CN102011181B - 一种直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置，包括：设于炉体内腔中的保温筒，保温筒的上端部设有上石墨大盖，在上石墨大盖的上表面设有用于密封上石墨大盖与炉壁间间隙的石墨压环；上石墨大盖的中部设有一通孔，导流筒装配在通孔内，所述导流筒包括内筒和外筒，内筒成倒圆锥台形，外筒呈圆柱形，在内筒和外筒之间填充有保温碳毡，内筒和外筒的上端向外侧延展形成环形凸边，导流筒通过该环形凸边嵌装或卡装在上石墨大盖上。本发明所述的直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置，增加了石墨压环，改进了导流筒的形状结构，既不影响固液界面平整度和拉晶速度，又能降低硅单晶中氧碳含量。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能用8吋硅单晶生产技术领域，具体说是一种直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置。8吋的含义是8英寸。
背景技术
一般直拉减压工艺生长硅单晶的氩气(Ar)控制是通过氩气管路外接浮子流量计一次性设定其流量后，在整个硅单晶完成整炉生产过程中是不变(或者较少改变)的，生长出的硅单晶氧碳杂质含量较高。现有直拉减压工艺生长8吋硅单晶装置的结构如图2所示：
炉体41内腔中设有保温筒7，保温筒7的上端部设有上石墨大盖5，上石墨大盖5和炉体41的炉壁间留有间隙42，上石墨大盖的中部设有一通孔43，该通孔43内安装有导流筒44，导流筒的下端正对炉体内的石英坩埚中的硅熔体45。图2中的箭头表示氩气(Ar)的流动情况。如图7、8所示，所述导流筒包括内筒3和外筒4，在内筒3和外筒4之间填充有保温碳毡2。
图2所示直拉减压工艺生长8吋寸硅单晶装置有以下缺点：
1、不能依据硅熔体内硅液多少、预计产生的硅氧化物蒸气挥发量和观察到的炉压情况，而适时调节氩气流量，使硅氧化物蒸气充分被氩气带走；
2、氩气进入单晶炉内，部分氩气在上石墨大盖5与炉体41间的间隙42处形成旋流，或通过间隙42直接流向热场下部的排气孔46损失掉，没有作功；
3、如图7、8所示，导流筒44的内筒3和外筒4之间宽度太窄，下端弧形过渡区71的半径R太大。这种结构的不足之处在于：
A、使氩气通过结晶界面与硅熔体表面速度过快，而且靠近石英坩埚内壁挥发出的氧化硅蒸气不能充分带走，使部分已经挥发离开硅熔体表面的硅氧化物重新返回、掉入液面再分解出的氧进入结晶界面，使生长出的硅单晶头部氧含量＞1×1018atm/cm3。
B、由于导流筒44的上、下口径梯度大，使硅熔体表面挥发出的硅氧化物易吸附在外筒4的表面，在一定条件下脱落，重新带碳掉入硅熔体，随硅单晶生长过程的延续而分解，造成熔体内碳含量增多，再加上碳的分凝系数＜1，逐渐向远离熔体表面方向沉淀，当石英坩埚的硅熔体减少到1/3以下时，碳在硅中的含量就很大了。
如上所述的这种结构的导流筒与氩气流向导致直拉硅单晶的尾部碳含量≥7×1016atm/cm3。不利于硅单晶的品质提高。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置，增加了石墨压环，改进了导流筒的形状结构，既不影响固液界面平整度和拉晶速度，又能降低硅单晶中氧碳含量。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置，其特征在于，包括：设于炉体41内腔中的保温筒7，保温筒7的上端部设有上石墨大盖5，在上石墨大盖5的上表面设有用于密封上石墨大盖与炉壁间间隙的石墨压环1；
上石墨大盖5的中部设有一通孔43，导流筒44装配在通孔43内，
所述导流筒44包括内筒3和外筒4，内筒3成倒圆锥台形，外筒4呈圆柱形，在内筒3和外筒4之间填充有保温碳毡2，
内筒3和外筒4的上端向外侧延展形成环形凸边，导流筒44通过该环形凸边嵌装或卡装在上石墨大盖5上。
在上述技术方案的基础上，所述石墨压环1的中部为倒圆锥台形通孔31，
所述石墨压环1的直径为900mm，其压环环壁32的高度h为94～100mm，倒圆锥台形通孔31上口的直径φ5为884～890mm，下口的直径φ6为694～700mm。
在上述技术方案的基础上，所述导流筒44的环形凸边直径φ2为505mm，内筒3上口的直径φ1为405mm，内筒3下口的直径φ3为256mm，弧形过渡区71的半径R为95mm，外筒4的最大外径φ4为465mm。
在上述技术方案的基础上，上石墨大盖5的下表面设有下石墨大盖6。
