一种用于单晶生产炉的热屏结构及单晶生产炉
技术领域
本发明涉及到半导体制造设备技术领域，尤其涉及一种用于单晶生产炉的热屏结构及单晶生产炉。
背景技术
单晶硅是现代信息技术、通信技术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所用的直拉法和区熔法是当前单晶硅生产的主要方法。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，且晶体生长速度快、晶体纯度高和完整性高等优点，因此直拉法是制备高质量大单晶，尤其是高质量的IC片单晶硅最常用的及最重要的方法。
利用直拉式晶体生长炉生产单晶硅，主要依靠将普通硅材料进行熔化，然后进行重新结晶来完成的。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。单晶硅生长过程中，好的热场，不但单晶生长顺利，而且能生长出高质量的单晶；而热场条件不完备时，可能无法生长出单晶，即使生长出单晶，也容易发生晶变，变成多晶或有大量的结构缺陷。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重要的技术。
在整个热场设计中，最为关键的就是热屏的设计。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，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，常用的热屏的外层为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，晶棒从圆桶内部被拉制出来。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。因此，需要提供一种能够有效提高温度梯度均匀性的用于单晶生产炉的热屏结构及单晶生产炉。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于单晶生产炉的热屏结构及单晶生产炉，结构简单，通过改变热屏设计，增设隔热板将吸热板吸收到的热量传递给单晶硅，在热屏中形成热通道，实现对单晶硅的径向温度梯度进行优化，从而实现拉速的控制，进而提高单晶硅径向的质量均匀性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于单晶生产炉的热屏结构，所述热屏结构用于设在所述单晶硅生长炉的熔体坩埚上部，所述热屏结构包括外壳和隔热板，所述隔热板设于所述外壳的内部，所述外壳底部外表面用于朝向所述熔体坩埚内部，所述隔热板所在平面与所述外壳底部所在平面形成的夹角为锐角且所述夹角朝向所述单晶硅的外表面。
可选的，还包括内壳，所述内壳设于所述外壳的内部且设于所述外壳的底部，所述内壳设有空腔，所述隔热板设于所述空腔或设于所述内壳与所述外壳之间的空间，所述内壳与所述外壳之间空间填充有保温材料。
可选的，还包括吸热板，所述吸热板设于所述内壳的内部且设于所述内壳的底部。
可选的，所述隔热板所在平面与所述吸热板所在平面形成的夹角范围为大于0度且小于或等于30度。
可选的，所述隔热板至少包括两组隔热膜组，所述隔热膜组包括第一折射层和第二折射层，所述第一折射层的折射率为第一折射率，所述第二折射层的折射率为第二折射率，所述第一折射率与所述第二折射率不同。
可选的，所述第一折射层的材料为硅或钼，所述第二折射层的材料为石英。
可选的，所述隔热板至少包括支撑层和一组隔热膜组，所述隔热膜组包括第一折射层和第二折射层，所述第一折射层的折射率为第一折射率，所述第二折射层的折射率为第二折射率，所述第一折射率与所述第二折射率不同，所述支撑层、所述第一折射层与所述第二折射层依次贴合连接。
可选的，所述第一折射层的材料为硅，所述第二折射层的材料为石英或氮化硅，所述支撑层的材料为硅。
可选的，所述外壳及所述内壳的壳体均为可拆装结构。
根据本发明提供的一种单晶生产炉，包括：炉体，包括炉体壁以及腔体，所述腔体由所述炉体壁所包围；熔体坩埚，设置于所述腔体内，用于承载熔体；加热器，设置所述腔体内且分布于所述熔体坩埚外周，用以提供所述熔体坩埚的热场；以及上述的一种用于单晶生产炉的热屏结构，所述外壳底部外表面朝向所述熔体坩埚内部。
根据本发明提供的具体实施例，本发明具有以下技术效果：
1)本发明提供的一种用于单晶生产炉的热屏结构及单晶生产炉，结构简单，通过改变热屏设计，增设隔热板将吸热板吸收到的热量传递给单晶硅，在热屏中形成热通道，实现对单晶硅的径向温度梯度进行优化，从而实现拉速的控制，进而提高单晶硅径向的质量均匀性；
