CN110923806B - 一种单晶炉及单晶硅棒的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单晶炉及单晶硅棒的制备方法，所述单晶炉包括：环形保温罩，所述环形保温罩水平设置于所述坩埚加热器的上方并与所述坩埚的内壁固定；导流筒，所述导流筒的第一端搭设于所述环形保温罩的内沿，所述导流筒的第二端延伸至所述坩埚内；伸缩加热器，所述伸缩加热器的顶部通过连接筒与所述炉口的边缘连接，所述伸缩加热器的下部伸入所述导流筒内，所述导流筒的内壁与所述伸缩加热器的外壁之间形成有用于引导惰性气体流动的风道，所述伸缩加热器可沿其轴线方向做伸缩运动。根据本发明实施例的单晶炉，可以对提拉过程中的单晶硅棒的不同高度部位进行加热，使其保持在本征点缺陷发生聚集的温度之上，有效提高了制得的单晶硅棒的质量。

Description

一种单晶炉及单晶硅棒的制备方法

技术领域

本发明涉及硅棒制备技术领域，具体涉及一种单晶炉及单晶硅棒的制备方法。

背景技术

如今，85％的单晶硅都是采用直拉法制备，直拉单晶制造法(Czochralski,CZ法)是把高纯度的多晶硅块放入石英坩埚中，在真空环境下，用氩气充当保护性气体，将多晶硅加热到1420℃以上，然后保持这个温度一段时间，让硅料熔化，从固态变成液态，等温度稳定到目标温度后，将一根直径只有10mm的棒状晶种(籽晶)浸入熔液中，使确定晶向的籽晶与溶体熔接后引出直径为3～5mm的细颈晶体，以消除结晶位错，然后经放肩、转肩、等径、收尾、冷却等完成单晶硅的生长过程。

在半导体硅片的制造过程中，单晶硅棒的质量决定硅片的质量，因此，提高单晶硅棒的质量极为重要。而在拉晶过程中会产生很多的原生缺陷，其根据不同的检测方法可分为晶体原生缺陷(Crystal Originated Particle，COP)，流动图案缺陷(Flow PatternDefect，FPD)，激光散射层析缺陷(Laser Scattering Topography Defect，LSTD)，这些缺陷对于后续用硅片制成的半导体器件将造成严重的不良影响，因此，降低在拉制单晶硅棒的生产过程中的原生缺陷是提高硅片质量的关键环节。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种单晶炉及单晶硅棒的制备方法，以解决单晶硅棒生产过程中的原生缺陷，从而提高单晶硅棒的品质。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面实施例提供了一种单晶炉，用于制备单晶硅棒，所述单晶炉包括炉体，所述炉体内设置有坩埚，所述坩埚的外周与所述炉体的内壁之间设置有坩埚加热器，所述炉体的顶部开设有炉口，其特征在于，所述单晶炉还包括：

环形保温罩，所述环形保温罩水平设置于所述坩埚加热器的上方并与所述坩埚的内壁固定，所述环形保温罩的环口与所述炉口正对；

导流筒，所述导流筒的第一端搭设于所述环形保温罩的内沿，所述导流筒的第二端延伸至所述坩埚内，所述导流筒的第二端的口径大于所述单晶硅棒的直径且小于所述导流筒的第一端的口径；

伸缩加热器，所述伸缩加热器竖向设置于所述炉口和所述坩埚的开口之间，所述伸缩加热器的顶部通过连接筒与所述炉口的边缘连接，所述伸缩加热器的底部高于所述导流筒的第二端，所述伸缩加热器的内部形成有供所述单晶硅棒通过的通道，所述伸缩加热器可沿其轴线方向做伸缩运动。

可选的，所述伸缩加热器包括壳体以及竖向设置于所述壳体内的至少两个筒形加热体，每一所述筒形加热体可沿其中心轴做竖向运动。

可选的，所述筒形加热体的数量为三个，三个所述筒形加热体的直径依次增大，且相邻两个筒形加热体之间呈滑动连接。

可选的，所述筒形加热体包括内壁、外壁以及设置于所述内壁和所述外壁之间的螺旋加热管，所述内壁和所述螺旋加热管之间的间隙采用导热材料填充，所述螺旋加热管和所述外壁之间的间隙采用隔热材料填充。

