CN114941171B - 一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置和工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及单晶硅制备技术领域，具体地说，涉及一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置和工艺方法。包括炉室、承载硅溶体的石英内坩埚、承载石英内坩埚的支撑外坩埚、坩埚加热器、隔热装置、单晶硅提拉装置、坩埚升降装置及真空和惰性气体保证系统。本发明设计的装置可以采用直拉法直接拉制出准矩形截面的单晶硅棒，具有节能、生产效率高、有害杂质和氧污染低的优点；其工艺方法流程简单、操作方便、简化，可以快速、准确地拉制高质量的准矩形单晶硅棒，有助于降低光伏电池成本、提高光伏电池光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及单晶硅制备技术领域，具体地说，涉及一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置和工艺方法。
背景技术
用于制作光伏电池的单晶硅片基本是矩形或准矩形的，现有技术中一般采用先拉制圆柱状单晶硅棒，再将圆柱状单晶硅棒加工成矩形或准矩形的单晶硅棒，然后切制矩形单晶硅片的工艺方法。该直拉(CZ)法是一种应用了几十年的成熟的生长硅单晶的技术方法，因为其可以生长大尺寸高质量单晶硅，非常有利于降低生产制造成本，因此在光伏制造领域，几乎是唯一的高质量单晶硅材料的制备方法。
现有直拉法制备单晶硅的单晶炉中，其石英内坩埚和起支撑、均热作用的石墨外坩埚的横截面都是圆形的，圆形的坩埚应力比较均匀、比较节省材料、还可以通过控制晶体和坩埚的旋转方向和转数，可以使得晶体生长前沿温度更均衡、温度梯度更对称。
然而，现有的直拉法制备单晶硅的设备和工艺只能拉制横截面为准圆形的单晶硅棒，将圆形的单晶硅棒加工成矩形的单晶硅棒会切除掉较多的边皮。
虽然这些边皮可以作为原料重新熔融回炉，但势必提高了过程的能源消耗，降低了设备利用率和生产效率；
多次回融增加了对多晶硅原料的污染；
大直径单晶硅晶体径向热传导路径长、热阻大，散热条件差，因晶体径向内外温差大导致晶体内部热应力大；
同时热阻大，散热条件差，使的晶体轴向温度梯度较小，限制了拉晶速度；
另外坩埚和晶体的旋转会使更多氧原子进入石英坩埚中的晶体，导致晶体含氧量高。
目前还没有以直拉法直接拉制准矩形柱状单晶硅棒的装置，也没有相应可解决上述问题的工艺方法。鉴于此，我们提出了一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置和工艺方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置和工艺方法，以解决上述背景技术中存在的问题。
为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供了
一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置，其特征在于：包括从内至外依次设置内腔具有准矩形横截面的石英内坩埚和承载石英内坩埚的支撑外坩埚，所述支撑外坩埚外侧设有坩埚加热器，所述坩埚加热器沿支撑外坩埚周边布置、对称分布，安装在加热器底盘上，所述坩埚加热器外侧设有隔热装置，所述石英内坩埚的正上方设有单晶硅提拉装置，所述单晶硅提拉装置从所述石英内坩埚提拉出准矩形柱体单晶硅棒，所述支撑外坩埚底端设有坩埚升降装置，所述石英内坩埚、所述支撑外坩埚、所述坩埚加热器及所述隔热装置均安装于炉室内，所述石英内坩埚的上方处规则布设有至少两个结晶前沿位置光学探测器。
