CN113755944A - 一种单晶炉热场结构、单晶炉及晶棒 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单晶炉热场结构、单晶炉及晶棒，其特征在于，包括：炉体，所述炉体的内部中央设有坩埚；侧部加热器，所述侧部加热器设置于所述坩埚***；导流组件，所述导流组件设置于所述侧部加热器和所述坩埚之间，用于与所述坩埚的外壁形成气体流动通道以将气体排出所述炉体外。根据本发明实施例的单晶炉热场结构，可以通过形成的气体流动通道对通入单晶炉内的气体进行引导排出炉外，以对炉内的加热器进行隔离保护，避免气体中裹挟的一氧化硅对加热器造成损坏，从而提高炉内加热器的使用寿命、确保加热器的正常工作。
Description
技术领域
本发明涉及晶棒制备技术领域，具体涉及一种单晶炉热场结构、单晶炉及晶棒。
背景技术
单晶硅材料在生长过程中，特别是通过直拉法单晶炉生长单晶硅材料的过程中，通常利用石墨热场提供生长温度、梯度控制等。具体过程中，是在低真空度且伴有惰性气体环境中进行多晶原料的熔化，通过籽晶的接触，旋转提升制备得到单晶材料，其中，热源主要来自于石墨加热器。然而，二次加料时发生的硅液溅出，以及高温下硅液表面逸出的一氧化硅(SiO)随炉内气流接触到石墨加热器后会发生反应，一方面会在加热器表面形成碳化硅(SiC)沉积，另一方面由于化学反应的存在，加热器厚度随使用次数的增加将逐渐减少，这就直接导致加热器表面材料属性的变化以及加热器自身由于厚度变化导致的加热性能降低等问题，最终会降低加热器使用寿命，并直接影响产品品质。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种单晶炉热场结构、单晶炉及晶棒，能够解决现有技术中炉内混杂有害杂质的气体对加热器造成损害，继而影响加热器使用寿命甚至影响制备的产品品质的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明一方面实施例提供一种单晶炉热场结构，包括：
侧部加热器，所述侧部加热器设置于所述坩埚***；
导流组件，所述导流组件围设于所述侧部加热器和所述坩埚的侧壁之间以及所述坩埚的下方，用于与所述坩埚的外壁形成气体流动通道，所述气体流动通道与所述炉体的外部连通以将气体排出所述炉体外。
可选的，所述导流组件包括侧部导热筒、底部导热板和排气筒，所述侧部导热筒设置于所述侧部加热器和所述坩埚之间，所述底部导热板设置于所述坩埚下方，所述侧部导热筒的底端与所述底部导热板密封连接，所述底部导热板上开设有至少一个排气孔，所述排气筒穿设于所述排气孔内，所述排气筒的一端连通所述气体流动通道，另一端伸出于所述炉体外。
可选的，还包括：
底部加热器，所述底部加热器设置于所述底部导热板的下方。
可选的，所述排气孔的数量为四个，四个所述排气孔在同一圆周上间隔布设，每一所述排气孔内设置有一所述排气筒。
可选的，所述侧部导热筒和所述底部导热板采用石墨材料制成。
可选的，所述石墨材料为石墨烯。
可选的，还包括：
真空泵，所述真空泵与所述排气筒伸出于所述炉体外的一端连接，用于抽取气体流动通道内的气体。
可选的，还包括：
过滤装置，所述过滤装置设置于所述排气筒和所述真空泵之间，用于过滤气体中的杂质颗粒。
可选的，还包括：
侧部隔热材料层，所述侧部隔热材料层设置于所述侧部加热器和所述炉体内侧壁之间；
底部隔热材料层，所述底部隔热材料层设置于所述底部加热器和所述炉体底壁之间。
可选的，还包括：
导流筒，所述导流筒设置于所述坩埚上方。