可选的，所述单晶炉还包括：

若干温度传感器，所述若干温度传感器竖向布设于所述伸缩加热器的内壁。

可选的，所述连接筒的侧壁周向间隔开设有若干通孔，所述炉口通过所述若干通孔与所述炉体的内壁和所述伸缩加热器的外壁之间形成的空腔连通。

可选的，所述导流筒的纵向截面呈底部开口的U形。

本发明另一方面实施例提供了一种单晶硅棒的制备方法，所述制备方法包括：加热坩埚内的多晶硅材料形成硅熔液，利用提拉装置将籽晶插入硅熔液中，使固液界面处的所述硅熔液在所述籽晶处冷却结晶，提拉所述籽晶使晶体生长得到单晶硅棒，所述制备方法还包括：

在提拉所述籽晶的同时向伸缩加热器和导流筒之间形成的风道内通入惰性气体，对所述固液界面进行冷却；

使所述单晶硅棒进入伸缩加热器内部的通道，利用所述伸缩加热器对单晶硅棒进行加热。

可选的，利用所述伸缩加热器对单晶硅棒的不同高度部位进行加热的步骤中：

控制所述伸缩加热器的内部区域的温度，使所述单晶硅棒的温度维持在1050～1200℃的范围内并保持预设时长。

可选的，利用所述伸缩加热器对单晶硅棒进行加热的步骤中：

控制所述伸缩加热器做伸缩运动，使所述伸缩加热器的内部区域覆盖所述单晶硅棒的不同高度部位，控制所述伸缩加热器的每一筒形加热体的加热效率，对所述单晶硅棒的不同高度部位进行加热。

本发明上述技术方案的有益效果如下：

根据本发明实施例的单晶炉，可以对提拉过程中的单晶硅棒的不同高度部位进行加热，使其保持在本征点缺陷发生聚集的温度之上，以避免单晶硅棒在直拉过程中发生本征点缺陷聚集，从而提高了制得的单晶硅棒的质量。

附图说明

图1为本发明实施例中的伸缩加热器处于收缩状态下的单晶炉的结构示意图；

图2为本发明实施例中的伸缩加热器处于伸展状态下的单晶炉的结构示意图；

图3为本发明实施例中的一种伸缩加热器的剖面示意图；

图4为本发明实施例中的一种伸缩加热器的立体示意图；

图5为本发明实施例中的另一种伸缩加热器处于伸展状态下的单晶炉的示意图；

图6为本发明实施例中的另一种伸缩加热器的剖面示意图；

图7为本发明实施例中的另一种伸缩加热器的立体示意图；

图8为本发明实施例中的螺旋加热管的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种单晶硅棒的制备方法的流程示意图。

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。

如今，85％的单晶硅都是采用直拉法制备，直拉单晶制造法(Czochralski,CZ法)是把高纯度的多晶硅块放入石英坩埚中，在真空环境下，用氩气充当保护性气体，将多晶硅加热到1420℃以上，然后保持这个温度一段时间，让硅料熔化，从固态变成液态，等温度稳定到目标温度后，将一根直径只有10mm的棒状晶种(籽晶)浸入熔液中，使确定晶向的籽晶与溶体熔接后引出直径为3～5mm的细颈晶体，以消除结晶位错，然后经放肩、转肩、等径、收尾、冷却等完成单晶硅的生长过程。

在半导体硅片的制造过程中，单晶硅棒的质量决定硅片的质量，因此，提高单晶硅棒的质量极为重要。而在拉晶过程中会产生很多的原生缺陷，其根据不同的检测方法可分为晶体原生缺陷(Crystal Originated Particle，COP)，流动图案缺陷(Flow PatternDefect，FPD)，激光散射层析缺陷(Laser Scattering Topography Defect，LSTD)，这些缺陷对于后续用硅片制成的半导体器件将造成严重的不良影响，因此，降低在拉制单晶硅棒的生产过程中的原生缺陷是提高硅片质量的关键环节。

硅单晶中原生缺陷的形成主要是由本征点缺陷空位和自间隙硅原子的过饱和度引起的。在硅熔点时，本征点缺陷自间隙和空位是相当的，当晶棒逐渐离开固液界面，温度下降的过程中，首先自间隙和空位将快速复合，而产生的缺陷种类和起始浓度主要是取决于晶体生长速度(V)和硅熔液/晶体界面处的晶体中的瞬时轴向温度梯度(G)的比值。当V/G低于临界值时，形成自间隙占主导的缺陷；当V/G高于临界值时，形成空位占主导的缺陷。尽管任何种类的缺陷都不符合要求，但半导体行业一般宁愿要空位缺陷占主导的单晶硅作为半导体器件的基材。