作为优选，所述加热器底盘的下部或炉室的上方还配套设有x0y平面位移/旋角控制器该装置包括但不限于两种结构，具体为：第一种结构，所述x0y平面位移/旋角控制器位于设备机架与所述加热器底盘之间，既可以在炉室内，也可以部分在炉室内，部分在炉室外；第二种结构，所述x0y平面位移/旋角控制器位于设备机架与所述单晶硅提拉装置之间，既可以位于炉室内，也可以位于炉室外；既可以处于所述单晶硅提拉装置的下端，也可以处于所述单晶硅提拉装置的上端，此为第一种设置。
作为优选，所述x0y平面位移/旋角控制器包含有位移控制器，借助于位移控制器，在拉晶过程中，根据需要可在水平面x0y内调节所提拉准矩形柱体单晶硅棒重心垂直线与所述坩埚加热器横截面几何中心的相对位置。
作为优选，所述x0y平面位移/旋角控制器还包含有旋角控制器，借助于旋角控制器，在拉晶过程中，根据需要可在水平面x0y内调节所提拉准矩形柱体单晶硅棒横截面对角线与所述坩埚加热器横截面特定直线的相对夹角。
作为优选，所述x0y平面位移/旋角控制器中的平移控制器和旋角控制器既可以组合在一起，也可以单独设置，且可以安装在不同部位。
作为替代，一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置，还包括第二种设置：其包括从内至外依次设置内腔具有准矩形横截面的石英内坩埚和内腔具有准矩形横截面的支撑外坩埚，所述支撑外坩埚外侧设有坩埚加热器，所述坩埚加热器设有若干纵向分区，若干纵向分区坩埚加热器沿所述支撑外坩埚周边布置且对称分布，安装在所述加热器底盘上，此为第二种设置，所述坩埚加热器外侧和下方设有隔热装置，所述石英内坩埚的正上方设有单晶硅提拉装置，所述单晶硅提拉装置从所述石英内坩埚提拉出准矩形柱体单晶硅棒，所述支撑外坩埚底端设有坩埚升降装置，所述石英内坩埚、所述支撑外坩埚、所述坩埚加热器及所述隔热装置均安装于炉室内，所述石英内坩埚的上方规则布设有至少两个结晶前沿位置光学探测器。
作为优选，所述坩埚加热器是石墨电阻加热器，各所述纵向分区坩埚加热器分别与各自分区加热电源V相并联，组成分区加热系统，各所述纵向分区坩埚加热器可以单独控制其加热功率；各纵向分区加热系统串联，布置在所述支撑外坩埚的外侧，组成整体坩埚加热器。
作为优选，所述纵向分区坩埚加热器的数量至少为四个，与所述石英内坩埚各边缘平面部位相对应的纵向分区坩埚加热器至少为一个，每个所述纵向分区坩埚加热器均对应着一个所述结晶前沿位置光学探测器。
特别指出，第一种设置和第二种设置的结构可以单独或组合设置。
特别指出，本文件中所谓“准矩形柱体单晶硅”的“准矩形”定义为：
本文件中所谓“坩埚的准矩形横截面”的“准矩形”定义为：
特别指出，为了保证所提拉准矩形柱体单晶硅平面位移和转角的稳定性，本发明的提拉装置优先采用可以限制所述准矩形柱体单晶硅棒平面位移和转角的硬提拉轴。
本发明的目的之二在于，提供了一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的工艺方法，包括上述所述的用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置，选用不同结构的装置(第一种设置、第二种设置或第一种设置、第二种设置的组合设置)时，可以采用不同的工艺方案：