2)通过采用由至少两种不同折射率的折射层组成的隔热板，将熔体发出的热量反射至单晶硅周围，采用此结构的隔热板的热反射效率更高，利于单晶硅的径向温度梯度的优化；
3)通过增加内壳的设计并与隔热板配合使用，使单晶硅的径向温度梯度得到优化的同时，通过在外壳及内壳之间空间填充保温材料，使纵向温度梯度也得到优化；
4)通过增设吸热板，对熔体散出的热量进行收集，便于后续通过隔热板将此热量传递至单晶硅，增大热量传递的效率。
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，还能够根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明实施例1提供的用于单晶生产炉的热屏结构的局部剖视图。
图2是本发明实施例2提供的用于单晶生产炉的热屏结构的局部剖视图。
图3是本发明实施例3提供的用于单晶生产炉的热屏结构的局部剖视图。
图4是本发明提供的单晶生产炉的结构示意图。
图5是本发明提供的用于单晶生产炉的热屏结构的中薄板型的隔热板的结构示意图。
图6是本发明提供的用于单晶生产炉的热屏结构的中复合隔热层形式的隔热板结构示意图。
其中，图中附图标记对应为：
1-隔热板，11-第一折射层，12-第二折射层，13-支撑层，2-外壳，3-内壳，4-保温材料，5-吸热板，6-熔体坩埚，7-单晶硅，8-热屏结构。
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。
本发明的目的是提供一种用于单晶生产炉的热屏结构及单晶生产炉，结构简单，通过改变热屏设计，增设隔热板将吸热板吸收到的热量传递给单晶硅，在热屏中形成热通道，实现对单晶硅的径向温度梯度进行优化，从而实现拉速的控制，进而提高单晶硅径向的质量均匀性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
参阅图1和图4，一种用于单晶生产炉的热屏结构，其中热屏结构8用于设在单晶生长炉的熔体坩埚6上部，热屏结构8包括外壳2和隔热板1，隔热板1设于外壳2的内部，外壳2底部外表面用于朝向熔体坩埚6内部，隔热板1所在平面与外壳2底部所在平面形成的夹角为锐角且夹角朝向单晶硅7的外表面。通过改变热屏设计，增设隔热板将熔体散出的热量传递给单晶硅，即在热屏结构中形成热通道，实现对单晶硅的径向温度梯度进行优化，从而实现拉速的控制，进而提高单晶硅径向的质量均匀性。
进一步地，还包括内壳3，内壳3设于外壳2的内部且设于外壳2的底部，内壳3设有空腔，隔热板1设于内壳3与外壳2之间的空间。内壳3与外壳2之间空间填充有保温材料4。具体地，本实施例中保温材料4为棉花，在其他实施例中，可以为其他的多孔或纤维材料作为保温材料4。通过增加内壳的设计并与隔热板配合使用，使单晶硅的径向温度梯度得到优化的同时，通过在外壳及内壳之间空间填充保温材料，使纵向温度梯度也得到优化。
本实施例中，隔热板1所在平面与水平面之间的夹角为30度，在其他实施例中，隔热板1所在平面与水平面之间的夹角可以为大于0度且小于30度中的任意角度。
本实施例中，隔热板1采用的是两组隔热膜组，隔热膜组包括第一折射层11和第二折射层12，第一折射层11的折射率为第一折射率，第二折射层12的折射率为第二折射率，第一折射率与第二折射率不同。在其他实施例中，如图5所示，隔热板1可能是由多组隔热膜组组成的薄板型的隔热板，或者是由多个不同折射率的折射层组成的薄板型的隔热板，如图6所示，或者是由支撑层13和至少一组隔热膜组组成的复合隔热层。其中，具体地，组成薄板型的隔热板1中，第一折射层11的材料为硅或钼，第二折射层12的材料为石英；组成复合隔热层形式的隔热板1中，第一折射层11的材料为硅，第二折射层12的材料为石英或氮化硅，支撑层13的材料为硅。通过采用由至少两种不同折射率的折射层组成的隔热板，将熔体发出的热量反射至单晶硅周围，采用此结构的隔热板的热反射效率更高，利于单晶硅的径向温度梯度的优化。
进一步地，外壳2及内壳3的壳体均为可拆装结构。外壳2及内壳3的壳体为石墨材料。外壳2及内壳3的可拆装结构便于根据不同的实际需要对壳体内的隔热板进行更换，也便于对各壳体内的设置方法根据需要进行调整。
实施例2：
本实施例与实施例1的不同之处在于，隔热板1放置的位置不同。如图2所示，本实施例中隔热板1设置于内壳3的内部。热屏结构8包括外壳2和隔热板1，隔热板1设于外壳2的内部且设于内壳3的内部，外壳2底部外表面用于朝向熔体坩埚6内部，隔热板1所在平面与外壳2底部所在平面形成的夹角为锐角且夹角朝向单晶硅7的外表面。隔热板1所在平面与水平面之间的夹角为30度，在其他实施例中，隔热板1所在平面与水平面之间的夹角可以为大于0度且小于30度中的任意角度。