本发明另一方面实施例还提供了一种单晶炉，所述单晶炉包括炉体和设置于所述炉体内部中央的坩埚，还包括：如上所述的单晶炉热场结构。
本发明再一方面实施例还提供了一种晶棒，所述晶棒采用如上所述的单晶炉制备得到。
本发明上述技术方案的有益效果如下：
根据本发明实施例的单晶炉热场结构，可以通过形成的气体流动通道对通入单晶炉内的气体进行引导排出炉外，以对炉内的加热器进行隔离保护，避免气体中裹挟的一氧化硅对加热器造成损坏，从而提高炉内加热器的使用寿命、确保加热器的正常工作。
附图说明
图1为本发明实施例提供的单晶炉热场结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的底部加热器和排气筒的设置关系示意图；
图3为图2中沿A-A截面的剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
单晶硅材料在生长过程中，特别是通过直拉法单晶炉生长单晶硅材料的过程中，通常利用石墨热场提供生长温度、梯度控制等。具体过程中，是在低真空度且伴有惰性气体环境中进行多晶原料的熔化，通过籽晶的接触，旋转提升制备得到单晶材料，其中，热源主要来自于石墨加热器。然而，二次加料时发生的硅液溅出，以及高温下硅液表面逸出的一氧化硅(SiO)随炉内气流接触到石墨加热器后会发生反应，一方面会在加热器表面形成碳化硅(SIC)沉积，另一方面由于化学反应的存在，加热器厚度随使用次数的增加将逐渐减少，这就直接导致加热器表面材料属性的变化以及加热器自身由于厚度变化导致的加热性能降低等问题，最终会降低加热器使用寿命，并直接影响产品品质。
为了避免出现上述问题，相关技术中通过将排气口设置在侧保温筒上部位置，从而使气体流向不经过侧加热器及底部热场部件，起到保护加热器及下部热场的目的。但该方法的具体实施却极为复杂，一方面，侧排气孔的设计会极大增加热场配件种类数量及设计难度，直接导致成本的增加；另外，该结构下，含有一氧化硅的气流会在液面上方的热场部件产生结晶，而该结晶一旦落入熔液则会直接导致晶体失去单晶特性，造成产品浪费。
由此，本发明实施例提供一种单晶炉热场结构，如图1所示，所述单晶炉热场结构应用于单晶炉，所述单晶炉包括炉体13以及设置于炉体13的内部中央的坩埚，所述单晶炉热场结构可以包括：侧部加热器3和导流组件，其中，侧部加热器3设置在所述坩埚的***，也就是炉体13的内壁和坩埚之间，侧部加热器3用于在坩埚的外侧部对坩埚进行加热；导流组件围设于侧部加热器3和所述坩埚的侧壁之间以及所述坩埚的下方，用于与所述坩埚的外壁形成气体流动通道，所述气体流动通道与所述炉体的外部连通以将气体排出炉体13外，也就是说，导流组件和坩埚的外壁形成了气体流动通道，当向炉内通入气体时，气体将从气体流动通道排出到炉体13外，从而导流组件将侧部加热器3进行隔离，以免气体中裹挟的一氧化硅等有害物质对侧部加热器3造成损坏。
在本发明实施例中，所述的导流组件可以包括侧部导热筒1、底部导热板2和排气筒6，其中，侧部导热筒1设置于侧部加热器3和坩埚之间，也即侧部导热筒1围设在坩埚的***，而底部导热板2则设置于坩埚的下方，侧部导热筒2的底端和底部导热板2的边缘密封连接，并且在底部导热板2上开设有至少一个排气孔，排气筒6即穿设于所述排气孔内，并且排气筒6的一端连通气体流动通道，另一端则伸出于炉体13外；也就是说，侧部导热筒1、底部导热板2与坩埚的外壁之间构成了气体流动通道，由于侧部加热器3位于侧部导热筒1的***，因此气体流动通道和侧部加热器3分别位于侧部导热筒1的两侧，受到侧部导热筒1的隔绝，而底部导热板2上开设有排气孔，通过在排气孔内穿设排气筒6，即可将气体流动通道与炉体13的外部导通，使得气体可以顺利从气体流动通道流出到炉体13外。
