CN111733447A - 单晶炉加热装置、单晶炉及单晶炉的加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单晶炉加热装置、单晶炉及单晶炉的加热方法，单晶炉加热装置包括第一加热结构，且沿周向第一加热结构的上端部至下端部的高度一致；第二加热结构，位于第一加热结构下方；第三加热结构，位于第二加热结构下方；第一加热结构的加热控制机构与第二加热结构、第三加热结构的加热控制机构不同，且第一加热结构的高度满足在等径生长阶段坩埚中的熔液处于第一加热结构的高度范围内。本发明第一加热结构的上端部至第一加热结构的下端部的高度一致，在等径生长阶段第一加热结构提供的热量能使熔液维持熔融状态，使熔液中和固液界面处有足够的纵向温度梯度，保持整个等径过程平稳进行，保证固液界面波动很小，从而保证晶棒的质量。

Description

单晶炉加热装置、单晶炉及单晶炉的加热方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种单晶炉加热装置、单晶炉及单晶炉的加热方法。

背景技术

目前，在单晶硅的制备过程中，多晶硅的熔化和单晶硅的正常生长都离不开加热装置，加热装置是直拉单晶炉热场结构中最重要的核心部件。随着晶棒直径的不断增大，用于生长晶棒设备的尺寸标准变得也更大，随着直拉单晶炉热场尺寸的增大使得单晶炉所用的加热装置也随之增大。而加热装置的主要作用是为石英坩埚中的多晶硅料提供热量，使初始的固态原料熔化为液态并确保单晶硅生长所需的温度梯度，维持单晶硅的正常生长，保证单晶硅的成晶率。

目前常用的加热装置主要有两种，第一种加热装置是安装在石英坩埚外侧的加热装置，第二种加热装置是包括同时安装在石英坩埚侧部的主加热器和安装在石英坩埚底部的副加热器，利用主加热器和副加热器来加热熔化多晶硅料，从而实现对温度场的控制，其中，位于石英坩埚侧部的主加热器为圆筒结构的石墨加热器，主加热器包括加热筒体和设置在加热筒体底部的至少两个电极脚，加热筒体由上下迂回的U字型石墨条首尾连接制成，沿着加热筒体的轴向方向在加热筒体上开设有竖直条状的沟槽，用来减少电阻的横截面积，进而增大电阻值，从而使发热量较高。而位于石英坩埚底部的副加热器形状则是多种多样，其主要目的是缩短多晶硅料的熔化时间、提高晶棒的生产效率、提供均匀可控的热环境。

但是，目前常用的加热装置的温度分布不均匀，这样会产生热对流，会对坩埚侧壁造成冲刷，从而影响晶棒质量。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种单晶炉加热装置、单晶炉及单晶炉的加热方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种单晶炉加热装置，包括：

环绕坩埚设置的第一加热结构，且沿周向所述第一加热结构的上端部至下端部的高度一致；

环绕坩埚设置的第二加热结构，位于所述第一加热结构下方，并且，所述第二加热结构的上端部与所述第一加热结构的下端部之间具有第一间隙通道；

第三加热结构，位于所述第二加热结构下方，且所述第三加热结构与所述第二加热结构的下端部连接以形成加热腔体；

其中，所述第一加热结构的加热控制机构与所述第二加热结构、所述第三加热结构的加热控制机构不同，且所述第一加热结构的高度满足在等径生长阶段坩埚中的熔液处于所述第一加热结构的高度范围内。

在本发明的一个实施例中，所述第一加热结构的高度满足在等径生长阶段坩埚中的熔液的一部分处于所述第一加热结构的径向高温线以下的高度范围内、另一部分处于所述第一加热结构的径向高温线以上的高度范围内，其中，所述径向高温线对应所述第一加热结构轴向方向上温度最高的位置。

在本发明的一个实施例中，所述第一加热结构的高度满足在等径生长阶段坩埚中的熔液的下半部分处于所述第一加热结构的径向高温线以下的高度范围内、上半部分处于所述第一加热结构的径向高温线以上的高度范围内。

在本发明的一个实施例中，所述第一加热结构的高度与所述第二加热结构的高度的比例范围为1:1～2:1。

在本发明的一个实施例中，所述第一加热结构上设置有沿周向均匀排布的若干第一U型加热单元；

所述第二加热结构上设置有沿周向均匀排布的若干第二U型加热单元；

所述第三加热结构上设置有若干狭槽组，所述若干狭槽组围绕所述第二加热结构的中心轴线间隔设置，所述第三加热结构的中心位置设置有第三间隙通道，所述若干狭槽组连通至所述第三间隙通道，且所述第三加热结构上还设置有若干第二连接孔；

所述第一加热结构的下端部还设置有加热器脚，所述加热器脚位于所述第二加热结构的侧部沟槽和所述第三加热结构的底部沟槽中，且所述加热器脚与所述第二加热结构的侧部沟槽和所述第三加热结构的底部沟槽之间设有第二间隙通道，所述加热器脚上还设置有第一连接孔。

在本发明的一个实施例中，所述第一U型加热单元由所述第一加热结构上相邻两个第一沟槽之间的部分构成，且在相邻两个所述第一沟槽的中间位置还设置有第二沟槽，其中，所述第一沟槽为自所述第一加热结构的下端部向上端部延伸的沟槽，所述第二沟槽为自所述第一加热结构的上端部向下端部延伸的沟槽；

