氦气冷却的单晶硅成长装置及方法

本发明属于直拉法单晶生长，具体涉及一种氦气冷却的单晶硅成长装置及方法。

背景技术：

1、电子级单晶硅是大规模集成电路发展的基石，在商用半导体器件和集成电路芯片中，硅基微电子原件占主流。直拉法(cz法)是生长电子级单晶硅的主要方法。为了顺应半导体行业对降低硅片成本的趋势，直拉法单晶硅的尺寸不断增加。随着硅晶体尺寸的不断增加，生长过程中结晶界面上释放出的结晶潜热急剧增加，界面弯曲度增加，影响晶体质量。

2、近几年，cz法晶体生长尝试采用水冷装置进行散热，但是高温炉体中水冷装置存在一定的安全隐患，若水冷装置破损则会导致水汽在高达1570℃的炉体内急剧膨胀而引发爆炸。

3、一方面，设置冷却装置可以尽快稳定晶体结构，从而提高拉速、有效提高生产效率、降低成本；另一方面，提高拉速会导致固液界面形状微凸，引起界面处产生轴向温度梯度，造成位错。直拉法单晶硅生长过程中，固液界面平整度是衡量晶体质量的重要指标。为保证晶体质量，结晶界面处的平整度必须维持在一个合理范围。

4、随着晶体生长的直径越来越大，对晶体生长的控制提出了更高的要求。为了满足单晶硅生长过程对拉速和质量的双重需求，并消除存在的安全隐患，亟需提出一种新的冷却装置，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种氦气冷却的单晶硅成长装置及方法，以提高在单晶炉中对单晶生长过程中晶体的冷却散热效率。

2、为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种氦气冷却的单晶硅生长装置，包括炉体、保温筒和导流筒，保温筒紧贴炉体内壁设置，导流筒设置于炉体顶部，炉体内部设置有用于放置熔融态硅的坩埚；还包括设置于导流筒上部的氦气冷却装置，氦气冷却装置包括冷却部件、进口管道和出口管道；所述冷却部件为空心圆台结构，冷却部件内部形成氦气流通腔，氦气流通腔内部设置有阻流翅片；进口管道和出口管道分别连接冷却部件并与氦气流通腔连通。

3、进一步地，所述阻流翅片包括上阻流翅片和下阻流翅片，上阻流翅片均匀布置在氦气流通腔的上部，下阻流翅片均匀布置在氦气流通腔的下部，上阻流翅片和下阻流翅片的位置交错设置。

4、进一步地，每个阻流翅片的底边和两个侧边均与氦气流通腔的腔壁连接，阻流翅片的顶边位于氦气流通腔上下距离的中线；或者每个阻流翅片的底边、顶边和一个侧边与氦气流通腔的腔壁连接。

5、进一步地，相邻的一个上阻流翅片和一个下阻流翅片为一对阻流翅片，共包括6对阻流翅片。

6、进一步地，每个阻流翅片以逆气流方向水平夹角45°设置。

7、进一步地，所述阻流翅片为波浪形结构。

8、进一步地，冷却部件和阻流翅片均采用钨钼合金材料制成。

9、进一步地，进口管道和出口管道上分别设置有流量控制阀。

10、根据本发明的另一方面，提供一种氦气冷却的单晶硅生长方法，以直拉法生长单晶，采用以上所述的氦气冷却的单晶硅生长装置，向氦气冷却装置中通入氦气控制并调节流量，形成基于可控温差下的稳定热场。

11、进一步地，等径生长可划分为三个阶段，分别是初始阶段0％～15％，中间阶段15％～85％，收尾阶段85％～100％；每个阶段对应不同流量，初始阶段流量为70～80l/min，中间阶段流量调节为初始阶段流量的120％，收尾阶段的流量控制在初始阶段流量的50％。

12、本发明提供了一种封闭系统内增强换热的氦气冷却装置，以氦气作为冷区介质，氦气冷却比水冷的换热量更大，能够更有效的带走结晶潜热，从而提高在单晶炉中对单晶生长过程中晶体的冷却散热效率，能够用于拉制高质量大尺寸单晶硅棒。

