硅单晶棒的快速冷却方法

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN201510865621.0 (22)申请日 2015.12.02

(71)申请人 上海超硅半导体有限公司

地址 201604 上海市松江区石湖荡镇养石路88号 (72)发明人 张俊宝 宋洪伟 (74)专利代理机构 代理人 (51)Int.CI

C30B15/00 C30B29/06

(10)申请公布号 CN 105568366 A (43)申请公布日 2016.05.11

权利要求说明书 说明书 幅图

()发明名称

硅单晶棒的快速冷却方法

(57)摘要

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。 法律状态

法律状态公告日2021-10-01

2019-04-02 2017-07-11 2016-05-11

法律状态信息 专利权人的姓名或者名称、地址的变更

授权 实质审查的生效 公开

法律状态

专利权人的姓名或者名称、地址的变更

授权

实质审查的生效

公开

权 利 要 求 说 明 书

1.一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多孔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；不同位置高效吸收晶棒辐射出的热量，均匀吸收特定波长的辐射，达到快速降温的目的。

2.根据权利要求1所述的一种硅单晶棒的快速冷却方法，其特征在于下腔体冷却套直筒段部分内壁采用高导热的铜做为内壁材料，内侧表面抛光至表面粗糙度Ra_Cu小于0.5μm，在铜内壁表面采用等离子热喷涂技术制备多孔钼镀层，钼原料为粉末，粒径范围为-1000目；硅单晶棒在下腔体内直筒段部分的中值温度T_down为1200℃；钼镀层的厚度与红外辐射的中心波长一致，为1.97μm；钼镀层的致密度中值为75%，孔隙尺寸分布中值为1.0μm；钼镀层表面粗糙度Ra_Mo-down为3.2μm；钼材料的化学成分中含有至少1.5wt%的C和2.0wt%的Si；采用微弧氧化技术将钼镀层表面层全部氧化成氧化物；在钼镀层的表面，采用化学气相沉积技术制备一层SiO₂镀层，镀层的厚度为0.48μm；形成辐射红外线的全透过膜层。

3.一种硅单晶棒的快速冷却方法，其特征在于下腔体炉盖为一个上部开孔的半椭球壳结构；椭球的长轴为下腔体内半径R_f，椭球的焦点为硅单晶棒的外表面，即硅单晶棒的半径r_Si，

。

4.根据权利要求3所述的一种硅单晶棒的快速冷却方法，其特征还在于下腔体炉盖内侧表面抛光至表面粗糙度Ra_Cu小于0.5μm，在铜内壁表面采用等离子热喷涂技术制备钼镀层，钼原料为粉末，粒径范围为800-1000目；硅单晶棒在下腔炉盖段部分的中值温度T_lip为1000℃；钼镀层的厚度与红外辐射的中心波长一致，为2.28μm；钼镀层的致密度中值为65%，孔隙尺寸分布中值为1.2μm；钼镀层表面粗糙度Ra_Mo-lip为5.0μm；钼材料的化学成分中含有至少1.5wt%的C和2.0wt%的Si；采用微弧氧化技术将钼镀层表面层全部氧化成氧化物；在钼镀层的表面，采用化学气相沉积技术制备一层SiO₂镀层，镀层的厚度为0.6μm；形成辐射红外线的全透过膜层。

5.一种硅单晶棒的快速冷却方法，其特征在于上腔体炉筒部分内侧表面抛光至表面粗糙度Ra_Cu小于0.5μm，在铜内壁表面采用等离子热喷涂技术制备钼镀层；钼原料为粉末，粒径范围为500-800目；硅单晶棒在下腔体内直筒段部分的中值温度T_up为700℃；钼镀层的厚度与红外辐射的中心波长一致，为2.98μm；钼镀层的致密度中值为50%，孔隙尺寸分布中值为1.5μm；钼镀层表面粗糙度Ra_Mo-up为6.2μm；钼材料的化学成分中含有至少1.5wt%的C、2.0wt%的Si和至少4wt%的Ti；采用微弧氧化技术将钼镀层表面层全部氧化成氧化物。

6.一种硅单晶棒的快速冷却方法，其特征在于下腔体冷却套直筒段部分冷却水入口温度23℃，出口温度小于55℃；下腔体炉盖冷却水入口温度23℃，出口温度小于50℃；上腔体炉筒部分冷却水入口温度23℃，出口温度小于45℃。