S1、选用第一种设置的结构，按常规流程进行提拉生长，根据目测或各结晶前沿位置光学探测器的信号，分别调整准矩形柱体单晶硅棒的重心垂直线与坩埚加热器横截面中心的相对位置、调整准矩形柱体单晶硅棒横截面对角线与石英内坩埚横截面特定直线间的夹角、调整整体坩埚加热器系统的功率及拉速，所述石英内坩埚有效容积部位的横截面积与所述准矩形柱体单晶硅棒有效部位横截面积之比为2～13；
S2、选用第二种设置的结构，按常规流程进行提拉生长，根据目测或各结晶前沿位置光学探测器的信号，分别调整各分区坩埚加热器的功率、整体坩埚加热器系统的功率及拉速，所述石英内坩埚有效容积部位的横截面积与所述准矩形柱体单晶硅棒有效部位横截面积之比为2～13；
特别指出，本文件中，所谓石英内坩埚有效容积部位指，石英内坩埚内的融硅量足以支持单晶硅棒继续正常等形生长时的页面部位；所谓准矩形柱体单晶硅棒有效部位指准矩形柱体单晶硅棒等形生长的部位。
其中，第一种设置和第二种设置的结构可以单独或联合运用；所述S1、S2两种工艺手段也可以单独或组合使用。
进一步地，所述S1中，选用第一种结构的装置进行提拉生长的具体工艺流程包括如下步骤：
S1.1、熔料：除石英内坩埚、支撑外坩埚不旋转外，其他工艺控制原则与现有技术相同；
S1.2、引晶：除石英内坩埚、支撑外坩埚和籽晶不旋转外，其他工艺控制原则与现有技术相同；
S1.3、放肩：石英内坩埚、支撑外坩埚和籽晶不旋转，降低拉速和加热功率，根据目测或各结晶前沿位置光学探测器的位置信号输出，借助于x0y平面位移/旋角控制器，调整籽晶及晶体的重心垂直线与坩埚加热器横截面中心的相对位置，并调整晶体的旋角，使晶体的棱线处于正确的方位，形成一个准矩形横截面的准矩形柱体单晶硅棒的“肩”。其他工艺控制原则与现有技术相同；
S1.4、转肩：石英内坩埚、支撑外坩埚和晶体不旋转，晶体形状、位置控制同S1.3。
其他与现有技术相同；
S1.5、晶体等形生长：相当于现有技术的“等径生长”，根据各结晶前沿位置光学探测器的位置信号输出，借助于x0y平面位移/旋角控制器，分别调整在x0y水平面内调节所提拉准矩形柱体单晶硅棒重心垂直线与坩埚加热器横截面中心的相对位置、准矩形柱体单晶硅棒横截面对角线与石英内坩埚横截面特定直线间的夹角、以及根据各结晶前沿位置光学探测器的位置信号输出的加权均值，调整准矩形柱体单晶硅棒的拉速和整体坩埚加热系统的整体加热功率；
S1.6、收尾：除石英内坩埚、支撑外坩埚和籽晶不旋转外，其他工艺控制原则与现有技术相同；
替代地，所述S2中，选用第二种结构的装置进行提拉生长的具体工艺流程包括如下步骤：
S2.1、熔料：除石英内坩埚、支撑外坩埚不旋转外，其他工艺控制原则与现有技术相同；
S2.2、引晶：除石英内坩埚、支撑外坩埚和籽晶不旋转外，其他工艺控制原则与现有技术相同；
S2.3、放肩：石英内坩埚、支撑外坩埚和籽晶不旋转，降低拉速和加热功率，根据各结晶前沿位置光学探测器的位置信号输出，单独调整对应的各分区坩埚加热器的加热功率，使晶体处于正确的位置，并保持正确的形状，形成一个准矩形横截面的准矩形柱体单晶硅棒的“肩”。其他工艺控制原则与现有技术相同；
S2.4、转肩：石英内坩埚、支撑外坩埚和晶体不旋转，晶体形状、位置控制同S2.3，其他与现有技术相同；
S2.5、晶体等形生长：根据各结晶前沿位置光学探测器的位置信号输出，单独调整对应的各分区坩埚加热器的加热功率，以保持准矩形柱体单晶硅棒截面的形状和准矩形柱体单晶硅棒的直线度；根据各结晶前沿位置光学探测器的位置信号输出的加权均值，调整准矩形柱体单晶硅棒的拉速和整体坩埚加热系统的整体加热功率；
S2.6、收尾：除石英内坩埚、支撑外坩埚和籽晶不旋转外，其他工艺控制原则与现有技术相同；
