一种导流筒装置和拉晶炉
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种导流筒装置和拉晶炉。
背景技术
单晶硅如今是大多数半导体元器件的基底材料，其中绝大多数的单晶硅都是由“Czochralski法(直拉单晶制造法)”制备。该方法通过将多晶硅材料放置在石英坩埚内融化，在直拉单晶过程中，首先让籽晶和熔体接触，使固液界面处的熔融硅沿着籽晶冷却结晶，并通过缓慢拉出籽晶而生长，缩颈完成之后通过降低拉速和/或熔体温度来放大晶体生长直径，直至达到目标直径；转肩之后，通过控制拉速和熔体温度使晶体生长进入“等径生长”阶段。最后，通过增大拉速和提高熔体温度使晶体生长面的直径逐步减小形成尾锥，直至最后晶体离开熔体表面，即完成了晶棒的生长。
在拉晶过程中，在熔体结晶为单晶硅时会形成大量的空位和自间隙原子两种本征点缺陷，当单晶硅离开固液界面的过程中，随着温度下降，根据不同的晶体生长条件单晶硅中一般都带有过量的(即浓度超过在该温度下的平衡浓度)空位型本征缺陷和自间隙原子型本征缺陷，形成“V型硅晶”或“I型硅晶”。应当了解，在熔体结晶为单晶硅时形成的点缺陷的种类和起始浓度取决于晶体生长速度(v)与熔体表面处晶体的瞬时轴向温度梯度(G0)的比率。当这个比值(v/G0)超过临界值时，空位浓度是过多点缺陷；当该比值低于临界值时，自间隙原子是过多点缺陷。尽管两种类型的缺陷都不合要求，但半导体工业一般宁愿要空位为过多点缺陷的单晶硅作为基材制作半导体器件。
但是过高的v/G0值也会导致晶棒中产生很多的空洞型缺陷，这些空洞型缺陷都是由于空位的过饱和度引起的，会对晶棒质量造成影响，从而会对硅片制造复杂的高集成电路的潜能造成很大影响。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种导流筒装置和拉晶炉。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种导流筒装置，包括导流筒本体和缩径装置，所述导流筒本体和所述缩径装置均设置有导流通道，其中，
所述缩径装置环绕所述导流筒本体并贴合在所述导流筒本体的内壁上，且所述缩径装置的导流壁的高度大于或等于晶棒的待冷却区间的高度。
在本发明的一个实施例中，所述缩径装置的导流壁的高度大于或等于所述晶棒的特征温度区间的高度。
在本发明的一个实施例中，所述缩径装置包括外圈结构、内圈结构和调节装置，其中，
所述外圈结构环绕所述导流筒本体并贴合在所述导流筒本体的内壁上，所述内圈结构环绕所述外圈结构并设置在所述外圈结构的内侧，且所述外圈结构和所述内圈结构通过所述调节装置实现连接，并通过所述调节装置调节所述内圈结构所处的高度。
在本发明的一个实施例中，所述调节装置包括可上下伸缩的上部调节结构和下部调节结构，以及可推动所述内圈结构上下运动的推拉结构，其中，
所述上部调节结构的两端分别连接于所述外圈结构的上端和所述内圈结构的上端，所述下部调节结构的两端分别连接于所述外圈结构的下端和所述内圈结构的下端，且所述推拉结构安装于所述外圈结构上，所述推拉结构的传动端连接于所述内圈结构上。
在本发明的一个实施例中，所述上部调节结构包括若干设置有第一滑道和第一滑块的第一连接件，所述下部调节结构包括若干设置有第二滑道和第二滑块的第二连接件，每个所述第一连接件的第一滑块可沿相邻第一连接件的第一滑道实现上下滑动，每个所述第二连接件的第二滑块可沿相邻第二连接件的第二滑道实现上下滑动。
在本发明的一个实施例中，所述推拉结构包括气缸和连接杆，所述气缸安装于所述外圈结构上，所述气缸的传动杆连接于所述连接杆的一端，所述连接杆的另一端连接于所述内圈结构上。
在本发明的一个实施例中，还包括测温装置和实时控温系统，所述测温装置连接所述实时控温系统，所述实时控温系统连接所述气缸，其中，
所述测温装置，用于测量所述晶棒的特征温度区间，并将所述特征温度区间传输至所述实时控温系统；
所述实时控温系统，用于根据所述晶棒的特征温度区间控制所述气缸调节所述内圈结构所处的高度。
在本发明的一个实施例中，所述导流筒本体的导热系数大于所述缩径装置的导热系数。
本发明一个实施例还提供一种拉晶炉，包括上述任一项实施例所述的导流筒装置。