现今处理聚集本征点缺陷问题主要有三种方法。

第一种方法是集中在晶棒拉制工艺中降低硅晶棒中本征点缺陷聚集的密度值，控制V/G比值，改变拉晶条件造成让空位或自间隙原子占优势的本征点缺陷。例如，为得到空位占优势的本征点缺陷单晶硅棒并尽量避免在单晶硅棒内存在径向的空位/自间隙原子的边界环，就要尽可能地增大V/G比值。一种方式是提高拉速，但这样不仅会影响单晶生长速度V，还会影响晶体直径等其他参数，由此限制了拉速的提高量；另一种方式是降低温度梯度G，使V/G比值适当增大而不是过高。V/G比值较大时主要是空位占主导的空洞型缺陷区域，空洞型缺陷的形成通常经过两个过程，首先是少量空位的聚集形核，然后形成核心吸收大量的空位从而形成空洞型缺陷。其中空洞型缺陷快速形核的温度区间Tn大致为1040～1120℃，这个过程主要决定了空洞型缺陷尺寸大小。当单晶硅锭温度大于Tn，空位形核很低；单晶硅锭温度位于Tn区间内，空位形核很大；单晶硅锭温度小于Tn后，空位形核又迅速减小，空位的迁移速率随温度降低而减小，空洞型缺陷开始生长，这个过程中温度的降低，主要是增加缺陷的密度，而缺陷的尺寸不会有太大的变化。因此，为了让生产的单晶硅棒中缺陷的尺寸变小，密度变大，需要让单晶硅棒尽可能快速的通过缺陷形核区和缺陷生长的温度区间，这种方法可以降低硅晶棒中本征点缺陷聚集的密度值，却不能阻止该缺陷的形成。与自间隙原子的附聚有关的缺陷包括诸如A缺陷和B缺陷(有时被称为A类型旋涡缺陷和B类型旋涡缺陷)等可观测到的晶体缺陷，其中，A缺陷被认为是与间隙有关的位错坏，B缺陷被认为是三维间隙附聚物。

第二种方法是致力于聚集本征点缺陷生成后将其溶解或湮灭，一般在1150℃～1280℃的温度范围内热处理单晶硅棒切成的硅片来降低硅片表面附近薄层区域的缺陷密度，特殊处理取决于聚集本征点缺陷的硅片中的浓度和位置，这种方法对不同部位缺陷需要不同的加工条件，热处理相当昂贵，会有金属杂质引入硅片的趋向，并且对涉及晶体所有类型的缺陷并非一致。

第三种方法是在抛光后的硅片表面外延沉积一薄层硅结晶层，提供一种表面基本没有聚集本征点缺陷的单晶硅片，然而外延沉积会明显加大硅晶片的制造成本。

然而，上述的方法均存在着一些不足之处，无法满足对高质量硅片的要求。

进一步分析可知，生长无缺陷的单晶硅棒的基本要求就是改变单晶硅棒的温度分布，使得单晶硅棒在发生本征点缺陷聚集反应的温度Tn之上停留足够长的时间(Tn的下限大约是1050℃)，以便本征点缺陷充分向外扩散。在单晶硅棒的生长过程中，熔化的多晶硅材料大约在1410℃温度下从硅熔液固化成为单晶硅，随后被持续冷却，在硅熔液表面至离溶体表面高度为H(对应温度为Tn)处的单晶硅棒会将通过发生本征点聚集反应的等温线Tn，单晶硅棒上的所有部位在提拉过程中都将通过该恒定高度H的等温线Tn。为了单晶硅棒在通过Tn温度区间时不发生本征点缺陷聚集反应，通过将单晶硅棒在Tn温度范围以上保持一段时间，可以使得单晶硅棒中的点缺陷向外扩散或空位与自间隙原子联合并湮灭，让单晶硅棒内的点缺陷浓度低于本征点缺陷浓度发生聚集所必需的溶解度；至于在Tn温度范围以上保持的总时间则取决于本征点缺陷的起始浓度、硅棒中占优势的本征点缺陷类型(在V/G低于临界值时，自间隙原子本征点缺陷占优势)和拉制的单晶硅棒的直径。

