一种降低晶体缺陷的单晶炉
技术领域
本实用新型涉及单晶炉设备技术领域，具体地说，涉及一种降低晶体缺陷的单晶炉。
背景技术
直拉单晶制造法是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热熔化，再将晶种(籽晶)进入溶液中。在合适的温度下，溶液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升，溶液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶棒。
直拉单晶炉是采用直拉法生长无位错单晶的设备，加热器是单晶炉热场的核心部件，提供多晶熔化长晶的热能，其结构的设计不仅直接影响着是否能顺利长晶以及单晶的质量，而且作为主要耗材之一，直接影响到单晶的制造成本。
常规的直拉单晶炉的发热体，通常只设置正负两个电极，这在小直径半导体分立器件的单晶材料中并没有明显品质问题，大规模集成电路用的单晶硅材料，线宽的尺寸达到几纳米，相近尺寸的微缺陷将严重影响器件的品质和成品率，因此，晶体中的缺陷控制就显得尤为关键。
单晶硅片通过择优腐蚀在聚光灯下就能看到的缺陷称为宏观缺陷，漩涡、热氧化漩涡、热氧化层错环等宏观缺陷是不允许的，一旦存在将导致整个器件报废。
在众多的影响因素中，热场的中心不对称严重影响晶体缺陷的形成，随着生长的单晶直径不断增大，所用热场的尺寸也相应增加，28寸以上大直径发热体，由于自身重量及使用过程中加热变形，仅靠传统的两只电极脚的固定已经很难保证整个发热体的中心对称性，单晶生长过程中单晶的外侧面离发热体距离的差异导致单晶生长界面温度波动，从而导致单晶转到温度低的一侧快速生长，而转到温度高的一侧生长放慢，甚至生长出的晶体熔化的回熔现象，从而产生严重的漩涡，有时在原生晶体中都能出现漩涡，热氧化后漩涡现象更严重。
为了避免上述现象的发生，现有部分单晶炉的发热体设置更多的电极脚以保证发热体的中心对称性，如公告号为CN206015144U和公告号为CN105586634A的中国专利文献公开的单晶炉加热器均设置了至少4个电极脚，用以固定和调整整个发热体的中心对称性。
毋庸置疑，增加发热体的电极脚数量不仅可以大幅改善单晶的品质，同时也可大幅提升发热体的使用寿命，但是，发热体的电极脚数量增加，通过电极脚的热传导带走的能量也相应增加，导致等径功率增加，拉晶的单位能耗增加。
实用新型内容
本实用新型的目的为提供一种降低晶体缺陷的单晶炉，可以在能耗一定的情况下保证发热体的中心对称性，提高单晶的成品率。
为了实现上述目的，本实用新型提供的降低晶体缺陷的单晶炉包括坩埚和包围在坩埚外面的加热器，加热器包括加热筒体和设置在加热筒体底部的至少四个电极脚；加热筒体由上下迂回的U字型石墨条制成；加热器的高度不高于坩埚内溶体的高度，加热筒体的高度为加热器总高度的1/3～2/3；坩埚与加热器之间设有相对移动的驱动机构。
上述技术方案中，筒形结构的加热筒体由石墨加热条通过开槽形成上下迂回的U字型结构，并通过正负电极形成电流回路。为减小能量流失，通过加宽加厚电极脚达到减小发热器的发热来实现。设置四个以上的电极脚以保证加热器的中心对称性。在坩埚与加热器设置驱动机构可以用于调节加热器与坩埚内溶液高度的相对位置，保证加热器的高度不高于坩埚内溶体的高度，从而提高单晶的质量。
作为优选，电极脚包括相互垂直的加热腿和加热脚，加热脚底部设有螺纹孔，螺纹孔内安装有用于调节加热器平稳的螺栓。加热腿和加热脚构成L型，加热腿为一字型石墨条。加热脚连接加热腿并与炉底正负电极直接相连。整个发热器通过调节加热脚的螺栓，确保单晶生长界面的中心对称，减小了单晶生长过程的局部回熔，大幅降低了漩涡，通过调节主发热体高度，发热腿的高度及数量来调节发热器纵向的温度梯度，来达到控制晶体中的氧碳含量，大幅降低热氧化层错(OISF)和体缺陷(BMD)密度。
为了实现坩埚与加热器之间的相对移动，作为优选，驱动机构包括设置在加热器底部的U型架，U型架的底部设有一升降杆。
