CN101886291A - 隔热笼以及具有其的铸锭炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔热笼，用于多晶铸锭炉，所述隔热笼包括顶板和侧板，其特征在于，在所述顶板和/或侧板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顶板和/或侧板的内层上时的反射量。通过本发明的隔热笼可以将辐射到隔热笼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隔热笼的铸锭炉。

Description

隔热笼以及具有其的铸锭炉

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种用于多晶材料铸锭炉中的隔热笼和采用该隔热笼的铸锭炉。

背景技术

在太阳能电池用多晶硅片的生产过程中，通常采用多晶硅铸锭炉使得硅熔体定向凝固，从而生成硅锭。

现有铸锭炉一般包括：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；设置在所述坩埚的开口端的热屏，所述热屏的中心设有气体导入孔；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；和隔热笼，所述隔热笼设置在所述上炉体内，并罩住所述至少一个加热器，且在竖直方向上可上下移动。

罩住所述铸锭炉的加热器和坩埚的隔热笼包括顶板和侧板，侧板的材质通常是炭毡材料，而顶板的材质主要是炭毡材料和碳-碳复合材料。现有技术的缺点是，无论是炭毡材料还是碳-碳复合材料，其热反射率低，因此造成加热器、坩埚及坩埚中硅熔体表面辐射到隔热笼的热量不能有效反射，从而造成大量的热量浪费。由于铸锭过程耗电量很大，一个450Kg的铸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，特别是解决目前多晶硅等半导体材料生长过程中由于隔热笼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隔热笼，用于多晶铸锭炉，所述隔热笼包括顶板和侧板，其特征在于，在所述顶板和/或侧板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从内部入射到所述顶板和/或侧板的内层上时的反射量。

根据本发明的一个实施例，其中，所述热反射层由选自包括石墨、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隔热笼。

通过本发明实施例的内表面形成有热反射层的隔热笼，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隔热笼的顶板和/或侧板的内层上时的反射量，从而可以将辐射到隔热笼的热量更多地反射回炉体内部，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，本发明提出了一种铸锭炉，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；设置在所述坩埚的开口端的热屏，所述热屏的中心设有气体导入孔；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；和隔热笼，所述隔热笼设置在所述上炉体内，并罩住所述至少一个加热器，且在竖直方向上可上下移动，所述隔热笼包括顶板和侧板，其中，在所述顶板和/或侧板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顶板和/或侧板的内层上时的反射量。

根据本发明实施例提出的铸锭炉，可通过隔热笼提高热反射率，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铸锭炉可节能5％以上。而且本发明实施例提出的铸锭炉不仅可以用于多晶硅的制备，也可用于定向凝固法生长单晶硅、锗或其他化合物半导体的制备。

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隔热笼顶板的横截面示意图；

图1b显示了根据本发明一个实施例的隔热笼顶板的、沿着图1a的方向A的平面图；

图1c显示了根据本发明另一个实施例的隔热笼顶板的、沿着图1a的方向A的平面图；

图1d显示了根据本发明另一个实施例的隔热笼的横截面示意图；

图2a显示了根据本发明的一个实施例的多晶硅铸锭炉的安装状态示意图；

图2b显示了根据本发明的一个实施例的多晶硅铸炉的使用状态示意图。

具体实施方式

通常用于多晶炉的隔热笼包括顶板和侧板部分，顶板由碳-碳复合材料基体和保温层构成，其保温层可以位于基体的内侧，也可以位于基体的外侧；侧板主要由保温层构成，当然，侧板也可以具有多层结构，比如可以和顶板具有相同的结构。而为了简单起见，在本发明中，将位于隔热笼的顶板和/或侧板内侧的统称为“内层”，位于外侧的统称为“外层”，在侧板仅由一层构成的情况下也将其称作“内层”。需要说明的是，无论在顶板的保温层位于基体的内侧还是外侧的结构中，无论侧板是单层还是多层的结构中都可以适用本发明，以下实施例中仅以结构为顶板的保温层位于碳-碳基复合材料基体下侧、而侧板由保温层构成的隔热笼为示例进行说明，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。

本发明在隔热笼的顶板和/或侧板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。本发明的隔热笼可用于各种铸锭炉中，例如多晶和单晶硅铸锭炉、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隔热笼。

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，为本发明的一个实施例的隔热笼200的顶板210的横截面示意图。该顶板210包括外层211，位于外层211之下的内层212，和位于内层212之下的热反射层213。所述热反射层213的材料选择成、对入射到所述热反射层213上的热量的反射量大于将所述热量入射到内层212上时的反射量，且该热反射层213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213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，可以将该热反射材料板213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213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213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213可以由选自包括石墨、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保温层212之下直接增加热反射层213，但是本领域技术人员应当可以想到，还可以在内层212和热反射层213之间再增加一层或多层过渡层，或者在内层212和热反射层213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212和热反射层213(例如石墨板)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213由通过气相沉积方法在所述隔热笼的顶板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213由垫衬于所述顶板内表面上的垫衬构成。所述垫衬即可以覆盖顶板整体形成为一整块，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顶板。具体地参考图1b、图1c对上述实施方式进行说明。

