TWI767477B - 一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構及單晶矽生長爐 - Google Patents

一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構及單晶矽生長爐 Download PDF

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Abstract

本發明公開了一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構，所述熱屏結構用於設在所述單晶矽生長爐的熔體坩堝上部，所述熱屏結構包括外殼和隔熱板，所述隔熱板設於所述外殼的內部，所述外殼底部外表面朝向所述熔體坩堝內部，所述隔熱板所在平面與所述外殼底部所在平面形成的夾角為銳角且所述夾角朝向所述單晶矽的外表面。本發明的目的是提供一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構及單晶矽生長爐，結構簡單，通過改變熱屏設計，增設隔熱板將吸熱板吸收到的熱量傳遞給單晶矽，在熱屏中形成熱通道，實現對單晶矽的徑向溫度梯度進行優化，從而實現拉速的控制，進而提高單晶矽徑向的品質均勻性。

Description

一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構及單晶矽生長爐
本發明涉及到半導體製造設備技術領域，尤其涉及一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構及單晶矽生長爐。
單晶矽是現代資訊技術、通信技術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所用的直拉法和區熔法是當前單晶矽生產的主要方法。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，且晶體生長速度快、晶體純度高和完整性高等優點，因此直拉法是製備高品質大單晶，尤其是高品質的IC片單晶矽最常用的及最重要的方法。
利用直拉式晶體生長爐生產單晶矽，主要依靠將普通矽材料進行熔化，然後進行重新結晶來完成的。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。單晶矽生長過程中，好的熱場，不但單晶生長順利，而且能生長出高品質的單晶；而熱場條件不完備時，可能無法生長出單晶，即使生長出單晶，也容易發生晶變，變成多晶或有大量的結構缺陷。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重要的技術。
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。而現有的熱屏設計仍然存在溫度梯度不均勻的缺陷。因此，需要提供一種能夠有效提高溫度梯度均勻性的用於單晶矽生長爐的熱屏結構及單晶矽生長爐。
本發明的目的是提供一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構及單晶矽生長爐，結構簡單，通過改變熱屏設計，增設隔熱板將吸熱板吸收到的熱量傳遞給單晶矽，在熱屏中形成熱通道，實現對單晶矽的徑向溫度梯度進行優化，從而實現拉速的控制，進而提高單晶矽徑向的品質均勻性。
為實現上述目的，本發明提供了如下方案：
一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構，所述熱屏結構用於設在所述單晶矽生長爐的熔體坩堝上部，所述熱屏結構包括外殼和隔熱板，所述隔熱板設於所述外殼的內部，所述外殼底部外表面朝向所述熔體坩堝內部，所述隔熱板所在平面與所述外殼底部所在平面形成的夾角為銳角且所述夾角朝向所述單晶矽的外表面。
可選的，還包括內殼，所述內殼設於所述外殼的內部且設於所述外殼的底部，所述內殼設有空腔，所述隔熱板設於所述空腔或設於所述內殼與所述外殼之間的空間，所述內殼與所述外殼之間的空間填充有保溫材料。
可選的，還包括吸熱板，所述吸熱板設於所述內殼的內部且設於所述內殼的底部。
可選的，所述隔熱板所在平面與所述吸熱板所在平面形成的夾角範圍為大於0度且小於或等於30度。
可選的，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。
可選的，所述第一折射層的材料為矽或鉬，所述第二折射層的材料為石英。
可選的，所述隔熱板至少包括支撐層和一組隔熱膜組，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，所述支撐層、所述第一折射層與所述第二折射層依次貼合連接。
可選的，所述第一折射層的材料為矽，所述第二折射層的材料為石英或氮化矽，所述支撐層的材料為矽。
可選的，所述外殼及所述內殼的殼體均為可拆裝結構。
根據本發明提供的一種單晶矽生長爐，包括：爐體，包括爐體壁以及腔體，所述腔體由所述爐體壁所包圍；熔體坩堝，設置於所述腔體內，用於承載熔體；加熱器，設置所述腔體內且分佈於所述熔體坩堝外周，用以提供所述熔體坩堝的熱場；以及上述的一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構，所述外殼底部外表面朝向所述熔體坩堝內部。
