CN201162060Y - 一种直拉硅单晶生长的热场结构 - Google Patents

一种直拉硅单晶生长的热场结构 Download PDF

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李振国
李定武
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Abstract

本实用新型公开了一种直拉硅单晶生长的热场结构，包括炉体、炉体内设置的石英坩埚和加热器，炉体侧壁下部设置有通孔，该通孔与抽气管道连通，抽气管道与机械泵相连接，炉体的顶部与氩气输送装置相连通，炉体的底部设置有炉底盘，炉底盘的上面自下而上依次安装有下保温罩、主保温罩和副保温罩，保温罩外侧均包裹有保温材料，保温材料与炉体的内侧壁之间留有空隙，副保温罩的侧壁设置有排气孔，该排气孔将热场内部和保温材料与炉体的内侧壁之间的空隙连通。避免了“掉渣”现象的发生，提高成品率，并可防止大量挥发物进入抽气管道和机械泵，减轻对机械泵的磨损，延长使用寿命，节约清洗抽气管道和机械泵的时间，提高生产效率。

Description

一种直拉硅单晶生长的热场结构
技术领域
本实用新型属于基础材料制造技术领域，涉及一种硅单晶生长的热场，具体涉及一种直拉硅单晶生长的热场结构。
背景技术
单晶硅是信息社会最重要的基础材料，多采用直拉法工艺生产：将多晶硅原料放入石英坩埚，加热熔化。调整温度到硅的凝固点，将籽晶(晶体生长的种子)与熔硅接触，控制温度和拉速(籽晶向上提拉的速度)，使熔硅从籽晶长大到目标直径，提高拉速使晶体保持等直径生长。坩埚中的熔硅快用完时，调整温度和拉速，使晶体直径逐渐缩小，直至成为锥形。最后提升晶体使之脱离熔硅液面，完成一次晶体生长过程。
单晶生长过程中，熔硅在石英坩埚中不断发生反应，产生大量以一氧化硅为主的挥发物。这些挥发物附着在热场内壁上，一旦掉落在熔硅液面，将导致晶体报废，这就是所谓的“掉渣”现象。因此，在整个晶体的生长过程中，为防止“掉渣”现象出现，必须不断地从热场顶部送入氩气，并用机械泵从热场底部将氩气抽出，形成自上而下的氩气流，通过氩气流将挥发物从热场中排出。
直拉法工艺的核心是热场的结构。良好的热场结构不仅能防止“掉渣”现象的发生，生长出质量合格的硅单晶，提高成品率，还能降低拉晶时的能耗，延长石墨部件的使用寿命。
目前，热场的主流结构有两种。一种是保温系统的上部和底部均敞开，保温性能差，能耗很高。另一种是保温系统密闭，保温性能很好。但这两种热场存在以下缺点：氩气流携带硅单晶生长过程中产生的挥发物自上而下通过热场，挥发物对热场下半部的石墨部件沾污和侵蚀，易产生“掉渣”现象，气流进入抽空管道和机械泵后，挥发物附着在内壁上，需要花费大量的时间去清洗，降低了生产效率，机械泵磨损严重，使用寿命缩短。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种直拉硅单晶生长的热场结构，改变氩气流在热场中的流动路线，将硅单晶生长过程中产生的大量一氧化硅挥发物从热场上部排出，避免挥发物粘附于热场内壁及热场下半部的石墨部件，并可防止大量挥发物进入抽空管道和机械泵。
本实用新型所采用的技术方案是，一种直拉硅单晶生长的热场结构，包括炉体、炉体内设置的石英坩埚和加热器，炉体侧壁下部设置有通孔，该通孔与抽气管道连通，抽气管道与机械泵相连接，炉体的顶部与氩气输送装置相连通，炉体的底部设置有炉底盘，炉底盘的上面自下而上依次安装有下保温罩、主保温罩和副保温罩，所述的下保温罩、主保温罩和副保温罩外侧均包裹有保温材料，下保温罩、主保温罩和副保温罩外侧包裹的保温材料与炉体的内侧壁之间留有空隙，副保温罩的侧壁设置有排气孔，该排气孔将热场内部和保温材料与炉体的内侧壁之间的空隙连通。
本实用新型的特征还在于，
副保温罩的侧壁设置的排气孔为对称均布的2～24个通孔。
副保温罩的侧壁的通孔面积不小于30mm2。
副保温罩的侧壁设置的通孔的中心与加热器上沿的垂直距离大于60mm。
主保温罩与副保温罩之间设置有一过渡盘。
过渡盘的内径小于主保温罩的内径。
副保温罩的内径与过渡盘的内径相同。
本实用新型采用的热场结构，使一氧化硅挥发物既不会粘附在热场内，也不会进入抽空管道和机械泵，有利于提高成品率，同时减少对机械泵的磨损，延长机械泵的使用寿命，节约清洗抽空管道和机械泵的时间，提高生产效率，还可进一步降低能耗，延长石墨部件的使用寿命。
附图说明
图1是现有技术热场的一种结构示意图。
图2是现有技术热场的另一种结构示意图。
图3是本实用新型热场的结构示意图。
图中，1.加热器，2.主保温罩，3.石墨三瓣埚帮，4.石墨埚托，5.石墨托杆，6.下保温罩，7.护盘压片，8.主保温罩保温材料，9.保温盖，10.导流筒，11.副保温罩，12.炉底盘，13.隔热盘，14.副保温罩保温材料，15.过渡盘，16.炉体，17.下保温罩保温材料，A.氩气流流动路线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
现有技术的一种热场结构如图1所示，氩气从顶部进入热场，在机械泵作用下，氩气自上而下通过热场，进入抽气管道和机械泵，在热场中形成流动路线如A所示的氩气流。氩气流携带硅单晶生长过程中产生的大量挥发物经加热器1与石英坩埚之间的空隙向下流动，先后经过石墨三瓣埚帮3、石墨埚托4、隔热盘13和石墨托杆5，然后自炉体16侧壁下部的通孔排出热场，进入抽气管道和机械泵。
