CN111893561A - 一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构及单晶硅生长炉 - Google Patents

一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构及单晶硅生长炉 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构，包括支撑层以及制备在所述支撑层上的层叠结构，所述层叠结构包括第一折射层和第二折射层，所述第一折射层的折射率与所述第二折射层的折射率不同，所述第一折射层和所述第二折射层相互交替设置；在此基础上，本发明还提供一种单晶硅生长炉，所述复合隔热结构设置在所述单晶硅生长炉中的热屏上；本发明提供的复合隔热结构在热辐射波长范围表现出具有良好的热反射性能，当其设置在热屏上以应用于单晶硅生长炉中时，能够提高热屏对热量的反射能力，减少硅熔体热量的耗散，起到对热场的保温作用，从而有利于提高热场的质量以提高单晶硅生长的质量和产量。

Description

一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构及单晶硅生长炉
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构及单晶硅生长炉。
背景技术
单晶硅是现代通信技术、集成电路及太阳能电池等行业得以持续发展的材料基础，有着不可替代的作用。目前，从熔体中生长单晶硅主要的方法包括直拉法和区熔法。其中，由于直拉法生产单晶硅具有设备和工艺简单、容易实现自动控制、生产效率高、易于制备大直径单晶硅，以及晶体生长速度快、晶体纯度高和完整性高等优点，直拉法得以迅速发展。
利用直拉式晶体生长炉生产单晶硅，需要将普通硅材料进行熔化，然后重新结晶。根据单晶硅的结晶规律，将原材料放在坩埚中加热熔化，控制温度比硅单晶的结晶温度略高，确保熔化后的硅材料在溶液表面可以结晶。结晶出来的单晶通过直拉炉的提升系统提出液面，在惰性气体的保护下冷却、成形，最后结晶成一个主体为圆柱体、尾部为圆锥体的晶体。
单晶硅是在单晶炉热场中进行生长的，热场的优劣对单晶硅的生长和质量有很大的影响。好的热场不仅能够让单晶生长顺利，而且生长出的单晶质量高；而热场条件不完备时，则可能无法生长出单晶，即使生长出单晶，也容易发生晶变，变成多晶或有大量缺陷的结构。因此，寻找较好的热场条件，配置最佳热场，是直拉单晶硅生长工艺非常关键的技术。而热场设计中，最为关键的是热屏的设计。首先，热屏的设计直接影响固液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，热屏的设计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，常用的热屏其外层材料为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，晶棒从圆筒内部被拉制出来。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。而现有的热屏设计仍然存在温度梯度不均匀的缺陷。
针对现有技术存在的上述缺陷，本申请旨在提供一种复合隔热结构，能够应用于单晶硅生长炉的热屏上，提高热屏的热反射能力，提高热场的保温性能，从而提高炉内晶体生长的质量和产量。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于提供一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构，包括支撑层以及制备在所述支撑层上的层叠结构，所述层叠结构包括第一折射层和第二折射层，所述第一折射层的折射率与所述第二折射层的折射率不同，所述第一折射层和所述第二折射层相互交替设置。
进一步地，所述层叠结构与所述支撑层通过所述第一折射层相连接，或所述层叠结构与所述支撑层通过所述第二折射层相连接。
