CN111172585A - 一种单晶生长炉的反射屏及单晶生长炉 - Google Patents

一种单晶生长炉的反射屏及单晶生长炉 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单晶生长炉的反射屏及单晶生长炉，所述反射屏包括内筒、外筒、填充于所述内筒和所述外筒之间的隔热材料，以及设置于所述内筒与所述外筒连接处的隔热垫。本发明提供的单晶生长炉的反射屏及单晶生长炉能够降低反射屏外筒对内筒的传热，以提高晶棒的纵向温度梯度，防止或减少从硅液面蒸发的硅氧化物蒸汽在反射屏外筒上凝聚，从而减少氧化物落入硅液产生杂质而发生多晶化，同时由于减少了不必要的传热，因而还能够降低单晶生长过程中所需的加热功率。

Description

一种单晶生长炉的反射屏及单晶生长炉
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种单晶生长炉的反射屏及单晶生长炉。
背景技术
随着科技的发展、新电子产品的不断出现，对大直径单晶硅的需求量增长迅速。单晶硅晶体的生长方法主要包括直拉法(CZ)、区熔法(FZ)和外延法。直拉法、区熔法用于生长单晶硅棒材，外延法用于生长单晶硅薄膜。其中，直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池等，是目前最常见的单晶硅生长方法。
直拉法制备单晶硅，即在单晶生长炉中，使籽晶浸入容置于坩埚的硅熔体中，在转动籽晶及坩埚的同时提拉籽晶，以在籽晶下端依次进行引晶、放肩、转肩、等径及收尾，获得单晶硅晶棒。单晶生长炉中反射屏的使用能够阻止石英坩埚以及坩埚内的硅溶液对硅晶体表面进行的热辐射，增大晶棒在纵向的温度梯度，控制合适的生长速度，控制晶体的内部缺陷，如COP(Crystal Originated Particle，晶体原生颗粒)等，还可通过对从晶体生长炉上部导入的惰性气体进行导流，使之以较大的流速通过硅溶液表面，达到控制晶体内的氧含量和杂质含量的效果。然而，现有的反射屏不能有效阻隔外筒对内筒的传热作用。
因此，有必要提出一种单晶生长炉的反射屏及单晶生长炉，以解决上述问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
针对现有技术的不足，本发明提供一种单晶生长炉的反射屏，所述反射屏包括：内筒、外筒、填充于所述内筒和所述外筒之间的隔热材料，以及设置于所述内筒与所述外筒连接处的隔热垫。
示例性地，所述隔热垫的材料包括石英。
示例性地，所述石英经过涂层处理。
示例性地，所述隔热垫的数目为至少一个。
示例性地，所述隔热垫包括设置于所述内筒底部的第一隔热垫和/或设置于所述内筒顶部的第二隔热垫。
示例性地，所述隔热垫包括设置于所述内筒顶部的第二隔热垫，所述反射屏包括倒锥形的主体和所述主体上端向外延伸的外沿部，所述第二隔热垫还包括填充于所述内筒和所述外筒之间的位于所述外沿部中的部分。
示例性地，所述内筒和/或所述外筒的材料包括碳素纤维和/或石墨烯。
本发明还提供一种单晶生长炉，所述单晶生长炉包括：
炉体；
坩埚，位于所述炉体内；以及
根据上述任一项所述的反射屏，所述反射屏位于所述坩埚的上方。
本发明提供的单晶生长炉的反射屏及单晶生长炉能够降低反射屏外筒对内筒的传热，以提高晶棒的纵向温度梯度，防止或减少从硅液面蒸发的硅氧化物蒸汽在反射屏外筒上凝聚，从而减少氧化物落入硅液产生杂质而发生多晶化，同时由于减少了不必要的传热，因而还能够降低单晶生长过程中所需的加热功率。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1示出了本发明一实施例所提供的单晶生长炉的反射屏的结构示意图；
图2示出了本发明一实施例所提供的单晶生长炉的结构示意图；
图3a示出了现有的反射屏的模拟温度梯度图；
图3b示出了本发明一实施例所提供的反射屏的模拟温度梯度图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