自间隙原子缺陷比空位缺陷明显更容易迁移，自间隙原子比空位发生径向外扩散要快十倍。换言之，在相同的浓度下，空位占优势的硅棒内空位向外扩散比自间隙原子占优势的硅棒内自间隙原子的向外扩散要多花十倍时间，因此，单晶硅棒在等径部分要将V/G值保持在临界值以下，使得自间隙原子缺陷占优势。在自间隙原子发生迁移扩散的温度区间内控制单晶硅棒的冷却速率，给自间隙原子更多时间扩散到单晶硅棒表面消失，或者扩散到空位占优势区，与空位组合而湮灭，可将本征点缺陷的浓度抑制到足够低的程度，使得本征点缺陷的过饱和度不发生在Tn温度区间内，就不会发生本征点缺陷聚集反应，从而制备出没有缺陷的单晶硅棒。

为了拉制出遍及全长均没有聚集微缺陷的单晶硅棒，需要在Tn温度区间以上停留足够时间，使本征点缺陷向外扩散，再通过Tn温度区间，甚至在收尾阶段温度高于Tn的时间也要充足，这将导致拉速减慢，生产效率降低；并且，随着硅棒直径的增大，提拉速度与本征点缺陷向外扩散所必需的停留时间之间将产生矛盾；同时，将V/G的值保持在临界值及以下，以获得间隙原子生长条件，则需要将提拉速度降至最小，将轴向温度梯度的平均值降低至最小，由此，会显著地减少单晶硅棒的产量，并且要求非常严格的控制工艺。但是，由于需要控制的工艺参数太多，并且这些工艺参数大多是动态变化的，在实际生产过程中很难做到如此精确的控制。

由此，本发明一方面实施例提供了一种单晶炉，用于制备单晶硅棒，如图1-2所示，所述的单晶炉包括炉体9，炉体9的内部设置有坩埚组件，坩埚组件具体可以包括石墨坩埚2和石英坩埚3，其中，石墨坩埚2套设在石英坩埚3的外部，石英坩埚3用于盛放多晶硅材料，在炉体9的内壁和石墨坩埚2的外壁之间还设置有坩埚加热器1，坩埚加热器1用于对石英坩埚3及其内的多晶硅材料进行加热，使其熔化形成硅熔液12，在炉体9的顶部开设有炉口，炉口的正上方还设置有提拉装置，提拉装置用于提拉籽晶，籽晶在硅熔液12的表面生长得到单晶硅棒11。

进一步的，本发明实施例中的单晶炉还包括导流筒4和环形保温罩5，其中，环形保温罩5呈圆环形状水平设置于坩埚加热器1的上方，为实现环形保温罩5的固定，在炉体9的内部对应高度位置水平设置有一圈压环10，环形保温罩5具体可以通过保温盖6与压环10实现固定连接，并且，环形保温罩5的环口与炉体9的炉口以及石英坩埚3的开口正对，为提拉单晶硅棒11提供通道；环形保温罩5等组件可以起到阻挡坩埚加热器1向上辐射的热量、加快多晶硅材料的熔化速度的作用，同时避免从炉口通入的惰性气体直接吹向坩埚加热器1而带走热量。而导流筒4的第一端搭设于环形保温罩5的内沿、导流筒4的第二端则延伸至石英坩埚3内的一定高度位置，一般高出于硅熔液12的液面高度；导流筒4呈内部呈中空状，并且导流筒4的第二端的口径大于单晶硅棒11的直径，以确保单晶硅棒11可以从导流筒4的内部提拉上升；这样导流筒4和环形保温罩5共同设置在石英坩埚3的上方，起到对石英坩埚3周围区域进行阻隔保温作用，并且，导流筒4和单晶硅棒11之间的间隙可以引导从炉口进入的惰性气体直接吹向单晶硅棒11与硅熔液12的液面接触位置，使得固液界面的G₀值增大，从而增强了惰性气体对该处的冷却效果，继而在保证v/G₀值小于或接近临界值的情况下，可以提高拉晶速度，有效提高了单晶硅棒的生产效率。

