熱屏和具有其的鑄錠爐的製作方法

2023-05-03 14:44:36

專利名稱：熱屏和具有其的鑄錠爐的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及半導體製造技術領域，特別涉及一種用於單晶或多晶材料鑄錠爐 中的熱屏和採用該熱屏的鑄錠爐。
背景技術：
在太陽能電池用多晶矽片的生產過程中，採用多晶矽鑄錠爐使得矽熔體定向凝 固，從而生成矽錠。但是，現有技術的缺點是，蓋住所述鑄錠爐的開口端的碳-碳複合材料的表面光 潔度差，因此造成石英坩堝中矽熔體表面輻射到熱屏的熱量不能有效反射(熱反射率低)， 從而造成大量的熱量浪費。由於鑄錠過程耗電量很大，一個450Kg的鑄錠生產大約需要數 千度電，因此即便是節電5%也會產生巨大的效益。同樣在單晶矽、鍺或者其他化合物半導 體生長過程中也會遇到這種問題。

實用新型內容有鑑於此，本實用新型的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別是解決目前 單晶矽、多晶矽等半導體生長過程中由於碳-碳複合材料熱反射率低造成的熱量浪費的問 題。為解決以上問題，本實用新型一方面提出了一種熱屏，包括碳-碳複合材料基 體；和至少一個熱反射材料板，所述熱反射材料板位於所述碳-碳複合材料基體之下，且與 所述碳-碳複合材料基體相互連接，所述熱反射材料板的材料選擇成、對入射到所述熱反 射材料板上的熱量的反射量大於將所述熱量入射到碳_碳複合材料基體時的反射量。根據本實用新型的一個實施例，所述碳-碳複合材料基體和所述熱反射材料板的 中心位置均設有氣體導入孔。根據本實用新型的一個實施例，所述熱屏形成有多個用於與坩堝相互定位的定位 部，所述定位部可以形成為定位槽。根據本實用新型的一個實施例，所述熱反射材料板由石墨、鉬或者鎢形成。通過本實用新型實施例在熱屏中增加的具有熱導率和熱反射率的至少一個熱反 射材料板，從而可以將輻射到熱屏的熱量再有效地反射回到矽熔體，在一定程度上解決熱 量浪費的問題，降低熱功耗。另外，本實用新型實施例的熱屏以碳-碳複合材料為基體，可 以保證整個結構具有高強度，熱反射材料層表面的光潔度高，可以有效提高該表面的熱反 射率，並且還可耐高溫。根據本實用新型的一個實施例，所述熱反射材料板通過氣相澱積(例如物理氣相 沉積或者化學氣相沉積等)形成在所述碳-碳複合材料基體上。根據本實用新型的一方面，所述熱反射材料板的下表面的表面粗糙度小於25微 米，優選為小於12. 5微米。根據本實用新型的一方面，所述熱反射材料板為多個，所述熱反射材料板通過螺紋緊固件連接至所述碳-碳複合材料基體，所述螺紋緊固件由石墨、鉬、鎢或者碳-碳複合 材料製成。根據本實用新型的一個實施例，所述熱反射材料板的熱導率不小於碳_碳複合材 料的熱導率。根據本實用新型的一個實施例，所述熱屏進一步具有設置在所述碳-碳複合材 料基體的上表面上的氣體導流管，所述氣體導流管與所述熱屏的氣體導入孔相連通。根據本實用新型的一個實施例，所述氣體導流管由石墨、鉬、鎢或者碳-碳複合材 料形成。進一步地，本實用新型提出了一種鑄錠爐，包括上爐體；下爐體，所述下爐體與 所述上爐體相配合且縱向可移動；設置在所述下爐體內的支撐裝置，所述支撐裝置上設置 有坩堝；頂部加熱器和側加熱器，用於在所述下爐體和所述上爐體閉合時罩住所述坩堝； 隔熱籠，所述隔熱籠設置在所述上爐體內，並罩住所述頂部加熱器和側加熱器；和設置在所 述坩堝的開口端的熱屏，所述熱屏的中心設有氣體導入孔，所述熱屏包括碳-碳複合材 料基體；和至少一個熱反射材料板，所述熱反射材料板位於所述碳_碳複合材料基體之下， 且與所述碳-碳複合材料基體相互連接，所述熱反射材料板的材料選擇成、對入射到所述 熱反射材料板上的熱量的反射量大於將所述熱量入射到碳-碳複合材料基體時的反射量。