CN111041551A - 直拉硅单晶炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单晶硅生产技术领域，提供直拉硅单晶炉，包括：炉体；坩埚，位于所述炉体内部；籽晶杆，位于炉体内部，籽晶杆沿着自身轴向相对坩埚可升降，且在转动状态籽晶杆以设定转速差相对坩埚沿着同一方向转动。本发明的拉硅单晶炉，由于坩埚与籽晶杆朝着同一方向转动，进而可以在坩埚和籽晶杆均具有高转速的情况下，将坩埚与籽晶杆的转速差控制在合理的范围内，保证拉晶更高效和更高质量的完成。其中，转速差可以视具体情况而定，一般转速差过大或者过小都不利于拉晶的质量和效率。其中，坩埚具有高转速的情况下，熔融硅内部可以产生较大的离心力，进而把杂质、气泡、不均匀硅原子聚合物等从熔融硅中分离。

Description

直拉硅单晶炉

技术领域

本发明涉及单晶硅生产技术领域，尤其涉及直拉硅单晶炉。

背景技术

单晶硅具有越来越广泛的应用，例如半导体器件的制造和太阳能电池的制造均需要用到单晶硅。

以太阳能电池为例，单晶硅片的质量决定太阳能电池的质量，因此，提高单晶硅片的质量至关重要。单晶硅片由单晶硅锭去皮后切割而成，在生长单晶硅锭的过程中，主要的原生缺陷，根据不同的检测方法可将其命名为：晶体原生缺陷(Crystal OriginatedParticle，简称COP)、流动图案缺陷(FlowPattern Defect，简称FPD)、或者激光散射层析缺陷(Laser scattering topography defect，简称LSTD)。晶体原生缺陷形成主要是由空位和自间隙硅原子的过饱和度引起的，可以通过减少熔融硅中的杂质以及保持熔融硅内部温度的均匀性来减少晶体原生缺陷。此外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℃之间，这个过程主要决定缺陷尺寸大小。当单晶硅锭温度小于Tn后，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锭中缺陷的尺寸变小，密度变大，需要让单晶硅锭尽可能快速的通过缺陷形核的温度区间，到达缺陷生长的温度区间。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

