的机械应力或 热应力低于其弹性强度时，应力可以在晶棒冷却过程中自然消失；如果应力高 于其弹性强度极限，就会产生位错。一旦在长晶界面出现位错，位错马上会开 始多重延伸，整个晶棒可能由单晶变为多晶。位错的原因有多种，其中长晶界 面形状对位错的形成有很大影响。位错更容易出现在长晶界面形状过凹或过凸 情况下，在直拉法生长单晶硅过程中需要控制凝固界面的形状尽量平坦。

同时，与定向凝固法制备多晶硅铸锭相比，直拉法生长出的单晶硅质量更 高，但成本也更高。提高单晶硅棒提拉速度是提高单晶硅产率，降低单晶硅制 备成本的有效方法。在晶体提拉过程中，凝固界面晶体侧的V/G比是衡量晶体 质量的重要指标，其中，V为晶体的生长速度，G为凝固界面处晶体侧的轴向 温度梯度。较高或较低的V/G比值均会导致晶体提拉过程中产生大量的缺陷。 因此，提高晶体提拉速度的同时，凝固界面处晶体侧的轴向温度梯度也须相应 提高。

综上，在直拉单晶硅生长过程中，凝固界面形状关系着生长出的晶体的质 量，而凝固界面处晶体侧的轴向温度则决定了晶体提拉速度的大小。一般可以 通过在晶体外侧布置水冷套的方法强化晶体侧的传热能力，提高晶体内的温度 梯度，进而提高晶体提拉速度。为达到最大的散热效果，需尽可能增加水冷套 的长度。然而，当水冷套长度增加至固液界面附近时，一方面晶体内的轴向温 度梯度增加，另一方面晶体内的径向温度梯度也显著增大。凝固界面附近过大 的径向温度梯度会导致凝固界面凹度增大，晶体内的热应力水平显著提高。如 果热应力值高于其弹性强度，就会产生位错。一旦在长晶界面出现位错，位错 马上会开始多重延伸，整个晶棒可能由单晶变为多晶。因此，在传统方法中， 水冷套下沿距离固液界面的距离较长，这极大地削弱了水冷套对于晶体侧的强 化散热能力。采用传统水冷套布置方法对于强化晶体侧的散热效果有限。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种高速单晶生长装置，通过强化凝固界面上方 晶体的传热以提高晶体提拉速度；同时通过控制凝固界面上方的热流方向以获 得较为平坦的凝固界面形状，提高晶体质量。基于全局传热数值模拟，对本实 用新型提出的生长装置中水冷套以及导流筒形状、位置进行了定量设计。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案来实现的：

一种高速单晶生长装置，包括由外至内依次设置的炉壁和隔热层，在隔热 层中心处的底部设置有支撑轴，支撑轴上依次设置有石墨坩埚和石英坩埚，支 撑轴用于带动石墨坩埚和石英坩埚升降及旋转，在石墨坩埚外侧上设置有石墨 加热器；在石英坩埚内设置有导流筒，且导流筒的顶端与隔热层的顶端相连； 在导流筒内设置有水冷套，且水冷套的顶端与炉壁的内壁相连；

使用时，石英坩埚内为硅熔体，硅熔体的液面低于导流筒的底面，生长的 硅晶体依次穿过导流筒内腔和水冷套内腔提升至单晶快速生长装置外。