所述第二U型加热单元由所述第二加热结构上相邻两个第三沟槽之间的部分构成，且在相邻两个所述第三沟槽的中间位置还设置有第四沟槽，其中，所述第三沟槽为自所述第二加热结构的下端部向上端部延伸的沟槽，所述第四沟槽为自所述第二加热结构的上端部向下端部延伸的沟槽；

所述第一沟槽的长度小于所述第二沟槽的长度，所述第一沟槽的宽度等于所述第二沟槽的宽度，所述第三沟槽的长度小于所述第四沟槽的长度，所述第三沟槽的宽度等于所述第四沟槽的宽度，且所述第一沟槽和所述第二沟槽的宽度大于所述第三沟槽和所述第四沟槽的宽度。

在本发明的一个实施例中，所述第一U型加热单元的数量小于所述第二U型加热单元的数量。

在本发明的一个实施例中，所述若干狭槽组包括若干第一狭槽组、若干第二狭槽组、若干第三狭槽组，所述若干第一狭槽组、所述若干第二狭槽组、所述若干第三狭槽组按照预设方式围绕所述第三加热结构的中心轴线间隔设置，且所述第一狭槽组包括若干第一狭槽，所述第二狭槽组包括若干第二狭槽，所述第三狭槽组包括若干第三狭槽，其中，

所述第一狭槽的第一端至第二端的距离、所述第二狭槽的第一端至第二端的距离、所述第三狭槽的第一端至第二端的距离依次减小。

本发明一个实施例还提供一种单晶炉，包括上述任一项实施例所述的单晶炉加热装置。

本发明一个实施例还提供一种单晶炉的加热方法，所述单晶炉包括权利要求9所述的单晶炉，所述加热方法包括：

在化料阶段，所述第一加热结构、所述第二加热结构和所述第三加热结构同时开启工作，利用所述第一加热结构、所述第二加热结构和所述第三加热结构加热坩埚中的熔料使所述熔料熔化得到熔液，此过程所述第一加热结构的功率大于所述第二加热结构和所述第三加热结构的功率；

在所述熔料全部熔化成熔液后，降低所述第一加热结构、所述第二加热结构和所述第三加热结构的功率使热场和所述熔液稳定，此过程所述第一加热结构的功率大于所述第二加热结构和所述第三加热结构的功率；

降低所述第二加热结构和所述第三加热结构的功率或者关闭所述第二加热结构和所述第三加热结构，之后对所述熔液进行熔接、放肩、转肩和等径得到晶棒，且在所述等径阶段，坩埚中的熔液处于所述第一加热结构的高度范围内。

本发明的有益效果：

本发明沿第一加热结构的周向，第一加热结构的上端部至第一加热结构的下端部的高度一致，在等径生长阶段，第一加热结构提供的热量能保证熔液维持熔融状态，并且第一加热结构的加热区域温度稳定、均匀，减小热对流对坩埚的冲刷，能够使熔液中和固液界面处有足够的纵向温度梯度，保持整个等径过程平稳进行，保证固液界面波动很小，从而保证晶棒的质量。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是现有技术提供的一种加热器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种单晶炉加热装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种第一加热结构的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种第二加热结构的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种第三加热结构的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种第一加热结构的径向高温线的示意图；

图7是现有技术提供的一种单晶炉的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种单晶炉的结构示意图。

附图标记说明：

第一加热结构-10；第二加热结构-11；第三加热结构-12；第一间隙通道-13；第二间隙通道-14；第三间隙通道-15；主加热器-16；副加热器-17；石英坩埚-18；熔液-19；石墨坩埚-20；石墨螺栓-21；托杆-22；第一U型加热单元-101；第一加热结构的下端部-102；加热器脚-103；第一连接孔-104；第一沟槽-105；第二沟槽-106；第一加热结构的上端部-107；第一加热结构的中心位置-108；第二U型加热单元-111；第二加热结构的上端部-112；侧部沟槽-113；第二加热结构的下端部-114；第三沟槽-115；第四沟槽-116；底部沟槽-121；第二连接孔-122；主加热器的中心位置-161；第一脚件-1031；第二脚件-1032；第一狭槽组-1211；第二狭槽组-1212；第三狭槽组-1213；第一狭槽-12111；第二狭槽-12121；第三狭槽-12131；第一狭槽的第一端-121111；第一狭槽的第二端-121112；第二狭槽的第一端-121211；第二狭槽的第二端-121212；第三狭槽的第一端-121311；第三狭槽的第二端-121312。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是现有技术提供的一种加热器的结构示意图，该加热器的长瓣的高度大于短瓣的高度，假设长瓣的高度与短瓣的高度之比是2：1，则短瓣在短瓣的中心线处的温度最高，长瓣在长瓣的中心线处的温度最高，所以整个加热器温度最高的地方理论上应该是在短瓣的中心线和长瓣的中心线之间，但实际短瓣温度最高处在短瓣的中心线处，长瓣温度最高处在长瓣的中心线处，由此会使加热器的温度不均匀，这样就会产生热对流，会对坩埚侧壁造成冲刷，从而影响晶棒质量，尤其是在拉制大直径的晶棒时，加热器较大，温度不均匀的现象就会更明显，由此会造成加热器下部温度低，而上部及固液界面处温度较高，结晶界面处的纵向温度梯度较少，不利于单晶的生长。

