CN101665977B - 一种用于拉晶炉的热屏蔽装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热屏蔽装置，由带有中心开口的固定环和绕置在所述中心开口边缘的柔性保温材料构成。本发明热屏蔽装置可以提高在拉晶炉内生长硅晶体时的可靠性和安全性，并降低原先技术中热屏蔽装置的制作成本。

Description

一种用于拉晶炉的热屏蔽装置

技术领域

本发明涉及一种制备硅晶体的装置，尤其涉及一种在拉晶炉内使用的热屏蔽装置。

背景技术

硅晶体是半导体行业和太阳能行业最常使用的材料。生产这种材料最常用的方法是丘克劳斯基法(Czochralski法，简称CZ法)。行业内又称为拉晶法或提拉法。丘克劳斯基法制备硅晶体的设备称为拉晶炉。如图1所示，该设备由副室(1)、炉体(2)、隔离阀(7)和籽晶提拉机构(3)等组成。其中在炉体(2)内装有石墨热场。石墨热场通常由坩埚(4)、加热器(5)等组成。在晶体生长时，由籽晶提拉机构(3)控制升降和旋转籽晶与坩埚(4)内熔化后的硅料相接触，通过籽晶诱导生长出圆柱形的晶棒(8)。

为了提高产品(硅晶体)的质量、提高拉晶速度和降低拉晶时所需的加热器输入功率，在已往的设计往往提供一种热屏蔽装置(简称热屏)(6)。该装置放置在熔化的硅原料的上方，并且当硅晶体(8)形成并向上提拉时围绕硅晶体，以便保护硅晶体免受从坩埚和围绕坩埚的加热器辐射出来的热量影响。热屏蔽装置通常用石墨或钼等钢性耐高温材料制成。在有特殊要求时表面还有可能涂覆有碳化硅或其他涂层。

例如中国发明专利01816793.4中公开了一种用于生长硅晶体的热屏蔽组件，其中热屏蔽组件由内外两个反射器组成。所用的材料为难熔的钢性材料。

在中国发明专利申请01134359.1中公开了一种单晶炉内用的热屏方法和热屏器，其中热屏蔽组件由热屏外壳、热屏内壳、热屏上盖及热屏保温层组成。其中热屏外壳、热屏内壳和热屏上盖由石墨或钼等钢性材料制成，热屏保温层被夹在钢性材料之间，热屏保温层通常为石墨发泡材料或石英棉。

热屏蔽组件还可以制成其他形状，例如在中国发明专利申请98807859.7或者中国发明专利申请98809651.X中所描述的形状。

综上所述，在目前现有的热屏设计中，热屏蔽装置的外表面均采用石墨、钼、陶瓷或其他耐高温金属等钢性材料加工而成，通常这类材料价格昂贵，制作成本很高，并存在潜在的如下所述的使用风险：

1、钢性的耐高温材料，例如石墨或钼，在长时间反复高温和冷却交替的使用之后，会使材料变脆，容易形成可见或不可见的裂纹。当有裂纹的热屏蔽装置在使用时，可能导致热屏的一部份碎裂或剥落。当碎裂或剥落的热屏材料落入到硅熔液中时，会导致硅原料的污染；情况严重时还可能导致硅熔液的突然结晶膨胀，破坏拉晶炉内的热场结构，甚至影响到拉晶炉的安全。

2、现有的热屏设计没有考虑跳硅或硅液蒸发后在热屏上层积对热屏的影响。硅原料由于种种原因粘附在热屏上是一种常见的现象。例如坩埚升降时的操作失误会使硅液溅到热屏上。而承放硅液的石英坩埚底部有微小气泡等缺陷，在高温真空下释放形成气泡并上浮到硅液面也是形成跳硅的一个常见的原因。当硅液因各种不同原因溅到或者蒸发到热屏表面时，由于热屏表面的温度略低于硅的凝固温度，因此硅会凝固并依附在热屏表面。当生产完成后，拉晶炉内的热场冷却时，硅的收缩率与热屏材料的收缩率不同，从而热应力使热屏表面形成裂纹，或者使热屏碎裂。

发明内容

本发明提供一种热屏蔽装置，用于提高在拉晶炉内生长硅晶体的可靠性和安全性，并降低现有技术中热屏蔽装置的制作成本。

采用本发明的热屏蔽装置，可以避免长时间冷热交替使用而导致裂纹的问题，也克服了现有热屏在其表面粘附有硅时，因热应力而导致热屏损坏的问题。

一种热屏蔽装置，由带有中心开口的固定环和绕置在所述中心开口边缘的柔性保温材料构成。

所述的固定环由横向环和纵向环两部分组成，横向环为圆环状，所述的柔性保温材料绕置在纵向环上，纵向环顶沿与横向环的内沿相连接所述的纵向环为桶状或直径较大的一端与横向环的内沿相连接的漏斗状。