根據本發明提供的具體實施例，本發明具有以下技術效果： (1）本發明提供的一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構及單晶矽生長爐，結構簡單，通過改變熱屏設計，增設隔熱板將吸熱板吸收到的熱量傳遞給單晶矽，在熱屏中形成熱通道，實現對單晶矽的徑向溫度梯度進行優化，從而實現拉速的控制，進而提高單晶矽徑向的品質均勻性； (2）通過採用由至少兩種不同折射率的折射層組成的隔熱板，將熔體發出的熱量反射至單晶矽周圍，採用此結構的隔熱板的熱反射效率更高，利於單晶矽的徑向溫度梯度的優化； (3）通過增加內殼的設計並與隔熱板配合使用，使單晶矽的徑向溫度梯度得到優化的同時，通過在外殼及內殼之間空間填充保溫材料，使縱向溫度梯度也得到優化； (4）通過增設吸熱板，對熔體散出的熱量進行收集，便於後續通過隔熱板將此熱量傳遞至單晶矽，增大熱量傳遞的效率。
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，還能夠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。
本發明的目的是提供一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構及單晶矽生長爐，結構簡單，通過改變熱屏設計，增設隔熱板將吸熱板吸收到的熱量傳遞給單晶矽，在熱屏中形成熱通道，實現對單晶矽的徑向溫度梯度進行優化，從而實現拉速的控制，進而提高單晶矽徑向的品質均勻性。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
實施例1：參閱圖1和圖4，一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構，其中熱屏結構8用於設在單晶生長爐的熔體坩堝6上部，熱屏結構8包括外殼2和隔熱板1，隔熱板1設於外殼2的內部，外殼2底部外表面朝向熔體坩堝6內部，隔熱板1所在平面與外殼2底部所在平面形成的夾角為銳角且夾角朝向單晶矽7的外表面。通過改變熱屏設計，增設隔熱板將熔體散出的熱量傳遞給單晶矽，即在熱屏結構中形成熱通道，實現對單晶矽的徑向溫度梯度進行優化，從而實現拉速的控制，進而提高單晶矽徑向的品質均勻性。
進一步地，還包括內殼3，內殼3設於外殼2的內部且設於外殼2的底部，內殼3設有空腔，隔熱板1設於內殼3與外殼2之間的空間。內殼3與外殼2之間的空間填充有保溫材料4。具體地，本實施例中保溫材料4為棉花，在其他實施例中，可以使用其他的多孔或纖維材料作為保溫材料4。通過增加內殼的設計並與隔熱板配合使用，使單晶矽的徑向溫度梯度得到優化的同時，通過在外殼及內殼之間的空間填充保溫材料，使縱向溫度梯度也得到優化。
本實施例中，隔熱板1所在平面與水平面之間的夾角為30度，在其他實施例中，隔熱板1所在平面與水平面之間的夾角可以為大於0度且小於30度中的任意角度。
本實施例中，隔熱板1採用的是兩組隔熱膜組，隔熱膜組包括第一折射層11和第二折射層12，第一折射層11的折射率為第一折射率，第二折射層12的折射率為第二折射率，第一折射率與第二折射率不同。在其他實施例中，如圖5所示，隔熱板1可能是由多組隔熱膜組組成的薄板型的隔熱板，或者是由多個不同折射率的折射層組成的薄板型的隔熱板，如圖6所示，或者是由支撐層13和至少一組隔熱膜組組成的複合隔熱層。其中，具體地，在組成的薄板型的隔熱板1中，第一折射層11的材料為矽或鉬，第二折射層12的材料為石英；在組成的複合隔熱層形式的隔熱板1中，第一折射層11的材料為矽，第二折射層12的材料為石英或氮化矽，支撐層13的材料為矽。通過採用由至少兩種不同折射率的折射層組成的隔熱板，將熔體發出的熱量反射至單晶矽周圍，採用此結構的隔熱板的熱反射效率更高，利於單晶矽的徑向溫度梯度的優化。
進一步地，外殼2及內殼3的殼體均為可拆裝結構。外殼2及內殼3的殼體為石墨材料。外殼2及內殼3的可拆裝結構便於根據不同的實際需要對殼體內的隔熱板進行更換，也便於對各殼體內的設置方法根據需要進行調整。
實施例2：本實施例與實施例1的不同之處在於，隔熱板1放置的位置不同。如圖2所示，本實施例中隔熱板1設置於內殼3的內部。熱屏結構8包括外殼2和隔熱板1，隔熱板1設於外殼2的內部且設於內殼3的內部，外殼2底部外表面朝向熔體坩堝6內部，隔熱板1所在平面與外殼2底部所在平面形成的夾角為銳角且夾角朝向單晶矽7的外表面。隔熱板1所在平面與水平面之間的夾角為30度，在其他實施例中，隔熱板1所在平面與水平面之間的夾角可以為大於0度且小於30度中的任意角度。
還包括內殼3，內殼3設於外殼2的內部且設於外殼2的底部，內殼3設有空腔，隔熱板1設於內殼3與外殼2之間的空間。內殼3與外殼2之間的空間填充有保溫材料4。具體地，本實施例中保溫材料4為棉花，在其他實施例中，可以使用其他的多孔或纖維材料作為保溫材料4。通過增加內殼的設計並與隔熱板配合使用，使單晶矽的徑向溫度梯度得到優化的同時，通過在外殼及內殼之間空間填充保溫材料，使縱向溫度梯度也得到優化。
