一種改善直拉法生長單晶硅品質的加熱器的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及直拉法單晶硅生長技術，特別涉及一種改善直拉法生長單晶硅質量的加熱器。
【背景技術】
[0002]直拉法單晶生長技術(Czochralski，CZ法)是把原料放入石英坩禍中，在單晶爐中加熱融化，再將棒狀晶種(籽晶)浸入熔液中。在合適的溫度下，熔液中的硅原子會順著晶種的硅原子排列結構在固液交界面上形成規則的結晶，成為單晶體。把晶種微微的旋轉向上提升，熔液中的硅原子會在前面形成的單晶體上繼續結晶，并延續其規則的原子排列結構。若整個結晶環境穩定，就可以周而復始的形成結晶，最后形成一根圓柱形的原子排列整齊的單晶娃晶體，即單晶娃徒。
[0003]直拉法單晶生長廣泛應用于半導體單晶硅和太陽能單晶硅，隨著直拉法單晶生長向大直徑大裝料方向發展，現有技術中直拉法單晶硅生產中加熱器用于熔化原料硅和拉晶過程中保溫，現有技術中一般采用高純石墨材料，目前也有用到C-C復合材料。普通的石墨加熱器結構如圖1所示，加熱器包括筒狀的發熱本體I和固定在發熱本體上的電極腳2和備用腳板3，發熱本體I上開設有沿周向交替布置的上開槽11和下開槽12，上開槽和下開槽將發熱本體分成多根依次串聯的加熱條13，加熱器是在圓柱狀或圓桶狀石墨胚體上加工而成，通過均勻開槽，形成寬度、厚度一致且來回彎曲的縱向石墨加熱條，由于各石墨加熱條電阻率相同，截面積相同，加熱條上下發熱均勻，
[0004]拉晶過程中，盛料的石英坩禍被置于上述加熱器內部，坩禍上部是敞開系統，沒有保溫或保溫效果差，且保護氣的流動帶走大量熱量，而加熱器側面和底部保溫效果好，因此，石英坩禍中熔體的溫度隨熔體的深度加深越來越高，從而形成較大的溫度梯度，溫度曲線如圖2中的a所示，熔體的溫度隨熔體的深度加深不斷升高，從而使溫度梯度引起的熱對流加劇，進而導致晶體中缺陷密度急劇加大；另外硅熔體侵蝕石英坩禍導致坩禍中的雜質氧隨對流增加進入晶體的機會也大幅增加。
[0005]V(r)/G(r)是拉晶過程中的一個重要參數，V為拉速，G為跨過固液生長界面的溫度梯度，r為晶體半徑，表明V、G隨r而變化，V/G比值的大小決定了生長出的晶體中的晶格缺陷的類型和密度大小，V/G很大時形成空位型缺陷的單晶硅，V/G很小時形成間隙型缺陷的單晶硅，從間隙型單晶硅到空位型單晶硅，V/G有一個中間的臨界值_(V/G) ，V/G正好在這個臨界值附近時，空位和自間隙硅的缺陷密度都很低，單晶近乎完美，但要實際控制到這樣的條件很難，如果要保證整個生長界面上都能控制到這樣的條件那幾乎是不可能，因此，在單晶硅的實際生產中并不尋求完美單晶，而是要控制缺陷的危害程度。
[0006]在整個生長界面上，由于單晶表面的冷卻速度更快，所以，G(r)隨單晶中心到邊緣有增大趨勢，V/G隨中心到邊緣有變小趨勢，因此，單晶中心位置更容易形成空位型缺陷，邊緣更容易形成間隙型缺陷，如果拉晶參數控制不好，使得V/G處于臨界值附近，這時拉出的單晶就會形成中心空位型、邊緣間隙型缺陷的單晶，空位和間隙型缺陷的交界處的單晶容易形成OISF環，它使半導體單晶硅因這種大尺寸的缺陷而導致器件失效。
[0007]另一方面，在高溫區域的石英坩禍的內壁被熔硅侵蝕，內壁的Si02進入熔硅中，進入熔體中的O隨熔體的對流被帶到熔體表面，并以S1的形式揮發進入保護氣中被真空泵抽走，只有1%左右的氧隨熔體的流動被輸送到生長界面附近進而進入單晶硅中，熔體的溫度梯度越大，坩禍底部的富氧的熔體越容易被帶到生長界面附近，制備的硅中的氧含量就越尚。
