[实用新型]具有双电源加热的区熔炉热场

说明书

技术领域

本实用新型涉及半导体制造领域，特别涉及具有双电源加热的区熔炉热场。

背景技术

硅是全球第一产业——电子信息技术产业的基础材料，占全球半导体材料使用量的95%以上。区熔硅单晶由于其独特的生长方式，具有纯度高，均匀性好、缺陷少等优点，适合用于大功率半导体元器件。随着电力电子产业的蓬勃发展，各类新型电力电子器件对大直径区熔硅单晶的需求越来越旺盛，如SR硅整流器、SCR可控硅、GTR巨型晶体管、GTO晶闸管、SITH静电感应晶闸管、IGBT绝缘栅双极晶体管、PIN超高压二极管、智能功率器件(SMART POWER)、功率集成器件(POWER IC)等，因此，大直径区熔硅单晶具有广阔的应用领域和良好的发展前景。区熔硅单晶的生长采用悬浮区域熔炼法，即用高频感应加热线圈加热多晶硅料使其熔化，在线圈下方用籽晶接住熔融硅连续生长出单晶棒。由于采用悬浮区域熔炼，热场集中在熔区附近，熔区下方温度分布不均匀。尤其对于生长大直径硅单晶，因单晶棒表面快速冷却，中心和表面径向温度梯度扩大而导致单晶棒开裂。随着单晶棒直径的增大，熔区面积和热应力呈几何数级增大，当单晶棒内热应力大于其临界剪压力时，单晶棒中将产生位错，导致单晶棒断棱甚至炸裂，影响生产效率，并对设备造成损害。现有技术中，6.5英寸以上的大直径区熔单晶硅生长都面临着因热场分布不合理、热应力过大造成的单晶棒开裂的问题，3-6英寸的区熔单晶硅生长中因热场分布不合理、热应力过大造成的断棱也是提高硅单晶生产率面临的最主要的问题之一。

现有技术中的区熔炉热场均采用单一热源，即采用高频电源通过主加热线圈进行加热、化料。单一电源加热难以调整，特别是对主加热线圈以下的单晶棒热场分布难以控制。为弥补熔区下方的单晶棒热量不足问题，改善熔区下方热场分布，现有技术多采用一种铜质保温环装置（见图1）：该装置能将熔区辐射的热量反射到单晶棒表面，对熔区下方的单晶棒起到一定的保温作用。但这个装置只能被动地反射从熔区辐射过来的热量，因此反射的热量大小和位置都不可控。中国（公开）专利CN 102808216 A,CN 102321913 A，CN 102358951 A，CN 202492612 U等公开的均是采用这种主加热线圈加保温环的热场结构。公开的技术中还有采用不同材料来保温的，但这些保温装置都是采用被动保温的，难以控制，无法适应大直径区熔单晶硅的生长。因此迫切需要开发一种具有双电源加热的区熔炉热场，通过合理的控制，使得区熔炉热场分布可根据工艺需要精确控制，以解决大直径单晶棒开裂问题，并提高硅单晶品质。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种具有双电源加热的区熔炉热场。本实用新型中，主加热功率和辅助加热功率可根据工艺实时调节，并适应不同直径、不同晶向单晶棒的生长。

为解决上述技术问题，本实用新型的解决方案是：

提供一种具有双电源加热的区熔炉热场，包括中心设有圆孔的主加热线圈，主加热线圈与主加热电源相连，还包括一个辅助加热器，辅助加热器的主体是石墨或硅材质，其外形呈上下方向往复弯折的波浪状且在水平方向上围绕形成圆环状，其两个端部设接口并通过电缆与辅助加热电源相连；辅助加热电源还通过信号线依次连接数据分析模块和红外测温仪。

作为一种改进，所述辅助加热器围绕形成的圆环状的直径在150mm～400mm之间，其在上下方向往复弯折的波浪状的高度在50mm～800mm之间。

作为一种改进，所述的主加热电源和辅助加热电源相互独立，且均设有控制操作模块和屏蔽防干扰装置。

本实用新型中，具有双电源加热的区熔炉热场的区熔炉保温方法是：通过辅助加热电源为辅助加热器施加直流电源，通过辅助加热器对生长在其内部的单晶棒施加热辐射，从而实现对单晶棒的保温；通过红外测温仪实时监测单晶棒特定点的温度，并传输给数据分析模块，数据分析模块通过内置的控制方法来控制辅助加热器的电流，从而调节对单晶棒的保温效果；内置于数据分析模块的控制方法，其控制目标为单晶棒特定点的温度，控制输入量为辅助加热器电流，且在不同的生长阶段采取不同的控制策略，具体包括：

在扩肩阶段，单晶棒直径不断变化，设定单晶棒特定点温度随单晶棒直径的变化曲线T(d)为目标值，其中，单晶棒特定点温度随单晶棒直径的变化曲线T（d）由对作为标准参照的单晶棒生产过程进行标定的方式获得；单晶棒直径为D时，通过查找曲线获得单晶棒温度目标值为T（D）；温差△T=T1-T（D），其中T1为单晶棒直径为D时红外测温仪检测到单晶棒特定点的温度；