CN106757312A - 一种硅单晶提拉炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅单晶提拉炉，其包括坩埚、加热器和旋转支撑组件，所述坩埚内设置有硅熔体，所述坩埚配套设置有用于对其加热的加热器，所述旋转支撑组件连接于所述坩埚上为坩埚提供支撑和旋转驱动，所述坩埚的旋转方向与所述硅单晶棒的旋转方向相反，其中，所述坩埚底部的中心处设置有冷点，所述冷点上设置有降温装置。上述硅单晶提拉炉于坩埚底部中心设置一个冷点，与硅熔体中心处的反向对流进行热交换，以给固液界面降温，从而加快结晶速度，增加晶棒拉速，使提拉炉等径平均拉速可以达到每分钟2毫米，工艺时间缩短一半，总生产周期缩短20％，总能耗降低20％以上。

Description

一种硅单晶提拉炉

技术领域

本发明涉及一种提拉炉，尤其是涉及一种明显提高生产效率的硅单晶提拉炉。

背景技术

硅单晶有特定的熔化(或凝固)温度。高于这个温度固体开始熔化，低于这个温度熔体开始凝固结晶。固体在熔化的时候需要吸收热量，反之熔体在凝固时会放出热量，称为熔化潜热。在晶体生长过程中固液界面上的任何一点的温度必须保持在凝固温度。为了维持这个温度，固液界面上从晶棒中传导出去的热必须与熔体向界面导入的热以及晶体凝固时释放的熔化潜热平衡一致。如果晶体导热速度相对比较快，则固液界面的形状就会向液体中凸出(称为凸界面)。如果晶体导热速度相对比较慢，则固液界面变平或向晶体内凹陷(称为凹界面)，严重时会在晶棒中形成气泡或者晶棒与液面拉脱。在硅单晶生长过程中，固液界面一般为平界面。拉速已经接近极限，如果继续增加拉速，固液界面将成为凹界面。缺陷产生的风险增加。

熔体对流除了可以改变熔体温度梯度，同时可以将熔化潜热带走。晶棒旋转和坩埚旋转都可以改变对流方式和强度。由于坩埚是侧面加热，靠近锅壁的熔体受热后膨胀，密度相对变小，产生上浮力量。而熔体中心液面由于向上散热，温度变低，熔体密度变大，产生下沉的力量。两股力量的结合熔体形成由锅壁向中心的对流。如果坩埚不动，熔体没有受到机械力量的干预，所以这个对流称为自然对流或正向对流，表现在液面表面上的液流线向坩埚中心流动。当受热坩埚旋转并达到一定转速时，熔体除了液面向中心的自然对流，还受到坩埚壁旋转产生的切向力。两个力量的合力不再是指向坩埚中心，而是偏心的，液流线沿螺线管方式运动，使中心地带形成一个漏斗。游离熔体在重力作用下流入漏斗，并填满。如果坩埚转速很快，离心力的作用增强，会强化中心漏斗效应。沿螺线管的熔体流动为受控的相对比较强的对流，而在漏洞中的对流为游离的弱对流。游离对流对晶棒质量有不利影响。

当晶棒快速旋转时，晶棒与熔体接触的表面及附近的熔体受到离心力的作用形成反向对流。这时液面流向晶棒的熔体不再直接在晶棒上结晶，而是与反向对流进行热交换。反向对流将固液界面上的熔化潜热带出，从而更有利于在晶棒上结晶。(注：在没有反向对流的情况下，正向对流也会带走一部分熔化潜热。在固液界面为凸界面时效果明显，而在平界面时效果有限或没有效果)。由于对流是一个循环状态，导出的熔化潜热只有一部分通过热交换带走。其它部分又循环回到固液界面。因此反向对流对晶棒拉速提高作用非常有限。晶棒旋转和坩埚旋转的共同点是将晶棒外缘附近的熔体向下压。在它们的共同作用下从上到下形成一个正向对流和一个反向对流，如图1所示，图1是晶棒旋转和坩埚旋转共同作用的对流示意图。

