TWI739699B - 一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構及單晶矽生長爐 - Google Patents

一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構及單晶矽生長爐 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構，包括支撐層以及製備在所述支撐層上的層疊結構，所述層疊結構包括第一折射層和第二折射層，所述第一折射層的折射率與所述第二折射層的折射率不同，所述第一折射層和所述第二折射層相互交替設置；在此基礎上，本發明還提供一種單晶矽生長爐，所述複合隔熱結構設置在所述單晶矽生長爐中的熱屏上；本發明提供的複合隔熱結構在熱輻射波長範圍表現出具有良好的熱反射性能，當其設置在熱屏上以應用於單晶矽生長爐中時，能夠提高熱屏對熱量的反射能力，減少矽熔體熱量的耗散，起到對熱場的保溫作用，從而有利於提高熱場的品質以提高單晶矽生長的品質和產量。

Description

一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構及單晶矽生長爐
本發明涉及半導體製造領域，特別涉及一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構及單晶矽生長爐。
單晶矽是現代通信技術、積體電路及太陽能電池等行業得以持續發展的材料基礎，有著不可替代的作用。目前，從熔體中生長單晶矽主要的方法包括直拉法和區熔法。其中，由於直拉法生產單晶矽具有設備和工藝簡單、容易實現自動控制、生產效率高、易於製備大直徑單晶矽，以及晶體生長速度快、晶體純度高和完整性高等優點，直拉法得以迅速發展。
利用直拉式晶體生長爐生產單晶矽，需要將普通矽材料進行熔化，然後重新結晶。根據單晶矽的結晶規律，將原材料放在坩堝中加熱熔化，控制溫度比矽單晶的結晶溫度略高，確保熔化後的矽材料在溶液表面可以結晶。結晶出來的單晶通過直拉爐的提升系統提出液面，在惰性氣體的保護下冷卻、成形，最後結晶成一個主體為圓柱體、尾部為圓錐體的晶體。
單晶矽是在單晶爐熱場中進行生長的，熱場的優劣對單晶矽的生長和品質有很大的影響。好的熱場不僅能夠讓單晶生長順利，而且生長出的單晶品質高；而熱場條件不完備時，則可能無法生長出單晶，即使生長出單晶，也容易發生晶變，變成多晶或有大量缺陷的結構。因此，尋找較好的熱場條件，配置最佳熱場，是直拉單晶矽生長工藝非常關鍵的技術。而熱場設計中，最為關鍵的是熱屏的設計。首先，熱屏的設計直接影響固液介面的垂直溫度梯度，通過梯度的變化影響V/G比值決定晶體品質。其次，熱屏的設計會影響固液介面的水準溫度梯度，控制整個矽片的品質均勻性。最後，熱屏的合理設計會影響晶體熱歷史，控制晶體內部缺陷的形核與長大，在製備高階矽片過程中非常關鍵。
目前，常用的熱屏其外層材料為SiC鍍層或熱解石墨，內層為保溫石墨氈。熱屏的位置放置於熱場上部，呈圓筒狀，晶棒從圓筒內部被拉制出來。熱屏靠近晶棒的石墨熱反射率較低，吸收晶棒散發的熱量。熱屏外部的石墨通常熱反射率較高，利於將熔體散發的熱量放射回去，提高熱場的保溫性能，降低整個工藝的功耗。而現有的熱屏設計仍然存在溫度梯度不均勻的缺陷。
針對現有技術存在的上述缺陷，本申請旨在提供一種複合隔熱結構，能夠應用於單晶矽生長爐的熱屏上，提高熱屏的熱反射能力，提高熱場的保溫性能，從而提高爐內晶體生長的品質和產量。
針對現有技術的上述問題，本發明的目的在於提供一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構，包括支撐層以及製備在所述支撐層上的層疊結構，所述層疊結構包括第一折射層和第二折射層，所述第一折射層的折射率與所述第二折射層的折射率不同，所述第一折射層和所述第二折射層相互交替設置。
進一步地，所述層疊結構與所述支撐層通過所述第一折射層相連接，或所述層疊結構與所述支撐層通過所述第二折射層相連接。
具體地，所述第一折射層均由矽制得，所述第一折射層的厚度在0.1μm-1μm的範圍內，所述第一折射層的粗糙度小於1.5A。
具體地，所有所述第二折射層均由二氧化矽制得，所述第二折射層的厚度在0.1μm-1μm的範圍內，所述第二折射層的粗糙度小於2A。
