一种晶体提拉机构及晶体生长装置
技术领域
本发明涉及晶体生长技术领域，具体而言涉及一种晶体提拉机构及晶体生长装置。
背景技术
随着集成电路(Integrated Circuit，IC)产业的迅猛发展，器件制造商对IC级硅单晶材料提出了更加严格的要求，而大直径单晶硅是制备器件所必须的衬底材料。提拉法(Czochralski，CZ法)是现有技术中由熔体生长单晶的一项最主要的方法，其具体做法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。
在半导体用晶圆中，对混入单晶的金属杂质的浓度有严格限制，特别是金属铜(Cu)、金属铁(Fe)、金属铬(Cr)等元素。但是由于提拉晶绳的反复升降，导致和滑轮和转鼓反复摩擦，其表面产生金属颗粒，这些金属颗粒可能会落入硅熔体，导致金属污染，使得生长后的单晶棒中金属元素浓度超出许可范围。
因此，有必要提出一种新的晶体提拉机构及晶体生长装置，以解决上述问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
本发明提供一种晶体提拉机构，包括：
腔体，所述腔体内充满惰性气体；
晶体提拉单元，所述晶体提拉单元位于所述腔体中，配置为通过提拉晶绳提拉晶体；
气体净化单元，所述气体净化单元包括由气体过滤膜、气体抽引泵和气体导管构成的过滤净化回路，配置为净化所述腔体内的惰性气体。
进一步，所述腔体的侧壁上设置有进风口和出风口，所述进风口与所述出风口分别设置在所述腔体相对的侧壁上。
进一步，所述气体净化单元包括一个或更多个所述气体过滤膜。
进一步，所述气体过滤膜位于所述腔体内且位于所述出风口的前方，配置为过滤所述腔体内的惰性气体。
进一步，所述气体抽引泵位于所述腔体外，配置为将经过所述气体过滤膜的惰性气体从所述腔体中抽出。
进一步，所述气体导管位于所述腔体外，配置为将所述气体抽引泵抽出的惰性气体经由所述进风口送回至所述腔体中。
进一步，所述晶体提拉单元包括滑轮和用于缠绕所述提拉晶绳的转鼓。
进一步，所述滑轮和所述转鼓由不锈钢制成。
进一步，所述提拉晶绳由数组钨丝捻绕而成。
进一步，所述惰性气体包括氩气。
本发明还提供一种晶体生长装置，包括上述晶体提拉机构。
根据本发明提供的晶体提拉机构，通过气体净化单元净化腔体内的惰性气体，避免了提拉过程中产生的金属颗粒落入硅熔体，进而避免了生长后的单晶棒中金属元素浓度超出许可范围，提高了产品质量和生产效率。
附图说明
通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
附图中：
图1示出了根据现有技术的一种晶体提拉机构的示意图。
图2示出了根据本发明示例性实施例的一种晶体提拉机构的示意图。
图3示出了根据本发明示例性实施例的一种晶体生长装置的示意性图。
附图标识
101腔体102滑轮
103转鼓104提拉晶绳
105气体过滤膜106气体抽引泵
107气体导管1晶体提拉机构
2提升马达3旋转马达
4炉体5单晶硅棒
6反射屏7硅熔体
8坩埚9加热器
10坩埚升降机构
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
提拉法(Czochralski，CZ法)是现有技术中由熔体生长单晶的一项最主要的方法，其具体做法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。图1示出了现有技术中晶体提拉机构的示意图，所述晶体提拉机构包括：腔体101、滑轮102、转鼓103和提拉晶绳104。
由于在晶体生长过程中提拉晶绳104反复升降，导致提拉晶绳104与滑轮102和转鼓103反复摩擦，滑轮102和转鼓103的表面产生金属颗粒。产生的金属颗粒吸附在提拉晶绳104的表面或者组成提拉晶绳104的钨丝之间，当吸附有金属颗粒的提拉晶绳104进入炉体或位于熔体上方时，由于气体吹拂或者自身抖动，吸附的金属颗粒会落入硅熔体，导致金属污染，使得生长后的单晶棒中金属元素浓度超出许可范围。