根據本實用新型的一個實施例，所述熱反射材料板由石墨、鉬或者鎢形成。根據本實用新型的一個實施例，所述熱反射材料板通過氣相澱積(例如物理氣相 沉積或者化學氣相沉積)形成在所述碳_碳複合材料基體上。根據本實用新型的一個實施例，所述熱反射材料板為一個或多個，所述熱反射材 料板通過螺紋緊固件連接至所述碳_碳複合材料基體，所述螺紋緊固件由石墨、鉬、鎢或者 碳-碳複合材料製成。根據本實用新型的一個實施例，所述熱屏的上表面上設置有氣體導流管，所述氣 體導流管與所述熱屏的氣體導入孔相連通。根據本實用新型的一個實施例，所述氣體導流管由石墨、鉬、鎢或者碳-碳複合材 料形成。根據本實用新型的一個實施例，所述熱反射材料板的下表面的表面粗糙度小於25 微米，優選為小於12. 5微米。本實用新型實施例提出的鑄錠爐可通過熱屏提高熱反射率，從而降低熱功耗，降 低生產成本，經過試驗證明本實用新型實施例的鑄錠爐可節能5%以上。而且本實用新型實 施例提出的鑄錠爐不僅可以用於多晶矽的製備，也可用於單晶矽、鍺或其他化合物半導體 的製備。本實用新型附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述 中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。
本實用新型上述的和/或附加的方面和優點從
以下結合附圖對實施例的描述中 將變得明顯和容易理解，其中圖Ia顯示了本實用新型的一個實施例的熱屏的橫截面示意圖；圖Ib顯示了根據本實用新型一個實施例的、沿著圖Ia的方向A的平面圖；[0029]圖Ic顯示了根據本實用新型另一個實施例的、沿著圖Ia的方向A的平面圖；圖Id顯示了本實用新型的另一個實施例的熱屏的橫截面示意圖；圖2a顯示了根據本實用新型的一個實施例的多晶矽鑄錠爐的安裝狀態示意圖；圖2b顯示了根據本實用新型的一個實施例的多晶矽鑄爐的使用狀態示意圖；以 及圖2c顯示了根據本實用新型的另一個實施例的多晶矽鑄爐的使用狀態示意圖。
具體實施方式
下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參 考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的 限制。本實用新型在熱屏中的碳-碳複合材料基體下增加一個或多個熱反射材料板，從 而提高熱反射率，能夠大大地降低熱功耗，從而降低生產成本。需要說明的是，該熱屏可用 於各種鑄錠爐中，例如多晶矽鑄錠爐、單晶矽鑄錠爐，甚至鍺或其他化合物半導體的製備設 備中。下面將參照附圖來詳細描述根據本實用新型的熱屏。如圖1所示，為本實用新型實施例的熱屏200的橫截面示意圖。該熱屏200包括 碳_碳複合材料基體210，和位於碳-碳複合材料基體210之下，且與碳-碳複合材料基體 210相互連接的至少一個熱反射材料板220。所述熱反射材料板220位於所述碳-碳複合材 料基體之下，且與所述碳_碳複合材料基體相互連接。所述熱反射材料板220的熱導率不 小於碳_碳複合材料的熱導率。所述熱反射材料板220的材料選擇成、對入射到所述熱反 射材料板220上的熱量的反射量大於將所述熱量入射到碳_碳複合材料上時的反射量。根 據本實用新型的一個實施例，即，該熱反射材料板220不僅要能夠耐1500攝氏度以上的高 溫。