一种用于单晶硅生长炉的薄膜隔热片及单晶硅生长炉
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种用于单晶硅生长炉的薄膜隔热片及单晶硅生长炉。
背景技术
单晶硅是现代通信技术、集成电路及太阳能电池等行业得以持续发展的材料基础，有着不可替代的作用。目前，从熔体中生长单晶硅主要的方法包括直拉法和区熔法。其中，由于直拉法生产单晶硅具有设备和工艺简单、容易实现自动控制、生产效率高、易于制备大直径单晶硅，以及晶体生长速度快、晶体纯度高和完整性高等优点，直拉法得以迅速发展。
利用直拉式晶体生长炉生产单晶硅，需要将普通硅材料进行熔化，然后重新结晶。根据单晶硅的结晶规律，将原材料放在坩埚中加热熔化，控制温度比硅单晶的结晶温度略高，确保熔化后的硅材料在溶液表面可以结晶。结晶出来的单晶通过直拉炉的提升系统提出液面，在惰性气体的保护下冷却、成形，最后结晶成一个主体为圆柱体、尾部为圆锥体的晶体。
单晶硅是在单晶炉热场中进行生长的，热场的优劣对单晶硅的生长和质量有很大的影响。好的热场不仅能够让单晶生长顺利，而且生长出的单晶质量高;而热场条件不完备时，则可能无法生长出单晶，即使生长出单晶，也容易发生晶变，变成多晶或有大量缺陷的结构。因此，寻找较好的热场条件，配置最佳热场，是直拉单晶硅生长工艺非常关键的技术。而热场设计中，最为关键的是热屏的设计。首先，热屏的设计直接影响固液界面的垂直温度梯度，通过梯度的变化影响V/G比值决定晶体质量。其次，热屏的设计会影响固液界面的水平温度梯度，控制整个硅片的质量均匀性。最后，热屏的合理设计会影响晶体热历史，控制晶体内部缺陷的形核与长大，在制备高阶硅片过程中非常关键。
目前，常用的热屏其外层材料为SiC镀层或热解石墨，内层为保温石墨毡。热屏的位置放置于热场上部，呈圆筒状，晶棒从圆筒内部被拉制出来。热屏靠近晶棒的石墨热反射率较低，吸收晶棒散发的热量。热屏外部的石墨通常热反射率较高，利于将熔体散发的热量放射回去，提高热场的保温性能，降低整个工艺的功耗。而现有的热屏设计仍然存在温度梯度不均匀的缺陷。
针对现有技术存在的上述缺陷，本申请旨在提供一种薄膜隔热片，能够应用于热屏上，提高热屏的热反射能力，提高热场的保温性能，从而提高炉内生长出的晶体的质量和产量。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于提供一种用于单晶硅生长炉的薄膜隔热片，包括第一折射层和第二折射层，所述第一折射层的折射率与所述第二折射层的折射率不同，所述第一折射层和所述第二折射层相互交替形成层叠结构，所述第一折射层和与之相邻设置的所述折射层相贴合。
进一步地，所有所述第一折射层均由硅制得，所述第一折射层的厚度在0.1mm-0.8mm的范围内，所述第一折射层的粗糙度小于1.4A。
优选地，所述第一折射层的厚度在0.1mm-0.3mm的范围内，所述第一折射层的粗糙度小于1A。
进一步地，所有所述第一折射层均由钼制得，所述第一折射层的厚度在0.5mm-3mm的范围内，所述第一折射层的粗糙度小于10A。
优选地，所述第一折射层的厚度在1mm-2mm的范围内，所述第一折射层的粗糙度小于3A。
进一步地，所述层叠结构中至少有一个所述第一折射层由硅制得，所述层叠结构中至少有一个所述第一折射层由钼制得，由硅制得的所述第一折射层其厚度在0.1mm-0.8mm的范围内，由钼制得的所述第一折射层其厚度在0.5mm-3mm的范围内。