基于上述原因，本实施例提供一种单晶炉加热装置。请参见图2、图3、图4和图5，图2是本发明实施例提供的一种单晶炉加热装置的结构示意图，图3是本发明实施例提供的一种第一加热结构的结构示意图，图4是本发明实施例提供的一种第二加热结构的结构示意图，图5是本发明实施例提供的一种第三加热结构的结构示意图。本发明实施例提供一种单晶炉加热装置，该单晶炉加热装置包括：环绕坩埚设置的第一加热结构10和第二加热结构11以及设置于坩埚底部的第三加热结构12，第一加热结构10位于第二加热结构11的上方，第二加热结构11位于第三加热结构12的上方，且沿周向第一加热结构10的上端部107至第一加热结构10的下端部102的高度一致，其中，第一加热结构10的下端部102和第二加热结构11的上端部112之间具有第一间隙通道13，第二加热结构11的下端部102与第三加热结构12连接以形成加热腔体，第一加热结构10的加热控制机构与第二加热结构11和第三加热结构12的加热控制机构不同，且第一加热结构10的高度满足在等径生长阶段坩埚中的熔液处于第一加热结构10的高度范围内。

在本实施例中，第一加热结构10位于第二加热结构11的上方，则可以使得第一加热结构10位于坩埚外围的上部，第二加热结构11位于坩埚外围的下部，且位于底部的第三加热结构12与第二加热结构11的下端部114相连接，例如可以是一体成型的，也可以是焊接在一起的，还可以为其它方式，对此本实施例不做具体限定。在第一加热结构10的下端部102和第二加热结构11的上端部112之间还具有第一间隙通道13，由此本实施例可以由一个加热控制机构独立控制第一加热结构10的工作状态，第二加热结构11和第三加热结构12由另一个加热控制机构独立控制第二加热结构11和第三加热结构12的工作状态，加热控制机构例如为电源，由此可以使得第一加热结构10与第二加热结构11、第三加热结构12分别独立控制，这样可以在不同的阶段对第一加热结构10与第二加热结构11、第三加热结构12施加不同的功率。

另外，沿第一加热结构10的周向，第一加热结构10的上端部107至第一加热结构10的下端部102的高度一致，由此其轴向方向上温度最高的区域便是固定的，如图6中的径向高温线，该径向高温线对应第一加热结构10轴向方向上温度最高的位置，沿径向高温线向上的部分第一加热结构10的温度逐渐降低，沿径向高温线向下的部分第一加热结构10的温度也是逐渐降低的，这样在等径生长阶段，可以降低第二加热结构11和第三加热结构12的功率或者关闭第二加热结构11和第三加热结构12，同时使得坩埚中的熔液处于第一加热结构10的高度范围内，这样第一加热结构10提供的热量便能保证熔液维持熔融状态，坩埚持续上升仍能使第一加热结构10的发热体对准坩埚中的熔液进行加热保温，并且第一加热结构10的加热区域温度稳定、均匀，可以减小热对流对坩埚的冲刷，能够使熔液中和固液界面处有足够的纵向温度梯度，保持整个等径过程平稳进行，保证固液界面波动很小。

再另外，本实施例将坩埚侧部的加热器分为第一加热结构10和第二加热结构11，在坩埚底部还设置有第三加热结构12，第二加热结构11和第三加热结构12可以分担第一加热结构10的加热功率，从而可以降低第一加热结构10的功率，延长第一加热结构10的使用寿命，这样还可以在保证坩埚侧面上部和下部温度稳定的情况下，再通过第三加热结构12对坩埚底部进行加热，这一结构使得单晶热场四周均设有加热结构，使得在熔料与晶体生长过程中热场炉内受热均匀，进而可保证晶棒生长时所需的温度梯度，维持晶棒的正常生长，保证晶棒的成晶率，提高晶棒的品质。第一加热结构10、第二加热结构11和第三加热结构12配合使用，使熔料在加热熔化过程中温度更均匀，无热量集中区域，使热场整体温度变化平缓，有效避免了因加热过程中局部过热导致坩埚损耗过快的现象出现，进而改善了晶棒拉制的产能和成品效率，同时还可以避免坩埚因局部过高而导致变形的问题产生的现象，从而延长坩埚的使用时间，进而可增加投料量，降低晶棒的生产成本，同时还可以减少靠近热场的配件(如石墨坩埚、石英坩埚、石墨电极等)处在高温下的时间，降低了配件的损耗速率，保证配件的使用效果和使用次数。又因为在等径生长阶段，可以降低第二加热结构11和第三加热结构12的功率、或者关闭第二加热结构11和第三加热结构12，这样也能起到降低坩埚底部温度的作用，从而减小热对流对坩埚的冲刷的效果，延缓靠近坩埚底部或坩埚侧壁附件氧含量的产生及使氧很难流动到单晶生长界面，可使得溶液和单晶硅棒中氧含量大幅减低，进而提升了晶棒的质量。并且，本实施例的单晶炉加热装置的结构形式还便于后期的拆卸、维护和安装。

