CN112281207A - 一种用于减少拉晶炉的热量散失的保温盖及拉晶炉 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于减少拉晶炉的热量散失的保温盖及拉晶炉，所述保温盖呈圆环形的平板状并且包括：上盖板；下盖板，所述下盖板接合至所述上盖板使得所述上盖板与所述下盖板之间形成密闭空间；隔热材料，所述隔热材料填充在所述上盖板和所述下盖板之间形成的所述密闭空间中。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种用于减少拉晶炉的热量散失的保温盖及拉晶炉。
背景技术
单晶硅是大多数半导体元器件的基底材料，其中绝大多数的单晶硅都是通过直拉法制成的。在该方法中，通过将固态的多晶硅硅料放置在坩埚内并对坩埚进行加热使其中的多晶硅硅料融化，在直拉单晶硅棒过程中，首先让籽晶和熔融硅接触，使固液界面处的熔硅沿着籽晶冷却结晶，并通过缓慢拉出籽晶而生长，缩颈完成之后通过降低拉速和/或熔体温度来放大晶体生长直径直至达到目标直径；转肩之后，通过控制拉速和熔体温度使晶体生长进入“等径生长”阶段；最后，通过增大拉速和提高熔体温度使晶体生长面的直径逐步减小形成尾锥，直至最后晶体离开熔体表面，即完成了单晶硅棒的生长。
图1至图2具体地示出了现有的利用直拉法制备单晶硅棒SR的拉晶炉1A的示意图。如图1和图2中所示，该拉晶炉1A可以包括：
炉体10A，该炉体10A限定出炉体空腔FC；
坩埚20A，该坩埚20A设置在炉体10A限定出的炉体空腔FC底部并用于在制备单晶硅棒SR的初始阶段容纳固态的多晶硅硅料；
坩埚加热器30A，该坩埚加热器30A设置在坩埚20A的外周以对坩埚20A进行加热，从而使容纳在坩埚20A中的多晶硅硅料熔化成熔融硅MS；
炉体侧壁保温元件40A，该炉体侧壁保温元件40A设置在炉体10A的圆筒状炉体侧壁11A的内侧以减少由坩埚加热器30A产生的热量经由炉体侧壁11A散失；
倒锥筒状的导流筒50A，该导流筒50A设置在坩埚20A的上方以用于将比如氩气的惰性气体从上至下引导至坩埚20A中的熔融硅MS上方，其中，导流筒50A的顶部的径向尺寸小于炉体10A的径向尺寸并借助水平的导流筒保持架51A固定至炉体侧壁11A；
圆筒状的水冷套60A，该水冷套60A的径向尺寸小于导流筒50A的顶部的径向尺寸以便以在竖向方向上与导流筒50A交叠的方式设置在导流筒50A的上方，以用于对拉制出的单晶硅棒SR进行冷却；
圆环形的平板状保温盖70A，该保温盖70A为比如石墨制成的单层盖板，该保温盖70A以其外环缘74A与炉体侧壁11A接触并且其内环缘75A与水冷套60A接触的方式水平地设置在导流筒50A的导流筒保持架51A上方，以防止坩埚加热器30A产生的热量经由炉体10A的顶部散失。
坩埚加热器30A需要对坩埚20A加热到1400℃以上，因此炉体空腔FC中大量的热量会经由炉体侧壁11A以及炉体10A的顶部散失。对于热量经由炉体侧壁11A散失而言，由于目前使用的炉体侧壁保温元件40A中包括有比如隔热毡之类的隔热材料，因此能够得到较好的抑制。而对于热量经由炉体10A的顶部散失而言，目前尚未得到较好的抑制，以下进行详细描述。
热量经由炉体10A的顶部散失的路径可以分为两个部分：经由导流筒50A径向内侧散失以及经由导流筒50A径向外侧散失。对于经由导流筒50A径向内侧散失而言，由于导流筒50A从上至下对惰性气体进行引导，因此造成的热量散失较少。对于经由导流筒50A径向外侧散失而言，比如对于与导流筒保持架51A相对应的区域而言，防止热量散失则主要依靠保温盖70A，其中图1通过箭头示出了热量经由导流筒50A径向外侧的散失。
