一种拉制六英寸区熔硅单晶的方法及使用的热屏与流程

1.本发明涉及半导体硅单晶生长技术领域，特别是涉及一种拉制六英寸区熔硅单晶的方法及使用的热屏。


背景技术：

2.区熔硅单晶具有纯度高、电阻率高以及氧碳含量低等直拉硅单晶无法替代的优点，越来越受到半导体市场的关注，逐渐成为电力电子器件、探测器和高压整流器等大功率器件的不可或缺的材料。
3.德国瓦克、日本信越、sumco等国外区熔厂商早已生长出大尺寸无位错区熔硅单晶，对我国实行技术封锁，在区熔硅单晶市场呈现垄断地位。随着近年来，单晶硅市场直径逐渐向着大尺寸化迈进，区熔硅单晶大尺寸化趋势已势在必行。然而，随着区熔硅单晶直径大尺寸化，对于硅单晶无位错生长的难度呈现几何倍数增加，单晶成晶也越来越难。对于区熔硅单晶生长，随着直径逐渐增大，硅单晶冷却散热问题尤为重要。当冷却速度过大时，单晶内外部温度梯度过大，造成单晶炸裂，成晶失败；当冷却速度过小时，熔体不能及时凝固，产生回熔现象，导致单晶变晶，成晶失败。大尺寸区熔硅单晶生长，边缘散热较快，中心散热较慢，边缘先于中心处凝固，中心后凝固时，会发生体积膨胀，产生内部应力，当膨胀到一定程度，产生的应力达到极限时，单晶会发生炸裂或晶变，产生大量位错，进而导致成晶失败。


技术实现要素：

4.鉴于上述对现有技术存在的问题分析，本发明目的是提供一种拉制六英寸区熔硅单晶的方法及使用的热屏，通过控制热屏尺寸及调节热屏中冷却水压力，有效解决了六英寸区熔硅单晶在生长过程中内外部冷却散热问题，实现拉制六英寸无位错区熔硅单晶，改善单晶在生长过程中冷却与保温技术问题，进而提高了区熔硅单晶成晶率。
5.本发明的技术方案是：一种拉制六英寸区熔硅单晶的方法，包括抽空、预热、化料、拉细颈、扩肩、转肩、等径、收尾、停炉和拆装炉过程；在区熔单晶炉的中炉室内加热线圈的下方设置热屏，当进行扩肩、转肩、等径、收尾工序时，硅单晶随着下轴向下移动，进入到热屏罩区域内，热屏罩反射的热量作用在单晶的下部。
6.在上述技术方案中，将所述热屏的冷凝管路中的冷却水压力控制在3.2bar。
7.在上述技术方案中，所述热屏设置在区熔单晶炉的中炉室内加热线圈的下方40mm处。
8.一种用于拉制六英寸区熔硅单晶的热屏，所述的热屏包括热屏罩和冷凝管路，所述热屏罩是上下通透的锥型罩，沿着整个热屏罩的上沿设置所述冷凝管路。
9.在上述技术方案中，所述热屏罩和冷凝管路的材质均选用铜。
10.在上述技术方案中，所述热屏罩的上沿直径为190mm，下沿直径为215mm，高度为40mm。
11.本发明的有益效果在于：在拉制硅单晶过程中，由于单晶下部远离加热线圈，
热量散失较快，本发明热屏设计为上沿直径小于下沿直径，上沿部分通冷却水，可以保证单晶上部内外存在一定的温度梯度，避免了造成熔体过多，产生回熔导致成晶失败；对于拉制六英寸硅单晶，通过反复试验找出热屏的最佳参数（表1是热屏参数对成晶效果影响的对比表）即热屏罩的上沿直径为190mm，下沿直径为215mm，高度为40mm，冷凝管路中冷却水的压力为3.2bar，同时热屏设置在区熔单晶炉的中炉室内加热线圈的下方40mm处，可以精确地控制在拉制过程中热屏反射的热量作用在单晶下部的位置，更好地控制单晶内外部的温度梯度，保证了单晶成晶率。与不加热屏生长区熔硅单晶相比，解决了单晶内外部温度梯度过大或过小，造成的单晶炸裂或晶变问题，提高了单晶成晶率，降低了企业生产成本，更重要的是保证了六英寸区熔硅单晶批量化生产。
附图说明
12.图1是本发明热屏在区熔硅单晶生长过程位置示意图；图2是本发明热屏的结构示意图。
具体实施方式
13.如图2所示，一种用于拉制六英寸区熔硅单晶的热屏，包括热屏罩11和冷凝管路12，热屏罩11是上下通透的铜板锥形罩，冷凝管路12选用铜管沿着整个热屏罩11的上沿111盘旋设置，将冷凝管路12的两端的铜管5引出形成冷却水的出口端和进口端。
14.如图1、图2所示，一种拉制六英寸区熔硅单晶的方法，包括抽空、预热、化料、拉细颈、扩肩、转肩、等径、收尾、停炉和拆装炉过程；在抽空之前，首先将冷凝管路12的铜管围成直径190mm的圆环，热屏罩的上沿111用焊接方式固定在冷凝管路12的圆环上，在区熔单晶炉2的中炉室21加热线圈4的下方40mm处根据铜管5的直径打两个通孔，铜管5穿过两个通孔焊接固定在区熔单晶炉2的炉壁，进口端连接冷却水进水口，出口端与冷却水出水口连接，热屏罩的上沿111的直径为190mm，下沿112的直径为215mm，高度为40mm，冷凝管路12中冷却水的压力为3.2bar；拉制六英寸硅单晶时，使用德国pvafz35区熔单晶炉，炉压为4bar，使用德国wacker生产的多晶料，直径为127mm，碳含量≤80ppba，硼含量≤50ppta，磷含量≤130ppta，砷含量≤8ppta；抽空真空度为0.006mbar，使用加热线圈4对多晶料棒3进行预热、化料，使籽晶7接触到液滴状硅，多晶料棒3上轴的转速为4转/分钟，下轴转速为20转/分钟，上下轴同时向下拉细颈，扩肩期间上轴转速缓慢降到0.6转/分钟，下轴转速缓慢降到10转/分钟；如图1所示，当进行扩肩、转肩、等径、收尾工序时，硅单晶6随着下轴向下移动，进入到热屏1区域内，热屏罩11反射的热量作用在单晶的下部，避免温度梯度过大或过小而发生单晶炸裂或回熔导致成晶失败，从而可拉制生长出六英寸晶向为《100》的区熔硅单晶。
15.表1热屏参数对成晶效果影响的对比表上沿直径（mm）170190215220下沿直径（mm）195215190245高度（mm）30404050冷却水压力（bar）2.83.23.23.6
成晶情况晶变单晶炸裂炸裂通过表1可以看出，热屏的上沿直径190mm、下沿直径215mm、高度40mm、冷凝水压力3.2bar，可以使在区熔单晶炉上拉制六英寸硅单晶时不晶变、不炸裂，得到完整的六英寸区熔硅单晶。