在本发明的一些实施例中，单晶炉还包括伸缩加热器7，伸缩加热器7竖向设置于炉口和石英坩埚3的开口之间，伸缩加热器7大致呈筒形，内部具有中空的通道，以供单晶硅棒11通过，具体来说，伸缩加热器7的顶部可以通过连接筒8固定到炉口的边缘上，伸缩加热器7的底部高出于导流筒4的第二端，并且，伸缩加热器7可以沿其轴线方向做伸缩运动，当伸缩加热器7伸展至最长状态时，伸缩加热器7的下部伸入导流筒4的内部，从而在导流筒4的内壁和伸缩加热器7的外壁之间形成用于引导惰性气体流动的风道，该风道使得从炉口进入的绝大部分惰性气体将直接流向单晶硅棒11与硅熔液12的液面接触位置，从而对固液界面直接进行冷却；也就是说，伸缩加热器7的竖向长度可以在炉口与坩埚的开口之间的空间内进行伸缩，由于伸缩加热器7的内部形成有中空的通道，该中空通道的长度也将随之改变，从而，使得伸缩加热器7可以覆盖从其中提拉上升的单晶硅棒11的不同高度部位，并且，由于伸缩加热器7可以对其内部中空通道进行加热，因此，便可以对单晶硅棒11的不同高度部位进行加热，使得单晶硅棒11的对应部分的温度保持在本征点缺陷发生聚集反应的温度之上，从而确保生产出没有本征点缺陷聚集的单晶硅棒11。需要特别说明的是，在提拉单晶硅棒11的过程中，拉制出的单晶硅棒11随着与固液界面距离的增大，其温度逐渐降低，通过伸缩加热器7的伸缩，使得伸缩加热器7包围单晶硅棒11的一定高度部位并对其加热，可以使得单晶硅棒11的对应部分的温度满足生产要求(即上述的保持在本征点缺陷发生聚集反应的温度之上)，并且由于伸缩加热器7的阻挡作用，可以避免相对较低温度的惰性气体进入炉体内时带走单晶硅棒11的该部分区域的热量，防止伸缩加热器7的加热作用与惰性气体的冷却作用相冲突，也就是说，一方面，伸缩加热器7对单晶硅棒11处在其内的部分起到了良好的加热、保温作用，另一方面，即避免了惰性气体带走单晶硅棒11在固液界面以上一定高度区段的热量，又保证了惰性气体在没有吸收该部分热量的情况下直接流到单晶硅棒11的固液界面，使得固液界面的G值增大，从而增强了惰性气体对该处的冷却效果，继而在保证v/G值小于或接近临界值的情况下，可以提高拉晶速度，有效提高了单晶硅棒的生产效率和品质。

如图1-4所示，在本发明的一些实施例中，伸缩加热器7可以包括壳体71以及竖向设置于壳体71内的至少两个筒形加热体，每一个筒形加热体都可以独立地沿其中心轴做竖向运动，也就是说，伸缩加热器7的伸缩运动体现为每一筒形加热体的竖向运动，各个筒形加热体的内径可以逐渐增大，并且各筒形加热体自伸缩加热器7的中心沿径向向外呈逐个套设设置，当各筒形加热体呈首尾连接时，伸缩加热器7的长度最长，当各筒形加热体的内部区域重合时，伸缩加热器7的长度变短，通过控制筒形加热体在壳体71内的竖向运动，可以使伸缩加热器7得到不同的长度，从而根据实际生产需求，使伸缩加热器7覆盖不同高度部位的单晶硅棒11，并且，每一个筒形加热体均可单独控制，也就是说可以使得不同的筒形加热体的加热效率不同，从而使单晶硅棒11的不同部位的温度得以满足生产需求，具有灵活度高，便于控制，能够实现对单晶硅棒11不同部位的准确加热和保温，阻止本征点缺陷的产生与形成等优点。

本发明实施例中，筒形加热体可以通过气压驱动、齿轮齿条驱动、弹簧、滑轮与钢丝绳索的组合等方式进行驱动，在此不做过多限定。

在本发明的一些实施例中，筒形加热体具体可以包括内壁、外壁以及设置于内壁和外壁之间的螺旋加热管77，也就是说，筒形加热体大致呈筒形，内部形成有中空通道供单晶硅棒11通过，筒形加热体包括一个筒形的加热壳，加热壳内设置了螺旋加热管77，在加热壳的内壁和螺旋加热管77之间的间隙内填充有高导热性能的导热材料，以将螺旋加热管77产生的热量向中空通道内传递和辐射，提高对处于其中的单晶硅棒11的加热效率，而在加热壳的外壁和螺旋加热管77之间的间隙内则填充有低导热率的保温材料，以降低螺旋加热管77产生的热量向外传递，以免降低加热效率。