作为本技术方案的进一步改进，所述准矩形柱体单晶硅棒的提拉方向是[100]晶向。
作为本技术方案的进一步改进，所述准矩形柱体单晶硅棒垂直于提拉方向的截面是准正方形，[100]晶向晶体的棱线处于准正方形的“角”的位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.节能
该用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置通过设置准矩形的石英内坩埚、支撑外坩埚及按准矩形分布的坩埚加热器，当所述石英内坩埚有效容积部位的横截面积与所述准矩形柱体单晶硅棒有效部位横截面积之比为一适当值时，在坩埚内壁和单晶硅棒附近的熔融硅中形成一个准矩形分布的温度场，为拉制准矩形单晶硅创造条件，从而可以采用直拉法直接拉制出准矩形截面的单晶硅棒，准矩形单晶硅棒，后续加工材料利用率高、材料复熔少，节电节能。
2.生产效率高
准矩形截面单晶硅棒径向热传导路径短、比表面积大、热阻小，散热条件良好，晶体径向内外温差较小使得晶体内部热应力小，可以得到较高的轴向温度梯度，提高拉晶速度。因此，生产效率较高。
3.产品质量高
因坩埚和晶体不旋转使坩埚内熔体稳定，减少石英坩埚中融入硅溶体的氧原子，晶体含氧量较低；复熔料少，带入融硅的有害杂质少；因此单晶硅纯度较高，产品质量高。
4.工艺方法流程简单、操作方便
随着控制技术软、硬件水平的提高，无论是机械随动还是电气控制的自动化水平都能满足本发明的需要，该用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的工艺方法流程简单、操作方便、简化，应用上述装置可以快速、准确地拉制高质量的准矩形单晶硅棒，可以解决现有传统工艺中的问题。
经CGsim软件仿真也表明，当坩埚转数为“0”时，晶体的三相点处应力处于较低水平，有利于晶体稳定生长，避免过程中发生“断棱”的缺陷；CGsim软件仿真的结果还表明，0锅转时，晶体确实具有最低的氧含量。
综上，本发明具有能源消耗低、生产效率高、单晶硅质量高等优点，有助于降低光伏电池成本、提高光伏电池光电转换效率，对光伏产业的降本增效具有重要意义。
附图说明
图1为本发明中包含有第一种设置的第一种结构纵向截面正视结构示意图；
图2为本发明中第二种设置的一种结构纵向截面正视结构示意图；
图3为本发明中包含有第一种设置的两种结构和第二种设置的组合结构纵向截面正视结构示意图；
图4为本发明中装置的第一种内、外坩埚和坩埚加热器布局俯视示意图；
图5为本发明中装置的第二种内、外坩埚和坩埚加热器布局俯视示意图；
图6为本发明中示例性的各分区坩埚加热器的电路连接示意图；
图7为本发明中示例性的整体工艺方法流程图；
图8为本发明中采用第一种设置的工艺方法流程图；
图9为本发明中采用第二种设置的工艺方法流程图；
图10为本发明中采用第一种设置和第二种设置组合装置的工艺方法流程图。
图中：
1、石英内坩埚；11、准矩形柱体单晶硅棒；
2、支撑外坩埚；
3、坩埚加热器；3-x、分区坩埚加热器；31、加热器底盘；
4、隔热装置；
5、单晶硅提拉装置；
6、坩埚升降装置；
7、炉室；71、第一真空和惰性气体保证系统连接管；72、第二真空和惰性气体保证系统连接管；
8、结晶前沿位置光学探测器；
9、x0y平面位移/旋角控制器；9-1、x0y平面位移控制器；9-2、x0y平面旋角控制器；
10、籽晶；
12、提拉轴