具体地，所述第一折射层均由硅制得，所述第一折射层的厚度在0.1μm-1μm的范围内，所述第一折射层的粗糙度小于1.5A。
具体地，所有所述第二折射层均由二氧化硅制得，所述第二折射层的厚度在0.1μm-1μm的范围内，所述第二折射层的粗糙度小于2A。
具体地，所有所述第二折射层均由氮化硅制得，所述第二折射层的厚度在0.1μm-1μm的范围内，所述第二折射层的粗糙度小于2A。
具体地，所述层叠结构中至少有一个所述第二折射层由氧化硅制得，且所述层叠结构中至少有一个所述第二折射层由氮化硅制得。
优选地，所述支撑层由硅、二氧化硅或钼制得，所述支撑层的厚度在1mm-3mm范围内。
进一步地，所述第一折射层和所述第二折射层通过物理气相沉积、化学气相沉积或化学机械抛光工艺制得。
优选地，所述复合隔热结构还设有封装层，所述封装层用于将所述支撑层和所述层叠结构封装。
本发明另一方面保护一种单晶硅生长炉，包括炉体、坩埚、加热器、热屏和上述技术方案提供的一种复合隔热结构，所述复合隔热结构设置在所述热屏上；
所述炉体内设有容腔；
所述坩埚设置在所述容腔内，所述坩埚用于承载供单晶硅生长的熔体；
所述加热器设置在所述坩埚与所述炉体之间，所述加热器用于提供单晶硅生长所需的热场；
所述热屏设置在所述坩埚的上方，所述热屏用于反射所述坩埚散发的热能，所述复合隔热结构设置在所述热屏靠近所述坩埚的一侧和/或所述复合隔热结构设置在所述坩埚靠近生长出的单晶硅的一侧。
由于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构，在热辐射波长范围内具有良好的反射性能，当其设置在热屏上以应用于单晶硅生长炉中时，能够提高热屏对热量的反射能力，减少硅熔体热量的耗散；有利于提高热场的保温性能，从而有利于提高热场的质量以提高单晶硅生长的质量和产量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明实施例提供的用于单晶硅生长炉的复合隔热结构的结构示意图；
图2是图1中各复合隔热结构的热反射曲线图；
图3是本发明另一个实施例提供的用于单晶硅生长炉的复合隔热结构的结构示意图；
图4是图3中各复合隔热结构的热反射曲线图；
图5是本发明另一个实施例提供的用于单晶硅生长炉的复合隔热结构的结构示意图；
图6是图5中各复合隔热结构的热反射曲线图。
图中：10-支撑层，20-层叠结构，21-第一折射层，22-第二折射层；
22(Ⅰ)-由二氧化硅制得的第二折射层，22(Ⅱ)-由氮化硅制得的第二折射层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
实施例1
结合图1和图2，本实施例提供一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构，包括支撑层10以及制备在所述支撑层10上层叠结构20，所述层叠结构20包括第一折射层21和第二折射层22形成，所述第一折射层21的折射率与所述第二折射层22的折射率不同，所述第一折射层21和所述第二折射层22相互交替设置。
需要说明的是，本说明书实施例中，所述第一折射层21和所述第二折射层22成对出现，即所述第一折射层21的数量和所述第二折射率层22的数量相等，从而所述层叠结构的一侧以第一折射层21为终点，所述层叠结构的另一侧以第二折射层22为终点；则所述层叠结构20与所述支撑层10通过所述第一折射层21或所述第二折射层22相连接。
所述第一折射层21均由硅制得，所述第一折射层21的厚度在0.1μm-1μm的范围内，所述第一折射层21的粗糙度小于1.5A；
所述第二折射层22均由二氧化硅制得，所述第二折射层22的厚度在0.1μm-1μm的范围内，所述第二折射层22的粗糙度小于2A；
所述支撑层10由硅、二氧化硅或钼制得，所述支撑层10的厚度在1mm-3mm范围内。
所述第一折射层21和所述第二折射层23通过物理气相沉积、化学气相沉积或化学机械抛光工艺逐层制备在所述支撑层10上。
所述复合隔热结构还设有封装层，所述封装层用于将所述支撑层10和所述层叠结构20封装成一个整体。
