TWI760031B - 一種熱屏障裝置及熔煉爐 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種熱屏障裝置及熔煉爐，其中，熱屏障機構包括屏底和屏壁， 屏底中心設有通孔，通孔用於通過待提拉的熔體，屏底包括第一層板、第二層板和側板，側板的一端與第一層板連接，第一層板靠近坩堝，第二層板遠離坩堝，側板另一端與第二層板連接，側板的一側、第一層板和第二層板圍成通孔， 側板的另一側、第一層板、第二層板和屏壁圍成容置空腔；隔熱機構設置在容置空腔內，隔熱機構包括隔熱件和保溫件，隔熱件設置在側板一側，隔熱件的高度不小於側板高度的二分之一，隔熱件用於隔絕坩堝的熱量散發至待提拉的熔體，容置空腔內部除隔熱件外，填充保溫件；本發明能夠提高熱屏與坩堝之間溫度梯度，便於快速形成矽晶棒，提高矽晶棒的生產效率。

Description

一種熱屏障裝置及熔煉爐
本發明涉及半導體製備技術領域，特別涉及一種熱屏障裝置及熔煉爐。
單晶矽是製造半導體矽器件的原料，用於制大功率整流器、大功率電晶體、二極體、開關器件等。熔融的單質矽在凝固時矽原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結合起來便結晶成單晶矽。單晶矽的制法通常是先制得多晶矽或無定形矽，然後用直拉法或懸浮區熔法從熔體中生長出棒狀單晶矽。
單晶爐是一種在惰性氣體(氮氣、氦氣為主)環境中，用石墨加熱器將多晶矽等多晶材料熔化，用直拉法生長無錯位單晶的設備。
目前，大尺寸矽單晶尤其是 12 寸以上矽單晶主要通過直拉法製備獲得。直拉法是通過將 11 個 9 的高純多晶矽在石英坩堝內熔化，利用籽晶經過引晶、放肩、等徑、收尾製備矽單晶。該方法最關鍵的是由石墨及保溫材料組成的熱場， 熱場的設計直接決定了晶體的品質、工藝、能耗等。
在整個熱場設計中，最為關鍵的就是熱屏的設計。首先熱屏的設計直接影響固液介面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，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，常用的熱屏的外層為 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，晶棒從圓桶內部被拉制出來。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。
現有的熱屏內部的保溫石墨氈吸收熱量，會使熱屏靠近晶棒一側的溫度交高與固液介面界之間的溫度梯度較小，而溫度梯度直接影響到直拉法的拉速，導致直拉法的拉速較慢，形成晶棒的速度較慢，生產速率較低。因此，上述技術問題是本領域技術人員需要效解決的。
針對現有技術的上述問題，本發明的目的在於提供一種熱屏障裝置及熔煉爐，能夠提高熱屏與坩堝之間溫度梯度，溫度梯度越大，拉速越快，便於快速形成矽晶棒，提高矽晶棒的生產效率。
為了解決上述問題，本發明提供一種熱屏障裝置，包括：熱屏障機構和隔熱機構；所述熱屏障機構包括屏底和屏壁，所述屏底中心設有通孔，所述通孔用於通過待提拉的熔體，所述屏底包括第一層板、第二層板和側板，所述側板的一端與所述第一層板連接，所述第一層板靠近坩堝，所述第二層板遠離所述坩堝， 所述側板另一端與所述第二層板連接，所述側板的一側、所述第一層板和所述第二層板圍成所述通孔，所述側板的另一側、所述第一層板、所述第二層板和所述屏壁圍成容置空腔；所述隔熱機構設置在所述容置空腔內部，所述隔熱機構包括隔熱件和保溫件，所述隔熱件設置在所述側板的另一側，所述隔熱件的高度不小於所述側板高度的二分之一，所述隔熱件用於隔絕所述坩堝的熱量散發至所述待提拉的熔體， 所述容置空腔內部除所述隔熱件外，全部填充所述保溫件。
進一步地，所述第一層板與所述坩堝的埠平行設置。
進一步地，所述第二層板向所述屏壁方向傾斜，所述第二層板的傾斜角度為 1°~10°。
進一步地，所述側板的高度為 30~50mm。進一步地，所述隔熱件與所述側板貼合。
