CN101886290A - 用于单晶炉的保温筒以及具有其的单晶炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保温筒，用于单晶炉，其特征在于，在所述保温筒的内层的内侧形成有热反射层，其中，所述热反射层的材料选择成、对入射到所述热反射层上的热量的反射量大于将所述热量入射到所述保温筒的内层上时的反射量。通过本发明的保温筒可以将辐射到保温筒的热量再有效地反射回到炉体内部，从而在一定程度上解决热量浪费的问题，降低热功耗。本发明进一步公开了具有所述保温筒的单晶炉。

Description

用于单晶炉的保温筒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，特别涉及一种用于生长单晶材料的单晶炉中的保温筒和采用该保温筒的单晶炉。

背景技术

在太阳能电池、电子器件和电路用单晶硅片的生产过程中，采用单晶炉，使得多晶硅原料在石英坩埚中熔化，并用直拉法从硅熔体中拉制硅单晶。

现有单晶炉包括：上炉体；下炉体，所述下炉体与所述上炉体相配合且纵向可移动；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，坩埚内装多晶硅原料；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；和保温筒，所述保温筒设置在所述加热器外周且其顶端高度高于所述坩埚的顶端高度。大多数情况下，所述保温筒包括支撑层和保温层，支撑层起到支撑作用，一般由石墨材料构成；保温层起到保温作用，一般由保温炭毡或者碳纤维材料构成，通常其结构为内层是支撑层而外层为保温层，也有结构为内层是保温层而外层为支撑层的保温筒。此外，还有将石墨材料和保温性材料形成为一体的的保温筒。

无论是形成为多层结构的保温筒还是形成为一体结构的保温筒，也无论保温层位于内层还是外层，现有保温筒的缺点是，保温筒的内侧材料的热反射率低，因此造成加热器、坩埚及坩埚中硅熔体表面辐射到保温筒的热量不能有效反射，尤其是加热器辐射了大量的热量到保温筒，要维持加热器的温度，就需要加大加热器的功率，从而造成大量的热量浪费。由于单晶制备过程耗电量很大，一根100-150Kg的单晶锭生产大约需要数千度电，因此即便是节电5％也会产生巨大的效益。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决目前单晶硅等材料生长过程中由于保温筒材料热反射率低造成的热量浪费的问题。

为解决以上问题，本发明一方面提出了一种保温筒，用于单晶炉，其特征在于，在所述保温筒的内层的内侧形成有热反射层，其中，所述热反射层的材料选择成、对入射到所述热反射层上的热量的反射量大于将所述热量入射到所述内层上时的反射量。

根据本发明的一个实施例，其中，所述热反射层由选自包括含硅化合物、耐2000℃金属、硼化物、碳化物、氮化物的组中的任一种或多种材料形成，所述含硅化合物包括碳化硅、氮化硅、硼化硅，所述耐2000℃金属包括钨、钼、钽、铌及其合金，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，所述热反射层的内表面的表面粗糙度小于25μm。

根据本发明的一个实施例，其中，所述热反射层由通过气相沉积方法而形成的膜构成。

根据本发明的一个实施例，其中，所述热反射层由垫衬构成。

根据本发明的一个实施例，其中，所述垫衬为多个，所述垫衬通过紧固件连接至所述保温筒。

通过本发明实施例的内表面形成有热反射层的保温筒，由于对入射到所述热反射层上的热量的反射量大于将所述热量入射到保温筒的内层上时的反射量，从而可以将辐射到保温筒的热量更多地反射回炉体内部，在一定程度上降低加热器功率也可以维持加热器的温度，这样在一定程度上解决了热量浪费的问题，降低了热功耗。

另外，提高热反射层表面的光洁度，可以进一步提高该表面的热反射率。

进一步地，本发明另一方面提出了一种单晶炉，包括：上炉体；下炉体，所述下炉体与所述上炉体相配合且纵向可移动；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；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；和保温筒，所述保温筒设置在所述加热器外周且其顶端高度高于所述坩埚的顶端高度，其中，在所述保温筒的内层的内侧形成有热反射层，所述热反射层的材料选择成、对入射到所述热反射层上的热量的反射量大于将所述热量入射到所述保温筒的内层上时的反射量。

根据本发明实施例提出的单晶炉，可通过形成于保温筒内侧的热反射层提高热反射率，从而降低热功耗，降低生产成本，经过试验证明本发明实施例的单晶炉可节能5％以上。而且本发明实施例提出的单晶炉不仅可以用于单晶硅的制备，也可用于生长锗单晶或其他化合物半导体单晶的制备。

