一种热屏障装置及熔炼炉的制作方法

本发明涉及半导体制备技术领域，特别涉及一种热屏障装置及熔炼炉。

背景技术：

单晶硅是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。

单晶炉是一种在惰性气体(氮气、氦气为主)环境中，用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备。

目前，大尺寸硅单晶尤其是12寸以上硅单晶主要通过直拉法制备获得。直拉法是通过将11个9的高纯多晶硅在石英坩埚内熔化，利用籽晶经过引晶、放肩、等径、收尾制备硅单晶。该方法最关键的是由石墨及保温材料组成的热场，热场的设计直接决定了晶体的质量、工艺、能耗等。

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。

现有的热屏内部的保温石墨毡吸收热量，会使热屏靠近晶棒一侧的温度交高与固液界面界之间的温度梯度较小，而温度梯度直接影响到直拉法的拉速，导致直拉法的拉速较慢，形成晶棒的速度较慢，生产速率较低。

因此，上述技术问题是本领域技术人员需要效解决的。

技术实现要素：

针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于提供一种热屏障装置及熔炼炉，能够提高热屏与坩埚之间温度梯度，温度梯度越大，拉速越快，便于快速形成硅晶棒，提高硅晶棒的生产效率。

为了解决上述问题，本发明提供一种热屏障装置，包括：热屏障机构和隔热机构；

所述热屏障机构包括屏底和屏壁，所述屏底中心设有通孔，所述通孔用于通过待提拉的熔体，所述屏底包括第一层板、第二层板和侧板，所述侧板的一端与所述第一层板连接，所述第一层板靠近坩埚，所述第二层板远离所述坩埚，所述侧板另一端与所述第二层板连接，所述侧板的一侧、所述第一层板和所述第二层板围成所述通孔，所述侧板的另一侧、所述第一层板、所述第二层板和所述屏壁围成容置空腔；

所述隔热机构设置在所述容置空腔内部，所述隔热机构包括隔热件和保温件，所述隔热件设置在所述侧板一侧，所述隔热件的高度不小于所述侧板高度的二分之一，所述隔热件用于隔绝所述坩埚的热量散发至所述待提拉的熔体，所述容置空腔内部除所述隔热件外，全部填充所述保温件。

进一步地，所述第一层板与所述坩埚的端口平行设置。

进一步地，所述第二层板向所述屏壁方向倾斜，所述第二层板的倾斜角度为1°～10°。

进一步地，所述侧板的高度为30～50mm。

进一步地，所述隔热件与所述侧板贴合。

进一步地，所述屏壁为单层结构，所述单层结构的一端与所述第一层板连接，所述单层结构的另一端与炉体内壁连接。

进一步地，所述屏壁为双层结构，所述双层结构的一端分别与所述第一层板和所述第二层板连接，所述双层结构的另一端与炉体内壁连接，所述双层结构的内部填充所述保温件。

进一步地，所述保温件为保温材料制备的多孔结构件，所述保温材料为石墨。

进一步地，所述隔热件为复合材料材料制备的隔热板。

本发明还保护了一种熔炼炉，所述熔炼炉用于单硅晶体生长，包括上述任意一项所述的屏障装置，坩埚和加热器，所述熔炼炉具有空腔结构，所述空腔结构内设有所述坩埚，所述坩埚用于承载熔体，所述加热器设置在所述坩埚外部，所述加热器用于加热所述坩埚内的单硅晶熔体，所述屏障装置设置在所述坩埚端口上方，通过所述屏障装置的移动使单硅晶熔体生长。

由于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

发明的一种热屏障装置及熔炼炉，在热屏装置的内部设有一个隔热板，隔热板将隔绝坩埚传输的热量至晶棒处，提高热屏与坩埚之间温度梯度，温度梯度越大，拉速越快，便于快速形成硅晶棒，提高硅晶棒的生产效率。

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，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明实施例一提供的热屏障装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的屏底的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的隔热件的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的隔热件的另一结构示意图；

图5是本发明实施例三提供的晶圆涂胶装置的结构示意图；

图6是本发明实施例四提供的加热装置的结构示意图；

其中，1-热屏障机构，11-屏底，12-屏壁，，111-通孔，112-第一层板，113-第二层板，114-侧板，115-容置空腔，2-隔热机构，21隔热件，22-保温件，3-坩埚，4-加热器，5-转轴。

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。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，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。

