CN114574943B - 一种单晶炉及一种单晶 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种单晶炉及一种单晶，涉及半导体技术领域，能够提高单晶生产的整棒率。具体方案包括：该单晶炉包括炉体和炉盖，炉体中设有：坩埚；保温筒，保温筒包括上保温筒，上保温筒位于坩埚的顶部，坩埚与保温筒连通；环状保温台，环状保温台设置于保温筒的顶端；隔离筒，隔离筒设置于环状保温台远离坩埚的平面上，且隔离筒的顶端与炉盖之间存在预设间隙。

Description

一种单晶炉及一种单晶

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种单晶炉及一种单晶。

背景技术

随着世界经济的不断发展，现代化建设对高效清洁能源需求不断增长。光伏发电作为绿色能源以及人类可持续发展的主要能源的一种，日益受到世界各国的重视并得到大力发展。单晶硅作为光伏发电的基础材料的一种，拥有广泛的市场需求。

目前，常在单晶炉中采用直拉法来生长单晶，单晶炉是一种在惰性气体环境中用加热器将多晶硅等多晶材料熔化、用直拉法生长无错位单晶的设备。然而，现有的单晶炉在晶体生长时由于单晶炉内的气流作用容易引入杂质，导致单晶生长存在生长缺陷，从而导致制备得到单晶的整棒率较低。

发明内容

本申请提供一种单晶炉及一种单晶，能够提高单晶生产的整棒率。

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种单晶炉，该单晶炉包括炉体和炉盖，炉体中设有：坩埚；

保温筒，保温筒包括上保温筒，上保温筒位于坩埚的顶部，坩埚与保温筒连通；

环状保温台，环状保温台设置于保温筒的顶端；

隔离筒，隔离筒设置于环状保温台远离坩埚的平面上，且隔离筒的顶端与炉盖之间存在预设间隙。

在一个实施例中，隔离筒由预设材料制备而成，预设材料为耐高温材料和保温材料。

在一个实施例中，隔离筒为喇叭形筒状结构，且隔离筒的第一位置的横截面积大于隔离筒的第二位置的横截面积，第一位置为隔离筒远离坩埚的位置，第二位置为隔离筒靠近坩埚的位置。

在一个实施例中，炉体中还设有：导流筒，导流筒位于坩埚的顶部；

导流筒位于保温筒和隔离筒的筒内。

在一个实施例中，炉体中还设有：水冷热屏，水冷热屏的一端与导流筒连接。

在一个实施例中，隔离筒的侧壁上开设有通孔，水冷热屏的另一端穿过通孔。

在一个实施例中，炉体中还设有：加热器，加热器设置于坩埚的外围。

在一个实施例中，隔离筒的直径为70厘米-140厘米，隔离筒的高度为10厘米-60厘米。

在一个实施例中，预设材料包括碳碳、石墨、石英中的任一种。

本申请实施例第二方面，还提供了一种单晶，该单晶采用本申请实施例第一方面任一实施例的单晶炉制备得到。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本申请实施例提供的单晶炉，包括炉体和炉盖，其中炉体中设有坩埚、保温筒、环状保温台和隔离筒，其中，保温筒包括上保温筒，上保温筒位于坩埚的顶部，坩埚和保温筒连通，环状保温台设置于保温筒的顶端，隔离筒设置于环状保温台远离坩埚的平面上，且隔离筒的顶端与炉盖之间存在预设间隙。本申请实施例提供的单晶炉，通过在炉盖和环状保温台之间设置隔离筒，这样，可以在往单晶炉中充入惰性气体时，惰性气体会从炉盖直接运动至坩埚，避免惰性气体的气流紊乱，并在环状保温台的位置附近形成气流旋涡，从而将环状保温台上的单晶粉末或者其他杂质粉末带入到坩埚内，使得单晶生长过程中出现生长缺陷导致断线的情况，因此，本申请实施例提供的单晶炉可以提高单晶生产的整棒率。同时，由于本申请实施例提供的单晶炉在充入惰性气体时，惰性气体会从炉盖直接运动至坩埚，氩气气流能快速的带走晶棒表面的热量，使得晶体生长的热量差增加，增加了单晶的生长动力，从而可以提高单晶的生长速度。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种单晶炉的剖面示意图一；

图2为本申请实施例提供的一种单晶炉的剖面示意图二；

图3为本申请实施例提供的一种隔离筒的纵截面的示意图。

附图标记说明：

10：炉体；20：炉盖；

101：坩埚；102：上保温筒；103：环状保温台；104：隔离筒；105：导流筒；106：水冷热屏。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

