一种用于单晶生长的热场调节装置和方法与流程

1.本发明实施例涉及拉晶热场技术领域，尤其涉及一种用于单晶生长的热场调节装置和方法。


背景技术：

2.制造单晶硅棒的方法有区熔法和切克劳斯基法，通常采用切克劳斯基法(即cz法)。在氩气保护下，cz法是将多晶硅料收容在设置于拉晶炉炉体内的石英坩埚里，通过加热器融化多晶硅原料获得熔融硅，并通过加热器持续保温熔融硅，将一根直径只有10mm的棒状晶种(称籽晶)与熔融硅液面接触，在工艺要求合适的温度下，熔融硅中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体，将晶种一边旋转一边提拉，熔融硅中的硅原子会在之前形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构，同时加速提拉，生产出目标直径和品质的单晶硅棒。
3.参见附图1，其示出了常见的拉晶炉10的示意图，该拉晶炉10包括：炉体11、坩埚12、加热器13、隔热筒14、导流筒15以及籽晶提拉装置16，其中加热器13、隔热筒14和导流筒15均属于固定结构。在拉晶过程中，为确保生长出缺陷较少的高品质单晶硅棒s，对其生长环境必须进行严格控制，这是因为在直拉法生长单晶的过程中，工艺气体从单晶炉10的顶部充入，为了保证挥发物质能够及时排出通过安装在坩埚12上方的导流筒15使得工艺气体经过导流筒15和炉体11的内壁。再通过真空泵从单晶炉10的底部排气口排出。在晶棒s的形成过程中，单晶硅棒s生长在固液交界面处，由于熔融硅持续从液态转化为固态依附在籽晶上，随着坩埚12中的熔融硅不断减少，熔融硅的液面位置也在不断下降，为了保证熔融硅的液面始终与晶体接触，需要持续向上提升坩埚12，为了避免导流筒15与熔融硅的液面接触，同时也要保证气体流动的稳定，导流筒15与液面的相对高度须要保持一致，因此坩埚1需要随着晶体提升同步上移。同时，cz法主要通过坩埚和籽晶的同步上升以及坩埚和籽晶的旋转来保持拉晶炉内部热场的稳定性，然而，坩埚上升对拉晶炉内能耗和热场的稳定性都带来的不小的弊端。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例期望提供用于单晶生长的热场调节装置和方法；能够在拉晶过程中，通过调节隔热筒以实现导流筒与熔融硅液面的距离保持一致，同时独立调节加热器以配合隔热筒的移动以实现多样化的热场控制，为拉晶工艺提供更多方法，提高加工效率。
5.本发明实施例的技术方案是这样实现的：
6.第一方面，本发明实施例提供了一种用于单晶生长的热场调节装置，所述热场调节装置布置在拉晶炉内，所述热场调节装置包括：
7.顶部固定安装有导流筒的隔热筒；第一控制单元和第二控制单元，其中，所述第一控制单元经配置为在拉晶过程中控制坩埚的高度位置不变，所述第二控制单元经配置为在
拉晶过程中驱动所述隔热筒沿竖直方向做升降运动，使得所述导流筒的底部与熔融硅的液面的距离始终保持一致。
8.第二方面，本发明实施例提供了一种用于单晶生长的热场调节方法，所述热场调节方法包括：
9.在拉制单晶硅棒开始前，通过隔热筒带动导流筒处于最高位置，待多晶硅原料完全熔化成熔融硅后，调节所述导流筒至与所述熔融硅的液面固定距离处；在拉晶过程中，控制坩埚的高度位置不变并旋转，驱动所述隔热筒以带动所述导流筒沿竖直方向向下移动，以使得在拉晶过程中所述导流筒的底部与所述熔融硅的液面距离始终保持一致。
10.本发明实施例提供了一种用于单晶生长的热场调节装置和方法；在拉晶过程中，通过隔热筒带动导流筒沿竖直方向向下移动，以使得导流筒与熔融硅的液面距离保持一致，避免了坩埚移动带来的弊端。同时，通过独立移动的加热器配合所述隔热筒实现多样化的热场控制，为工艺参数的调节提供更多的方法和支持，有效提高提拉速度以及降低氧浓度，即，使得提高提拉速度和降低氧浓度变得容易，使得晶棒冷却更快，生长更快。
附图说明
11.图1为现有技术中拉晶炉的示意图；
12.图2为具有本发明实施例提供的一种用于调节单晶生长的热场调节装置的单晶炉的示意图；
13.图3为图2示出的拉晶炉装料后和化料阶段导流筒和加热器位置示意图；
14.图4为本发明实施例提供的一种用于调节单晶生长的热场调节方法的流程示意图；
