CN101838843A - 单晶炉用热屏以及具有其的单晶炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于单晶炉的热屏及使用其的单晶炉，所述热屏包括定位部，所述定位部用于与炉体连接，且所述定位部形成有上部开口端；和锥台部，所述锥台部上端与定位部相连接且下端形成有下部开口端，其中，所述锥台部由基体和位于基体内表面上的内层构成，形成所述内层的内层材料从包括硅、硅化合物、耐1400℃金属、硼化物、碳化物、氮化物、以及上述物质的混合物的组中选择。通过在单晶炉内的石英坩埚上方安装本发明的热屏，从而实现了多装料的同时避免了在装料时混入碳成分，因而能够在提高生产效率、降低生产成本的同时获得高品质的单晶。此外，本发明还公开了一种单晶制备方法。

Description

单晶炉用热屏以及具有其的单晶炉

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种用于单晶炉中多装料的热屏和采用该热屏的单晶炉。

背景技术

直拉法(即Cz法)晶体生长是用于半导体和太阳电池单晶硅的主要生长方法。直拉法拉制单晶过程包括：装料，加热，熔化，单晶生长，冷却。其中，装料量直接决定所生长出的单晶的长度。因此，从提高生产效率和成品率以及降低生产成本等方面考虑，应该尽量多地装料。

由于用于生产单晶的原料为块状或颗粒状，料块之间存在大量缝隙，导致装满石英坩埚的固态多晶给料熔化后体积大幅缩小。为了实现多装料，可以考虑在加多晶给料时，使多晶给料在热屏内堆积，在热屏的支撑下这部分堆积的多晶给料不会滑落到坩埚外。随着底部的多晶给料的熔化，堆积在热屏内的多晶给料由于重力作用自然滑落，从而熔化，以此来实现多装料。

图1为现有技术的单晶炉装料后的结构示意图。现有技术的单晶炉包括：上炉体(图中未示出)；与所述上炉体相配合的下炉体100′；设置在所述下炉体内的支撑装置200′，设置于所述支撑装置上的石墨坩埚500′和石墨坩埚500′内设置的石英坩埚400′；设置在石墨坩埚500′外周的至少一个加热器600′；设置在加热器600′外周的保温层700′；和设置在石英坩埚400′的开口端的热屏300′，热屏300′包括定位部310′和锥台部320′。为了简略起见，图中省略了上炉体部分。在现有技术中，从耐高温等方面考虑，热屏材料多采用石墨材料。使用现有技术的热屏，在装料时，如果使多晶给料800′在热屏的锥台部320′内堆积，由于块状或粒状多晶给料的滑落从而易于将碳成分带入多晶熔体中，而碳成分的混入会严重恶化所生成的单晶的质量，甚至可能会造成不能生长出单晶。因此现有的单晶炉用热屏并不能实现多装料的目的。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决在单晶硅生长过程中在尽量多地装料的同时能保证所生成的单晶质量的问题。

本发明通过在单晶炉的装料石英坩埚上方安装具有形成有上部开口端和下部开口端的空腔结构的上述热屏，所述热屏的锥台部的下部开口端的外径小于所述坩埚的内径并且下部开口端与所述坩埚的上缘处于大致同一水平位置，从而可以向热屏空腔内继续装块状或粒状多晶给料并使多晶给料在坩埚上部的热屏空腔内堆积，在热屏的支撑下这部分堆积的多晶给料不会滑落到坩埚外。而为了实现在多装料的同时保证所生成的单晶质量，本发明的热屏在由碳材料所形成的基体内表面上还形成有内层，形成所述内层的内层材料耐1400℃以上高温且耐磨性优异，，因此能够解决由于多晶给料的滑落将杂质成分带入多晶熔体内而产生的污染问题。由此解决了在单晶硅生长过程中在尽量多地装料的同时能保证所生成的单晶质量的问题。