本发明的有益效果：
本发明将缩径装置设置在导流筒本体的内壁上，在向拉晶炉的炉内通入惰性气体时，且当惰性气体运动到缩径装置时，由于缩径装置的存在，会使气流通道变小，使得惰性气体在缩径装置处的流速增大，从而能够对该高度处的晶棒进行集中冷却，同时，如果该缩径装置的高度与晶棒的特征温度区间所处高度相重合，则可以有效抑制空位型本征缺陷的过饱和度，从而可以有效地避免晶棒产生较大尺寸的空洞型缺陷，最终达到改善晶棒质量的效果。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种导流筒装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种拉晶炉的结构示意图；
图3a是本发明实施例提供的一种未设置缩径装置的导流筒装置对应晶棒的特征温度区间温度梯度关系的示意图；
图3b是本发明实施例提供的一种设置有缩径装置的导流筒装置对应晶棒的特征温度区间温度梯度关系的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种导流筒本体的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种缩径装置的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种缩径装置的局部结构示意图。
附图标记说明：
导流筒装置-10；保温盖-20；压环-30；炉体-40；加热器-50；石英坩埚-60；晶棒-70；熔体-80；惰性气体-90；导流筒本体-101；缩径装置-102；台阶-1011；外圈结构-1021；内圈结构-1022；调节装置-1023；第一限位器-1024；第二限位器-1025；上部调节结构-10231；下部调节结构-10232；推拉结构-10233；第一连接件-102311；第二连接件-102321；气缸-102331；连接杆-102332。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
空洞型缺陷的形成通常经过两个过程，首先在晶棒冷却过程中，随着离固液界面距离的增加，空位的过饱和度逐渐增加，在一定温度下当过饱和度达到一定值时，空位聚集成核，之后通过空位扩散而长大。由于空位的迁移速率随着晶棒温度的降低而减小，因此空位型本征缺陷发生聚集反应而导致空洞型缺陷快速形核与长大的特征温度区间Tn大致为1100～1070℃，这个过程决定了空洞型缺陷的尺寸大小。当温度大于Tn时，空洞型缺陷的形核速率很小；处在Tn温度区间内，空洞型缺陷的形核速率很大；当晶棒温度小于Tn后，空洞型缺陷的形核速率又迅速减小，其尺寸通过空位的扩散而有所增大。因此，为了让生产的晶棒中空洞型缺陷的尺寸变小，密度变大，需要让晶棒尽可能快速的通过空洞型缺陷的形核与长大的温度区间。目前常见的减少和控制空洞型缺陷的方法之一是提高晶棒生长过程中的冷却速率，以使晶棒缩短在空洞型缺陷形核与长大的温度区间内的停留时间，同时为了让生产的晶棒中空洞型缺陷的尺寸变小，密度变大，需要让晶棒尽可能快速的通过空洞型缺陷形核与长大的温度区间。
请参见图1和图2，本实施例提供了一种导流筒装置10，该导流筒装置10包括导流筒本体101和缩径装置102，导流筒本体101和缩径装置102均设置有导流通道，其中，缩径装置102环绕导流筒本体101并贴合在导流筒本体101的内壁上，且缩径装置102的导流壁的高度大于或等于晶棒的待冷却区间的高度。
具体地，导流筒本体101和缩径装置102的导流通道即为惰性气体90流经的区域。导流筒本体101具有导流通道，在拉晶过程中，其用于引导惰性气体90的流动，缩径装置102位于导流筒本体101的内部，缩径装置102环绕导流筒本体101且贴合在导流筒本体101的内壁上，缩径装置102也具有导流通道，因此在拉晶过程中，晶棒70会经过导流筒本体101和缩径装置102的导流通道。