说 明 书

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。 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、CN2013106227、CN201310660636、CN201210205703、CN201210204934、CN2011200167、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。 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。

为了达到以上的目的，本发明工艺技术是通过以下方法实现以上的目的：采用高导热的铜做为单晶炉冷却套的内壁材料，外侧开有水冷槽，通水进行冷却，要求冷却水的入口温度23-25℃，出口温度小于55℃。内侧表面制备钼镀层增强吸热能力，

同时制备氧化层提高辐射吸收系数。最外层制备玻璃膜层，形成辐射红外线的全透过膜层，防止红外线的反射。

本发明专利的特征在于，单晶炉下腔体冷却套分为直筒段部分和下腔炉盖两部分，其直筒段部分内壁采用高导热的铜做为单晶炉冷却套的内壁材料，外侧开有水冷槽，通水进行冷却，要求冷却水的入口温度23-25℃，出口温度小于55℃。高导热的铜材料内侧表面抛光至表面粗糙度Ra_Cu小于0.5μm，在铜内壁表面采用等离子热喷涂技术制备多孔钼镀层，钼具有自身吸热能力，提高对能量的吸收能力。

钼原料为粉末，粒径范围为-1000目。硅单晶棒在下腔体内直筒段部分的中值温度T_down为1200℃。因此，其红外辐射的中心波长为

λ_down＝k/T_down＝2.76/1.47315＝1.97(1)

式中，λ_down为硅单晶棒在下腔体内直筒段部分红外辐射的中心波长，k为常数。钼镀层的厚度与红外辐射的中心波长一致，为1.97μm。钼镀层的致密度中值为75％，孔隙尺寸分布中值为1.0μm。

钼镀层表面粗糙度Ra_Mo-down为3.2μm。钼材料的化学成分中含有至少1.5wt％的C和2.0wt％的Si。采用微弧氧化技术将钼镀层表面层全部氧化成氧化物。将钼镀层对硅单晶棒红外辐射的吸收系数提高35％。

在钼镀层的表面，采用化学气相沉积技术制备一层SiO₂镀层，镀层的厚度为0.48μm。形成辐射红外线的全透过膜层。

单晶炉下腔体炉盖是连接下腔体直筒段部分和中炉筒的关键部分，是硅半晶棒高温区域和低温区域过渡的中温区。其下部与下腔体直筒段连接，上部为一个圆孔与中

炉筒连接。

本发明技术的特征在于，下腔体炉盖为一个上部开孔的半椭球壳结构。椭球的长轴为下腔体内半径R_f，椭球的焦点为硅单晶棒的外表面，即硅单晶棒的半径r_Si，因此半椭球短轴的高度b为

$b^2=R_f^2-r_{Si}^2---\left(2\right)$

在此结构下，硅单晶棒外表面为椭球的焦点，从焦点辐射出的红外线，在炉盖内表面上的分布为均匀分布，炉盖对其吸收效率最高。防止了炉体局部温度过高，影响冷却效果。

炉盖内壁1(见图1所示)采用高导热的铜材料制成，其内壁采用高导热的铜做为单晶炉的内壁材料，外侧开有水冷槽，通水进行冷却，要求冷却水的入口温度23-25℃，出口温度小于55℃。内侧表面抛光至表面粗糙度Ra_Cu小于0.5μm，在铜内壁表面采用等离子热喷涂技术制备钼镀层2(见图1所示)，钼原料为粉末，粒径范围为800-1000目。硅单晶棒在下腔炉盖段部分的中值温度T_lip为1000℃。因此，其红外辐射的中心波长为

λ_lip＝k/T_lip＝2.76/1.27315＝2.28(3)

式中，λ_lip为硅单晶棒在下腔炉盖段部分红外辐射的中心波长，k为常数。钼镀层的厚度与红外辐射的中心波长一致，为2.28μm。钼镀层的致密度中值为65％，孔隙尺寸分布中值为1.2μm。

钼镀层表面粗糙度Ra_Mo-lip为5.0μm。钼材料的化学成分中含有至少1.5wt％的C和2.0wt％的Si。采用微弧氧化技术将钼镀层表面层全部氧化成氧化物。

在钼镀层的表面，采用化学气相沉积技术制备一层SiO₂镀层3(见图1所示)，镀层的厚度为0.6μm。形成辐射红外线的全透过膜层。

上腔体炉筒部分为坚直筒，其内壁采用高导热铜制备，其内壁采用高导热的铜做为单晶炉的内壁材料，外侧开有水冷槽，通水进行冷却，要求冷却水的入口温度23-25℃，出口温度小于45℃。其内侧表面抛光至表面粗糙度Ra_Cu小于0.5μm，在铜内壁表面采用等离子热喷涂技术制备钼镀层。