進一步地，所述屏壁為單層結構，所述單層結構的一端與所述第一層板連接，所述單層結構的另一端與爐體內壁連接。
進一步地，所述屏壁為雙層結構，所述雙層結構的一端分別與所述第一層板和所述第二層板連接，所述雙層結構的另一端與爐體內壁連接，所述雙層結構的內部填充所述保溫件。
進一步地，所述保溫件為保溫材料製備的多孔結構件，所述保溫材料為石墨。
進一步地，所述隔熱件為複合材料製備的隔熱板。
本發明還保護了一種熔煉爐，所述熔煉爐用於單矽晶體生長，包括上述任意一項所述的屏障裝置，坩堝和加熱器，所述熔煉爐具有空腔結構，所述空腔結構內設有所述坩堝，所述坩堝用於承載熔體，所述加熱器設置在所述坩堝外部，所述加熱器用於加熱所述坩堝內的單矽晶熔體，所述屏障裝置設置在所述坩堝埠上方，通過所述屏障裝置的移動使單矽晶熔體生長。
由於上述技術方案，本發明具有以下有益效果：發明的一種熱屏障裝置及熔煉爐，在熱屏裝置的內部設有一個隔熱板，隔熱板將隔絕坩堝傳輸的熱量至晶棒處，提高熱屏與坩堝之間溫度梯度，溫度梯度越大，拉速越快，便於快速形成矽晶棒，提高矽晶棒的生產效率。
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。
此處所稱的“一個實施例”或“實施例”是指可包含于本發明至少一個實現方式中的特定特徵、結構或特性。在本發明的描述中，需要理解的是，術語“上”、“下”、“左”、“右”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的設備或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含的包括一個或者更多個該特徵。而且，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。
實施例一：本實施例一提供了一種熱屏障裝置，如圖 1 和圖 2 所示，包括：熱屏障機構 1 和隔熱機構 2；所述熱屏障機構 1 包括屏底 11 和屏壁 12，所述屏底 11 中心設有通孔 111，所述通孔 111 用於通過待提拉的熔體，所述屏底 11 包括第一層板 112、第二層板 113 和側板 114，所述側板 114 的一端與所述第一層板 112 連接，所述第一層板 112 靠近坩堝，所述第二層板 113 遠離所述坩堝，所述側板 114 另一端與所述第二層板 113 連接，所述側板 114 的一側、所述第一層板 112 和所述第二層板113 圍成所述通 111，所述側板 114 的另一側、所述第一層板 112、所述第二層板 113 和所述屏壁 12 圍成容置空腔 115；所述隔熱機構 2 設置在所述容置空腔 115 內部，所述隔熱機構 2 包括隔熱件 21 和保溫件 22，所述隔熱件 21 設置在所述側板 114 的另一側，所述隔熱件 21 的高度不小於所述側板 114 高度的二分之一，所述隔熱件 21 用於隔絕所述坩堝的熱量散發至所述待提拉的熔體，所述容置空腔 115 內部除所述隔熱件 21 外，全部填充所述保溫件 22。
具體地，所述第一層板 112 與所述坩堝的埠平行設置。
具體地，所述第二層板 113 向所述屏壁 12 方向傾斜，所述第二層板 113 的傾斜角度為 1°~10°，優選地，所述第二層板 113 的傾斜角度為 5°，所述第二層板 113 與所述側板連接的一端低於所述第二層板 113 與所述屏壁 12 連接的一端。
具體地，所述側板 114 的高度為 30~50mm，所述側板 114 的高度隨著根據矽晶棒的直徑進行改變，生產矽直徑較大的矽晶棒，對應的所述側板 114 的高度也較大，這樣會保證矽晶棒的冷卻速率，便於快速形成矽晶棒。
具體地，所述屏壁 12 為單層結構，所述單層結構的一端與所述第一層板 112連接，所述單層結構的另一端與爐體內壁連接。  具體地，所述隔熱件 21 與所述側板 114 貼合。