还包括内壳3，内壳3设于外壳2的内部且设于外壳2的底部，内壳3设有空腔，隔热板1设于内壳3与外壳2之间的空间。内壳3与外壳2之间空间填充有保温材料4。具体地，本实施例中保温材料4为棉花，在其他实施例中，可以为其他的多孔或纤维材料作为保温材料4。通过增加内壳的设计并与隔热板配合使用，使单晶硅的径向温度梯度得到优化的同时，通过在外壳及内壳之间空间填充保温材料，使纵向温度梯度也得到优化。进一步地，外壳2及内壳3的壳体均为可拆装结构。外壳2及内壳3的壳体为石墨材料。外壳2及内壳3的可拆装结构便于根据不同的实际需要对壳体内的隔热板进行更换，也便于对各壳体内的设置方法根据需要进行调整。
本实施例中，隔热板1采用的是两组隔热膜组，隔热膜组包括第一折射层11和第二折射层12，第一折射层11的折射率为第一折射率，第二折射层12的折射率为第二折射率，第一折射率与第二折射率不同。在其他实施例中，如图5所示，隔热板1可能是由多组隔热膜组组成的薄板型的隔热板，或者是由多个不同折射率的折射层组成的薄板型的隔热板，如图6所示，或者是由支撑层13和至少一组隔热膜组组成的复合隔热层。其中，具体地，组成薄板型的隔热板1中，第一折射层11的材料为硅或钼，第二折射层12的材料为石英；组成复合隔热层形式的隔热板1中，第一折射层11的材料为硅，第二折射层12的材料为石英或氮化硅，支撑层13的材料为硅。通过采用由至少两种不同折射率的折射层组成的隔热板，将熔体发出的热量反射至单晶硅周围，采用此结构的隔热板的热反射效率更高，利于单晶硅的径向温度梯度的优化。
实施例3：
本实施例与前面的实施例不同之处在于，在热屏结构中增设了吸热板。如图3所示，一种用于单晶生产炉的热屏结构，其中热屏结构8用于设在单晶生长炉的熔体坩埚6上部，热屏结构8包括外壳2和隔热板1，隔热板1设于外壳2的内部，外壳2底部外表面用于朝向熔体坩埚6内部，隔热板1所在平面与外壳2底部所在平面形成的夹角为锐角且夹角朝向单晶硅7的外表面。
还包括吸热板5和内壳3，内壳3设于外壳2的内部且设于外壳2的底部，内壳3设有空腔，隔热板1设于内壳3与外壳2之间的空间，在其他实施例中，隔热板可设于内壳3的空腔内。内壳3与外壳2之间空间填充有保温材料4。吸热板5设于内壳3的内部且设于内壳3的底部。隔热板1所在平面与吸热板5所在平面形成的夹角为30度，在其他实施例中，该夹角可能为大于0度且小于30度中的任意角度。吸热板为吸收性复合材料，通过增设吸热板，对熔体散出的热量进行收集，便于后续通过隔热板将此热量传递至单晶硅，增大热量传递的效率。
外壳2及内壳3的壳体均为可拆装结构。外壳2及内壳3的壳体为石墨材料。外壳2及内壳3的可拆装结构便于根据不同的实际需要对壳体内的隔热板进行更换，也便于对各壳体内的设置方法根据需要进行调整。
本实施例中，隔热板1采用的是两组隔热膜组，隔热膜组包括第一折射层11和第二折射层12，第一折射层11的折射率为第一折射率，第二折射层12的折射率为第二折射率，第一折射率与第二折射率不同。在其他实施例中，如图5所示，隔热板1可能是由多组隔热膜组组成的薄板型的隔热板，或者是由多个不同折射率的折射层组成的薄板型的隔热板，如图6所示，或者是由支撑层13和至少一组隔热膜组组成的复合隔热层。其中，具体地，组成薄板型的隔热板1中，第一折射层11的材料为硅或钼，第二折射层12的材料为石英；组成复合隔热层形式的隔热板1中，第一折射层11的材料为硅，第二折射层12的材料为石英或氮化硅，支撑层13的材料为硅。通过采用由至少两种不同折射率的折射层组成的隔热板，将熔体发出的热量反射至单晶硅周围，采用此结构的隔热板的热反射效率更高，利于单晶硅的径向温度梯度的优化。
本实施例的工作原理为：通过吸热板5将熔体散出的热量吸收后，然后通过隔热板1将此热量传递至单晶硅7外侧周围，能够对单晶硅7的径向温度梯度进行优化，从而实现拉速的控制，进而提高单晶硅径向的质量均匀性。
本发明具有以下技术效果：
1)本发明提供的一种用于单晶生产炉的热屏结构及单晶生产炉，结构简单，通过改变热屏设计，增设隔热板将吸热板吸收到的热量传递给单晶硅，在热屏中形成热通道，实现对单晶硅的径向温度梯度进行优化，从而实现拉速的控制，进而提高单晶硅径向的质量均匀性；
2)通过采用由至少两种不同折射率的折射层组成的隔热板，将熔体发出的热量反射至单晶硅周围，采用此结构的隔热板的热反射效率更高，利于单晶硅的径向温度梯度的优化；
3)通过增加内壳的设计并与隔热板配合使用，使单晶硅的径向温度梯度得到优化的同时，通过在外壳及内壳之间空间填充保温材料，使纵向温度梯度也得到优化；
4)通过增设吸热板，对熔体散出的热量进行收集，便于后续通过隔热板将此热量传递至单晶硅，增大热量传递的效率。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