目前使用的保温盖70A的材质仅为石墨，或者说并不像炉体侧壁保温元件40A一样包括有例如隔热毡之类的隔热材料，因为比如在石墨材质的保温盖70A上也设置一层隔热毡的情况下，会在炉体空腔FC中产生污染，从而影响拉制出的单晶硅棒SR的品质。因此，在保温盖70A的材质仅为隔热效果较差的石墨的情况下，经由炉体10A的顶部具体地经由导流筒50A径向外侧散失的热量较多，无法维持炉体空腔FC内稳定的高温环境和较优的纵向温度梯度，从而影响拉晶成品率以及成品质量，另外需要坩埚加热器30A提供更多的热量，由此增大了生产成本。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种用于减少拉晶炉的热量散失的保温盖及拉晶炉，能够减少经由拉晶炉顶部散失的热量，更好地保持单晶硅棒制备过程中所需要的稳定的高温环境并改善纵向温度梯度，以保证拉晶成品率以及成品质量，并减少能量消耗从而降低生产成本。
本发明的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种用于减少拉晶炉的热量散失的保温盖，所述保温盖呈圆环形的平板状并且包括：
上盖板；
下盖板，所述下盖板接合至所述上盖板使得所述上盖板与所述下盖板之间形成密闭空间；
隔热材料，所述隔热材料填充在所述上盖板和所述下盖板之间形成的所述密闭空间中。
第二方面，本发明实施例提供了一种拉晶炉，所述拉晶炉包括：
炉体，所述炉体限定出炉体空腔；
坩埚，所述坩埚设置在所述炉体空腔底部并用于在制备所述单晶硅棒的初始阶段容纳固态的多晶硅硅料；
坩埚加热器，所述坩埚加热器设置在所述坩埚的外周以对所述坩进行加热，从而使容纳所述坩埚中的多晶硅硅料熔化成熔融硅；
倒锥筒状的导流筒，所述导流筒设置在所述坩埚的上方以用于将惰性气体从上至下引导至所述坩埚中的所述熔融硅上方，其中，所述导流筒的顶部的径向尺寸小于所述炉体的径向尺寸并借助水平的导流筒保持架固定至所述炉体的炉体侧壁；
根据第一方面所述的保温盖，所述保温盖水平地设置在所述导流筒保持架上以防止所述坩埚加热器产生的热量经由所述炉体的顶部散失，其中，所述保温盖的外环缘与所述炉体侧壁接触，所述保温盖的内环缘限定出用于所述单晶硅棒穿过的开口。
本发明实施例提供了用于减少拉晶炉的热量散失的保温盖及拉晶炉，由于保温盖中增加了隔热材料，因此在使用根据本发明的保温盖的情况下，极大地减少了经由拉晶炉顶部散失的热量，改善了保温效果，能够更好地保持单晶硅棒制备过程中所需要的稳定的高温环境并改善纵向温度梯度，以保证拉晶成品率以及成品质量，并减少能量消耗从而降低生产成本，而且由于隔热材料填充在密闭空间中，因此不会对炉体空腔造成污染，不会影响拉制出的单晶硅棒的品质。
附图说明
图1为现有的利用直拉法制备单晶硅棒的拉晶炉的示意图；
图2为图1中的虚线方框中的部件的放大示图；
图3为本发明实施例提供的一种用于减少拉晶炉的热量散失的保温盖的立体示意图；
图4为图3中示出的本发明实施例提供的一种用于减少拉晶炉的热量散失的保温盖的分解示意图；
图5为图3中示出的本发明实施例提供的一种用于减少拉晶炉的热量散失的保温盖沿着线A-A剖切的剖视示意图，其中并未示出上盖板与下盖板的具体接合方式；
图6为图3中示出的本发明实施例提供的一种用于减少拉晶炉的热量散失的保温盖沿着线A-A剖切的剖视示意图，其中示出了上盖板与下盖板之间通过胶粘剂接合；
图7为图3中示出的本发明实施例提供的一种用于减少拉晶炉的热量散失的保温盖沿着线A-A剖切的剖视示意图，其中示出了上盖板与下盖板之间通过螺纹接合；
图8为本发明实施例提供的一种拉晶炉的示意图。
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。
拉晶炉的热系统的好坏能直接影响拉晶的成品率，纵向温度梯度是关系到单晶硅晶体生长过程中，决定晶体成品质量的一个重要因素，因此拉晶炉上部的热量损失需改善。
基于此，参见图3至图5，其中，图3示出了本发明实施例提供的一种用于减少拉晶炉的热量散失的保温盖70的立体示意图，图4示出了图3中的保温盖70的分解示意图，图5示出了图3中的保温盖70沿着线A-A剖切的剖视示意图，所述保温盖70可以呈如图3中示出的圆环形的平板状并且可以包括：