实施例一

本实施例一提供了一种热屏障装置，如图1和图2所示，包括：热屏障机构1和隔热机构2；

所述热屏障机构1包括屏底11和屏壁12，所述屏底11中心设有通孔111，所述通孔111用于通过待提拉的熔体，所述屏底11包括第一层板112、第二层板113和侧板114，所述侧板114的一端与所述第一层板112连接，所述第一层板112靠近坩埚，所述第二层板113远离所述坩埚，所述侧板114另一端与所述第二层板113连接，所述侧板114的一侧、所述第一层板112和所述第二层板113围成所述通111，所述侧板114的另一侧、所述第一层板112、所述第二层板113和所述屏壁12围成容置空腔115；

所述隔热机构2设置在所述容置空腔115内部，所述隔热机构2包括隔热件21和保温件22，所述隔热件21设置在所述侧板114一侧，所述隔热件21的高度不小于所述侧板114高度的二分之一，所述隔热件21用于隔绝所述坩埚的热量散发至所述待提拉的熔体，所述容置空腔115内部除所述隔热件21外，全部填充所述保温件22。

具体地，所述第一层板112与所述坩埚的端口平行设置。

具体地，所述第二层板113向所述屏壁12方向倾斜，所述第二层板113的倾斜角度为1°～10°，优选地，所述第二层板113的倾斜角度为5°，所述第二层板113与所述侧板连接的一端低于所述第二层板113与所述屏壁12连接的一端。

具体地，所述侧板114的高度为30～50mm，所述侧板114的高度随着根据硅晶棒的直径进行改变，生产硅直径较大的硅晶棒，对应的所述侧板114的高度也较大，这样会保证硅晶棒的冷却速率，便于快速形成硅晶棒。

具体地，所述屏壁12为单层结构，所述单层结构的一端与所述第一层板112连接，所述单层结构的另一端与炉体内壁连接。

具体地，所述隔热件21与所述侧板114贴合。

一些实施例中，所述隔热件21与所述侧板114之间具有间隙，所述间隙范围为1～3mm。

具体地，所述隔热件21为隔热板，所述隔热板包括若干个隔热膜组。

进一步地，如图3所示，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211和第二折射层212，所述第一折射层211的折射率为第一折射率，所述第二折射层212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。

进一步地，所述第一折射层211的材料为硅或钼，所述第二折射层212的材料为石英。

一些实施例中，如图4所示，所述隔热板至少包括支撑层213和一组隔热膜组，所述隔热膜组包括第一折射层211和第二折射层212，所述第一折射层211的折射率为第一折射率，所述第二折射层212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213、所述第一折射层211与所述第二折射层212依次贴合连接。

进一步地，所述第一折射层211的材料为硅，所述第二折射层212的材料为石英或氮化硅，所述支撑层213的材料为硅。

具体地，所述保温件22为保温材料制备的多孔结构件，所述保温材料为石墨。

本实施例一还提供了一种熔炼炉，所述熔炼炉用于单硅晶体生长，如图4所示，所述熔炼炉包括上述任意一项所述的热屏障装置，坩埚3和加热器4，所述熔炼炉具有空腔结构，所述空腔结构内设有所述坩埚3，所述坩埚3用于承载熔体，所述加热器4设置在所述坩埚3外部，所述加热器4用于加热所述坩埚3内的单硅晶熔体，所述屏障装置设置在所述坩埚3端口上方，通过所述屏障装置的移动使单硅晶熔体生长。

具体地，所述坩埚3包含石英坩埚，可耐高温，用以承载熔融状态的硅熔体。所述熔体坩埚3由一转轴5支撑，所述转轴5带动所述坩埚3旋转，以提高所述坩埚3内的硅熔体的加热均匀性。

进一步地，所述加热器4设置所述腔体内且分布于所述坩埚3外周，用以提供所述坩埚3的热场。

进一步地，所述加热器4可设置为环形包围所述坩埚3，以提高热场的均匀性。

具体地，所述单硅晶熔体生长的方法，包括如下步骤：添加原料至所述坩埚3中；通过所述加热器4对所述坩埚3进行加热，使所述坩埚3内的原料至融化状态；所述坩埚3产生的热量传输至所述热屏障装置中，所述热屏障机构1吸收热量，吸收的热量通过所述隔热板21与硅晶棒隔绝，使单硅晶熔体生长时的温度梯度较大，便于提高单硅晶熔体生长的拉速。

