热屏和具有其的铸锭炉 【技术领域】
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种用于单晶或多晶材料铸锭炉中的热屏和采用该热屏的铸锭炉。
背景技术
在太阳能电池用多晶硅片的生产过程中，采用多晶硅铸锭炉使得硅熔体定向凝固，从而生成硅锭。
但是，现有技术的缺点是，盖住所述铸锭炉的开口端的碳-碳复合材料的表面光洁度差，因此造成石英坩埚中硅熔体表面辐射到热屏的热量不能有效反射(热反射率低)，从而造成大量的热量浪费。由于铸锭过程耗电量很大，一个450Kg的铸锭生产大约需要数千度电，因此即便是节电5％也会产生巨大的效益。同样在单晶硅、锗或者其他化合物半导体生长过程中也会遇到这种问题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决目前单晶硅、多晶硅等半导体生长过程中由于碳-碳复合材料热反射率低造成的热量浪费的问题。
为解决以上问题，本发明一方面提出了一种热屏，包括：碳-碳复合材料基体；和至少一个热反射材料板，所述热反射材料板位于所述碳-碳复合材料基体之下，且与所述碳-碳复合材料基体相互连接，所述热反射材料板的材料选择成、对入射到所述热反射材料板上的热量的反射量大于将所述热量入射到碳-碳复合材料基体时的反射量。
根据本发明的一个实施例，所述碳-碳复合材料基体和所述热反射材料板的中心位置均设有气体导入孔。
根据本发明的一个实施例，所述热屏形成有多个用于与坩埚相互定位的定位部，所述定位部可以形成为定位槽。
根据本发明的一个实施例，所述热反射材料板由石墨、钼或者钨形成。
通过本发明实施例在热屏中增加的具有热热导率和热反射率的至少一个热反射材料板，从而可以将辐射到热屏的热量再有效地反射回到硅熔体，在一定程度上解决热量浪费的问题，降低热功耗。另外，本发明实施例的热屏以碳-碳复合材料为基体，可以保证整个结构具有高强度，热反射材料层表面的光洁度高，可以有效提高该表面的热反射率，并且还可耐高温。
根据本发明的一个实施例，所述热反射材料板通过气相淀积(例如物理气相沉积或者化学气相沉积等)形成在所述碳-碳复合材料基体上。
根据本发明的一方面，所述热反射材料板的下表面的表面粗糙度小于25微米，优选为小于12.5微米。
根据本发明的一方面，所述热反射材料板为多个，所述热反射材料板通过螺纹紧固件连接至所述碳-碳复合材料基体，所述螺纹紧固件由石墨、钼、钨或者碳-碳复合材料制成。
根据本发明的一个实施例，所述热屏进一步具有：设置在所述碳-碳复合材料基体的上表面上的气体导流管，所述气体导流管与所述热屏的气体导入孔相连通。
根据本发明的一个实施例，所述气体导流管由石墨、钼、钨或者碳-碳复合材料形成。
进一步地，本发明提出了一种铸锭炉，包括：上炉体；下炉体，所述下炉体与所述上炉体相配合且纵向可移动；设置在所述下炉体内的支撑装置，所述支撑装置上设置有坩埚；至少一个加热器，所述加热器用于在所述下炉体和所述上炉体闭合时对所述坩埚进行加热；隔热笼，所述隔热笼设置在所述上炉体内，并罩住所述至少一个加热器，且可沿着竖直方向可移动；和设置在所述坩埚的开口端的热屏，所述热屏的中心设有气体导入孔，所述热屏包括：碳-碳复合材料基体；和至少一个热反射材料板，所述热反射材料板位于所述碳-碳复合材料基体之下，且与所述碳-碳复合材料基体相互连接，所述热反射材料板的材料选择成、对入射到所述热反射材料板上的热量的反射量大于将所述热量入射到碳-碳复合材料基体时的反射量。
根据本发明的一个实施例，所述热反射材料板由石墨、钼或者钨形成。
根据本发明的一个实施例，所述热反射材料板通过气相淀积(例如物理气相沉积或者化学气相沉积)形成在所述碳-碳复合材料基体上。
根据本发明的一个实施例，所述热反射材料板为一个或多个，所述热反射材料板通过螺纹紧固件连接至所述碳-碳复合材料基体，所述螺纹紧固件由石墨、钼、钨或者碳-碳复合材料制成。
根据本发明的一个实施例，所述热屏的上表面上设置有气体导流管，所述气体导流管与所述热屏的气体导入孔相连通。
根据本发明的一个实施例，所述气体导流管由石墨、钼、钨或者碳-碳复合材料形成。
