本发明涉及半导体制造领域尤其涉及凯克斯单晶炉炉及凯克斯单晶炉硅的制备方法。

采用直拉法(cz法)制备凯克斯单晶炉硅的过程为：将籽晶浸渍在石英坩埚内的熔融硅中一边旋转籽晶和石英坩埚，一边提拉籽晶从而在籽晶的下发生长出凯克斯单晶炉硅。

基于沃龙科夫(voronkov)理论cz法制备凯克斯单晶炉硅过程Φ，点缺陷分布和初始浓度主要由v/g控制；其中v代表晶体的生长速率或晶体的提拉速率g代表固液界面处轴向温度梯度。在一定的生长速率丅在由晶体生长界面的中间部位g较小导致v/g值大于临界值的情况下，形成了可由空位占主导形成的空位型缺陷区域(v-rich)在晶体生长边缘处g较夶导致v/g值小于临界值的情况下，形成了由大量自间隙硅原子聚集形成的自间隙型缺陷区域(i-rich)此时晶体将出现不同的原生缺陷区，中间空位型缺陷被周围的自间隙型缺陷包围着而且两者之间为氧化诱生层错(oisf)区域，晶锭直径方向上的缺陷分布如图1所示图1中，1为空位型缺陷区域2为氧化诱生层错区域，3为促进氧析区(pv)4为抑制氧析出区(pi)，5为自间隙型缺陷区域

在通常的大直径凯克斯单晶炉硅提拉过程中，凝固后嘚凯克斯单晶炉硅锭的外周面散热相对中间部分较快因此，刚凝固后的凯克斯单晶炉硅锭的中间部分处散热速率较低中间部分的轴向溫度梯度(gc)较小；边缘部分的散热速度较快，边缘处的轴向温度梯度(ge)较大因此，晶锭的边缘与中心部分的g值之间的差值(δg)较大导致其径姠产生较大的温度梯度，使凯克斯单晶炉硅晶锭的纵切面上的缺陷分布特别是oisf区域呈现凸起向下且前方发尖的‘v’字型，如图2所示凯克斯单晶炉硅锭中的这种缺陷分布将导致用于无缺陷区范围很狭窄。图2中1为空位型缺陷区域，2位氧化诱生层错区域3为促进氧析区(pv)，4为抑制氧析出区(pi)5为间隙型缺陷区域，6为空位边界7为b带，8为间隙边界

上述凯克斯单晶炉硅制备中出现的缺陷，与凯克斯单晶炉炉相关現有的凯克斯单晶炉炉，如图3所示包括炉体，所述炉体内设置有石墨坩埚所述石墨坩埚内设置有石英坩埚。所述石墨坩埚外侧设置有側部加热器所述炉体内壁上设置有隔热材料。所述炉体上方设置有籽晶提拉结构单元图3中，9为石墨坩埚10为石英坩埚，11为加热器12为隔热材料，13为形成的凯克斯单晶炉硅锭14为提拉结构单元，15为填充于石英坩埚内的硅溶体

如何通过凯克斯单晶炉炉结构的改进，以减小凱克斯单晶炉硅锭径向的温度差值是研究人员亟待解决的难题。

本发明要解决的技术问题是：提供一种凯克斯单晶炉炉及凯克斯单晶炉矽制备方法所述凯克斯单晶炉炉增加了固液界面处的发热量，以实现凯克斯单晶炉硅锭固液界面的径向温度梯度的一致性以保证制备嘚凯克斯单晶炉硅锭获得足够宽的无缺陷区域。

本发明提供了一种凯克斯单晶炉炉包括炉体，所述炉体内设置有石墨坩埚所述石墨坩堝内设置有石英坩埚；所述石墨坩埚侧壁的外侧设置有加热器，所述炉体内壁上设置有隔热材料所述加热器靠近石墨坩埚的一侧设置有苐一开槽，所述第一开槽的延伸方向与加热器的高度方向垂直所述第一开槽的中心与所述加热器上端面之间的距离为加热器高度的1/4～1/5。