本发明的其中一个目的是：提供一种直拉硅单晶炉，解决现有技术中存在的晶体内部具有原生缺陷的问题。

本发明的另外一个目的是：提供一种直拉硅单晶炉，解决现有技术中存在的晶体内部具有空洞型缺陷的问题。

为了实现该目的，本发明提供了一种直拉硅单晶炉，包括

炉体；

坩埚，位于所述炉体内部；

籽晶杆，位于所述炉体内部，所述籽晶杆沿着自身轴向相对所述坩埚可升降，且在转动状态所述籽晶杆以设定转速差相对所述坩埚沿着同一方向转动。

根据本发明的其中一个实施例，还包括：

罩体，在所述坩埚开口一侧，所述籽晶杆位于所述罩体内；

提拉杆，第一端连接所述籽晶杆远离所述坩埚的一端。

根据本发明的其中一个实施例，还包括：

进气管，用于沿着所述提拉杆的轴向朝所述籽晶杆所在方向通入惰性气体。

根据本发明的其中一个实施例，还包括：

分流挡板，设置于所述进气管和所述籽晶杆之间。

根据本发明的其中一个实施例，还包括：

真空装置，用于在所述进气管的出气口位置形成负压。

根据本发明的其中一个实施例，所述罩体呈管状，所述进气管连通所述罩体的其中一端，所述真空装置连通所述罩体的另一端。

根据本发明的其中一个实施例，还包括升降机构和第一旋转驱动单元；所述第一旋转驱动单元连接所述提拉杆；

所述升降机构包括：

齿轮，与所述第一旋转驱动单元固定；

螺杆，所述螺杆的数量为多根，且均啮合于所述齿轮；

所述螺杆当中的至少其中一根连接第二旋转驱动单元。

根据本发明的其中一个实施例，所述螺杆的数量为三根，且所有所述螺杆均匀分布于所述齿轮的外圈。

根据本发明的其中一个实施例，所述坩埚内设置有多块肋板，且所述肋板沿着所述坩埚的转动圆周均匀分布。

根据本发明的其中一个实施例，所述肋板呈三角形，且所述肋板的第一边固定于所述坩埚的内侧壁，所述肋板的第二边固定于所述坩埚的底板。

本发明的技术方案具有以下优点：本发明的拉硅单晶炉，较之于坩埚与籽晶杆以反向速度转动的情形(也即籽晶杆和坩埚当中，一个正向转动，一个反向转动)，或者较之于仅仅籽晶杆转动的情形，由于坩埚与籽晶杆朝着同一方向转动，进而可以在坩埚和籽晶杆均具有高转速的情况下，将坩埚与籽晶杆的转速差控制在合理的范围内，保证拉晶更高效和更高质量的完成。其中，转速差可以视具体情况而定，一般转速差过大或者过小都不利于拉晶的质量和效率。其中，坩埚具有高转速的情况下，熔融硅内部可以产生较大的离心力，进而把杂质、气泡、不均匀硅原子聚合物等从熔融硅中分离。

进一步的，直拉硅单晶炉还包括进气管，用于沿着提拉杆的轴向朝籽晶杆所在方向通入气体。进而通过气体冷却籽晶和晶体(或者也可以只通过晶体表面)表面，使晶体冷却时快速的通过缺陷形核的温度区间，到达缺陷生长的温度区间，减少空洞型缺陷在晶体内部的产生。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的直拉硅单晶炉的局部结构示意图；

图2为本发明实施例的直拉硅单晶炉的提拉杆的安装示意图；

图3为本发明实施例中齿轮和螺杆的装配关系示意图；

图4为本发明实施例中肋片在坩埚中的分布示意图；

图5为本发明实施例中肋片的结构示意图；

图中：1：旋转升降系统；2：分流挡板；3：籽晶和晶体；4：进气管；5：罩体；6：坩埚；7：肋板；8：基座；9：第二步进电机；10：第一步进电机；11：螺杆；12：齿轮；13：提拉杆；14、籽晶杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任意一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。并且，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

请参见图1至图5，本发明实施例的直拉硅单晶炉包括炉体、坩埚6和籽晶杆14。其中，坩埚6位于炉体内部；籽晶杆14位于炉体内部，籽晶杆14沿着自身轴向相对坩埚6可升降，且在转动状态籽晶杆14以设定转速差相对坩埚6沿着同一方向转动。

较之于坩埚6与籽晶杆14以反向速度转动的情形(也即籽晶杆14和坩埚6当中，一个正向转动，一个反向转动)，或者较之于仅仅籽晶杆14转动的情形，本发明实施例由于坩埚6与籽晶杆14朝着同一方向转动，进而可以在坩埚6和籽晶杆14均具有高转速的情况下，将坩埚6与籽晶杆14的转速差控制在合理的范围内，保证拉晶更高效和更高质量的完成。其中，转速差可以视具体情况而定，一般转速差过大或者过小都不利于拉晶的质量和效率。其中，坩埚6具有高转速的情况下，熔融硅内部可以产生较大的离心力，进而把杂质、气泡、不均匀硅原子聚合物等从熔融硅中分离。

根据本发明的实施例，坩埚6与籽晶杆14以同样的顺时针或者逆时针转动，且两者的转速不同，也即坩埚6与籽晶杆14存在设定转速差。该设定转速差可以为一个恒定的值，也可以为一个变量值，可以根据实际需要做任意设定。例如，为了保证熔融硅内部可以产生较大的离心力，控制坩埚6的转速在500r/min或以上，籽晶杆14比坩埚6的转速小5r/min-25r/min左右。该种情况下，通过熔融硅的高速离心在坩埚6中心形成单一均匀化硅原子熔融硅，同时在籽晶杆14外表层聚集杂质、空位和自间隙硅原子，使得生产出的单晶体内部的缺陷大大减少。

