[实用新型]一种直拉单晶炉

说明书

本实用新型公开了一种直拉单晶炉，属于单晶硅生产领域，直拉单晶炉包括坩埚和加热器，加热器的外围设有保温层，坩埚包括用于承装熔体的石英坩埚和套设在石英坩埚外的外围支撑坩埚；加热器包括包围在坩埚周围的主加热器和设置在坩埚的底部的辅加热器；保温层外在垂直方向上间隔设有若干热电偶测温探头，或在保温层上开有供红外测温仪测温的第一窗口。通过间接地检测和控制石英坩埚内熔体的温度分布达到对拉晶过程的科学精准的控制，拉晶过程中控制坩埚底熔体温度尽可能低，以获得更低氧含量单晶，控制坩埚中熔体的最高温度尽可能低，以获得更低缺陷密度的单晶，不仅使拉速更快，拉晶成本更低，而且单晶的品质也得到大幅提升。

技术领域

本实用新型涉及单晶硅生产领域，具体地说，涉及一种直拉单晶炉。

背景技术

随着极大规模集成电路进入纳米尺寸，低氧含量，超低密度缺陷的大直径高品质的硅单晶的要求越来越高，拉晶技术的突破创新显得尤为重要。

长期以来拉晶技术面临二大挑战，一是低成本高品质的单晶生长技术，二是控制拉晶过程以获得单晶品质的稳定性及一致性，拉晶过程中控制因素很多，单晶直径的自动控制、温度的自动控制、生长液面的控制、炉压、保护气流量、晶转、埚转等参数的控制等，尽管控制因素很多，并且众多因素的组合更是千变万化，但与单晶品质密切相关的主要因素是坩埚内熔体的温度梯度，温度梯度的大小决定了坩埚内熔体的热对流，并严重影响单晶的主要杂质氧含量的高低和晶体晶格的完整性。

硅中氧来源于石英坩埚，高温下液态硅料腐蚀石英坩埚内壁，坩埚中的氧进入熔体，并随熔体的流动进入整个坩埚中，绝大部分的氧(95％)以SiO的气体的方式从液面挥发进入保护气中，少量的氧通过分凝而进入硅晶体中，决定硅中氧含量高低的是生长界面附近硅熔体中氧含量的大小，生长界面远离坩埚壁，生长界面附件熔体中的氧来源二种途径，一种是通过扩散，氧从高浓度区域进入到生长界面附近，一种是通过热对流使坩埚壁附近高浓度氧的熔体通过传输进入到生长界面附近，晶体中氧含量的控制主要是控制熔体中纵向温度梯度，从而控制熔体热对流的大小，控制石英坩埚壁附近的富含氧的熔体快速传输至晶体生长区域，以达到控氧的目的。极端的情况在确保坩埚底部不结晶的情况下，尽可能保持坩埚底部温度最低时，坩埚底部附近处于负的温度梯度，这样就能显著降低热对流甚至不对流，坩埚壁附近的高浓度氧的熔体不能进入到生长界面附近，晶体生长的固液面下方成为一个相对封闭的区域，由此可获得极低氧含量的单晶，降氧的效果甚至超过超导磁场拉晶的效果。

直拉单晶的目的是获得结构完美的单晶体，绝对完美的晶体是不存在的，但控制晶体缺陷的尺寸大小和密度，不至于对器件造成严重影响是必须的，研究表明，硅晶格中缺陷的类型和密度与V/G(T)的比值有关，V为晶体生长速度，G(T)为跨过固液界面的温度梯度，通常情况下，V/G比有一个临界值，大于这个临界值，晶体生长成空位性缺陷，V/G比的比值越大空位型点缺陷的密度也就越大，小于这个临界值，晶体生长成间隙型缺陷，且V/G比的比值越低间隙型点缺陷密度也越大，而在同一生长界面上，同时形成二种类型的点缺陷的晶体，在空位型和间隙型晶体的交界处很容易形成OISF环，OISF环是聚光灯下肉眼可见的大尺寸面缺陷，一旦形成将导致整片报废。

晶体生长首要条件是避免OISF环的形成，一般都会采取提高拉速和降低G(T)的办法，从而保持V/G比远远大于临界值，提升拉速必须加大单晶的热传输，使单晶快速冷却下来，晶体的温度梯度相应增加，晶体的温度梯度增加不仅有利于刚刚形成的大量空位型点缺陷通过滑移排出晶体外，同时也有效阻止了点缺陷的相互聚集形成更大尺寸的微缺陷。降低G(T)最有效的办法就是降低熔体的温度梯度。

综上所述，降低熔体内整体的温度梯度可以显著降低热对流，从而达到降氧的效果，降低晶体生长界面附近的温度梯度可以有效防止热氧化层错和热氧化漩涡等缺陷的产生，实验表明，当氧含量降低至12ppma以下时，晶体的体缺陷密度可以降低到一个很低的水平，有效避免了器件制造过程中的氧沉淀的形成，以及氧沉淀引起的诱生位错、层错等二次缺陷的产生，可以显著提高器件的性能和合格率。