在上述技术方案的基础上，保温筒7的下端部设有石墨炉底盘14，
保温筒7内设有石英坩埚9，所述石英坩埚9安放在石墨三掰埚10上，石墨三掰埚10安放在石墨托盘11上，加热器8设置于保温筒7和石墨三掰埚10之间，
所述石墨托盘11的底面设有石墨托杆12，
所述石墨托杆12穿出石墨炉底盘14，
石墨炉底盘14上设有与加热器8连接的石墨电极13。
在上述技术方案的基础上，下石墨大盖6到加热器8上沿的盖距为210～220mm。
在上述技术方案的基础上，加热器8的有效加热高度至少为390mm。
在上述技术方案的基础上，石墨电极13高度为155mm。
在上述技术方案的基础上，导流筒下沿距离加热器上沿85～95mm。
本发明所述的直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置，增加了石墨压环，改进了导流筒的形状结构，既不影响固液界面平整度和拉晶速度，又能降低硅单晶中氧碳含量。
本发明针对普通太阳能用8吋硅单晶生长热场装置存在的一些缺陷，对静态热场中气体流向、覆盖面积做了研究与改变，重新设计了导流筒，调整了盖距、石墨托盘、托杆、加热器及其电极的尺寸，使气流更合理、作用更有效；在动态热场下，能够配合准确探测单晶炉内压力、及时适度调节氩气流量，使硅单晶始终较好的在等温等压下，良好生长。
附图说明
本发明有如下附图：
图1本发明结构示意图，
图2现有直拉减压工艺生长8吋寸硅单晶装置结构示意图，
图3石墨压环的剖视示意图，
图4石墨压环的立体示意图，
图5本发明中导流筒的剖视示意图，
图6本发明中导流筒的立体示意图，
图7现有直拉减压工艺生长8吋寸硅单晶装置中导流筒的剖视示意图，
图8现有直拉减压工艺生长8吋寸硅单晶装置中导流筒的立体示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明所述的直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置，包括：
设于炉体41内腔中的保温筒7，保温筒7的上端部设有上石墨大盖5，在上石墨大盖5的上表面设有用于密封上石墨大盖与炉壁间间隙的石墨压环1；
上石墨大盖5的中部设有一通孔43，导流筒44装配在通孔43内，
如图5、6所示，所述导流筒44包括内筒3和外筒4，内筒3成倒圆锥台形，外筒4呈圆柱形，在内筒3和外筒4之间填充有保温碳毡2，
内筒3和外筒4的上端向外侧延展形成环形凸边，导流筒44通过该环形凸边嵌装或卡装在上石墨大盖5上。
在上述技术方案的基础上，如图3、4所示，所述石墨压环1的中部为倒圆锥台形通孔31，
所述石墨压环1的直径为900mm，其压环环壁32的高度h为94～100mm，倒圆锥台形通孔31上口的直径φ5为884～890mm，下口的直径φ6为694～700mm。
在上述技术方案的基础上，如图5、6所示，所述导流筒44的环形凸边直径φ2为505mm，内筒3上口的直径φ1为405mm，内筒3下口的直径φ3为256mm，弧形过渡区71的半径R为95mm，外筒4的最大外径φ4为465mm。
在上述技术方案的基础上，如图1所示，上石墨大盖5的下表面设有下石墨大盖6。下石墨大盖6设置于上石墨大盖5和保温筒7的上端部之间。
在上述技术方案的基础上，保温筒7的下端部设有石墨炉底盘14，
保温筒7内设有石英坩埚9，所述石英坩埚9安放在石墨三掰埚10上，石墨三掰埚10安放在石墨托盘11上，加热器8设置于保温筒7和石墨三掰埚10之间，加热器8用于对石英坩埚9内的硅熔体45加热，
所述石墨托盘11的底面设有石墨托杆12，
所述石墨托杆12穿出石墨炉底盘14，
石墨炉底盘14上设有与加热器8连接的石墨电极13。
在上述技术方案的基础上，下石墨大盖6到加热器8上沿的盖距为210～220mm。
在上述技术方案的基础上，加热器8的有效加热高度至少为390mm。所述有效加热高度是指：加热器开缝有效长度部分。
在上述技术方案的基础上，石墨电极13高度为155mm。
在上述技术方案的基础上，导流筒下沿距离加热器上沿85～95mm。
上述尺寸数值的变化和硅单晶品质间的关联关系如下：
石墨压环1的直径为900mm，倒圆锥台形通孔31上口的直径φ5为890mm，下口的直径φ6为700mm，石墨压环的高度h为100mm，这是氩气导流最佳尺寸，如果倒圆锥台形通孔31上口的直径φ5为890mm，下口的直径φ6为700mm，石墨压环的高度h为100mm这三个尺寸均减少6mm还可以勉强使用，减少10mm，就对晶体的氧碳含量减少的值不是很明显。