13、此外，本发明中提供的波纹翅片的特点是能够增大换热面积，提高换热效率并保持较高的换热量q，可以充分降低晶体周围的温度。冷却部件内部为空腔，节省了装置材料，缩短了气体流动路径，避免因管道过于冗长而导致冷却气体提前被加热到接近于炉体内温的温度，保持温差不会过小。

14、与水冷装置相比，本发明采用的氦气冷却装置安全性更高，即使装置内部惰性气体——氦气泄露到炉内也不会引发重大安全事故。

技术特征：

1.一种氦气冷却的单晶硅生长装置，包括炉体、保温筒和导流筒，保温筒紧贴炉体内壁设置，导流筒设置于炉体顶部，炉体内部设置有用于放置熔融态硅的坩埚；其特征在于：还包括设置于导流筒上部的氦气冷却装置，氦气冷却装置包括冷却部件、进口管道和出口管道；所述冷却部件为空心圆台结构，冷却部件内部形成氦气流通腔，氦气流通腔内部设置有阻流翅片；进口管道和出口管道分别连接冷却部件并与氦气流通腔连通。

2.根据权利要求1所述的氦气冷却的单晶硅生长装置，其特征在于：所述阻流翅片包括上阻流翅片和下阻流翅片，上阻流翅片均匀布置在氦气流通腔的上部，下阻流翅片均匀布置在氦气流通腔的下部，上阻流翅片和下阻流翅片的位置交错设置。

3.根据权利要求2所述的氦气冷却的单晶硅生长装置，其特征在于：每个阻流翅片的底边和两个侧边均与氦气流通腔的腔壁连接，阻流翅片的顶边位于氦气流通腔上下距离的中线；或者每个阻流翅片的底边、顶边和一个侧边与氦气流通腔的腔壁连接。

4.根据权利要求3所述的氦气冷却的单晶硅生长装置，其特征在于：相邻的一个上阻流翅片和一个下阻流翅片为一对阻流翅片，共包括6对阻流翅片。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的氦气冷却的单晶硅生长装置，其特征在于：每个阻流翅片以逆气流方向水平夹角45°设置。

6.根据权利要求5所述的氦气冷却的单晶硅生长装置，其特征在于：所述阻流翅片为波浪形结构。

7.根据权利要求6所述的氦气冷却的单晶硅生长装置，其特征在于：冷却部件和阻流翅片均采用钨钼合金材料制成。

8.根据权利要求1或7所述的氦气冷却的单晶硅生长装置，其特征在于：进口管道和出口管道上分别设置有流量控制阀。

9.一种氦气冷却的单晶硅生长方法，以直拉法生长单晶，其特征在于：采用如权利要求1-8任意一项所述的氦气冷却的单晶硅生长装置，向氦气冷却装置中通入氦气控制并调节流量，形成基于可控温差下的稳定热场。

10.根据权利要求9所述的氦气冷却的单晶硅生长方法，其特征在于：等径生长可划分为三个阶段，分别是初始阶段0％～15％，中间阶段15％～85％，结束阶段85％～100％；每个阶段对应不同流量，初始阶段流量为70～80l/min，中间阶段流量调节为初始阶段流量的120％，结束阶段的流量控制在初始阶段流量的50％。

技术总结本发明公开了一种氦气冷却的单晶硅成长装置及方法，氦气冷却的单晶硅生长装置，包括炉体、保温筒和导流筒，保温筒紧贴炉体内壁设置，导流筒设置于炉体顶部，炉体内部设置有用于放置熔融态硅的坩埚；还包括设置于导流筒上部的氦气冷却装置，氦气冷却装置包括冷却部件、进口管道和出口管道；所述冷却部件为空心圆台结构，冷却部件内部形成氦气流通腔，氦气流通腔内部设置有阻流翅片；进口管道和出口管道分别连接冷却部件并与氦气流通腔连通。本发明提供以氦气作为冷却介质，氦气冷却比水冷的换热量更大，能够更有效的带走结晶潜热，从而提高在单晶炉中对单晶生长过程中晶体的冷却散热效率，能够用于拉制高质量大尺寸单晶硅棒。技术研发人员：齐小方,岳竹霖,曾小伦,徐永宽,胡章贵受保护的技术使用者：天津理工大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12