针对上述问题，本发明提供了一种晶体提拉机构，包括：
腔体，所述腔体内充满惰性气体；
晶体提拉单元，所述晶体提拉单元位于所述腔体中，配置为通过提拉晶绳提拉晶体；
气体净化单元，所述气体净化单元包括由气体过滤膜、气体抽引泵和气体导管构成的过滤净化回路，配置为净化所述腔体内的惰性气体。
进一步，所述腔体的侧壁上设置有进风口和出风口，所述进风口与所述出风口分别设置在所述腔体相对的侧壁上；所述气体净化单元包括一个或更多个所述气体过滤膜；所述气体过滤膜位于所述腔体内且位于所述出风口的前方，配置为过滤所述腔体内的惰性气体；所述气体抽引泵位于所述腔体外，配置为将经过所述气体过滤膜的惰性气体从所述腔体中抽出；所述气体导管位于所述腔体外，配置为将所述气体抽引泵抽出的惰性气体经由所述进风口送回至所述腔体中；所述晶体提拉单元包括滑轮和用于缠绕所述提拉晶绳的转鼓；所述滑轮和所述转鼓由不锈钢制成；所述提拉晶绳由数组钨丝捻绕而成；所述惰性气体包括氩气。
本发明还提供一种晶体生长装置，包括上述晶体提拉机构。
下面参照图2和图3对本发明提供的一种晶体提拉机构及晶体生长装置做进一步的说明。其中，图2示出了根据本发明示例性实施例的一种晶体提拉机构的示意图，图3示出了根据本发明示例性实施例的一种晶体生长装置的示意性图。
实施例一
如图2所示，本发明提供的晶体提拉机构包括腔体101，所述腔体101中充满惰性气体。在一个实施例中，所述腔体101为不锈钢腔体，所述惰性气体为氩气。
如图2和图3所示，晶体提拉机构1是晶体生长装置的一部分，晶体生长装置中全部充满惰性气体，晶体提拉机构1的腔体101与晶体生长装置的炉体4通过一个较小的开口相连通，该开口配置为使提拉晶绳104通过。因此，晶体提拉机构1的腔体101内的气流扰动对晶体生长装置的炉体4内的晶体生长无明显影响。
本发明提供的晶体提拉机构还包括晶体提拉单元，所述晶体提拉单元位于所述腔体101中，配置为通过提拉晶绳104提拉晶体。
示例性地，所述晶体提拉单元包括滑轮102和转鼓103。进一步，滑轮102为提拉晶绳104的导轨，通常安装在腔体101的顶部，如图2所示；转鼓103配置为通过自身转动，以使提拉晶绳104缠绕于其上，从而调整提拉晶绳104的长度。
进一步，所述滑轮102和所述转鼓103由金属材料制成。在一个实施例中，滑轮102和转鼓103由不锈钢制成。
进一步，所述提拉晶绳104由数组钨丝捻绕而成。
进一步，转鼓103与位于腔体101外的伺服马达、减速器等(未示出)相连接，配置为驱动转鼓103转动，以控制提拉晶绳104的升降。
在一个实施例中，如图2所示，当转鼓103沿顺时针方向旋转时，提拉晶绳104缠绕在转鼓103的表面，带动滑轮102沿顺时针方向旋转，提拉晶绳104的长度缩短，提拉晶绳104末端提拉的晶棒的位置升高；当转鼓103沿逆时针方向旋转时，先前缠绕在转鼓103的表面的提拉晶绳104放出，带动滑轮102沿逆时针方向旋转，提拉晶绳104的长度增长，提拉晶绳104末端提拉的晶体的位置降低。
在上述升降过程中，提拉晶绳104与滑轮102和转鼓103反复摩擦，滑轮102和转鼓103的表面产生金属颗粒。产生的金属颗粒吸附在提拉晶绳104的表面或者组成提拉晶绳104的钨丝之间。
本发明提供的晶体提拉机构还包括气体净化单元，所述气体净化单元包括由气体过滤膜、气体抽引泵和气体导管构成的过滤净化回路，配置为净化所述腔体101内的惰性气体。
示例性地，所述气体净化单元包括由气体过滤膜105、气体抽引泵106和气体导管107构成的过滤净化回路。进一步，如图2所示，所述气体过滤膜105位于所述腔体101内且位于所述出风口的前方，配置为过滤所述腔体内的惰性气体；所述气体抽引泵106位于所述腔体101外，配置为将经过所述气体过滤膜105的惰性气体从所述腔体101中抽出；所述气体导管107位于所述腔体101外，配置为将所述气体抽引泵106抽出的惰性气体经由所述进风口送回至所述腔体101中。