15.图5为本发明实施例提供的一种用于调节单晶生长的热场调节方法中加速单晶硅棒冷却方法的流程示意图。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
17.在拉晶炉内通过cz法拉制单晶硅的过程中，在坩埚上升的过程中由于保护气体流动的不稳定以及机械传动带来的震动会造成熔融硅液面颤动和单晶硅棒摇晃的问题。摇晃的单晶硅棒和不稳定的熔融硅固液界面会破坏拉晶炉内热场的稳定性，导致晶体缺陷的形成。上述问题不仅造成晶体难以无错位生长，而且对晶体的质量有十分不利的影响。
18.继续参见附图1，随着拉晶过程的行进，坩埚12在竖直方向上缓慢上升保证坩埚12与单晶硅棒s之间的距离保持在理想范围之内。同时，坩埚12的缓慢上升是由机械部件驱动的，由于加热器13保持不动，用于驱动坩埚12的机械部件长时间位于加热器13的热场中被动的接收加热器13的热辐射，导致坩埚12的使用寿命降低，并且由于热胀冷缩的原理，该机械部件的运动精度也会受到一定程度的影响，进而影响拉晶过程中坩埚12中熔融硅固液界面的稳定性。
19.因此，针对上述所面临的技术问题，本发明提出了一种用于单晶生长的热场调节装置，通过隔热筒带动导流筒下降以代替坩埚的上升，使得坩埚的高度位置保持不变，从而
提高拉晶效率。参见附图2，其示出了具有该热场调节装置的单晶炉100的示意性结构，该热场调节装置中至少可以包括：顶部固定安装有导流筒15的隔热筒14、第一控制单元t1和第二控制单元t2。
20.隔热筒14布置在拉晶炉的炉体11与加热器13之间，能够防止拉晶炉100内热场的热能向外辐射。隔热筒14可采用刚性碳毡制成，为了提高隔热和保温效果还可以采用更为先进的蜂窝结构。参见附图2，隔热筒14其至少包括侧面保温罩141和顶部保温罩142，隔热筒14可以是整体成型，也可以分段成型再进行组合，分段组合式的隔热筒制造成本低，而且针对损坏的部段更加容易更换。侧面保温罩141与加热器13平行布置，用于包围加热器13以防止加热器13的热量向外辐射从而增强加热器13的加热效果减少热量损失。顶部保温罩142从侧面保温罩141的顶部出发沿水平方向朝向拉制的单晶硅棒s延伸，直至坩埚12的上方停止，用于从顶部保护热场的热量损失，从而提高拉晶热场的效率。
21.固定安装在顶部保温罩142上的导流筒15呈上大下小的锥形，其主要起高温气体导流作用，因此，具有良好的耐热性能和一定的力学性能；导流筒15还具有保温隔热性能，用于保障坩埚12中的熔融硅沿径向、在拉制单晶硅棒s与坩埚12中的熔融硅沿轴向有合适的温度梯度。此外，导流筒15经配置为减少sio在单晶炉100上部的沉积，从而确保拉制的单晶硅棒s具有较好质量，同时能够延长拉晶炉100中各部件的使用寿命。目前，导流筒多为由薄壁锥形外石墨筒-毡体夹心-薄壁锥形内石墨筒构成的组合式导流筒。优选地，导流筒15与顶部保温罩142能够通过挂扣l可拆卸连接。
22.第一控制单元t1连接在坩埚12底部，在拉制晶棒s的过程中第一控制单元t1通过机械部件控制坩埚12的高度位置不变只做相对于坩埚12中心轴线的旋转运动。第二控制单元t2与隔热筒14连接，优选地安装在隔热筒14的底部以避免第二控制单元t2在拉晶炉内受到长时间的热辐射导致机械部件的传动精度受到影响。第二控制单元t2能够通过电机或滚珠丝杠等传动方式驱动隔热筒14沿着竖直方向做升降运动。基于通过隔热筒14带动导流筒15下降以代替坩埚12的上升的构思，在拉晶过程中，坩埚12的高度位置不变，第二控制单元t2驱动隔热筒14向下移动，从而带动固定安装在隔热筒14顶部的导流筒15下降，导流筒15的底部进入坩埚12内，使得导流筒15的底部与熔融硅的液面的距离始终保持在能够保证拉制单晶硅棒质量的合理范围内，优选地，始终保持导流筒的底部与熔融硅的液面的距离一致。
23.该热场调节装置还包括电连接的液面传感器和处理器(未示出)。液面传感器可以是ccd相机、数码相机或高清摄像机等成像装置，通过液面传感器能够实时获得坩埚中熔融硅的液面变化状态信息，处理器将从液面传感器接收到熔融硅的液面变化状态信息处理后获得拉晶过程中熔融硅的液面下降高度，并向第二控制单元t2发出控制信号，第二控制单元t2根据该控制信号准确调节隔热筒14的下降高度以精确地调控导流筒15的底部与熔融硅的液面的距离，用于保障导流筒15的底部不与熔融硅的液面接触。优选地，为了保证处理器信号传输的稳定性，处理器与第二控制单元t2通过线连接。
