一种区熔硅单晶全自动放肩方法与流程

本发明涉及一种区熔硅单晶全自动放肩方法，属于半导体材料工艺。

背景技术：

1、区熔法(fz)生产单晶硅是一种区别于直拉法(cz)的单晶生长方法，它利用高频感应线圈将高纯的多晶硅料加热熔化，产生的熔区依靠熔硅的表面张力和加热线圈提供的磁托浮力处于悬浮状态，然后利用籽晶熔接多晶棒料经过晶体生长拉制成单晶硅。

2、区熔硅单晶的生长过程主要是清炉、装炉、抽空、预热、化料、引晶、放肩、转肩、等径、收尾、降温、停炉。

3、传统区熔法拉制硅单晶都是人工手动拉制，对操作技术要求非常高，特别是大直径区熔硅单晶，不仅操作难度大，而且操作过程耗时长，人工往往很难精确控制工艺参数，造成一定比例的失误，导致生产效率低下。目前，国内外大多数拉晶厂家均已实现半自动放肩，但由于技术限制，均是在单晶直径达到50-60mm左右开启自动。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种区熔硅单晶全自动放肩方法，该方法能够不受多晶形状和尺寸的限制，可从开始放肩开启自动程序，真正实现了区熔单晶放肩过程全自动生长，彻底解决区熔拉晶对人工的依赖，提高区熔放肩成功率。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种区熔硅单晶全自动放肩方法，经过装炉、预热、化料、缩颈步骤，开启放肩程序，放肩过程包括以下步骤：

4、(1)设定熔区三相点1的切线角度和三相点2的直径、单晶加热功率、单晶拉速、单晶转速、多晶转速等拉晶工艺参数，其中，所述三相点1为已经结晶的单晶固相、未结晶的熔区液相和晶体生长保护气体三相交叉点；三相点2为未熔化的多晶固相、未结晶的熔区液相和晶体生长保护气体三相交叉点；

5、(2)通过三相点1的切线角度的变化确定单晶加热功率增加幅度，当三相点1的切线角度大于设定上限值时，单晶加热功率增加幅度相应的减小；当三相点1的切线角度小于设定下限值时，单晶加热功率增加幅度相应增大；

6、(3)通过三相点2的直径变化确定多晶给料速度的增减，当三相点2的直径大于直径设定上限值时，根据直径变大的幅度调节多晶给料速度减小的幅度；当三相点2的直径小于直径设定下限值时，根据直径变小幅度调节多晶给料速度增加的幅度。

7、(4)经过以上步骤(2)、(3)，单晶直径逐渐增大，直至单晶直径达到设定转肩直径，放肩过程结束。

8、进一步地，在所述步骤(1)中，根据不同单晶直径，三相点1的切线角度设定在45-135°以内。

9、三相点1的切线角度会随着单晶直径的增加而不断变小，不同直径对应相应的角度范围，工艺sop(standard operation procedure，标准作业程序)中会设定不同直径对应的切线角度。设定范围45-135°限定了整个工艺过程中设定角度的下限和上限。每个单晶直径对应的三相点1切线角度是一个更小的区间，例如单晶直径100mm时，对应的设定切线角度76度，其他直径类似，都会在45-135°以内。

10、进一步地，在所述步骤(1)中，根据不同单晶直径，三相点2的直径设定在12-25mm以内。

11、工艺sop中会设定不同直径对应的三相点2直径，设定的三相点2直径下限为12mm，上限为25mm，实际不同直径对应的三相点2直径是一个更小的范围，例如单晶直径100mm对应的设定三相点2范围时14-16mm。

12、进一步地，在所述步骤(1)中，根据不同单晶直径，单晶加热功率设定在额定值4o％-90％以内。

13、进一步地，在所述步骤(2)中，三相点2的直径控制在设定值±2mm以内。

14、进一步地，在所述步骤(2)中，单晶加热功率设定变化幅度为额定值的0.1-3％/min以内。优选地，当三相点1的切线角度大于当前单晶直径对应的设定角度，单晶加热功率增加的幅度相应减小，单晶加热功率设定变化幅度为额定值的0.1-1％/min；当三相点1的切线角度小于当前单晶直径对应的设定角度，单晶加热功率幅度相应增加，单晶加热功率设定变化幅度为额定值的1-3％/min；以上均由pid参数控制变化幅度。