上盖板71；
下盖板72，所述下盖板72接合至所述上盖板71使得所述上盖板71与所述下盖板71之间形成如图5中示出的密闭空间CS；
隔热材料73，所述隔热材料73填充在所述上盖板71和所述下盖板72之间形成的所述密闭空间CS中。
由于保温盖70中增加了隔热材料73，因此在利用根据本发明的保温盖70代替图1中示出的拉晶炉1A的保温盖70A的情况下，极大地减少了经由拉晶炉1A顶部散失的热量，改善了保温效果，能够更好地保持单晶硅棒制备过程中所需要的稳定的高温环境并改善纵向温度梯度，以保证拉晶成品率以及成品质量，并减少能量消耗从而降低生产成本，而且由于隔热材料73填充在密闭空间中，因此不会对炉体空腔FC造成污染，不会影响拉制出的单晶硅棒SR的品质。
通常，镜面具有对辐射的热量进行反射的作用，基于这一原理，在本发明的优选实施例中，参见图5至图7，所述下盖板72的下表面72S可以被抛光成光滑的镜面。由此，在利用根据本发明的保温盖70代替图1中示出的拉晶炉1A的保温盖70A的情况下，坩埚加热器30A对坩埚20A加热时，向上辐射的原本会流失的热量能够通过下表面72S的镜面反射作用返回到炉体空腔FC中，因此能够实现进一步减少热量经由拉晶炉1A顶部的散失。
对于上盖板71与下盖板72的接合方式，只要能够确保在上盖板71与下盖板72之间形成的空间是密闭的即可，然而，在本发明的优选实施例中，参见图6，所述上盖板71与所述下盖板72之间可以通过胶粘剂AD接合以形成所述密闭空间CS。通过胶粘以获得密闭的空间是容易实现的，在制造保温盖70的过程中，只需要在上盖板71与下盖板72各自的旨在彼此接合的表面上涂覆胶粘剂AD，并以将隔热材料73夹置在上盖板71与下盖板72之间的方式将上盖板71和下盖板72通过胶粘剂AD彼此接合即可，操作方便。
而在上盖板71和下盖板72之间通过胶粘剂AD接合的情况下，在本发明的优选实施例中，参见图6，所述上盖板71和所述下盖板72可以具有相同的外形。这样，能够便于保温盖70的制造，或者说可以以完全一致的方式制造保温盖70的盖板半部，该盖板半部即可以用作上盖板71，也可以用作下盖板72，由此极大地简化了保温盖70的生产工艺以及生产设备，从而实现节约成本的目的。
隔热材料73的耐久性可能是较差的，比如在使用一段时间之后保温效果变差或完全丧失，因此需要对隔热材料73进行更换。在这种情况下，需要上盖板71与下盖板72之间的接合以及拆分是可反复实现的，以便在需要对隔热材料73进行更换时将上盖板71与下盖板72拆分，并且在将隔热材料更换完成后将上盖板71和下盖板72重新接合。为了实现这一目的，在本发明的优选实施例中，参见图7，所述上盖板71与所述下盖板72之间通过螺纹接合以形成所述密闭空间CS。这样，在隔热材料73的保温效果变差需要更换的情况下，可以比如将上盖板71从下盖板72上旋松并移除，在更换成新的保温效果良好的隔热材料73之后，将上盖板71拧紧在下盖板72上以获得保温效果改善的保温盖70。
在本发明的优选实施例中，所述上盖板71和所述下盖板72可以由石墨制成。
石墨材料的中杂质在高温环境下可能会产生逸出，因此，在本发明的优选实施例中，所述保温盖70的外表面可以覆有碳化硅层或钼层，以避免石墨材料的中杂质在高温环境下逸出，影响成品单晶硅棒的品质。
在本发明的优选实施例中，所述隔热材料73可以为碳毡或碳化硅陶瓷。
参见图8，本发明实施例还提供了一种用于拉制单晶硅棒SR的拉晶炉1，所述拉晶炉1可以包括：
炉体10，所述炉体10限定出炉体空腔FC；
坩埚20，所述坩埚20设置在所述炉体空腔FC底部并用于在制备所述单晶硅棒SR的初始阶段容纳固态的多晶硅硅料；
坩埚加热器30，所述坩埚加热器30设置在所述坩埚20的外周以对所述坩埚20进行加热，从而使容纳在所述坩埚20中的多晶硅硅料熔化成熔融硅MS；