随着世界经济的不断发展，现代化建设对高效清洁能源需求不断增长。光伏发电作为绿色能源以及人类可持续发展的主要能源的一种，日益受到世界各国的重视并得到大力发展。单晶硅作为光伏发电的基础材料的一种，拥有广泛的市场需求。

目前，常在单晶炉中采用直拉法来生长单晶，单晶炉是一种在惰性气体环境中用加热器将多晶硅等多晶材料熔化、用直拉法生长无错位单晶的设备。然而，现有的单晶炉在晶体生长时由于单晶炉内的气流作用容易引入杂质，导致单晶生长存在生长缺陷，从而导致制备得到单晶的整棒率较低。

如图1所示，本申请实施例提供一种单晶炉，该单晶炉包括炉体10和炉盖20，炉体10中设有：坩埚101、保温筒、环状保温台103和隔离筒104。

其中，保温筒包括上保温筒102，上保温筒102位于坩埚101的顶部，且坩埚101与保温筒连通。环状保温台103，环状保温台103设置于上保温筒102的顶端；隔离筒104，隔离筒104设置于环状保温台103远离坩埚101的平面上，且隔离筒104的顶端与炉盖20之间存在预设间隙。

其中，该预设间隙可以为小于5毫米的一个间隙，通过设置该间隙可以防止炉盖20在盖紧时，对隔离筒104的顶端产生磨损，或者防止炉盖20在盖紧时产生的压力，隔离筒104造成损坏。

需要说明的是，该单晶炉可以用于制备单晶，该单晶可以为硅单晶，锗单晶等半导体材料单晶，还包括其他材料的单晶。本申请对此不作具体限定。

示例的，以单晶炉用于制备硅单晶为例，其中，坩埚101用于盛放硅粉，坩埚101的外围设有加热器以及下保温筒。同时，单晶炉在制备硅单晶的过程中，需要往单晶炉中充入惰性气体，该惰性气体可以为氩气或者氮气，本申请实施例对比不作具体限定。

如图2所示，为不包括隔离筒104的单晶炉的结构示意图，向不包括隔离筒104的单晶炉充入惰性气体时，气体会从单晶炉的两边扩散，气流的比较紊乱，由于到炉体10之间存在一定的流动距离且对气体不具备导向作用，容易在单晶炉的环状保温台103的位置形成气流旋涡，这样，在往单晶炉中加料的过程中，会使得硅粉乱飞，同时，容易将环状保温台103上的单晶粉末或者其他杂质粉末带入到坩埚101内，使得单晶生长过程中出现生长缺陷导致断线的情况，从而使得该单晶炉制备得到的单晶的整棒率较低。

在实际应用过程中，通过在炉盖20和环状保温台103之间设置隔离筒104，这样，可以在往单晶炉中充入惰性气体时，惰性气体会从炉盖20直接运动至坩埚101，避免惰性气体的气流紊乱，并在环状保温台103的位置附近形成气流旋涡，从而将环状保温台103上的单晶粉末或者其他杂质粉末带入到坩埚101内，使得单晶生长过程中出现生长缺陷导致断线的情况，因此，本申请实施例提供的单晶炉可以提高单晶生长的整棒率。同时，由于本申请实施例提供的单晶炉在充入惰性气体时，惰性气体会从炉盖20直接运动至坩埚101，气流能快速的带走晶棒表面的热量，使得晶体生长的热量差增加，增加了单晶的生长动力，从而可以提高单晶的生长速度。

在一个实施例中，隔离筒104可以由预设材料制备而成，该预设材料可以为耐高温材料和保温材料。

可选的，该预设材料可以为碳碳材料、石墨材料或石英材料。这几种材料均具有较好的耐高温性和保温性。

在实际应用中，通过设置该隔离筒104，可以阻挡部分单晶炉内的部分热量与炉盖20的接触，因此可以阻挡单晶炉内的部分热量向外流失，同时，由于该隔离筒104是由保温材料制备而成，因此具有较好的保温性能，可以进一步防止单晶炉内的热量损失，进而可以降低单晶炉的功耗。

在一个实施例中，该隔离筒104可以为喇叭形筒状结构，且隔离筒104的第一位置的横截面积大于隔离筒104的第二位置的横截面积，第一位置为隔离筒104远离坩埚101的位置，第二位置为隔离筒104靠近坩埚101的位置。

在实际应用过程中，该隔离筒104可以为喇叭形筒状结构，且该隔离筒104的横截面积从上到下逐渐减少，这样可以使得隔离筒104的顶部可以与炉盖20很好的贴合，同时可以增加隔离筒104的保温面积，可以进一步降低单晶炉的功耗。