作为优选，升降杆包括相互套接的外杆和内杆，外杆固定在U型架的底部，内杆固定在工作台上，外杆与内杆之间设有紧固螺钉。通过外杆与内杆的相互套接来实现支撑并带动加热器上下移动，当加热器移动到了预定位置后，将紧固螺钉拧紧。也可在U型架的底部设置驱动气缸来驱动加热器的上下移动。
为了使加热器的结构更加稳定，作为优选，U型架包括交叉设置的两个，U型架的顶部两端分别固定在对称的两个电极脚上。保证了加热器移动时的平稳。同时，U型架采用绝缘材料制成。
作为另一种优选的方案，驱动机构包括设置在坩埚底部的驱动电机或驱动气缸。通过驱动电机带动坩埚的上下移动，以实现坩埚内溶液的高度高于加热器的高度。
为了使坩埚的移动更加平稳，作为优选，埚杆底端套有与埚杆配合的导向套。
作为优选，埚杆与导向套之间设有相互配合的螺纹。当驱动气缸带动坩埚旋转时通过螺纹驱动坩埚上下移动。
作为优选，加热筒体的高度为加热器总高度的1/2。如此设置，使发热器的中心对称性不超过正负3毫米。
为了进一步保证发热器的中心对称性，作为优选，电极脚包括均匀设置的六个或八个。
为了不增加等径功率，作为优选，电极脚的数量每增加n倍后，改变电极脚的宽度或厚度使两电极之间的电阻为原来的1至n倍。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
本实用新型的单晶炉可以在能耗一定的情况下保证发热体的中心对称性，兼顾长晶的品质的同时，降低了能耗。使得生产成本大大降低。
附图说明
图1为本实用新型实施例1的单晶炉的结构示意图；
图2为本实用新型实施例1的加热器的俯视图；
图3为本实用新型实施例1的高温场与矮温场的对比图；
图4为本实用新型实施例2的单晶炉的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本实用新型作进一步说明。
实施例1
参见图1和图2，本实施例的降低晶体缺陷的单晶炉包括坩埚100和包围在坩埚100外面的加热器200。
加热器200包括加热筒体201和设置在加热筒体201底部的六个电极脚202；加热筒体201由上下迂回的U字型石墨条制成。加热器200的高度不高于坩埚100内溶体的高度，加热筒体201的高度为加热器200总高度的1/2。
电极脚202包括相互垂直的加热腿2021和加热脚2022，加热脚2022底部设有螺纹孔2023，螺纹孔2023内安装有用于调节加热器平稳的螺栓。加热腿2021和加热脚2022构成L型，加热腿2021为一字型石墨条。加热脚2022连接加热腿2021并与炉底正负电极直接相连。整个发热器200通过调节加热脚2022的螺栓，确保单晶生长界面的中心对称，减小了单晶生长过程的局部回熔，大幅降低了漩涡，通过调节主发热体高度，发热腿2021的高度及数量来调节发热器纵向的温度梯度，来达到控制晶体中的氧碳含量，大幅降低热氧化层错(OISF)和体缺陷(BMD)密度。
坩埚100与加热器200之间设有相对移动的驱动机构，以保证加热器200的高度不高于坩埚100内溶体的高度。本实施例的驱动机构包括设置在加热器200底部的U型架203，U型架203的底部设有一升降杆204。
升降杆204包括相互套接的外杆2041和内杆2042，外杆2041固定在U型架203的底部，内杆2042固定在工作台上，外杆2041与内杆2042之间设有紧固螺钉2043。通过外杆2041与内杆2042的相互套接来实现支撑并带动加热器200上下移动，当加热器200移动到了预定位置后，将紧固螺钉2043拧紧。可在U型架203的底部设置驱动气缸来驱动加热器200的上下移动。
为了使加热器的结构更加稳定，本实施例的U型架包括交叉设置的两个，U型架的顶部两端分别固定在对称的两个电极脚202上。保证了加热器200移动时的平稳。
为降低热量损失，可采取加厚加宽电极脚的方法，串联的回路中发热器消耗的功率是I2R，加厚加宽的电极脚，电阻大幅降低，温度也大幅降低，通过底电极带走的热量也相应减少。进一步通过调节发热器的加热电压和电流值来实现。