在一些實施例中，所述隔熱件 21 與所述側板 114 之間具有間隙，所述間隙範圍為 1~3mm。
具體地，所述隔熱件 21 為隔熱板，所述隔熱板包括若干個隔熱膜組。
進一步地，如圖 3 所示，所述隔熱板至少包括兩組隔熱膜組，所述隔熱膜組包括第一折射層 211 和第二折射層 212，所述第一折射層 211 的折射率為第一折射率，所述第二折射層 212 的折射率為第二折射率，所述第一折射率與所述第二折射率不同。
進一步地，所述第一折射層 211 的材料為矽或鉬，所述第二折射層 212 的材料為石英。
在一些實施例中，如圖 4 所示，所述隔熱板至少包括支撐層 213 和一組隔熱膜組，所述隔熱膜組包括第一折射層 211 和第二折射層 212，所述第一折射層211 的折射率為第一折射率，所述第二折射層 212 的折射率為第二折射率，所述第一折射率與所述第二折射率不同，所述支撐層 213、所述第一折射層 211 與所述第二折射層 212 依次貼合連接。
進一步地，所述第一折射層 211 的材料為矽，所述第二折射層 212 的材料為石英或氮化矽，所述支撐層 213 的材料為矽。
具體地，所述保溫件 22 為保溫材料製備的多孔結構件，所述保溫材料為石墨。
本實施例一還提供了一種熔煉爐，所述熔煉爐用於單矽晶體生長，如圖 4 所示，所述熔煉爐包括上述任意一項所述的熱屏障裝置、坩堝 3 和加熱器 4，所述熔煉爐具有空腔結構，所述空腔結構內設有所述坩堝 3，所述坩堝 3 用於承載熔體，所述加熱器 4 設置在所述坩堝 3 外部，所述加熱器 4 用於加熱所述坩堝 3內的單矽晶熔體，所述屏障裝置設置在所述坩堝 3 埠上方，通過所述屏障裝置的移動使單矽晶熔體生長。
具體地，所述坩堝 3 包含石英坩堝，可耐高溫，用以承載熔融狀態的矽熔體。所述熔體坩堝 3 由一轉軸 5 支撐，所述轉軸 5 帶動所述坩堝 3 旋轉，以提高所述坩堝 3 內的矽熔體的加熱均勻性。
進一步地，所述加熱器 4 設置在所述空腔結構內且分佈於所述坩堝 3 外周，用以提供所述坩堝 3 的熱場。
進一步地，所述加熱器 4 可設置為環形包圍所述坩堝 3，以提高熱場的均勻性。
具體地，所述單矽晶熔體生長的方法，包括如下步驟：添加原料至所述坩堝 3 中；通過所述加熱器 4 對所述坩堝 3 進行加熱，使所述坩堝 3 內的原料至融化狀態；所述坩堝 3 產生的熱量傳輸至所述熱屏障裝置中，所述熱屏障機構 1吸收熱量，吸收的熱量通過所述隔熱板 21 與矽晶棒隔絕，使單矽晶熔體生長時的溫度梯度較大，便於提高單矽晶熔體生長的拉速。
本實施例一提供了一種熱屏障裝置及熔煉爐，在熱屏裝置的內部設有一個隔熱板，隔熱板將隔絕坩堝傳輸的熱量至晶棒處，提高熱屏與坩堝之間溫度梯度，溫度梯度越大，拉速越快，便於快速形成矽晶棒，提高矽晶棒的生產效率。
實施例二：本實施例二提供了一種熱屏障裝置，與實施例一的區別在於，所述隔熱件21 為隔熱空腔，所述隔熱空腔內部填充保溫件。
進一步地，所述隔熱空腔由至少兩層隔熱膜組圍成，所述隔熱膜組包括第一折射層 211 和第二折射層 212，所述第一折射層 211 的折射率為第一折射率，所述第二折射層 212 的折射率為第二折射率，所述第一折射率與所述第二折射率不同。
進一步地，所述第一折射層 211 的材料為矽或鉬，所述第二折射層 212 的材料為石英。
具體地，所述隔熱空腔至少支撐層 213 和一組隔熱膜組圍成，所述隔熱膜組包括第一折射層 211 和第二折射層 212，所述第一折射層 211 的折射率為第一折射率，所述第二折射層 212 的折射率為第二折射率，所述第一折射率與所述第二折射率不同，所述支撐層 213、所述第一折射層 211 與所述第二折射層 212依次貼合連接。
進一步地，所述第一折射層 211 的材料為矽，所述第二折射層 212 的材料為石英或氮化矽，所述支撐層 213 的材料為矽。
具體地，所述隔熱空腔內部填充保溫件也為保溫材料製備的多孔結構件， 所述保溫材料為石墨。
具體地，本實施例二中其他部分與實施例一相同，在此不再贅述。
