CN109930198A - 热屏及单晶硅生长炉结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热屏及单晶硅生长炉结构，所述热屏设置于所述单晶硅生长炉的熔体坩埚上部，所述热屏包括双层屏底及双层屏壁，所述双层屏底及所述双层屏壁包覆有保温材料，所述双层屏底具有供所述熔体提拉通过的窗口，所述双层屏底包含上层以及下层，所述上层沿水平面设置，所述下层与所述水平面呈一角度倾斜与所述上层相交于所述窗口的周缘，且所述下层的底面偏向所述熔体坩埚内部。本发明通过改变热屏底部设计达到优化轴向和纵向温度梯度的目的，从而提高单晶硅的拉速，提高硅片径向的质量均匀性。本发明可有效提高工艺效率，在半导体制造领域具有广泛的应用前景。

Description

热屏及单晶硅生长炉结构

技术领域

本发明属于半导体制造设备及设计领域，特别是涉及一种热屏及单晶硅生长炉结构。

背景技术

单晶硅是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。

单晶炉是一种在惰性气体(氮气、氦气为主)环境中，用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备。

目前，大尺寸硅单晶尤其是12寸以上硅单晶主要通过直拉法制备获得。直拉法是通过将11个9的高纯多晶硅在石英坩埚内熔化，利用籽晶经过引晶、放肩、等径、收尾制备硅单晶。该方法最关键的是由石墨及保温材料组成的热场，热场的设计直接决定了晶体的质量、工艺、能耗等。

在整个热场设计中，最为关键的就就是热屏的设计。首先热屏的设计直接影响固液界面界面的垂直温度梯度，通过梯度的变化影响V/G比值决定晶体质量。其次，会影响固液界面的水平温度梯度，控制整个硅片的质量均匀性。最后，热屏的合理设计会影响晶体热历史，控制晶体内部缺陷的形核与长大，在制备高阶硅片过程中非常关键。

目前，常用的热屏的外层为SiC镀层或热解石墨，内层为保温石墨毡。热屏的位置放置于热场上部，呈圆筒状，晶棒从圆桶内部被拉制出来。热屏靠近晶棒的石墨热反射率较低，吸收晶棒散发的热量。热屏外部的石墨通常热反射率较高，利于将熔体散发的热量放射回去，提高热场的保温性能，降低整个工艺的功耗。

现有的热屏设计仍然存在温度梯度不均匀的缺陷，基于此，提供一种可以有效提高温度梯度均匀性的单晶硅生长炉结构实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单晶硅生长炉结构，用于解决现有技术中屏设计存在温度梯度不均匀的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于单晶硅生长炉的热屏，所述热屏设置于所述单晶硅生长炉的熔体坩埚上部，所述热屏包括双层屏底及双层屏壁，所述双层屏底及所述双层屏壁包覆有保温材料，所述双层屏底具有供所述熔体提拉通过的窗口，所述双层屏底包含上层以及下层，所述上层沿水平面设置，所述下层与所述水平面呈一角度倾斜与所述上层相交于所述窗口的周缘，且所述下层的底面偏向所述熔体坩埚内部。

优选地，所述双层屏底的上层以及所述双层屏壁的内层包含第一热反射系数的第一石墨层，所述双层屏底的下层以及所述双层屏壁的外层包含第二热反射系数的第二石墨层，所述第一热反射系数小于所述第二热反射系数的二分之一。

优选地，所述第一石墨层的所述第一热反射系数介于0～0.2之间，所述第二石墨层的所述第二热反射系数介于0.8～1之间。

优选地，所述双层屏壁的形状包含圆筒形状，所述双层屏壁的内径范围介于330mm～380mm之间，所述双层屏壁的外径范围介于500mm～750mm之间。

优选地，所述双层屏底的形状包含圆环形状，所述双层屏底的内径范围介于330mm～380mm之间，所述双层屏底的外径范围介于500mm～750mm之间。

优选地，所述保温材料包含碳纤维毡。

优选地，所述双层屏底的所述下层与所述上层之间的夹角介于15°～60°之间。

本发明还提供一种单晶硅生长炉结构，所述生长炉结构包括：炉体，包括炉体壁以及腔体，所述腔体由所述炉体壁所包围；熔体坩埚，设置于所述腔体内，用以承载熔体；加热器，设置所述腔体内且分布于所述熔体坩埚外周，用以提供所述熔体坩埚的热场；以及热屏，设置于所述熔体坩埚上部，包括双层屏底及双层屏壁，所述双层屏底及所述双层屏壁包覆有保温材料，所述双层屏底具有供所述熔体提拉通过的窗口，所述双层屏底包含上层以及下层，所述上层沿水平面设置，所述下层与所述水平面呈一角度倾斜与所述上层相交于所述窗口的周缘，且所述下层的底面偏向所述熔体坩埚内部。