如图8所示，本发明的一些具体实施例中，螺旋加热管77可以采用电阻性加热材料制备，如碳化硅涂敷石墨、高纯石墨、钨、金属、碳纤维复合物或其他合适材料，螺旋加热管77的相邻线圈之间的间距、所采用的材料、具体的加热功率等均可根据需求进行调整。

如图1-4所示，在本发明的一些具体实施例中，筒形加热体的数量具体为三个，包括第一加热体72、第二加热体73和第三加热体75，三者的内径逐渐递增，并且呈依次套设关系，也就是说，第二加热体73套设在第一加热体72外，而第三加热体75则套设在第二加热体73外，并且，第一加热体72与第二加热体73呈滑动连接，而第二加热体73与第三加热体75也成滑动连接，具体来说，在第二加热体73的外壁面上设置有竖向的滑动限位槽74，在第三加热体75的外壁面上也设置有竖向的滑动限位槽74，由此，第一加热体72与第二加热体73可沿第二加热体73外壁的滑动限位槽74进行竖向滑动，第二加热体73也可以沿第三加热体75外壁的滑动限位槽74进行竖向滑动，其中，需要确保第三加热体75的内径稍大于单晶硅棒11的直径，以确保单晶硅棒11可以通过，可以知道，如图1所示，伸缩加热器7处于最短收缩状态，此时伸缩加热器7的中空通道的长度最短，如图2所示，伸缩加热器7处于最长伸展状态，此时伸缩加热器7的中空通道的长度最长，通过分别控制第一加热体72、第二加热体73以及第三加热体75的竖向运动，可以使伸缩加热器7覆盖单晶硅棒11的不同高度部位并对其进行加热保温。

如图5-7所示，在本发明的另一些实施例中，可以将第三加热体75通过连接板76与壳体71固定，而第一加热体72和第二加热体73则包围在第三加热体75的外围，并且可以沿第三加热体75的外壁竖向设置的滑动限位槽74进行滑动，从而实现伸缩加热器7的伸缩运动；其中，第一加热体72和第二加热体73的长度可以相同也可以不同，但应当确保第一加热体72的长度与第二加热体73的长度之和小于第三加热体75的长度，以确保第三加热体75的长度为伸缩加热器7的最小长度；在该种连接方式中，伸缩加热器7可以向上、向下进行双向伸展，而在前述实施例中的伸缩加热器7则是单向的伸展。

在本发明的一些实施例中，所述单晶炉还包括若干温度传感器78，若干温度传感器78竖向布设在伸缩加热器7的内壁，具体来说，可以在每一筒形加热体的两端均设置一个温度传感器78，以便获取对应筒形加热体覆盖范围内的温度梯度，从而方便根据温度传感器78测得的温度数据准确控制相应的筒形加热体的加热效率，确保单晶硅棒11的对应高度位置的部分温度满足生产要求。

在本发明的另一些实施例中，用于将伸缩加热器7的顶部与炉口的边缘连接的连接筒的侧壁周向间隔开设有若干通孔，使得炉口通过所述若干通孔与伸缩加热器7的外壁和导流筒4的内壁之间形成的风道连通，从而使得从炉口进入炉体内的惰性气体绝大部分可以经连接筒上的通孔进入到伸缩加热器7的外壁和导流筒4的内壁之间形成的风道，并进一步吹向固液界面，由于惰性气体没有被伸缩加热器7所加热，因而具有较强的冷却能力，可以对固液界面进行有效的冷却，使得固液界面的G值增大，从而确保在V/G值小于或接近临界值的情况下，可以提高拉晶速度，提高单晶硅棒11的生产效率。较优的，本发明实施例中的导流筒4的纵向截面呈底部开口的U形，从而便于伸缩加热器7的底部向导流筒4内伸展，并且使得惰性气体更好地吹向单晶硅棒11与硅熔液12的接触部位。

根据本发明实施例的单晶炉，可以对提拉过程中的单晶硅棒的不同高度部位进行加热，使其保持在本征点缺陷发生聚集的温度之上，以避免单晶硅棒在直拉过程中发生本征点缺陷聚集，从而提高了制得的单晶硅棒的质量

本发明另一方面实施例还提供了一种单晶硅棒的制备方法，所述制备方法包括：利用坩埚加热器1加热石英坩埚3内的多晶硅材料形成硅熔液12，利用提拉装置通过炉口将籽晶插入硅熔液12中，使固液界面处的硅熔液12在籽晶处冷却结晶，提拉籽晶使晶体生长得到单晶硅棒11。