具体而言，本发明一方面提出一种用于单晶炉的热屏，包括：定位部，所述定位部用于与炉体连接，且所述定位部形成有上部开口端；和锥台部，所述锥台部上端与定位部相连接且下端形成有下部开口端，其中，所述锥台部由基体和位于基体内表面上的内层构成，形成所述内层的内层材料是从包括硅、含硅化合物、耐1400℃金属、硼化物、碳化物、氮化物、以及上述物质的混合物的组中选择的，其中，所述含硅化合物包括碳化硅、氮化硅、硼化硅、二氧化硅，所述耐1400℃金属包括钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆及其合金，所述硼化物包括碳化硼、氮化硼、硼化锆、硼化镧、硼化钛、硼化钽、硼化铬、硼化钨、硼化钼、硼化钒、硼化铌，所述碳化物包括碳化铬、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钛、碳化铌，所述氮化物包括氮化钛、氮化钨、氮化钼、氮化铬、氮化铌、氮化锆、氮化钽、氮化钒。

根据本发明的一个实施例，其中，上述基体内形成有第一中空部。

根据本发明的一个实施例，其中，上述内层由通过气相沉积方法在所述基体上形成的膜构成。

根据本发明的一个实施例，其中，上述内层为垫衬于所述基体内表面上的垫衬所构成。

根据本发明的一个实施例，其中，上述垫衬和所述基体之间形成有第二中空部。

本发明另一方面提出一种单晶炉，包括：上炉体；下炉体，所述下炉体与所述上炉体相配合；设置在所述下炉体内的支撑装置，所述支撑装置上设置有坩埚并可旋转；设置在所述坩埚外周的至少一个加热器，所述加热器用于在所述下炉体和所述上炉体闭合时对所述坩埚进行加热；设置在所述加热器外周的保温层，所述保温层的顶端高度高于所述坩埚的顶端高度；和设置在所述坩埚的开口端的热屏，所述热屏包括定位部和锥台部，所述定位部与所述保温层的顶端连接且形成有上部开口端，所述锥台部上端与定位部相连接且下端形成有下部开口端，且所述下部开口端的外径小于所述坩埚的内径并且下部开口端与所述坩埚的上缘几乎处于同一水平位置，其中，所述锥台部由基体和位于基体内表面上的内层构成，形成所述内层的内层材料是从包括硅、含硅化合物、耐1400℃金属、硼化物、碳化物、氮化物、以及上述物质的混合物的组中选择的，所述含硅化合物包括碳化硅、氮化硅、硼化硅、二氧化硅，所述耐1400℃金属包括钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆及其合金，所述硼化物包括碳化硼、氮化硼、硼化锆、硼化镧、硼化钛、硼化钽、硼化铬、硼化钨、硼化钼、硼化钒、硼化铌，所述碳化物包括碳化铬、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钛、碳化铌，所述氮化物包括氮化钛、氮化钨、氮化钼、氮化铬、氮化铌、氮化锆、氮化钽、氮化钒。

根据本发明的一个实施例，其中，上述基体内形成有第一中空部。

根据本发明的一个实施例，其中，上述内层由通过气相沉积方法在所述基体上形成的膜构成。

根据本发明的一个实施例，其中，上述内层为垫衬于所述基体内表面上的垫衬构成。

根据本发明的一个实施例，其中，上述内层和所述基体之间形成有第二中空部。

本发明另一方面提出一种单晶的制备方法，其采用上述的单晶炉来制备单晶，所述制备方法包括如下步骤：向坩埚内装入多晶给料直至填满坩埚；在所述坩埚开口端上方放置热屏，所述热屏的锥台部的下部开口端的外径小于所述坩埚的内径并且下部开口端与所述坩埚的顶端处于实质上同一水平位置；通过所述热屏的上部开口端继续装入多晶给料，使所述多晶给料在所述热屏锥台部内堆积；加热并熔化所述多晶给料；以及对熔化了的所述多晶给料进行拉单晶。

通过本发明的实施例不仅能够提高生产效率和成品率，而且有利于降低生产成本，同时还能够保证在单晶硅生长过程中实现尽量多装料的同时保证所生成的单晶质量。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术的单晶炉装料后的结构示意图；

