专利名称：一种直拉单晶炉用热场的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种直拉单晶炉用热场。
背景技术：
半导体硅单晶体的80%是用切克劳斯基(Czochralski)法(也称为直拉法)制造。根据直拉法，把原料多晶硅块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热溶化，然后，将硅溶液稍微降温，给予一定的过冷度，再将一根直径约有IOmm的棒状晶种浸入溶液中，在合适的温度下，溶液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液界面上形成规则的结晶，成为单晶。把晶种微微的旋转向上提升，溶液中的硅原子会在单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。严格的控制结晶环境，就可以周而复始的形成结晶，通过控制提升速度和溶液温度，可以使晶体长大至近目标直径，使单晶体等直径生长。在生长的尾期，此时坩埚内硅熔体尚未完全消失，通过增加晶体的提升速度和调整向埚内的供热量将晶体直径渐渐减小形成一个尾形锥体，当锥体的尖足够小时，晶体就会与熔体脱落，从而完成晶体的生长过程。其过程大致可分为装料、抽空、化料、引晶、放肩、转肩、等径生长、收尾、晶体冷却等，其中大部分是吸热过程，需要外部供给热量。由于过程需要一个温度1400摄氏度左右、 稳定的高温环境，这样热场的设计就显的非常重要。优良的热场可以减少热损失，降低能耗，并生长出品质优良的硅单晶体。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种直拉单晶炉用热场，解决现有单晶炉耗能高的问题。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种直拉单晶炉用热场从上到下，有上保温盖，上保温层，热屏支撑环和保温筒，保温筒分为上保温筒、中保温筒和下保温筒，热场底部具有底部保温层，热场中心设有支承轴，支承轴上具有坩埚托盘，坩埚托盘上依次是碳碳坩埚和石英坩埚，保温筒和碳碳坩埚之间设有加热器，热屏支撑环连接有热屏，热屏为内外两层，中间有碳毡隔热层，上保温层的厚度为20 40mm，上保温筒内径与加热器内径之间的距离5 10mm，有效的减弱了加热器向上热量的辐射，底部保温层厚度为 100 140mm，大大增强底部保温效果。碳碳坩埚外径与加热器内径之间的距离为15 25mm，加热器外径与中保温筒内径之间的距离为10 15mm，热屏的碳毡隔热层上端最小处厚度为5 10mm。本实用新型的有益效果是通过优化热屏的结构，增加热屏夹层厚度，优化底部保温层，以及压缩热场有效空间；减少了保温筒内径，增加了保温层厚度，来改善单晶炉的保温效果，改善热场分布，从而降低能量消耗，本方案相比现有热场能耗降低了 30%左右。同时相对传统热场有优越的温度梯度分布，长晶速度也提高了 20%。以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明；
图1是本实用新型的结构示意图；图2是在晶体中轴线上温度梯度分布对比图；图3在硅熔体中轴线上温度梯度分布对比图；图4热场中的固液界面对比图；图中，1、上保温盖；2、热屏支撑环；3、上保温筒；4、上保温筒支撑环；5、中保温筒； 6、加热器；7、中保温筒支撑环；8、炉底盘；9、炉底压板；10、内热屏；11、外热屏；12、上保温层；13、石英坩埚；14、碳碳坩埚；15、坩埚托盘；16、支承轴；17、硅溶液；18、硅单晶体；19、 下保温筒。
具体实施方式
如图1所示，本直拉单晶炉用热场从上到下，有上保温盖1，上保温层12，热屏支撑环2和保温筒，保温筒分为上保温筒3、中保温筒5和下保温筒19，上保温筒3、中保温筒5 之间为上保温筒支撑环4，在中保温筒5和下保温筒19之间为中保温筒支撑环7。在热场底部具有底部保温层，底部保温层在炉底盘8和炉底压板9之间。热场中心设有支承轴16， 支承轴16上具有坩埚托盘15，坩埚托盘15上依次是碳碳坩埚14和石英坩埚13，石英坩埚 13用于盛放原料多晶硅或溶化的硅溶液17。将一根直径约有IOmm的棒状晶种浸入硅溶液 17中，在合适的温度下，溶液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液界面上形成规则的结晶。