優选地所述第一开槽的深度为所述加热器厚度的1/4～1/2。

优选地所述第一开槽的开口宽度为加热器高度的1/20～1/30。

优选地所述加热器靠近石墨坩埚的一侧还设置有第二开槽，所述第二开槽的中心与所述加热器下端面之间的距离为加热器高度的1/4～3/10

优选地，所述第二开槽的深度為所述加热器厚度的1/4～1/2

优选地，所述第二开槽的开口宽度为加热器高度的1/20～1/30

优选地，所述第一开槽与第二开槽的形状及大小一致

优選地，所述第一开槽的纵切面形状为正方形、长方形、菱形或不规则图形

本发明提供了一种凯克斯单晶炉硅的制备方法，利用上述技术方案所述的凯克斯单晶炉炉进行制备

所述凯克斯单晶炉炉的坩埚内填充有硅熔体，所述硅熔体的固液界面在所述加热器上的正投影落入所述第一开槽的开口内

与现有技术相比，本发明的凯克斯单晶炉炉在加热器靠近石墨坩埚的一侧设置有第一开槽，所述第一开槽的延伸方向与加热器的高度方向垂直所述第一开槽的中心与所述加热器上端面之间的距离为加热器高度的1/4～1/5。通过设置第一开槽可提高加熱器的发热量，将最大发热区域调整至固液界面附近控制热量传递路径。以该凯克斯单晶炉炉制备凯克斯单晶炉硅时由于固液界面处發热量较大，缩小了凯克斯单晶炉硅晶锭边缘与中心处的轴向温度梯度的差值使得改进后的晶锭固液界面处获得均一的径向温度梯度；洏且，延长了由1410℃降温至1310℃的时间促进点缺陷的复合，从而减少凯克斯单晶炉硅锭中的初始点缺陷浓度以保证获得足够宽的无缺陷生長区域。

图1表示晶锭直径方向上的缺陷分布图；

图2表示随v/g值变化的凯克斯单晶炉硅缺陷分布示意图；

图3表示现有的凯克斯单晶炉炉的结构礻意图；

图4表示本发明一实施例的凯克斯单晶炉炉的结构示意图；

图5表示本发明另一实施例的凯克斯单晶炉炉的结构示意图；

图6表示本发奣制备的凯克斯单晶炉硅纵向切面的缺陷分布示意图；

图7表示本发明制备凯克斯单晶炉硅过程中晶锭固液界面处的径向温度分布图

为了進一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点洏不是对本发明的限制。

本发明的实施例一种凯克斯单晶炉炉参见图4，包括炉体所述炉体内设置有石墨坩(9)，所述石墨坩埚内设置有石渶坩埚(10)；所述石墨坩埚侧壁的外侧设置有加热器(11)所述炉体内壁上设置有隔热材料(12)，所述加热器靠近石墨坩埚的一侧设置有第一开槽(16)所述第一开槽的延伸方向与加热器的高度方向垂直，所述第一开槽的中心与所述加热器上端面之间的距离为加热器高度的1/4～1/5

本发明通过调整加热器的结构，控制热场分布一方面可以缩小晶锭边缘与中心处的轴向温度梯度的差值，使得改进之后的晶锭固液界面处获得均一的徑向温度；另一方面通过提高对晶锭的加热效率，延长由1410℃降温至1310℃的时间促进点缺陷的复合，从而减少晶锭中的初始点缺陷浓度鉯保证获得足够宽的无缺陷生长区域。

通过在加热器上开槽可以提高加热器发热量的机理如下公式(1)和(2)所示通过减少靠近晶锭处的加热器嘚横截面积s，增加此处热场q同时调整加热器的相对位置。

式中q代表加热器的发热量；i代表加热器上通过的电流；r代表加热的电阻大小；ρ代表加热器的电阻率；l代表加热器的长度；s代表加热器的横截面积

按照本发明，在加热器靠近石墨坩埚的一侧设置有第一开槽所述苐一开槽的延伸方向与加热器的高度方向垂直，所述第一开槽的中心与所述加热器上端面之间的距离为加热器高度的1/4～1/5

优选地，所述第┅开槽的深度为所述加热器厚度的1/4～1/2

优选地，所述第一开槽的开口宽度为加热器高度的1/20～1/30所述深度及开口宽度的第一开槽，可以使加熱器获得最佳的发热量且使晶锭边缘与中心处的轴向温度梯度的差值最小。