本實施例二提供了一種熱屏障裝置及熔煉爐，由於所述隔熱件 21 只為隔熱膜組或支撐層和一組隔熱膜組時，較薄的厚度無法做到完全隔熱，還會有一部分熱量傳輸至矽晶棒，導致溫度梯度無法進行繼續擴大，而較厚的厚度增加成本和拉力，採用隔熱空腔，隔熱空腔由兩層隔熱膜組圍成或者隔熱膜組或支撐層和一組隔熱膜組圍成，能夠隔熱空腔遠離矽晶棒的一側將大部分熱量隔絕在外面，剩餘一部分熱量由隔熱空腔內的保溫材料吸收，並通過隔熱空腔靠近矽晶棒的一側進行隔熱，能夠實現完全隔絕熱量，隔絕熱量效果好，能夠大幅度提高拉伸，同時只需要較薄的厚度，減少生產成本和拉力。
實施例三：本實施例三提供了一種熱屏障裝置，與實施例一的區別在於，如圖 5 所示，所述隔熱機構 2 還包括橫向隔熱件 23，所述橫向隔熱件 23 設置在所述第二層板113 靠近所述第一層板 112 一側。
具體地，所述橫向隔熱件 23 與所述第二層板 113 貼合或者存在間隙，所述間隙範圍為 1~3mm。
進一步地，所述橫向隔熱件 23 為隔熱板或隔熱空腔，當所述橫向隔熱件 23為所述隔熱空腔時，其內部填充保溫件。
進一步地，所述隔熱板至少包括兩組隔熱膜組或者所述隔熱空腔由至少兩層隔熱膜組圍成，所述隔熱膜組包括第一折射層 211 和第二折射層 212，所述第一折射層 211 的折射率為第一折射率，所述第二折射層 212 的折射率為第二折射率，所述第一折射率與所述第二折射率不同。
進一步地，所述第一折射層 211 的材料為矽或鉬，所述第二折射層 212 的材料為石英。
進一步地，所述隔熱板至少包括支撐層 213 和一組隔熱膜組或者所述隔熱空腔由支撐層 213 和一組隔熱膜組圍成，所述隔熱膜組包括第一折射層 211 和第二折射層 212，所述第一折射層 211 的折射率為第一折射率，所述第二折射層212 的折射率為第二折射率，所述第一折射率與所述第二折射率不同，所述支撐層 213、所述第一折射層 211 與所述第二折射層 212 依次貼合連接。
進一步地，所述第一折射層 211 的材料為矽，所述第二折射層 212 的材料為石英或氮化矽，所述支撐層 213 的材料為矽。
具體地，本實施例三中其他部分與實施例一相同，在此不再贅述。
本實施例三提供了一種熱屏障裝置及熔煉爐，由於設有橫向隔熱件，能夠進一步的限制熱量在所述熱屏障裝置無法散發至所述熱屏障裝置外部，避免通過第二層板間接傳輸至矽晶棒，而影響到溫度梯度，提高拉速，便於快速形成矽晶棒，提高矽晶棒的生產效率。
實施例四：本實施例四提供了一種熱屏障裝置及熔煉爐，與實施例一的區別在於，如圖 6 所示，所述屏壁 12 為雙層結構，所述雙層結構的一端分別與所述第一層板112 和所述第二層板 113 連接，所述雙層結構的另一端與爐體內壁連接，所述雙層結構的內部填充所述保溫件 22。
具體地，本實施例四中其他部分與實施例一相同，在此不再贅述。
實施例四提供了一種熱屏障裝置及熔煉爐，採用雙層結構的屏壁，一方面能夠進一步吸收熱量保留溫度，另一方面，雙層結構的屏壁相對應單層結構更加結實，避免常年高溫導致的易損。
上述說明已經充分揭露了本發明的具體實施方式。需要指出的是，熟悉該領域的技術人員對本發明的具體實施方式所做的任何改動均不脫離本發明的請求項書的範圍。相應地，本發明的請求項的範圍也並不僅僅局限於前述具體實施方式。
1.               熱屏障機構                     11.               屏底 12.              屏壁                                111.             通孔 112.             第一層板                        113.            第二層板 114.             側板                                115.            容置空腔 2.              隔熱機構                        21.               隔熱件 22.            保溫件                            3.                 坩堝 4.              加熱器                            5.                 轉軸