同时因为在导流筒本体101内部设置了一缩径装置102，则可以使得此处的导流通道的直径减小，从而使得流经缩径装置102处的惰性气体90的气流速度增大，惰性气体90会加速冷却经过缩径装置102处的晶棒70，从而使此处的晶棒70上的温度梯度增大，因此，当晶棒70上某个位置(即待冷却区间)需要冷却时，可以使该位置处于缩径装置102的导流壁(即用于导流的内壁)的高度范围内，则可以利用缩径装置102对该位置进行集中冷却。因此，本实施例可以将晶棒70上特征温度区间(空洞型缺陷形核与长大的温度区间)对应的位置设置为处于缩径装置102的导流壁的高度范围内，可以保证处于空洞型缺陷形核与长大时期的晶棒70的位置恰好处于缩径装置102的导流壁的高度范围内，以对处于空洞型缺陷形核与长大时期的晶棒70的位置进行集中冷却，从而可以有效抑制空位型本征缺陷的过饱和度，达到有效地避免晶棒70产生较大尺寸的空洞型缺陷的目的，减少了影响晶棒70质量的因素，最终达到改善晶棒70质量的目的。
进一步地，缩径装置102的导流壁的高度大于或等于晶棒70的特征温度区间的高度。
也就是说，晶棒70的特征温度区间的高度的大小应小于或者等于缩径装置102的导流壁的高度的大小，从而可以使得晶棒70的特征温度区间对应的晶棒70的位置可以始终处于缩径装置102的导流壁的高度范围内，使得缩径装置102可以满足对处于空洞型缺陷形核与长大时期的晶棒70的位置进行集中冷却。
请同时参见图2、图3a和图3b，通过图3a和图3b可以看出，在晶棒70的生长过程中，大约在1410℃处硅将从熔体80固化成为单晶硅，随后被持续冷却，在熔体80表面以上的一段区域(即h处)会持续处于发生空洞型缺陷形核与长大的温度区间范围内。而晶棒70在形成过程中，其上的所有位置都会通过发生空洞型缺陷形核与长大的温度区间。而通过对比图3a和图3b可知，在导流筒本体101内添加了缩径装置102后，由于晶棒70在发生空洞型缺陷形核与长大的温度区间均处于缩径装置102的导流壁的高度范围内，则晶棒70上发生空洞型缺陷形核与长大的区域(即h’)会减小，即h’＜h，在相同拉晶速度条件下，在导流筒本体101内部设置缩径装置102后，将使得晶棒70通过特征温度区间的时间更短，可以有效抑制空位型本征缺陷的过饱和度，达到有效地避免晶棒70产生较大尺寸的空洞型缺陷的目的。
在一个具体实施例中，请参见图4，为了对缩径装置102的准确定位，可以在导流筒本体101的内壁上设置一台阶1011，该台阶1011与缩径装置102的底部相适应，另外，本实施例的导流筒本体101例如可以为锥形导流筒。
为了提高缩径装置102抑制空位型本征缺陷的过饱和度的效果，优选地缩径装置102的导流壁与晶棒70之间的距离为导流筒本体101的内壁与晶棒70之间距离的10～20％。
进一步地，为了增加抑制空位型本征缺陷的过饱和度的效果，可以使得导流筒本体101的导热系数大于缩径装置102的导热系数，从而可以使得缩径装置102的散热速度快于导流筒本体101的散热速度，因此缩径装置102所对应的导流区域的炉温比导流筒本体101所对应的导流区域的炉温低，从而能够有效地增大经过缩径装置102处的晶棒70的散热效果。
另外，为了更加准确的控制缩径装置102对于晶棒70上发生空洞型缺陷形核与长大的区域的集中冷却效果，可以使得缩径装置102的导流壁的最高点和最低点分别对应于晶棒70的特征温度区间的最低温度和最高温度。
也就是说，使得缩径装置102的导流壁的高度方向的最高边对应于沿高度方向上晶棒70发生空洞型缺陷形核与长大区域的最高处，缩径装置102的导流壁的高度方向的最低边对应于沿高度方向上晶棒70发生空洞型缺陷形核与长大区域的最低处，使得缩径装置102的导流壁的高度与晶棒70上温度分布处于特征温度区间内的区域重合，从而可以使晶棒70可以快速地通过空洞型缺陷的形核与长大的温度区间，使晶棒70中空洞型缺陷的尺寸变小，密度变大。因此，通过在导流筒本体101内设置一个缩径装置102，不仅可以有效地增大惰性气体90流经缩径装置102处的流速，并且缩径装置102不会影响到处于缩径装置102下方的晶棒70的温度梯度，进而可以更加有效地抑制空位型本征缺陷的过饱和度。
可替代地，缩径装置102的截面形状可以成不同的形状，基于本实施例所提供的缩径装置102，本领域普通技术人员所获得的所有其他形式的缩径装置102均属于本发明保护的范围。