具体的，参阅附图3，隔离筒104的侧壁倾斜角度记为α角，且2度<α角＜8度，通过设置α角于2度至8度区间内，避免隔离筒104的侧壁小于2度而过于竖直设置导致侧壁无法对惰性气体产生倾斜导向作用，从而出现于环状保温台103出现紊流将环状保温台103上的单晶粉末或者其他杂质粉末带入到坩埚101内；同时避免隔离筒104的侧壁大于8度而过于倾斜设置导致惰性气体在侧面的导向下，同一时间段内大量进入使与晶棒表面接触，没有进行平缓的导向缓冲，导致晶棒表面温差出现骤冷现象从而出现碎裂、降低强度或密度不均等情况发生；优选的，α角为5度，通过设置呈5度倾斜的侧壁，使得隔离筒104在一定程度实现对惰性气体导流的同时，实现惰性气体于环状保温台103实现平稳过渡至晶棒实现接触降温，并通过恒定的路径导向实现与晶棒自上而下之间的均匀接触降温，自上而下实现对晶棒的恒定降温效果，热量通过传导方式散失，使得晶棒上下的温度相差大，纵向温度梯度大，可提升晶体的成晶速度，提高单产。

进一步的，隔离筒104与环状保温台103之间的连接位于环状保温台103靠近环状保温台103的轴心的一侧；其中，环状保温台103的径向宽度记为R，隔离筒104至环状保温台103靠近轴心一侧的距离记为L，且L＜1/3R；避免隔离筒104与环状保温台103的轴心距离过远大，导致隔离筒104无法实现其导流效果，使得惰性气体于过大的空间内流动而产生无法控制的紊流，同时避免隔离筒104过于靠近唤醒保温台的轴心，导致惰性气体径直输入至坩埚101内导致坩埚101内的物质被惰性气体吹动而出现提晶不稳定的情况发生；通过使得L＜1/3R，实现隔离筒104对惰性气体的导流效果同时，避免出现紊流的情况发生。

在一个实施例中，炉体10中还设有：导流筒105，导流筒105位于坩埚101的顶部；导流筒105位于保温筒和隔离筒104的筒内。炉体10中还设有：水冷热屏106，水冷热屏106的一端与导流筒105连接。

其中，导流筒105位于坩埚101的顶部，导流筒105可以包括外导流筒和内导流筒，导流筒105用于隔离坩埚101的部分热量。同时，导流筒105可以上下活动，在进行加料时，可以将导流筒105提起进行加料。

在一个实施例中，隔离筒104的侧壁上开设有通孔，水冷热屏106的另一端穿过通孔。

需要说明的是，对于隔离筒104在环状保温台103上的设置位置可以有多种，可以将隔离筒104设置于水冷热屏106的外围，或者隔离筒104侧壁位于水冷热屏106的运动方向上，这样就需要在隔离筒104的侧壁上开设通孔，并将水冷热屏106布设于通孔内，并且可以在通孔内运动。

如图3所示，隔离筒104的直径可以为70厘米-140厘米，隔离筒104的高度为10厘米-60厘米。具体的隔离筒104的尺寸数值可以根据不同的单晶炉进行具体设计。

本申请实施例提供的单晶炉，包括炉体10和炉盖20，其中炉体10中设有坩埚101、保温筒、环状保温台103和隔离筒104，其中，保温筒包括上保温筒102，上保温筒102位于坩埚101的顶部，坩埚101和保温筒连通，环状保温台103设置于保温筒的顶端，隔离筒104设置于环状保温台103远离坩埚101的平面上，且隔离筒104的顶端与炉盖20之间存在预设间隙。本申请实施例提供的单晶炉，通过在炉盖20和环状保温台103之间设置隔离筒104，这样，可以在往单晶炉中充入惰性气体时，惰性气体会从炉盖20直接运动至坩埚101，避免惰性气体的气流紊乱，并在环状保温台103的位置附近形成气流旋涡，从而将环状保温台103上的单晶粉末或者其他杂质粉末带入到坩埚101内，使得单晶生长过程中出现生长缺陷导致断线的情况，因此，本申请实施例提供的单晶炉可以提高单晶生长的整棒率。

同时，由于本申请实施例提供的单晶炉在充入惰性气体时，惰性气体会从炉盖20直接运动至坩埚101，氩气气流能快速的带走晶棒表面的热量，使得晶体生长的热量差增加，增加了单晶的生长动力，从而可以提高单晶的生长速度。