進一步地，外殼2及內殼3的殼體均為可拆裝結構。外殼2及內殼3的殼體為石墨材料。外殼2及內殼3的可拆裝結構便於根據不同的實際需要對殼體內的隔熱板進行更換，也便於對各殼體內的設置方法根據需要進行調整。
本實施例中，隔熱板1採用的是兩組隔熱膜組，隔熱膜組包括第一折射層11和第二折射層12，第一折射層11的折射率為第一折射率，第二折射層12的折射率為第二折射率，第一折射率與第二折射率不同。在其他實施例中，如圖5所示，隔熱板1可能是由多組隔熱膜組組成的薄板型的隔熱板，或者是由多個不同折射率的折射層組成的薄板型的隔熱板，如圖6所示，或者是由支撐層13和至少一組隔熱膜組組成的複合隔熱層。其中，具體地，組成薄板型的隔熱板1中，第一折射層11的材料為矽或鉬，第二折射層12的材料為石英；在組成的複合隔熱層形式的隔熱板1中，第一折射層11的材料為矽，第二折射層12的材料為石英或氮化矽，支撐層13的材料為矽。通過採用由至少兩種不同折射率的折射層組成的隔熱板，將熔體發出的熱量反射至單晶矽周圍，採用此結構的隔熱板的熱反射效率更高，利於單晶矽的徑向溫度梯度的優化。
實施例3：本實施例與前面的實施例不同之處在於，在熱屏結構中增設了吸熱板。如圖3所示，一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構，其中熱屏結構8用於設在單晶生長爐的熔體坩堝6上部，熱屏結構8包括外殼2和隔熱板1，隔熱板1設於外殼2的內部，外殼2底部外表面朝向熔體坩堝6內部，隔熱板1所在平面與外殼2底部所在平面形成的夾角為銳角且夾角朝向單晶矽7的外表面。
還包括吸熱板5和內殼3，內殼3設於外殼2的內部且設於外殼2的底部，內殼3設有空腔，隔熱板1設於內殼3與外殼2之間的空間，在其他實施例中，隔熱板可設於內殼3的空腔內。內殼3與外殼2之間的空間填充有保溫材料4。吸熱板5設於內殼3的內部且設於內殼3的底部。隔熱板1所在平面與吸熱板5所在平面形成的夾角為30度，在其他實施例中，該夾角可能為大於0度且小於30度中的任意角度。吸熱板為吸收性複合材料，通過增設吸熱板，對熔體散出的熱量進行收集，便於後續通過隔熱板將此熱量傳遞至單晶矽，增大熱量傳遞的效率。
外殼2及內殼3的殼體均為可拆裝結構。外殼2及內殼3的殼體為石墨材料。外殼2及內殼3的可拆裝結構便於根據不同的實際需要對殼體內的隔熱板進行更換，也便於對各殼體內的設置方法根據需要進行調整。
本實施例中，隔熱板1採用的是兩組隔熱膜組，隔熱膜組包括第一折射層11和第二折射層12，第一折射層11的折射率為第一折射率，第二折射層12的折射率為第二折射率，第一折射率與第二折射率不同。在其他實施例中，如圖5所示，隔熱板1可能是由多組隔熱膜組組成的薄板型的隔熱板，或者是由多個不同折射率的折射層組成的薄板型的隔熱板，如圖6所示，或者是由支撐層13和至少一組隔熱膜組組成的複合隔熱層。其中，具體地，組成薄板型的隔熱板1中，第一折射層11的材料為矽或鉬，第二折射層12的材料為石英；組成複合隔熱層形式的隔熱板1中，第一折射層11的材料為矽，第二折射層12的材料為石英或氮化矽，支撐層13的材料為矽。通過採用由至少兩種不同折射率的折射層組成的隔熱板，將熔體發出的熱量反射至單晶矽周圍，採用此結構的隔熱板的熱反射效率更高，利於單晶矽的徑向溫度梯度的優化。
本實施例的工作原理為：通過吸熱板5將熔體散出的熱量吸收後，然後通過隔熱板1將此熱量傳遞至單晶矽7的外側周圍，能夠對單晶矽7的徑向溫度梯度進行優化，從而實現拉速的控制，進而提高單晶矽徑向的品質均勻性。
本發明具有以下技術效果： (1）本發明提供的一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構及單晶矽生長爐，結構簡單，通過改變熱屏設計，增設隔熱板將吸熱板吸收到的熱量傳遞給單晶矽，在熱屏中形成熱通道，實現對單晶矽的徑向溫度梯度進行優化，從而實現拉速的控制，進而提高單晶矽徑向的品質均勻性。 (2）通過採用由至少兩種不同折射率的折射層組成的隔熱板，將熔體發出的熱量反射至單晶矽周圍，採用此結構的隔熱板的熱反射效率更高，利於單晶矽的徑向溫度梯度的優化。 (3）通過增加內殼的設計並與隔熱板配合使用，使單晶矽的徑向溫度梯度得到優化的同時，通過在外殼及內殼之間空間填充保溫材料，使縱向溫度梯度也得到優化。 (4）通過增設吸熱板，對熔體散出的熱量進行收集，便於後續通過隔熱板將此熱量傳遞至單晶矽，增大熱量傳遞的效率。
本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
1:隔熱板 11.:第一折射層 12.:第二折射層 13.:支撐層 2.:外殼 3.:內殼 4.:保溫材料 5.:吸熱板 6.:熔體坩堝 7.:單晶矽 8.:熱屏結構
圖1是本發明實施例1提供的用於單晶矽生長爐的熱屏結構的局部剖視圖。 圖2是本發明實施例2提供的用於單晶矽生長爐的熱屏結構的局部剖視圖。 圖3是本發明實施例3提供的用於單晶矽生長爐的熱屏結構的局部剖視圖。 圖4是本發明提供的單晶矽生長爐的結構示意圖。 圖5是本發明提供的用於單晶矽生長爐的熱屏結構的中薄板型的隔熱板的結構示意圖。 圖6是本發明提供的用於單晶矽生長爐的熱屏結構的中複合隔熱層形式的隔熱板結構示意圖。
1:隔熱板
2:外殼
3:內殼
4:保溫材料