传统的硅单晶炉主要包括加热器，保温材料，坩埚及其支撑。工作时，硅原料在坩埚中加热熔化成熔体。在合适的温度下将籽晶与熔体液面接触，然后缓慢向上提拉，通过拉速和温度控制形成硅单晶棒。通过提高晶棒拉速来提高生产率是大家追求的方向。由于受热场，硅晶棒热传导系数等客观因素的限制，晶棒的平均拉速一般在每分钟1毫米左右。很难超过每分钟1.5毫米。拉速过快会导致位错和气泡等缺陷，甚至导致拉晶失控或晶棒与液面拉脱。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅单晶提拉炉，其具有结构简单，提高结晶速度，增加晶棒拉速和提高生产效率的特点，以解决现有技术中硅单晶提拉炉存在的上述问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种硅单晶提拉炉，其包括坩埚、加热器、旋转支撑组件及保温隔热材料，所述坩埚内设置有硅熔体，所述坩埚配套设置有用于对其加热的加热器，所述旋转支撑组件连接于所述坩埚上为坩埚提供支撑和旋转驱动，其中，所述坩埚底部的中心处设置有冷点，所述冷点上设置有降温装置。

特别地，所述旋转支撑组件包括支撑座和支撑柱，所述坩埚设置于所述支撑座上，所述支撑柱为空心结构，其一端连接于所述支撑座上，所述降温装置包括设置于所述支撑柱内的导热块和冷却装置。

特别地，所述支撑柱外包覆有隔热保温层。

特别地，所述冷却装置采用冷却套筒，所述冷却套筒内通入换热介质。

特别地，所述冷却装置采用冷却棒，所述冷却棒可移动地设置于所述支撑柱内，当晶体生长时，根据工艺要求，冷却棒逐步伸入支撑柱内。

特别地，所述换热介质为气体，所述导热块的一端紧贴所述坩埚的底部，另一端紧贴所述冷却装置。

特别地，所述换热介质为液体，所述导热块和冷却套筒可升降地设置于所述支撑柱内，在放肩工艺前，所述导热块与所述坩埚底部存在间隙。

特别地，所述加热器设置于所述坩埚的外围，所述加热器的外围设置有隔热保温层。

特别地，所述坩埚的上方设置有导流筒。

特别地，所述坩埚上方的硅单晶棒外围设置有水冷套，以提高硅单晶的提拉速度。

本发明的有益效果为，与现有技术相比所述硅单晶提拉炉于坩埚底部中心设置一个冷点，通过加强坩埚与晶棒的旋转速度，在硅熔体中产生反向对流，而这个冷点与硅熔体中心处的反向对流进行热交换，就可以给固液界面降温，从而加快结晶速度，增加晶棒拉速，提高生产效率，等径平均拉速可以达到每分钟2毫米，甚至更高。等径段工艺时间缩短一半，总生产周期缩短20％，总能耗降低20％以上。

附图说明

图1是晶棒旋转和坩埚旋转共同作用的对流示意图；

图2是本发明具体实施方式1提供的硅单晶提拉炉的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图2所示，本实施例中，一种硅单晶提拉炉包括坩埚1、加热器2、硅单晶棒3、导流筒4、水冷套5及旋转支撑组件，所述坩埚1内设置有硅熔体6，所述加热器2设置于所述坩埚1的外围用于对坩埚1内的硅熔体6加热，所述导流筒4设置于所述坩埚1的上部。

晶体的导热速度与硅单晶固有的导热系数有关，同时还与温度梯度有关。温度梯度越大，导热速度越大。如果增加硅单晶棒3内的温度梯度，就可以提高导热速度，从而可以提高硅单晶棒3拉速。因此所述硅单晶棒3的上部外围设置有水冷套5，就可以大大提高硅单晶的提拉速度。