单晶生长炉中反射屏的使用能够阻止石英坩埚以及坩埚内的硅溶液对硅晶体表面进行的热辐射，增大晶棒在纵向的温度梯度，控制合适的生长速度，控制晶体的内部缺陷(COP等)，还可通过对从晶体生长炉上部导入的惰性气体进行导流，使之以较大的流速通过硅溶液表面，达到控制晶体内的氧含量和杂质含量的效果。然而，现有的反射屏不能有效阻隔外筒对内筒的传热作用，不必要的传热增加了额外的加热功率，并且增加了内筒的温度，降低了外筒的温度，使得晶棒的纵向温度梯度不能满足需求，还会导致从硅液面蒸发的硅氧化物蒸汽在反射屏外筒上凝聚，凝聚产生的硅氧化物(SiOx)落入硅液会产生杂质而发生多晶化现象。
针对上述问题，本发明提供一种单晶生长炉的反射屏及单晶生长炉，所述反射屏包括内筒、外筒、设置于所述内筒和所述外筒之间的隔热材料，以及嵌于所述内筒与所述外筒连接处的隔热垫。本发明提供的单晶生长炉的反射屏能够降低反射屏外筒对内筒的传热，以提高晶棒的纵向温度梯度，防止或减少从硅液面蒸发的硅氧化物蒸汽在反射屏外筒上凝聚，从而减少氧化物落入硅液产生杂质而发生多晶化，同时由于减少了不必要的传热，因而还能够降低单晶生长过程中所需的加热功率。本发明提供的单晶生长炉由于包括上述反射屏，因此也具有上述优点。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构及/或步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。[示例性实施例一]
下面将参照图1，对本发明一实施方式的单晶生长炉的反射屏100做详细描述。
如图1所示，所述反射屏100包括内筒101、外筒102、填充于所述内筒101和所述外筒102之间的隔热材料103，以及设置于所述内筒101与所述外筒102连接处的隔热垫104。
在一个实施例中，所述反射屏100包括倒锥形的主体和所述主体上端向外延伸的外沿部。所述主体的纵向截面形状呈倒锥形，即其底部窄，顶部宽，从而同时屏蔽硅熔体和加热器对单晶的传热。当所述反射屏100用于单晶生长炉时，所述主体的底部靠近硅熔体的表面。
所述反射屏100包括内筒101和外筒102。所述内筒101和外筒102形成夹层状结构，夹层内部填塞隔热材料103。内筒101和/或外筒102的材料包括碳素纤维(C/C)和/或石墨烯。所述隔热材料103包括而不限于固态碳毡。由于所述固态碳毡热导率低，具有更好的保温和隔热性能，因而能够减少从硅熔体和加热器到晶体的传热，有助于晶体降温。
所述内筒101与所述外筒102的连接处设置有隔热垫104，用于减少内筒101和外筒102之间的传热。所述隔热垫104的构成材料的热导率小于内筒101和外筒102的构成材料。在一个实施例中，所述隔热垫104的材料包括石英材料，所述石英材料相对于石墨具有更低的热导率，所以热阻性能更好，能够有效地降低内筒101和外筒102之间的热传导。所述石英材料可以包括经过涂层处理的石英材料，也可以包括未经涂层处理的石英材料。
由于隔热垫104的设置降低了内筒101和外筒102之间的热传导，即降低了温度较高的外筒102向温度较低的内筒101的传热，因而能够提高外筒102的温度、降低内筒101的温度。如图3a、图3b所示，采用数值模拟软件(例如FEMAG、CGSim等)计算可知，与现有的反射屏相比，本发明实施例所提供的设置有隔热垫的反射屏100能够使内筒101的温度平均降低30-150℃，使外筒102的温度平均升高10-100℃。降低内筒101的温度可以增加晶棒表面到内筒101的辐射传热，以提高晶棒的纵向温度梯度；增加外筒102的温度，可以防止或减少从硅液面蒸发的硅氧化物(SiOx)的蒸汽在外筒102上凝聚，从而减少硅氧化物(SiOx)落入硅液产生杂质而发生多晶化，同时，还能够降低坩埚轴向温差，减缓坩埚内部应力分布。此外，由于减少了内筒101和外筒102之间不必要的传热，因而还能够降低单晶生长过程所需的加热功率。