优选地，所述双层屏底的上层以及所述双层屏壁的内层包含第一热反射系数的第一石墨层，所述双层屏底的下层以及所述双层屏壁的外层包含第二热反射系数的第二石墨层，所述第一热反射系数小于所述第二热反射系数的二分之一。

进一步地，所述第一石墨层的所述第一热反射系数介于0～0.2之间，所述第二石墨层的所述第二热反射系数介于0.8～1之间。

优选地，所述双层屏壁的形状包含圆筒形状。

优选地，所述双层屏壁的内径范围介于330mm～380mm之间，所述双层屏壁的外径范围介于500mm～750mm之间。

优选地，所述双层屏底的形状包含圆环形状。

优选地，所述双层屏底的内径范围介于330mm～380mm之间，所述双层屏底的外径范围介于500mm～750mm之间。

优选地，所述双层屏底及所述双层屏壁包含内部连通的空腔，且所述空腔内填充有所述保温材料。

优选地，所述空腔的宽度范围介于150mm～350mm之间。

优选地，所述保温材料包含碳纤维毡。

优选地，所述双层屏底的所述下层与所述上层之间的夹角介于15°～60°之间。

如上所述，本发明的热屏及单晶硅生长炉结构，具有以下有益效果：

本发明的热屏设置于所述熔体坩埚上部，采用双层屏底及双层屏壁设计，所述双层屏底及所述双层屏壁包覆有保温材料，所述双层屏底具有供所述熔体提拉通过的窗口，所述双层屏底包含上层以及下层，所述上层沿水平面设置，所述下层与所述水平面呈一角度倾斜与所述上层相交于所述窗口的周缘，且所述下层的底面偏向所述熔体坩埚内部。本发明通过改变热屏底部设计达到优化轴向和纵向温度梯度的目的，从而提高单晶硅的拉速，提高硅片径向的质量均匀性。本发明可有效提高工艺效率，在半导体制造领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1显示为本发明的单晶硅生长炉结构的整体结构示意图。

图2显示为本发明的单晶硅生长炉结构的热屏的结构示意图。

元件标号说明

11 炉体

12 熔体坩埚

13 加热器

14 热屏

141 双层屏壁

142 双层屏底

143 双层屏壁的外层

144 双层屏壁的内层

145 双层屏底的上层

146 双层屏底的下层

147 窗口

148 空腔

15 转轴

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图2所示，本实施例提供一种用于单晶硅生长炉的热屏14，所述热屏14设置于所述熔体坩埚12上部，用以提供提拉单晶硅的结晶所需的温度梯度。

所述热屏14包括双层屏底142及双层屏壁141，所述双层屏底142及所述双层屏壁141包覆有保温材料，所述双层屏底142具有供所述熔体提拉通过的窗口147，所述双层屏底142包含上层以及下层，所述上层沿水平面设置，所述下层与所述水平面呈一角度倾斜与所述上层相交于所述窗口147的周缘，且所述下层的底面偏向所述熔体坩埚12内部。

如图2所示，所述双层屏底的上层145以及所述双层屏壁的内层144包含第一热反射系数的第一石墨层，所述双层屏底的下层146以及所述双层屏壁的外层143包含第二热反射系数的第二石墨层，所述第一热反射系数小于所述第二热反射系数的二分之一。进一步地，所述第一石墨层的所述第一热反射系数介于0～0.2之间，以提高提拉单晶硅所散发热量的吸收，可有效提高提拉速度，所述第二石墨层的所述第二热反射系数介于0.8～1之间，以提高来自所述熔体坩埚12的热量的反射，提高熔体的加热效率，节省能源。优选地，所述第一石墨层的所述第一热反射系数介于0～0.1之间，以提高提拉单晶硅所散发热量的吸收，可有效提高提拉速度，所述第二石墨层的所述第二热反射系数介于0.9～1之间，以进一步提高其功效。

如图2所示，所述双层屏底142的所述下层与所述上层之间的夹角a介于15°～60°之间。

所述双层屏底的上层145设置为水平，可进一步避免其向提拉单晶硅的热反射，从而提高提拉速度。所述双层屏底的下层146设置为与所述水平面呈一角度倾斜与所述上层相交于所述窗口147的周缘，且所述下层的底面偏向所述熔体坩埚12内部，可提高其向所述熔体坩埚12内所承载的熔体的热反射，通过调整其反射角度，进一步提高热反射效率，节省能源。通过调整所述下层与所述上层之间的夹角a，可以调整提拉单晶硅的温度梯度，以达到所需均匀性的目的。

如图2所示，所述双层屏壁141的形状包含圆筒形状。所述双层屏壁141的内径范围介于330mm～380mm之间，所述双层屏壁141的外径范围介于500mm～750mm之间。通过所述双层屏壁141的尺寸设计，可以进一步优化提拉单晶硅过程中的热场，提高硅片径向的质量均匀性。