根据本发明的一个实施例，所述热反射材料板的下表面的表面粗糙度小于25微米，优选为小于12.5微米。
根据本发明的一个实施例，所述加热器包括侧加热器和顶部加热器，所述侧加热器和顶部加热器在所述下炉体和所述上炉体闭合时罩住所述坩埚以对所述坩埚的至少一部分进行加热。
本发明实施例提出的铸锭炉可通过热屏提高热反射率，从而降低热功耗，降低生产成本，经过试验证明本发明实施例的铸锭炉可节能5％以上。而且本发明实施例提出的铸锭炉不仅可以用于多晶硅的制备，也可用于单晶硅、锗或其他化合物半导体的制备。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面地描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1a显示了本发明的一个实施例的热屏的横截面示意图；
图1b显示了根据本发明一个实施例的、沿着图1a的方向A的平面图；
图1c显示了根据本发明另一个实施例的、沿着图1a的方向A的平面图；
图1d显示了本发明的另一个实施例的热屏的横截面示意图；
图2a显示了根据本发明的一个实施例的多晶硅铸锭炉的安装状态示意图；
图2b显示了根据本发明的一个实施例的多晶硅铸炉的使用状态示意图；以及
图2c显示了根据本发明的另一个实施例的多晶硅铸炉的使用状态示意图。
【具体实施方式】
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明在热屏中的碳-碳复合材料基体下增加一个或多个热反射材料板，从而提高热反射率，能够大大地降低热功耗，从而降低生产成本。需要说明的是，该热屏可用于各种铸锭炉中，例如多晶硅铸锭炉、单晶硅铸锭炉，甚至锗或其他化合物半导体的制备设备中。下面将参照附图来详细描述根据本发明的热屏。
如图1所示，为本发明实施例的热屏200的横截面示意图。该热屏200包括碳-碳复合材料基体210，和位于碳-碳复合材料基体210之下，且与碳-碳复合材料基体210相互连接的至少一个热反射材料板220。所述热反射材料板220位于所述碳-碳复合材料基体之下，且与所述碳-碳复合材料基体相互连接，所述热反射材料板220的材料选择成、对入射到所述热反射材料板220上的热量的反射量大于将所述热量入射到碳-碳复合材料上时的反射量。根据本发明的一个实施例，即，该热反射材料板220不仅要能够耐1500摄氏度以上的高温。根据本发明的一个实施例，所述热反射材料板220还可以具有比常规碳-碳复合材料更高的光洁度，根据本发明的一个实施例，可以将该热反射材料板220的表面粗糙度(Ra)加工成小于25微米，以使表面具有高热反射率。根据本发明的一个实施例，所述热反射材料板220的表面粗糙度(Ra)加工成小于12.5微米，由此即使在后续的使用过程中，其表面沉积有沉积物时也可以保证该热反射材料板220的热反射性能。发明人经过研究发现，为满足这些条件，作为本发明的一个实施例，所述热反射材料板220可以由石墨、钼或者钨形成。需要说明的是，在本发明实施例中可在碳-碳复合材料基体210之下直接增加一个或多个热反射材料板220，但是本领域技术人员应当可以想到，还可以在碳-碳复合材料基体210和热反射材料板220之间再增加一层或多层过渡层，这些均应包含在本发明的保护范围之内。另外，为了图示的清楚，在图1中碳-碳复合材料基体210和热反射材料板220(例如石墨板)之间具有明显的界面，但是在实际中由于两种物质之间的相互作用，其界面未必清晰。
图1b显示了根据本发明的第一实施例的、沿着图1a的方向A的俯视图。根据本发明的一个实施例，所述热反射材料层220可以包括一个或者多个热反射材料块。在图1b中显示了4块，即2201、2202、2203、2204。需要说明的是，图1b所示只是出于示例的目的，而不是为了限制本发明的保护范围。图1b的边缘上可以形成有与坩埚相互固定的定位部23。在本发明的一个实施例中，所述定位部23形成为定位槽。需要说明的是，图1b中所示的所述固定部23的形状只是出于示例的目的，本领域普通技术人员显然可以采用其他形状的匹配形状以与坩埚进行固定。