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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设备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。
此外，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。在本发明的描述中，“若干”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
实施例1
如图1、图4、图7、图8所示，本实施例提供了一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置，具体生长准正方形柱体单晶硅。此为第一种设置：其包括从内至外依次设置内腔具有准正方形横截面的石英内坩埚1和承载石英内坩埚的支撑外坩埚2，支撑外坩埚2外侧设有坩埚加热器3，坩埚加热器3沿支撑外坩埚周边布置、对称分布，安装在加热器底盘31上，坩埚加热器3外侧和下方设有隔热装置4，石英内坩埚1的正上方设有单晶硅提拉装置5，单晶硅提拉装置5从石英内坩埚1提拉出准正方形柱体单晶硅棒11，支撑外坩埚2底端设有坩埚升降装置6，石英内坩埚1、支撑外坩埚2、坩埚加热器3及隔热装置4 均安装于炉室7内，石英内坩埚1的上方准正方形坩埚的对角处规则布设有两个结晶前沿位置光学探测器8，加热器底盘31的下部配套设有x0y平面位移/旋角控制器9，该装置包括但不限于两种结构，第一种结构：x0y平面位移/旋角控制器9位于设备机架与加热器底盘31之间，既可以在炉室7内，也可以部分在炉室7内，部分在炉室7外；第二种结构：x0y平面位移/旋角控制器9位于设备机架与单晶硅提拉装置5之间，既可以位于炉室 7内，也可以位于炉室7外；既可以处于单晶硅提拉装置5的下端，也可以处于单晶硅提拉装置5的上端，其驱动控制装置未标出设置于炉室7的外面，本实施例中采用第一种结构。
具体地，x0y平面位移/旋角控制器9包含有位移控制器，借助于位移控制器，在拉晶过程中，根据需要可在水平面x0y内调节所提拉准正方形柱体单晶硅棒11的重心垂直线与坩埚加热器3横截面几何中心的相对位置。
进一步地，x0y平面位移/旋角控制器9还包含有旋角控制器，借助于旋角控制器，在拉晶过程中，根据需要可在水平面x0y内调节所提拉准正方形柱体单晶硅棒11横截面对角线与坩埚加热器3横截面特定直线的相对夹角。
本实施例中，平移控制器和旋角控制器组合在一起。
优选地，单晶硅提拉装置5采用可以限制准正方形柱体单晶硅棒11横向或转动运动的硬提拉轴12。
本实施例中，坩埚加热器3沿支撑外坩埚2直边对称分布，准正方形横截面的坩埚和准正方形横截面分布的坩埚加热器3，有利于在临近坩埚内壁的熔融硅中形成一个准正方形分布的温度场，为拉制准正方形单晶硅创造条件。
本实施例中，炉室7的侧壁和底端设有若干真空和惰性气体保证系统连接管71、72，保证炉室7内的真空和惰性气氛。
本实施例中，炉室7的侧壁和底端设有若干真空和惰性气体保证系统连接管71、72，保证炉室7内的真空和惰性气氛。
配合第一种设置，本实施例实施S1工艺方案，包括如下步骤：
S1.1、熔料，除石英内坩埚1、支撑外坩埚2不旋转外，其他工艺控制原则与现有技术相同；
S1.2、引晶，除石英内坩埚1、支撑外坩埚2和籽晶10不旋转外，其他工艺控制原则与现有技术相同；
S1.3、放肩，石英内坩埚1、支撑外坩埚2和籽晶10不旋转，降低拉速和加热功率，根据目测或各结晶前沿位置光学探测器8的位置信号输出，借助于x0y平面位移/旋角控制器9，调整籽晶10及晶体的重心垂直线与坩埚加热器3横截面中心的相对位置，并调整晶体的旋角，使晶体的棱线处于正确的方位，形成一个准正方形横截面的准正方形柱体单晶硅棒11的“肩”，其他工艺控制原则与现有技术相同；