请参见图1，直拉硅单晶炉还包括罩体5。其中，罩体5在坩埚6开口一侧，进而在罩体5和坩埚6之间形成拉晶所需的空间。当然，也可以不设置该罩体5，只要在炉体内形成拉晶所需要的环境即可。其中，籽晶杆14可以完全设置在罩体5内，或者籽晶杆14位于罩体5和坩埚6之间的空间内。

拉晶的完成需要籽晶杆14和坩埚6之间具有相对升降，相对升降既可以通过控制籽晶杆14升降实现，也可以通过控制坩埚6升降实现。其中，控制籽晶杆14升降相对更容易实现、耗费功率更低并且也更加安全。在控制籽晶杆14升降的情况下，直拉硅单晶炉还设置有提拉杆13，并且提拉杆13第一端连接籽晶杆14远离坩埚6的一端，也即图1中提拉杆13底端连接籽晶杆14顶端。进而，只要驱动提拉杆13升降，即可带动籽晶杆14相对坩埚6升降。此外，坩埚6底部通过基座8固定。

根据本发明的实施例，直拉硅单晶炉还包括进气管4，用于沿着提拉杆13的轴向朝籽晶杆14所在方向通入气体。也即图1中，从上至下通入气体，进而通过气体冷却籽晶和晶体3(或者也可以只通过晶体表面)表面，使晶体冷却时快速的通过缺陷形核的温度区间，到达缺陷生长的温度区间，减少空洞型缺陷在晶体内部的产生。

其中，进气管4当中通入惰性气体，可以最好避免气体对晶体的形成造成干扰，例如惰性气体可以采用氩气。当然，任何现有技术当中的冷却气体，只要其不会和晶体之间发生不良反应，都可以考虑将其应用于本发明实施例中。

此外，进气管4的结构形式不受限制。图1中，提拉杆13穿过进气管4，也即在提拉杆13外套设有进气管4。该种情况下，优选进气管4和提拉杆13同轴，进而保证冷却气体尽可能均匀的分布于籽晶和晶体3外表面。

当然，进气管4也可以直接形成于提拉杆13，也即提拉杆13至少有部分中空，进而中空段对应进气管4。该种情况下，可以在提拉杆13的表面开设有周向的出气口。

根据本发明的实施例，为了保证冷却气体对晶体实现更好的冷却，在气管和籽晶杆14之间设置分流挡板2，冷却气体经过分流挡板2分流后顺着籽晶和晶体3向下流动。为了保证冷却气体充分接触并冷却籽晶和晶体3，分流挡板2和籽晶杆14的端部之间可以具有一定的间距。

其中，分流挡板2可以呈圆形，以使冷却气体集中在籽晶和晶体3的外周，有效的避免单晶硅产生较大尺寸的空洞型缺陷，影响单晶硅的质量。当然分流挡板2也可以呈其它形状。并且，在分流挡板2上可以分布气孔，并且可以沿着籽晶杆14的中心轴朝远离其中心轴分布多圈气孔，以保证在晶体形成过程当中始终对晶体表面充分冷却。

其中，为了控制冷却气体在罩体5当中的流通速度，可以为直拉硅单晶炉设置真空装置，该真空装置用于在进气管4的出气口位置形成负压，进而保证冷却气体可以由出气口流向籽晶和晶体3。其中，调整真空装置的功率，就可以控制冷却气体在籽晶和晶体3外侧达到需要的冷却速率。当然，也可以从冷却气体的注入端控制罩体5当中的冷却气体流通速度。

根据本发明的实施例，罩体5呈管状，包括圆管状、方形管状甚至异形管状。进气管4连通罩体5的其中一端，真空装置连通罩体5的另一端。结合图1，罩体5的上端连通进气管4，进而通过罩体5上端向罩体5内部通入冷却气体。罩体5的下端连通真空装置，进而在罩体5的下端形成负压，也就在进气管4下端的出气口位置形成负压。当然，罩体5也可以呈任何其它形状，例如罩体5可以呈空心球冠状，又例如罩体5还可以呈空心圆台状等。