具體地，所有所述第二折射層均由氮化矽制得，所述第二折射層的厚度在0.1μm-1μm的範圍內，所述第二折射層的粗糙度小於2A。
具體地，所述層疊結構中至少有一個所述第二折射層由氧化矽制得，且所述層疊結構中至少有一個所述第二折射層由氮化矽制得。
優選地，所述支撐層由矽、二氧化矽或鉬制得，所述支撐層的厚度在1mm-3mm範圍內。
進一步地，所述第一折射層和所述第二折射層通過物理氣相沉積、化學氣相沉積或化學機械拋光工藝制得。
優選地，所述複合隔熱結構還設有封裝層，所述封裝層用於將所述支撐層和所述層疊結構封裝。
本發明另一方面保護一種單晶矽生長爐，包括爐體、坩堝、加熱器、熱屏和上述技術方案提供的一種複合隔熱結構，所述複合隔熱結構設置在所述熱屏上； 所述爐體內設有容腔； 所述坩堝設置在所述容腔內，所述坩堝用於承載供單晶矽生長的熔體； 所述加熱器設置在所述坩堝與所述爐體之間，所述加熱器用於提供單晶矽 生長所需的熱場； 所述熱屏設置在所述坩堝的上方，所述熱屏用於反射所述坩堝散發的熱 能，所述複合隔熱結構設置在所述熱屏靠近所述坩堝的一側和/或所述複合隔熱結構設置在所述坩堝靠近生長出的單晶矽的一側。
由於上述技術方案，本發明具有以下有益效果：
本發明提供的一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構，在熱輻射波長範圍內具有良好的反射性能，當其設置在熱屏上以應用於單晶矽生長爐中時，能夠提高熱屏對熱量的反射能力，減少矽熔體熱量的耗散；有利於提高熱場的保溫性能，從而有利於提高熱場的品質以提高單晶矽生長的品質和產量。
為了更清楚地說明本發明的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它附圖。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
需要說明的是，本發明的說明書和請求項書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”等是用於區別類似的物件，而不必用於描述特定的順序或先後次序。應該理解這樣使用的資料在適當情況下可以互換，以便這裡描述的本發明的實施例能夠以除了在這裡圖示或描述的那些以外的順序實施。此外，術語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含。
實施例1：結合圖1和圖2，本實施例提供一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構，包括支撐層10以及製備在所述支撐層10上的層疊結構20，所述層疊結構20包括第一折射層21和第二折射層22，所述第一折射層21的折射率與所述第二折射層22的折射率不同，所述第一折射層21和所述第二折射層22相互交替設置。
需要說明的是，本說明書實施例中，所述第一折射層21和所述第二折射層22成對出現，即所述第一折射層21的數量和所述第二折射率層22的數量相等，從而所述層疊結構的一側以第一折射層21為終點，所述層疊結構的另一側以第二折射層22為終點；則所述層疊結構20與所述支撐層10通過所述第一折射層21或所述第二折射層22相連接。
所述第一折射層21均由矽制得，所述第一折射層21的厚度在0.1μm-1μm的範圍內，所述第一折射層21的粗糙度小於1.5A； 所述第二折射層22均由二氧化矽制得，所述第二折射層22的厚度在0.1μm-1 μm的範圍內，所述第二折射層22的粗糙度小於2A； 所述支撐層10由矽、二氧化矽或鉬制得，所述支撐層10的厚度在1mm-3mm 範圍內。
所述第一折射層21和所述第二折射層23通過物理氣相沉積、化學氣相沉積或化學機械拋光工藝逐層製備在所述支撐層10上。
所述複合隔熱結構還設有封裝層，所述封裝層用於將所述支撐層10和所述層疊結構20封裝成一個整體。
需要說明的是，對應於圖1（b）至圖1（e）這幾種結構類型，當所述層疊結構20中具有2個及2個以上的第一折射層21層時，各所述第一折射層21的厚度可以相同也可以相互不同，使得滿足各所述第一折射層21的厚度均在0.1μm-1μm的範圍內即可；同樣地，當所述層疊結構20中具有2個及2個以上的第二折射層22時，各所述第二折射層20的厚度可以相同也可以不同，使得各所述第二折射層22的厚度均在0.1μm-1μm的範圍內即可。