所述的纵向环既可以是连续的，也可以是间断的为栅栏结构组成的桶状或漏斗状。

所述的固定环上设有若干个安装孔，柔性保温材料通过碳绳或钼丝穿过安装孔固定在固定环上。

柔性保温材料根据纵向环的形状包在纵向环的表面形成桶状或漏斗状。柔性保温材料的桶状或漏斗状下开口在垂直高度上多出纵向环下口50mm以上(柔性保温材料的桶状或漏斗状下开口延伸出纵向环下开口50～250mm)。柔性保温材料的桶状或漏斗状上开口位置需高于纵向环上安装孔圆心位置2mm以上。

以纵向环上的安装孔作为受力点，将碳绳或钼丝等耐高温丝线穿过安装孔和覆盖安装孔的柔性保温材料，并将丝线以适当的方式缠绕和打结，用以将柔性保温材料和固定环固定为一个整体。

使用时，所述的热屏蔽装置放置在熔化的硅原料上方，当硅晶体通过籽晶引晶，从熔化的硅液中提拉出来时，热屏蔽装置将围绕晶锭，起到引导气流和隔热的作用。通过适当地调整由柔性保温材料环绕而成的漏斗状结构的锥顶角角度的大小和柔性保温材料的厚度，可以方便地控制硅晶体的冷却速度和硅晶体体内的温度梯度，从而有效地控制拉晶速度、晶体内的热应力大小和缺陷。锥顶角通常为0°～90°。柔性保温材料可由一层或多层叠加，累计厚度通常为5～50mm。

柔性保温材料是用柔性耐高温多孔材料制成的，通常可采用石墨发泡材料(例如石墨软毡或石墨固化毡)或耐高温石英棉。而同样尺寸的石墨或钼材料加工而成的工件需要更高的成本和加工费。当柔性保温材料需要更换时，并不需要复杂的处理即可将新的材料包扎在固定环上。为了结构的强度，通常固定环由钢性的石墨、炭炭复合材料或钼材料加工而成。

试验表明，在晶体炉的工况下，上述热屏蔽装置长时间的反复高温和冷热交替使用，并不能使柔性保温材料碎裂，因此延长了热屏的使用寿命。钢性的固定环由于远离了高温区和硅熔液表面，可以长时间使用而不会损坏。在晶体炉使用时，由于操作失误或设备故障，常常会出现各种意外情况，在这些情况下上述热屏也表现良好。详细的分析和说明如下：

与热屏有关的意外情况通常有以下几种：

a)热屏浸入到硅熔液中；

b)对隔离阀进行操作时，由于炉体和副室之间的压力失衡导致溅硅到热屏上。

c)拉晶时，晶棒突然坠落，落入硅液时将硅液溅起使热屏粘硅。

d)由于坩埚内的温度过高或真空度过低，导致硅液蒸发，硅蒸汽冷却并凝固在热屏表面。

e)当采用氢含量过高的粒状多晶硅作为原料时，化料时出现喷溅(splash)现象，导致热屏上附著硅。

f)放置硅原料的石英坩埚底部有微小气泡缺陷，在高温时，气泡释放到硅熔液中，气泡受高温和真空环境作用，膨胀并上浮到液面，当气泡在液面上破裂时，将硅液溅到热屏上。

g)由于炉温异常，使石英坩埚与硅液剧烈反应，引起跳硅，并将硅液溅到热屏上。

h)其他不明原因导致的热屏表面附着硅液。

当上述原因导致热屏表面附着硅液后，硅液凝固或者冷却时会导致较大幅度的体积变化。这种体积变化会使钢性材料在巨大的热应力下破裂。而当热屏表面采用柔性保温材料覆盖时，多孔状的保温材料会吸收硅液，再加以多孔状的结构允许很大范围的收缩和膨胀，因此不会由于热应力的作用导致热屏失效。实验表明，即使有硅以各种方式凝固在热屏表面上，热屏也能承受从1500℃至室温范围的急冷和急热。另外，固定环虽然由钢性材料加工而成，但由于表面被柔性保温材料覆盖，再加上固定环远离高温区和硅液液面，因此固定环基本不受硅液沉积等异常情况的影响。

在不脱离这里涉及到的本发明的范围和条件下是可以对上述装置做出某些改变与改进的。例如对柔性保温材料的表面作表面处理，使表面光滑或具有更高的反射率；或者固定环是由多根石墨板或炭炭复合材料板(CFC)加工成栅栏的形状起到支撑和固定柔性保温材料的作用等；本领域技术人员当然还可以知道其他可能有的改型。为此应认为如上所述只应视为解释性的而非限制意义的。

本发明不仅能有效地提供已有技术的热屏能够提供的优点之外，还提高了热屏在意外情况和极端情况下的可操作性和安全性。此外，本发明的热屏结构简单，制造成本低，使用寿命高。