进一步的，导流筒105远离坩埚101的一端边缘自垂直于导流筒105的轴向延伸有凸缘，当需要进行加料时，导流筒105提升，使导流筒105部分位于环状保温台103上方，部分位于环状保温台103下方，此时位于环状保温台103上方的导流筒105与隔离筒104之间形成有保温间隙，坩埚101的高温辐射至炉盖20上，由于炉盖20呈弧形，使得热辐射沿炉盖20两侧蔓延至隔离筒104，并通过呈5度倾斜的侧壁流动至导流筒105与隔离筒104之间的保温间隙；由于导流筒105于环状保温台103上方的部位距离坩埚101较远，因此其受热辐射较少，通过设置导流筒105与隔离筒104之间形成保温间隙，保证导流筒105升起与环状保温台103上方的部分能够同时得到炉体10下方的热辐射保温，减少炉内的热量散热以及热损耗；进一步的，通过于导流筒105设置有凸缘，当热辐射自隔离筒104导流至保温间隙后，自环状保温台103反射时，由于设置有凸缘结构，使得热辐射自上流动时凸缘能够实现对热辐射的格挡，避免保温间隙的热量消失，实现对环状保温台103上方的导流筒105部分实现保温效果，避免提升时导流筒105的整体热量不均匀，影响晶体的制造效果。

本申请实施例还提供了一种单晶，该单晶可以通过本申请实施例提供的单晶炉制备得到。该单晶炉包括：该单晶炉包括炉体10和炉盖20，炉体10中设有：坩埚101、保温筒、环状保温台103和隔离筒104。其中，保温筒包括上保温筒102，上保温筒102位于坩埚101的顶部，且坩埚101与保温筒连通。环状保温台103设置于保温筒的顶端；隔离筒104，隔离筒104设置于环状保温台103远离坩埚101的平面上，且隔离筒104的顶端与炉盖20之间存在预设间隙。

可选的，隔离筒104由预设材料制备而成，预设材料为耐高温材料和保温材料。

可选的，隔离筒104为喇叭形筒状结构，且隔离筒104的第一位置的横截面积大于隔离筒104的第二位置的横截面积，第一位置为隔离筒104远离坩埚101的位置，第二位置为隔离筒104靠近坩埚101的位置。

可选的，炉体10中还设有：导流筒105，导流筒105位于坩埚101的顶部；

导流筒105位于保温筒和隔离筒104的筒内。

可选的，炉体10中还设有：水冷热屏106，水冷热屏106的一端与导流筒105连接。

可选的，隔离筒104的侧壁上开设有通孔，水冷热屏106的另一端穿过通孔。

可选的，炉体10中还设有：加热器，加热器设置于坩埚101的外围。

可选的，隔离筒104的直径为70厘米-140厘米，隔离筒104的高度为10厘米-60厘米。

可选的，预设材料包括碳碳、石墨、石英中的任一种。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种单晶炉，其特征在于，所述单晶炉包括炉体和炉盖，所述炉体中设有：

坩埚；

保温筒，所述保温筒包括上保温筒，所述上保温筒位于所述坩埚的顶部，所述坩埚与所述保温筒连通；

环状保温台，所述环状保温台设置于所述保温筒的顶端；

隔离筒，所述隔离筒设置于所述环状保温台远离所述坩埚的平面上，且所述隔离筒的顶端与所述炉盖之间存在预设间隙，所述预设间隙小于5毫米；

所述隔离筒为喇叭形筒状结构，且所述隔离筒的第一位置的横截面积大于所述隔离筒的第二位置的横截面积，所述第一位置为所述隔离筒远离所述坩埚的位置，所述第二位置为所述隔离筒靠近所述坩埚的位置；

所述隔离筒的侧壁倾斜角度记为α角，且2度<α角＜8度；

隔离筒与环状保温台之间的连接位于环状保温台靠近环状保温台的轴心的一侧；其中，环状保温台的径向宽度记为R，隔离筒至环状保温台靠近轴心一侧的距离记为L，且L＜1/3R；

所述炉体中还设有：导流筒，所述导流筒位于所述坩埚的顶部；所述导流筒位于所述保温筒和所述隔离筒的筒内；

所述导流筒远离所述坩埚的一端边缘自垂直于所述导流筒的轴向延伸有凸缘。

2.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述隔离筒由预设材料制备而成，所述预设材料包括耐高温材料和保温材料。

3.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述炉体中还设有：水冷热屏，所述水冷热屏的一端与所述导流筒连接。

4.根据权利要求3所述的单晶炉，其特征在于，

所述隔离筒的侧壁上开设有通孔，所述水冷热屏的另一端穿过所述通孔。

5.根据权利要求1或2所述的单晶炉，其特征在于，所述炉体中还设有：加热器，所述加热器设置于所述坩埚的外围。

6.根据权利要求1或2所述的单晶炉，其特征在于，所述隔离筒的直径为70厘米-140厘米，所述隔离筒的高度为10厘米-60厘米。

7.根据权利要求2所述的单晶炉，其特征在于，所述预设材料包括碳碳、石墨、石英中的任一种。