CN112301420A - 大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法 - Google Patents

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高润飞
张石晶
韩凯
武志军
霍志强
郭谦
宋瑞强
景吉祥
赵志远
钟旭
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    • C30B15/20—Controlling or regulating
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Abstract

本发明提供大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法，包括以下步骤，S1：稳温：在稳温过程中采用高埚转，以保证稳温过程中熔体内温度均匀性；S2：扩肩：在扩肩过程中采用缓变埚转工艺，同时采用缓降温工艺和高拉速，以保证单晶头部质量，保证扩肩成活率。本发明的有益效果是在稳温过程中坩埚的转速采用高埚转，保证稳温过程中熔体内温度均匀性，提高稳温成活率；在扩肩过程中，采用缓变埚转工艺，并结合缓降温工艺和高拉速，提高扩肩成活率，缩短扩肩长度，减少扩肩时间。

Description

大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法
技术领域
本发明属于直拉单晶技术领域，尤其是涉及大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法。
背景技术
单晶硅棒的生产过程包括多晶硅的融化，稳温、种籽晶，放肩、生长、收尾、冷却，在现有的技术中单晶硅棒的生产全过程均利用高纯氩气作为保护气，以保护单晶硅棒的生长，随着热场尺寸加大，硅棒直径的增加，整个生产过程时间在不断的延长，同时生产过程长晶难度在不断的增加，尤其是稳温、扩肩及收尾过程，极大影响产能及品质，增加生产负担，增加人力物力，变相增加了生产成本。
发明内容
鉴于上述问题，本发明要解决的问题是提供大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法，尤其适合大尺寸单晶拉制过程中使用，能够提升长晶成活率及单晶品质，同时缩短扩肩时间提升有效工时利用率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法，包括以下步骤，
S1：稳温：在稳温过程中采用高埚转，以保证稳温过程中熔体内温度均匀性；
S2：扩肩：在扩肩过程中采用缓变埚转工艺，同时采用缓降温工艺和高拉速，以保证单晶头部质量，保证扩肩成活率。
进一步的，步骤S1中的高埚转为坩埚的转速为14-10rpm。
进一步的，步骤S2中的缓变埚转工艺为在扩肩过程中坩埚的转速按照一定的锅转降幅下降，由高埚转降至低埚转。
进一步的，锅转降幅为2-1rpm。
进一步的，低埚转的坩埚转速为9-4rpm。
进一步的，步骤S2中的缓降温工艺为：在扩肩过程中随着扩肩长度的增长，温控模块按照一定的温度降幅对拉晶系统进行降温，降温过程包括第一次降温阶段、第二次降温阶段和第三次降温阶段，其中，
第一次降温阶段的温度降幅为1-10℃；
第二次降温阶段的温度降幅为10-20℃；
第三次降温阶段的温度降幅为20-30℃。
进一步的，步骤S2中的高拉速为45-120mm/h。
进一步的，扩肩过程中的扩肩长度小于130mm。
由于采用上述技术方案，在稳温过程中坩埚的转速采用高埚转，保证稳温过程中熔体内温度均匀性，减少稳温时间，提高稳温成活率；同时，在扩肩过程中，采用缓变埚转工艺，并结合缓降温工艺和高拉速，弥补坩埚的转速降低引起的温度升高，提高扩肩成活率，缩短扩肩长度，避免截面翻转对等径前期产生的负面影响，同时缩短扩肩时间，提高有效工时利用率。
附图说明
图1是本发明的一实施例的扩肩结构示意图；
图2是现有技术中的扩肩结构示意图。
图中：
H1.扩肩长度 H2.扩肩长度
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
图1示出了本发明一实施例的扩肩结构示意图，具体示出了扩肩的形状和高度，本实施例涉及大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法，在稳温过程中采用高埚转，在扩肩过程中采用缓变埚转工艺和缓降温工艺，同时采用高拉速，保证稳温过程中的温度的稳定性，同时保证单晶头部的品质，提升了扩肩成活率。
如图2所示，采用现有的直拉单晶技术进行稳温及扩肩，单晶的扩肩长度H1为180-210mm；如图1所示，采用本实施例的大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法，单晶的扩肩长度H2为小于130mm，扩肩长度降低，降低生产成本，提高单晶成活率及单晶品质。
具体地，大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法，包括以下步骤，
S1：稳温：在稳温过程中采用高埚转，以保证稳温过程中的温度均匀性；
大尺寸单晶硅棒由于热场变大，稳温过程中熔体内温度分布较小尺寸热场更加不均匀，容易导致稳温温度不稳，造成稳温困难及稳温时间延长，影响单晶成活率及有效工时利用率。为改善温度均匀性，减少稳温时间提升稳温成活率，在稳温过程采用高埚转。
具体地，在稳温过程中，坩埚的转速采用高埚转，保证稳温过程中熔体内温度的均匀性，该高埚转的坩埚转速为14-10rpm，该实际需求进行选择。