所述旋转支撑组件用于为坩埚1提供支撑和旋转驱动，其包括支撑座7和支撑柱8，所述坩埚1设置于所述支撑座7上，所述支撑柱8为空心结构，其一端连接于所述支撑座7上，所述支撑柱8上连接有旋转驱动装置，所述坩埚1底部的中心处设置有冷点9，所述冷点9上设置有降温装置。所述降温装置包括设置于所述支撑柱8内的导热块10和冷却套筒11，所述导热块10的一端紧贴所述坩埚1的底部，另一端紧贴所述冷却套筒11。所述冷却套筒11内通入换热介质，所述换热介质可根据需要选择冷却气体或冷却液体的任一种。若采用冷却液体则导热块10和冷却套筒11可升降地设置于所述支撑柱8内，在放肩工艺前，所述导热块10与所述坩埚1底部存在间隙。

所述支撑柱8外包覆有第一隔热保温层12，所述加热器2的外围设置有第二隔热保温层13。

上述硅单晶提拉炉具体操作时包括以下步骤：

1)加热前准备：将硅原料放入坩埚1，晶体炉封闭并抽真空。然后通适当流量的氩气。锅底降温装置：如果是冷却气体，则关闭气体阀门。如果是冷却液体，则降温装置及传导块下移，脱离坩埚1底部，例如下移400毫米。坩埚1微旋转，例如每分钟1转。

2)加热开始，直到硅原料全部熔化；

3)增加坩埚转速，例如每分钟25转；

4)在一个合适的温度点保温一段时间，如4小时；

5)籽晶从上面逐渐接近液面，最终与液面接触。调整温度使籽晶保持稳定，在熔体中不扩大，也不缩小；

6)开始引晶，并按工艺流程和控制程序完成每一步的操作。工艺流程包括引晶，放肩，等径，收尾，降温等阶段，开始时的籽晶转速为每分钟15转；

7)在放肩工艺开始的时候，锅底降温装置开始运行。如果是冷却气体，则气体阀门开启，气体流量逐步达到设定值。如果是冷却液体，则降温装置和传导块逐步上升直到与锅底接触。降温功能的进入快慢与工艺要求有关。例如：降温功能可以在放肩开始时启动，在放肩结束时达到设定值。

8)放肩结束时的晶棒转速为每分钟30转；

9)根据热场设计不同，等径段的平均拉速可以设置在每分钟2毫米。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种硅单晶提拉炉，其包括坩埚、加热器、旋转支撑组件及保温隔热材料，所述坩埚内设置有硅熔体，所述坩埚配套设置有用于对其加热的加热器，所述旋转支撑组件连接于所述坩埚上为坩埚提供支撑和旋转驱动，其特征在于，所述坩埚底部的中心处设置有冷点，所述冷点上设置有降温装置。

2.根据权利要求1所述的硅单晶提拉炉，其特征在于，所述旋转支撑组件包括支撑座和支撑柱，所述坩埚设置于所述支撑座上，所述支撑柱为空心结构，其一端连接于所述支撑座上，所述降温装置包括设置于所述支撑柱内的导热块和冷却装置。

3.根据权利要求2所述的硅单晶提拉炉，其特征在于，所述支撑柱外包覆有隔热保温层。

4.根据权利要求2或3所述的硅单晶提拉炉，其特征在于，所述冷却装置采用冷却套筒，所述冷却套筒内通入换热介质。

5.根据权利要求2或3所述的硅单晶提拉炉，其特征在于，所述冷却装置采用冷却棒，所述冷却棒可移动地设置于所述支撑柱内，当晶体生长时，根据工艺要求，冷却棒逐步伸入支撑柱内。

6.根据权利要求4所述的硅单晶提拉炉，其特征在于，所述换热介质为气体，所述导热块的一端紧贴所述坩埚的底部，另一端紧贴所述冷却装置。

7.根据权利要求4所述的硅单晶提拉炉，其特征在于，所述换热介质为液体，所述导热块和冷却套筒可升降地设置于所述支撑柱内，在放肩工艺前，所述导热块与所述坩埚底部存在间隙。

8.根据权利要求1所述的硅单晶提拉炉，其特征在于，所述加热器设置于所述坩埚的外围，所述加热器的外围设置有隔热保温层。

9.根据权利要求1所述的硅单晶提拉炉，其特征在于，所述坩埚的上方设置有导流筒。

10.根据权利要求1所述的硅单晶提拉炉，其特征在于，所述坩埚上方的硅单晶棒外围设置有水冷套。