根据本发明的实施例，直拉硅单晶炉包括用于带动提拉杆13升降的升降机构，以及用于带动提拉杆13转动的第一旋转驱动单元，升降机构和第一旋转驱动单元组成旋转升降系统1。

其中，升降机构包括齿轮12、螺杆11和第二旋转驱动单元，请参见图2。齿轮12与第一旋转驱动单元固定，进而当齿轮12升降的时候，带动第一旋转驱动单元升降。螺杆11啮合于齿轮12，进而当螺杆11转动的时候，可以驱动齿轮12转动并沿着螺杆11升降。并且，由于螺杆11的数量为多根(图2中有部分螺杆11未示出)，进而多根螺杆11可以用于支撑齿轮12。具体的，螺杆11转动的时候，驱动齿轮12沿着螺杆11升降；螺杆11静止的时候，齿轮12被支撑于多根螺杆11之间。对于多根螺杆11而言，至少其中一根连接第二旋转驱动单元，进而第二旋转驱动单元驱动螺杆11转动，带动齿轮12转动。

在一个实施例中，为了保证对齿轮12的支撑，啮合于齿轮12的螺杆11的数量优选在三根以上。例如，当螺杆11的数量为三根的时候，三根螺杆11可以沿着齿轮12的外圈均匀分布，进而保证齿轮12受力均匀，并且每根螺杆11上的受力也更加接近，避免出现受力薄弱环节，请参见图2和图3。当然，为了保证对齿轮12支撑的可靠性，螺杆11的数量还可以为四根、五根甚至更多，并且不管螺杆11的数量为多少根，考虑到受力均衡性，多根螺杆11都可以沿着齿轮12的外圈均匀布置。当然，即便螺杆11不沿着齿轮12外圈均匀布置，也可以有效支撑齿轮12以及固定于齿轮12的第一旋转驱动单元。

图3中，三根螺杆11在水平面上的正投影位于一个正三角形的三个顶点上。

值得一提的是，通过多根螺杆11以及齿轮12之间的配合带动齿轮12升降，进而实现第一旋转驱动单元和提拉杆13的升降，该方式可以非常准确的控制提拉杆13的升降速度以及每个停止的位置，进而可以更加准确的控制拉晶的过程。采用该种提升机构对于直拉硅单晶炉而言可以更好的控制拉晶的质量。并且，螺杆11本身在驱动齿轮12升降的同时，可以用于固定齿轮12和第一旋转驱动单元，进而节省炉体内部的空间。

结合图2和图3，升降机构、第一旋转驱动单元和第二旋转驱动单元工作过程大致如下：

第一旋转驱动单元带动提拉杆13转动；

第二旋转驱动单元驱动螺杆11转动，螺杆11转动带动齿轮12转动且沿着螺杆11的轴向升降，齿轮12转动同时带动未连接第二驱动单元的螺杆11转动，齿轮12升降带动第一驱动单元升降，进而第一驱动单元升降带动提拉杆13升降。

根据本发明的实施例，第一旋转驱动单元和第二旋转驱动单元的具体形式不限，只要可以带动其连接的部件实现转动即可。例如，第一旋转驱动单元和第二旋转驱动单元可以分别为第一步进电机10和第二步进电机9。进而，通过第一步进电机10实现提拉杆13的转动，通过第二步进电机9实现螺杆11的转动以最终带动提拉杆13升降。图3中，齿轮12固定于第一步进电机10的外围，当然齿轮12和第一步进电机10之间的固定方式不受此处举例限制，例如齿轮12也可以安装于第一部件电机的上方、下方或者任意其它位置。

根据本发明的实施例，螺杆11可以通过轴承实现安装，使得螺杆11尽可以转动而不可以升降运动。又由于螺杆11和齿轮12之间的配合，进而可以保证齿轮12转动的同时做升降运动。