如圖1所示，本說明書實施例提供有具有不同數量的第一折射層-第二折射層對的複合隔熱結構，且各個複合隔熱結構中，所述第一折射層21均為0.1μm厚的矽，各所述第二折射層22均為0.1μm厚的二氧化矽，本說明書中將由二氧化矽制得的第二折射層簡記為22（Ⅰ），各所述層疊結構20均是通過所述第一折射層21與所述支撐層10相連接，即在所述支撐層10的表面先製備得到第一個所述第一折射層21後，再製備第一個第二折射層22，並交替製備後續的層級結構。所述支撐層由矽制得，所述支撐層10的厚度為1mm。各個複合隔熱結構的熱反射曲線如圖2所示。
從圖2可以看出，圖1（a）所對應的複合隔熱結構其熱反射率最低，究其原因是由於該複合隔熱結構有且僅有一個介面層。因此，第一折射層-第二折射層對的數量優選為大於1對。
隨著第一折射層-第二折射層對數量的增加、介面的數量也增加，在800nm-1400nm波段的熱反射率也隨之增加。而當第一折射層-第二折射層對的數量增加到4對及4對以上時，雖800nm-1400nm波段的熱反射率仍保持有增加的趨勢，但在1400nm至2000nm波段範圍內熱反射率發生極大的衰減，從整體上看，熱反射率的增長率並未有較大提高甚至有所降低，但與現有技術中，由石墨材料制得的隔熱結構相比，具有優良的熱反射性能。綜上，第一折射層-第二折射層對的數量在2-5對內較為合適。
本說明書實施例還提供一種單晶矽生長爐，包括爐體、坩堝、加熱器、熱屏以及上述技術方案提供的複合隔熱結構，所述複合隔熱結構設置在所述熱屏上；所述爐體內設有容腔；所述坩堝設置在所述容腔內，且位於容腔的中心位置，所述坩堝中部凹陷，用於承載供單晶矽生長的熔體；所述坩堝可由石英（二氧化矽）制得；也可以由石墨制得；或者包括由石英材料製備的內膽和由石墨材料製造的外壁，以使得坩堝內壁能夠與矽熔體直接接觸，坩堝外壁能夠起到支撐作用；
所述加熱器放置在所述坩堝的週邊，且位於所述坩堝與所述爐體之間，所述加熱器用於對所述坩堝加熱以提供單晶矽生長所需的熱場，所述加熱器與坩堝之間具有間隔，該間隔根據所述容腔的尺寸、坩堝的尺寸和加熱的溫度等參數進行調整；所述加熱器為石墨加熱器，進一步地，所述加熱器可以包括圍繞所述坩堝設置的一個或多個加熱器，以使得所述坩堝所處的熱場均勻；
所述熱屏設置在所述坩堝的上方，所述熱屏用於反射所述坩堝內承載的熔體散發的熱能，起到保溫的作用；
所述複合隔熱結構設置在所述熱屏靠近所述坩堝的一側和/或所述複合隔熱結構設置在所述坩堝靠近生長出的單晶矽的一側。
除此之外，所述單晶矽生長爐還可以包括冷卻器，所述冷卻器用於冷卻生長出來的單晶矽錠。以及所述坩堝還可以連接有升降機構和旋轉機構，所述升降機構用於實現所述坩堝的升降，所述旋轉機構用於實現所述坩堝的旋轉，所述坩堝能夠在所述加熱器提供的熱場內升降和旋轉，從而有利於置於一個良好的熱場環境內，其內部的矽熔體也能夠處於一個受熱較為均勻的熱環境中。
本說明書實施例提供的一種複合隔熱結構，當其設置在熱屏上應用於單晶矽生長爐中時，能夠提高熱屏對熱量的反射能力，降低熔融的矽熔體熱量的耗散；有利於熱場的保溫性能，從而有利於提高熱場的品質以提高單晶矽生長的品質和產量。
實施例2：在實施例1中，所述第一折射層21和所述第二折射層22是成對出現的，且當第一折射層-第二折射層對的數量在2對或3對時，其構成的複合隔熱結構具有較好的熱反射性能。
與實施例1不同，本實施例提供的所述複合隔熱結構中，所述第一折射層21的數量與所述第二折射層22的數量不相等。
如圖3（a）所示，本說明書實施例提供的一種複合隔熱結構包括3個所述第一折射層21和2個所述第二折射層22，所述第一折射層21的折射率和所述第二折射層22的折射率不同，所述第一折射層21和所述第二折射層22相互交替設置，從而所述層疊結構20的兩側均以所述第一折射層21為終點，且所述支撐層10與所述層疊結構20通過所述第一折射層21相連接。
所述層疊結構20中的各所述第一折射層21均由矽制得，所述第一折射層21的厚度均為0.3μm，所述第一折射層21的粗糙度為小於1A； 所述層疊結構20中的兩個所述第二折射層22均由二氧化矽制得，即22（Ⅰ） ，所述第二折射層22（Ⅰ）的厚度為0.3μm，所述第二折射層22的粗糙度為小於1A； 所述支撐層10由矽制得，所述支撐層10的厚度為3mm。
