多晶硅沉積爐的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及晶體生長設(shè)備，特別涉及一種多晶硅沉積爐。
【背景技術(shù)】
[0002]多晶硅，是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來，就結(jié)晶成多晶硅。多晶硅是生產(chǎn)單晶硅的直接原料，是當(dāng)代人工智能、自動控制、信息處理、光電轉(zhuǎn)換等半導(dǎo)體器件的電子信息基礎(chǔ)材料。
[0003]通常采用沉積法生長多晶硅時，最令人困擾的問題之一在于原料氣體的自分解。以最常見的硅烷混合氣體為例，由于硅烷在400°C即會發(fā)生自分解，而通常采用的爐內(nèi)工藝溫度一般達(dá)600°C至800°C，因此硅烷很有可能在還未及到達(dá)硅芯表面即發(fā)生自分解。而硅烷一旦發(fā)生自分解，不單造成原料氣體的浪費，而且生成的硅粉還將引發(fā)包括污染問題、質(zhì)量問題、清潔問題、安全問題等諸多問題。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本實用新型的目的在于提供一種可以有效防止原料氣體自分解，并以較低的成本，$父少的能耗提尚廣品良率的多晶娃沉積爐。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供的一種多晶硅沉積爐，包括:
[0006]由底盤和外殼形成的爐體、至少一根進氣管、數(shù)根娃芯和娃芯加熱裝置；所述進氣管從所述底盤穿進所述爐體并分布于所述硅芯之間；
[0007]其中，進氣管分為內(nèi)外兩層:內(nèi)層一端封閉形成一個進氣腔，用于通入含硅氣體，另一端與外部連通形成進氣管路；該進氣腔上分布有不與該外層導(dǎo)通的噴嘴，該噴嘴連接進氣腔和爐體。而外層則具有一個環(huán)繞進氣腔的導(dǎo)熱通道，通道內(nèi)注有導(dǎo)熱介質(zhì)。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的實施方式通過將進氣管分為內(nèi)層和外層，外層具有一個環(huán)繞所述內(nèi)層的且注有導(dǎo)熱介質(zhì)導(dǎo)熱通道，使得本實用新型的實施方式具有如下幾個有益效果:
[0009]a、在開始晶體生長之前，在導(dǎo)熱通道內(nèi)通入導(dǎo)熱介質(zhì)可以對硅芯進行預(yù)加熱，從而降低硅芯的電阻，當(dāng)加熱裝置為電極時，可以有效降低擊穿難度；b、由于降低了加熱難度或擊穿難度，并調(diào)節(jié)爐體內(nèi)的溫度場，在增加產(chǎn)品良率的同時也減少了生產(chǎn)成本；C、在晶體生長過程中，導(dǎo)熱介質(zhì)散發(fā)出的熱量可以對周圍溫度場進行調(diào)控，提高不同硅芯溫度的一致性；d、對原料氣體進行預(yù)加熱，使得氣體進入爐體后不因驟冷驟熱發(fā)生劇烈膨脹，加強安全性的同時減少了進氣管的材料損耗，延長進氣管壽命；e、控制原料氣體(通常是硅烷和氫氣的混合氣體或其他含硅氣體)的溫度，防止原料氣體在未及接觸硅芯之前就產(chǎn)生自分解，從而提升沉積率，減少硅粉生成。
[0010]而作為優(yōu)選，進氣管的導(dǎo)熱通道可以且并不限于以下四種構(gòu)造:
[0011]1、進氣管由第一管道繞于第二管道構(gòu)成，該第一管道構(gòu)成外層，該第一管道的內(nèi)部通道構(gòu)成導(dǎo)熱通道，該第二管道構(gòu)成所述內(nèi)層。選用這種結(jié)構(gòu)，外層管道與內(nèi)層管道之間可以很容易地進行分離，方便管道泄露及維護時候的替換；
[0012]2、該進氣管包含內(nèi)壁和外壁；外壁與內(nèi)壁之間形成的通道為該導(dǎo)熱通道，內(nèi)壁形成內(nèi)層。導(dǎo)熱介質(zhì)從兩壁之間的導(dǎo)熱通道流過。選用這一結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)外層之間僅隔了一層內(nèi)壁而非兩層管道壁，相對第I種結(jié)構(gòu)而言，熱傳導(dǎo)效率更好；