以两个电极脚和四个电极脚为例，以每个分路电阻相等，两个电极脚和四个电极脚的分路电阻分别为R1和R2，现以二种极端的方式来近似计算电极脚的热量损失。
一、总电流电压不变，两个分路电流为I/2，分路功率为(I/2)2R1，总功率为I2R1/2，四个分路的电流，每个分路电流为I/4，每分路功率为(I/4)2R2，四个分路的总功率为I2R2/4，四个分路的电流只有二个分路电流的一半，在保持分路电压相等情况下，必然R2＝2R1，由此I2R2/4＝I2R1/2，两个分路和四个分路的总功率也相等。这种情况下比较两个分路和四个分路在电极脚上的能量损失，假设电极脚相同，电阻为r，两个分路电极脚的总功率损失为I2r/2，四个分路电极脚的总功率损失为I2r/4，四个电极脚的功率损失更小，但这有个前提，即R2＝2R1，一个圆形石墨桶，从二份分成四份，电阻却翻倍，势必石墨条分割成更窄，发热器的加工难度和发热体的寿命也势必受到影响。
二、发热体形状不变，假设一圈的石墨条总电阻为R，分割成两个分路，每个分路电阻为R/2，分割成四个分路，每个分路电阻为R/4，两个分路和四个分路的总电流分别为I1和I2，两个分路总功率为I12R/4，四个分路的总功率为I22R/16，为保持总功率相等，必须I2＝2I1，这样两个分路和四个分路的每分路的电流分别为，两个分路I1/2，四个分路I2/4＝2I1/4＝I1/2。这样两个分路和四个分路每分路的电流都相同，在电极脚电阻相同的情况下，四个电极脚的功率损失就是两个电极脚的两倍。
很显然，以上二种方式，第一种方式损失的热量更低，等径功率会明显降低。实际电极脚发热产生的热量不一定完全损失掉，发热器其它部分产生的热量也可能通过电极脚传导产生热量损失，为减少因增加电极脚带来的能量损失，将发热体的石墨条做得更窄，尽量保持总电流和总电压变化不大，通过电极脚的能量损失将会明显降低。
晶体中的其它缺陷与熔体的热场分布有关，研究表明，OISF环与V/G(T)的比值有关，V为晶体生长速度，G(T)为跨过固液界面的温度梯度，通常情况下，V/G比有一个临界值，大于这个临界值，晶体生长成空位性缺陷，小于这个临界值，晶体生长成间隙型缺陷，而在同一生长见面上，空位型和间隙型晶体的交界处很容易形成OISF环，为避免OISF环的形成，一般都会采取提高拉速和降低G(T)的办法，降低G(T)最有效的办法就是采用矮温场，如图3所示，矮温场很明显有更低的G(T)，可以保持整个生长界面上从中心到边缘的V/G比都不小于临界值，整片的硅晶体都是空位型缺陷，不会出现OISF环。
除此之外，矮温场由于整个熔体中温度梯度更小，甚至在坩埚底部的温度更低，熔体的热对流更小，温度波动更小，点缺陷密度降低，同时靠近坩埚底或坩埚壁附近富氧的熔体更难流动到生长界面，氧含量也会大幅降低，由点缺陷和间隙氧相互作用最终形成的晶体微缺陷密度也大幅降低，最终使得整个晶体的体缺陷密度(BMD)降低。
整个发热体的设计兼顾到晶体的品质，长晶的顺利和发热体的寿命(成本)，矮温场是指主发热体高度相对于整个坩埚中的熔体高度要尽量短，但太短又可能影响顺利长晶，为此，控制主发热体的高度不低于熔体最高高度的1/3，不大于熔体最高高度的2/3，整个发热体高度接近熔体最高高度，由此设计，效果最佳。
实施例2
参见图4，本实施例的降低晶体缺陷的单晶炉除了坩埚100与加热器200之间的驱动机构外，其余结构均与实施例1相同，此处不再赘述。
本实施例的驱动机构包括设置在坩埚100底部的驱动气缸101。通过驱动气缸101推动坩埚100底部的埚杆102，从而带动坩埚100上下移动，以实现坩埚100内溶液的高度高于加热器200的高度。为了使坩埚100的移动更加平稳，埚杆100底端套有与埚杆配合的导向套103。
也可将驱动气缸换为驱动电机，在导向套与埚杆之间设置相互啮合的螺纹，当驱动气缸带动坩埚旋转时通过螺纹驱动坩埚上下移动。