图1b显示了根据本发明的第一实施例的、沿着图1a的方向A的仰视图。根据本发明的一个实施例，所述热反射层213可以包括一个或者多个热反射层构件。在图1b中显示了4个，即2131、2132、2133、2134。需要说明的是，图1b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1c显示了根据本发明的第二实施例的、沿着图1a的方向A的仰视图。如图1c中所示，在顶板2100的内层2120上用紧固件2140(例如螺钉或销钉)固定有多个热反射层构件2130。所述紧固件2140可以由形成上述热反射层的材料或者碳纤维材料或者碳-碳复合材料制成。

图1d显示了本发明的另一实施例的隔热笼200’的横截面示意图。在该实施例中，所述隔热笼200’不仅在顶板210’的内侧形成有热反射层213a’，在其侧板220’的内侧也形成有热反射层213b’。热反射层213a’和热反射层213b’既可以具有相同的结构、由相同的材料形成，只要符合热反射层的要求也可以分别具有不同的结构、由不同的材料形成。

如上所述，该隔热笼可用于各种铸锭炉中，例如多晶和单晶硅铸锭炉、锗或其他化合物半导体的制备设备中。下面将参照图2来描述将根据本发明的隔热笼应用于多晶硅铸锭炉。为区别于上述对隔热笼的说明，在下述中，所述隔热笼被标记为20。

如图2a和2b所示，分别显示了多晶硅铸锭炉安装状态示意图和使用状态示意图。在图2a中，多晶硅铸锭炉100内设有上炉体101和下炉体102，在下炉体102设有位于坩埚保持器41、42和43内的石英坩埚1，可将高纯硅料61放入多晶硅铸锭炉100内的石英坩埚1中。所述坩埚保持器41、42和43可以由石墨板形成。坩埚保持器41下部的支撑座上部边缘设有缺口以便于例如叉车的运输工具进行搬运。如图2a、2b中所示，在上炉体101中设有隔热笼20，以及至少一个高温加热器，所述高温加热器可以包括顶部加热器31和侧壁加热器32，在上炉体101和下炉体102闭合后，所述顶部加热器31和侧壁加热器32罩住所述石英坩埚1的四周及上方。该铸锭炉还包括设置在石英坩埚1与顶部加热器31之间的热屏5，该热屏5的中心开有气体导入孔51，热屏2的四周可以设有多个与坩埚保持器41、42和43相互固定的固定部(未示出)。热屏2可以阻止挥发物直接沉积到石英坩埚1上方的顶部加热器31和其他保温材料上，通过热屏2中心的气体导入孔51还可以将例如氩气(Ar)的惰性气体导入到坩埚1内的硅熔体表面，并通过石英坩埚1的上部四周设有的多个出风孔流出，从而可以通过所述惰性气体带走各种挥发物。

在本实施例的铸锭炉中采用如图2a所示的隔热笼20，该隔热笼20包括顶板21和侧板22，在顶板的碳-碳复合材料基体之下的保温层以及侧板的保温层内侧形成有热反射层23。所述热反射层23的材料可以选择成、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保温层上时的反射量。在本发明的一个实施例中热反射层23例如可以由表面镀碳化钨的钨箔形成。

在加入硅料后，如图2b所示，将上炉体101和下炉体102闭合，使顶部加热器31和侧壁加热器32加载到石英坩埚1的四周，且隔热笼20将石英坩埚1套住防止热量外流。通过真空口103将闭合后的空间抽吸为真空之后，在石英坩埚1顶部加热器31和侧壁加热器32的加热下，使石英坩埚1中的硅料完全熔化。此后，通过缓慢提升隔热笼20，对隔热笼20内的热场进行控制，使熔融硅从石英坩埚1的底部开始向上定向凝固，如图2b所示石英坩埚1的底部已形成有凝固的多晶硅62。

当然，在本发明的其他实施例中，还可以对隔热笼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铸锭炉。对于不同结构的铸锭炉，本领域技术人员会对本发明提出的隔热笼20做出不同的修改，但是如果这些修改仅是为了使隔热笼适应铸锭炉的结构，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铸锭炉可通过形成有热反射层的隔热笼提高热反射率，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铸锭炉可节能5％以上。而且本发明实施例提出的铸锭炉不仅可以用于多晶硅的制备，也可用于定向凝固法生长单晶硅、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)

1.一种隔热笼，用于多晶铸锭炉，所述隔热笼包括顶板和侧板，其特征在于，在所述顶板和/或侧板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顶板和/或侧板的内层上时的反射量。

2.如权利要求1所述的隔热笼，其特征在于，其中，所述热反射层由选自包括石墨、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所述的隔热笼，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所述的隔热笼，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所述的隔热笼，其特征在于，所述热反射层由垫衬构成。

6.如权利要求5所述的隔热笼，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隔热笼。

7.一种铸锭炉，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；

设置在所述坩埚的开口端的热屏，所述热屏的中心设有气体导入孔；

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

隔热笼，所述隔热笼设置在所述上炉体内，并罩住所述至少一个加热器，且在竖直方向上可上下移动，所述隔热笼包括顶板和侧板，其中，

在所述顶板和/或侧板的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顶板和/或侧板的内层上时的反射量。

8.如权利要求7所述的铸锭炉，其特征在于，其中，所述热反射层由选自包括石墨、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所述的铸锭炉，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所述的铸锭炉，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所述的铸锭炉，其特征在于，所述热反射层由垫衬构成。

12.如权利要求11所述的铸锭炉，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隔热笼。

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