[0013]3、在第2種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在進氣管頂部預(yù)留了一個集液腔，構(gòu)成導(dǎo)熱通道的一部分，并有一根中心管從內(nèi)層中通入，該中心管的上端口與集液腔連通，下端口作為導(dǎo)熱通道的出口。導(dǎo)熱介質(zhì)從進氣管的外層入口流入，通過該集液腔并從中心管流出。選用這一結(jié)構(gòu)，由于中心管直接穿過內(nèi)層中心，相應(yīng)地增大了接觸面積，提高了熱傳導(dǎo)效率，并且設(shè)置的集液腔還可以防止導(dǎo)熱介質(zhì)回流；
[0014]4、在第3種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進一步地，將中心管設(shè)為螺旋狀的，增大與進氣腔內(nèi)原料氣體的接觸面積，提高了熱傳導(dǎo)效率。
[0015]進一步地，該外層的導(dǎo)熱通道也以呈螺旋狀環(huán)繞于內(nèi)層為佳。
[0016]另外，作為優(yōu)選，噴嘴在進氣管上均勻分布，其噴出方向以避開硅芯所在位置為佳，以在其所向的兩根硅芯的中間位置為最佳。這是因為如果噴嘴對準(zhǔn)硅芯噴射，可能會導(dǎo)致硅芯朝向噴嘴的方向流過過多的原料氣體。從而使得硅沉積不均勻，導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)生疙瘩狀缺陷。而對準(zhǔn)中心位置可以使得不同硅芯之間的沉積均勻。
[0017]導(dǎo)熱介質(zhì)優(yōu)選為導(dǎo)熱油。選用導(dǎo)熱油作為導(dǎo)熱介質(zhì)具有如下優(yōu)勢:相對于常用的導(dǎo)熱介質(zhì)(水)而言，導(dǎo)熱油有加熱均勻、調(diào)溫控制準(zhǔn)確、能在低蒸汽壓下產(chǎn)生高溫、傳熱效果好、節(jié)能等特點，而且導(dǎo)熱油還可以降低系統(tǒng)和操作的復(fù)雜性，省略了水處理系統(tǒng)和設(shè)備，提高了系統(tǒng)熱效率，減少設(shè)備和管線的維護工作量。
[0018]另外，作為優(yōu)選，導(dǎo)熱油的溫度控制在100°C至400°C為佳。進一步地，溫度范圍在200°C至300°C最好。這是因為，作為最常用的原料氣體，硅烷氣體在400°C以上時很容易發(fā)生自分解。一旦硅烷未及到達(dá)硅棒表面即產(chǎn)生自分解，將直接生成硅粉和氫氣，這樣不但浪費原料，而且會嚴(yán)重污染爐內(nèi)環(huán)境，破壞既有的沉積氣氛、降低產(chǎn)品良率的同時還可能導(dǎo)致維護和清潔困難，影響清潔人員的身體健康等諸多問題。導(dǎo)熱油的溫度范圍在100°C至400 °C范圍內(nèi)，特別是在200 0C至300 °C范圍內(nèi)的時候，受其溫度控制，硅烷氣體在從噴嘴噴出前可以處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，而噴出后，其溫度才會逐漸升高，并在到達(dá)硅芯表面時開始分解。這樣，娃燒氣體的自分解率大大降低，在爐體內(nèi)生成的娃粉也大大減少。選用200°C至3000C的溫度時，硅的沉積率最高。
[0019]另外，作為優(yōu)選，在底盤上接有進氣管支撐座，用于支撐或加固進氣管，進氣管的進氣管路和導(dǎo)熱通道出入口與外部管道之間都采用快速結(jié)構(gòu)進行連接，方便拆卸。該支撐座可以是焊接在底盤上的，支撐座上加工有螺紋連接口，內(nèi)管通過螺栓與底盤連接，中間通過圓形密封環(huán)進行密封。
[0020]作為優(yōu)選，硅芯呈正多邊形的方式環(huán)繞進氣管設(shè)置。為了得到最大的空間利用率，優(yōu)選為正六邊形排布。這樣可以合理地利用硅芯之間的空隙，在相同的空間條件下，可以更多地設(shè)置硅芯數(shù)量，減少投資成本。此外，將硅芯環(huán)繞進氣管設(shè)置可以有效地利用進氣管的溫度控制效果，穩(wěn)定爐體的整體溫度場，提高產(chǎn)品良率，降低能耗。
[0021]此外，同其他的沉積爐類似，本實用新型所稱的外殼可以是鐘罩形雙層外殼，底盤也可以是雙層的，以便于與冷卻系統(tǒng)工作；本實用新型也可以通過在外殼上安置攝像頭以便于觀察爐內(nèi)情況；其他與現(xiàn)有技術(shù)相同或相近的設(shè)計或結(jié)構(gòu)在此不再一一贅述。