需要说明的是，对应于图1(b)至图1(e)这几种结构类型，当所述层叠结构20中具有2个及2个以上的第一折射层21层时，各所述第一折射层21的厚度可以相同也可以相互不同，使得满足各所述第一折射层21的厚度均在0.1μm-1μm的范围内即可；同样地，当所述层叠结构20中具有2个及2个以上的第二折射层22时，各所述第二折射层20的厚度可以相同也可以不同，使得各所述第二折射层22的厚度均在0.1μm-1μm的范围内即可。
如图1所示，本说明书实施例提供有具有不同数量的第一折射层-第二折射层对的复合隔热结构，且各个复合隔热结构中，所述第一折射层21均为0.1μm厚的硅，各所述第二折射层22均为0.1μm厚的二氧化硅，本说明书中将由二氧化硅制得的第二折射层简记为22(Ⅰ)，各所述层叠结构20均是通过所述第一折射层21与所述支撑层10相连接，即在所述支撑层10的表面先制备得到第一个所述第一折射层21后，再制备第一个第二折射层22，并交替制备后续的层级结构。所述支撑层由硅制得，所述支撑层10的厚度为1mm。各个复合隔热结构的热反射曲线如图2所示。
从图2可以看出，图1(a)所对应的复合隔热结构其热反射率最低，究其原因是由于该复合隔热结构有且仅有一个界面层。因此，第一折射层-第二折射层对的数量优选为大于1对。
随着第一折射层-第二折射层对数量的增加、界面的数量也增加，在800nm-1400nm波段的热反射率也随之增加。而当第一折射层-第二折射层对的数量增加到4对及4对以上时，虽800nm-1400nm波段的热反射率仍保持有增加的趋势，但在1400nm至2000nm波段范围内热反射率发生极大的衰减，从整体上看，热反射率的增长率并未有较大提高甚至有所降低，但与现有技术中，由石墨材料制得的隔热结构相比，具有优良的热反射性能。综上，第一折射层-第二折射层对的数量在2-5对内较为合适。
本说明书实施例还提供一种单晶硅生长炉，包括炉体、坩埚、加热器、热屏以及上述技术方案提供的复合隔热结构，所述复合隔热结构设置在所述热屏上；
所述炉体内设有容腔；所述坩埚设置在所述容腔内，且位于容腔的中心位置，所述坩埚中部凹陷，用于承载供单晶硅生长的熔体；所述坩埚可由石英(二氧化硅)制得；也可以由石墨制得；或者包括由石英材料制备的内胆和由石墨材料制造的外壁，以使得坩埚内壁能够与硅熔体直接接触，坩埚外壁能够起到支撑作用；
所述加热器放置在所述坩埚的外围，且位于所述坩埚与所述炉体之间，所述加热器用于对所述坩埚加热以提供单晶硅生长所需的热场，所述加热器与坩埚之间具有间隔，该间隔根据所述容腔的尺寸、坩埚的尺寸和加热的温度等参数进行调整；所述加热器为石墨加热器，进一步地，所述加热器可以包括围绕所述坩埚设置的一个或多个加热器，以使得所述坩埚所处的热场均匀；
所述热屏设置在所述坩埚的上方，所述热屏用于反射所述坩埚内承载的熔体散发的热能，起到保温的作用；
所述复合隔热结构设置在所述热屏靠近所述坩埚的一侧和/或所述复合隔热结构设置在所述坩埚靠近生长出的单晶硅的一侧。
除此之外，所述单晶硅生长炉还可以包括冷却器，所述冷却器用于冷却生长出来的单晶硅锭。以及所述坩埚还可以连接有升降机构和旋转机构，所述升降机构用于实现所述坩埚的升降，所述旋转机构用于实现所述坩埚的旋转，所述坩埚能够在所述加热器提供的热场内升降和旋转，从而有利于置于一个良好的热场环境内，其内部的硅熔体也能够处于一个受热较为均匀的热环境中。
本说明书实施例提供的一种复合隔热结构，当其设置在热屏上应用于单晶硅生长炉中时，能够提高热屏对热量的反射能力，降低熔融的硅熔体热量的耗散；有利于热场的保温性能，从而有利于提高热场的质量以提高单晶硅生长的质量和产量。
实施例2
实施例1中，所述第一折射层21和所述第二折射层22是成对出现的，且当第一折射层-第二折射层对的数量在2对或3对时，其构成的复合隔热结构具有较好的热反射性能。
与实施例1不同，本实施例提供的所述复合隔热结构中，所述第一折射层21的数量与所述第二折射层22的数量不相等。