以及如圖3（b）所示，本說明書實施例還提供一種複合隔熱結構包括3個第二折射層22和2個所述第一折射層21，所述第一折射層21的折射率和所述第二折射層22的折射率不同，且所述第一折射層21與所述第二折射層22相互交替設置，從而所述層疊結構20的兩側均以所述第二折射層22為終點，所述支撐層10和所述層疊結構20通過所述第二折射層22相接處。
所述層疊結構20中的各所述第一折射層21均由矽制得，所述第一折射層21的厚度為1μm，所述第一折射層21的粗糙度小於1A； 所述層疊結構20中的各所述第二折射層22均由氮化矽制得，本說明書中將 由氮化矽制得的所述第二折射層簡記為22（Ⅱ），所述第二折射層22（Ⅱ）的厚度為0.1μm，所述第二折射層的粗糙度小於2A； 所述支撐層10由二氧化矽制得，所述支撐層的厚度在1mm-3mm範圍內。
需要說明的是，本實施例中所述第一折射層21和所述第二折射層22的數量僅是示例性的，所述第一折射層21和所述第二折射層22還可以具有不同於本實施例中的層疊結構所提供的數量。
如圖4所示，為圖3（a）和圖3（b）對應的兩種複合隔熱結構的熱反射曲線圖。從圖中可以看出，這兩種複合隔熱結構的熱反射曲線與實施例1中圖1（d）所對應的複合隔熱結構的熱反射曲線相類似，且3（a）和3（b）的熱反射性能略優於1（d）的熱反射性能。這是由於3（a）和3（b）所對應的兩種複合隔熱結構中介面的數量與1（d）所對應的複合隔熱結構的介面數量相當，從而，當所述層疊結構中的各層均在合理的厚度範圍內時，均具有比現有技術優良的熱反射性能。
實施例3：本實施例提供一種複合隔熱結構，包括支撐層10和製備在所述支撐層10上的層疊結構，所述層疊結構20包括第一折射層21和第二折射層22，所述第一折射層21的折射率與所述第二折射層22的折射率不同，所述第一折射層21與所述第二折射層22相互交替設置，與實施例1不同的是：所述第二折射層22至少有兩個，且所述層疊結構20中至少有一個所述第二折射層22由二氧化矽制得，由二氧化矽制得的所述第二折射層22的厚度為1μm，由二氧化矽制得的所述第二折射層的粗糙度小於1A；所述層疊結構20中至少有一個所述第二折射層22由氮化矽制得，由氮化矽制得所述第二折射層22的厚度為1μm，由氮化矽制得的所述第二折射層22的粗糙度小於1A。
所述層疊結構20中的第一折射層21由矽制得，所述第一折射層21的厚度為0.5μm，所述第一折射層21的粗糙度小於1.2A。
作為示例的，本說明書實施例提供的用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構，如圖5（a）所示，其支撐層10由鉬制得，所述支撐層10的厚度為1mm；在所述支撐層10上先生長有由二氧化矽制得的第一個第二折射層22（Ⅰ），再在其上生長有由矽制得的第一個第一折射層21，再生長有由氮化矽制得的第二個第二折射層22（Ⅱ），最後生長有由矽制得的第二個第一折射層21。
如圖5（b）所示的複合隔熱結構其與5（a）的不同之處在於，所述支撐層10為厚度為3mm的鉬材料制得，所述層疊結構20遠離所述支撐層10的一側還包括第三個由氮化矽制得的所述第二折射層22（Ⅱ），第三個所述第二折射層的厚度為0.3μm。
如圖6所示，為本說明書實施例中圖5（a）和圖5（b）所對應的用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構的熱反射曲線圖。如圖所示，在由鉬材料制得的支撐層的基礎上，得到的複合隔熱結構在1200nm-2000nm波段內其熱反射性能極佳。
綜合以上各實施例可知，由第一折射層、第二折射層交替設置形成的介面的數量在2-9個的範圍內較為適宜，一味的增加介面數量，並不能實現熱反射性能的單調性增加，反而不僅造成熱反射性能在某些波段內的缺陷，還會造成製造成本的提高。
需要說明的是，本說明書重點描述的是各實施例之間的不同之處，除上述各實施例之外，還可以將所述複合隔熱結構中各個層級的材料加以組合以得到不同於上述各實施例中提供的複合隔熱結構，在各個層級的厚度在上述範圍內時均可獲得相似或相當的熱反射效果。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附請求項而不是上述說明限定，因此旨在將落在請求項的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將請求項中的任何附圖標記視為限制所涉及的請求項。