15、进一步地，在所述步骤(3)中，不同直径对应的三相点1切线角度均不同，控制在设定值±3°以内。

16、进一步地，在所述步骤(3)中，多晶给料速度设定变化幅度控制在0.1-4mm/min/s以内。三相点2的直径粗细与多晶给料速度正相关，当三相点2的直径小于当前单晶直径对应的三相点2的设定直径时，多晶给料速度以0.1-4mm/min/s的幅度增加；当三相点2的直径大于当前单晶直径对应的三相点2的设定直径时，多晶给料速度以0.1-4mm/min/s的幅度减小；以上速度均由pid参数控制变化幅度。

17、本发明的优点在于：

18、(1)本发明提供了一种新的思路，通过测定区熔三相点1切线角度和三相点2的尺寸(直径)，可稳定控制单晶加热功率和多晶给料速度。

19、(2)长期以来，区熔单晶以技术门槛高，操作复杂著称，本发明彻底降低了区熔拉晶技术门槛，摆脱了区熔拉晶人工操作成功率低的痛点，大幅提高了放肩成功率，降低了人工培养成本。

20、(3)本发明提供的方法是大直径区熔单晶规模化、少人化、高效化的必备技术之一。

技术特征：

1.一种区熔硅单晶全自动放肩方法，经过装炉、预热、化料、缩颈步骤，开启放肩程序，其特征在于，放肩过程包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的区熔硅单晶全自动放肩方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，三相点1的切线角度设定在45-135°以内。

3.根据权利要求1所述的区熔硅单晶全自动放肩方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，三相点2的直径设定在12-25mm以内。

4.根据权利要求1所述的区熔硅单晶全自动放肩方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，单晶加热功率设定在额定值40％-90％以内。

5.根据权利要求1所述的区熔硅单晶全自动放肩方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，三相点2的直径控制在设定值±2mm以内。

6.根据权利要求1所述的区熔硅单晶全自动放肩方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，单晶加热功率设定变化幅度为额定值的0.1-3％/min以内。

7.根据权利要求6所述的区熔硅单晶全自动放肩方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，当三相点1的切线角度大于当前单晶直径对应的设定上限值时，单晶加热功率增加的幅度相应减小，单晶加热功率设定变化幅度为额定值的0.1-1％/min；当三相点1的切线角度小于当前单晶直径对应的设定下限值时，单晶加热功率幅度相应增加，单晶加热功率设定变化幅度为额定值的1-3％/min；以上均由pid参数控制变化幅度。

8.根据权利要求1所述的区熔硅单晶全自动放肩方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，不同直径对应的三相点1切线角度均不同，控制在设定值±3°以内。

9.根据权利要求1所述的区熔硅单晶全自动放肩方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，多晶给料速度设定变化幅度控制在0.1-4mm/min/s以内。

10.根据权利要求9所述的区熔硅单晶全自动放肩方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，当三相点2的直径小于当前单晶直径对应的三相点2的设定直径时，多晶给料速度以0.1-4mm/min/s的幅度增加；当三相点2的直径大于当前单晶直径对应的三相点2的设定直径时，多晶给料速度以0.1-4mm/min/s的幅度减小；以上速度均由pid参数控制变化幅度。

技术总结
本发明公开了一种区熔硅单晶全自动放肩方法。该放肩方法包括：(1)设定熔区三相点1的切线角度和三相点2的直径；(2)通过三相点1的切线角度的变化确定单晶加热功率增加幅度，当三相点1的切线角度大于设定上限值时，单晶加热功率增加幅度相应的减小；当三相点1的切线角度小于设定下限值时，单晶加热功率增加幅度相应增大；(3)通过三相点2的直径变化确定多晶给料速度的增减，当三相点2的直径大于直径设定上限时，根据直径变大的幅度调节多晶给料速度减小的幅度；当三相点2的直径小于直径设定下限时，根据直径变小幅度调节多晶给料速度增加的幅度；(4)单晶直径逐渐增大，直至单晶直径达到设定转肩直径，放肩过程结束。

技术研发人员：尚锐刚,王永涛,刘建涛,李明飞
受保护的技术使用者：有研半导体硅材料股份公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21