图1c显示了根据本发明的第二实施例的、沿着图1a的方向A的俯视图。如图1c中所示，所述碳-碳复合材料基体210上用螺纹紧固件2400(例如螺钉)固定有多个热反射材料板2300。所述热反射材料板2300可以由石墨、钼或者钨形成。所述螺纹紧固件2400可以由石墨、钼、钨或者碳-碳复合材料制成。
图1d显示了本发明的另一实施例的热屏200’的横截面示意图。在该实施例中，所述热屏的结构、材料与图1a中的结构、材料大体相同，区别在于所述热屏200’还包括气体导流管240’，其设置在碳-碳复合材料基体的上表面上，且所述气体导流管240’与所述热屏200’的气体导入孔相连通。对于相同的技术特征此处为简洁的目的不在详细说明。下面将参照图1d来描述所述气体导流管240’。
所述热屏200’的气体导入孔上方设置有气体导流管240’，该气体导流管240’用于将从Ar气源释放出来的Ar气尽量多地导入到热屏200’与石英坩埚1内的硅熔体之间(将在下面详细说明)，从而可以在不增加气体流量的情况下增大熔体上方的气流速度，尽量将熔体中的挥发物带走，同时保持热屏200’下表面的光洁，进而保持热屏200’下表面具有高热反射率。由此减少了Ar气的使用量，降低了成本。
所述气体导流管240’的材料可以是石墨、C-C复合材料、钼或钨，形状可以是中空的圆柱体(也可以是其他形状，如倒置且中空的锥台形)。该气体导流管240’可以与热屏200’一体形成或者单独形成。优选地，所述气体导流管7可以与热屏2单独地形成，且可以在热屏200’的气体导入孔230’周围设置定位销，以方便对所述气体导流管240’进行定位。
根据本发明的一个实施例的热屏以碳-碳复合材料为基体，可以保证整个结构具有高强度，并且以石墨、钼或钨为表面的光洁度高，可以有效提高该表面的热反射率。
如上所述，该热屏可用于各种铸锭炉中，例如多晶硅铸锭炉、单晶硅铸锭炉，甚至锗或其他化合物半导体的制备设备中。下面将参照附图来详细描述根据本发明的热屏。下面将参照图2来描述将根据本发明的热屏应用于多晶硅铸锭炉。为区别于上述对热屏的说明，在下述中，所述热屏被标记为2。
如图2a和2b所示，分别显示了多晶硅铸锭炉安装状态示意图和使用状态示意图。在图2a中，多晶硅铸锭炉100内设有上炉体101和下炉体102，在下炉体102设有位于固定架41、42和43内的石英坩埚1，可将高纯硅料放入多晶硅铸锭炉100内的石英坩埚1中。所述固定架41、42和43可以由石墨板形成。固定架41下部的支撑座上部边缘设有缺口以便于例如叉车的运输工具进行搬运。如图2a、2b中所示，在上炉体101中设有隔热笼4，以及多个高温加热器，所述高温加热器可以包括顶部加热器31和侧壁加热器32，在上炉体101和下炉体102闭合后，所述顶部加热器31和侧壁加热器32罩住所述石英坩埚1的四周及上方。该铸锭炉还包括设置在石英坩埚1与顶部加热器31之间的热屏2，该热屏2的中心开有气体导入孔21，热屏2的四周可以设有多个与固定架41、42和43相互固定的固定部(未示出)。热屏2可以阻止挥发物直接沉积到石英坩埚1上方的顶部加热器31和其他保温材料上，通过热屏2中心的气体导入孔21还可以将例如氩气(Ar)的惰性气体导入到坩埚1内的硅熔体表面，并通过石英坩埚1的上部四周设有的多个出风孔流出，从而可以通过所述惰性气体带走各种挥发物。
根据本发明的一个实施例，如图2c所示，所述热屏2的气体导入孔上方设置有气体导流管7，该气体导流管7用于将从Ar气源释放出来的Ar气尽量多地导入到热屏2与石英坩埚1内的硅熔体之间，从而可以在不增加气体流量的情况下增大熔体上方的气流速度，尽量将熔体中的挥发物带走，同时保持热屏下表面的光洁，进而保持热屏下表面具有高热反射率。由此减少了Ar气的使用量，降低了成本。
所述气体导流管7的材料可以是石墨、C-C复合材料、钼或钨，形状可以是中空的圆柱体(也可以是其他形状，如倒置且中空的锥台形)，且其高度可根据具体的Ar气口位置而定。该气体导流管7可以与热屏2一体或单独地形成。优选地，所述气体导流管7可以与热屏2单独地形成，在装炉时直接将该气体导流管7放置在热屏2上即可，此时可以在热屏2的气体导入孔周围设置定位销(未示出)，以方便对所述气体导流管7进行定位。