S2：扩肩：在扩肩过程中采用缓变埚转工艺，同时采用缓降温工艺和高拉速，以保证单晶头部质量，保证扩肩成活率；
具体地，为保证稳温稳定，同时，提高扩肩成活率，在稳温过程中采用高埚转工艺，在稳温过程中，坩埚的转速采用高埚转，但是高埚转工艺会导致单晶头部氧含量增加，引起同心圆缺陷产生，不利于单晶头部品质；所以，在扩肩过程中采用缓变埚转工艺，使单晶在扩肩结束前从高埚转缓变成低埚转，避免高埚转导致单晶头部氧高问题。
该缓变埚转工艺具体为：在扩肩过程中，随着扩肩长度的增加，坩埚的转速按照一定的锅转降幅下降，坩埚的转速由高埚转降至低埚转，这里高埚转的坩埚转速为14-10rpm，低埚转的坩埚转速为9-4rpm，该锅转降幅为2-1rpm。在扩肩长度增加的每一阶段，坩埚的转速按照锅转降幅逐渐下降，扩肩前期至扩肩结束前，由高埚转降至低埚转。
在坩埚的转速逐渐降低的过程中，还需控制拉晶系统的温度和拉速，使得坩埚的转速匹配适当温度及拉速，弥补低埚转引起的温度升高，保证单晶的质量。由于缓慢降低埚转可使扩肩过程温度不断升高，这不利于扩肩成活率，因此需要在缓变埚转过程中温控模块不断对拉晶系统进行降温，弥补低埚转引起的温度升高，同时使扩肩过程处于缓慢降温的过程，提升扩肩成活率。具体为：在扩肩过程中随着扩肩长度的增长，温控模块按照一定的温度降幅对拉晶系统进行降温，该降温过程根据扩肩长度进行选择，包括第一次降温阶段、第二次降温阶段和第三次降温阶段，其中，第一次降温阶段的温度降幅为1-10℃；第二次降温阶段的温度降幅为10-20℃；第三次降温阶段的温度降幅为20-30℃，随着扩肩长度的增加，温度逐渐下降。
下面具体说明随着扩肩长度的增加，坩埚的转速和温度逐渐下降的过程：
扩肩长度/mm 温度降幅/℃ 埚转降幅/rpm
0-50 1-10 2-1
50-100 10-20 2-1
100-150 20-30 2-1
由上表内容可以知道，扩肩长度由0增长到50mm的过程中，系统温度按照温度降幅1-10℃进行降温，坩埚的转速按照埚转降幅2-1rpm进行降速；
扩肩长度由50mm增长到100mm的过程中，系统温度按照温度降幅10-20℃进行降温，坩埚的转速按照埚转降幅2-1rpm进行降速；
扩肩长度由100mm增长到150mm的过程中，系统温度按照温度降幅20-30℃进行降温，坩埚的转速按照埚转降幅2-1rpm进行降速。
单晶扩肩过程中，生长前沿界面为凸向熔体，等径前期翻转为凹向熔体，扩肩后期或等径前期生长界面返转由凸向熔体转为凹向熔体，导致热应力分布不均匀或是产生局部回熔，产生漩涡缺陷。特别是大尺寸单晶，由于单晶直径更大，界面翻转过程会产生更多热应力，头部缺陷占比会更高。因此，在扩肩过程中，需在降温过程中单晶拉制需要更高拉速，实现平扩肩目的，既可以缩短扩肩长度，又可以使扩肩过程界面翻转提前，避免界面翻转对等径前期产生更多负面影响。具体地，该单晶拉制的高拉速为：45-120mm/h，根据实际需求进行选择。
由于采用上述技术方案，在稳温过程中坩埚的转速采用高埚转，保证稳温过程中熔体内温度均匀性，减少稳温时间，提高稳温成活率；同时，在扩肩过程中，采用缓变埚转工艺，并结合缓降温工艺和高拉速，弥补坩埚的转速降低引起的温度升高，提高扩肩成活率，缩短扩肩长度，避免截面翻转对等径前期产生的负面影响，同时缩短扩肩时间，提高有效工时利用率。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1：稳温：在稳温过程中采用高埚转，以保证稳温过程中熔体内温度均匀性；
S2：扩肩：在扩肩过程中采用缓变埚转工艺，同时采用缓降温工艺和高拉速，以保证单晶头部质量，保证扩肩成活率。
2.根据权利要求1所述的大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法，其特征在于：所述步骤S1中的高埚转为坩埚的转速为14-10rpm。
3.根据权利要求1或2所述的大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法，其特征在于：所述步骤S2中的缓变埚转工艺为在扩肩过程中坩埚的转速按照一定的锅转降幅下降，由高埚转降至低埚转。
4.根据权利要求3所述的大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法，其特征在于：所述锅转降幅为2-1rpm。
5.根据权利要求4所述的大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法，其特征在于：所述低埚转的坩埚转速为9-4rpm。
6.根据权利要求1或2或4或5所述的大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法，其特征在于：所述步骤S2中的缓降温工艺为：在扩肩过程中随着扩肩长度的增长，温控模块按照一定的温度降幅对拉晶系统进行降温，所述降温过程包括第一次降温阶段、第二次降温阶段和第三次降温阶段，其中，
所述第一次降温阶段的温度降幅为1-10℃；
所述第二次降温阶段的温度降幅为10-20℃；
所述第三次降温阶段的温度降幅为20-30℃。
7.根据权利要求6所述的大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法，其特征在于：所述步骤S2中的高拉速为45-120mm/h。
8.根据权利要求1或2或4或5或7所述的大热场环境下大尺寸单晶硅棒成晶及品质改善工艺方法，其特征在于：所述扩肩过程中的扩肩长度小于130mm。
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