CN109913939A - 热屏蔽组件、拉晶炉系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热屏蔽组件、拉晶炉系统及其工作方法，热屏蔽组件设在拉晶炉炉膛内，拉晶炉炉膛内设置有用以盛放物料的坩埚和籽晶夹头，籽晶夹头用以固定晶种或热屏蔽组件，热屏蔽组件包括：热屏蔽本体，热屏蔽本体的一端朝向坩埚，另一端能够与籽晶夹头可拆卸地连接，且能够通过牵引绳使籽晶夹头移动以驱动热屏蔽本体在拉晶炉炉膛的轴向上活动；反热辐射材料件，反热辐射材料件设在热屏蔽本体的朝向坩埚的一侧。本发明的热屏蔽组件，能够有效反射物料熔融液的高温热辐射，增加拉晶炉中的轴向温度梯度，促进物料的快速熔融。该热屏蔽组件为帽盖式，可将物料熔融时的溅射液收容返回至原熔融液中。

Description

热屏蔽组件、拉晶炉系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及单晶硅制造技术领域，更具体地，涉及一种热屏蔽组件、拉晶炉系统和拉晶炉系统的工作方法。

背景技术

作为单晶硅的制造方法，有区熔法和切克劳斯基法，现有技术中通常采用切克劳斯基法(即CZ法)制备单晶硅。CZ法是将多晶硅原料收容在设置于拉晶炉炉膛内的石英坩埚里，通过石墨加热器进行加热融化，再将一根直径只有10mm的棒状晶种(称籽晶)与多晶硅熔融液面接触，在工艺要求合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体，将晶种一边旋转一边提拉，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构，同时提速提拉，生产出目标直径和品质的单晶硅棒。

通常来说，为了控制拉晶炉内的温度梯度变化，以及作用于良好品质的单晶硅棒的生长，一般在拉晶炉炉膛内设置有碗状类似的热屏组件，上下端呈同心圆开口的形状，其主要包括一个外反射器和一个内反射器，其主要作用于单晶硅棒等径生长期间温度的控制，但对于多晶硅原料熔融时其作用效果并不明显，尤其是涉及到大尺寸单晶硅棒生长，其中心开口尺寸明显变大，不能有效储能隔热。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种热屏蔽组件，能够有效反射物料熔融液的高温热辐射，增加拉晶炉中的轴向温度梯度，促进物料的快速熔融。本发明还提供一种拉晶炉系统及其工作方法，能够有效促进多晶硅原料熔融液的快速熔融，缩短工艺时间，提高产能。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

根据本发明第一方面实施例的热屏蔽组件，所述热屏蔽组件设在拉晶炉炉膛内，所述拉晶炉炉膛内设置有用以盛放物料的坩埚以及籽晶夹头，所述籽晶夹头用以固定晶种或所述热屏蔽组件，所述热屏蔽组件包括：热屏蔽本体，所述热屏蔽本体的一端朝向所述坩埚，另一端能够与所述籽晶夹头可拆卸地连接，且能够通过牵引绳使所述籽晶夹头移动以驱动所述热屏蔽本体在所述拉晶炉炉膛的轴向上活动；反热辐射材料件，所述反热辐射材料件设在所述热屏蔽本体的朝向所述坩埚的一侧。