示例性地，所述腔体101的侧壁上设置有进风口和出风口，所述进风口与所述出风口分别设置在所述腔体相对的侧壁上。通过将进风口与出风口分别设置在腔体101相对的侧壁上，可以在腔体内形成气流，如图2所示，在腔体101内形成自左向右流动的气流，以使金属颗粒沿气流方向吹至出风口处，并由设置在所述出风口前方的气体过滤膜105过滤，以提高腔体101内的洁净度。
示例性地，所述气体净化单元包括一个或更多个所述气体过滤膜105。在一个实施例中，所述气体过滤膜105的数量可以根据过滤的需求和气体过滤膜105的过滤效率进行设置，包括单个、数个乃至数十个。
在一个实施例中，所述气体过滤膜105利用滤膜孔的拦截效应将大于滤膜孔径的粒子(例如金属颗粒等杂质)拦截在过滤膜的表面上，包括但不限于由丝网编织物或高分子材料制成的过滤膜。在另一实施例中，所述气体过滤膜105还可以包括由金属孔板或陶瓷材料制成的过滤器。
示例性地，所述气体抽引泵106包括可以实现本发明目的的任何型号或结构的气体抽引泵106。所述气体抽引泵106的进风口处设置有所述气体过滤膜105，即，腔体101内的惰性气体首先经过气体过滤膜105进行过滤后，再抽至所述气体抽引泵106中。
进一步，气体过滤膜105设置在所述腔体101内靠近所述滑轮102和所述转鼓103的位置处。因此，当滑轮102和转鼓103产生金属颗粒时，气体抽引泵106可以尽快将含有金属颗粒的惰性气体抽出，利用气体过滤膜105过滤金属颗粒，以保持腔体101内气体的洁净。
示例性地，所述气体净化单元还包括气体导管107，所述气体导管的两端分别为进风口和出风口，其出风口为与所述气体抽引泵106连接的端口，其进风口为与腔体101连接的端口，所述进风口与所述出风口分别设置在所述腔体相对的侧壁上，以在所述腔体101和所述气体导管107内形成循环气流。因此，气体抽引泵106抽出的气体经过气体导管107回到腔体101中循环使用。
在一个实施例中，气体导管107的进风口与出风口分别设置在腔体101相对的面上，如图2所示，因此，形成的循环气流使腔体内的气体流向气体过滤膜105的方向，进行气体净化循环。
进一步，参照图3，本发明提供的晶体提拉机构还包括提升马达2和旋转马达3，通过控制提拉晶绳104的升降和旋转，以控制单晶硅棒5的生长。
实施例二
本发明还提供了一种晶体生长装置，包括实施例一中所述的晶体提拉机构1。所述晶体提拉机构1的结构请参阅实施例一，在此不再赘述。
进一步，如图3所示，本发明的晶体生长装置还包括炉体4，所述炉体4中包括坩埚8，所述坩埚8的外围设置有加热器9，所述坩埚中有硅熔体7，所述硅熔体7的上方为单晶硅棒5，所述坩埚8的上方围绕所述单晶硅棒5设置有反射屏6。
示例性地，所述炉体4内充满惰性气体。在一个实施例中，所述炉体4为不锈钢炉体，所述惰性气体为氩气。
示例性地，所述坩埚8由耐高温耐腐蚀材料制成，用于盛装晶体生长的熔体。在一个实施例中，坩埚8为石英坩埚，坩埚8内盛装有用于生长单晶硅棒5的硅熔体7，单晶硅棒5位于硅熔体7的上方，并且单晶硅棒5的底端与硅熔体7的液面相接触。
示例性地，所述坩埚8的外围设置有加热器9，所述加热器9为石墨加热器，可以设置在坩埚8的侧面，也可以设置在坩埚8的侧面和底面，配置为对坩埚8进行加热。进一步，所述加热器9可以设置在坩埚8的两侧，也可以围绕坩埚8进行设置，以使坩埚8的热场分布均匀。
示例性地，炉体4内还设置有反射屏6，其位于坩埚8的上方，并且位于单晶硅棒5的外围。进一步，所述反射屏6的材料包括但不限于钼。所述反射屏6的径向截面形状包括但不限于圆形、矩形、六边形等。
进一步，本发明的晶体生长装置还包括坩埚升降机构10，配置为支撑和旋转坩埚轴，以实现坩埚8的升降。
根据本发明提供的晶体提拉机构，通过气体净化单元净化腔体内的惰性气体，避免了提拉过程中产生的金属颗粒落入硅熔体，进而避免了生长后的单晶棒中金属元素浓度超出许可范围，提高了产品质量和生产效率。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