10:支撐層 20:層疊結構 21:第一折射層 22:第二折射層 22（Ⅰ）:由二氧化矽制得的第二折射層 22（Ⅱ）:由氮化矽制得的第二折射層
圖1是本發明實施例提供的用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構的結構示意圖。 圖2是圖1中各複合隔熱結構的熱反射曲線圖。 圖3是本發明另一個實施例提供的用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構的結構示意圖。 圖4是圖3中各複合隔熱結構的熱反射曲線圖。 圖5是本發明另一個實施例提供的用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構的結構示意圖。 圖6是圖5中各複合隔熱結構的熱反射曲線圖。
10:支撐層
20:層疊結構
21:第一折射層
22:第二折射層

Claims (10)

  1. 一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構，其中，包括支撐層以及製備在所述支撐層上的層疊結構，所述層疊結構包括第一折射層和第二折射層，所述第一折射層的折射率與所述第二折射層的折射率不同，所述第一折射層和所述第二折射層相互交替設置。
  2. 根據請求項1所述的一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構，其中，所述層疊結構與所述支撐層通過所述第一折射層相連接，或所述層疊結構與所述支撐層通過所述第二折射層相連接。
  3. 根據請求項2所述的一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構，其中，所述第一折射層均由矽制得，所述第一折射層的厚度在0.1μm-1μm的範圍內，所述第一折射層的粗糙度小於1.5A。
  4. 根據請求項3所述的一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構，其中，所有所述第二折射層均由二氧化矽制得，所述第二折射層的厚度在0.1μm-1μm的範圍內，所述第二折射層的粗糙度小於2A。
  5. 根據請求項3所述的一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構，其中，所有所述第二折射層均由氮化矽制得，所述第二折射層的厚度在0.1μm-1μm的範圍內，所述第二折射層的粗糙度小於2A。
  6. 根據請求項3所述的一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構，其中，所述層疊結構中至少有一個所述第二折射層由氧化矽制得，且所述層疊結構中至少有一個所述第二折射層由氮化矽制得。
  7. 根據請求項4或5或6所述的一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構，其中，所述支撐層由矽、二氧化矽或鉬制得，所述支撐層的厚度在1mm-3mm範圍內。
  8. 根據請求項7所述的一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構，其中，所述第一折射層和所述第二折射層通過物理氣相沉積、化學氣相沉積或化學機械拋光工藝制得。
  9. 根據請求項1所述的一種用於單晶矽生長爐的複合隔熱結構，其中，所述複合隔熱結構還設有封裝層，所述封裝層用於將所述支撐層和所述層疊結構封裝。
  10. 一種單晶矽生長爐，其中，包括爐體、坩堝、加熱器、熱屏和如請求項1至9任意一項所述的複合隔熱結構，所述複合隔熱結構設置在所述熱屏上； 所述爐體內設有容腔； 所述坩堝設置在所述容腔內，所述坩堝用於承載供單晶矽生長的熔體； 所述加熱器設置在所述坩堝與所述爐體之間，所述加熱器用於提供單晶矽生長所需的熱場； 所述熱屏設置在所述坩堝的上方，所述熱屏用於反射所述坩堝內熔體散發的熱能，所述複合隔熱結構設置在所述熱屏靠近所述坩堝的一側和/或所述複合隔熱結構設置在所述坩堝靠近生長出的單晶矽的一側。
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