Claims (8)

  1. 一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構，其中，所述熱屏結構設在所述單晶生長爐的熔體坩堝上部，所述熱屏結構包括外殼和隔熱板，所述隔熱板設於所述外殼的內部，所述外殼底部外表面朝向所述熔體坩堝內部，所述隔熱板所在平面與所述外殼底部所在平面形成的夾角為銳角且所述夾角朝向所述單晶矽的外表面；其中，還包括內殼，所述內殼設於所述外殼的內部且設於所述外殼的底部，所述內殼設有空腔，所述隔熱板設於所述空腔或設於所述內殼與所述外殼之間的空間，所述內殼與所述外殼之間的空間填充有保溫材料；其中，還包括吸熱板，所述吸熱板設於所述內殼的內部且設於所述內殼的底部。
  2. 根據請求項1所述的一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構，其中，所述隔熱板所在平面與所述吸熱板所在平面形成的夾角範圍為大於0度且小於或等於30度。
  3. 根據請求項1所述的一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構，其中，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。
  4. 根據請求項3所述的一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構，其中，所述第一折射層的材料為矽或鉬，所述第二折射層的材料為石英。
  5. 根據請求項1所述的一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構，其中，所述隔熱板至少包括支撐層和一組隔熱膜組，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，所述支撐層、所述第一折射層與所述第二折射層依次貼合連接。
  6. 根據請求項5所述的一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構，其中，所述第一折射層的材料為矽，所述第二折射層的材料為石英或氮化矽，所述支撐層的材料為矽。
  7. 根據請求項1所述的一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構，其中，所述外殼及所述內殼的殼體均為可拆裝結構。
  8. 一種單晶矽生長爐，其中，所述單晶生長爐包括：爐體，包括爐體壁以及腔體，所述腔體由所述爐體壁所包圍；熔體坩堝，設置於所述腔體內，用於承載熔體；加熱器，設置所述腔體內且分佈於所述熔體坩堝外周，用以提供所述熔體坩堝的熱場；以及如請求項1-7任一項所述的一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構，所述外殼底部外表面朝向所述熔體坩堝內部。
TW109146350A 2020-07-01 2020-12-25 一種用於單晶矽生長爐的熱屏結構及單晶矽生長爐 TWI767477B (zh)

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