一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉的制作方法

本实用新型涉及半导体生产技术领域，尤其涉及一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉。

背景技术：

单晶硅是大多数半导体元器件的基底材料，其中绝大多数的单晶硅都是利用拉晶炉通过直拉法制成的。在该方法中，通过将固态的多晶硅硅料放置在坩埚内并对坩埚进行加热使其中的多晶硅硅料融化，在直拉单晶硅棒过程中，首先让籽晶和熔融硅接触，使固液界面处的熔硅沿着籽晶冷却结晶，并通过缓慢拉出籽晶而生长单晶，缩颈完成之后通过降低拉速和/或熔体温度来放大晶体生长直径直至达到目标直径；转肩之后，通过控制拉速和熔体温度使晶体生长进入“等径生长”阶段；最后，通过增大拉速和提高熔体温度使晶体生长面的直径逐步减小形成尾锥，直至最后晶体离开熔体表面，即完成了单晶硅棒的生长。

具体地，参见图1，其示出了现有的用于拉制单晶硅棒s的拉晶炉10a，该拉晶炉10a可以包括：限定出炉腔ca的炉壁11a；位于所述炉腔ca内并用于容纳熔融硅m的坩埚12a；设置在所述坩埚12a的径向外侧的坩埚加热器13a；设置在坩埚12a和坩埚加热器13a的上方以用于将比如惰性气体的保护气体引导至熔融硅m的液面l的导流筒14a。

对于上述的拉晶炉10a的保温，炉壁11a的侧部处可以设置保温元件(附图中未示出)以抑制坩埚加热器13a产生的热量经由炉壁11a的侧部散失，此外导流筒14a的存在可以起到一部分的抑制坩埚加热器13a产生的热量朝向炉壁11a的顶部散失的作用，然而由于无法在导流筒14a与炉壁11a之间的空间设置隔热元件，仍然会有一部分的热量通过导流筒14a与炉壁11a之间的空间朝向炉壁11a的顶部散失。无法设置上述的隔热元件的原因在于，在拉晶过程中，熔融硅m的液面l会逐渐降低，因此需要坩埚12a升起以使熔融硅m的液面l处于固定的水平高度处，如果在导流筒14a与炉壁11a之间的空间设置隔热元件，则该隔热元件会阻挡坩埚12a升起。

由于无法在导流筒14a与炉壁11a之间的空间设置隔热元件，导致了大量的热量损失，如在图1中通过实线箭头示出的。这样的热量损失不仅导致能耗增加，同时导致固液界面处的温度难以控制在理想的温度范围内，影响单晶硅棒的稳定生长。而且，坩埚12a中溶出的氧会与比如硅发生反应并由此产生挥发性的比如氧化硅的氧化物，挥发性的氧化物会随着保护气体流动至导流筒14a外侧顶端温度较低的位置处，如在图1中通过虚线箭头示出的，并沉积下来从而降低导流筒14a的使用寿命，沉积的氧化物也会落入熔融硅m中而导致晶棒断线或形成多晶。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型实施例期望提供一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉，使得隔热元件能够被设置在导流筒与炉壁之间，以便抑制热量损失，并且阻止挥发性氧化物随保护气体一起流动至导流筒外侧顶端温度较低的位置处。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型实施例提供了一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉，所述拉晶炉可以包括：

限定出炉腔的炉壁；

位于所述炉腔内并用于容纳熔融硅的坩埚，其中，所述坩埚在拉晶过程中升起以使所述熔融硅的液面处于固定的水平高度处；

设置在所述坩埚的径向外侧的坩埚加热器；

设置在所述坩埚和所述坩埚加热器的上方以用于将保护气体引导至所述熔融硅的液面的导流筒；

设置在所述导流筒与所述炉壁之间的隔热环，所述隔热环用于抑制所述坩埚加热器产生的热量朝向所述炉壁的顶部散失；

提升机构，所述提升机构用于提升所述隔热环以使得在所述坩埚升起的过程中不会被所述隔热环阻挡。

在本实用新型实施例提供的拉晶炉中，在导流筒与炉壁之间设置了隔热环，因此能够抑制坩埚加热器产生的热量朝向炉壁的顶部散失，由此能够减小能耗，易于将固液界面处于温度控制在理想的温度范围内，促进了单晶硅棒的稳定生长；而且隔热环能够阻止挥发性的氧化物随着保护气体流动至导流筒外侧顶端温度较低的位置处，由此避免氧化物的沉积，不会对导流筒的使用寿命造成影响，也不会导致氧化物落入熔融硅中而导致晶棒断线或形成多晶的现象发生。

附图说明

图1为现有技术中的用于拉制单晶硅棒的拉晶炉的示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉的示意图，其中，拉晶炉的坩埚处于参考位置；

图3为图2中示出的拉晶炉的示意图，其中坩埚处于相对于参考位置升起的升起位置；

图4为图2中示出的位晶炉的示意图，其中将处于参考位置和升起位置的坩埚绘制在同一幅图中以进行升起前后的对比；

图5为本实用新型实施例提供的一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉的隔热环的立体示意图；

图6为图5中示出的隔热环的分解示意图；

图7为图5中示出的隔热环沿着线a-a剖切的剖视示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图2，其示出了本实用新型实施例提供的一种用于拉制单晶硅棒s的拉晶炉10，所述拉晶炉10可以包括：

