CN107513760A - 一种单晶棒放肩装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单晶棒放肩装置，涉及单晶硅制造技术，用于解决现有的固定式的高频电磁场会导致熔区就会发生流垮，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高频线圈结构。提供了一种活动式高频线圈加热系统，利于保持单晶直径的生长。本发明还提供了一种单晶棒放肩装置使用方法。

Description

一种单晶棒放肩装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及单晶硅制造技术，具体来说，是一种单晶棒放肩装置及其使用方法。

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，区熔法中熔体之所以可以被支撑在单晶与棒料之间，主要是由于硅熔体表面张力的作用，高频电磁场对熔区的形状及稳定性都有一定的影响，尤其当高频线圈内径很小时，影响较大。以至此种支撑力在某种程度上能与表面张力相当。晶体直径越大，电磁支撑力的影响就越显著。现有的固定式的高频电磁场会导致熔区就会发生流垮，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活动式高频线圈加热系统，利于保持单晶直径的生长单晶棒放肩装置。为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种单晶棒放肩装置，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高频线圈结构。

进一步限定，所述高频线圈结构包括高频线圈内护套、高频线圈外护套、固定式高频线圈、活动式高频线圈、所述高频线圈内护套和高频线圈外护套形成用于容纳溶液的第一腔道；所述固定式高频线圈设置于第一腔道顶部，所述活动式高频线圈设置于第一腔道底部。

进一步限定，所述第一腔道两侧侧壁段的腔道孔径大于底部段的腔道孔径。

进一步限定，所述第一腔道两侧侧壁段的腔道孔径为4-6mm，所述第一腔道底部段的腔道孔径为2-4mm。

进一步限定，所述高频线圈内护套设置有滚动式链条，所述高频线圈外护套上设有用于控制滚动式链条来回滚动的驱动转轴。

进一步限定，所述驱动转轴上端设有第一齿轮，所述滚动式链条端面设有和第一齿轮匹配的第二齿轮。

进一步限定，所述高频线圈结构侧壁设有观察口。

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。

电磁场的径向温度呈梯度，由高频电磁场供给的热能、结晶释放的潜热和热能的散发决定。针对第一腔道，一般来讲，第一腔道上部温度较低，第一腔道下部温度较高，保持第一腔道下部为旋转式的高频电磁场，在液体中不容易生成其他晶核，利于保持单晶直径的生长，活动式高频线圈加热系统不会制约区熔单晶直径的生长。

本发明还提供了一种单晶棒放肩装置使用方法，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高频线圈结构；

所述高频线圈结构包括高频线圈内护套、高频线圈外护套、固定式高频线圈、活动式高频线圈、所述高频线圈内护套和高频线圈外护套形成用于容纳溶液的第一腔道；所述固定式高频线圈设置于第一腔道顶部，所述活动式高频线圈设置于第一腔道底部；

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，往第一腔道内灌入液体，通过固定式高频线圈给反应炉的第一腔道液体灌入口送上高频电力加热，通过活动式高频线圈给反应炉的第一腔道液体最底端送上高频电力加热，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，使单晶棒快速上升，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，所述高频线圈内护套设置有滚动式链条，所述高频线圈外护套上设有用于控制滚动式链条来回滚动的驱动转轴；

所述驱动转轴上端设有第一齿轮，所述滚动式链条端面设有和第一齿轮匹配的第二齿轮；通过电性连接控制驱动转轴动作，进而通过第一齿轮控制第二齿轮动作，带动活动式高频线圈旋转运动。

本发明相比现有技术，提供活动式高频线圈加热系统，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为本发明一种单晶棒放肩装置示意图；

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，高频线圈结构7，高频线圈内护套8，高频线圈外护套9，固定式高频线圈10，活动式高频线圈11，第一腔道12，驱动转轴13，第一齿轮14，观察口15。

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，一种单晶棒放肩装置，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内设置有高频线圈结构7。

高频线圈结构7包括高频线圈内护套8、高频线圈外护套9、固定式高频线圈10、活动式高频线圈11、高频线圈内护套8和高频线圈外护套9形成用于容纳溶液的第一腔道12；固定式高频线圈10设置于第一腔道12顶部，活动式高频线圈11设置于第一腔道12底部。

第一腔道12两侧侧壁段的腔道孔径大于底部段的腔道孔径。

第一腔道12两侧侧壁段的腔道孔径为6mm，第一腔道12底部段的腔道孔径为4mm。

实施例二，

如图1，图2所示，一种单晶棒放肩装置，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内设置有高频线圈结构7。

高频线圈结构7包括高频线圈内护套8、高频线圈外护套9、固定式高频线圈10、活动式高频线圈11、高频线圈内护套8和高频线圈外护套9形成用于容纳溶液的第一腔道12；固定式高频线圈10设置于第一腔道12顶部，活动式高频线圈11设置于第一腔道12底部。