在一个具体实施例中，为了能够更灵活的控制缩径装置102的位置，请参见图5，本实施例缩径装置102可以包括外圈结构1021、内圈结构1022和调节装置1023，其中，外圈结构1021环绕导流筒本体101并贴合在导流筒本体101的内壁上，内圈结构1022环绕外圈结构1021并设置在外圈结构1021的内侧，且外圈结构1021和内圈结构1022通过调节装置1023实现连接，并通过调节装置1023调节内圈结构1022所处的高度。
也就是说，外圈结构1021用于与导流筒本体101实现贴合，以避免惰性气体90从外圈结构1021与导流筒本体101之间的缝隙流过，内圈结构1022用于引导惰性气体90的流通，且应保证惰性气体90不会在外圈结构1021和内圈结构1022之间通过。外圈结构1021和内圈结构1022是通过调节装置1023实现连接，调节装置1023可以避免惰性气体90从外圈结构1021和内圈结构1022之间通过，同时，为了使得本实施例的导流筒装置10能够适用于更多种类的晶棒70，也为了便于在晶棒70的特征温度区间发生变化时，使得晶棒70发生空洞型缺陷形核与长大的区域始终处于缩径装置102的导流壁的高度范围内，本实施例可以通过调节装置1023调节内圈结构1022处于导流筒本体101内的高度，从而使晶棒70的特征温度区间始终处于缩径装置102的导流壁的高度范围内。
进一步地，为了更好的说明调节装置1023如何实现对于内圈结构1022所处的高度的调节方式，本实施例以一具体实施方式进行说明，但应该明白的是本实施例所举例的具体结构并非唯一的调节方式。
具体地，请再次参见图5，调节装置1023可以包括可上下伸缩的上部调节结构10231和下部调节结构10232，以及可推动内圈结构1022上下运动的推拉结构10233，其中，上部调节结构10231的两端分别连接于外圈结构1021的上端和内圈结构1022的上端，下部调节结构10232的两端分别连接于外圈结构1021的下端和内圈结构1022的下端，且推拉结构10233安装于外圈结构1021上，推拉结构10233的传动端连接于内圈结构1022上。
也就是说，上部调节结构10231处于下部调节结构10232的上方，外圈结构1021处于上部调节结构10231和下部调节结构10232之间，上部调节结构10231和下部调节结构10232均可以沿高度方向进行伸缩运动，且推拉结构10233的传动端连接于内圈结构1022上，其可以推动内圈结构1022在高度方向上做上下运动，当内圈结构1022需要向上运动时，在推拉结构10233的推力作用下，内圈结构1022便可以向上运动，与此同时上部调节结构10231向上收缩，下部调节结构10232向上伸张，最终实现内圈结构1022向上运动；当内圈结构1022需要向下运动时，在推拉结构10233的回拉作用下，内圈结构1022便可以向下运动，与此同时上部调节结构10231向下伸张，下部调节结构10232向下收缩，最终实现内圈结构1022向下运动，同时还保证了外圈结构1021与内圈结构1022不会出现间隙。
在一个具体实施例中，请参见图6，上部调节结构10231例如可以包括若干设置有第一滑道和第一滑块的第一连接件102311，下部调节结构10232包括若干设置有第二滑道和第二滑块的第二连接件102321，每个第一连接件102311的第一滑块可沿相邻第一连接件102311的第一滑道实现上下滑动，每个第二连接件102321的第二滑块可沿相邻第二连接件102321的第二滑道实现上下滑动。
也就是说，所有第一连接件102311均是沿上下方向进行连接的，其连接方式是使第一连接件102311的第一滑块处于相邻的第一连接件102311的第一滑道内，且第一滑块与第一滑道相匹配，第一滑块可以在第一滑道内实现滑动，依此类推，多个第一连接件102311之间便可以实现活动连接，在给予其推力作用时，所有第一连接件102311彼此之间便可以实现收缩，在给予其拉力作用时，所有第一连接件102311彼此之间便可以实现伸张；同理地，所有第二连接件102321均是沿上下方向进行连接的，其连接方式是使第二连接件102321的第二滑块处于相邻的第二连接件102321的第二滑道内，且第二滑块与第二滑道相匹配，第二滑块可以在第二滑道内实现滑动，依此类推，多个第二连接件102321之间便可以实现活动连接，在给予其推力作用时，所有第二连接件102321彼此之间便可以实现收缩，在给予其拉力作用时，所有第二连接件102321彼此之间便可以实现伸张。