倒锥筒状的导流筒50，所述导流筒50设置在所述坩埚20的上方以用于将惰性气体从上至下引导至所述坩埚20中的所述熔融硅MS上方，其中，所述导流筒50的顶部的径向尺寸小于所述炉体10的径向尺寸并借助水平的导流筒保持架51固定至所述炉体10的炉体侧壁11；
本发明实施例提供的保温盖70，所述保温盖70水平地设置在所述导流筒保持架51上方以防止所述坩埚加热器30产生的热量经由所述炉体10的顶部散失，其中，所述保温盖70的外环缘74与所述炉体侧壁11接触，所述保温盖70的内环缘75限定出用于所述单晶硅棒SR穿过的开口O(图3中示出)。
在本发明的优选实施例中，参见图8，所述拉晶炉1还包括圆筒状的水冷套60，所述水冷套60的径向尺寸小于所述导流筒50的顶部的径向尺寸以便以在竖向方向上与所述导流筒50交叠的方式设置在所述导流筒50的上方，其中，所述保温盖70的内环缘75与所述水冷套60接触。
本发明实施例提供的拉晶炉1还可以包括与图1中示出的现有的拉晶炉1A类似的部件，比如炉体侧壁保温元件40，在此不再赘述。
需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于减少拉晶炉的热量散失的保温盖，其特征在于，所述保温盖呈圆环形的平板状并且包括：
上盖板；
下盖板，所述下盖板接合至所述上盖板使得所述上盖板与所述下盖板之间形成密闭空间；
隔热材料，所述隔热材料填充在所述上盖板和所述下盖板之间形成的所述密闭空间中。
2.根据权利要求1所述的保温盖，其特征在于，所述下盖板的下表面被抛光成光滑的镜面。
3.根据权利要求1或2所述的保温盖，其特征在于，所述上盖板与所述下盖板之间通过胶粘剂接合以形成所述密闭空间。
4.根据权利要求3所述的保温盖，其特征在于，所述上盖板和所述下盖板具有相同的外形。
5.根据权利要求1或2所述的保温盖，其特征在于，所述上盖板与所述下盖板之间通过螺纹接合以形成所述密闭空间。
6.根据权利要求1或2所述的保温盖，其特征在于，所述上盖板和所述下盖板由石墨制成。
7.根据权利要求6所述的保温盖，其特征在于，所述保温盖的外表面覆有碳化硅层或钼层。
8.根据权利要求1或2所述的保温盖，其特征在于，所述隔热材料为碳毡或碳化硅陶瓷。
9.一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉，其特征在于，包括：
炉体，所述炉体限定出炉体空腔；
坩埚，所述坩埚设置在所述炉体空腔底部并用于在制备所述单晶硅棒的初始阶段容纳固态的多晶硅硅料；
坩埚加热器，所述坩埚加热器设置在所述坩埚的外周以对所述坩埚进行加热，从而使容纳在所述坩埚中的多晶硅硅料熔化成熔融硅；
倒锥筒状的导流筒，所述导流筒设置在所述坩埚的上方以用于将惰性气体从上至下引导至所述坩埚中的所述熔融硅上方，其中，所述导流筒的顶部的径向尺寸小于所述炉体的径向尺寸并借助水平的导流筒保持架固定至所述炉体的炉体侧壁；
根据权利要求1至8中任一项所述的保温盖，所述保温盖水平地设置在所述导流筒保持架上以防止所述坩埚加热器产生的热量经由所述炉体的顶部散失，其中，所述保温盖的外环缘与所述炉体的炉体侧壁接触，所述保温盖的内环缘限定出用于所述单晶硅棒穿过的开口。
10.根据权利要求9所述的拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉还包括圆筒状的水冷套，所述水冷套的径向尺寸小于所述导流筒的顶部的径向尺寸以便以在竖向方向上与所述导流筒交叠的方式设置在所述导流筒的上方，其中，所述保温盖的内环缘与所述水冷套接触。
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- 2020-10-09 CN CN202011074656.XA patent/CN112281207A/zh active Pending
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