技术特征：
1.一种拉制六英寸区熔硅单晶的方法，包括抽空、预热、化料、拉细颈、扩肩、转肩、等径、收尾、停炉和拆装炉过程；其特征在于：在区熔单晶炉（2）的中炉室（21）内加热线圈（4）的下方设置热屏（1），当进行扩肩、转肩、等径、收尾工序时，硅单晶（6）随着下轴向下移动，进入到热屏（1）区域内，热屏罩（11）反射的热量作用在硅单晶（6）的下部。2.如权利要求1所述的一种拉制六英寸区熔硅单晶的方法，其特征在于：将所述热屏（1）的冷凝管路（12）中的冷却水压力控制在3.2bar。3.如权利要求1所述的一种拉制六英寸区熔硅单晶的方法，其特征在于：所述热屏（1）设置在区熔单晶炉（2）的中炉室（21）内加热线圈（4）的下方40mm处。4.一种用于拉制六英寸区熔硅单晶的热屏，其特征在于：所述的热屏（1）包括热屏罩（11）和冷凝管路（12），所述热屏罩（11）是上下通透的锥型罩，沿着整个热屏罩（11）的上沿（111）设置所述冷凝管路（12）。5.如权利要求4所述的一种热屏，其特征在于：所述热屏罩（11）和冷凝管路（12）的材质均选用铜。6.如权利要求3所述的一种热屏，其特征在于：所述热屏罩（11）的上沿（111）直径为190mm，下沿（112）直径为215mm，高度为40mm。

技术总结
本发明涉及一种拉制六英寸区熔硅单晶的方法及使用的热屏。在区熔单晶炉的中炉室内加热线圈的下方40mm处设置热屏，热屏罩的上沿直径为90mm，下沿直径为215mm，高度为40mm，冷凝管路中冷却水的压力为3.2bar；当进行扩肩、转肩、等径、收尾工序时，硅单晶随着下轴向下移动，进入到热屏区域内，热屏罩反射的热量作用在单晶的下部，避免温度梯度过大或过小而发生单晶炸裂或回熔导致成晶失败。单晶炸裂或回熔导致成晶失败。单晶炸裂或回熔导致成晶失败。


技术研发人员：李明佳 李聪 张瀚文 冯旭 郑万超 刘洪 张伟才
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第四十六研究所
技术研发日：2022.02.23
技术公布日：2022/6/4