另外，请参见图6，为了进一步防止第一连接件102311彼此之间脱落，因此在每个第一连接件102311外侧壁的底端设置了一第一限位器1024，并通过一螺栓进行固定，因此当多个第一连接件102311滑动至第一限位器1024处时，便可以限制第一连接件102311进一步滑动，从而防止了第一连接件102311出现脱落的情况；同理地，可以在每个第二连接件102321的外侧壁的顶端设置一第二限位器1025，并通过一螺栓进行固定，其可以防止第二连接件102321出现脱落的情况。第一限位器1024和第二限位器1025例如可以为L型。
在一个具体实施例中，请参见图6，推拉结构10233例如可以包括气缸102331和连接杆102332，气缸102331安装于外圈结构1021上，气缸102331的传动杆连接于连接杆102332的一端，连接杆102332的另一端连接于内圈结构1022上。
也就是说，连接杆102332处于水平方向上，连接杆102332的一端连接于气缸102331的传动杆，连接杆102332的另一端连接于内圈结构1022上，而气缸102331的传动杆可以实现上下的推拉作用力，则气缸102331的推拉作用力便可以通过连接杆102332传送至内圈结构1022上，从而在气缸102331的推拉作用力下实现对于内圈结构1022所处的高度的调节。
为了能够更加及时、准确、便利的控制内圈结构1022所处的高度，本实施例的导流筒装置10还可以包括测温装置和实时控温系统，测温装置连接实时控温系统，实时控温系统连接气缸102331，其中，测温装置用于测量晶棒70的特征温度区间，并将特征温度区间传输至实时控温系统；实时控温系统用于根据晶棒70的特征温度区间控制气缸102331调节内圈结构1022所处的高度。
本实施例可以通过测温装置监测晶棒70的温度分布，则可以通过测量晶棒70的温度分布确定晶棒70上发生空洞型缺陷形核与长大的位置区域，从而使得实时控温系统可以根据测温装置所监测的晶棒70的温度分布，及时调整内圈结构1022所处的高度。本实施例通过检测晶棒70上发生空洞型缺陷形核与长大的位置，并通过实时控温系统控制气缸102331实时地调整内圈结构1022所处的高度，可以确保晶棒70发生空洞型缺陷形核与长大的区域始终处于缩径装置102的导流壁的高度范围内。在拉晶过程中，以对处于空洞型缺陷形核与长大时期的晶棒70的位置进行集中冷却，从而可以有效抑制空位型本征缺陷的过饱和度。
本实施例的惰性气体90通入到拉晶炉中后，惰性气体90流经晶棒70时会经过本实施例的缩径装置102，而因为晶棒70的特征温度区间始终处于缩径装置102的导流壁的高度范围内，使得惰性气体90运动到晶棒70上发生空洞型缺陷形核与长大的区域会被缩径装置102所约束，经过缩径装置102的惰性气体90的气流流速会增大，使此处的惰性气体90的冷却效果增大，从而使此处的晶棒70的温度梯度增大，最终使晶棒70可以快速通过发生空洞型缺陷形核与长大的温度区间，则晶棒70中空洞型缺陷的尺寸变小、密度变大，因此可以提高晶棒70的质量。
实施例二
请参见图1和图2，本实施例在上述实施例的基础上还提供一种拉晶炉，该拉晶炉用于制造晶棒70，包括：炉体40，炉体40内包括导流筒装置10、保温盖20、压环30、加热器50、石英坩埚60；炉体40自上而下通入惰性气体90；导流筒装置10的外延嵌在保温盖20中间的圆孔边缘，导流筒装置10的设计能使惰性气体90由副室通入到拉晶炉中，在惰性气体90从晶棒70流向熔体80的过程中，当运动到导流筒装置10的缩径装置102时，由于气流通道变小，使得惰性气体90流经缩径装置102时的流速增大，从而能够对该高度的晶棒70进行集中冷却。
应该明白的是，本实施例所提供的拉晶炉其它装置均属于现有技术，本实施例在此不再赘述。
本发明实施例提供的导流筒装置10，其实现原理和技术效果与上述实施例的导流筒装置10类似，在此不再赘述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