导流筒44的环形凸边直径φ2为505mm，内筒3上口的直径φ1为405mm，下口的直径φ3为256mm，弧形过渡区71的半径R为95mm，外筒4的最大外径φ4为465mm。这是保持晶体液面，尤其固液生长界面平稳实验较好值。如果下口的直径φ3、弧形过渡区71的半径R、外筒4的最大外径φ4增大5或者10mm都会使熔体液面挥发出的硅氧化物和杂质微粒不能充分带离生长室，造成晶体生长中断或位错增多、晶体径向电阻率变化增大、以及氧碳含量增高。
盖距是指下石墨大盖6到加热器8上沿的距离。实验证明这个数值在210～220mm是合适的，是该热系统保证晶体成晶率的关键措施之一。
本发明所述的直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置，使氩气流过区域合理分布，输入氩气经过石墨压环、新型导流筒、熔体表面将熔体中挥发出的硅氧化物等杂质带离，被真空泵抽出。氩气可充分、顺畅、均衡到达和经过硅熔体表面，降低了硅单晶氧碳杂质含量。本发明完善了减压直拉拉晶工艺，比较充分的将硅熔体表面挥发出的硅氧化物蒸气带离固液生长界面，减少外导流筒含碳硅微粒脱落的几率，既保持了热场的温度梯度，维持了稳定晶体生长速度，又使8吋太阳能硅单晶的氧含量保持在≤5×1017atm/cm3，碳含量≤5×1016atm/cm3。
Claims (8)
1.一种直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置，其特征在于，包括：设于炉体(41)内腔中的保温筒(7)，保温筒(7)的上端部设有上石墨大盖(5)，在上石墨大盖(5)的上表面设有用于密封上石墨大盖与炉壁间间隙的石墨压环(1)；
上石墨大盖(5)的中部设有一通孔(43)，导流筒(44)装配在通孔(43)内，
所述导流筒(44)包括内筒(3)和外筒(4)，内筒(3)成倒圆锥台形，外筒(4)呈圆柱形，在内筒(3)和外筒(4)之间填充有保温碳毡(2)，
内筒(3)和外筒(4)的上端向外侧延展形成环形凸边，导流筒(44)通过该环形凸边嵌装或卡装在上石墨大盖(5)上；
所述石墨压环(1)的中部为倒圆锥台形通孔(31)，
所述石墨压环(1)的直径为900mm，其压环环壁(32)的高度h为94～100mm，倒圆锥台形通孔(31)上口的直径φ5为884～890mm，下口的直径φ6为694～700mm。
2.如权利要求1所述的直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置，其特征在于：所述导流筒(44)的环形凸边直径φ2为505mm，内筒(3)上口的直径φ1为405mm，内筒(3)下口的直径φ3为256mm，弧形过渡区(71)的半径R为95mm，外筒(4)的最大外径φ4为465mm。
3.如权利要求1或2所述的直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置，其特征在于：上石墨大盖(5)的下表面设有下石墨大盖(6)。
4.如权利要求3所述的直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置，其特征在于：保温筒(7)的下端部设有石墨炉底盘(14)，
保温筒(7)内设有石英坩埚(9)，所述石英坩埚(9)安放在石墨三掰埚(10)上，石墨三掰埚(10)安放在石墨托盘(11)上，加热器(8)设置于保温筒(7)和石墨三掰埚(10)之间，
所述石墨托盘(11)的底面设有石墨托杆(12)，
所述石墨托杆(12)穿出石墨炉底盘(14)，
石墨炉底盘(14)上设有与加热器(8)连接的石墨电极(13)。
5.如权利要求4所述的直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置，其特征在于：下石墨大盖(6)到加热器(8)上沿的盖距为210～220mm。
6.如权利要求4所述的直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置，其特征在于：加热器(8)的有效加热高度至少为390mm。
7.如权利要求4所述的直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置，其特征在于：石墨电极(13)高度为155mm。
8.如权利要求4所述的直拉法生长太阳能用8吋硅单晶的热场装置，其特征在于：导流筒下沿距离加热器上沿85～95mm。
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