根據本實用新型的一個實施例，所述熱反射材料板220還可以具有比常規碳_碳複合 材料更高的光潔度，根據本實用新型的一個實施例，可以將該熱反射材料板220的表面粗 糙度(Ra)加工成小於25微米，以使表面具有高熱反射率。根據本實用新型的一個實施例， 所述熱反射材料板220的表面粗糙度(Ra)加工成小於12. 5微米，由此即使在後續的使用 過程中，其表面沉積有沉積物時也可以保證該熱反射材料板220的熱反射性能。實用新型 人經過研究發現，為滿足這些條件，作為本實用新型的一個實施例，所述熱反射材料板220 可以由石墨、鉬或者鎢形成。需要說明的是，在本實用新型實施例中可在碳-碳複合材料基 體210之下直接增加一個或多個熱反射材料板220，但是本領域技術人員應當可以想到，還 可以在碳_碳複合材料基體210和熱反射材料板220之間再增加一層或多層過渡層，這些 均應包含在本實用新型的保護範圍之內。另外，為了圖示的清楚，在圖1中碳-碳複合材料 基體210和熱反射材料板220 (例如石墨板)之間具有明顯的界面，但是在實際中由於兩種 物質之間的相互作用，其界面未必清晰。圖Ib顯示了根據本實用新型的第一實施例的、沿著圖Ia的方向A的俯視圖。根據 本實用新型的一個實施例，所述熱反射材料層220可以包括一個或者多個熱反射材料塊。 在圖Ib中顯示了 4塊，即2201、2202、2203、2204。需要說明的是，圖Ib所示只是出於示例 的目的，而不是為了限制本實用新型的保護範圍。圖Ib的邊緣上可以形成有與坩堝相互固 定的定位部23。在本實用新型的一個實施例中，所述定位部23形成為定位槽。需要說明的是，圖Ib中所示的所述固定部23的形狀只是出於示例的目的，本領域普通技術人員顯然可 以採用其他形狀的匹配形狀以與坩堝進行固定。圖Ic顯示了根據本實用新型的第二實施例的、沿著圖Ia的方向A的俯視圖。如 圖Ic中所示，所述碳-碳複合材料基體210上用螺紋緊固件2400 (例如螺釘)固定有多個 熱反射材料板2300。所述熱反射材料板2300可以由石墨、鉬或者鎢形成。所述螺紋緊固件 2400可以由石墨、鉬、鎢或者碳-碳複合材料製成。圖Id顯示了本實用新型的另一實施例的熱屏200』的橫截面示意圖。在該實施例 中，所述熱屏的結構、材料與圖Ia中的結構、材料大體相同，區別在於所述熱屏200』還包括 氣體導流管240』，其設置在碳-碳複合材料基體的上表面上，且所述氣體導流管240』與所 述熱屏200』的氣體導入孔相連通。對於相同的技術特徵此處為簡潔的目的不在詳細說明。 下面將參照圖Id來描述所述氣體導流管240』。所述熱屏200』的氣體導入孔上方設置有氣體導流管240』，該氣體導流管240』用 於將從Ar氣源釋放出來的Ar氣儘量多地導入到熱屏200』與石英坩堝1內的矽熔體之間 (將在下面詳細說明)，從而可以在不增加氣體流量的情況下增大熔體上方的氣流速度，盡 量將熔體中的揮發物帶走，同時保持熱屏200』下表面的光潔，進而保持熱屏200』下表面具 有高熱反射率。由此減少了 Ar氣的使用量，降低了成本。所述氣體導流管240』的材料可以是石墨、C-C複合材料、鉬或鎢，形狀可以是中空 的圓柱體(也可以是其他形狀，如倒置且中空的錐臺形)。該氣體導流管240』可以與熱屏 200』 一體形成或者單獨形成。優選地，所述氣體導流管7可以與熱屏2單獨地形成，且可 以在熱屏200』的氣體導入孔230』周圍設置定位銷，以方便對所述氣體導流管240』進行定 位。根據本實用新型的一個實施例的熱屏以碳-碳複合材料為基體，可以保證整個結 構具有高強度，並且以石墨、鉬或鎢為表面的光潔度高，可以有效提高該表面的熱反射率。