S1.4、转肩，石英内坩埚1、支撑外坩埚2和籽晶10及晶体不旋转，晶体形状、位置控制同S1.3，其他与现有技术相同；
S1.5、晶体等形生长，根据各结晶前沿位置光学探测器8的位置信号输出，借助于x0y 平面位移/旋角控制器9，在x0y水平面内调节所提拉准正方形柱体单晶硅棒11重心垂直线与坩埚加热器3横截面中心的相对位置、准矩形柱体单晶硅棒11横截面对角线与石英内坩埚1横截面特定直线间的夹角、以及根据各结晶前沿位置光学探测器8的位置信号输出的加权均值，调整准正方形柱体单晶硅棒11的拉速和整体坩埚加热系统的整体加热功率；
S1.6、收尾，除石英内坩埚1、支撑外坩埚2和籽晶10不旋转外，其他工艺控制原则与现有技术相同；
本实施例中，准正方形柱体单晶硅棒11的提拉方向是[100]晶向。
进一步地，准正方形柱体单晶硅棒11垂直于提拉方向有效部位的截面是准正方形。
具体地，准正方形柱体单晶硅棒11的“棱线”位于准正方形的“角”的位置。
本实施例中，所述石英内坩埚有效容积部位的横截面积与所述准矩形柱体单晶硅棒有效部位横截面积之比为4～9。
实施例2
如图2、图4、图6、图7、图9所示，本实施例提供了另一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置和工艺方法，具体生长准正方形柱体单晶硅。此为第二种设置：包括从内至外依次设置的内腔具有准正方形横截面的石英内坩埚1和内腔具有准正方形横截面的支撑外坩埚2，支撑外坩埚2外侧设有坩埚加热器3，坩埚加热器3设有四个纵向分区3-x，四个纵向分区坩埚加热器3-1～3-4沿支撑外坩埚2周边布置且对称分布见图4，安装在加热器底盘31上，坩埚加热器3外侧和下方设有隔热装置4，石英内坩埚1的正上方设有单晶硅提拉装置5，单晶硅提拉装置5从石英内坩埚1提拉出准正方形柱体单晶硅棒11，支撑外坩埚2底端设有坩埚升降装置6，石英内坩埚1、支撑外坩埚2、坩埚加热器3及隔热装置4均安装于炉室7内，石英内坩埚1的上方规则布设有四个结晶前沿位置光学探测器 8。
进一步地，坩埚加热器3是石墨电阻加热器，各纵向分区坩埚加热器3-x分别与各自分区加热电源V(3-x)相并联，组成分区加热系统，各纵向分区坩埚加热器3-x可以单独控制其加热功率；各纵向分区加热系统串联，布置在支撑外坩埚2的外侧，组成整体坩埚加热器3。
优选地，四个纵向分区坩埚加热器3-1～3-4，分别与石英内坩埚1边缘平面部位相对应，每个纵向分区坩埚加热器3-x均对应一个结晶前沿位置光学探测器8，分别对应准正方形柱体单晶硅棒11的四个“平面”，用于监测准正方形柱体单晶硅棒11结晶前沿位置。
准正方形横截面的坩埚和准正方形横截面分布的坩埚加热器3，有利于在临近坩埚内壁的熔融硅中形成一个准正方形分布的温度场，为拉制准正方形单晶硅创造条件。
优选地，单晶硅提拉装置5采用可以限制准正方形柱体单晶硅棒11横向或转动运动的“硬”提拉轴。
本实施例中，炉室7的侧壁和底端设有若干真空和惰性气体保证系统连接管71、72，保证炉室7内的真空和惰性气氛。
配合第二种设置，本实施例采用S2工艺方案，包括如下步骤：
S2.1、熔料，除石英内坩埚1、支撑外坩埚2不旋转外，其他工艺控制原则与现有技术相同；
S2.2、引晶，除石英内坩埚1、支撑外坩埚2和籽晶10不旋转外，其他工艺控制原则与现有技术相同；