如图3(a)所示，本说明书实施例提供的一种复合隔热结构包括3个所述第一折射层21和2个所述第二折射层22，所述第一折射层21的折射率和所述第二折射层22的折射率不同，所述第一折射层21和所述第二折射层22相互交替设置，从而所述层叠结构20的两侧均以所述第一折射层21为终点，且所述支撑层10与所述层叠结构20通过所述第一折射层21相连接。
所述层叠结构20中的各所述第一折射层21均由硅制得，所述第一折射层21的厚度均为0.3μm，所述第一折射层21的粗糙度为小于1A；
所述层叠结构20中的两个所述第二折射层22均由二氧化硅制得，即22(Ⅰ)，所述第二折射层22(Ⅰ)的厚度为0.3μm，所述第二折射层22的粗糙度为小于1A；
所述支撑层10由硅制得，所述支撑层10的厚度为3mm。
以及如图3(b)所示，本说明书实施例还提供一种复合隔热结构包括3个第二折射层22和2个所述第一折射层21，所述第一折射层21的折射率和所述第二折射层22的折射率不同，且所述第一折射层21与所述第二折射层22相互交替设置，从而所述层叠结构20的两侧均以所述第二折射层22为终点，所述支撑层10和所述层叠结构20通过所述第二折射层22相接处。
所述层叠结构20中的各所述第一折射层21均由硅制得，所述第一折射层21的厚度为1μm，所述第一折射层21的粗糙度小于1A；
所述层叠结构20中的各所述第二折射层22均由氮化硅制得，本说明书中将由氮化硅制得的所述第二折射层简记为22(Ⅱ)，所述第二折射层22(Ⅱ)的厚度为0.1μm，所述第二折射层的粗糙度小于2A；
所述支撑层10由二氧化硅制得，所述支撑层的厚度在1mm-3mm范围内。
需要说明的是，本实施例中所述第一折射层21和所述第二折射层22的数量仅是示例性的，所述第一折射层21和所述第二折射层22还可以具有不同于本实施例中的层叠结构所提供的数量。
如图4所示，为图3(a)和图3(b)对应的两种复合隔热结构的热反射曲线图。从图中可以看出，这两种复合隔热结构的热反射曲线与实施例1中图1(d)所对应的复合隔热结构的热反射曲线相类似，且3(a)和3(b)的热反射性能略优于1(d)的热反射性能。这是由于3(a)和3(b)所对应的两种复合隔热结构中界面的数量与1(d)所对应的复合隔热结构的界面数量相当，从而，当所述层叠结构中的各层均在合理的厚度范围内时，均具有比现有技术优良的热反射性能。
实施例3
本实施例提供一种复合隔热结构，包括支撑层10和制备在所述支撑层10上的层叠结构，所述层叠结构20包括第一折射层21和第二折射层22，所述第一折射层21的折射率与所述第二折射层22的折射率不同，所述第一折射层21与所述第二折射层22相互交替设置，与实施例1不同的是：所述第二折射层22至少有两个，且所述层叠结构20中至少有一个所述第二折射层22由二氧化硅制得，由二氧化硅制得的所述第二折射层22的厚度为1μm，由二氧化硅制得的所述第二折射层的粗糙度小于1A；所述层叠结构20中至少有一个所述第二折射层22由氮化硅制得，由氮化硅制得所述第二折射层22的厚度为1μm，由氮化硅制得的所述第二折射层22的粗糙度小于1A。
所述层叠结构20中的第一折射层21由硅制得，所述第一折射层21的厚度为0.5μm，所述第一折射层21的粗糙度小于1.2A。
作为示例的，本说明书实施例提供的用于单晶硅生长炉的复合隔热结构，如图5(a)所示，其支撑层10由钼制得，所述支撑层10的厚度为1mm；在所述支撑层10上先生长有由二氧化硅制得的第一个第二折射层22(Ⅰ)，再在其上生长有由硅制得的第一个第一折射层21，再生长有由氮化硅制得的第二个第二折射层22(Ⅱ)，最后生长有由硅制得的第二个第一折射层21。
如图5(b)所示的复合隔热结构其与5(a)的不同之处在于，所述支撑层10为厚度为3mm的钼材料制得，所述层叠结构20远离所述支撑层10的一侧还包括第三个由氮化硅制得的所述第二折射层22(Ⅱ)，第三个所述第二折射层的厚度为0.3μm。
如图6所示，为本说明书实施例中5(a)和5(b)所对应的用于单晶硅生长炉的复合隔热结构的热反射曲线图。如图所示，在由钼材料制得的支撑层的基础上，得到的复合隔热结构在1200nm-2000nm波段内其热反射性能极佳。