如图9所示，进一步的，本发明实施例中的单晶硅棒的制备方法应用于如上实施例中所述的单晶炉，所述制备方法还包括：

步骤901：在提拉所述籽晶的同时向伸缩加热器和导流筒之间形成的风道内通入惰性气体，对所述固液界面进行冷却；

步骤902：使所述单晶硅棒进入伸缩加热器内部的通道，利用所述伸缩加热器对单晶硅棒进行加热。

也就是说，在提拉籽晶的同时，向伸缩加热器7和导流筒4之间形成的风道内通入惰性气体，对坩埚20内的固液界面进行冷却，在具体实施本发明时，惰性气体具体可以选用氩气。

当提拉单晶硅棒11上升进入伸缩加热器7的内部区域时，启动伸缩加热器7对其内部的单晶硅棒11进行加热，在具体加热过程中，可以通过设置在伸缩加热器7上的若干温度传感器78检测到的温度数据对应调节相应筒形加热体的开启、关闭以及具体的加热功率，以精确控制加热温度。

本发明实施例中，由于伸缩加热器7的阻挡作用，可以避免相对较低温度的惰性气体通入风道时带走单晶硅棒11的该部分区域的热量，防止伸缩加热器7的加热作用与惰性气体的冷却作用相冲突，换句话说，一方面，伸缩加热器7对单晶硅棒11处在其内的部分起到了良好的加热、保温作用，另一方面，即避免了惰性气体带走单晶硅棒11在固液界面以上一定高度区段的热量，又保证了惰性气体在没有吸收该部分热量的情况下直接流到单晶硅棒11的固液界面，使得固液界面的G值增大，从而增强了惰性气体对该处的冷却效果，继而在保证v/G值小于或接近临界值的情况下，可以提高拉晶速度，有效提高了单晶硅棒的生产效率。

在本发明的一些实施例中，利用所述伸缩加热器对单晶硅棒的不同高度部位进行加热的步骤中：

控制所述伸缩加热器的内部区域的温度，使所述单晶硅棒的温度维持在1050～1200℃的范围内并保持预设时长。

也就是说，通过控制伸缩加热器7的各筒形加热体的加热效率，可以控制伸缩加热器的内部区域的温度，使得处在伸缩加热器7内部的单晶硅棒11的温度维持在单晶硅棒11发生本征点缺陷聚集反应的温度之上并保持预设的时长，最终使得自间隙原子和空位彼此发生复合反应，或者扩散到单晶硅棒11的侧表面而消失，防止单晶硅棒11中产生本征点缺陷聚集的缺陷，有效提高了单晶硅棒11的生长质量；也就是说，通过伸缩加热器7对单晶硅棒11进行加热，并使之保持在本征点缺陷聚集反应的温度之上一定时间，可以避免单晶硅棒11发生本征点缺陷聚集现象，同时，由于伸缩加热器7可以竖向伸缩移动，在单晶硅棒11的提拉过程中，不会对单晶硅棒11的生产效率产生影响。

在本发明的另一些实施例中，利用所述伸缩加热器对单晶硅棒进行加热的步骤中：

控制所述伸缩加热器做伸缩运动，使所述伸缩加热器的内部区域覆盖所述单晶硅棒的不同高度部位，控制所述伸缩加热器的每一筒形加热体的加热效率，对所述单晶硅棒的不同高度部位进行加热。

也就是说，在提拉单晶硅棒11并对其进行加热的过程中，还可以控制伸缩加热器7做伸缩运动，使得其内部的中空通道长度发生变化，从而使伸缩加热器7覆盖单晶硅棒11的不同高度部位，以协调单晶硅棒11的提拉过程。同时，由于不同高度位置的单晶硅棒11的温度不同，通过控制伸缩加热器的每一筒形加热体的加热效率，可以对单晶硅棒11的不同高度部位加热至相应的温度，从而确保单晶硅棒11处在本征点缺陷聚集发生的温度之上，从而适应在可控范围内工艺参数的变动导致的本征点缺陷聚集发生的温度区间的波动，也就是说，工艺参数的变动有可能倒置本征点缺陷聚集的温度发生波动，而本发明实施例中的伸缩加热器7的各筒形加热体可以单独控制加热效率，伸缩加热器7的长度和位置可以调节，因此能够根据工艺参数的变化而灵活调整。

