專利名稱：一種直拉單晶爐用熱場的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種直拉單晶爐用熱場。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體硅單晶體的80%是用切克勞斯基(Czochralski)法(也稱為直拉法)制造。根據(jù)直拉法，把原料多晶硅塊放入石英坩堝中，在單晶爐中加熱溶化，然后，將硅溶液稍微降溫，給予一定的過冷度，再將一根直徑約有IOmm的棒狀晶種浸入溶液中，在合適的溫度下，溶液中的硅原子會(huì)順著晶種的硅原子排列結(jié)構(gòu)在固液界面上形成規(guī)則的結(jié)晶，成為單晶。把晶種微微的旋轉(zhuǎn)向上提升，溶液中的硅原子會(huì)在單晶體上繼續(xù)結(jié)晶，并延續(xù)其規(guī)則的原子排列結(jié)構(gòu)。嚴(yán)格的控制結(jié)晶環(huán)境，就可以周而復(fù)始的形成結(jié)晶，通過控制提升速度和溶液溫度，可以使晶體長大至近目標(biāo)直徑，使單晶體等直徑生長。在生長的尾期，此時(shí)坩堝內(nèi)硅熔體尚未完全消失，通過增加晶體的提升速度和調(diào)整向堝內(nèi)的供熱量將晶體直徑漸漸減小形成一個(gè)尾形錐體，當(dāng)錐體的尖足夠小時(shí)，晶體就會(huì)與熔體脫落，從而完成晶體的生長過程。其過程大致可分為裝料、抽空、化料、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑生長、收尾、晶體冷卻等，其中大部分是吸熱過程，需要外部供給熱量。由于過程需要一個(gè)溫度1400攝氏度左右、 穩(wěn)定的高溫環(huán)境，這樣熱場的設(shè)計(jì)就顯的非常重要。優(yōu)良的熱場可以減少熱損失，降低能耗，并生長出品質(zhì)優(yōu)良的硅單晶體。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種直拉單晶爐用熱場，解決現(xiàn)有單晶爐耗能高的問題。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種直拉單晶爐用熱場從上到下，有上保溫蓋，上保溫層，熱屏支撐環(huán)和保溫筒，保溫筒分為上保溫筒、中保溫筒和下保溫筒，熱場底部具有底部保溫層，熱場中心設(shè)有支承軸，支承軸上具有坩堝托盤，坩堝托盤上依次是碳碳坩堝和石英坩堝，保溫筒和碳碳坩堝之間設(shè)有加熱器，熱屏支撐環(huán)連接有熱屏，熱屏為內(nèi)外兩層，中間有碳?xì)指魺釋?，上保溫層的厚度?0 40mm，上保溫筒內(nèi)徑與加熱器內(nèi)徑之間的距離5 10mm，有效的減弱了加熱器向上熱量的輻射，底部保溫層厚度為 100 140mm，大大增強(qiáng)底部保溫效果。碳碳坩堝外徑與加熱器內(nèi)徑之間的距離為15 25mm，加熱器外徑與中保溫筒內(nèi)徑之間的距離為10 15mm，熱屏的碳?xì)指魺釋由隙俗钚√幒穸葹? 10mm。本實(shí)用新型的有益效果是通過優(yōu)化熱屏的結(jié)構(gòu)，增加熱屏夾層厚度，優(yōu)化底部保溫層，以及壓縮熱場有效空間；減少了保溫筒內(nèi)徑，增加了保溫層厚度，來改善單晶爐的保溫效果，改善熱場分布，從而降低能量消耗，本方案相比現(xiàn)有熱場能耗降低了 30%左右。同時(shí)相對傳統(tǒng)熱場有優(yōu)越的溫度梯度分布，長晶速度也提高了 20%。以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明；

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是在晶體中軸線上溫度梯度分布對比圖；圖3在硅熔體中軸線上溫度梯度分布對比圖；圖4熱場中的固液界面對比圖；圖中，1、上保溫蓋；2、熱屏支撐環(huán)；3、上保溫筒；4、上保溫筒支撐環(huán)；5、中保溫筒； 6、加熱器；7、中保溫筒支撐環(huán)；8、爐底盤；9、爐底壓板；10、內(nèi)熱屏；11、外熱屏；12、上保溫層；13、石英坩堝；14、碳碳坩堝；15、坩堝托盤；16、支承軸；17、硅溶液；18、硅單晶體；19、 下保溫筒。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本直拉單晶爐用熱場從上到下，有上保溫蓋1，上保溫層12，熱屏支撐環(huán)2和保溫筒，保溫筒分為上保溫筒3、中保溫筒5和下保溫筒19，上保溫筒3、中保溫筒5 之間為上保溫筒支撐環(huán)4，在中保溫筒5和下保溫筒19之間為中保溫筒支撐環(huán)7。在熱場底部具有底部保溫層，底部保溫層在爐底盤8和爐底壓板9之間。熱場中心設(shè)有支承軸16， 支承軸16上具有坩堝托盤15，坩堝托盤15上依次是碳碳坩堝14和石英坩堝13，石英坩堝 13用于盛放原料多晶硅或溶化的硅溶液17。將一根直徑約有IOmm的棒狀晶種浸入硅溶液 17中，在合適的溫度下，溶液中的硅原子會(huì)順著晶種的硅原子排列結(jié)構(gòu)在固液界面上形成規(guī)則的結(jié)晶。