如上所述，該熱屏可用於各種鑄錠爐中，例如多晶矽鑄錠爐、單晶矽鑄錠爐，甚至 鍺或其他化合物半導體的製備設備中。下面將參照附圖來詳細描述根據本實用新型的熱 屏。下面將參照圖2來描述將根據本實用新型的熱屏應用於多晶矽鑄錠爐。為區別於上述 對熱屏的說明，在下述中，所述熱屏被標記為2。如圖2a和2b所示，分別顯示了多晶矽鑄錠爐安裝狀態示意圖和使用狀態示意圖。 在圖2a中，多晶矽鑄錠爐100內設有上爐體101和下爐體102，在下爐體102設有位於固定 架41、42和43內的石英坩堝1，可將高純矽料放入多晶矽鑄錠爐100內的石英坩堝1中。 所述固定架41、42和43可以由石墨板形成。固定架41下部的支撐座上部邊緣設有缺口以 便於例如叉車的運輸工具進行搬運。如圖2a、2b中所示，在上爐體101中設有隔熱籠4，以 及多個高溫加熱器，所述高溫加熱器可以包括頂部加熱器31和側壁加熱器32，在上爐體 101和下爐體102閉合後，所述頂部加熱器31和側壁加熱器32罩住所述石英坩堝1的四周 及上方。該鑄錠爐還包括設置在石英坩堝1與頂部加熱器31之間的熱屏2，該熱屏2的中 心開有氣體導入孔21，熱屏2的四周可以設有多個與固定架41、42和43相互固定的固定部 (未示出)。熱屏2可以阻止揮發物直接沉積到石英坩堝1上方的頂部加熱器31和其他保 溫材料上，通過熱屏2中心的氣體導入孔21還可以將例如氬氣(Ar)的惰性氣體導入到坩 堝1內的矽熔體表面，並通過石英坩堝1的上部四周設有的多個出風孔流出，從而可以通過所述惰性氣體帶走各種揮發物。根據本實用新型的一個實施例，如圖2c所示，所述熱屏2的氣體導入孔上方設置 有氣體導流管7，該氣體導流管7用於將從Ar氣源釋放出來的Ar氣儘量多地導入到熱屏2 與石英坩堝1內的矽熔體之間，從而可以在不增加氣體流量的情況下增大熔體上方的氣流 速度，儘量將熔體中的揮發物帶走，同時保持熱屏下表面的光潔，進而保持熱屏下表面具有 高熱反射率。由此減少了 Ar氣的使用量，降低了成本。所述氣體導流管7的材料可以是石墨、C-C複合材料、鉬或鎢，形狀可以是中空的 圓柱體(也可以是其他形狀，如倒置且中空的錐臺形)，且其高度可根據具體的Ar氣口位置 而定。該氣體導流管7可以與熱屏2—體或單獨地形成。優選地，所述氣體導流管7可以 與熱屏2單獨地形成，在裝爐時直接將該氣體導流管7放置在熱屏2上即可，此時可以在熱 屏2的氣體導入孔周圍設置定位銷(未示出)，以方便對所述氣體導流管7進行定位。當使用鑄錠爐時，如圖2b所示，將上爐體101和下爐體102閉合時，使得頂部加熱 器31和側壁加熱器32加載到石英坩堝1的四周，且隔熱籠4將石英坩堝1套住防止熱量外 流。通過真空口 103將閉合後的空間抽吸為真空之後，在石英坩堝1頂部加熱器31和側壁 加熱器32的加熱下，熔化石英坩堝1中的矽，然後對隔熱籠4內的熱場進行控制，從石英坩 堝1的底部開始向上定向凝固，如圖2b所示石英坩堝1的底部已形成有凝固的多晶矽51。由於石英坩堝1頂部的溫度非常高(可達1500度)，且石英坩堝1通常非常大，例 如目前常用的裝料量450Kg的方形坩堝的長和寬可達到880mmX 880mm，因此不僅要求熱屏 2能夠耐高溫，而且也要求熱屏2具有很高的強度，並且還要求熱屏2不能過分阻礙頂部加 熱器31的熱量傳遞到石英坩堝1的矽熔體中。當然，在本實用新型的其他實施例中，如果熱屏200用在鑄錠爐中，還需要對熱屏 200做出一些改變或者增加一些組件以適應不同結構形式的鑄錠爐，例如對於目前常用的 多晶矽鑄錠爐來說，就還需要在碳-碳複合材料基體210和熱反射材料板220的中心位置 開設氣體導入孔，使得例如氬氣(Ar)的惰性氣體能夠吹到矽熔體表面。