24.参见附图2，加热器13布置在坩埚12外周对坩埚12进行热辐射以融化硅原料得到熔融硅，并且保持熔融硅一直处于利于拉制单晶硅棒s的温度。现有技术中加热器是固定的，并不能够在拉直单晶硅棒时移动，因此在从熔融硅中拉制出单晶硅棒的同时，处于熔融硅液面顶部已成型的单晶硅棒仍然处在加热器的热辐射范围内，不仅导致单晶硅棒热量散
失缓慢，冷却速率降低，提拉速度得不到有效地提升，还使得单晶硅棒的氧浓度下降。在通过第二控制单元t2驱动隔热筒14下降的同时，隔热筒14相对于加热器13的位置降低，导致隔热筒13的保温效果降低，无法充分加热熔融硅的液面，继而无法充分降低单晶硅棒s的氧浓度。为了解决该问题，该热场调节装置还包括第三控制单元t3，第三控制单元t3能够从下方支承加热器13并驱动加热器13沿竖直方向下降以配合隔热筒14的下降。通过上述结构，使得拉制的单晶硅棒s处于易冷却的状态，增强了冷却效率，加快了提拉速度。第二控制单元t2与第三控制单元t3能够分别独立驱动隔热筒14和加热器13，从而保证加热器13与隔热筒14的高度位置关系，因此也不会导致结晶质量恶化或单晶化效率低下的问题。
25.通过附图3所示的拉晶炉100拉制单晶硅棒s的过程，可以包括在坩埚12内升高导流筒15位置装入多晶硅原料；随后通过加热器13对坩埚12内的多晶硅原料进行加热以熔化多晶硅原料形成熔融硅；待多晶硅原料完全融化后降低导流筒15，使得导流筒15底部与熔融硅的液面的距离能够保证拉制单晶硅棒质量；通过加热器13和隔热筒14稳定熔融硅的液面的温度，通过籽晶与熔融硅接触的方式拉制单晶硅棒s。上述过程中，为了始终保持导流筒14底部与熔融硅的液面的距离恒定，同时避免因熔融硅的液面下降而上升坩埚12带来弊端，而使用导流筒15下降的方式实现保持导流筒15底部与熔融硅的液面的距离恒定。参见附图4，其示出了本发明实施例提供的一种用于单晶生长的热场调节方法，该热场调节方法能够应用于附图2所示的拉晶炉，该热场调节方法包括以下步骤：
26.在拉制单晶硅棒开始前，通过隔热筒带动导流筒处于最高位置，待多晶硅原料完全熔化成熔融硅后，调节所述导流筒至与熔融硅的液面固定距离处；
27.在拉晶过程中，控制坩埚的高度位置不变并旋转，驱动隔热筒以带动导流筒沿竖直方向向下移动，以使得在拉晶过程中导流筒的底部与熔融硅的液面距离始终保持一致。
28.通过附图4所示的技术方案，本发明能够通过隔热筒下降的方式带动导流筒下降代替坩埚上升，实现了稳定地保持导流筒底部与熔融硅的液面的距离恒定。进一步地，驱动隔热筒以带动导流筒沿竖直方向向下移动，以使得在拉晶过程中导流筒的底部与熔融硅的液面距离始终保持一致的这一步骤具体包括：
29.在拉晶过程中，监控熔融硅的液面高度变化；
30.依据熔融硅的液面高度变化控制第二控制单元，使得导流筒与熔融硅的液面的距离始终保持一致。
31.由于在从熔融硅中拉制出单晶硅棒的同时，处于熔融硅液面顶部已成型的单晶硅棒仍然处在加热器的热辐射范围内，不仅导致单晶硅棒热量散失缓慢，冷却速率降低，提拉速度得不到有效地提升，还使得单晶硅棒的氧浓度下降。参见附图5，本发明还提出通过加热器与隔热筒能够同时下降的方式使得拉制的单晶硅棒处于易冷却的状态，该热场调节方法包括：
32.在隔热筒向下移动的同时，驱动加热器沿竖直方向向下移动，用于保持熔融硅的液面温度恒定并且使得加热器不再向拉制的单晶硅棒传递热量；
33.隔热筒与加热器同时沿竖直方向向下移动，用于改善拉制单晶硅棒的热场，使得拉制的单晶硅棒的冷却速率更快。
34.因此本发明提供了一种用于单晶生长的热场调节装置和方法，通过隔热筒带通导流筒下降的方式代替坩埚的上升解决的由坩埚上升引起的熔融硅液面颤动和单晶硅棒摇
晃的问题，同时在上述过程中通过驱动加热器上下移动配合隔热筒下降的结构解决了单晶硅棒热量散失缓慢，冷却速率降低的问题。
35.需要说明的是：本发明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。
36.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。