进一步地，所述热屏蔽本体内限定有容纳腔，所述反热辐射材料件设在所述容纳腔内。

进一步地，所述反热辐射材料件涂覆在所述容纳腔的内壁面上。

进一步地，所述热屏蔽本体构造成帽盖状。

进一步地，所述热屏蔽本体朝向所述坩埚一端的径向尺寸大于其另一端的径向尺寸。

进一步地，所述热屏蔽本体的朝向所述籽晶夹头的一端设有挂扣，所述籽晶夹头上设有与所述挂扣相对应的挂槽，所述热屏蔽本体能够与所述籽晶夹头挂扣连接。

进一步地，所述热屏蔽本体采用钼或者石英。

根据本发明第二方面实施例的拉晶炉系统，包括根据上述实施例中所述的热屏蔽组件。

根据本发明第三方面实施例的拉晶炉系统的工作方法，应用于上述实施例中所述的拉晶炉系统，包括：将多晶硅原料放置于拉晶炉炉膛内的坩埚内；将第二热屏蔽组件放置于所述多晶硅原料的上端，同时将上述实施例中所述的热屏蔽组件与籽晶夹头连接，并在牵引绳的提拉过程中，降低到所述第二热屏蔽组件的内部；开启与所述坩埚间隔开布置的加热器以对所述坩埚内的所述多晶硅原料进行加热，旋转与所述坩埚相连接的坩埚基座；待所述多晶硅原料熔融后，拆除所述热屏蔽组件与所述籽晶夹头的连接，同时将晶种连接在所述籽晶夹头上，多晶硅熔融液中的硅原子顺着所述晶种排列并形成规则的单晶体，提拉牵引绳，所述多晶硅熔融液中的硅原子顺着前面形成的所述规则的单晶体继续结晶，得到单晶硅棒。

进一步地，所述工作方法包括：

将第二热屏蔽组件放置于所述多晶硅原料的上端，同时将上述实施例中所述的热屏蔽组件与籽晶夹头连接，并在牵引绳的提拉过程中，降低到与所述第二热屏蔽组件底部相持平的位置。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

根据本发明实施例的热屏蔽组件，能够有效反射物料熔融液的高温热辐射，增加拉晶炉中的轴向温度梯度，促进物料的快速熔融，有效节约能源，降低电耗，缩短工艺时间，提高产能，节省耗材。该热屏蔽组件设计为帽盖式，在防止熔融液溅射的同时，可将溅射液收容返回至原熔融液中。本发明实施例的拉晶炉系统，能够有效促进多晶硅原料熔融液的快速熔融，缩短工艺时间，提高产能。

附图说明

图1为本发明实施例的热屏蔽组件的主视图；

图2为本发明实施例的热屏蔽组件的俯视图；

图3为本发明实施例的拉晶炉系统的工作示意图。

附图标记：

拉晶炉系统100；

拉晶炉10；出气口11；

热屏蔽组件20；热屏蔽本体21；挂扣22；

支样台30；坩埚基座31；

坩埚40；石墨坩埚41；石英坩埚42；

加热器50；

多晶硅原料60；

第二热屏蔽组件70；

籽晶夹头80；牵引绳81；

保温材料件90。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的热屏蔽组件20。

如图1至图3所示，根据本发明实施例的热屏蔽组件20设在拉晶炉炉膛内，拉晶炉炉膛内设置有用以盛放物料的坩埚40以及籽晶夹头80，籽晶夹头80用以固定晶种或热屏蔽组件20，热屏蔽组件20包括热屏蔽本体21和反热辐射材料件。

具体而言，热屏蔽本体21的一端朝向坩埚40，另一端能够与籽晶夹头80可拆卸地连接，且能够通过牵引绳81使籽晶夹头80移动以驱动热屏蔽本体21在拉晶炉炉膛的轴向上活动。反热辐射材料件设在热屏蔽本体21的朝向坩埚40的一侧。

换言之，如图3所示，根据本发明实施例的热屏蔽组件20可以安装在拉晶炉炉膛内，热屏蔽组件20可以有效促进物料快速熔融，本申请所述的物料可以是多晶硅原料60。拉晶炉炉膛内可以安装有用以盛放物料的坩埚40和用以固定晶种或热屏蔽组件20的籽晶夹头80。热屏蔽组件20主要由热屏蔽本体21和反热辐射材料件组成。其中，热屏蔽本体21的一端可以朝向坩埚40，热屏蔽本体21的另一端能够与籽晶夹头80可拆卸地连接，提高热屏蔽组件20与籽晶夹头80的安装效率。操作人员可以通过牵引绳81提拉籽晶夹头80移动来驱动热屏蔽本体21在拉晶炉炉膛的轴向上活动。待多晶硅原料60熔融后，拆除热屏蔽组件20与籽晶夹头80的连接，同时将晶种连接在籽晶夹头80上，多晶硅融液中的硅原子能够顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。通过牵引绳81使籽晶夹头80将晶种一边旋转一边提拉，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构，从而生产出目标直径和品质的单晶硅棒。