如图2所示，所述双层屏底142的形状包含圆环形状。

所述双层屏底142的内径范围介于330mm～380mm之间，所述双层屏底142的外径范围介于500mm～750mm之间。

如图2所示，所述双层屏底142及所述双层屏壁141包含内部连通的空腔148，且所述空腔148内填充有所述保温材料。所述空腔148的宽度范围介于150mm～350mm之间。所述空腔148内填充的所述保温材料包含碳纤维毡。

如图1～图2所示，本实施例还提供一种单晶硅生长炉结构，所述生长炉结构包括：炉体11、熔体坩埚12、加热器13及热屏14。

如图1所示，所述炉体11包括炉体11壁以及腔体，所述腔体由所述炉体11壁所包围，所述炉体11的顶部具有一开口，用于晶种的进入以及单晶硅的提拉。

如图1所示，所述熔体坩埚12设置于所述腔体内，用以承载熔体。

所述熔体坩埚12包含石英坩埚，可耐高温，用以承载熔融状态的硅熔体。所述熔体坩埚12由一转轴15支撑，所述转轴15带动所述熔体坩埚12旋转，以提高所述熔体坩埚12内的硅熔体的加热均匀性。

如图1所示，所述加热器13设置所述腔体内且分布于所述熔体坩埚12外周，用以提供所述熔体坩埚12的热场。

所述加热器13可设置为环形包围所述熔体坩埚12，以提高热场的均匀性。

如图1及图2所示，所述热屏14设置于所述熔体坩埚12上部，用以提供提拉单晶硅的结晶所需的温度梯度。

所述热屏14包括双层屏底142及双层屏壁141，所述双层屏底142及所述双层屏壁141包覆有保温材料，所述双层屏底142具有供所述熔体提拉通过的窗口147，所述双层屏底142包含上层以及下层，所述上层沿水平面设置，所述下层与所述水平面呈一角度倾斜与所述上层相交于所述窗口147的周缘，且所述下层的底面偏向所述熔体坩埚12内部。

如图2所示，所述双层屏底的上层145以及所述双层屏壁的内层144包含第一热反射系数的第一石墨层，所述双层屏底的下层146以及所述双层屏壁的外层143包含第二热反射系数的第二石墨层，所述第一热反射系数小于所述第二热反射系数的二分之一。进一步地，所述第一石墨层的所述第一热反射系数介于0～0.2之间，以提高提拉单晶硅所散发热量的吸收，可有效提高提拉速度，所述第二石墨层的所述第二热反射系数介于0.8～1之间，以提高来自所述熔体坩埚12的热量的反射，提高熔体的加热效率，节省能源。优选地，所述第一石墨层的所述第一热反射系数介于0～0.1之间，以提高提拉单晶硅所散发热量的吸收，可有效提高提拉速度，所述第二石墨层的所述第二热反射系数介于0.9～1之间，以进一步提高其功效。

如图2所示，所述双层屏底142的所述下层与所述上层之间的夹角a介于15°～60°之间。

所述双层屏底的上层145设置为水平，可进一步避免其向提拉单晶硅的热反射，从而提高提拉速度。所述双层屏底的下层146设置为与所述水平面呈一角度倾斜与所述上层相交于所述窗口147的周缘，且所述下层的底面偏向所述熔体坩埚12内部，可提高其向所述熔体坩埚12内所承载的熔体的热反射，通过调整其反射角度，进一步提高热反射效率，节省能源。通过调整所述下层与所述上层之间的夹角a，可以调整提拉单晶硅的温度梯度，以达到所需均匀性的目的。

如图2所示，所述双层屏壁141的形状包含圆筒形状。所述双层屏壁141的内径范围介于330mm～380mm之间，所述双层屏壁141的外径范围介于500mm～750mm之间。通过所述双层屏壁141的尺寸设计，可以进一步优化提拉单晶硅过程中的热场，提高硅片径向的质量均匀性。

如图2所示，所述双层屏底142的形状包含圆环形状。所述双层屏底142的内径范围介于330mm～380mm之间，所述双层屏底142的外径范围介于500mm～750mm之间。

如图2所示，所述双层屏底142及所述双层屏壁141包含内部连通的空腔148，且所述空腔148内填充有所述保温材料。所述空腔148的宽度范围介于150mm～350mm之间。所述空腔148内填充的所述保温材料包含碳纤维毡。

