CN107366017A - 一种单晶硅收尾设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单晶硅收尾设备，涉及单晶硅制造技术，用于解决现有技术采用硬性分裂的方式把熔区拉开，会导致熔区发生流垮，限制了区熔单晶的直径的问题。它包括底座、设置于底座上的反应炉、立柱，所述反应炉包括主炉室和副炉室，所述立柱设置于底座左侧，所述立柱上设有用于控制副炉室升降的副室提升油缸，所述反应炉内设置有收尾结构。本技术方案保持熔体与高频感应线圈的相对位置固定不变，利于单晶直径的生长。本发明还提供了一种单晶硅收尾设备使用方法。

Description

一种单晶硅收尾设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及单晶硅制造技术，具体来说，是一种单晶硅收尾设备及其使用方法。

背景技术

单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。

制造单晶硅有两种方法：直拉法和区熔法，都需要单晶炉设备。(1)直拉法把装在坩埚内的多晶硅熔融后用一块硅单晶（常称仔晶或晶种）引导，慢慢提起，出坩埚部分凝固后就成硅单晶体（它的硅原子排列方向与仔晶相同）。当把坩埚内的多晶硅熔体全部提出后，一根硅单晶棒就拉成了。

(2)区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法（简称FZ法）。前者主要用于锗、砷化镓等材料。后者主要用于硅，硅密度低(2.33g/cm3、表面张力大(0.0072N/cm)，能用无坩埚悬浮区熔法。该法是在气氛或真空的炉室中，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支托，悬浮于多晶棒与单晶之间，故称为悬浮区熔法。

区熔法包括以下步骤：装料→化料→稳定温度→引晶(Neck)→放肩(Crown)→转肩(Shouloer)→等径(Body)→收尾→冷却→清炉。

现有技术存在以下不足，收尾步骤中，当单晶拉至尾部，开始进行收尾，收尾到单晶的直径达到Φ10-80mm，将熔区拉开，这时使下轴继续向下运动，上轴改向上运动，同时功率保持在40±10％，对晶体进行缓慢降温。现有技术采用硬性分裂的方式把熔区拉开，会导致熔区发生流垮，限制了区熔单晶的直径。

发明内容

本发明目的是旨在提供了一种保持熔体与高频感应线圈的相对位置固定不变，利于单晶直径的生长的单晶硅收尾设备。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种单晶硅收尾设备，包括底座、设置于底座上的反应炉、立柱，所述反应炉包括主炉室和副炉室，所述立柱设置于底座左侧，所述立柱上设有用于控制副炉室升降的副室提升油缸，所述反应炉内设置有收尾结构。

进一步限定，所述收尾结构包括导轨支架、高频线圈、升降台面、升降机构，所述升降机构下端连接主炉室底部，所述升降机构上端连接升降台面，所述升降台面底部铺设有高频线圈，所述升降台面两侧分别连接导轨支架。

进一步限定，所述升降机构包括第一驱动轴、第二驱动轴、限位套筒、限位片，所述第一驱动轴设置于第二驱动轴上端，所述第二驱动轴外套有限位套筒，所述限位套筒上设置有限位片。

进一步限定，所述限位套筒上下两端分别设有密封圈。

进一步限定，所述收尾结构侧壁设有观察窗。

进一步限定，所述主炉室包括主炉体和主炉盖，所述主炉体内侧壁设有隔热层。

硅密度低(2.42g/cm³)、表面张力大(720达因/厘米)，加上高频电场产生的悬浮力的作用支撑着熔融硅，使之与硅棒牢牢地粘附在一起。然后，把一根经过定向的籽晶使其绕垂直轴旋转并从下面插入熔体中，控制单晶棒慢慢向下抽拉籽晶，熔区不会发生流垮，利于单晶直径的生长。

本技术方案为了保持熔体与高频感应线圈的相对位置固定不变，单晶棒向上抽拉籽晶的时候，使高频感应线圈也向上移动。

本发明还提供了一种单晶硅收尾设备使用方法，包括以下步骤，

步骤一，设备组装，包括底座、设置于底座上的反应炉、立柱，所述反应炉包括主炉室和副炉室，所述立柱设置于底座左侧，所述立柱上设有用于控制副炉室升降的副室提升油缸，其特征在于：所述反应炉内设置有收尾结构；

所述收尾结构包括导轨支架、高频线圈、升降台面、升降机构，所述升降机构下端连接主炉室底部，所述升降机构上端连接升降台面，所述升降台面底部铺设有高频线圈，所述升降台面两侧分别连接导轨支架；