反热辐射材料件可以设置在热屏蔽本体21的朝向坩埚40的一侧，反热辐射材料件可以将物料熔融液的高温热辐射反射回物料熔融液，加快坩埚40内多晶硅原料60的熔融速度，有效减少整体拉晶工艺的时间，降低电耗，节约能源，提高产能。通过在热屏蔽本体21上设置反热辐射材料件，相对比未设置反热辐射材料件的热屏蔽组件20来说，可以有效节能30％左右。

由此，根据本发明实施例的热屏蔽组件20，能够有效反射物料熔融液的高温热辐射，增加拉晶炉10中的轴向温度梯度，促进物料的快速熔融，有效节约能源，降低电耗，缩短工艺时间，提高产能，节省耗材。

根据本发明的一个实施例，热屏蔽本体21内限定有容纳腔，反热辐射材料件设在容纳腔内。

也就是说，热屏蔽本体21内可以加工有容纳腔，通过在热屏蔽本体21内加工容纳腔，可以在防止熔融液溅射的同时，也有利于将溅射液收容返回至原融液。反热辐射材料件可以设置在容纳腔内，优选地，反热辐射材料件可以涂覆在容纳腔的内壁面上，反热辐射材料件可以形成为涂覆在热屏蔽本体21上的反热辐射涂层，通过在热屏蔽本体21上涂覆有反热辐射材料，相对比未涂层的热屏蔽组件20来说，可以有效节能30％左右。

根据本发明的一个实施例，热屏蔽本体21构造成帽盖状。

换句话说，热屏蔽本体21可以设计成帽盖式，通过将热屏蔽本体21构造成帽盖状，可以有效降低多晶硅原料60在拉晶炉10内高温熔融并发生溅射时，对第二热屏蔽组件70的内表面的腐蚀程度，同时帽盖式的热屏蔽本体21还能将溅射液收容返回至原融液。优选地，本发明实施例的热屏蔽本体21朝向坩埚40一端的径向尺寸可以大于其另一端的径向尺寸。如图1所示，该热屏蔽本体21可以大致加工成倒置的漏斗状。

需要说明的是，第二热屏蔽组件70是指现有技术中的传统热屏蔽组件，第二热屏蔽组件70在拉晶炉炉膛内构造成类似碗状的热屏组件，第二热屏蔽组件70的上下端呈同心圆开口的形状，其主要包括一个外反射器和一个内反射器。第二热屏蔽组件70可以保存晶锭和熔融液之间界面处的热量，其主要作用在于单晶硅棒等径生长期间温度的控制，保证晶锭生长温度的稳定，提高晶锭生长的均匀性，减少晶锭的内部缺陷。热屏蔽组件20的主要作用是将多晶硅熔融液产生的高温热辐射经热屏蔽组件20反射回多晶硅熔融液中，从而加快坩埚40内多晶硅原料60的熔融速度，有效降低整体拉晶工艺的时间，降低电耗，节约能源，提高产能。本申请将热屏蔽组件20与第二热屏蔽组件70相结合，可以进一步加快多晶硅原料60的熔融速度，有效降低整体拉晶工艺时间。第二热屏蔽组件70(传统热屏蔽组件)的具体结构和工作原理对于本领域技术人员来说是可以理解的，在此不再详细赘述。

根据本发明的一个实施例，热屏蔽本体21的朝向籽晶夹头80的一端设有挂扣22，籽晶夹头80上设有与挂扣22相对应的挂槽，热屏蔽本体21能够与籽晶夹头80挂扣连接。

也就是说，如图3所示，热屏蔽本体21的朝向籽晶夹头80的一端可以加工有挂扣22，籽晶夹头80上可以加工有与挂扣22相对应的挂槽，热屏蔽本体21能够与籽晶夹头80挂扣连接，便于热屏蔽本体21与籽晶夹头80的装配连接。