需要说明的是，螺杆11也即具有螺纹段的杆部件，其螺纹段既可以沿着螺杆11通常设置，也可以仅沿着螺杆11部分设置。

根据本发明的实施例，坩埚6内设置有多块肋板7。通过肋板7的设置，可以防止坩埚6转动过程当中熔融硅被甩出至坩埚6外部，保证拉晶过程的安全。并且，肋板7还可以在坩埚6转动时候带动熔融硅转动，进而保证熔融硅的离心力，使得熔融硅内部的杂质、空位和自间隙硅原子等在离心力作用下被分离出去。

根据本发明的实施例，肋板7沿着坩埚6的转动圆周均匀分布，进而保证坩埚6中熔融硅分布更加均匀，形成的晶体的结构更加规整。

请参见图4，肋板7的数量为四块并且沿着坩埚6转动方向均匀分布。当然，图4不构成对本发明实施例的限制，例如肋板7的数量还可以两块、三块、五块等任意多块，或者，肋板7的数量也可以就为一块。此外，肋板7可以采用和坩埚6相同的材质，以方便坩埚6的加工制造，并且防止肋板7和坩埚6的连接处形成开裂现象。

图5中，肋板7呈近似三角形，进而其第一边固定于坩埚6的内侧壁，第二边固定于坩埚6的底板。其中，肋板7的第二边呈弧形是为了和坩埚6底板形状相适配，当坩埚6底板呈平面状的时候，肋板7的第二边也可以为直边，进而此时肋板7呈三角形。图5当中的肋板7，其第三边从上至下逐渐远离内侧壁，进而可以便于晶体的形成，不对晶体造成干涉。当然，肋板7还可以呈任意其它形状。

根据本发明的实施例，坩埚6用于容纳制备的原料。一般炉体内部通过保温材料保温，进而保证坩埚6的温度，使得坩埚6内的原料可以被加热至所需温度。并且，为了保证坩埚6的温度，往往在坩埚6外围设置例如电加热件在内的加热部件。此外，坩埚6较常采用的材质为石英。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种直拉硅单晶炉，其特征在于，包括

炉体；

坩埚，位于所述炉体内部；

籽晶杆，位于所述炉体内部，所述籽晶杆沿着自身轴向相对所述坩埚可升降，且在转动状态所述籽晶杆以设定转速差相对所述坩埚沿着同一方向转动。

2.根据权利要求1所述的直拉硅单晶炉，其特征在于，还包括：

罩体，在所述坩埚开口一侧，所述籽晶杆位于所述罩体内；

提拉杆，第一端连接所述籽晶杆远离所述坩埚的一端。

3.根据权利要求2所述的直拉硅单晶炉，其特征在于，还包括：

进气管，用于沿着所述提拉杆的轴向朝所述籽晶杆所在方向通入惰性气体。

4.根据权利要求3所述的直拉硅单晶炉，其特征在于，还包括：

分流挡板，设置于所述进气管和所述籽晶杆之间。

5.根据权利要求3所述的直拉硅单晶炉，其特征在于，还包括：

真空装置，用于在所述进气管的出气口位置形成负压。

6.根据权利要求5所述的直拉硅单晶炉，其特征在于，所述罩体呈管状，所述进气管连通所述罩体的其中一端，所述真空装置连通所述罩体的另一端。

7.根据权利要求2至6中任意一项所述的直拉硅单晶炉，其特征在于，还包括升降机构和第一旋转驱动单元；所述第一旋转驱动单元连接所述提拉杆；

所述升降机构包括：

齿轮，与所述第一旋转驱动单元固定；

螺杆，所述螺杆的数量为多根，且均啮合于所述齿轮；

所述螺杆当中的至少其中一根连接第二旋转驱动单元。

8.根据权利要求7所述的直拉硅单晶炉，其特征在于，所述螺杆的数量为三根，且所有所述螺杆均匀分布于所述齿轮的外圈。

9.根据权利要求2至6中任意一项所述的直拉硅单晶炉，其特征在于，所述坩埚内设置有多块肋板，且所述肋板沿着所述坩埚的转动圆周均匀分布。

10.根据权利要求9所述的直拉硅单晶炉，其特征在于，所述肋板呈三角形，且所述肋板的第一边固定于所述坩埚的内侧壁，所述肋板的第二边固定于所述坩埚的底板。

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