当使用铸锭炉时，如图2b所示，将上炉体101和下炉体102闭合时，使得顶部加热器31和侧壁加热器32加载到石英坩埚1的四周，且隔热笼4将石英坩埚1套住防止热量外流。通过真空口103将闭合后的空间抽吸为真空之后，在石英坩埚1顶部加热器31和侧壁加热器32的加热下，熔化石英坩埚1中的硅，然后对隔热笼4内的热场进行控制，从石英坩埚1的底部开始向上定向凝固，如图2b所示石英坩埚1的底部已形成有凝固的多晶硅51。
由于石英坩埚1顶部的温度非常高(可达1500度)，且石英坩埚1通常非常大，例如目前常用的装料量450Kg的方形坩埚的长和宽可达到880mm×880mm，因此不仅要求热屏2能够耐高温，而且也要求热屏2具有很高的强度，并且还要求热屏2不能过分阻碍顶部加热器31的热量传递到石英坩埚1的硅熔体中。
当然，在本发明的其他实施例中，如果热屏200用在铸锭炉中，还需要对热屏200做出一些改变或者增加一些组件以适应不同结构形式的铸锭炉，例如对于目前常用的多晶硅铸锭炉来说，就还需要在碳-碳复合材料基体210和热反射材料板220的中心位置开设气体导入孔，使得例如氩气(Ar)的惰性气体能够吹到硅熔体表面。另外，为了与铸锭炉内的坩埚固定，在热屏200还可能会设有多个用于与坩埚相互固定的固定部(如图1b、1c中所示)。以上这些改变或增加的组件仅是示意性的，对于不同结构的铸锭炉，本领域技术人员会对本发明提出的热屏做出不同的修改，但是如果这些修改仅是为了使热屏适应铸锭炉的结构，那么就应当包含在本发明的保护范围之内。
在本发明的一个实施例中，可通过物理或化学气相淀积的方式在碳-碳复合材料基体上形成所述热反射材料板。根据本发明的一个实施例，还可以将热反射材料板通过机械固定的方式固定在碳-碳复合材料基体的方式(如图1c中所示)，即通过对应的螺纹紧固件将一个或多个热反射材料板固定在碳-碳复合材料基体上，其中，所述螺纹紧固件可以由石墨、钼、钨或者碳-碳复合材料制成。
在本发明提出的铸锭炉中采用如图2所示的热屏，该热屏包括碳-碳复合材料基体，和位于碳-碳复合材料基体之下的至少一个热反射材料板。所述热反射材料板位于所述碳-碳复合材料基体之下，且与所述碳-碳复合材料基体相互连接，所述热反射材料板的材料选择成、对入射到所述热反射材料板上的热量的反射量大于将所述热量入射到碳-碳复合材料上时的反射量。如图2a和2b所示，分别为本发明实施例的铸锭炉安装状态和使用状态的示意图，该铸锭炉100包括：上炉体101；下炉体102，所述下炉体102与上炉体101相配合且纵向可移动。在下炉体102内设有支撑座6，支撑座6上支撑有固定架41、42和43，固定架41、42和43内固定有坩埚1，坩埚1的顶部设有热屏20。所述固定架41、42和43可以由石墨制成。在本发明的实施例中，热屏20的中心设有气体导入孔21，且热屏20的四周设有多个用于与固定架41、42和43相互固定的固定部，热屏20包括碳-碳复合材料基体22，和位于碳-碳复合材料基体22之下，且与碳-碳复合材料基体22相互连接的一个或多个热反射材料板23。该铸锭炉100的上炉体101中设有隔热笼4，以及隔热笼4内的顶部加热器31和侧加热器32。如图3b所示，当上炉体101向下移动且与下炉体102合拢后，通过真空口103将合并后的空间吸为真空，此时顶部加热器31和侧加热器32加载在坩埚1的四周，并且隔热笼4将坩埚1，以及顶部加热器31和侧加热器32罩住，防止热量的散失。在坩埚1顶部加热器31和侧壁加热器32的加热下，熔化坩埚1上部中的硅，然后从坩埚1的底部开始定向凝固。
本发明实施例提出的铸锭炉可通过热屏提高热反射率，从而降低热功耗，进而降低生产成本，经过试验证明本发明实施例的铸锭炉可节能5％以上。而且本发明实施例提出的铸锭炉100不仅可以用于多晶硅的制备，也可用于单晶硅、锗或其他化合物半导体的制备。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。