现有技术的另一种热场结构如图2所示，氩气从顶部进入热场，在机械泵作用下，氩气自上而下通过热场，进入抽气管道和机械泵，在热场中形成流动路线如A所示的氩气流。氩气流携带硅单晶生长过程中产生的大量挥发物经加热器1与主保温罩2之间的空隙向下流动，经过石墨三瓣埚帮3、石墨埚托4、隔热盘13和石墨托杆5，然后自炉体16侧壁下部的通孔排出热场，进入抽气管道和机械泵。
上述两种现有技术的热场结构，氩气流在热场内部自上至下流动，在排出挥发物的同时，挥发物会粘附在热场下部的石墨部件上，对这些部件造成沾污和侵蚀。易出现“掉渣”现象，大量挥发物直接进入抽气管道和机械泵，附着在管壁上，需要花费大量时间去清洗，也加快了机械泵的磨损。
本实用新型直拉硅单晶生长的热场结构，如图1所示，包括炉体16，炉体16底部加工有中心孔，炉体16侧壁的下部设置有通孔，炉体16底部的内侧安装有炉底盘12，炉底盘12的上面设置有环形的下保温罩6，下保温罩6内、炉底盘12的上面设置有3～10层石墨毡，石墨毡的上面有护盘压片7。炉底盘12、石墨毡和护盘压片7均设置有相应的两个电极孔和一个中心孔，下保温罩6侧壁的外侧包裹有下保温罩保温材料17，下保温罩保温材料17的外侧与炉体16侧壁的内侧之间留有空隙。
炉体16底部固定安装有两个电极，两个电极上固定连接有加热器1，下保温罩6的上面、炉体16侧壁内侧与加热器1外侧之间设置有主保温罩2，主保温罩2侧壁外侧包覆有主保温罩保温材料8，主保温罩保温材料8的外侧与炉体16侧壁内侧之间留有空隙。
主保温罩2的上面固定有过渡盘15，过渡盘15的内径小于主保温罩2的内径。过渡盘15的上面固定安装有副保温罩11，副保温罩11的外侧包裹有副保温罩保温材料14，副保温罩保温材料14外侧与炉体16侧壁内侧之间留有空隙。副保温罩11的侧壁设置有排气孔，该排气孔贯通副保温罩保温材料14，将热场内部与副保温罩保温材料14与炉体16侧壁内侧之间的空隙连通。副保温罩11的上面是保温盖9，保温盖9的上方与导流筒10的一端固定连接，导流筒10的另一端呈自由状伸入热场内。
炉体16底部设置有石墨托杆5，石墨托杆5的一端从炉体16底部的中心孔伸出，石墨托杆5的另一端与隔热盘13固定连接，隔热盘13的上面连接有石墨埚托4，石墨埚托4的上面固定连接有石墨三瓣埚帮3，石墨三瓣埚帮3内安装有石英坩埚。
本实用新型热场的工作过程：
将炉体16侧壁下部的通孔与抽空管道连通，抽空管道和机械泵相连接，热场的顶部与氩气输送装置连通，将原料多晶硅放入石英坩埚。电极接通电源，加热器1发出热能给石英坩埚加热，热场内部的温度不断升高，当温度达到硅的熔点时，石英坩埚内的多晶硅熔化，成为熔融液。打开氩气输送装置将氩气送入热场，同时打开机械泵，使氩气通过热场上部的副保温罩11侧壁上的排气孔，进入副保温罩保温材料14外侧与炉体16侧壁内侧之间的空隙，气流继续向下通过主保温罩保温材料8外侧与炉体16侧壁内侧之间的空隙和下保温罩保温材料17外侧与炉体16侧壁内侧之间的空隙，从炉体16侧壁下部的通孔排出，进入抽空管道和机械泵，在热场中形成流动路线如A所示的氩气流。
调整热场内的温度至硅的凝固点，并将籽晶与熔硅接触，控制温度和拉速，使熔硅从籽晶长大到目标直径，然后提高拉速使晶体保持等直径生长。坩埚中的熔硅快用完时，控制拉速和温度，使晶体直径逐渐减小，直至成为锥形。最后提升晶体使之脱离熔硅液面，完成晶体生长过程。本实用新型采取的热场结构，使在此过程中产生的大量一氧化硅挥发物随氩气流从副保温罩11和副保温罩保温材料14侧壁上的排气孔排出，不再经过加热器1、主保温罩2、石墨三瓣埚帮3和下保温罩6，避免了一氧化硅对这些部件的沾污和侵蚀。携带挥发物的氩气流进入炉体16侧壁内侧与保温罩保温材料之间的空隙，由于炉体16的侧壁有夹层，夹层中通有冷水，因此炉体16侧壁的温度很低，大多数挥发物都附着在炉体16的侧壁内侧，只有极少量的挥发物进入抽空管道和机械泵。避免了“掉渣”现象的发生，有利于提高成品率；同时也避免了大量的挥发物进入抽气管道和机械泵，减少对机械泵的磨损，延长其使用寿命，节约清洗抽空管道和机械泵的时间，提高生产效率。
本实用新型的热场结构在主保温罩2和副保温罩11之间设置有过渡盘15，过渡盘15的内径小于主保温罩2的内径，使得副保温罩11的内径也相应缩小。副保温罩11的内径缩小，相应地增加了副保温罩保温材料14的厚度，同时，副保温罩11内的空间容积随之减小。
热场内的热量主要从两个方面散失：一方面是生长出来的晶体逸散热量，另一方面是进入热场的氩气进行热交换。单位时间内晶体热辐射到副保温罩11内壁的热量是一定的。副保温罩保温材料14的厚度增加，由副保温罩11内壁散失到炉体16内壁的热量相应减少，副保温罩11内的温度增加。设t1为晶体表面温度，t2为副保温罩内壁温度，，t2增加了，所以Δt(Δt＝t1-t2)减小，根据热量公式ΔQ＝c·m·Δt，Δt减小，导致ΔQ减小。再由于副保温罩11内的空间容积减小，氩气进行热交换的热量散失也减小，总热量散失随之减小，故而进一步提高了热场的保温性能，降低能耗。试验表明，采取该项措施后，能耗降低了10％。