把晶種微微的旋轉(zhuǎn)向上提升，溶液中的硅原子會(huì)在單晶體上繼續(xù)結(jié)晶，并延續(xù)其規(guī)則的原子排列結(jié)構(gòu)，成為硅單晶體18。保溫筒和碳碳坩堝14之間設(shè)有加熱器6，熱屏支撐環(huán)2連接有熱屏，所述熱屏為內(nèi)外兩層，中間有碳?xì)指魺釋?。熱屏支撐環(huán)2的內(nèi)圈處設(shè)置有平臺(tái)，平臺(tái)處設(shè)置外熱屏11，外熱屏11的上端與內(nèi)熱屏10通過螺絲結(jié)合。熱屏支撐環(huán)2兩邊設(shè)有開槽，槽內(nèi)設(shè)置有上保溫層12，上保溫層12厚度20 40mm，上保溫層12上壓有上保溫蓋1。上保溫筒3內(nèi)徑與加熱器6內(nèi)徑之間的距離5 10mm，減少了加熱器6 向上的熱輻射，使?fàn)t內(nèi)的保溫效果加強(qiáng)。碳碳坩堝14采用碳碳復(fù)合材質(zhì)，可以減小坩堝厚度，使氣流更加順暢，底部保溫層厚度100 140mm，減小了熱場中的空閑空間，使?fàn)t內(nèi)的保溫效果更佳，減少熱量的散失。碳碳坩堝14外徑與加熱器6內(nèi)徑之間的距離為15 25mm， 加熱器6外徑與中保溫筒5內(nèi)徑之間的距離為10 15mm，熱屏的碳?xì)指魺釋由隙俗钚√幒穸葹? IOmm0本方案由于良好的上部保溫系統(tǒng)和下部保溫系統(tǒng)，使得熱量限制在有效的空間內(nèi)，相對傳統(tǒng)熱場降低功率消耗45 47kw左右，并且在固液界面處的晶體側(cè)有較高的溫度梯度，使成晶率大大提高，比傳統(tǒng)的熱場有較高的生長速度，從而使得生長周期縮短，達(dá)到節(jié)能的目的。下面結(jié)合圖2和圖3說明生長速度，本質(zhì)上講，直拉法是一個(gè)受控制的(即非自由的)晶體生長過程。其生長速度可以用下式來描述
1 /dT\dT
_7] vcry=-[Ks(-)s-kl(-)l] 式中V。
生長速度(在一級近似中就是提拉速度)[0019]P。ry:固體硅的密度L 硅的結(jié)晶熱Ks:固體硅的熱導(dǎo)率Kl 液體硅的熱導(dǎo)率(￡) s:固體硅中的溫度梯度(￡) L:液體硅中的溫度梯度從上式可以看出，晶體生長的原動(dòng)力來自熱場。要提高長晶速度必須①提高固體硅中的溫度梯度；②降低液體硅中的溫度梯度。從圖2可以看出來，本方案的熱場比傳統(tǒng)的熱場，在固體硅中有較高的溫度梯度； 從圖3可以看出，本方案的熱場比傳統(tǒng)的熱場，在液體硅中有較低的溫度梯度。所以本方案比傳統(tǒng)熱場有較高的長晶速度，降低周期的優(yōu)勢，實(shí)際測試?yán)偬岣?0%.下面結(jié)合圖4從固液界面角度來說明本方案的優(yōu)勢。在拉速提高20%的基礎(chǔ)上，本方案的熱場比傳統(tǒng)的熱場還具有很平坦的固液界面。
權(quán)利要求1.一種直拉單晶爐用熱場，其特征是所述熱場從上到下，有上保溫蓋(1)，上保溫層 (12)，熱屏支撐環(huán)(2)和保溫筒，保溫筒分為上保溫筒(3)、中保溫筒(5)和下保溫筒(19)， 熱場底部具有底部保溫層，熱場中心設(shè)有支承軸(16)，支承軸(16)上具有坩堝托盤(15)， 坩堝托盤(15)上依次是碳碳坩堝(14)和石英坩堝(13)，保溫筒和碳碳坩堝(14)之間設(shè)有加熱器(6)，熱屏支撐環(huán)( 連接有熱屏，所述熱屏為內(nèi)外兩層，中間有碳?xì)指魺釋?，其特征是所述的上保溫?12)的厚度為20 40mm，所述的上保溫筒(3)內(nèi)徑與加熱器(6)內(nèi)徑之間的距離5 10mm，底部保溫層厚度為100 140mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直拉單晶爐用熱場，其特征是所述碳碳坩堝(14)外徑與加熱器(6)內(nèi)徑之間的距離為15 25mm，所述加熱器(6)外徑與中保溫筒(5)內(nèi)徑之間的距離為10 15mm，所述熱屏的碳?xì)指魺釋由隙俗钚√幒穸葹? 10mm。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種直拉單晶爐用熱場，熱場從上到下，有上保溫蓋，上保溫層，熱屏支撐環(huán)和保溫筒，保溫筒分為上保溫筒、中保溫筒和下保溫筒，熱場底部具有底部保溫層，熱場中心設(shè)有支承軸，支承軸上具有坩堝托盤，坩堝托盤上依次是碳碳坩堝和石英坩堝，保溫筒和碳碳坩堝之間設(shè)有加熱器，熱屏支撐環(huán)連接有熱屏，熱屏為內(nèi)外兩層，中間有碳?xì)指魺釋?，上保溫層的厚度?0～40mm，上保溫筒內(nèi)徑與加熱器內(nèi)徑之間的距離5～10mm，底部保溫層厚度為100～140mm。本方案通過優(yōu)化熱屏的結(jié)構(gòu)和調(diào)整底部保溫結(jié)構(gòu)，來改善單晶爐的保溫效果，改善熱場分布，從而降低能量消耗，本方案相比現(xiàn)有熱場能耗降低了30％左右，同時(shí)長晶速度也提高了20％。
文檔編號C30B15/14GK202000023SQ201120055890
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月5日
發(fā)明者張志強(qiáng), 鈕應(yīng)喜, 黃振飛 申請人:常州天合光能有限公司