图2为本发明的一个实施例的单晶炉装料后的结构示意图。

符号说明

100，100′下炉体

200，200′支撑装置

300，300′热屏

310，310′定位部

320，320′锥台部

321基体

322内层

321a  第一中空部

400，400′石英坩埚

500，500′石墨坩埚

600，600′加热器

700，700′保温层

800，800′多晶给料

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明主要在于提出一种用于单晶炉的热屏，其具有定位部和锥台部，其中，锥台部由基体和形成于基体内表面上的内层所构成，形成所述内层的内层材料是从包括硅、含硅化合物、耐1400℃金属、硼化物、碳化物、氮化物、以及上述物质的混合物的组中选择的，所述含硅化合物包括碳化硅、氮化硅、硼化硅、二氧化硅，所述耐1400℃金属包括钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆及其合金，所述硼化物包括碳化硼、氮化硼、硼化锆、硼化镧、硼化钛、硼化钽、硼化铬、硼化钨、硼化钼、硼化钒、硼化铌，所述碳化物包括碳化铬、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钛、碳化铌，所述氮化物包括氮化钛、氮化钨、氮化钼、氮化铬、氮化铌、氮化锆、氮化钽、氮化钒。从成本和耐高温的观点考虑，热屏材料的基体选用碳材料。为了实现多装料，在本发明的实施例中通过在单晶炉的装料石英坩埚上方安装具有形成有上部开口端和下部开口端的空腔结构的热屏，使热屏的下缘位于坩埚上缘上方并使热屏的下部开口端与坩埚上缘几乎处于同一水平位置，从而可以向热屏空腔内继续装块状或粒状多晶给料并使多晶给料在坩埚上部的热屏空腔内堆积，在热屏的支撑下这部分堆积的多晶给料不会滑落到坩埚外，从而实现了多装料。而由于形成所述内层的内层材料耐1400℃以上高温且耐磨性优异，因此能够解决由于多晶给料的滑落将杂质成分带入多晶熔体内而产生的污染问题。因而能够在提高生产效率、降低生产成本的同时获得高品质的单晶。

为了便于理解本发明的上述思想，以下将基于附图对单晶炉的结构以及利用该单晶炉进行单晶制备的方法进行描述，但是需要说明的是，该单晶炉仅是本发明的优选实施方式，本领域技术人员可对该实施方式进行变更或者替换，以达到同样的技术效果，这些等同的变更或者替换均应包含在本发明的保护范围之内。

图2为本发明的一个实施例的单晶炉装料后的结构示意图。在本实施例中，单晶炉包括：上炉体(图中未示出)；下炉体100，所述下炉体与所述上炉体相配合；设置在所述下炉体内的支撑装置200，所述支撑装置上设置有石墨坩埚500并可旋转，在石墨坩埚500内设置有石英坩埚400，石英坩埚400的顶端高度与石墨坩埚500的顶端高度基本处于同一水平面上；设置在石墨坩埚500外周的至少一个加热器600，所述加热器用于在下炉体100和所述上炉体闭合时对石墨坩埚500和石英坩埚400进行加热；设置在加热器600外周的保温层700，保温层700的顶端高度高于石墨坩埚500和石英坩埚400的顶端高度；和设置在石英坩埚400的开口端的热屏300，热屏300包括定位部310和锥台部320，定位部310与保温层700的顶端连接且形成有上部开口端，所述锥台部320上端与定位部相连接且下端形成有下部开口端，且所述下部开口端的外径小于石英坩埚400的内径并且下部开口端与石英坩埚400的上缘处于几乎同一水平位置。