根据本发明的一个实施例，热屏蔽本体21采用钼或者石英。

换句话说，热屏蔽本体21可以采用钼或者石英加工形成，增加热屏蔽本体21的耐温性能和防腐性能，提高热屏蔽组件20的使用寿命。

总而言之，根据本发明实施例的热屏蔽组件20，能够有效反射物料熔融液的高温热辐射，增加拉晶炉10中的轴向温度梯度，促进物料的快速熔融，有效节约能源，降低电耗，缩短工艺时间，提高产能，节省耗材。该热屏蔽组件20设计为帽盖式，在防止熔融液溅射的同时，可将溅射液收容返回至圆熔融液中。

根据本发明第二方面的拉晶炉系统100包括上述实施例中的热屏蔽组件20。

具体来说，如图3所示，拉晶炉系统100包括拉晶炉10，拉晶炉10内加工有拉晶炉炉膛，拉晶炉10上可以分别加工有与拉晶炉炉膛连通的进气口和出气口11。进气口可以与进气系统连接，由进气系统向拉晶炉10内通入拉晶炉系统100工作所需的惰性气体(例如氩气)。出气口11可以与排气系统连接。拉晶炉炉膛的底部可以安装有支样台30，支样台30上可以安装有坩埚基座31，坩埚基座31可以在支样台30上旋转。坩埚基座31上可以放置坩埚40，坩埚40可以由石墨坩埚41和石英坩埚42组成，石英坩埚42可以套放在石墨坩埚41内，石英坩埚42内可以盛放多晶硅原料60。加热器50可以与石墨坩埚41间隔开布置，加热器50可以形成环状并且环绕在石墨坩埚41的周边。加热器50可以对坩埚40内的多晶硅原料60加热熔融。第二热屏蔽组件70可以位于多晶硅原料的上端，热屏蔽组件20顶端上的挂扣22可以与籽晶夹头80连接，并且可以在牵引绳81的提拉过程中，降低到第二热屏蔽组件70的内部，优选地，热屏蔽组件20可以降低到与第二热屏蔽组件70底部相持平的位置(即第二热屏蔽组件70的下端开口处)。第二热屏蔽组件70以及加热器50的周边分别安装有保温材料件90，拉晶炉系统100工作时，开启加热器50进行加热，旋转与石墨坩埚41相连接的坩埚基座31，在热屏蔽组件20、第二热屏蔽组件70以及保温材料件90的作用下，拉晶炉炉膛内形成一个有效的密闭小空间，并且通过热屏蔽组件20，能够有效反射物料熔融液的高温热辐射，增加拉晶炉10中的轴向温度梯度，促进物料的快速熔融，有效降低加热器50工作过程中的能耗损失电耗，缩短工艺时间。

拉晶炉系统100的其他结构及其工作原理对于本领域技术人员来说是可以理解并且能够实现的，在本申请中不再详细赘述。

本发明实施例的拉晶炉系统100，能够有效促进多晶硅原料60熔融液的快速熔融，缩短工艺时间，提高产能。

根据本发明第三方面实施例的拉晶炉系统100的工作方法，应用于上述实施例中的拉晶炉系统100，如图3所示，拉晶炉系统100的工作方法包括以下步骤：

首先，可以将多晶硅原料60放置于拉晶炉炉膛内的坩埚40内，具体地，可以将多晶硅原料60放置在拉晶炉炉膛内的石英坩埚42内。

其次，可以将第二热屏蔽组件70放置于多晶硅原料60的上端，同时将上述实施例中的热屏蔽组件20与籽晶夹头80连接，热屏蔽组件20在牵引绳81的提拉过程中，降低到第二热屏蔽组件70内，优选地，热屏蔽组件20可以降低到与第二热屏蔽组件70的底部相持平的位置。