另外，為了與鑄錠 爐內的坩堝固定，在熱屏200還可能會設有多個用於與坩堝相互固定的固定部(如圖lb、lc 中所示)。以上這些改變或增加的組件僅是示意性的，對於不同結構的鑄錠爐，本領域技術 人員會對本實用新型提出的熱屏做出不同的修改，但是如果這些修改僅是為了使熱屏適應 鑄錠爐的結構，那麼就應當包含在本實用新型的保護範圍之內。在本實用新型的一個實施例中，可通過物理或化學氣相澱積的方式在碳-碳複合 材料基體上形成所述熱反射材料板。根據本實用新型的一個實施例，還可以將熱反射材料 板通過機械固定的方式固定在碳_碳複合材料基體的方式(如圖Ic中所示)，即通過對應 的螺紋緊固件將一個或多個熱反射材料板固定在碳-碳複合材料基體上，其中，所述螺紋 緊固件可以由石墨、鉬、鎢或者碳-碳複合材料製成。在本實用新型提出的鑄錠爐中採用如圖2所示的熱屏，該熱屏包括碳_碳複合材 料基體，和位於碳-碳複合材料基體之下的至少一個熱反射材料板。所述熱反射材料板位 於所述碳_碳複合材料基體之下，且與所述碳_碳複合材料基體相互連接，所述熱反射材 料板的材料選擇成、對入射到所述熱反射材料板上的熱量的反射量大於將所述熱量入射到 碳_碳複合材料上時的反射量。如圖2a和2b所示，分別為本實用新型實施例的鑄錠爐安 裝狀態和使用狀態的示意圖，該鑄錠爐100包括上爐體101 ；下爐體102，所述下爐體102與上爐體101相配合且縱向可移動。在下爐體102內設有支撐座6，支撐座6上支撐有固 定架41、42和43，固定架41、42和43內固定有坩堝1，坩堝1的頂部設有熱屏20。所述固 定架41、42和43可以由石墨製成。在本實用新型的實施例中，熱屏20的中心設有氣體導 入孔21，且熱屏20的四周設有多個用於與固定架41、42和43相互固定的固定部，熱屏20 包括碳_碳複合材料基體22，和位於碳-碳複合材料基體22之下，且與碳-碳複合材料基 體22相互連接的一個或多個熱反射材料板23。該鑄錠爐100的上爐體101中設有隔熱籠 4，以及隔熱籠4內的頂部加熱器31和側加熱器32。如圖3b所示，當上爐體101向下移動 且與下爐體102合攏後，通過真空口 103將合併後的空間吸為真空，此時頂部加熱器31和 側加熱器32加載在坩堝1的四周，並且隔熱籠4將坩堝1，以及頂部加熱器31和側加熱器 32罩住，防止熱量的散失。在坩堝1頂部加熱器31和側壁加熱器32的加熱下，熔化坩堝1 上部中的矽，然後從坩堝1的底部開始定向凝固。本實用新型實施例提出的鑄錠爐可通過熱屏提高熱反射率，從而降低熱功耗，進 而降低生產成本，經過試驗證明本實用新型實施例的鑄錠爐可節能5%以上。而且本實用新 型實施例提出的鑄錠爐100不僅可以用於多晶矽的製備，也可用於單晶矽、鍺或其他化合 物半導體的製備。儘管已經示出和描述了本實用新型的實施例，對於本領域的普通技術人員而言， 可以理解在不脫離本實用新型的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修 改、替換和變型，本實用新型的範圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求一種熱屏，其特徵在於，包括碳 碳複合材料基體；和至少一個熱反射材料板，所述熱反射材料板位於所述碳 碳複合材料基體之下，且與所述碳 碳複合材料基體相互連接，所述熱反射材料板的材料選擇成、對入射到所述熱反射材料板上的熱量的反射量大於將所述熱量入射到碳 碳複合材料上時的反射量。