步骤二，准备原料，将高质量的单晶棒的表面打磨光滑，再将单晶棒进行腐蚀清洗，除去加工时的表面污染；

步骤三，形成真空，关上炉门，用真空泵排除空气后，向反应炉内充入情性气体氮气，使炉内压力略高于大气压力；

步骤四，拉晶阶段，通过高频线圈给反应炉的液体送上高频电力加热，使单晶棒底端开始熔化，将棒料下降与籽晶熔接，当溶液与籽晶充分熔接后，利用升降机构保持熔体与高频感应线圈的相对位置固定不变，单晶棒向上抽拉籽晶的时候，使高频感应线圈也向上移动，以拉出一细长的晶颈，消除位错。

步骤五，放肩阶段，晶颈拉完后，慢慢地让单晶直径增大到目标大小，放肩完成后，便转入等径生长，直到结束。

优选的，步骤四，拉晶阶段中，所述升降机构包括第一驱动轴、第二驱动轴、限位套筒、限位片，所述第一驱动轴设置于第二驱动轴上端，所述第二驱动轴外套有限位套筒，所述限位套筒上设置有限位片；

将熔区拉开的时候，利用限位片和限位套筒相互配合工作，将晶体进行缓慢拉开，防止分裂速度过快，同时功率保持在40±10％。

本发明相比现有技术，保持熔体与高频感应线圈的相对位置固定不变，利于保持单晶直径的生长，避免熔区发生流垮，能够制备60mm~240mm直径的单晶。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1为本发明一种单晶硅收尾设备示意图；

图2为图1中局部A放大图；

主要元件符号说明如下：

底座1，反应炉2，立柱3，主炉室4，主炉体4a，主炉盖4b，隔热层4c，副炉室5，副室提升油缸6，收尾结构7，导轨支架8、高频线圈9、升降台面10、升降机构11，第一驱动轴12、第二驱动轴13、限位套筒14、限位片15，密封圈16，观察窗17。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

实施例一，

如图1，图2所示，一种单晶硅收尾设备，包括底座1、设置于底座1上的反应炉2、立柱3，反应炉2包括主炉室4和副炉室5，立柱3设置于底座1左侧，立柱3上设有用于控制副炉室5升降的副室提升油缸6，反应炉2内设置有收尾结构7。

收尾结构7包括导轨支架8、高频线圈9、升降台面10、升降机构11，升降机构11下端连接主炉室4底部，升降机构11上端连接升降台面10，升降台面10底部铺设有高频线圈9，升降台面10两侧分别连接导轨支架8。

实施例二，

如图1，图2所示，一种单晶硅收尾设备，包括底座1、设置于底座1上的反应炉2、立柱3，反应炉2包括主炉室4和副炉室5，立柱3设置于底座1左侧，立柱3上设有用于控制副炉室5升降的副室提升油缸6，反应炉2内设置有收尾结构7。

收尾结构7包括导轨支架8、高频线圈9、升降台面10、升降机构11，升降机构11下端连接主炉室4底部，升降机构11上端连接升降台面10，升降台面10底部铺设有高频线圈9，升降台面10两侧分别连接导轨支架8。

升降机构11包括第一驱动轴12、第二驱动轴13、限位套筒14、限位片15，第一驱动轴12设置于第二驱动轴13上端，第二驱动轴13外套有限位套筒14，限位套筒14上设置有限位片15。

限位套筒14上下两端分别设有密封圈16。

收尾结构7侧壁设有观察窗17。

主炉室4包括主炉体4a和主炉盖4b，主炉体4a内侧壁设有隔热层4c。

实施例一和实施例二的区别在于，相对实施例一来说，实施例二中，通过电性连接控制升降机构，进而带动升降台面运动，拉晶阶段中，将熔区拉开的时候，利用限位片和限位套筒相互配合工作，将晶体进行缓慢拉开，防止分裂速度过快，避免熔区发生流垮，能够制备240mm直径的单晶。

一种单晶硅收尾设备使用方法，包括以下步骤，

步骤一，设备组装，包括底座、设置于底座上的反应炉、立柱，所述反应炉包括主炉室和副炉室，所述立柱设置于底座左侧，所述立柱上设有用于控制副炉室升降的副室提升油缸，其特征在于：所述反应炉内设置有收尾结构；

所述收尾结构包括导轨支架、高频线圈、升降台面、升降机构，所述升降机构下端连接主炉室底部，所述升降机构上端连接升降台面，所述升降台面底部铺设有高频线圈，所述升降台面两侧分别连接导轨支架；