更进一步地，所述第二折射层由二氧化硅制得，所述第二折射层的厚度在0.1mm-1.5mm范围内，所述第二折射层的粗造度小于2A。
优选地，所述第二折射层的厚度在0.1mm-0.5mm范围内，所述第二折射层的粗造度小于1A。
优选地，所述薄膜隔热片还设有封装层，所述封装层用于封装所述层叠结构。
本发明另一方面保护一种单晶硅生长炉，包括炉体、坩埚、加热器、热屏和上述技术方案提供的一种薄膜隔热片，所述薄膜隔热片设置在所述热屏上;
所述炉体内设有容腔;
所述坩埚设置在所述容腔内，所述坩埚用于承载供单晶硅生长的熔体;
所述加热器设置在所述坩埚与所述炉体之间，所述加热器用于提供单晶硅生长所需的热场;
所述热屏设置在所述坩埚的上方，所述热屏用于反射所述坩埚散发的热能，所述薄膜隔热片设置在所述热屏靠近所述坩埚的一侧和/或所述薄膜隔热片设置在所述坩埚靠近生长出的单晶硅的一侧。
由于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种用于单晶硅生长炉的薄膜隔热片，在热辐射波长范围内具有良好的反射性能，当将其设置在热屏上以应用于单晶硅生长炉中时，能够提高热屏对热能的反射能力，降低熔融的硅熔体热量的耗散，提高热能利用率;并且有利于热场的保温性能，从而有利于提高热场的质量以提高单晶硅生长的质量和产量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明实施例提供的用于单晶硅生长炉的薄膜隔热片的结构示意图;
图2是图1中各薄膜隔热片的热反射率曲线图;
图3是本发明另一个实施例提供的用于单晶硅生长炉的薄膜隔热片的结构示意图;
图4(a)是图3(a)对应的薄膜隔热片的热反射率曲线图;
图4(b)是图3(b)对应的薄膜隔热片的热反射率曲线图;
图5是本发明另一个实施例提供的用于单晶硅生长炉的薄膜隔热片的结构示意图;
图6(a)是图5(a)对应的薄膜隔热片的热反射率曲线图;
图6(b)是图5(b)对应的薄膜隔热片的热反射率曲线图。
图中：10-第一折射层，10(Ⅰ)-由硅制得的第一折射层，10(Ⅱ)-由钼制得的第一折射层，20-第二折射层。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
实施例1
结合图1和图2，本实施例提供一种用于单晶硅生长炉的薄膜隔热片，包括第一折射层10和第二折射层20，所述第一折射层10和所述第二折射层20成对出现，且所述第一折射层10和所述第二折射层20相互交替形成层叠结构;所述第一折射层10的折射率与所述第二折射层20的折射率不同，所述第一折射层10和与之相邻的所述第二折射层20相贴合，所述第二折射层20和与之相邻的第一折射层10相贴合。即本说明书实施例中，所述第一折射层10的数量和所述第二折射率层20的数量相等，因此所述层叠结构其整体的一侧以第一折射层10为终点，所述层叠结构的另一侧以第二折射层20为终点。如图1所示，图1(a)至图1(e)分别对应于具有不同数量的第一折射层(第二折射层)的所述薄膜隔热片，所述第一折射层10的数量分别为1至5。
本说明书实施例中，所述层叠结构中的各所述第一折射层10均由硅制得，所述第一折射层10的厚度在0.1mm-0.8mm的范围内，所述第一折射层10的粗糙度小于1.4A。需要说明的是，本说明书实施例中所述粗糙度指的是均方根粗糙度。
