一种高速单晶生长装置的制造方法
【技术领域】
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[0001]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】
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[0002]以下以直拉法(CzochralsklCZ)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Jan Czochralski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祸中的熔体里持续提拉制备出单晶。
[0003]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祸内；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I?2天。
[0004]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。
[0005]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，但成本也更尚。提尚单晶娃棒提拉速度是提尚单晶娃广率，降低单晶娃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。
[0006]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】:
[0007]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。
[0008]为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案来实现的:
[0009]—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祸和石英坩祸，支撑轴用于带动石墨坩祸和石英坩祸升降及旋转，在石墨坩祸外侧上设置有石墨加热器;在石英坩祸内设置有导流筒，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；
[0010]使用时，石英坩祸内为硅熔体，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。
[0011]本实用新型进一步的改进在于，导流筒的底部内侧还设置有一体化成型的绝热环，其中，硅熔体的液面低于绝热环，水冷套的底面设置在绝热环上方。
[0012]本实用新型进一步的改进在于，硅熔体的液面与绝热环之间的垂直距离为10-50mm，绝热环厚度为20-150mm，内壁距离晶体水平距离约10-100mm。
[0013]本实用新型进一步的改进在于，生长的硅晶体通过提拉装置提升至单晶快速生长装置外。
[0014]本实用新型进一步的改进在于，导流筒由外部石墨支撑材料以及内部绝热填充材料制成，内部绝热填充材料为低导热系数的碳毡保温材料。
[0015]本实用新型进一步的改进在于，水冷套包括水冷壁面和内部水流通道，水冷壁面采用高导热系数耐高温材料不锈钢、铜、或钼制成;为获得最大的冷却效果，水冷套延伸到绝热环附近，水冷套底面与绝热环上表面之间的垂直距离为5-100mm。
[0016]相对于现有技术，本实用新型的有益效果如下:
[0017]本实用新型的主要部件为导流筒以及导流筒内侧的水冷套，导流筒除隔绝从加热器产生的热量以及引导气体流通的作用以外，在晶体生长三相点附近还有控制热流方向的作用。水冷套主要用于强化单晶侧的散热能力，水冷套长度较长，下伸至晶体生长三相点附近，靠近导流筒绝热环上沿位置，以获得最大的冷却效果。水冷套的底面与绝热环之间的距离为5-100mm，若小于5mm，加工以及安装精度的影响，可能造成水冷套与绝热环接触的问题，引发安全隐患，若大于100mm，则水冷套的散热能力大幅降低，无法达到最佳的散热效果O
[0018]进一步的，水冷套下部做开窗处理，如图4所示，以方便观测熔体液面情况。
[0019]进一步的，导流筒在晶体/熔体/氛围气三相点附近特殊的几何形状和隔热材料设计，形成绝热环。绝热环具有一定厚度，内部填充隔热材料，其上沿位置靠近水冷套下沿，下沿位置靠近晶体/熔体/氛围气三相点。绝热环与晶体间预留氩气流通通道。液面与绝热环之间的垂直距离为10-50mm，若小于10mm，则在晶体提拉过程中绝热环有可能与熔体接触，污染恪体，若超过50mm，则无法有效控制凝固界面处的热流方向。绝热环厚度为20-150mm，若绝热环厚度小于20mm，则无法保证足够的绝热效果，若超过150mm，则晶体凝固界面处的散热能力受到削弱；内壁距离晶体水平距离约lO-lOOmm，若小于10mm，则在提拉过程中晶体可能与绝热环发生碰撞，引发生产事故，若大于100mm，则无法阻碍晶体径向方向的散热，对保持平坦的凝固界面形状不利。
[0020]本实用新型通过设计导流筒在晶体生长三相点附近的几何形状和材料，控制凝固界面上方的热流方向，克服传统方法中水冷套长度受限的情况，在获得最大冷却效果的同时，有效避免因凝固界面形状过凹而引起的热应力过大以及位错增殖等问题，从而提高晶体质量。通过本实用新型能够提高20%以