与现有技术不同的是，在本发明实施例中，锥台部320由基体321和位于基体内表面上的内层322构成。内层322由碳化硅材料形成。为了实现多装料，在本实施例中通过在单晶炉的装料石英坩埚400的上方安装热屏300，使热屏300的锥台部320的底端位于石英坩埚400上缘上方并使热屏300的下部开口端与石英坩埚400几乎处于同一水平位置，且热屏的下部开口端的内径小于石英坩埚的内径，从而可以向热屏300的锥台部320内继续装块状或粒状多晶给料并使多晶给料在石英坩埚400上部的热屏300的锥台部320内堆积，在热屏300的支撑下这部分堆积的多晶给料800不会滑落到石英坩埚400外。根据本发明的实施例，能够比现有技术多加装约30％的多晶给料800。而且，由于所述热屏300的锥台部320在由碳材料所形成的基体321的内表面上还形成有内层322，所述内层322由碳化硅形成，由于碳化硅硬度比多晶给料高，不会引入杂质因此能够解决由于多晶给料的滑落将杂质带入多晶熔体内而产生的污染问题。从而实现在多装料的同时能够保证所生成的单晶质量。

此外，虽然在本实施例中使用碳化硅材料形成内层322，然而，除了碳化硅之外，内层322还可以由硅以及其他含硅化合物、耐1400℃金属、硼化物、碳化物、氮化物、以及上述物质的混合物形成。

当内层322由Si形成时，即使由于多晶给料的滑落而被带入熔体中，也不会产生杂质。

所述其他含硅化合物还包括氮化硅、硼化硅、二氧化硅，由于这些材料硬度高且耐磨、耐高温，当由这些材料形成内层时，不会由于多晶给料的滑落而带入杂质。

所述耐1400℃金属包括钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆及其合金，由于这些材料耐高温、延展性高、耐磨性好，不会由于多晶给料的滑落而带入杂质，而且，即便这些材料由于多晶给料的滑落而被少量带入熔体中，由于其在硅中的分凝系数很低，因此对最终的单晶硅锭的质量影响很小。

所述硼化物包括碳化硼、氮化硼、硼化锆、硼化镧、硼化钛、硼化钽、硼化铬、硼化钨、硼化钼、硼化钒、硼化铌，所述碳化物包括碳化铬、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钛、碳化铌，所述氮化物包括氮化钛、氮化钨、氮化钼、氮化铬、氮化铌、氮化锆、氮化钽、氮化钒，由于上述材料硬度高、耐磨性好、耐高温，由上述材料形成内层322时，不会由于多晶给料的滑落而被大量带入熔体中，因此对最终的单晶硅锭的质量影响很小。

在根据本发明的一个实施例中，在基体321内形成有第一中空部321a。据此能够提高热屏的保温效果，降低功率消耗，有利于降低生产成本。

在根据本发明的一个实施例中，上述内层322为通过气相沉积方法在所述基体321上形成的膜构成。如果热屏整体均由碳化硅、氮化硅、氮化硼等材料形成，则成本极高，而且碳化硅等材料较脆很容易断裂，而通过在基体321的内表面上形成内层322，既解决了由于多晶给料的滑落将杂质带入多晶熔体内所产生的污染问题，同时可以控制成本、且能保证产品的使用寿命。

在本发明的一个实施例中，内层322为垫衬于基体321的内表面上的垫衬构成。使用垫衬解决了由于多晶给料的滑落将杂质带入多晶熔体内而产生的污染问题的同时能够使加工工艺进一步简化。

在本发明的一个实施例中，内层322和基体321之间形成有第二中空部。所述第二中空部有利于进一步提高保温效果。

通过本发明实施例能够实现在多装料的同时能够保证所生成的单晶质量，同时，工艺简单，且有利于提高生产率、降低能耗、降低生产成本。

本发明的热屏和单晶炉不仅可以用于生长单晶硅，同样，通过适宜地改变热屏锥台部内层的材质，也可以适用于生长Ge单晶等。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (11)

1.一种用于单晶炉的热屏，其特征在于，包括：

定位部，所述定位部用于与炉体连接，且所述定位部形成有上部开口端；和

锥台部，所述锥台部上端与定位部相连接且下端形成有下部开口端，其中，所述锥台部由基体和位于基体内表面上的内层构成，形成所述内层的内层材料是从包括硅、含硅化合物、耐1400℃金属、硼化物、碳化物、氮化物、以及上述物质的混合物所形成的组中选择的，其中，