所述层叠结构中，所述第二折射层20均由二氧化硅制得，所述第二折射层20的厚度在0.5mm-3mm范围内，所述第二折射层20的粗造度小于2A。所述第一折射层10和所述第二折射层20均具有较低的表面粗糙度，有利于第一折射层10和所述第二折射层20之间具有良好的界面接触，从而提高所述层叠结构整体的热反射性能。
所述薄膜隔热片还设有封装层(未示出)，所述封装层用于封装所述层叠结构。封装后的所述薄膜隔热片用于设置在单晶硅生长炉中。
需要说明的是，本说明书实施例中未对所述第一折射层10和所述第二折射层20的制备工艺进行限制，应当理解为，不论通过何种工艺制得得到符合上述厚度及粗糙度要求的第一折射层和第二折射层，最终制得的层叠结构均有同等的热反射效果。
需要说明的是，对应于图1(b)至图1(e)对应的这几种薄膜隔热片中，所述层叠结构中包括2个及2个以上的第一折射层10层和2个及2个以上的第二折射层20，各所述第一折射层10的厚度可以相同也可以相互不同，使得满足各所述第一折射层10的厚度均在0.1mm-0.3mm的范围内即可;同样地，各所述第二折射层20的厚度可以相同也可以不同，使得各所述第二折射层20的厚度均在0.1mm-1.5mm的范围内即可。
具体的，本说明书实施例提供的如图1所示的几种薄膜隔热片，其中各所述第一折射层10均为厚度为0.1mm的硅，各所述第一折射层10的粗糙度均小于1.4A;各所述第二折射层20均为厚度为0.1mm厚的二氧化硅，各所述第二折射层20的粗糙度均小于2A。
如图2所示，为本说明书实施例提供的具有不同数量的第一折射层10以及不同数量的第二折射层20的薄膜隔热片的热反射率曲线，其横坐标为波长(此处选取800nm至2000nm的波长范围以与单晶硅生长炉的热环境相对应)，纵坐标为热反射率。从图2中的各个曲线可以看出，与现有技术中采用的隔热硅片相比，本说明书实施例提供的具有层叠结构的薄膜隔热片在单晶硅生长炉的热场环境内，具有更高的热反射性能。
并且，随着第一折射层-第二折射层对数量的增加，由所述第一折射层10和所述第二折射层20交替设置形成的界面数量也随之增加;当第一折射层-第二折射层对的数量从1对增加到3对时，薄膜隔热片的热反射性能有所增加;但当第一折射层-第二折射层对的数量增加到4对及4对以上时，薄膜隔热片的热反射性能曲线波动加剧，且在800nm-1100nm波段出现低于薄膜硅片的热反射性能的情形出现，这对于薄膜隔热片整体的热反射性能来说是极为不利的。由此也可以看出，当第一折射层-第二折射层对的数量在2-3对的范围内时，其层叠结构的界面数量在3-5个的范围内时，薄膜隔热片具有较佳的热反射性能;即一味的增加第一折射层-第二折射层对的数量，并不能得到薄膜隔热片热反射性能的增加。
本说明书实施例还提供一种单晶硅生长炉，包括炉体、坩埚、加热器、热屏以及上述技术方案提供的薄膜隔热片，所述薄膜隔热片设置在所述热屏上;
所述炉体内设有容腔;
所述坩埚设置在所述容腔内，且位于容腔的中心位置，所述坩埚中部凹陷，用于承载供单晶硅生长的熔体;
所述坩埚可由石英(二氧化硅)制得;也可以由石墨制得;或者包括由石英材料制备的内胆和由石墨材料制造的外壁，以使得坩埚内壁能够与硅熔体直接接触，石墨制得的坩埚外壁能够起到支撑作用;
所述加热器放置在所述坩埚的外围，且位于所述坩埚与所述炉体之间，所述加热器用于对所述坩埚加热以提供单晶硅生长所需的热场;
所述加热器与坩埚之间具有间隔，该间隔根据所述容腔的尺寸、坩埚的尺寸和加热的温度等参数进行调整;
