CN103451727A - 区熔炉多晶棒保温装置及其保温方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造领域，旨在提供区熔炉多晶棒保温装置及其保温方法。该区熔炉多晶棒保温装置包括设置在多晶棒外部的辅助加热器，辅助加热器的两个端部分别设有接口，接口通过电缆与辅助加热电源相连，辅助加热电源通过信号线依次连接有数据分析模块和红外测温仪；利用该区熔炉多晶棒保温装置对多晶棒进行保温时，红外测温仪实时监测多晶棒下端的温度，数据分析模块通过内置的判断模块来控制辅助加热电源施加在辅助加热器上的电流大小。本发明对多晶棒实现保温，而省去对多晶棒的缓慢冷却和预热过程，一次可节省生产时间一个小时以上，节约电能，并降低多晶棒开裂的风险。

Description

区熔炉多晶棒保温装置及其保温方法

技术领域

本发明是关于半导体制造领域，特别涉及区熔炉多晶棒保温装置及其保温方法。

背景技术

硅材料是现代信息社会的基础，它不仅是光伏发电等产业的主要功能材料，也是半导体产业，特别是电力电子器件的基础材料。区熔法（FZ）生产单晶硅是区别于直拉炉（CZ）的一种新型的单晶生长方法，它利用高频感应加热线圈将高纯度的多晶料局部融化，熔区依靠熔硅的表面张力和加热线圈提供的磁托浮力而处于悬浮状态，然后从熔区的下方利用籽晶将熔硅拉制成单晶。由于没有坩埚污染，区熔炉生长的单晶硅纯度高，均匀性好，低微缺陷，其优良的电学性能非常适合制作高反压、大电流、大功率的电力电子器件。

区熔硅单晶的生长采用悬浮区域熔炼法，即用高频感应加热线圈加热多晶硅料使其熔化，在线圈下方用籽晶接住熔融硅连续生长出单晶棒。正常的区熔炉生产包括准备工作—预热—熔接—细颈—扩肩—等径—收尾—冷却等过程，整个过程依等径时间不同约耗时6～12小时，若除去等径阶段则约耗时3小时，其中预热时间约为30～60分钟。由于区熔单晶生长的复杂性，在区熔炉生产过程中因断楞、流熔等而造成单晶生长意外终止的情况并不鲜见，发生概率不小于20%，而此时炉内多晶棒尚剩余较长。传统的处理方式是：缓慢降低施加在主加热线圈上的功率，等待多晶棒降温，此过程约耗时30分钟，如降温过快可能造成多晶棒开裂；之后关闭高频电源，开启炉门并进行相应的处理，比如修理线圈、更换籽晶等；关闭炉门，开启高频电源，重新对多晶棒预热，完成新的一次生长过程。从中可以看出，一次生长意外终止后到下一次新的生长，最少需耗时2个小时，其中多晶棒缓慢冷却和重新预热占据了主要的时间，这段时间耗费了大量的人力和电能，且由于多晶棒脆性大，冷却之后重新预热容易造成多晶棒开裂造成原料的浪费。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能实现对多晶棒保温，省去对多晶棒缓慢冷却并重新预热的多晶棒保温装置及其方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供区熔炉多晶棒保温装置，多晶棒在区熔炉的主加热线圈的上方，单晶棒在主加热线圈的下方，且多晶棒和单晶棒通过主加热线圈中心的圆孔相熔接，区熔炉多晶棒保温装置包括至少一个设置在多晶棒外部的辅助加热器，辅助加热器的两个端部分别设有接口，接口通过电缆与辅助加热电源相连，辅助加热电源用于对辅助加热器施加电流，通有电流的辅助加热器能对多晶棒实现保温；辅助加热电源通过信号线依次连接有数据分析模块和红外测温仪，红外测温仪用于实时监测多晶棒下端的温度，并将测得的温度数据传送给数据分析模块，数据分析模块用于通过判断红外测温仪传送来的温度数据，控制辅助加热电源施加在辅助加热器上的电流大小。

作为一种改进，所述区熔炉多晶棒保温装置是采用热辐射方式的辅助加热器、使多晶棒感应加热方式的辅助加热器中任意一种辅助加热器或者两种辅助加热器组合的装置，实现对多晶棒保温。

作为一种改进，采用热辐射方式的辅助加热器呈圆筒形，辅助加热器是石墨材质的加热器。

作为一种改进，采用使多晶棒感应加热方式的辅助加热器是铜或者硅材质的加热器，辅助加热器是U型和倒U型交替连接而成的条状加热器，且条状加热器围成圆环状。

作为一种改进，所述条状加热器围成的圆环的直径取值范围为100mm～250mm，所述条状加热器的U型和倒U型的高度取值范围为50mm～20mm。

提供基于所述的区熔炉多晶棒保温装置的保温方法，所述区熔炉多晶棒保温装置对多晶棒进行保温时，红外测温仪实时监测多晶棒下端的温度（下端面以上15mm～30mm范围内的温度），并将测得的温度数据传送给数据分析模块，数据分析模块通过内置的判断模块来控制辅助加热电源施加在辅助加热器上的电流大小；