【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型第一實施方式的爐體剖面示意圖；
[0023]圖2是本實用新型第一實施方式的爐體內(nèi)進氣管和硅芯排布示意圖；
[0024]圖3是本實用新型第一實施方式的進氣管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4是本實用新型第二實施方式的進氣管剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖5是本實用新型第三實施方式的進氣管截取一段的立體透視示意圖；
[0027]圖6是本實用新型第三實施方式的進氣管剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖7是本實用新型第三實施方式的集液腔立體透視示意圖；
[0029]圖8是本實用新型第四實施方式的進氣管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖9是本實用新型第五實施方式的爐體內(nèi)進氣管和硅芯排布示意圖。
[0031]圖10是本實用新型第六實施方式的爐體內(nèi)進氣管和硅芯排布示意圖。
【具體實施方式】
[0032]為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本實用新型的各實施方式進行詳細(xì)的闡述。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，在本實用新型各實施方式中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術(shù)細(xì)節(jié)。但是，即使沒有這些技術(shù)細(xì)節(jié)和基于以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現(xiàn)本申請各權(quán)利要求所要求保護的技術(shù)方案。
[0033]本實用新型的第一實施方式涉及一種多晶硅沉積爐，具體地說，本實施方式的多晶硅沉積爐用于硅烷法生長多晶硅，如圖1和圖2所示，該多晶硅沉積爐包括:
[0034]由底盤I和外殼2形成的爐體3、一根進氣管4、數(shù)根娃芯5和娃芯加熱裝置6 ;娃芯5呈正多邊形方式排布，如硅芯5排布成正四邊形；進氣管4從底盤I穿進爐體3并分布于硅芯5之間；在底盤I上接有進氣管支撐座10，用于支撐或加固進氣管4 ;進氣管4的進氣管路和導(dǎo)熱通道出入口與外部管道之間都采用快速結(jié)構(gòu)11進行連接。
[0035]其中，進氣管4分為內(nèi)層和外層:內(nèi)層一端封閉形成一個進氣腔8，用于通入含硅氣體，另一端與外部連通形成進氣管路；進氣腔8上分布有不與外層導(dǎo)通的噴嘴9，噴嘴9連接進氣腔8和爐體3，這些噴嘴9沿著圖2中各箭頭的方向噴出氣體，避開了直接對準(zhǔn)硅芯5的方向。外層具有一個環(huán)繞內(nèi)層的導(dǎo)熱通道，導(dǎo)熱通道內(nèi)注有導(dǎo)熱介質(zhì)。本實施方式選用的進氣管外層結(jié)構(gòu)如圖3所示。進氣管4由第一管道呈螺旋狀環(huán)繞于第二管道構(gòu)成，第一管道構(gòu)成外層，第一管道的內(nèi)部通道構(gòu)成導(dǎo)熱通道41，第二管道構(gòu)成所述內(nèi)層。導(dǎo)熱介質(zhì)沿著圖3中箭頭41a的方向進入導(dǎo)熱通道41，并從箭頭41b的方向流出。
[0036]在本實施例中，選用的導(dǎo)熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油，溫度控制在100°C至400°C之間。
[0037]按照上述要求完成多晶硅沉積爐的生長準(zhǔn)備之后，即可進行多晶硅沉積生長。在生長之前，可以向?qū)嵬ǖ老韧ㄈ?00°C的導(dǎo)熱油，對硅芯5進行預(yù)熱，并在開始通入含硅原料氣體之后逐漸降低導(dǎo)熱油的溫度，但最低不應(yīng)低于100°C。建議在生長過程中，導(dǎo)熱油的溫度范圍保持在200°C至300°C之間。
[0