第一腔道12两侧侧壁段的腔道孔径大于底部段的腔道孔径。

第一腔道12两侧侧壁段的腔道孔径为6mm，第一腔道12底部段的腔道孔径为4mm。

高频线圈内护套8设置有滚动式链条，高频线圈外护套9上设有用于控制滚动式链条来回滚动的驱动转轴13。

驱动转轴13上端设有第一齿轮14，滚动式链条端面设有和第一齿轮14匹配的第二齿轮。

高频线圈结构7侧壁设有观察口15。

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，通过电性连接控制驱动转轴动作，进而通过第一齿轮控制第二齿轮动作，带动活动式高频线圈旋转运动，针对第一腔道，一般来讲，第一腔道上部温度较低，第一腔道下部温度较高，保持第一腔道下部为旋转式的高频电磁场，在液体中不容易生成其他晶核，利于保持单晶直径的生长，活动式高频线圈加热系统不会制约区熔单晶直径的生长。避免熔区发生流垮，能够制备240mm直径的单晶。

一种单晶棒放肩装置使用方法，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高频线圈结构；

所述高频线圈结构包括高频线圈内护套、高频线圈外护套、固定式高频线圈、活动式高频线圈、所述高频线圈内护套和高频线圈外护套形成用于容纳溶液的第一腔道；所述固定式高频线圈设置于第一腔道顶部，所述活动式高频线圈设置于第一腔道底部；

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，往第一腔道内灌入液体，通过固定式高频线圈给反应炉的第一腔道液体灌入口送上高频电力加热，通过活动式高频线圈给反应炉的第一腔道液体最底端送上高频电力加热，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，使单晶棒快速上升，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，所述高频线圈内护套设置有滚动式链条，所述高频线圈外护套上设有用于控制滚动式链条来回滚动的驱动转轴；

所述驱动转轴上端设有第一齿轮，所述滚动式链条端面设有和第一齿轮匹配的第二齿轮；通过电性连接控制驱动转轴动作，进而通过第一齿轮控制第二齿轮动作，带动活动式高频线圈旋转运动。

以上对本发明提供的一种单晶棒放肩装置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 (10)

1.一种单晶棒放肩装置，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高频线圈结构。

2.根据权利要求1所述的一种单晶棒放肩装置，其特征在于：所述高频线圈结构包括高频线圈内护套、高频线圈外护套、固定式高频线圈、活动式高频线圈、所述高频线圈内护套和高频线圈外护套形成用于容纳溶液的第一腔道；所述固定式高频线圈设置于第一腔道顶部，所述活动式高频线圈设置于第一腔道底部。

3.根据权利要求2所述的一种单晶棒放肩装置，其特征在于：所述第一腔道两侧侧壁段的腔道孔径大于底部段的腔道孔径。

4.根据权利要求3所述的一种单晶棒放肩装置，其特征在于：所述第一腔道两侧侧壁段的腔道孔径为4-6mm，所述第一腔道底部段的腔道孔径为2-4mm。

5.根据权利要求4所述的一种单晶棒放肩装置，其特征在于：所述高频线圈内护套设置有滚动式链条，所述高频线圈外护套上设有用于控制滚动式链条来回滚动的驱动转轴。

6.根据权利要求5所述的一种单晶棒放肩装置，其特征在于：所述驱动转轴上端设有第一齿轮，所述滚动式链条端面设有和第一齿轮匹配的第二齿轮。

7.根据权利要求6所述的一种单晶棒放肩装置，其特征在于：所述高频线圈结构侧壁设有观察口。

8.根据权利要求7所述的一种单晶棒放肩装置，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。

9.一种单晶棒放肩装置使用方法，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高频线圈结构；

所述高频线圈结构包括高频线圈内护套、高频线圈外护套、固定式高频线圈、活动式高频线圈、所述高频线圈内护套和高频线圈外护套形成用于容纳溶液的第一腔道；所述固定式高频线圈设置于第一腔道顶部，所述活动式高频线圈设置于第一腔道底部；

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，往第一腔道内灌入液体，通过固定式高频线圈给反应炉的第一腔道液体灌入口送上高频电力加热，通过活动式高频线圈给反应炉的第一腔道液体最底端送上高频电力加热，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，使单晶棒快速上升，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。

10.根据权利要求9所述的一种单晶棒放肩装置使用方法，其特征在于：步骤四，拉晶阶段中，所述高频线圈内护套设置有滚动式链条，所述高频线圈外护套上设有用于控制滚动式链条来回滚动的驱动转轴；

所述驱动转轴上端设有第一齿轮，所述滚动式链条端面设有和第一齿轮匹配的第二齿轮；通过电性连接控制驱动转轴动作，进而通过第一齿轮控制第二齿轮动作，带动活动式高频线圈旋转运动。