Claims (7)

1.一种直拉硅单晶生长的热场结构，包括炉体(16)、炉体(16)内设置的石英坩埚和加热器(1)，炉体(16)侧壁下部设置有通孔，该通孔与抽气管道连通，抽气管道与机械泵相连接，炉体(16)的顶部与氩气输送装置相连通，炉体(16)的底部设置有炉底盘(12)，炉底盘(12)的上面自下而上依次安装有下保温罩(6)、主保温罩(2)和副保温罩(11)，所述的下保温罩(6)、主保温罩(2)和副保温罩(11)外侧均包裹有保温材料，其特征在于，下保温罩(6)、主保温罩(2)和副保温罩(11)外侧包裹的保温材料与炉体(16)的内侧壁之间留有空隙，所述的副保温罩(11)的侧壁设置有排气孔，该排气孔将热场内部和保温材料与炉体(16)内侧壁之间的空隙连通。
2.根据权利要求1所述的直拉硅单晶生长的热场结构，其特征在于，所述的副保温罩(11)的侧壁设置的排气孔为对称均布的2～24个通孔。
3.根据权利要求1或2所述的直拉硅单晶生长的热场结构，其特征在于，所述的副保温罩(11)的侧壁的通孔面积不小于30mm2。
4.根据权利要求3所述的直拉硅单晶生长的热场结构，其特征在于，所述的副保温罩(11)的侧壁设置的通孔的中心与加热器(1)上沿的垂直距离大于60mm。
5.根据权利要求1所述的直拉硅单晶生长的热场结构，其特征在于，所述的主保温罩(2)与副保温罩(11)之间设置有一过渡盘(15)。
6.根据权利要求5所述的直拉硅单晶生长的热场结构，其特征在于，所述的过渡盘(15)的内径小于主保温罩(2)的内径。
7.根据权利要求5所述的直拉硅单晶生长的热场结构，其特征在于，所述的副保温罩(11)的内径与过渡盘(15)的内径相同。
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