本实施例一提供了一种热屏障装置及熔炼炉，在热屏装置的内部设有一个隔热板，隔热板将隔绝坩埚传输的热量至晶棒处，提高热屏与坩埚之间温度梯度，温度梯度越大，拉速越快，便于快速形成硅晶棒，提高硅晶棒的生产效率。

实施例二

本实施例二提供了一种热屏障装置，与实施例一的区别在于，所述隔热件21为隔热空腔，所述隔热空腔内部填充保温件。

进一步地，所述隔热空腔由至少两层隔热膜组围成，所述隔热膜组包括第一折射层211和第二折射层212，所述第一折射层211的折射率为第一折射率，所述第二折射层212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。

进一步地，所述第一折射层211的材料为硅或钼，所述第二折射层212的材料为石英。

具体地，所述隔热空腔至少支撑层213和一组隔热膜组围成，所述隔热膜组包括第一折射层211和第二折射层212，所述第一折射层211的折射率为第一折射率，所述第二折射层212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213、所述第一折射层211与所述第二折射层212依次贴合连接。

进一步地，所述第一折射层211的材料为硅，所述第二折射层212的材料为石英或氮化硅，所述支撑层213的材料为硅。

具体地，所述隔热空腔内部填充保温件也为保温材料制备的多孔结构件，所述保温材料为石墨。

具体地，本实施例二中其他部分与实施例一相同，在此不再赘述。

本实施例二提供了一种热屏障装置及熔炼炉，由于所述隔热件21只为隔热膜组或支撑层和一组隔热膜组时，较薄的厚度无法做到完全隔热，还会有一部分热量传输至硅晶棒，导致温度梯度无法进行继续扩大，而较厚的厚度增加成本和拉力，采用隔热空腔，隔热空腔由两层隔热膜组围城或者隔热膜组或支撑层和一组隔热膜组围城，能够隔热空腔远离硅晶棒的一侧将大部分热量隔绝在外面，剩余一部分热量由隔热空腔内容的保温才吸收，并通过隔热空腔靠近硅晶棒的一侧进行隔热，能够实现完全隔绝热量，隔绝热量效果好，能顾大幅度提高拉伸，同时只需要较薄的厚度，减少生产成本和拉力。

实施例三

本实施例三提供了一种热屏障装置，与实施例一的区别在于，如图5所示，所述隔热机构2还包括横向隔热件23，所述横向隔热件23设置在所述第二层板113靠近所述第一层板112一侧。

具体地，所述横向隔热件23与所述第二层板113贴合或者存在间隙门锁上间隙范围为1～3mm。

进一步地，所述横向隔热件23为隔热板或隔热空腔，当所述横向隔热件23为为所述隔热空腔时，其内部填充保温件。

进一步地，所述隔热板至少包括两组隔热膜组或者所述隔热空腔由至少两层隔热膜组围成，所述隔热膜组包括第一折射层211和第二折射层212，所述第一折射层211的折射率为第一折射率，所述第二折射层212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。

进一步地，所述第一折射层211的材料为硅或钼，所述第二折射层212的材料为石英。

进一步地，所述隔热板至少包括支撑层213和一组隔热膜组或者所述隔热空腔由支撑层213和一组隔热膜组围成，所述隔热膜组包括第一折射层211和第二折射层212，所述第一折射层211的折射率为第一折射率，所述第二折射层212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213、所述第一折射层211与所述第二折射层212依次贴合连接。

进一步地，所述第一折射层211的材料为硅，所述第二折射层212的材料为石英或氮化硅，所述支撑层213的材料为硅。

具体地，本实施例三中其他部分与实施例一相同，在此不再赘述。

本实施例三提供了一种热屏障装置及熔炼炉，由于设有横向隔热件，能够进一步的限制热量在所述热屏障装置无法散发至所述热屏障装置外部，避免通过第二层板间接传输至硅晶棒，而影响到温度梯度，提高拉速，便于快速形成硅晶棒，提高硅晶棒的生产效率。

实施例四

本实施例四提供了一种热屏障装置及熔炼炉，与实施例一的区别在于，如图6所示，所述屏壁12为双层结构，所述双层结构的一端分别与所述第一层板112和所述第二层板113连接，所述双层结构的另一端与炉体内壁连接，所述双层结构的内部填充所述保温件22。

具体地，本实施例四中其他部分与实施例一相同，在此不再赘述。

实施例四提供了一种热屏障装置及熔炼炉，采用双层结构的屏壁，一方面能够进一步吸收热量保留温度，另一方面，双层结构的屏壁相对应单层结构更加结实，避免常年高温导致的易损。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。