附图说明

图1为丘克劳斯基法制备硅晶体现有装置示意图；

图2为本发明中漏斗结构的热屏蔽装置的剖面示意图；

图3为采用漏斗结构的已有技术的热屏蔽装置的剖面示意图；

图4为采用桶状结构的热屏蔽装置的剖面示意图；

图5为纵向环为栅栏结构组成的漏斗状的热屏蔽装置的剖面示意图(图中省略柔性保温材料)。

具体实施方式

实施例1

参见图2，为本发明方法中采用漏斗结构的热屏蔽装置的示意图。热屏蔽装置由固定环9，柔性保温材料10组成。固定环所用材料为等静压石墨材料。柔性保温材料采用聚丙烯腈基炭毡。其中固定环由横向环9a和纵向环9b组成。纵向环为漏斗状，因此包扎在纵向环上的柔性保温材料也加工成漏斗状。柔性保温材料分为内外两层，分别包扎在纵向环的内表面和外表面。纵向环高度为120mm，上开口直径为380mm，柔性保温材料的下开口离固定环下开口的距离为160mm。整个热屏蔽装置的高度为280mm。漏斗状结构的锥顶角为32°。纵向环的中央加工有均匀布置的直径为5mm的贯穿安装孔11共10个。通过纵向环的安装孔11，将柔性保温材料用截面直径为3mm碳绳12固定在固定环9上，固定方式如图2所示。

对上述热屏进行10次粘硅试验。在试验中通过人为蒸发硅液和跳硅，让柔性保温材料从下开口向上50mm粘硅，粘硅后表面覆盖硅层厚度为1～5mm。冷却后开炉检查发现热屏有1次发生下开口变形现象，9次没有改变热屏的几何形状，上述10次试验均没有产生裂纹或破坏热屏结构。

对照例1

图3为采用漏斗结构的已有技术的热屏蔽装置的示意图。热屏由等静压石墨加工而成。上开口直径为380mm。热屏高度为280mm。漏斗状结构的锥顶角为32°。

对上述热屏进行10次粘硅试验。在试验中用实施例1中同样的方式使热屏从下开口向上50mm粘硅，粘硅后表面覆盖硅层厚度为1～5mm。冷却后开炉检查热屏情况，发现有5次在热屏上出现裂纹，3次热屏在冷却时碎裂，2次热屏没有被破坏。

实施例2

采用实施例1中的热屏制作方法，不同之处在于固定环的纵向环为桶状。桶的内径为380mm，纵向环高度为120mm，柔性保温材料的下开口离固定环下开口的距离为160mm。整个热屏蔽装置的高度为280mm。固定方式如图4所示

采用实施例1中的试验方法对上述热屏进行10次粘硅试验。冷却后开炉检查发现热屏有2次发生下开口变形现象，8次没有改变热屏的几何形状，上述10次试验均没有产生裂纹或破坏热屏结构。

实施例3

采用实施例1中的热屏制作方法，不同之处在于固定环的纵向环为由10根尺寸为125mm(长)×20mm(宽)×8mm(厚)的炭炭复合材料的板条13以栅栏的形式安装而成，横向环为炭炭复合材料加工的圆环，如图5所示。每根板条以一定的倾斜角度安装，围成的漏斗形状的锥顶角为32°。板条上端通过螺栓14与横向环相连接。每条板条中央开直径为5mm的安装孔11。通过板条上的安装孔11，将柔性保温材料用直径为3mm的碳绳固定在板条上。柔性保温材料的下开口离固定环下开口的距离为160mm。整个热屏蔽装置的高度为280mm。

采用实施例1中的试验方法对上述热屏进行10次粘硅试验，粘硅后表面覆盖硅层厚度为1～5mm。冷却后开炉检查发现热屏有2次发生下开口变形现象，8次没有改变热屏的几何形状，上述10次试验均没有产生裂纹或破坏热屏结构。

Claims (7)

1.一种用于拉晶炉的热屏蔽装置，其特征在于，所述的热屏蔽装置由带有中心开口的固定环和绕置在中心开口边缘的柔性保温材料构成；所述的固定环由横向环和纵向环两部分组成，横向环为圆环状，所述的柔性保温材料绕置在纵向环上，纵向环顶沿与横向环的内沿相连接；所述的柔性保温材料分为内外两层，分别包扎在纵向环的内表面和外表面；所述的柔性保温材料卷成桶状或漏斗状绕置在纵向环上，柔性保温材料的桶状或漏斗状下开口延伸出纵向环下开口50～250mm。

2.如权利要求1所述的热屏蔽装置，其特征在于：所述的纵向环为桶状或直径较大的一端与横向环的内沿相连接的漏斗状。

3.如权利要求2所述的热屏蔽装置，其特征在于：所述的纵向环为栅栏结构组成的桶状或漏斗状。

4.如权利要求1所述的热屏蔽装置，其特征在于：所述的固定环上设有若干个安装孔，柔性保温材料通过碳绳或钼丝穿过安装孔固定在固定环上。

5.如权利要求1所述的热屏蔽装置，其特征在于：所述的固定环的材料为石墨、炭炭复合材料或钼。

6.如权利要求1所述的热屏蔽装置，其特征在于：所述的柔性保温材料为石墨软毡、石墨固化毡或石英棉。

7.如权利要求1或6所述的热屏蔽装置，其特征在于：所述的柔性保温材料厚度为5～50mm，为单层结构或由多层叠加而成。

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