限定出炉腔c的炉壁11；

位于所述炉腔c内并用于容纳熔融硅m的坩埚12，其中，所述坩埚12在拉晶过程中升起以使所述熔融硅m的液面l处于固定的水平高度处，可以理解的是，随着单晶硅棒s的不断生长，容纳在坩埚12中的熔融硅m的量会不断减少，如果坩埚12保持固定不动，则液面l会不断降低，因此如果要使熔融硅m的液面l处于固定的水平高度处，则需要使坩埚12升起，具体地，参见图3，其示出了坩埚12相对于图1中所处于的参考位置升起至升起位置的示意图，另外参见图4，其将处于参考位置和升起位置的坩埚12绘制在同一幅图中以进行升起前后的对比；

设置在所述坩埚12的径向外侧的坩埚加热器13；

设置在所述坩埚12和所述坩埚加热器13的上方以用于将保护气体引导至所述熔融硅m的液面l的导流筒14；

设置在所述导流筒14与所述炉壁11之间的隔热环15，所述隔热环15用于抑制所述坩埚加热器13产生的热量朝向所述炉壁11的顶部散失，优选地，隔热环15的内径可以略大于导流筒的外径，隔热环15的外径可以略小于炉壁11的与隔热环15处于相同水平高度的位置处的内径，并且在拉晶炉10包括设置在炉壁11的侧部处的保温元件的情况下，如在下文中详细描述的，隔热环15的外径可以略小于该保温元件的内径；

提升机构16，所述提升机构16用于提升所述隔热环15以使得在所述坩埚12升起的过程中不会被所述隔热环15阻挡，其中，图3示出了隔热环15相对于图1中所处于的参考位置被提升机构16提升至升起位置的示意图，图4将处于参考位置和升起位置的隔热环15绘制在同一幅图中以进行被提升起机构16提升前后的对比。

在本实用新型实施例提供的拉晶炉10中，在导流筒14与炉壁11之间设置了隔热环15，因此能够抑制坩埚加热器13产生的热量朝向炉壁11的顶部散失，如在图2中通过实线箭头示出的，由此能够减小能耗，易于将固液界面处于温度控制在理想的温度范围内，促进了单晶硅棒s的稳定生长；而且隔热环15能够阻止挥发性的氧化物随着保护气体流动至导流筒14外侧顶端温度较低的位置处，如在图2中通过虚线箭头示出的，由此避免氧化物的沉积，不会对导流筒14的使用寿命造成影响，也不会导致氧化物落入熔融硅m中而导致晶棒断线或形成多晶的现象发生。

在本实用新型的优选实施例中，所述隔热环15与所述坩埚12之间的间距可以保持不变，以保证热场的稳定。

拉晶炉10的炉壁11限定出的炉腔c或者说拉晶炉10的拉晶环境是需要具备较高的洁净度的，或者说需要避免将杂质引入到熔融硅m中以使拉制出的单晶硅棒s具有较高品质，然而可以理解的是，提升机构16不可避免地需要包括各种复杂部件比如电动机以实现隔热环15的提升，由此可能会导致将杂质引入到炉腔c中使单晶硅棒s的品质降低。因此，在本实用新型的优选实施例中，参见图2，所述提升机构16包括穿过所述炉壁11延伸的杆状件161和设置在所述炉腔c外部的用于驱动所述杆状件161升起的驱动器162。这样，不可避免地包括各种复杂部件以实现提升并且由此有可能将杂质引入到炉腔c中的驱动器162处于炉腔c外部，可以避免引入杂质，而处于炉腔c内部的部件仅有形状和结构单一的杆状件161，由此易于实现避免将杂质引入。

通常用于机械驱动的装置比如电动机、液压马达等都是进行旋转运动的，而在本实用新型的，隔热环15需要进行竖直方向的平移运动，因此，在本实用新型的优选实施例中，所述驱动器162包括：比如电动机或液压马达之类的旋转马达以便以简单、通用的方式提供驱动力；以及将所述旋转马达的旋转运动转换为平移运动的传动副，比如包括滚珠丝杠和丝杠螺母的传动副。

在本实用新型的优选实施例中，参见图5至图7，所述隔热环15可以包括顶部部件151、底部部件152以及夹置在所述顶部部件151与所述底部部件152之间的隔热材料153。

在本实用新型的优选实施例中，所述顶部部件152可以由石墨制成并且所述顶部部件的外表面可以涂覆有碳化硅层以防止隔热材料153引入杂质。

在本实用新型的优选实施例中，所述隔热材料153可以为能够有效隔绝热量损失的石墨炭毡或石棉玻璃纤维等材料。

在本实用新型的优选实施例中，所述底部部件152可以由热反射系数高的材料制成，由此可以有效反射来自坩埚加热器13以及熔融硅m的热辐射。优选地，所述热反射系数高的材料为钼或石英。

在本实用新型的优选实施例中，参见图2，所述拉晶炉10还可以包括用于将所述导流筒14支撑在所述炉腔c内的导流筒支撑环17。

在本实用新型的优选实施例中，参见图2，所述拉晶炉10还可以包括设置在所述炉壁11的侧部处以抑制所述坩埚加热器13产生的热量经由所述炉壁11的侧部散失的炉壁11侧部保温元件18，在这种情况下，尽管在附图中未详细示出，但如在上文中描述的，隔热环15的外径可以略小于该保温元件18的内径。

需要说明的是：本实用新型实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。