在本发明实施例中，所述单晶炉热场结构还包括底部加热器4，底部加热器4用于从坩埚的底部对坩埚进行加热，底部加热器4设置于底部导热板2的下方，从而，气体流动通道和底部加热器4分别位于底部导热板2的两侧，受到底部隔热板2的隔绝，从而避免气体中裹挟的一氧化硅等有害物质对底部加热器4造成损坏。
本发明实施例中，底部导热板2上开设的排气孔的数量可以为四个，并且四个排气孔在同一圆周上间隔布设，每一个排气孔内穿设有一个排气筒6，从而，气体流动通道可以通过上述四个排气筒6快速高效地将气体排出炉体13外，当然，根据不同的要求，排气孔的数量可以增加或减少。
如图2、3所示，排气筒6需要穿过底部加热器4所在的平面，具体排布方式需依据实际底部加热器4的形状结构而定，例如，在底部加热器4的加热面积较小时，可以将排气筒6设置在底部加热器4的***，而在底部加热器4的加热面积较大时，需要在底部加热器4上设置排气孔，以便排气筒6穿过。
在本发明的一些实施例中，所述侧部导热筒1和底部导热板2采用石墨材料制成，石墨材料应具有高导热系数，通常导热系数可达1500W/M-K，从而确保侧部加热器3和底部加热器4工作时产生的热量可以快速穿过侧部导热筒1和底部导热板2到达坩埚内，以免侧部加热器3和底部加热器4的加热效率和加热量受到影响，并且避免影响侧部加热器3和底部加热器4所产生的热场分布；而石墨材料耐高温、化学性质稳定、耐腐蚀，可适应单晶炉内的高温场景，使用寿命长。本发明实施例中，所述石墨材料可以包括石墨烯，石墨烯具有非常好的热传导性能。
在本发明的一些实施例中，所述单晶炉热场结构还包括真空泵(图中未示出)，所述的真空泵与排气筒6伸出于所述炉体外的一端连接，所述真空泵用于在排气筒6的一端提供负压以抽取气体流动通道内的气体，保证炉体13内的气体快速引导流出炉体13。
在本发明的另一些实施例中，所述单晶炉热场结构还包括过滤装置(图中未示出)，所述的过滤装置设置在排气筒6和真空泵之间，用于过滤流过的气体中的杂质颗粒，以免造成污染。
在本发明的一些实施例中，所述单晶炉热场结构还包括：侧部隔热材料层71和底部隔热材料层72，侧部隔热材料层71设置于侧部加热器3和炉体13的内侧壁之间；而底部隔热材料层72则设置于底部加热器4和炉体13的底壁之间，侧部隔热材料层71和底部隔热材料层72可以起到良好的隔热效果，避免炉体13内的热量外散。在图1中，最上方的侧部隔热材料层71也起到了阻挡炉内气体的作用，实际上，还可以将侧部导热筒1的长度适当延长，以对侧部隔热材料层71也进行隔绝保护。
如图1所示，在本发明的一些实施例中，所述单晶炉热场结构还包括导流筒14，导流筒14设置于坩埚上方，所述坩埚包括石墨坩埚11和设置于所述石墨坩埚11内的石英坩埚10，石墨坩埚11的底部连接坩埚轴12，坩埚轴12用于驱动坩埚旋转以使坩埚内部受热均匀。单晶制备工艺中，在石英坩埚10内加热硅材料得到多晶硅熔液9后，通过提拉籽晶，使晶体生长得到晶棒8；在提拉籽晶的过程中，需要向晶棒8和导流筒14之间的空隙通入惰性气体，如图中的气流轨迹5所示，惰性气体在导流筒14的导流作用下流向固液界面，以对固液界面的温度进行控制，然后流入到气体流动通道内，最终通过排气筒6从炉体13的底部流出炉外，由此，即使惰性气体中混杂了一氧化硅等有害物质，由于导流组件的存在，对侧部加热器3和底部加热器4进行了良好的隔绝保护，从而避免了一氧化硅对侧部加热器3和底部加热器4的损坏，提高了侧部加热器3和底部加热器4的使用寿命，也避免了侧部加热器3和底部加热器4表面属性及厚度变化导致的工艺不稳定以及影响产品品质的问题，还可防止二次加料过程中熔液溅出至侧部加热器3和底部加热器4表面，此外，由于气体流动通道的存在，使得炉内气体的流动规律可控，便于通过惰性气体对固液界面温度进行有效的管理。