钼原料为粉末，粒径范围为500-800目。硅单晶棒在下腔体内直筒段部分的中值温度T_up为700℃。因此，其红外辐射的中心波长为

λ_up＝k/T_up＝2.76/0.97315＝2.98(4)

式中，λ_up为硅单晶棒在上腔体内直筒段部分红外辐射的中心波长，k为常数。钼镀层的厚度与红外辐射的中心波长一致，为2.98μm。钼镀层的致密度中值为50％，孔隙尺寸分布中值为1.5μm。

钼镀层表面粗糙度Ra_Mo-up为6.2μm。钼材料的化学成分中含有至少1.5wt％的C、2.0wt％的Si和至少4wt％的Ti。采用微弧氧化技术将钼镀层表面层全部氧化成氧化物。

当红外线波长超过2.75μm后，穿过玻璃的能力降低，即玻璃的透过率低，不能再使用玻璃膜层。

附图说明

图1为本发明下腔炉盖结构示意图；

具体实施例说明 实施例1

利用模拟硅单晶棒，测量采用本发明专利条件下，单晶棒上各温度点的位置。下腔体冷却套直筒段部分内壁采用高导热的铜做为内壁材料，内侧表面抛光至表面粗糙度Ra_Cu小于0.5μm，在铜内壁表面采用等离子热喷涂技术制备多孔钼镀层，钼原料为粉末，粒径范围为-1000目。硅单晶棒在下腔体内直筒段部分的中值温度T_down为1200℃。钼镀层的厚度与红外辐射的中心波长一致，为1.97μm。钼镀层的致密度为75％左右，孔隙尺寸分布中值为1.0μm。钼镀层表面粗糙度Ra_Mo-down为3.2μm。钼材料的化学成分中含有至少1.5wt％的C和2.0wt％的Si。采用微弧氧化技术将钼镀层表面层全部氧化成氧化物。在钼镀层的表面，采用化学气相沉积技术制备一层SiO₂镀层，镀层的厚度为0.48μm。形成辐射红外线的全透过膜层。下腔体炉盖为一个上部开孔的半椭球壳结构。椭球的长轴为下腔体内半径R_f，为500mm。椭球的焦点为硅单晶棒的外表面，即硅单晶棒的半径r_Si，为100mm。内侧表面抛光至表面粗糙度Ra_Cu小于0.5μm，在铜内壁表面采用等离子热喷涂技术制备钼镀层，钼原料为粉末，粒径范围为800-1000目。硅单晶棒在下腔炉盖段部分的中值温度T_lip为1000℃。钼镀层的厚度与红外辐射的中心波长一致，为2.28μm。钼镀层的致密度为65％左右，孔隙尺寸分布中值为1.2μm。钼镀层表面粗糙度Ra_Mo-lip为5.0μm。钼材料的化学成分中含有至少1.5wt％的C和2.0wt％的Si。采用微弧氧化技术将钼镀层表面层全部氧化成氧化物。在钼镀层的表面，采用化学气相沉积技术制备一层SiO₂镀层，镀层的厚度为0.6μm。形成辐射红外线的全透过膜层。上腔体炉筒部分内侧表面抛光至表面粗

糙度Ra_Cu小于0.5μm，在铜内壁表面采用等离子热喷涂技术制备钼镀层。钼原料为粉末，粒径范围为500-800目。硅单晶棒在下腔体内直筒段部分的中值温度T_up为700℃。钼镀层的厚度与红外辐射的中心波长一致，为2.98μm。钼镀层的致密度为50％左右，孔隙尺寸分布中值为1.5μm。钼镀层表面粗糙度Ra_Mo-up为6.2μm。钼材料的化学成分中含有至少1.5wt％的C、2.0wt％的Si和至少4wt％的Ti。采用微弧氧化技术将钼镀层表面层全部氧化成氧化物。

下腔体冷却套直筒段部分冷却水入口温度23℃，出口温度为55℃。下腔体炉盖冷却水入口温度23℃，出口温度为50℃。上腔体炉筒部分冷却水入口温度23℃，出口温度为45℃。