请参见图7，图7是现有技术提供的一种单晶炉的结构示意图。现有的单晶炉的加热器一般包括主加热器16和副加热器17，副加热器17利用石墨螺栓21与正负电极连接，主加热器16高度H₁较高，在等径生长阶段，随着晶棒不断增长，石英坩埚18中熔液19(如硅熔液)逐渐减少，为了保持整个等径过程平稳进行，固-液界面波动很小，石英坩埚18的位置将不断上升，上升速度与熔液19下降速度相对应。而石英坩埚18的持续上升将导致主加热器16的中心位置161以下产生的热量辐射空置的热场处，未用于加热和保温熔液19，这样会造成至少30％以上热能的浪费，没有最大化将主加热器16产生的热量用于加热熔液19，提高了生产成本。

为了在等径生长阶段，能够更充分的利用第一加热结构10的热量，本实施例还设置第一加热结构10的高度满足在等径生长阶段坩埚中的熔液的一部分处于第一加热结构10的径向高温线以下的高度范围内、另一部分处于第一加热结构10的径向高温线以上的高度范围内。

本实施例通过在等径生长阶段使坩埚中的熔液的一部分处于第一加热结构10的径向高温线以下的高度范围内、使另一部分处于第一加热结构10的径向高温线以上的高度范围内，这样便可以充分利用处于径向高温线以上及以下的热量区域，而第一加热结构10沿径向高温线以上及以下的温度都是逐渐降低的，可以避免出现热对流，可以使熔液和固液界面处有足够的纵向温度梯度，从而使等径生长过程稳定的进行；另外，在等径生长时，坩埚持续上升时仍能使处于第一加热结构10对准坩埚中的熔液进行加热保温，能够始终使处于径向高温线以上的第一加热结构10的区域和处于径向高温线以下的第一加热结构10的区域所产生的热量均用于坩埚中的熔液，避免了第一加热结构10的下方产生的热量辐射到空置的热场处没有充分被利用，而造成能源浪费的现象。其中，例如熔液的一部分可以为整个熔液高度的1/3，熔液的另一部分则为整个熔液高度的2/3，又例如熔液的一部分可以为整个熔液高度的1/2，熔液的另一部分则为整个熔液高度的1/2，本实施例不对熔液的一部分及另一部分的具体位置做限定。

进一步地，第一加热结构10的高度满足在等径生长阶段坩埚中的熔液的下半部分处于第一加热结构10的径向高温线以下的高度范围内、上半部分处于第一加热结构10的径向高温线以上的高度范围内。这样设置的目的一是使熔液和固液界面处有更加足够的纵向温度梯度，使固液界面处的波动足够小，从而使整个等径生长阶段更加稳定的进行，二是可以更充分利用第一加热结构10所产生的热量。

进一步地，第一加热结构10的高度与第二加热结构11的高度的比例范围例如为1:1～2:1。请参见图8，图8是本发明实施例提供的一种单晶炉的结构示意图，本实施例的第一加热结构10的高度H₂较短，在等径生长时，石英坩埚18持续上升时仍能使第一加热结构10对准石英坩埚18中的熔液19进行加热保温，能够始终将第一加热结构10产生的热量高效利用，减少第一加热结构10的中心位置108以下产生的热量辐射到空置的热场处没有充分被利用，而造成能源浪费的现象。

优选地，第一加热结构10的高度为第二加热结构11的高度的2倍。

请再次参见图2至图5，在一个实施例中，第一加热结构10上设置有沿周向均匀排布的若干第一U型加热单元101，第二加热结构11上设置有沿周向均匀排布的若干第二U型加热单元111，第三加热结构12上还设置有若干狭槽组，若干狭槽组围绕第二加热结构11的中心轴线间隔设置；第一加热结构10的下端部102还设置有第一加热结构第二加热结构第一加热结构第二加热结构第一加热结构加热器脚103，加热器脚103位于第二加热结构11的侧部沟槽113和第三加热结构12的底部沟槽121中，加热器脚103与第二加热结构11的侧部沟槽113和第三加热结构12的底部沟槽121之间设有第二间隙通道14，加热器脚103上设置有第一连接孔104；第三加热结构12的中心位置设置有第三间隙通道15，且若干狭槽组连通至第三间隙通道15，且第三加热结构12上还设置有若干第二连接孔122。

在本实施例中，第一加热结构10和第二加热结构11的电阻的计算公式为：R＝ρ*L/S，式中：R为电阻、ρ为电阻率，例如第一加热结构10和第二加热结构11为石墨材料，ρ则为石墨材料的电阻率，其为固定值，L为长度、S为横截面积。从该计算公式中可以看出第一加热结构10和第二加热结构11的石墨材料选定后，其电阻率即为固定值，电阻的大小只与石墨长度及横截面积有关，第一加热结构10和第二加热结构11的回路越长、横截面积越小电阻就越大。第一加热结构10和第二加热结构11用石墨材料整体加工而成，在第一加热结构10和第二加热结构11上开槽形成电阻回路。在相同的电压下，电阻回路越多，产生的热量就越多，使得第一加热结构10和第二加热结构11的加热效率高，所以本实施例的第一加热结构10和第二加热结构11采用U型加热单元，各U型加热单元上下迂回、首尾依次相连构成第一加热结构10和第二加热结构11。

