[发明专利]硅单晶棒的快速冷却方法

说明书

本发明技术是一种硅单晶棒的快速冷却方法，硅单晶生长炉冷却套内壁采用高导热铜制造，外侧为水冷槽，内侧采用热喷涂技术镀有钼合金吸热镀层和全透过保护层。下腔体的垂直段、炉盖以及上腔体垂直段镀层的厚度分别对应硅单晶棒的红外辐射波长。钼合金成分具有红外辐射吸热功能，钼合金表面采用微弧氧化技术氧化成氧化层，提高红外吸收系数。下腔体炉盖采用半椭球结构，长轴为炉体内径，短轴为硅单晶棒的半径。本发明技术高效吸收晶棒辐射出的热量，均匀吸收特定波长的辐射，从而达到快速降温的目的。

(一)技术领域

本发明涉及一种硅单晶棒的快速冷却方法。具体涉及直拉单晶硅生长过程中高温硅单晶棒的冷却，特别涉及高温硅单晶棒红外辐射的吸收，降低反射，从而快速冷却硅单晶棒。

(二)背景技术

在单晶硅的制造工艺中，最常使用的是直拉法(Czochralski，缩写为Cz)，在直拉法中，多晶硅是填充在石英玻璃坩埚(也称石英坩埚)中，然后加热熔融形成硅熔液，在硅熔液中浸入籽晶后向上旋转提拉，硅在籽晶与熔溶液的界面处凝固结晶，形成单晶硅锭。

单晶炉中的热场设计是硅单晶生长关键技术之一，硅的熔点大约为1412-1420℃之间，晶体的生长界面的温度约为1412℃，石英坩埚内的熔体内温度也存在一定的梯度，通常随着坩埚内径不同和所生长硅单晶尺寸的不同而不同，温度差值约在3-10℃左右，但在理论计算中通常认为熔体的温度是恒定不变的。晶棒上1412℃至1350℃之间的长度，或1412℃至1300℃之间的长度，主要用来控制晶体生长的提拉速度，生长无间隙原子缺陷和空穴缺陷，或间隙原子缺陷和空穴缺陷低的硅单晶。工业上为了提高生长速度，希望晶棒轴向上的温度梯度越大越好。但是随着单晶体尺寸的增加，生长界面的半径明显增加。而晶体的凝固结晶是一个放热过程，因此导致了生长界面上形成一个凹弧面，随着生长界面半径的增加，凹弧面高度也增加。例如，8英寸的硅单晶生长界面弧高3cm，而12英寸的硅单晶生长界面弧高5cm。造成了晶体生长径向上温度梯度增加。晶体生长过程中，掺杂元素存在分凝系数，较大的生长界面弧高就导致了晶片径向上的氧及掺杂元素分布不均匀，影响晶片的质量。而解决这一问题的方法是尽可能提高晶体心部的降温速度，降低生长界面附近晶棒表面的降温梯度。为解决这一问题，提出了各种各样的解决方法，专利CN201320668497、CN201320536183、CN201320482081、CN201310689227、CN201310660636、CN201210205703、CN201210204934、CN201120016789、CN201110351048等，主要有增加热屏设计和加温装置，控制一个适度的降温速度。

晶棒(或称晶锭)上1000℃至700℃之间的长度，是控制氧施主的温度区域。希望具有非常高的降温速度，有助于提高晶体心部的降温速度。解决方法主要是增加一个水冷套管或气冷套管，用于降温。但是增加水冷套管会影响对熔体的观察，影响对熔体稳定性的评定，影响引晶、缩径、放肩、转肩以及等径等工艺的精确控制。同时增加水冷套管的机构设置也十分复杂，对晶棒和熔体稳定性有一定的影响。

晶体生长炉分成上下两个腔体，上腔体主要是容纳晶棒，下腔体内有热场和晶棒。晶棒的降温主要有两个途径，一是通过流动的氩气带走热量，二是通过热辐射传递到炉壁上，被炉壁吸收后再经冷却水带走热量。晶体生长过程中，氩气的流速比较恒定，因此带走的热量也是比较恒定的。而目前炉壁采用不锈钢制造，对晶棒辐射出的热量吸收热量能力较低，辐射经多次反射，使上下腔体内的温度较高，降温的效果不理想。下腔炉盖的设计较低，硅单晶棒辐射的热量分布不均匀，影响能量吸收效果。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种硅单晶棒的快速冷却方法，具体是高效吸收晶棒辐射出的热量，特别涉及均匀吸收特定波长的辐射，从而达到快速降温的目的。对晶棒冷却的关键在于对晶棒辐射出的热量进行有效和快速的吸收。