在本发明实施例中，根据实验确定的单晶硅棒11的温度区间应保持在1050～1200℃，以使单晶硅棒11处于本征点缺陷聚集反应发生的温度之上；在本发明的较优实施例中，利用所述伸缩加热器对单晶硅棒的不同高度部位进行加热时，可以通过控制伸缩加热器7使单晶硅棒11的温度维持在1100～1200℃的范围内并保持一定时间，以确保在其他工艺参数发生变动的情况下，单晶硅棒11所处的温度仍能满足高于本征点缺陷聚集反应发生的温度的要求，而又不至于过高，以便生产出无本征点缺陷的高品质单晶硅棒11。

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)

1.一种单晶炉，用于制备单晶硅棒，所述单晶炉包括炉体，所述炉体内设置有坩埚，所述坩埚的外周与所述炉体的内壁之间设置有坩埚加热器，所述炉体的顶部开设有炉口，其特征在于，所述单晶炉还包括：

环形保温罩，所述环形保温罩水平设置于所述坩埚加热器的上方并与所述坩埚的内壁固定，所述环形保温罩的环口与所述炉口正对；

导流筒，所述导流筒的第一端搭设于所述环形保温罩的内沿，所述导流筒的第二端延伸至所述坩埚内，所述导流筒的第二端的口径大于所述单晶硅棒的直径且小于所述导流筒的第一端的口径；

伸缩加热器，所述伸缩加热器竖向设置于所述炉口和所述坩埚的开口之间，所述伸缩加热器的顶部通过连接筒与所述炉口的边缘连接，所述伸缩加热器的底部高于所述导流筒的第二端，所述伸缩加热器的内部形成有供所述单晶硅棒通过的通道，所述伸缩加热器可沿其轴线方向做伸缩运动。

2.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述伸缩加热器包括壳体以及竖向设置于所述壳体内的至少两个筒形加热体，每一所述筒形加热体可沿其中心轴做竖向运动。

3.根据权利要求2所述的单晶炉，其特征在于，所述筒形加热体的数量为三个，三个所述筒形加热体的直径依次增大，且相邻两个筒形加热体之间呈滑动连接。

4.根据权利要求2所述的单晶炉，其特征在于，所述筒形加热体包括内壁、外壁以及设置于所述内壁和所述外壁之间的螺旋加热管，所述内壁和所述螺旋加热管之间的间隙采用导热材料填充，所述螺旋加热管和所述外壁之间的间隙采用隔热材料填充。

5.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述单晶炉还包括：

若干温度传感器，所述若干温度传感器竖向布设于所述伸缩加热器的内壁。

6.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述连接筒的侧壁周向间隔开设有若干通孔，所述炉口通过所述若干通孔与所述炉体的内壁和所述伸缩加热器的外壁之间形成的空腔连通。

7.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述导流筒的纵向截面呈底部开口的U形。

8.一种单晶硅棒的制备方法，所述制备方法包括：加热坩埚内的多晶硅材料形成硅熔液，利用提拉装置将籽晶插入硅熔液中，使固液界面处的所述硅熔液在所述籽晶处冷却结晶，提拉所述籽晶使晶体生长得到单晶硅棒，其特征在于，应用于如权利要求1-7中任一项所述的单晶炉，所述制备方法还包括：

在提拉所述籽晶的同时向伸缩加热器和导流筒之间形成的风道内通入惰性气体，对所述固液界面进行冷却；

使所述单晶硅棒进入伸缩加热器内部的通道，利用所述伸缩加热器对单晶硅棒进行加热。

9.根据权利要求8所述的单晶硅棒的制备方法，其特征在于，利用所述伸缩加热器对单晶硅棒进行加热的步骤中：

控制所述伸缩加热器的内部区域的温度，使所述单晶硅棒的温度维持在1050～1200℃的范围内并保持预设时长。

10.根据权利要求8所述的单晶硅棒的制备方法，其特征在于，所述伸缩加热器包括壳体以及竖向设置于所述壳体内的至少两个筒形加热体，每一所述筒形加热体可沿其中心轴做竖向运动，利用所述伸缩加热器对单晶硅棒进行加热的步骤中：

控制所述伸缩加热器做伸缩运动，使所述伸缩加热器的内部区域覆盖所述单晶硅棒的不同高度部位，控制所述伸缩加热器的每一筒形加热体的加热效率，对所述单晶硅棒的不同高度部位进行加热。

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