所述加热器优选为石墨加热器;进一步地，所述加热器可以包括围绕所述坩埚设置的一个或多个加热器，以使得坩埚所处的热场均匀;
所述热屏设置在所述坩埚的上方，所述热屏用于反射所述坩埚内承载的熔体散发的热能，起到保温的作用;
所述薄膜隔热片设置在所述热屏靠近所述坩埚的一侧和/或所述薄膜隔热片设置在所述坩埚靠近生长出的单晶硅的一侧。
除此之外，所述单晶硅生长炉还可以包括冷却器，所述冷却器用于冷却生长出来的单晶硅锭。
所述坩埚还可以连接有升降机构和旋转机构，所述升降机构用于实现所述坩埚的升降，所述旋转机构用于实现所述坩埚的旋转，所述坩埚能够在所述加热器提供的热场内升降和旋转，从而有利于置于一个良好的热场环境内，其内部的硅熔体也能够处于一个受热较为均匀的热环境中。
本说明书实施例提供的一种薄膜隔热片，当其设置在热屏上应用于单晶硅生长炉中时，能够提高热屏对热量的反射能力，降低熔融的硅熔体热量的耗散，提高热能利用率;有利于热场的保温性能，从而有利于提高热场的质量以提高单晶硅生长的质量和产量。
实施例2
实施例1中，所述第一折射层10和所述第二折射层20是成对出现的，本说明书实施例提供一种薄膜隔热片，与实施例1不同之处在于：本实施例中提供的所述薄膜隔热片中，所述第一折射层10与所述第二折射层20的数量不相等。
如图3(a)所示，本说明书实施例提供的薄膜隔热片包括3个所述第一折射层10和2个所述第二折射层20，所述第一折射层10的折射率和所述第二折射层20的折射率不同，所述第一折射层10和所述第二折射层20相互交替设置，从而所述层叠结构的两端均为第一折射层10。
3(a)所对应的薄膜隔热片中，各所述第一折射层10均由硅制得，本说明书中将由硅制得的所述第一折射层简记为10(Ⅰ)，则各由硅制得的所述第一折射层10(Ⅰ)的厚度均为0.3mm，各由硅制得所述第一折射层10(Ⅰ)的粗糙度为小于1A;各所述第二折射层20均由二氧化硅制得，所述第二折射层20的厚度为0.5mm，所述第二折射层20的粗糙度为小于1A。
以及如图3(b)所示，本说明书实施例还提供一种薄膜隔热片包括3个第二折射层20和2个所述第一折射层10，所述第一折射层10的折射率和所述第二折射层20的折射率不同，所述第一折射层10与所述第二折射层20相互交替设置，从而所述层叠结构的两端均为所述第二折射层20。
3(b)所对应的薄膜隔热片中，各所述第一折射层10均由钼制得，本说明书中将由钼制得的所述第一折射层简记为10(Ⅱ)，则各由钼制得的所述第一折射层10(Ⅱ)的厚度为0.5mm，各由钼制得的所述第一折射层10(Ⅱ)的粗糙度小于10A;各所述第二折射层20均由二氧化硅制得，所述第二折射层20的厚度为1.5mm，所述第二折射层20的粗糙度为小于2A。
需要说明的是，本实施例中所述第一折射层10和所述第二折射层20的数量仅是示例性的，所述第一折射层10和所述第二折射层20还可以具有不同于本实施例中所提供的数量。
如图4(a)和图4(b)所示，分别为3(a)和3(b)对应的薄膜隔热片的热反射曲线图。从图中可以看出，由于这两种薄膜隔热片均包括有4个界面，因此其热反射性能与1(c)所对应的薄膜隔热片的热反射性能相当;而由于3(b)对应的薄膜隔热片中的所述第一折射层10由钼制得，因此，能够推导得到3(b)所对应的薄膜隔热片其热反射性能有所提升是由于采用了由钼材料制得的第一折射层，钼材料具有耐高温，高温下稳定性高的特性。