本实施例的第一加热结构10上设置有沿周向均匀排布的若干第一U型加热单元101，第二加热结构11上设置有沿周向均匀排布的若干第二U型加热单元111，同时在第三加热结构12上还设置围绕第二加热结构11的中心轴线间隔设置的狭槽组，且狭槽组连通至第三间隙通道15，这样在熔料时，单晶炉加热装置能够从坩埚的底部和坩埚的圆周侧面同时加热，这样可以提升加热效果，有利于坩埚整体均匀受热，无热量集中区域，使热场整体温度变化平缓，从而使坩埚在单晶炉中的使用次数延长、导流筒等配件的使用寿命延长，且可以缩短熔料时间，同时加热器脚103与第二加热结构11的侧部沟槽113和第三加热结构12的底部沟槽121之间还存在有第二间隙通道14，可以避免第一加热结构10的加热器脚103与第二加热结构11和第三加热结构12相接触，同时可以便于安装和拆卸。本实施例在加热器脚103上还设置有第一连接孔104，第一连接孔104可以通过利用例如石墨螺栓(未画出)将加热器脚103与电极平稳连接，且可以固定第一加热结构10，确保第一加热结构10与电极接触良好，防止通电时打火，加热器脚103的数量例如为两个，且对称设置，两个加热器脚103用于分别与正、负电极连接；另外，本实施例的第三加热结构12上还设置有第二连接孔122，第二连接孔122通过利用例如石墨螺栓(未画出)将第二加热结构11和第三加热结构12与正负电极平稳连接，且可以固定第二加热结构11和第三加热结构12，确保第二加热结构11和第三加热结构12与电极接触良好，防止通电时打火，第二连接孔122的数量例如为两个，且对称设置。另外，在第三加热结构12的中心位置还设置有第三间隙通道15，第三间隙通道15可以便于坩埚的托杆从第三间隙通道15中穿过，从而便于调节坩埚的高度，第三间隙通道15例如为圆形，第三间隙通道15的尺寸应大于托杆的尺寸，以免第三加热结构12与托杆相接触。

进一步地，第一U型加热单元101由第一加热结构10上相邻两个第一沟槽105之间的部分构成，且在相邻两个第一沟槽105的中间位置还设置有第二沟槽106，其中，第一沟槽105为自第一加热结构10的下端部102向第一加热结构10的上端部107延伸的沟槽，所述第二沟槽106为自第一加热结构10的上端部107向第一加热结构10的下端部102延伸的沟槽；第二U型加热单元111由第二加热结构11上相邻两个第三沟槽115之间的部分构成，且在相邻两个第三沟槽115的中间位置还设置有第四沟槽116，其中，第三沟槽115为自第二加热结构11的下端部114向第二加热结构11的上端部112延伸的沟槽，第四沟槽116为自第二加热结构11的上端部112向第二加热结构11的下端部114延伸的沟槽；第一沟槽105的长度小于第二沟槽106的长度，第一沟槽105的宽度等于第二沟槽106的宽度，第三沟槽115的长度小于第四沟槽116的长度，第三沟槽115的宽度等于第四沟槽116的宽度，且第一沟槽105的宽度和第二沟槽106的宽度大于第三沟槽115的宽度和第四沟槽116的宽度，第一沟槽105的长度和第二沟槽106的长度大于第三沟槽115的长度和第四沟槽116的长度。

具体地，本实施例的第一加热结构10上设置有多个自第一加热结构10的下端部102向第一加热结构10的上端部107延伸的第一沟槽105，第一加热结构10上还设置有多个自第一加热结构10的上端部107向下端部102延伸的第二沟槽106，且多个第一沟槽105和多个第二沟槽106交替设置，相邻两个第一沟槽105之间的第一加热结构10部分为一个U型加热单元，各U型加热单元上下迂回、首尾依次相连构成整个第一加热结构10。本实施例的第二加热结构11上设置有多个自第二加热结构11的下端部114向第二加热结构11的上端部112延伸的第三沟槽115，第二加热结构11上还设置有多个自第二加热结构11的上端部112向第二加热结构11的下端部114延伸的第四沟槽116，且多个第三沟槽115和多个第四沟槽116交替设置，相邻两个第三沟槽115之间的第二加热结构11部分为一个U型加热单元，各U型加热单元上下迂回、首尾依次相连构成整个第二加热结构11。

对于圆筒形状的第一加热结构10和第二加热结构11，其电阻回路越多，电阻就会更大，这势必会使得U型加热单元变得更窄，此时第一加热结构10和第二加热结构11的加工难度、使用过程中加热变形和发热体的寿命也势必受到影响。因此本实施例为了保证第一加热结构10和第二加热结构11能够具有足够的电阻，保证第一加热结构10和第二加热结构11的加热效率，同时为了保证第一加热结构10和第二加热结构11的性能及使用寿命，便使得第一沟槽105的长度小于第二沟槽106的长度，第三沟槽115的长度小于第四沟槽116的长度，第一沟槽105的宽度等于第二沟槽106的宽度，第三沟槽115的宽度等于第四沟槽116的宽度，且第一沟槽105的宽度和第二沟槽106的宽度大于第三沟槽115的宽度和第四沟槽116的宽度，这样设置可以到达调节发热分布、改变热场纵向温度梯度的效果，减小热对流对坩埚的冲刷，减缓氧含量的产生，从而有利于获得低氧含量、低缺陷的高品质的晶棒。

