[發明專利]硅單晶棒的快速冷卻方法

有效

• 申請號: 201510865621.0
• 申請日: 2015-12-02
• 公開（公告）號: CN105568366B
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發明（設計）人: 張俊寶;宋洪偉
• 申請（專利權）人: 上海超硅半導體有限公司
• 主分類號: C30B15/00
• 分類號: C30B15/00;C30B29/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明技術是一種硅單晶棒的快速冷卻方法，硅單晶生長爐冷卻套內壁采用高導熱銅制造，外側為水冷槽，內側采用熱噴涂技術鍍有鉬合金吸熱鍍層和全透過保護層。下腔體的垂直段、爐蓋以及上腔體垂直段鍍層的厚度分別對應硅單晶棒的紅外輻射波長。鉬合金成分具有紅外輻射吸熱功能，鉬合金表面采用微弧氧化技術氧化成氧化層，提高紅外吸收系數。下腔體爐蓋采用半橢球結構，長軸為爐體內徑，短軸為硅單晶棒的半徑。本發明技術高效吸收晶棒輻射出的熱量，均勻吸收特定波長的輻射，從而達到快速降溫的目的。

(一)技術領域

本發明涉及一種硅單晶棒的快速冷卻方法。具體涉及直拉單晶硅生長過程中高溫硅單晶棒的冷卻，特別涉及高溫硅單晶棒紅外輻射的吸收，降低反射，從而快速冷卻硅單晶棒。

(二)背景技術

在單晶硅的制造工藝中，最常使用的是直拉法(Czochralski，縮寫為Cz)，在直拉法中，多晶硅是填充在石英玻璃坩堝(也稱石英坩堝)中，然后加熱熔融形成硅熔液，在硅熔液中浸入籽晶后向上旋轉提拉，硅在籽晶與熔溶液的界面處凝固結晶，形成單晶硅錠。

單晶爐中的熱場設計是硅單晶生長關鍵技術之一，硅的熔點大約為1412-1420℃之間，晶體的生長界面的溫度約為1412℃，石英坩堝內的熔體內溫度也存在一定的梯度，通常隨著坩堝內徑不同和所生長硅單晶尺寸的不同而不同，溫度差值約在3-10℃左右，但在理論計算中通常認為熔體的溫度是恒定不變的。晶棒上1412℃至1350℃之間的長度，或1412℃至1300℃之間的長度，主要用來控制晶體生長的提拉速度，生長無間隙原子缺陷和空穴缺陷，或間隙原子缺陷和空穴缺陷低的硅單晶。工業上為了提高生長速度，希望晶棒軸向上的溫度梯度越大越好。但是隨著單晶體尺寸的增加，生長界面的半徑明顯增加。而晶體的凝固結晶是一個放熱過程，因此導致了生長界面上形成一個凹弧面，隨著生長界面半徑的增加，凹弧面高度也增加。例如，8英寸的硅單晶生長界面弧高3cm，而12英寸的硅單晶生長界面弧高5cm。造成了晶體生長徑向上溫度梯度增加。晶體生長過程中，摻雜元素存在分凝系數，較大的生長界面弧高就導致了晶片徑向上的氧及摻雜元素分布不均勻，影響晶片的質量。而解決這一問題的方法是盡可能提高晶體心部的降溫速度，降低生長界面附近晶棒表面的降溫梯度。為解決這一問題，提出了各種各樣的解決方法，專利CN201320668497、CN201320536183、CN201320482081、CN201310689227、CN201310660636、CN201210205703、CN201210204934、CN201120016789、CN201110351048等，主要有增加熱屏設計和加溫裝置，控制一個適度的降溫速度。

晶棒(或稱晶錠)上1000℃至700℃之間的長度，是控制氧施主的溫度區域。希望具有非常高的降溫速度，有助于提高晶體心部的降溫速度。解決方法主要是增加一個水冷套管或氣冷套管，用于降溫。但是增加水冷套管會影響對熔體的觀察，影響對熔體穩定性的評定，影響引晶、縮徑、放肩、轉肩以及等徑等工藝的精確控制。同時增加水冷套管的機構設置也十分復雜，對晶棒和熔體穩定性有一定的影響。

晶體生長爐分成上下兩個腔體，上腔體主要是容納晶棒，下腔體內有熱場和晶棒。晶棒的降溫主要有兩個途徑，一是通過流動的氬氣帶走熱量，二是通過熱輻射傳遞到爐壁上，被爐壁吸收后再經冷卻水帶走熱量。晶體生長過程中，氬氣的流速比較恒定，因此帶走的熱量也是比較恒定的。而目前爐壁采用不銹鋼制造，對晶棒輻射出的熱量吸收熱量能力較低，輻射經多次反射，使上下腔體內的溫度較高，降溫的效果不理想。下腔爐蓋的設計較低，硅單晶棒輻射的熱量分布不均勻，影響能量吸收效果。

(三)發明內容

本發明的目的在于提供一種硅單晶棒的快速冷卻方法，具體是高效吸收晶棒輻射出的熱量，特別涉及均勻吸收特定波長的輻射，從而達到快速降溫的目的。對晶棒冷卻的關鍵在于對晶棒輻射出的熱量進行有效和快速的吸收。