实施例3
本实施例提供一种薄膜隔热片，包括第一折射层10和第二折射层20，所述第一折射层10的折射率与所述第二折射层20的折射率不同，所述第一折射层10与所述第二折射层20相互交替设置，与实施例1及实施例2的不同之处在于：
所述第一折射层10至少有两个，且所述层叠结构中至少有一个所述第一折射层10由硅制得，且所述层叠结构中至少有一个所述第一折射层20由钼制得。
作为示例的，如图5(a)所示，本说明书实施例提供的用于单晶硅生长炉的薄膜隔热片依次包括：第一个由硅材料制得的第一折射层10(Ⅰ)，其厚度为0.8mm;第一个第二折射层20，由二氧化硅制得，厚度为0.3mm，粗糙度小于1A;第二个由钼制得的第一折射层10(Ⅱ)，其厚度为3mm，粗糙度小于5A;第二个第二折射层20，第二个所述第二折射层20由二氧化硅制得，厚度为0.3mm，粗糙度小于1A以及第三个由钼制得的第一折射层10(Ⅱ)，其厚度为2mm，粗糙度小于3A。
以及如图5(b)所示，本说明书实施例还提供一种薄膜隔热片，依次包括：第一个由钼制得的第一折射层10(Ⅱ)，其厚度为2mm，粗糙度小于3A;第一个第二折射层20，由二氧化硅制得，厚度为0.3mm，粗糙度小于1A;第二个由硅制得的第一折射层10(Ⅰ)，其厚度为0.5mm，粗糙度小于1A以及第二个第二折射层20，第二个所述第二折射层20由二氧化硅制得，厚度为0.3mm，粗糙度小于1A。
如图6(a)和图6(b)所示，分别为5(a)和5(b)所对应的薄膜隔热片的热反射曲线图。如图所示，5(a)对应的薄膜隔热片热反射性能优异，不仅是由于该薄膜隔热片具有4个界面，界面数量合理;且其包含的三个第一折射层中既包括有由硅制得的第一折射层10(Ⅰ)，又包括有由钼制得的第一折射层10(Ⅱ)，并且由钼制得的第一折射层10(Ⅱ)的数量大于由硅制得的第一折射层10(Ⅰ)。需要说明的是，在5(a)提供的薄膜隔热片结构的基础上，对由硅制得的第一折射层10(Ⅰ)和由钼制得的第一折射层10(Ⅱ)的顺序进行调整，得到的曲线与图6(a)中的曲线相似，此处不一一赘述。在5(a)提供的薄膜隔热片结构的基础上，对其中各层的厚度和粗糙度进行优化，能够获得热反射性能最佳的薄膜隔热片。
而5(b)所对应的薄膜隔热片在1250nm-2000nm波段热反射性能优异(略高于5(a)对应的薄膜隔热片在此波段内的热反射率)，但在800nm-1250nm波段存在衰减，这对薄膜隔热片整体的热反射性能来说是不利的，可能是其界面数量和界面材料导致的。但对于不同的单晶硅生长炉，其热场环境不同，追求的热反射率高的波段也可能不同，因此，5(b)所对应的薄膜隔热片也可用于追求在1250nm-2000nm波段内有较高反射率的生长炉中。
综上所述，本说明书各实施例中提供的各薄膜隔热片，与现有技术采用的隔热硅片相比，均有更高的热反射率。当其设置在热屏上以应用于单晶硅生长炉中时，能够提高热屏对坩埚中硅熔体的热量的反射能力，降低硅熔体热量的耗散;有利于对生长炉中的热场进行保温，从而有利于提高热场的质量以提高单晶硅生长的质量和产量。
需要说明的是，本说明书重点描述的是各实施例之间的不同之处，除上述各实施例之外，还可以在上述公开的特征的基础上，将所述薄膜隔热片中各层加以组合以得到更多不同于上述各实施例中提供的薄膜隔热片。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