优选地，本实施例的第一加热结构10、第二加热结构11和第三加热结构12的材料均为石墨。

进一步地，第一U型加热单元101的数量小于第二U型加热单元111的数量，且第一加热结构10和第二加热结构11的壁厚相同，第一加热结构10和第二加热结构11同轴等径。

在本实施例中，第一U型加热单元101的数量越多，则电阻越大，其产生的热量就越多，同样地，第二U型加热单元111的数量越多，则电阻越大，其产生的热量就越多，另外，第一U型加热单元101的尺寸大于第二U型加热单元111的尺寸，则第二加热结构11的重量会比较轻，第二加热结构11上的第三沟槽115和第四沟槽116较多也不会对第二加热结构11的性能和寿命有太大影响，同时还能保证第二加热结构11具有较大的电阻。

请参见图3，进一步地，加热器脚103包括第一脚件1031和垂直于第一脚件1031设置的第二脚件1032，第一脚件1031的下端和第二脚件1032的外侧壁紧密相连，例如第一脚件1031和第二脚件1032一体成型，或者第一脚件1031和第二脚件1032通过焊接方式连接在一起，第一脚件1031的高度大于第二加热结构11的上端部112至第二加热结构11的下端部114的距离，第一脚件1031位于第二加热结构11的侧部沟槽113中，第二脚件1032位于第三加热结构12的底部沟槽121中，且第二脚件1032上设置有第一连接孔104。

在本实施例中，加热器脚103为“L”型加热器脚，且第一脚件1031的厚度与第二加热结构11的厚度相同，第二脚件1032的厚度与第三加热结构12的厚度相同，这样在安装时可以使得第二脚件1032的上表面和下表面与第三加热结构12的上表面和下表面相平齐。本实施例在第二加热结构11开设有侧部沟槽113和在第三加热结构12上开设有底部沟槽121，由此在第二加热结构11和第三加热结构12上形成了沿中心轴线对称的两个呈“L”型的沟槽，这样便于第一加热结构10的加热器脚103穿过，在第二脚件1032上还设置有第一连接孔104，通过如石墨螺栓将第一加热结构10分别与正、负电极平稳连接，确保第一加热结构10与电极接触良好，防止通电时打火。

请参见图5，进一步地，所有狭槽组包括若干第一狭槽组1211、若干第二狭槽组1212、若干第三狭槽组1213，若干第一狭槽组1211、若干第二狭槽组1212、若干第三狭槽组1213按照预设方式围绕第三加热结构12的中心轴线间隔设置，且第一狭槽组1211包括若干第一狭槽12111，第二狭槽组1212包括若干第二狭槽12121，第三狭槽组1213包括若干第三狭槽12131，其中，第一狭槽12111的第一端121111至第一狭槽12111的第二端121112的距离、第二狭槽12121的第一端121211至第二狭槽12121的第二端121212的距离、第三狭槽12131的第一端121311至第三狭槽12131的第二端121312的距离依次减小。

在本实施例中，预设方式为在第三加热结构12的径向方向上底部沟槽121对应设置的狭槽组为第三狭槽组1213，在第三加热结构12的径向方向上第二连接孔122对应设置的狭槽组为第二狭槽组1212，在第三加热结构12的其余部分设置的为第一狭槽组1211，即在第二狭槽组1212和第三狭槽组1213之间设置一第一狭槽组1211，且第一狭槽12111的数量根据第二狭槽组1212和第三狭槽组1213之间的距离进行设置，第二狭槽12121的数量根据第二连接孔122的尺寸进行设置，第三狭槽12131的数量根据底部沟槽121的尺寸进行设置，例如如图5所示，第一狭槽组1211包括3个第一狭槽12111，第二狭槽组1212包括1个第二狭槽12121，第三狭槽组1213包括3个第三狭槽12131，在第三加热结构12的圆周方向上依次设置有第一狭槽组1211、第二狭槽组1212、第一狭槽组1211、第三狭槽组1213、第一狭槽组1211、第二狭槽组1212、第一狭槽组1211和第三狭槽组1213。因为当石英坩埚18内的熔液19受热不均时会产生漩涡和热对流，引起熔液19波动，导致对石英坩埚18底部的冲刷增强，增加了氧含量的产生，从而增加了晶棒的缺陷。因此本实施例按照这种预设方式在第三加热结构12的径向方向上开设了长度不同的狭槽，这样设置的目的是为了能够使第三加热结构12的电阻较大、保证第三加热结构12有较高的加热效率、良好的性能及寿命，并使第三加热结构12中心对称，保证发热的均匀性，保持热场的稳定性，以降低对石英坩埚18底部的冲刷。

本实施例的单晶炉加热装置在熔料时能够从石英坩埚18的底部和圆周侧面同时加热，提升了加热效果，缩短了熔料时间，第二加热结构11和第三加热结构12可以分担第一加热结构10的加热功率，从而降低第一加热结构10的加热功率，延长第一加热结构10的使用寿命，晶棒在等径时通过降低第二加热结构11和第三加热结构12的功率、或者关闭第二加热结构11和第三加热结构12，同时还使石英坩埚18中的熔液处于第一加热结构10的高度范围内，因为第一加热结构10的上端部107至第一加热结构10的下端部102的高度不变，因此在等径阶段，可以保证第一加热结构10的加热区域温度稳定、均匀，减小热对流对坩埚的冲刷，能够使熔液中和固液界面处有足够的纵向温度梯度，保持整个等径过程平稳进行，保证固液界面波动很小。