本发明另一方面实施例还提供了一种单晶炉，所述单晶炉包括炉体和设置于所述炉体内部中央的坩埚，所述单晶炉还包括：如上所述的单晶炉热场结构。由于上述实施例中的单晶炉热场结构可以通过形成的气体流动通道对通入单晶炉内的气体进行引导排出炉外，以对炉内的加热器进行隔离保护，避免气体中裹挟的一氧化硅对加热器造成损坏，从而提高炉内加热器的使用寿命、确保加热器的正常工作，因此本发明实施例中的单晶炉也对应具有上述有益效果，为避免重复，在此不再赘述。
本发明再一方面实施例还提供了一种晶棒，所述晶棒采用如上所述的单晶炉制备得到，采用上述单晶炉制备得到的晶棒品质更高，缺陷更少。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种单晶炉热场结构，应用于单晶炉，所述单晶炉包括炉体和设置于所述炉体内部中央的坩埚，其特征在于，包括：
侧部加热器，所述侧部加热器设置于所述坩埚***；
导流组件，所述导流组件围设于所述侧部加热器和所述坩埚的侧壁之间以及所述坩埚的下方，用于与所述坩埚的外壁形成气体流动通道，所述气体流动通道与所述炉体的外部连通以将气体排出所述炉体外。
2.根据权利要求1所述的单晶炉热场结构，其特征在于，所述导流组件包括侧部导热筒、底部导热板和排气筒，所述侧部导热筒设置于所述侧部加热器和所述坩埚之间并包围所述坩埚的侧壁，所述底部导热板设置于所述坩埚下方，所述侧部导热筒的底端与所述底部导热板密封连接，所述底部导热板上开设有至少一个排气孔，所述排气筒穿设于所述排气孔内，所述排气筒的一端连通所述气体流动通道，另一端伸出于所述炉体外。
3.根据权利要求2所述的单晶炉热场结构，其特征在于，还包括：
底部加热器，所述底部加热器设置于所述底部导热板的下方。
4.根据权利要求2所述的单晶炉热场结构，其特征在于，所述排气孔的数量为四个，四个所述排气孔在同一圆周上间隔布设，每一所述排气孔内设置有一所述排气筒。
5.根据权利要求2所述的单晶炉热场结构，其特征在于，所述侧部导热筒和所述底部导热板采用石墨材料制成。
6.根据权利要求5所述的单晶炉热场结构，其特征在于，所述石墨材料为石墨烯。
7.根据权利要求2所述的单晶炉热场结构，其特征在于，还包括：
真空泵，所述真空泵与所述排气筒伸出于所述炉体外的一端连接，用于抽取气体流动通道内的气体。
8.根据权利要求7所述的单晶炉热场结构，其特征在于，还包括：
过滤装置，所述过滤装置设置于所述排气筒和所述真空泵之间，用于过滤气体中的杂质颗粒。
9.根据权利要求3所述的单晶炉热场结构，其特征在于，还包括：
侧部隔热材料层，所述侧部隔热材料层设置于所述侧部加热器和所述炉体的内侧壁之间；
底部隔热材料层，所述底部隔热材料层设置于所述底部加热器和所述炉体的底壁之间。
10.根据权利要求1所述的单晶炉热场结构，其特征在于，还包括：
导流筒，所述导流筒设置于所述坩埚上方。
11.一种单晶炉，所述单晶炉包括炉体和设置于所述炉体内部中央的坩埚，其特征在于，还包括：如权利要求1-10中任一项所述的单晶炉热场结构。
12.一种晶棒，其特征在于，所述晶棒采用如权利要求11所述的单晶炉制备得到。
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