综合以上各实施例可知，由第一折射层、第二折射层交替设置形成的界面的数量在2-9个的范围内较为适宜，一味的增加界面数量，并不能实现热反射性能的单调性增加，反而不仅造成热反射性能在某些波段内的缺陷，还会造成制造成本的提高。
需要说明的是，本说明书重点描述的是各实施例之间的不同之处，除上述各实施例之外，还可以将所述复合隔热结构中各个层级的材料加以组合以得到不同于上述各实施例中提供的复合隔热结构，在各个层级的厚度在上述范围内时均可获得相似或相当的热反射效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构，其特征在于，包括支撑层(10)以及制备在所述支撑层(10)上的层叠结构(20)，所述层叠结构(20)包括第一折射层(21)和第二折射层(22)，所述第一折射层(21)的折射率与所述第二折射层(22)的折射率不同，所述第一折射层(21)和所述第二折射层(22)相互交替设置。
2.根据权利要求1所述的一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构，其特征在于，所述层叠结构(20)与所述支撑层(10)通过所述第一折射层(21)相连接，或所述层叠结构(20)与所述支撑层(10)通过所述第二折射层(22)相连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构，其特征在于，所述第一折射层(21)均由硅制得，所述第一折射层(21)的厚度在0.1μm-1μm的范围内，所述第一折射层(21)的粗糙度小于1.5A。
4.根据权利要求3所述的一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构，其特征在于，所有所述第二折射层(22)均由二氧化硅制得，所述第二折射层(22)的厚度在0.1μm-1μm的范围内，所述第二折射层(22)的粗糙度小于2A。
5.根据权利要求3所述的一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构，其特征在于，所有所述第二折射层(22)均由氮化硅制得，所述第二折射层(22)的厚度在0.1μm-1μm的范围内，所述第二折射层(22)的粗糙度小于2A。
6.根据权利要求3所述的一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构，其特征在于，所述层叠结构(20)中至少有一个所述第二折射层(22)由氧化硅制得，且所述层叠结构(20)中至少有一个所述第二折射层(22)由氮化硅制得。
7.根据权利要求4或5或6所述的一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构，其特征在于，所述支撑层(10)由硅、二氧化硅或钼制得，所述支撑层(10)的厚度在1mm-3mm范围内。
8.根据权利要求7所述的一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构，其特征在于，所述第一折射层(21)和所述第二折射层(23)通过物理气相沉积、化学气相沉积或化学机械抛光工艺制得。
9.根据权利要求1所述的一种用于单晶硅生长炉的复合隔热结构，其特征在于，所述复合隔热结构还设有封装层，所述封装层用于将所述支撑层(10)和所述层叠结构(20)封装。
10.一种单晶硅生长炉，其特征在于，包括炉体、坩埚、加热器、热屏和如权利要求1至9任意一项所述的复合隔热结构，所述复合隔热结构设置在所述热屏上；
所述炉体内设有容腔；
所述坩埚设置在所述容腔内，所述坩埚用于承载供单晶硅生长的熔体；
所述加热器设置在所述坩埚与所述炉体之间，所述加热器用于提供单晶硅生长所需的热场；
所述热屏设置在所述坩埚的上方，所述热屏用于反射所述坩埚内熔体散发的热能，所述复合隔热结构设置在所述热屏靠近所述坩埚的一侧和/或所述复合隔热结构设置在所述坩埚靠近生长出的单晶硅的一侧。
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