实施例二

请参见图2、图3、图4、图5和图8。本实施例在上述实施例的基础上还提供一种单晶炉，该单晶炉包括单晶炉加热装置、石英坩埚18、石墨坩埚20，其中，单晶炉加热装置包括：环绕坩埚设置的第一加热结构10和第二加热结构11以及设置于坩埚底部的第三加热结构12，第一加热结构10位于第二加热结构11的上方，第二加热结构11位于第三加热结构12的上方，且沿周向第一加热结构10的上端部107至第一加热结构10的下端部102的高度一致，其中，第一加热结构10的下端部102和第二加热结构11的上端部112之间具有第一间隙通道13，第二加热结构11的下端部102与第三加热结构12连接以形成加热腔体，第一加热结构10的加热控制机构与第二加热结构11和第三加热结构12的加热控制机构不同，且第一加热结构10的高度满足在等径生长阶段坩埚中的熔液处于第一加热结构10的高度范围内。

应该明白的是，本实施例所提供的单晶炉其它装置均属于现有技术，本实施例在此不再赘述。

本发明实施例提供的单晶炉加热装置，其结构、实现原理和技术效果与实施例一的单晶炉加热装置类似，在此不再赘述。

实施例三

本发明在上述实施例的基础上，还提供一种单晶炉的加热方法，该单晶炉的加热方法包括：

步骤一、在化料阶段，第一加热结构、第二加热结构和第三加热结构同时开启工作，利用第一加热结构、第二加热结构和第三加热结构加热坩埚中的熔料使熔料熔化得到熔液，此阶段第一加热结构的功率大于第二加热结构和第三加热结构的功率。

具体地，将单晶炉进行清理，安装热场，其中热场可以包括第一加热结构、第二加热结构、第三加热结构、导流筒，石墨坩埚，石英坩埚等，检查无误后，把熔料(如多晶硅料)盛放在坩埚(如石英坩埚)中，将装有熔料的坩埚位置调节到合适的热区，密封单晶炉后抽真空、检漏和压力化，控制第一加热结构、第二加热结构和第三加热结构同时开启工作以熔化熔料，并调节第一加热结构、第二加热结构和第三加热结构的功率以控制加热温度和升温速度，这一过程中保持单晶炉的炉压为5～30Torr，惰性气体流量为70～120l/min，坩埚转速为0～5rpm，通过观察窗口观察熔料熔化状态，当初始的熔料熔化到一定程度时实施多次加料，以达到拉制整根晶棒所需的硅料用量，在这个过程中，第一加热结构的功率大于第二加热结构和第三加热结构的功率。

步骤二、在熔料全部熔化成熔液后，降低第一加热结构、第二加热结构和第三加热结构的功率使热场和熔液稳定，此阶段第一加热结构的功率大于第二加热结构和第三加热结构的功率。

具体地，待熔料全部熔化后，需进行稳定工艺，即需使热场和熔液稳定，此时打开磁场，降低第一加热结构、第二加热结构和第三加热结构到合适范围，以使热场和熔液稳定，待稳定化后，下降籽晶到熔液表面附近进行籽晶预热，在这个过程中，第一加热结构的功率大于第二加热结构和第三加热结构的功率。

步骤三、降低第二加热结构和第三加热结构的功率或者关闭第二加热结构和第三加热结构，对熔液进行熔接、放肩、转肩和等径过程得到晶棒，且在等径阶段，坩埚中的熔液处于所述第一加热结构的高度范围内。

具体地，因为要对熔液进行熔接、放肩、转肩和等径过程，因为此时只需确保熔液呈熔融状态即可，第一加热结构的功率完全可以满足熔接、放肩、转肩和等径过程所需要的热量，因此可以根据需要选择降低第二加热结构和第三加热结构的功率或者关闭第二加热结构和第三加热结构，以减少能源消耗，提高第一加热结构、第二加热结构和第三加热结构的使用寿命，合理控制第一加热结构的功率，其中在等径阶段，保持单晶炉的炉压为20～90Torr，惰性气体流量为70～210l/min，坩埚转速为0.1～3rpm，籽晶转速为6～15rpm，晶体生长平均拉速为0.5mm/min，在收尾阶段，坩埚中仍有少量熔液，可通过控制第一加热结构的功率，使晶棒直径逐渐缩小，形成一个尾部锥体，从而完成晶棒的制备。

进一步地，在等径阶段，坩埚中的熔液的一部分处于第一加热结构的径向高温线以下的高度范围内、另一部分处于第一加热结构的径向高温线以上的高度范围内处于第一加热结构的高度范围内。

优选地，在等径阶段，坩埚中的熔液的下半部分处于第一加热结构的径向高温线以下的高度范围内、上半部分处于第一加热结构的径向高温线以上的高度范围内。

本发明实施例提供的单晶炉的加热方法是利用上述实施例的单晶炉加热装置进行加热，其实现原理和技术效果与上述实施例的单晶炉加热装置类似，在此不再赘述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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。在本说明书中，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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，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进行接合和组合。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种单晶炉加热装置，其特征在于，包括：