[0008]雖然在半導體單晶硅中適量的氧在器件加工過程中形成的氧沉淀具有內吸雜作用，從而能改善器件的性能，但過高的氧含量形成的大量氧沉淀及誘生的二次缺陷達到一定的尺寸，將嚴重影響器件的性能，高的缺陷密度和高氧的同時存在情況下，更容易形成肉眼就能觀察到的漩渦缺陷和OISF環，導致器件的報廢，因此需要降低單晶硅內的含氧量。而在太陽單晶硅中，電池的加工盡管溫度不高，時間也不長，氧沉淀的量不大，但氧沉淀的初期對材料的少子壽命影響巨大，高密度的缺陷及高氧的結合，引起少子壽命的大幅下降，產生黑心低效現象，嚴重影響產品質量。
【實用新型內容】
[0009]本實用新型提供了一種改善直拉法生長單晶硅質量的加熱器，通過改善單晶爐的熱場設計，實現低缺陷、超低氧、高少子壽命的單晶硅的制造。
[0010]一種改善直拉法生長單晶硅質量的加熱器，包括筒狀的發熱本體和固定在發熱本體上的電極腳，所述發熱本體上開設有沿周向交替布置的上開槽和下開槽，所述上開槽和下開槽將發熱本體分成多根依次串聯的加熱條，所述加熱條位于所述發熱本體上部產生的熱量大于位于下部產生的熱量。
[0011]所述的上開槽的開口向下，下開槽的開口向上。
[0012]現有的石墨加熱器的加熱條上下發熱均勻，又由于爐體上下的保溫情況不同，從而導致坩禍內的熔體上下溫差大，使用時，難以將G(r)控制在較小的范圍，而將本實用新型的加熱器應用到現有的晶體爐內時，由于加熱器本身產生的熱能上多下少，正好與現有的晶體爐口部保溫措施不佳相對應，從而使坩禍內的熔體上下溫差減小，使溫度梯度下降。
[0013]直拉法生長單晶硅質量的方法包括步驟:將原料硅投入晶體爐的坩禍內；加熱器加熱坩禍融化禍內的原料硅并保持熔體在熔融狀態；將棒狀籽晶浸入熔液中；通入惰性氣體至熔體液面，控制爐內壓力；一邊旋轉坩禍，一邊提升相對坩禍反向旋轉的棒狀籽晶，得到圓柱形的單晶硅晶體。
[0014]與現有技術的熔體的溫度梯度相比，使用本實用新型的加熱器時，通過靠近生長界面的熔體中的溫度梯度設置在較低的范圍內，從而減小生長界面的溫度梯度G(r)，如圖2所示，溫度曲線a為現有技術下產生的溫度曲線，熔體的溫度隨熔體的深度加深不斷升高，沿著熔體的深度，溫度梯度一直較大，生長界面的溫度梯度G (r)較大，會形成中心空位型、邊緣間隙型缺陷的單晶，空位和間隙型缺陷的交界處的單晶容易形成OISF環，它使半導體單晶硅因這種大尺寸的缺陷而導致器件失效。
[0015]而按照使用本實用新型可以對熔體溫度進行控制，呈現出如溫度曲線b和c在靠近生長界面的溫度梯度明顯降低，從而對應的生長界面的溫度梯度G(r)明顯降低，在V保持不變的情況下，V/G變大，使V/G遠離臨界點-(V/G).#，從而防止發生形成中心空位型、邊緣間隙型缺陷的單晶，避免空位和間隙型缺陷的交界處形成OISF環，提高少子壽命。
[0016]為了使溫度曲線成c曲線的趨勢，便于G(r)控制在更小的范圍內，盡量減小加熱器下部的發熱量，使得靠近坩禍底部的熔體沿著深度方向的溫度梯度為負值，即在靠近坩禍底部時，熔體的溫度逐漸降低。坩禍底部熔體溫度降低，底部富氧的熔體不能產生熱對流而流向生長界面，這時生長出的硅單晶氧含量極低，有效降低單晶硅的含氧量。
[0017]根據發熱功率W = I2R, R= P *1/S，P為材料電阻率，I為電阻長度，S為電阻的截面積，為使這些串聯的加熱條在通電后，使上部產生的熱量大于下部產生的熱量方式主要有改變加熱條的截面積、長度和電阻率這三種方式。
[0018]截面積的變化可以通過改變加熱條的厚度和寬度來實現，其中，電流在串聯的加熱條中流動，包括各加熱條縱向電流以及加熱條之間的橫向電流產生的熱量，優選的，所述發熱本體的壁厚自上而下逐漸變大。從而使各加熱條上薄下厚。為了便于制造，使發熱本體的壁厚自上而下逐漸變大的方式有保持發熱本體的內徑不變，通過外部磨削使發熱本體外徑上小下大；保持發熱本體的外徑不變，通過內挖