所述判断模块能实现：当红外测温仪传送来的温度信号不大于550℃时，控制辅助加热电源对辅助加热器施加最大电流；当红外测温仪传送来的温度信号不小于800℃时，控制辅助加热电源对辅助加热器施加最小电流；当红外测温仪传送来的温度信号在550℃～800℃之间时，控制辅助加热电源对辅助加热器施加的电流满足公式I=I₀-8.35×（T₁-850）/（T₁-500），其中I为辅助加热电源对辅助加热器施加的电流，T₁为红外测温仪传送来的温度，I₀为辅助加热器初始设置值，即I₀=（Imax+Imin）/2，其中Imax为辅助加热电源对辅助加热器施加的最大电流，Imin为辅助加热电源对辅助加热器施加的最小电流。

作为一种改进，当辅助加热器通过对多晶棒感应加热而实现保温时，辅助加热电源对辅助加热器施加的电流是交变电流。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

辅助加热器可实现对多晶棒的保温，当单晶棒生长过程意外终止时，在进行必要的准备工作后，即可直接开始下一次生长过程，而省去对多晶棒的缓慢冷却和预热过程，一次可节省生产时间一个小时以上，节约电能，并降低多晶棒开裂的风险。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图

图3为本发明与现有技术的实施效果对比图。

图中的附图标记为：1辅助加热电源；2辅助加热器；3主加热线圈；4数据分析模块；5红外测温仪；6多晶棒；7单晶棒。

具体实施方式

首先需要说明的是，在本发明实现过程中会涉及自动控制技术和计算机技术的运用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后完全能够实现本发明。例如数据分析模块4可采用PLC，可选型号CJ2M，生产商为欧姆龙，并且本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能，并在结合现有公知技术的情况下，实现其中的判断模块功能。因此，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1、2所示，多晶棒6在区熔炉的主加热线圈3的上方，主加热线圈3用于熔化多晶棒6，单晶棒7在主加热线圈3的下方，且多晶棒6和单晶棒7通过主加热线圈3中心的圆孔相熔接，区熔炉多晶棒保温装置包括辅助加热器2、辅助加热电源1、数据分析模块4和红外测温仪5。辅助加热器2设置在多晶棒6的外部，辅助加热器2的两个端部分别设有接口，接口通过电缆与辅助加热电源1相连，辅助加热电源1用于对辅助加热器2施加电流，通有电流的辅助加热器2能对多晶棒6实现保温。辅助加热电源1通过信号线依次连接有数据分析模块4和红外测温仪5，红外测温仪5用于实时监测多晶棒6下端的温度，并将测得的温度数据传送给数据分析模块4，数据分析模块4用于通过判断红外测温仪5传送来的温度数据，控制辅助加热电源1施加在辅助加热器2上的电流大小。

区熔炉多晶棒保温装置是采用热辐射方式的辅助加热器2、使多晶棒6感应加热方式的辅助加热器2中任意一种辅助加热器或者两种辅助加热器组合的装置，实现对多晶棒6保温。如图1所示的辅助加热器2呈圆筒形，材质为石墨，在该种辅助加热器2上施加一定电流能导致辅助加热器2发热，从而通过热辐射方式实现对多晶棒6保温。如图2所示的辅助加热器2的材质是铜或者硅，辅助加热器2是U型和倒U型交替组合而成的条状加热器，且条状加热器围成圆环状，条状加热器的U型和倒U型的高度取值范围为50mm～20mm，条状加热器围成的圆环的直径取值范围为100mm～250mm，在该种辅助加热器2上施加一定频率的交变电流，能在辅助加热器2附近形成同频率的交变磁场，从而多晶棒6将直接被感应加热而实现保温。可根据实际需要组合使用上述两种辅助加热器2，用以制成能实现对多晶棒6保温的区熔炉多晶棒保温装置。

本发明在正常状态下是不工作的，只有拉晶人员根据现场拉晶情况，比如单晶棒7生长过程意外终止，且多晶棒6预料较多时，拉晶人员判断需要对多晶棒6进行保温，区熔炉多晶棒保温装置才开始工作。

基于所述区熔炉多晶棒保温装置的保温方法具体指：区熔炉多晶棒保温装置对多晶棒6进行保温时，辅助加热电源1为辅助加热器2施加电流，辅助加热器2对在其内部的多晶棒6进行保温；红外测温仪5实时监测多晶棒6下端的温度，即多晶棒6下端面以上15mm～30mm范围内的温度，并将测得的温度数据传送给数据分析模块4，数据分析模块4通过内置的判断模块来控制辅助加热电源1施加在辅助加热器2上的电流大小。

