[實用新型]一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨加熱器

有效

• 申請號: 201220429139.4
• 申請日: 2012-08-27
• 公開（公告）號: CN202744655U
• 公開（公告）日: 2013-02-20
• 發明（設計）人: 陳昌林;李德建;陳銳;陳劍春;付雁清;薛東;李福龍
• 申請（專利權）人: 上海杰姆斯電子材料有限公司
• 主分類號: C30B15/14
• 分類號: C30B15/14;C30B29/06
• 代理公司: 北京元中知識產權代理有限責任公司 11223
• 代理人: 另婧

技術領域

本實用新型涉及一種加熱器裝置，更具體的說，是涉及一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨加熱器。

背景技術

當前制備單晶硅主要由兩種技術，根據晶體生長方式不同，可以分為區熔單晶硅和直拉單晶硅。直拉單晶硅主要應用于微電子集成電路和太陽能電池方面，是單晶硅的主體。

直拉法是運用熔體的冷凝結晶驅動原理，在固液界面處，藉由熔體溫度下降，將產生由液體轉換成固態的相變化。為了生長質量合格（硅單晶電阻率、氧含量及氧濃度分布、碳含量、金屬雜質含量、缺陷等）的單晶硅棒，在采用直拉法生長時，必須考慮以下問題。首先是根據技術要求，選擇使用合適的單晶生長設備，其次是要掌握一整套單晶硅的制備工藝、技術，包括：（1）單晶硅系統內的熱場設計，確保晶體生長有合理穩定的溫度梯度；（2）單晶硅生長1系統內的氬氣氣體系統設計；（3）單晶硅挾持技術系統的設計；（4）為了提高生產效率的連續加料系統的設計；（5）單晶硅制備工藝的過程控制。

熱的傳輸靠三種主要模式，亦即輻射、對流及熱傳導。由于晶體的生長是在高溫下進行，所以這三種模式都存在于系統中。在直拉法里，熔體是藉由石墨加熱器的輻射熱而被加熱，而熔體內部的熱傳導則是主要靠著對流，晶棒內部的熱傳輸主要靠著傳導。另外，從液面及晶棒表面散失到外圍的熱則是藉由輻射作用。系統內的溫度分布對晶體生長質量有很大的影響。包括缺陷的密度與分布、氧的析出物生成等。

直拉單晶制造法（Czochralski，CZ法）是將原料多硅晶塊放入適應坩堝中，在單晶爐中加熱融化，再將一根直徑只有10mm的棒狀晶種（籽晶）浸入熔液中。在合適的溫度下，熔液中的硅原子會順著晶種的硅原子排列結構在固液交界面上形成規則的結晶，成為單晶體。把晶種微微的旋轉向上提升，熔液中的硅原子會在前面形成的單晶體上繼續結晶，并延續其規則的原子排列結構。若整個結晶環境穩定，就可以周而復始的形成結晶，最后形成一根圓柱形的原子排列整齊的硅單晶晶體，即硅單晶錠。

目前單晶爐大都采用石墨加熱器對適應坩堝內的多晶原料進行加熱熔化。普通石墨加熱器，如圖1和圖2所示，為一個環形的石墨上進行均勻開槽，然后再電極腿上通電加熱，一般電壓小于60VDC，22英寸熱場最大加熱功率在165kw。這種加熱器軸向電阻均勻，發熱功率軸向均勻，大的熱場考慮拉晶時熱場梯度需要，在環形加熱器下面再安裝一個底部石墨加熱器，參見圖3，如24英寸熱場熱場底部施加最大20kw的底部加熱功率。目前國內22英寸熱場都是單加熱器結構，24英寸及以上熱場是雙加熱器結構。這樣的設置增加了設備投入，且操作復雜化。

CN101580962A提供了一種直拉單晶爐的石墨加熱器的改進結構。該加熱器包括在軸向方向上布置了交互且均勻開槽的環形石墨加熱器，在環形石墨加熱器上設置一個減薄加熱段，減薄加熱段的徑向橫截面積為加熱器其余部位的徑向橫截面積的2/3～3/4；所述減薄加熱段是指從加熱器的底部起至總高度處的1/5～1/4部分。本發明使得加熱功率在加熱器的減薄處增加，軸向分布得到改變，間接在環形加熱器底部形成一個附加的底部加熱器功能，從而通過單個石墨加熱器的結構設計但能達到原有技術中環形石墨加熱器加底部加熱器的兩個加熱器的效果。這樣的設置其加熱主要發生在靠近環形石墨加熱器的環形壁上，而環形石墨加熱器的底部很難受熱，熱態分布不均衡。

而且，對于制備單晶硅的市場，其需求往拉制大直徑單晶發展，而大直徑單晶的生長隨著熱系統尺寸的加大，就需要更均衡的熱態分布，更穩定的溫度控制，而且控制能耗也成了必須考慮的問題。傳統的加熱器在拉制大尺寸單晶時已經力不從心，在拉制9寸以上單晶時，都需要對單晶爐增加底部加熱或保溫，而裝底部加熱器需要更改爐底盤，多加兩根電極和水冷，增加了成本且難度技術較大。而上述直拉單晶爐的石墨加熱器的改進結構也顯然無法滿足上述需求。

實用新型內容

為克服上述，本實用新型的目的在于提供一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨加熱器，該石墨加熱器在無需改造單晶爐設備的情況下，實現底部加熱器效果。

為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案：

一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨加熱器，包括形成加熱系統的加熱器本體、設置在加熱器本體側壁的側壁發熱體、以及設置在加熱器本體底部用于支撐石墨坩堝的底部支撐腳，其中：所述的側壁發熱體向下和向內延伸形成弧形的底部發熱體。