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1a显示了根据本发明的一个实施例的保温筒的横截面示意图；

图1b显示了根据本发明另一个实施例的保温筒的内侧展开图；

图2显示了根据本发明的一个实施例的单晶炉的使用状态示意图。

具体实施方式

通常用于单晶炉的保温筒由炭毡材料或者碳纤维制备的保温层和石墨材料制备的支撑层构成，其保温层可以位于支撑层的内侧，也可以位于支撑层的外侧；也有结构为内层是保温层而外层为支撑层的保温筒。此外，还有将石墨材料和保温性材料形成为一体的保温筒。而为了简单起见，在本发明中，将上述结构中位于保温筒内侧的层统称为“内层”，位于外侧的统称为“外层”，在将石墨材料和保温性材料形成为一体的保温筒的情况下也将其称作“内层”。需要说明的是，无论在保温层位于支撑层的内侧还是外侧的结构中、还是形成为一体的保温筒中都可以适用本发明，以下实施例中仅以结构为内层是保温层而外层为支撑层的保温筒为示例进行说明，但该示例仅是用于说明本发明的，而不能解释为对本发明的限制。

本发明在保温筒的内层的内侧进一步增加一个或多个热反射层，从而能够有效地提高热反射率，能够大大地降低热功耗，降低生产成本。需要说明的是，该保温筒可用于各种单晶炉中，例如硅单晶炉、锗或其他化合物半导体的制备设备中。下面将参照附图来详细描述根据本发明的保温筒。

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。

如图1a所示，为本发明实施例的保温筒200的横截面示意图。该保温筒200包括外层240、内层210以及位于内层210内侧的热反射层220。所述热反射层220的材料选择成、对入射到所述热反射层220上的热量的反射量大于将所述热量入射到内层210上时的反射量，且该热反射层220要能够耐2000℃以上的高温。

根据本发明的一个实施例，所述热反射层220还可以具有比常规的保温层更高的光洁度，根据本发明的一个优选实施例，可以将该热反射层220的表面粗糙度(Ra)加工成小于25μm，以使表面具有高热反射率。根据本发明的一个实施例，所述热反射层220的表面粗糙度(Ra)加工成小于12.5μm，由此即使在后续的使用过程中，其表面沉积有沉积物时也可以保证该热反射层220的热反射性能。

发明人经过研究发现，为满足这些条件，作为本发明的优选实施方式，所述热反射层220可以由选自包括含硅化合物、耐2000℃金属、硼化物、碳化物、氮化物的组中的任一种或多种材料形成。

所述含硅化合物包括碳化硅、氮化硅、硼化硅。

所述耐2000℃金属包括钨、钼、钽、铌及其合金。

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。

需要说明的是，在本发明实施例中可在内层210内侧直接增加热反射层220，但是本领域技术人员应当可以想到，还可以在内层210和热反射层220之间再增加一层或多层过渡层，或者在内层210和热反射层220之间形成有空腔，这些均应包含在本发明的保护范围之内。另外，为了图示的清楚，在图1中内层210和热反射层220(例如表面镀碳化钨的钨箔)之间具有明显的界面，但是在实际中由于两种物质之间的相互作用，其界面未必清晰。

根据本发明的一个实施例，所述热反射层220由通过气相沉积方法在所述内层210的内表面上形成的膜构成。

根据本发明的另一个实施例，所述热反射层220由垫衬于所述内层210的内表面上的垫衬构成。所述垫衬即可以覆盖保温筒内表面整体形成为一整块，也可以形成为适宜大小的多个垫衬，通过紧固件连接至所述保温筒。具体地参考图1a、图1b对上述实施方式进行说明。

由图1a可知，根据本发明的第一实施例的保温筒，其热反射层220在整个保温筒内侧形成为一整块。需要说明的是，图1a所示只是出于示例的目的，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1b显示了根据本发明的第二实施例的、保温筒200a的内侧展开图。如图1b中所示，在保温层210a上用紧固件230a(例如螺钉或销钉)固定有多个热反射层构件220a。所述紧固件230a可以由形成上述热反射层的材料或者碳纤维材料或者石墨材料制成。

下面将参照图2来描述将根据本发明的保温筒应用于单晶炉。为区别于上述对保温筒的说明，在下述中，所述保温筒被标记为20。

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700，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外周的保温筒20，保温筒20的顶端高度高于石墨坩埚500和石英坩埚400的顶端高度。其中，多晶硅料800置于石英坩埚400内。