然后，开启与坩埚40间隔开布置的加热器50，加热器50可以形成环状并且环绕在坩埚40的周边。加热器50可以对坩埚40内的多晶硅原料60进行加热熔融，旋转与坩埚40相连接的坩埚基座31。

最后，待多晶硅原料60熔融后，拆除热屏蔽组件20与籽晶夹头80的连接，同时将晶种连接在籽晶夹头80上，多晶硅熔融液中的硅原子可以顺着晶种排列并形成规则的单晶体，提拉牵引绳81，多晶硅熔融液中的硅原子顺着前面形成的规则的单晶体继续结晶，得到单晶硅棒。

本发明实施例的拉晶炉系统100的工作方法，能够有效促进多晶硅原料60熔融液的快速熔融，缩短工艺时间，提高产能。

除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种热屏蔽组件，所述热屏蔽组件设在拉晶炉炉膛内，所述拉晶炉炉膛内设置有用以盛放物料的坩埚以及籽晶夹头，所述籽晶夹头用以固定晶种或所述热屏蔽组件，其特征在于，所述热屏蔽组件包括：

热屏蔽本体，所述热屏蔽本体的一端朝向所述坩埚，另一端能够与所述籽晶夹头可拆卸地连接，且能够通过牵引绳使所述籽晶夹头移动以驱动所述热屏蔽本体在所述拉晶炉炉膛的轴向上活动；

反热辐射材料件，所述反热辐射材料件设在所述热屏蔽本体的朝向所述坩埚的一侧。

2.根据权利要求1所述的热屏蔽组件，其特征在于，所述热屏蔽本体内限定有容纳腔，所述反热辐射材料件设在所述容纳腔内。

3.根据权利要求2所述的热屏蔽组件，其特征在于，所述反热辐射材料件涂覆在所述容纳腔的内壁面上。

4.根据权利要求1所述的热屏蔽组件，其特征在于，所述热屏蔽本体构造成帽盖状。

5.根据权利要求4所述的热屏蔽组件，其特征在于，所述热屏蔽本体朝向所述坩埚一端的径向尺寸大于其另一端的径向尺寸。

6.根据权利要求3所述的热屏蔽组件，其特征在于，所述热屏蔽本体的朝向所述籽晶夹头的一端设有挂扣，所述籽晶夹头上设有与所述挂扣相对应的挂槽，所述热屏蔽本体能够与所述籽晶夹头挂扣连接。

7.根据权利要求4所述的热屏蔽组件，其特征在于，所述热屏蔽本体采用钼或者石英。

8.一种拉晶炉系统，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的热屏蔽组件。

9.一种拉晶炉系统的工作方法，应用于权利要求8所述的拉晶炉系统，其特征在于，包括：

将多晶硅原料放置于拉晶炉炉膛内的坩埚内；

将第二热屏蔽组件放置于所述多晶硅原料的上端，同时将权利要求1-7中任一项所述的热屏蔽组件与籽晶夹头连接，并在牵引绳的提拉过程中，降低到所述第二热屏蔽组件的内部；

开启与所述坩埚间隔开布置的加热器以对所述坩埚内的所述多晶硅原料进行加热，旋转与所述坩埚相连接的坩埚基座；

待所述多晶硅原料熔融后，拆除所述热屏蔽组件与所述籽晶夹头的连接，同时将晶种连接在所述籽晶夹头上，多晶硅熔融液中的硅原子顺着所述晶种排列并形成规则的单晶体，提拉牵引绳，所述多晶硅熔融液中的硅原子顺着前面形成的所述规则的单晶体继续结晶，得到单晶硅棒。

10.根据权利要求9所述的工作方法，其特征在于，包括：

将第二热屏蔽组件放置于所述多晶硅原料的上端，同时将权利要求1-7中任一项所述的热屏蔽组件与籽晶夹头连接，并在牵引绳的提拉过程中，降低到与所述第二热屏蔽组件底部相持平的位置。