[發明專利]一種單晶爐用電阻加熱器及使用該電阻加熱器制備硅單晶的方法

有效

• 申請號: 201510909250.1
• 申請日: 2015-12-10
• 公開（公告）號: CN106868584B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 方峰;王學鋒;鄧德輝;高朝陽;曾澤紅;孫媛
• 申請（專利權）人: 有研半導體材料有限公司
• 主分類號: C30B15/18
• 分類號: C30B15/18;C30B29/06
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 劉秀青;熊國裕

本發明公開了一種單晶爐用電阻加熱器及使用該電阻加熱器拉晶的方法。該電阻加熱器包括在軸線方向上布置了交互且均勻開槽的圓筒狀石墨加熱器，沿著該石墨加熱器的圓周方向設有360°環形空隙結構，在該石墨加熱器的外部設有一增強發熱體，所述增強發熱體位于從石墨加熱器的上端面起至總高度的1/4?1/5處的位置上。使用該電阻加熱器拉晶的方法是：將所述電阻加熱器應用于單晶爐，圓筒狀石墨加熱器圍繞坩堝，所述增強發熱體保持在高于硅熔體液面位置的上方，通過多晶硅原料在石英坩堝中熔化、熔體穩定、引晶、放肩、轉肩、等徑、收尾、冷卻的過程，拉制出低氧含量的單晶硅棒。使用本發明能夠獲得較低氧含量的硅單晶棒。

技術領域

本發明涉及一種單晶爐用電阻加熱器及使用該電阻加熱器制備單晶的方法，屬于硅單晶制備技術領域。

背景技術

半導體材料發展促使硅單晶直徑的增大，直徑200mm硅單晶及直徑300mm硅單晶已成為主流。硅單晶直徑增大就需要配備更大尺寸熱系統，以保持晶體直徑與坩堝直徑的比值大致為1/3，在獲得硅晶體高效率生產的同時兼顧硅晶體質量參數的平衡。

由高純石墨材料或碳/碳復合材料制作的加熱器是單晶爐內熱系統的核心部件，現有的加熱器的外形呈圓筒狀，切割成對稱的數瓣到數十瓣以控制電流方向(如圖1所示)，任意相鄰兩瓣所通過的電流方向相反。在晶體生長過程中施加數千安培的電流，在安培效應下加熱器0.010～0.05歐姆的直流電阻，將產生幾十到數百千瓦的熱量，將坩堝中的60～300kg的多晶硅原料熔化，并保持在1420℃硅的熔點以上，以完成晶體的生長過程。

石英坩堝直徑的增大、每爐熔化的多晶硅原料重量增加、硅熔體的體積變大，硅熔體的熱對流也明顯增強，硅熔體中的氧濃度增加。通過增加熱場系統的保溫，采用帶導流筒的封閉式熱場結構，可以減小熔體內部的溫度梯度，改善熔體的熱對流。

除了磁場工藝外，還有一些措施用來降低單晶中氧含量，例如：降低堝轉、增加氬氣流量、減少投料量、使用涂層石英堝等措施。常規CZ工藝控制單晶中氧含量還是通過熱場來實現的，單晶爐熱場核心是發熱部件-加熱器，對加熱器(Heater)提出了許多技術方案。

專利文獻CN203700581U公開了一種單晶爐雙加熱系統，所述單晶爐雙加熱系統包括沿所述單晶爐爐壁設置的環形的主加熱器，所述單晶爐雙加熱系統還包括設置在單晶爐爐底的板狀底部加熱器。該專利文獻的實施例中的單晶爐雙加熱系統，其底部加熱器在硅料熔融階段，起到加快硅料的熔化速度的作用，在硅料融化完成時關閉底部加熱器，減緩硅熔體與石英堝內壁的反應速度，減少一氧化硅的生成，單晶棒頭部的氧含量從18ppm下降到16ppm左右。

該技術方案的雙加熱系統在熔化多晶原料過程兩個加熱都通電加熱，需要配置2套電源；使用底部加熱器必然存在一組水冷金屬電極與其相連接，在長晶過程雖然關閉了底部加熱器，但水冷金屬電極會持續帶走單晶爐內的熱量，增加長晶過程的功率，增加單晶爐的能量消耗。

專利文獻CN201501940U公開了一種改進的直拉單晶爐加熱器結構，包括在軸線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(Heater)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的1/5-1/4處的部分。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“底部減薄的加熱器”結構設計達到了“環形加熱器”+“底部加熱器”的效果。

在熔料階段“底部減薄的加熱器”可以減少石英坩堝底部破裂的風險，加快硅料的熔化速度；但硅料熔化完成后，在后續的拉晶過程中“底部減薄的加熱器”不能關閉“底部減薄加熱器”，無形中增加坩堝底部熱量的供給，坩堝底部接受更多熱量后，將促進硅熔體流動，難以獲得低氧含量的硅單晶。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明提供一種單晶爐用電阻加熱器，用于實現低氧含量的硅單晶生長。