根据本发明的一个优选实施例，在单晶炉中还设置有位于石英坩埚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与保温筒20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，如图2所示，保温筒20除了外层24、内层21之外，在内层21内侧进一步形成有热反射层22。内层21由石墨材料形成，而热反射层22由表面镀碳化钨的钨箔形成。

通过在所述保温筒20的内层21的内表面上所形成的热反射层22，由于入射到所述热反射层22上的热量的反射量远远大于将所述热量入射到由炭毡所形成的内层21上时的反射量，因此能将辐射到热反射层22的热量再有效地反射回到炉体内部，从而在一定程度上解决热量浪费的问题，降低热功耗。

此外，虽然在本实施例中使用表面镀碳化钨的钨箔材料形成热反射层22，然而，除了表面镀碳化钨的钨箔之外，热反射层22还可以由石墨以及其他含硅化合物、耐2000℃金属、硼化物、碳化物、氮化物、以及上述物质的混合物形成。

据此能够提高保温筒的保温效果，降低功率消耗，有利于降低生产成本。

在本发明实施例中，热反射层22为垫衬于内层21的内表面上的垫衬构成。使用垫衬解决了能够使加工工艺进一步简化。在根据本发明的一个实施例中，上述热反射层22为通过气相沉积方法在所述内层21上形成的膜构成。

根据本发明的一个实施例，热反射层22和内层21之间形成有第一中空部。所述第一中空部有利于进一步提高保温效果。

当然，在本发明的其他实施例中，还可以对保温筒20做出一些改变或者增加一些组件以适应不同结构形式的单晶炉。对于不同结构的单晶炉，本领域技术人员会对本发明提出的保温筒20做出不同的修改，但是如果这些修改仅是为了使保温筒适应单晶炉的结构，那么就应当包含在本发明的保护范围之内。

本发明实施例提出的单晶炉可通过形成有热反射层的保温筒提高热反射率，将来自加热器的热反射向炉体内部用于加热硅料，从而降低了热功耗，进而降低了生产成本，经过试验证明本发明实施例的单晶炉可节能5％以上。而且本发明实施例提出的保温筒和单晶炉不仅可以用于单晶硅的制备，也可用于生长锗或其他化合物半导体的制备。

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 (12)

1.一种保温筒，用于单晶炉，其特征在于，在所述保温筒的内层的内侧形成有热反射层，其中，所述热反射层的材料选择成、对入射到所述热反射层上的热量的反射量大于将所述热量入射到所述保温筒的内层上时的反射量。

2.如权利要求1所述的保温筒，其特征在于，其中，所述热反射层由选自包括含硅化合物、耐2000℃金属、硼化物、碳化物、氮化物的组中的任一种或多种材料形成，其中，

所述含硅化合物包括碳化硅、氮化硅、硼化硅，

所述耐2000℃金属包括钨、钼、钽、铌及其合金，

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。

3.如权利要求1所述的保温筒，其特征在于，所述热反射层的内表面的表面粗糙度小于25μm。

4.如权利要求1所述的保温筒，其特征在于，所述热反射层由通过气相沉积方法而形成的膜构成。

5.如权利要求1所述的保温筒，其特征在于，所述热反射层由垫衬构成。

6.如权利要求5所述的保温筒，其特征在于，所述垫衬为多个，所述垫衬通过紧固件连接至所述保温筒。

7.一种单晶炉，包括：

上炉体；

下炉体，所述下炉体与所述上炉体相配合且纵向可移动；

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；

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；和

保温筒，所述保温筒设置在所述加热器外周且其顶端高度高于所述坩埚的顶端高度，其中，

在所述保温筒的内层的内侧形成有热反射层，所述热反射层的材料选择成、对入射到所述热反射层上的热量的反射量大于将所述热量入射到所述内层上时的反射量。

8.如权利要求7所述的单晶炉，其特征在于，其中，所述热反射层由选自包括含硅化合物、耐2000℃金属、硼化物、碳化物、氮化物的组中的任一种或多种材料形成，其中，

所述含硅化合物包括碳化硅、氮化硅、硼化硅，

所述耐2000℃金属包括钨、钼、钽、铌及其合金，

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。

9.如权利要求7所述的单晶炉，其特征在于，所述热反射层的内表面的表面粗糙度小于25μm。

10.如权利要求7所述的单晶炉，其特征在于，所述热反射层由通过气相沉积方法而形成的膜构成。

11.如权利要求7所述的单晶炉，其特征在于，所述热反射层由垫衬构成。

12.如权利要求11所述的单晶炉，其特征在于，所述垫衬为多个，所述垫衬通过紧固件连接至所述保温筒。

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