采用1.2mm/h的提拉速度，模拟硅单晶棒检测表明晶棒上1000℃的位置与熔体表面的距离为230mm，700℃的位置与熔体表面的距离为400mm，450℃的位置与熔体表面的距离为800mm。 对比例1

使用传统的单晶炉，采用的工艺参数与实施例1相同。1.2mm/h的提拉速度，炉体冷却水的入口温度23℃，出口温度为55℃。模拟硅单晶棒检测表明晶棒上1000℃的位置与熔体表面的距离为260mm，700℃的位置与熔体表面的距离为490mm，450℃的位置与熔体表面的距离为900mm。这样的冷却速，会在晶体中产生OSF缺陷。 实施例2

采用的炉体参数与实施例1相同。下腔体冷却套直筒段部分冷却水入口温度23℃，出口温度为45℃。下腔体炉盖冷却水入口温度23℃，出口温度为40℃。上腔体炉

筒部分冷却水入口温度23℃，出口温度为35℃。采用1.0mm/h的提拉速度，模拟硅单晶棒检测表明晶棒上1000℃的位置与熔体表面的距离为225mm，700℃的位置与熔体表面的距离为380mm，450℃的位置与熔体表面的距离为750mm。 实施例3

采用的炉体参数与实施例1相同。下腔体冷却套直筒段部分冷却水入口温度23℃，出口温度为45℃。下腔体炉盖冷却水入口温度23℃，出口温度为40℃。上腔体炉筒部分冷却水入口温度23℃，出口温度为35℃。采用0.8mm/h的提拉速度，模拟硅单晶棒检测表明晶棒上1000℃的位置与熔体表面的距离为220mm，700℃的位置与熔体表面的距离为370mm，450℃的位置与熔体表面的距离为700mm。 实施例4

采用的方法与实施例1相同。所不同为下腔体炉盖为一个上部开孔的半椭球壳结构。椭球的长轴为下腔体内半径R_f，为580mm。椭球的焦点为硅单晶棒的外表面，即硅单晶棒的半径r_Si，为152mm。下腔体冷却套直筒段部分冷却水入口温度23℃，出口温度为40℃。下腔体炉盖冷却水入口温度23℃，出口温度为35℃。上腔体炉筒部分冷却水入口温度23℃，出口温度为35℃。

采用1.2mm/h的提拉速度，模拟硅单晶棒检测表明晶棒上1000℃的位置与熔体表面的距离为260mm，700℃的位置与熔体表面的距离为460mm，450℃的位置与熔体表面的距离为820mm。 对比例2

使用传统的单晶炉，采用的工艺参数与实施例1相同。1.2mm/h的提拉速度，炉体冷却水的入口温度23℃，出口温度为35℃。模拟硅单晶棒检测表明晶棒上1000℃

的位置与熔体表面的距离为275mm，700℃的位置与熔体表面的距离为510mm，450℃的位置与熔体表面的距离为1100mm。检测发现在晶体中产生OSF缺陷。 实施例5

采用的方法与实施例1相同。所不同为下腔体炉盖为一个上部开孔的半椭球壳结构。椭球的长轴为下腔体内半径R_f，为580mm。椭球的焦点为硅单晶棒的外表面，即硅单晶棒的半径r_Si，为152mm。下腔体冷却套直筒段部分冷却水入口温度23℃，出口温度为40℃。下腔体炉盖冷却水入口温度23℃，出口温度为35℃。上腔体炉筒部分冷却水入口温度23℃，出口温度为35℃。

采用1.0mm/h的提拉速度，模拟硅单晶棒检测表明晶棒上1000℃的位置与熔体表面的距离为250mm，700℃的位置与熔体表面的距离为445mm，450℃的位置与熔体表面的距离为790mm。 实施例6

采用的方法与实施例1相同。所不同为下腔体炉盖为一个上部开孔的半椭球壳结构。椭球的长轴为下腔体内半径R_f，为580mm。椭球的焦点为硅单晶棒的外表面，即硅单晶棒的半径r_Si，为152mm。下腔体冷却套直筒段部分冷却水入口温度23℃，出口温度为40℃。下腔体炉盖冷却水入口温度23℃，出口温度为35℃。上腔体炉筒部分冷却水入口温度23℃，出口温度为35℃。

采用0.9mm/h的提拉速度，模拟硅单晶棒检测表明晶棒上1000℃的位置与熔体表面的距离为246mm，700℃的位置与熔体表面的距离为428mm，450℃的位置与熔体表面的距离为750mm。