所述判断模块能实现：当红外测温仪5传送来的温度信号不大于550℃时，控制辅助加热电源1对辅助加热器2施加最大电流；当红外测温仪5传送来的温度信号不小于800℃时，控制辅助加热电源1对辅助加热器2施加最小电流；当红外测温仪5传送来的温度信号在550℃～800℃之间时，控制辅助加热电源1对辅助加热器2施加的电流满足公式I=I₀-8.35×（T₁-850）/（T₁-500），其中I为辅助加热电源1对辅助加热器2施加的电流，T₁为红外测温仪5传送来的温度，I₀为辅助加热器2初始设置值，即I₀=（Imax+Imin）/2，其中Imax为辅助加热电源1对辅助加热器2施加的最大电流，Imin为辅助加热电源1对辅助加热器2施加的最小电流。

在实际工作中，使用本发明，在单晶棒7生长过程意外终止时，在进行必要的准备工作后，即可直接开始下一次生长过程，而省去对多晶棒6的缓慢冷却和预热过程。如图3所示，相同拉晶人员采用本发明的技术方案和采用缓慢冷却和预热过程的现有技术，分别进行10次6英寸硅单晶生产试验的统计数据，采用本发明技术方案的硅单晶产量和采用现有技术的硅单晶产量相比，单台区熔炉硅单晶日均产量提高8.4%，优势明显。另一方面采用本发明还可节省大量电能消耗，因辅助加热器2只是起到保温作用，功耗只需3～6kw左右，而预热过程中主加热线圈3上施加的功率将高达30kw以上，同时由于多晶棒6自身较脆，进行降温升温过程很容易造成多晶棒6开裂，而采用本发明可降低多晶棒6开裂的风险，节约原料。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.区熔炉多晶棒保温装置，多晶棒在区熔炉的主加热线圈的上方，单晶棒在主加热线圈的下方，且多晶棒和单晶棒通过主加热线圈中心的圆孔相熔接，其特征在于，区熔炉多晶棒保温装置包括至少一个设置在多晶棒外部的辅助加热器，辅助加热器的两个端部分别设有接口，接口通过电缆与辅助加热电源相连，辅助加热电源用于对辅助加热器施加电流，通有电流的辅助加热器能对多晶棒实现保温；辅助加热电源通过信号线依次连接有数据分析模块和红外测温仪，红外测温仪用于实时监测多晶棒下端的温度，并将测得的温度数据传送给数据分析模块，数据分析模块用于通过判断红外测温仪传送来的温度数据，控制辅助加热电源施加在辅助加热器上的电流大小。

2.根据权利要求1所述的区熔炉多晶棒保温装置，其特征在于，所述区熔炉多晶棒保温装置是采用热辐射方式的辅助加热器、使多晶棒感应加热方式的辅助加热器中任意一种辅助加热器或者两种辅助加热器组合的装置，实现对多晶棒保温。

3.根据权利要求2所述的区熔炉多晶棒保温装置，其特征在于，采用热辐射方式的辅助加热器呈圆筒形，辅助加热器是石墨材质的加热器。

4.根据权利要求2所述的区熔炉多晶棒保温装置，其特征在于，采用使多晶棒感应加热方式的辅助加热器是铜或者硅材质的加热器，辅助加热器是U型和倒U型交替连接而成的条状加热器，且条状加热器围成圆环状。

5.根据权利要求4所述的区熔炉多晶棒保温装置，其特征在于，所述条状加热器围成的圆环的直径取值范围为100mm～250mm，所述条状加热器的U型和倒U型的高度取值范围为50mm～20mm。

6.基于权利要求1所述的区熔炉多晶棒保温装置的保温方法，其特征在于，所述区熔炉多晶棒保温装置对多晶棒进行保温时，红外测温仪实时监测多晶棒下端的温度，并将测得的温度数据传送给数据分析模块，数据分析模块通过内置的判断模块来控制辅助加热电源施加在辅助加热器上的电流大小；

所述判断模块能实现：当红外测温仪传送来的温度信号不大于550℃时，控制辅助加热电源对辅助加热器施加最大电流；当红外测温仪传送来的温度信号不小于800℃时，控制辅助加热电源对辅助加热器施加最小电流；当红外测温仪传送来的温度信号在550℃～800℃之间时，控制辅助加热电源对辅助加热器施加的电流满足公式I=I₀-8.35×（T₁-850）/（T₁-500），其中I为辅助加热电源对辅助加热器施加的电流，T₁为红外测温仪传送来的温度，I₀为辅助加热器初始设置值，即I₀=（Imax+Imin）/2，其中Imax为辅助加热电源对辅助加热器施加的最大电流，Imin为辅助加热电源对辅助加热器施加的最小电流。

7.根据权利要求6所述的保温方法，其特征在于，当辅助加热器通过对多晶棒感应加热而实现保温时，辅助加热电源对辅助加热器施加的电流是交变电流。

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