2.如權利要求1所述的熱屏，其特徵在於，所述碳_碳複合材料基體和所述熱反射材料 板的中心位置均設有氣體導入孔。
3.如權利要求1所述的熱屏，其特徵在於，所述熱屏形成有多個用於與坩堝相互定位 的定位部。
4.如權利要求1-3任一項所述的熱屏，其特徵在於，其中，所述熱反射材料板由石墨、 鉬或者鎢形成。
5.如權利要求4所述的熱屏，其特徵在於，其中，所述熱反射材料板通過氣相澱積形成 在所述碳_碳複合材料基體上。
6.如權利要求1所述的熱屏，其特徵在於，所述熱反射材料板的下表面的表面粗糙度 小於25微米。
7.如權利要求4所述的熱屏，其特徵在於，所述熱反射材料板為多個，所述熱反射材 料板通過螺紋緊固件連接至所述碳-碳複合材料基體，所述螺紋緊固件由石墨、鉬、鎢或者 碳-碳複合材料製成。
8.如權利要求1所述的熱屏，其特徵在於，所述熱反射材料板的熱導率不小於碳-碳復 合材料的熱導率。
9.如權利要求1所述的熱屏，其特徵在於，所述熱屏進一步具有設置在所述碳-碳復 合材料基體的上表面上的氣體導流管，所述氣體導流管與所述熱屏的氣體導入孔相連通。
10.如權利要求9所述的熱屏，其特徵在於，所述氣體導流管由石墨、鉬、鎢或者碳-碳 複合材料形成。
11.一種鑄錠爐，包括 上爐體；下爐體，所述下爐體與所述上爐體相配合且縱向可移動； 設置在所述下爐體內的支撐裝置，所述支撐裝置上設置有坩堝； 頂部加熱器和側加熱器，用於在所述下爐體和所述上爐體閉合時罩住所述坩堝； 隔熱籠，所述隔熱籠設置在所述上爐體內，並罩住所述頂部加熱器和側加熱器；和 設置在所述坩堝的開口端的熱屏，所述熱屏的中心設有氣體導入孔，所述熱屏包括 碳-碳複合材料基體；和至少一個熱反射材料板，所述熱反射材料板位於所述碳-碳複合材料基體之下，且與 所述碳-碳複合材料基體相互連接，所述熱反射材料板的材料選擇成、對入射到所述熱反 射材料板上的熱量的反射量大於將所述熱量入射到碳-碳複合材料上時的反射量。
12.如權利要求11所述的鑄錠爐，其特徵在於，所述熱反射材料板由石墨、鉬或者鎢形成。
13.如權利要求12所述的鑄錠爐，其特徵在於，所述熱反射材料板通過氣相澱積形成 在所述碳_碳複合材料基體上。
14.如權利要求12所述的鑄錠爐，其特徵在於，所述熱反射材料板為多個，所述熱反射 材料板通過螺紋緊固件連接至所述碳-碳複合材料基體，所述螺紋緊固件由石墨、鉬、鎢或 者碳-碳複合材料製成。
15.如權利要求11所述的鑄錠爐，其特徵在於，所述熱屏的上表面上設置有氣體導流 管，所述氣體導流管與所述熱屏的氣體導入孔相連通。
16.如權利要求15所述的鑄錠爐，其特徵在於，所述氣體導流管由石墨、鉬、鎢或者 碳-碳複合材料形成。
17.如權利要求11所述的鑄錠爐，其特徵在於，所述熱反射材料板的下表面的表面粗 糙度小於25微米。
專利摘要本實用新型公開了一種熱屏，包括碳-碳複合材料基體；和至少一個熱反射材料板，所述熱反射材料板位於所述碳-碳複合材料基體之下，且與所述碳-碳複合材料基體相互連接，所述熱反射材料板的材料選擇成、對入射到所述熱反射材料板上的熱量的反射量大於將所述熱量入射到碳-碳複合材料上時的反射量。通過本實用新型實施例在熱屏中增加的一個或多個高熱反射材料板可以將輻射到熱屏的熱量再有效地反射回到矽熔體，從而在一定程度上解決熱量浪費的問題，降低熱功耗。本實用新型進一步公開了具有所述熱屏的鑄錠爐。
文檔編號C30B29/06GK201695108SQ20102017672
公開日2011年1月5日 申請日期2010年4月27日 優先權日2010年4月27日
發明者王敬 申請人:王敬