步骤二，准备原料，将高质量的单晶棒的表面打磨光滑，再将单晶棒进行腐蚀清洗，除去加工时的表面污染；

步骤三，形成真空，关上炉门，用真空泵排除空气后，向反应炉内充入情性气体氮气，使炉内压力略高于大气压力；

步骤四，拉晶阶段，通过高频线圈给反应炉的液体送上高频电力加热，使单晶棒底端开始熔化，将棒料下降与籽晶熔接，当溶液与籽晶充分熔接后，利用升降机构保持熔体与高频感应线圈的相对位置固定不变，单晶棒向上抽拉籽晶的时候，使高频感应线圈也向上移动，以拉出一细长的晶颈，消除位错。

步骤五，放肩阶段，晶颈拉完后，慢慢地让单晶直径增大到目标大小，放肩完成后，便转入等径生长，直到结束。

作为本技术方案的优选实施例，步骤四，拉晶阶段中，所述升降机构包括第一驱动轴、第二驱动轴、限位套筒、限位片，所述第一驱动轴设置于第二驱动轴上端，所述第二驱动轴外套有限位套筒，所述限位套筒上设置有限位片；

将熔区拉开的时候，利用限位片和限位套筒相互配合工作，将晶体进行缓慢拉开，防止分裂速度过快，同时功率保持在40±10％。

以上对本发明提供的一种单晶硅收尾设备及其使用方法进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种单晶硅收尾设备，包括底座、设置于底座上的反应炉、立柱，所述反应炉包括主炉室和副炉室，所述立柱设置于底座左侧，所述立柱上设有用于控制副炉室升降的副室提升油缸，其特征在于：所述反应炉内设置有收尾结构。

2.根据权利要求1所述的一种单晶硅收尾设备，其特征在于：所述收尾结构包括导轨支架、高频线圈、升降台面、升降机构，所述升降机构下端连接主炉室底部，所述升降机构上端连接升降台面，所述升降台面底部铺设有高频线圈，所述升降台面两侧分别连接导轨支架。

3.根据权利要求2所述的一种单晶硅收尾设备，其特征在于：所述升降机构包括第一驱动轴、第二驱动轴、限位套筒、限位片，所述第一驱动轴设置于第二驱动轴上端，所述第二驱动轴外套有限位套筒，所述限位套筒上设置有限位片。

4.根据权利要求3所述的一种单晶硅收尾设备，其特征在于：所述限位套筒上下两端分别设有密封圈。

5.根据权利要求4所述的一种单晶硅收尾设备，其特征在于：所述收尾结构侧壁设有观察窗。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种单晶硅收尾设备，其特征在于：所述主炉室包括主炉体和主炉盖，所述主炉体内侧壁设有隔热层。

7.一种单晶硅收尾设备使用方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，设备组装，包括底座、设置于底座上的反应炉、立柱，所述反应炉包括主炉室和副炉室，所述立柱设置于底座左侧，所述立柱上设有用于控制副炉室升降的副室提升油缸，其特征在于：所述反应炉内设置有收尾结构；

所述收尾结构包括导轨支架、高频线圈、升降台面、升降机构，所述升降机构下端连接主炉室底部，所述升降机构上端连接升降台面，所述升降台面底部铺设有高频线圈，所述升降台面两侧分别连接导轨支架；

步骤二，准备原料，将高质量的单晶棒的表面打磨光滑，再将单晶棒进行腐蚀清洗，除去加工时的表面污染；

步骤三，形成真空，关上炉门，用真空泵排除空气后，向反应炉内充入情性气体氮气，使炉内压力略高于大气压力；

步骤四，拉晶阶段，通过高频线圈给反应炉的液体送上高频电力加热，使单晶棒底端开始熔化，将棒料下降与籽晶熔接，当溶液与籽晶充分熔接后，利用升降机构保持熔体与高频感应线圈的相对位置固定不变，单晶棒向上抽拉籽晶的时候，使高频感应线圈也向上移动，以拉出一细长的晶颈，消除位错；

步骤五，放肩阶段，晶颈拉完后，慢慢地让单晶直径增大到目标大小，放肩完成后，便转入等径生长，直到结束。

8.根据权利要求7所述的一种单晶硅收尾设备使用方法，其特征在于：步骤四，拉晶阶段中，所述升降机构包括第一驱动轴、第二驱动轴、限位套筒、限位片，所述第一驱动轴设置于第二驱动轴上端，所述第二驱动轴外套有限位套筒，所述限位套筒上设置有限位片；

将熔区拉开的时候，利用限位片和限位套筒相互配合工作，将晶体进行缓慢拉开，防止分裂速度过快，同时功率保持在40±10％。