圖 1 是本發明實施例一提供的熱屏障裝置的結構示意圖。 圖 2 是本發明實施例一提供的屏底的結構示意圖。 圖 3 是本發明實施例提供的隔熱件的結構示意圖。 圖 4 是本發明實施例提供的隔熱件的另一結構示意圖。 圖 5 是本發明實施例三提供的晶圓塗膠裝置的結構示意圖。 圖 6 是本發明實施例四提供的加熱裝置的結構示意圖。
1.               熱屏障機構                     11.               屏底 12.              屏壁 2.              隔熱機構                        21.               隔熱件 22.            保溫件                            3.                 坩堝 4.              加熱器                            5.                 轉軸

Claims (9)

  1. 一種熱屏障裝置，其中，包括：熱屏障機構和隔熱機構；所述熱屏障機構包括屏底和屏壁，所述屏底中心設有通孔，所述通孔用於通過待提拉的熔體，所述屏底包括第一層板、第二層板和側板，所述側板的一端與所述第一層板連接，所述第一層板靠近坩堝，所述第二層板遠離所述坩堝，所述側板另一端與所述第二層板連接，所述側板的一側、所述第一層板和所述第二層板圍成所述通孔，所述側板的另一側、所述第一層板、所述第二層板和所述屏壁圍成容置空腔；所述隔熱機構設置在所述容置空腔內部，所述隔熱機構包括隔熱件和保溫件，所述隔熱件設置在所述側板的另一側，所述隔熱件的高度不小於所述側板高度的二分之一，所述隔熱件用於隔絕所述坩堝的熱量散發至所述待提拉的熔體，所述容置空腔內部除所述隔熱件外，全部填充所述保溫件；其中，所述隔熱件為複合材料製備的隔熱板；所述隔熱板至少包括兩組隔熱膜組，所述隔熱膜組包括第一折射層和第二折射層，所述第一折射層的折射率為第一折射率，所述第二折射層的折射率為第二折射率，所述第一折射率與所述第二折射率不同。
  2. 根據請求項1所述的一種熱屏障裝置，其中，所述第一層板與所述坩堝的埠平行設置。
  3. 根據請求項2所述的一種熱屏障裝置，其中，所述第二層板向所述屏壁方向傾斜，所述第二層板的傾斜角度為1°~10°。
  4. 據請求項1所述的一種熱屏障裝置，其中，所述側板的高度為30~50mm。
  5. 根據請求項1所述的一種熱屏障裝置，其中，所述隔熱件與所述側板貼合。
  6. 根據請求項1所述的一種熱屏障裝置，其中，所述屏壁為單層結構，所述單層結構的一端與所述第一層板連接，所述單層結構的另一端與爐體內壁連接。
  7. 根據請求項1所述的一種熱屏障裝置，其中，所述屏壁為雙層結構，所述雙層結構的一端分別與所述第一層板和所述第二層板連接，所述雙層結構的另一端與爐體內壁連接，所述雙層結構的內部填充所述保溫件。
  8. 根據請求項7所述的一種熱屏障裝置，其中，所述保溫件為保溫材料製備的多孔結構件，所述保溫材料為石墨。
  9. 一種熔煉爐，所述熔煉爐用於單矽晶體生長，其中，包括如請求項1~8項中任意一項所述的屏障裝置，坩堝和加熱器，所述熔煉爐具有空腔結構，所述空腔結構內設有所述坩堝，所述坩堝用於承載熔體，所述加熱器設置在所述坩堝外部，所述加熱器用於加熱所述坩堝內的單矽晶熔體，所述屏障裝置設置在所述坩堝埠上方，通過所述屏障裝置的移動使單矽晶熔體生長。
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