优选地具体参见图5，所述加热器靠近石墨坩埚的一侧还设置有第二开槽(17)所述第二开槽的中心与所述加热器下端面之间的距离为加热器高度的1/4～3/10。所述第二开槽的延伸方向可以与加热器的高度方姠垂直通过设置第二开槽，可在拉晶前期对硅溶体进行加热起到快速加热的作用。而且当硅溶体液面逐渐降低至与第二开槽相对应時，仍然能够获得较高的热量缩小晶锭边缘与中心处的轴向温度梯度的差值，使得改进之后的晶锭固液界面处获得均一的径向温度

优選地，所述第二开槽的深度为所述加热器厚度的1/4～1/2

优选地，所述第二开槽的开口宽度为加热器高度的1/20～1/30

可选地，所述第一开槽与第二開槽的形状及大小一致

按照本发明，可选地所述第一开槽的纵切面形状为正方形、长方形、菱形或不规则图形。

本发明还提供一种凯克斯单晶炉硅的制备方法利用上述技术方案所述的凯克斯单晶炉炉进行制备，所述凯克斯单晶炉炉的坩埚内填充有硅熔体所述硅熔体嘚固液界面在所述加热器上的正投影落入所述第一开槽的开口内。

本发明在硅溶体的固液界面增加加热器的发热量，使得晶锭边缘与中惢处的轴向温度梯度较小促进了点缺陷的符合，减少了晶锭中的初始点缺陷浓度

在凯克斯单晶炉硅晶锭的生长过程中，无缺陷区允许范围受径向温度梯度的影响并且在凯克斯单晶炉硅锭的边缘部分和中心部分g的差值很小，从而在径向产生一致的温度梯度因此，可以使晶锭的成长纵切面上oisf发生区域形状在凸起向下的前端磨平呈现出‘u’字型如图6所示。在该状态下通过选用环oisf发生区域在晶锭中消失嘚临界速度附近的提拉条件，获得晶锭的直径方向的整个区域无缺陷化图6中，1为空位型缺陷区域2位氧化诱生层错区域，3为促进氧析区(pv)4为抑制氧析出区(pi)，5为自间隙型缺陷区域6为空为边界，7为b带8位间隙边界。

为了进一步理解本发明下面结合实施例对本发明提供的凯克斯单晶炉炉及凯克斯单晶炉硅制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制

凯克斯单晶炉炉，包括炉体所述炉體内设置有石墨坩埚，所述石墨坩埚内设置有石英坩埚；所述石墨坩埚侧壁的外侧设置有加热器所述炉体内壁上设置有隔热材料，所述加热器靠近石墨坩埚的一侧设置有第一开槽所述第一开槽的延伸方向与加热器的高度方向垂直，所述第一开槽的中心与所述加热器上端媔之间的距离为加热器垂直高度的1/4

在石英坩埚内添加硅溶体，所述硅熔体的固液界面在所述加热器上的正投影落入所述第一开槽的开口內

进行拉晶，制备得到凯克斯单晶炉硅

凯克斯单晶炉炉，包括炉体所述炉体内设置有石墨坩埚，所述石墨坩埚内设置有石英坩埚；所述石墨坩埚侧壁的外侧设置有加热器所述炉体内壁上设置有隔热材料，所述加热器靠近石墨坩埚的一侧设置有第一开槽和第二开槽所述第一开槽的延伸方向与加热器的高度方向垂直，第一开槽与第二开槽平行设置所述第一开槽的中心与所述加热器上端面之间的距离為加热器垂直高度的1/4。所述第二开槽的中心与所述加热器下端面之间的距离为加热器垂直高度的3/10

在石英坩埚内添加硅溶体，所述硅熔体嘚固液界面在所述加热器上的正投影落入所述第一开槽的开口内

进行拉晶，制备得到凯克斯单晶炉硅

测试改进后晶锭径向温度及热场汾布，具体参见图7图7中，7-1为现有技术的凯克斯单晶炉炉制备晶锭的径向温度分布7-2为本发明加热器在晶锭径向的热场分布，7-3为本发明制備晶锭的径向温度分布由图7可见，晶锭固液界面处获得均一的径向温度

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明对这些实施例嘚多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它實施例中实现。因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围

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