环绕坩埚设置的第一加热结构，且沿周向所述第一加热结构的上端部至下端部的高度一致；

环绕坩埚设置的第二加热结构，位于所述第一加热结构下方，并且，所述第二加热结构的上端部与所述第一加热结构的下端部之间具有第一间隙通道；

第三加热结构，位于所述第二加热结构下方，且所述第三加热结构与所述第二加热结构的下端部连接以形成加热腔体；

其中，所述第一加热结构的加热控制机构与所述第二加热结构、所述第三加热结构的加热控制机构不同，且所述第一加热结构的高度满足在等径生长阶段坩埚中的熔液处于所述第一加热结构的高度范围内。

2.根据权利要求1所述的单晶炉加热装置，其特征在于，所述第一加热结构的高度满足在等径生长阶段坩埚中的熔液的一部分处于所述第一加热结构的径向高温线以下的高度范围内、另一部分处于所述第一加热结构的径向高温线以上的高度范围内，其中，所述径向高温线对应所述第一加热结构轴向方向上温度最高的位置。

3.根据权利要求2所述的单晶炉加热装置，其特征在于，所述第一加热结构的高度满足在等径生长阶段坩埚中的熔液的下半部分处于所述第一加热结构的径向高温线以下的高度范围内、上半部分处于所述第一加热结构的径向高温线以上的高度范围内。

4.根据权利要求3所述的单晶炉加热装置，其特征在于，所述第一加热结构的高度与所述第二加热结构的高度的比例范围为1:1～2:1。

5.根据权利要求1所述的单晶炉加热装置，其特征在于，所述第一加热结构上设置有沿周向均匀排布的若干第一U型加热单元；

所述第二加热结构上设置有沿周向均匀排布的若干第二U型加热单元；

所述第三加热结构上设置有若干狭槽组，所述若干狭槽组围绕所述第二加热结构的中心轴线间隔设置，所述第三加热结构的中心位置设置有第三间隙通道，所述若干狭槽组连通至所述第三间隙通道，且所述第三加热结构上还设置有若干第二连接孔；

所述第一加热结构的下端部还设置有加热器脚，所述加热器脚位于所述第二加热结构的侧部沟槽和所述第三加热结构的底部沟槽中，且所述加热器脚与所述第二加热结构的侧部沟槽和所述第三加热结构的底部沟槽之间设有第二间隙通道，所述加热器脚上还设置有第一连接孔。

6.根据权利要求5所述的单晶炉加热装置，其特征在于，所述第一U型加热单元由所述第一加热结构上相邻两个第一沟槽之间的部分构成，且在相邻两个所述第一沟槽的中间位置还设置有第二沟槽，其中，所述第一沟槽为自所述第一加热结构的下端部向上端部延伸的沟槽，所述第二沟槽为自所述第一加热结构的上端部向下端部延伸的沟槽；

所述第二U型加热单元由所述第二加热结构上相邻两个第三沟槽之间的部分构成，且在相邻两个所述第三沟槽的中间位置还设置有第四沟槽，其中，所述第三沟槽为自所述第二加热结构的下端部向上端部延伸的沟槽，所述第四沟槽为自所述第二加热结构的上端部向下端部延伸的沟槽；

所述第一沟槽的长度小于所述第二沟槽的长度，所述第一沟槽的宽度等于所述第二沟槽的宽度，所述第三沟槽的长度小于所述第四沟槽的长度，所述第三沟槽的宽度等于所述第四沟槽的宽度，且所述第一沟槽和所述第二沟槽的宽度大于所述第三沟槽和所述第四沟槽的宽度。

7.根据权利要求5或6所述的单晶炉加热装置，其特征在于，所述第一U型加热单元的数量小于所述第二U型加热单元的数量。

8.根据权利要求5所述的单晶炉加热装置，其特征在于，所述若干狭槽组包括若干第一狭槽组、若干第二狭槽组、若干第三狭槽组，所述若干第一狭槽组、所述若干第二狭槽组、所述若干第三狭槽组按照预设方式围绕所述第三加热结构的中心轴线间隔设置，且所述第一狭槽组包括若干第一狭槽，所述第二狭槽组包括若干第二狭槽，所述第三狭槽组包括若干第三狭槽，其中，

所述第一狭槽的第一端至第二端的距离、所述第二狭槽的第一端至第二端的距离、所述第三狭槽的第一端至第二端的距离依次减小。

9.一种单晶炉，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的单晶炉加热装置。

10.一种单晶炉的加热方法，其特征在于，所述单晶炉包括权利要求9所述的单晶炉，所述加热方法包括：

在化料阶段，所述第一加热结构、所述第二加热结构和所述第三加热结构同时开启工作，利用所述第一加热结构、所述第二加热结构和所述第三加热结构加热坩埚中的熔料使所述熔料熔化得到熔液，此过程所述第一加热结构的功率大于所述第二加热结构和所述第三加热结构的功率；

在所述熔料全部熔化成熔液后，降低所述第一加热结构、所述第二加热结构和所述第三加热结构的功率使热场和所述熔液稳定，此过程所述第一加热结构的功率大于所述第二加热结构和所述第三加热结构的功率；

降低所述第二加热结构和所述第三加热结构的功率或者关闭所述第二加热结构和所述第三加热结构，之后对所述熔液进行熔接、放肩、转肩和等径得到晶棒，且在所述等径阶段，坩埚中的熔液处于所述第一加热结构的高度范围内。

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