所述含硅化合物包括碳化硅、氮化硅、硼化硅、二氧化硅，

所述耐1400℃金属包括钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆及其合金，

所述硼化物包括碳化硼、氮化硼、硼化锆、硼化镧、硼化钛、硼化钽、硼化铬、硼化钨、硼化钼、硼化钒、硼化铌，

所述碳化物包括碳化铬、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钛、碳化铌，

所述氮化物包括氮化钛、氮化钨、氮化钼、氮化铬、氮化铌、氮化锆、氮化钽、氮化钒。

2.如权利要求1所述的热屏，其特征在于，所述基体内形成有第一中空部。

3.如权利要求1或2所述的热屏，其特征在于，所述内层由通过气相沉积方法在所述基体上形成的膜构成。

4.如权利要求1或2所述的热屏，其特征在于，所述内层为垫衬于所述基体内表面上的垫衬所构成。

5.如权利要求4所述的热屏，其特征在于，所述垫衬和所述基体之间形成有第二中空部。

6.一种单晶炉，其特征在于，包括：

上炉体；

下炉体，所述下炉体与所述上炉体相配合；

设置在所述下炉体内的支撑装置，所述支撑装置上设置有坩埚并可旋转；

设置在所述坩埚外周的至少一个加热器，所述加热器用于在所述下炉体和所述上炉体闭合时对所述坩埚进行加热；

设置在所述加热器外周的保温层，所述保温层的顶端高度高于所述坩埚的顶端高度；和

设置在所述坩埚的开口端的热屏，所述热屏包括定位部和锥台部，所述定位部与所述保温层的顶端连接且形成有上部开口端，所述锥台部上端与定位部相连接且下端形成有下部开口端，且所述下部开口端的外径小于所述坩埚的内径并且下部开口端与所述坩埚的上缘处于实质上同一水平位置，其中，所述锥台部由基体和位于基体内表面上的内层构成，形成所述内层的内层材料是从包括硅、含硅化合物、耐1400℃金属、硼化物、碳化物、氮化物、以及上述物质的混合物的组中选择的，其中，

所述含硅化合物包括碳化硅、氮化硅、硼化硅、二氧化硅，

所述耐1400℃金属包括钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆及其合金，

所述硼化物包括碳化硼、氮化硼、硼化锆、硼化镧、硼化钛、硼化钽、硼化铬、硼化钨、硼化钼、硼化钒、硼化铌，

所述碳化物包括碳化铬、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钛、碳化铌，

所述氮化物包括氮化钛、氮化钨、氮化钼、氮化铬、氮化铌、氮化锆、氮化钽、氮化钒。

7.如权利要求6所述的单晶炉，其特征在于，所述基体内形成有第一中空部。

8.如权利要求6或7的任一项所述的单晶炉，其特征在于，所述内层由通过气相沉积方法在所述基体上形成的膜构成。

9.如权利要求6或7所述的单晶炉，其特征在于，所述内层为垫衬于所述基体内表面上的垫衬所构成。

10.如权利要求9所述的单晶炉，其特征在于，所述垫衬和所述基体之间形成有第二中空部。

11.一种单晶的制备方法，其特征在于，采用权利要求7至10的任一项所述的单晶炉来制备单晶，所述制备方法包括如下步骤：

向坩埚内装入多晶给料直至填满坩埚；

在所述坩埚开口端上方放置热屏，所述热屏的锥台部的下部开口端的外径小于所述坩埚的内径并且下部开口端与所述坩埚的上缘处于实质上同一水平位置；

通过所述热屏的上部开口端继续装入多晶给料，使所述多晶给料在所述热屏锥台部内堆积；

加热并熔化所述多晶给料；以及

对熔化了的所述多晶给料进行拉制单晶。

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