把晶种微微的旋转向上提升，溶液中的硅原子会在单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构，成为硅单晶体18。保温筒和碳碳坩埚14之间设有加热器6，热屏支撑环2连接有热屏，所述热屏为内外两层，中间有碳毡隔热层。热屏支撑环2的内圈处设置有平台，平台处设置外热屏11，外热屏11的上端与内热屏10通过螺丝结合。热屏支撑环2两边设有开槽，槽内设置有上保温层12，上保温层12厚度20 40mm，上保温层12上压有上保温盖1。上保温筒3内径与加热器6内径之间的距离5 10mm，减少了加热器6 向上的热辐射，使炉内的保温效果加强。碳碳坩埚14采用碳碳复合材质，可以减小坩埚厚度，使气流更加顺畅，底部保温层厚度100 140mm，减小了热场中的空闲空间，使炉内的保温效果更佳，减少热量的散失。碳碳坩埚14外径与加热器6内径之间的距离为15 25mm， 加热器6外径与中保温筒5内径之间的距离为10 15mm，热屏的碳毡隔热层上端最小处厚度为5 IOmm0本方案由于良好的上部保温系统和下部保温系统，使得热量限制在有效的空间内，相对传统热场降低功率消耗45 47kw左右，并且在固液界面处的晶体侧有较高的温度梯度，使成晶率大大提高，比传统的热场有较高的生长速度，从而使得生长周期缩短，达到节能的目的。下面结合图2和图3说明生长速度，本质上讲，直拉法是一个受控制的(即非自由的)晶体生长过程。其生长速度可以用下式来描述
1 /dT\dT
_7] vcry=-[Ks(-)s-kl(-)l] 式中V。
生长速度(在一级近似中就是提拉速度)[0019]P。ry:固体硅的密度L 硅的结晶热Ks:固体硅的热导率Kl 液体硅的热导率(￡) s:固体硅中的温度梯度(￡) L:液体硅中的温度梯度从上式可以看出，晶体生长的原动力来自热场。要提高长晶速度必须①提高固体硅中的温度梯度；②降低液体硅中的温度梯度。从图2可以看出来，本方案的热场比传统的热场，在固体硅中有较高的温度梯度； 从图3可以看出，本方案的热场比传统的热场，在液体硅中有较低的温度梯度。所以本方案比传统热场有较高的长晶速度，降低周期的优势，实际测试拉速提高20%.下面结合图4从固液界面角度来说明本方案的优势。在拉速提高20%的基础上，本方案的热场比传统的热场还具有很平坦的固液界面。
权利要求1.一种直拉单晶炉用热场，其特征是所述热场从上到下，有上保温盖(1)，上保温层 (12)，热屏支撑环(2)和保温筒，保温筒分为上保温筒(3)、中保温筒(5)和下保温筒(19)， 热场底部具有底部保温层，热场中心设有支承轴(16)，支承轴(16)上具有坩埚托盘(15)， 坩埚托盘(15)上依次是碳碳坩埚(14)和石英坩埚(13)，保温筒和碳碳坩埚(14)之间设有加热器(6)，热屏支撑环( 连接有热屏，所述热屏为内外两层，中间有碳毡隔热层，其特征是所述的上保温层(12)的厚度为20 40mm，所述的上保温筒(3)内径与加热器(6)内径之间的距离5 10mm，底部保温层厚度为100 140mm。
2.根据权利要求1所述的直拉单晶炉用热场，其特征是所述碳碳坩埚(14)外径与加热器(6)内径之间的距离为15 25mm，所述加热器(6)外径与中保温筒(5)内径之间的距离为10 15mm，所述热屏的碳毡隔热层上端最小处厚度为5 10mm。
专利摘要本实用新型涉及一种直拉单晶炉用热场，热场从上到下，有上保温盖，上保温层，热屏支撑环和保温筒，保温筒分为上保温筒、中保温筒和下保温筒，热场底部具有底部保温层，热场中心设有支承轴，支承轴上具有坩埚托盘，坩埚托盘上依次是碳碳坩埚和石英坩埚，保温筒和碳碳坩埚之间设有加热器，热屏支撑环连接有热屏，热屏为内外两层，中间有碳毡隔热层，上保温层的厚度为20～40mm，上保温筒内径与加热器内径之间的距离5～10mm，底部保温层厚度为100～140mm。本方案通过优化热屏的结构和调整底部保温结构，来改善单晶炉的保温效果，改善热场分布，从而降低能量消耗，本方案相比现有热场能耗降低了30％左右，同时长晶速度也提高了20％。
文档编号C30B15/14GK202000023SQ201120055890
公开日2011年10月5日 申请日期2011年3月5日 优先权日2011年3月5日
发明者张志强, 钮应喜, 黄振飞 申请人:常州天合光能有限公司