所述隔热垫104的数目为至少一个。在一个实施例中，所述隔热垫104包括设置于所述内筒101底部的第一隔热垫和/或设置于所述内筒101顶部的第二隔热垫。所述第一隔热垫竖直或倾斜设置在内筒101底部，从而减少内筒101与外筒102之间底部连接处的传热。所述第二隔热垫设置在内筒101顶部边缘、与外筒102连接处。更具体地，第二隔热垫设置在所述外沿部的边缘，呈弯折形结构，部分嵌于内筒101和外筒102的连接处，部分填充于位于所述弯折部的所述内筒101和所述外筒102之间，从而更有效地减少内筒101与外筒102之间顶部连接处的传热。
本发明提供的单晶生长炉的反射屏由于设置有隔热垫，因而能够降低反射屏外筒对内筒的传热，以提高晶棒的纵向温度梯度，防止或减少从硅液面蒸发的硅氧化物蒸汽在反射屏外筒上凝聚，从而减少氧化物落入硅液产生杂质而发生多晶化，同时由于减少了不必要的传热，因而还能够降低单晶生长过程中所需的加热功率。
[示例性实施例二]
下面将参照图2，对本发明一实施方式的单晶生长炉200做详细描述。所述单晶生长炉200包括上述的反射屏100。所述单晶生长炉包200括炉体、位于所述炉体内的坩埚、以及位于所述坩埚的上方的反射屏，所述反射屏的具体结构参见上文，在此不做赘述。
如图2所示，本发明提供的单晶生长炉包括炉体201，炉体201中设有坩埚。所述坩埚包括石英坩埚202和石墨坩埚203。其中，石英坩埚202用于盛放硅料，例如多晶硅。硅料在其中被加热为硅熔体205。石墨坩埚203包裹在石英坩埚202的外侧，用于在加热过程中对石英坩埚202提供支撑。石墨坩埚203的外侧设置有加热器204。石英坩埚202上方设置有反射屏100，所述反射屏100向下延伸并环绕硅单晶206生长区域，用于阻断加热器204和高温硅熔体205对生长的硅单晶206的直接热辐射，降低硅单晶206的温度。同时，反射屏100还能够使下吹的氩气集中直接喷到生长界面附近，进一步增强硅单晶206的散热。所述反射屏包括内筒、外筒、填充于所述内筒和所述外筒之间的隔热材料，以及设置于所述内筒与所述外筒连接处的隔热垫，其具体结构如上文所述。
所述单晶生长炉200还包括竖直设置的籽晶轴207和坩埚轴208，籽晶轴207设置在石英坩埚202的上方，坩埚轴208设置在石墨坩埚203的底部，籽晶轴207的底部通过夹具安装有籽晶，其顶部连接籽晶轴驱动装置，使其能够一边旋转一边向上缓慢提拉。坩埚轴208的底部设有坩埚轴驱动装置，使坩埚轴208能够带动坩埚进行旋转。
本发明提供的单晶生长炉所采用的反射屏由于设置有隔热垫，因而能够降低反射屏外筒对内筒的传热，以提高晶棒的纵向温度梯度，防止或减少从硅液面蒸发的硅氧化物蒸汽在反射屏外筒上凝聚，从而减少氧化物落入硅液产生杂质而发生多晶化，同时由于减少了不必要的传热，因而还能够降低单晶生长过程中所需的加热功率。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (8)

1.一种单晶生长炉的反射屏，其特征在于，所述反射屏包括内筒、外筒、填充于所述内筒和所述外筒之间的隔热材料，以及设置于所述内筒与所述外筒连接处的隔热垫。
2.根据权利要求1所述的反射屏，其特征在于，所述隔热垫的材料包括石英。
3.根据权利要求2所述的反射屏，其特征在于，所述石英经过涂层处理。
4.根据权利要求1所述的反射屏，其特征在于，所述隔热垫的数目为至少一个。
5.根据权利要求1所述的反射屏，其特征在于，所述隔热垫包括设置于所述内筒底部的第一隔热垫和/或设置于所述内筒顶部的第二隔热垫。
6.根据权利要求1所述的反射屏，其特征在于，所述隔热垫包括设置于所述内筒顶部的第二隔热垫，所述反射屏包括倒锥形的主体和所述主体上端向外延伸的外沿部，所述第二隔热垫还包括填充于所述内筒和所述外筒之间的位于所述外沿部中的部分。
7.根据权利要求1所述的反射屏，其特征在于，所述内筒和/或所述外筒的材料包括碳素纤维和/或石墨烯。
8.一种单晶生长炉，其特征在于，所述单晶生长炉包括：
炉体；
坩埚，位于所述炉体内；以及
根据权利要求1至7中任一项所述的反射屏，所述反射屏位于所述坩埚的上方。
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