如上所述，本发明的单晶硅生长炉结构，具有以下有益效果：

本发明的热屏14设置于所述熔体坩埚12上部，采用双层屏底142及双层屏壁141设计，所述双层屏底142及所述双层屏壁141包覆有保温材料，所述双层屏底142具有供所述熔体提拉通过的窗口147，所述双层屏底142包含上层以及下层，所述上层沿水平面设置，所述下层与所述水平面呈一角度倾斜与所述上层相交于所述窗口147的周缘，且所述下层的底面偏向所述熔体坩埚12内部。本发明通过改变热屏14底部设计达到优化轴向和纵向温度梯度的目的，从而提高单晶硅的拉速，提高硅片径向的质量均匀性。本发明可有效提高工艺效率，在半导体制造领域具有广泛的应用前景。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种用于单晶硅生长炉的热屏，其特征在于，所述热屏设置于所述单晶硅生长炉的熔体坩埚上部，所述热屏包括双层屏底及双层屏壁，所述双层屏底及所述双层屏壁包覆有保温材料，所述双层屏底具有供所述熔体提拉通过的窗口，所述双层屏底包含上层以及下层，所述上层沿水平面设置，所述下层与所述水平面呈一角度倾斜与所述上层相交于所述窗口的周缘，且所述下层的底面偏向所述熔体坩埚内部。

2.根据权利要求1所述的用于单晶硅生长炉的热屏，其特征在于：所述双层屏底的上层以及所述双层屏壁的内层包含第一热反射系数的第一石墨层，所述双层屏底的下层以及所述双层屏壁的外层包含第二热反射系数的第二石墨层，所述第一热反射系数小于所述第二热反射系数的二分之一。

3.根据权利要求2所述的用于单晶硅生长炉的热屏，其特征在于：所述第一石墨层的所述第一热反射系数介于0～0.2之间，所述第二石墨层的所述第二热反射系数介于0.8～1之间。

4.根据权利要求1所述的用于单晶硅生长炉的热屏，其特征在于：所述双层屏壁的形状包含圆筒形状，所述双层屏壁的内径范围介于330mm～380mm之间，所述双层屏壁的外径范围介于500mm～750mm之间。

5.根据权利要求4所述的用于单晶硅生长炉的热屏，其特征在于：所述双层屏底的形状包含圆环形状，所述双层屏底的内径范围介于330mm～380mm之间，所述双层屏底的外径范围介于500mm～750mm之间。

6.根据权利要求1所述的用于单晶硅生长炉的热屏，其特征在于：所述保温材料包含碳纤维毡。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的用于单晶硅生长炉的热屏，其特征在于：所述双层屏底的所述下层与所述上层之间的夹角介于15°～60°之间。

8.一种单晶硅生长炉结构，其特征在于，所述生长炉结构包括：

炉体，包括炉体壁以及腔体，所述腔体由所述炉体壁所包围；

熔体坩埚，设置于所述腔体内，用以承载熔体；

加热器，设置所述腔体内且分布于所述熔体坩埚外周，用以提供所述熔体坩埚的热场；

以及

热屏，设置于所述熔体坩埚上部，包括双层屏底及双层屏壁，所述双层屏底及所述双层屏壁包覆有保温材料，所述双层屏底具有供所述熔体提拉通过的窗口，所述双层屏底包含上层以及下层，所述上层沿水平面设置，所述下层与所述水平面呈一角度倾斜与所述上层相交于所述窗口的周缘，且所述下层的底面偏向所述熔体坩埚内部。

9.根据权利要求8所述的单晶硅生长炉结构，其特征在于：所述双层屏底的上层以及所述双层屏壁的内层包含第一热反射系数的第一石墨层，所述双层屏底的下层以及所述双层屏壁的外层包含第二热反射系数的第二石墨层，所述第一热反射系数小于所述第二热反射系数的二分之一。

10.根据权利要求9所述的单晶硅生长炉结构，其特征在于：所述第一石墨层的所述第一热反射系数介于0～0.2之间，所述第二石墨层的所述第二热反射系数介于0.8～1之间。

11.根据权利要求8所述的单晶硅生长炉结构，其特征在于：所述双层屏壁的形状包含圆筒形状，所述双层屏壁的内径范围介于330mm～380mm之间，所述双层屏壁的外径范围介于500mm～750mm之间。

12.根据权利要求8所述的单晶硅生长炉结构，其特征在于：所述双层屏底的形状包含圆环形状，所述双层屏底的内径范围介于330mm～380mm之间，所述双层屏底的外径范围介于500mm～750mm之间。

13.根据权利要求8所述的单晶硅生长炉结构，其特征在于：所述双层屏底及所述双层屏壁包含内部连通的空腔，且所述空腔内填充有所述保温材料，所述空腔的宽度范围介于150mm～350mm之间。

14.根据权利要求8所述的单晶硅生长炉结构，其特征在于：所述保温材料包含碳纤维毡。

15.根据权利要求8～14任意一项所述的单晶硅生长炉结构，其特征在于：所述双层屏底的所述下层与所述上层之间的夹角介于15°～60°之间。