S2.3、放肩，石英内坩埚1、支撑外坩埚2和籽晶10不旋转，降低拉速和加热功率，根据各结晶前沿位置光学探测器8的位置信号输出，单独调整对应的各分区坩埚加热器3-x的加热功率，使晶体处于正确的位置，并保持正确的形状，形成一个准正方形横截面的准正方形柱体单晶硅棒的“肩”。其他工艺控制原则与现有技术相同；
S2.4、转肩，石英内坩埚1、支撑外坩埚2和所生长晶体不旋转，晶体形状、位置控制同S2.3，其他与现有技术相同；
S2.5、晶体等形生长，根据各结晶前沿位置光学探测器8的位置信号输出，单独调整对应的各分区坩埚加热器3-x的加热功率，以保持准正方形柱体单晶硅棒11截面的形状和准正方形柱体单晶硅棒11的直线度；根据各结晶前沿位置光学探测器8的位置信号输出的加权均值，调整准正方形柱体单晶硅棒11的拉速和整体坩埚加热系统的整体加热功率；
S2.6、收尾，除石英内坩埚1、支撑外坩埚2和籽晶10不旋转外，其他工艺控制原则与现有技术相同；
本实施例中，准正方形柱体单晶硅棒11的提拉方向是[100]晶向。
进一步地，准正方形柱体单晶硅棒11垂直于提拉方向有效部位的截面是准正方形。
具体地，准矩形柱体单晶硅棒11的“棱线”位于准正方形的“角”的位置。
本实施例中，所述石英内坩埚有效容积部位的横截面积与所述准矩形柱体单晶硅棒有效部位横截面积之比为4～9。
实施例3
如图3、图5、图6、图7、图10所示，本实施例将实施例1、实施例2组合，提供了一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置和工艺方法，以生长准长方形柱体单晶硅为例，其装置包括，从内至外依次设置的内腔具有准长方形横截面的石英内坩埚1和内腔具有准长方形横截面的支撑外坩埚2，支撑外坩埚2外侧设有坩埚加热器3，坩埚加热器3设有八个纵向分区3-x，八个纵向分区坩埚加热器3-1～3-8沿支撑外坩埚2周边布置且对称分布见图5，安装在加热器底盘31上，坩埚加热器3外侧和下方设有隔热装置4，石英内坩埚1的正上方设有单晶硅提拉装置5，单晶硅提拉装置5从石英内坩埚1提拉出准长方形柱体单晶硅棒11，支撑外坩埚2底端设有坩埚升降装置6，石英内坩埚1、支撑外坩埚2、坩埚加热器3及隔热装置4均安装于炉室7内，石英内坩埚1的上方规则布设有八个结晶前沿位置光学探测器8，平面位移/转角控制器9的位移装置和转角装置分开设置，加热器底盘31的下部配套设有x0y平面位移控制器9-1，单晶硅提拉装置5的下部配套设有x0y 平面转角控制器9-2。所述x0y平面位移控制器9-1位于设备机架与所述加热器底盘31之间，其驱动和控制装置(未标出)位于炉室7的外面；所述x0y平面旋角控制器9-2位于设备机架与所述单晶硅提拉装置5之间，位于炉室7之外。
进一步地，坩埚加热器3是石墨电阻加热器，各纵向分区坩埚加热器3-x分别与各自分区加热电源V(3-x)相并联，组成分区加热系统，各纵向分区坩埚加热器3-x可以单独控制其加热功率；各纵向分区加热系统串联，布置在支撑外坩埚2的外侧，组成整体坩埚加热器3。
优选地，八个纵向分区坩埚加热器3-1～3-8，分别与石英内坩埚1边缘平面部位和转角部位相对应，每个纵向分区坩埚加热器3-x均对应一个结晶前沿位置光学探测器8，用于监测准长方形柱体单晶硅棒11结晶前沿位置。
准长方形横截面的坩埚和准长方形横截面分布的坩埚加热器3，有利于在坩埚内部的熔融硅中形成一个准长方形分布的温度场，为拉制准长方形截面单晶硅创造条件。
具体地，借助于x0y平面位移控制器9-1，在拉晶过程中，根据需要可在水平面x0y内调节所提拉准长方形柱体单晶硅棒11的重心垂直线与坩埚加热器3横截面几何中心的相对位置；借助于x0y平面旋角控制器9-2，在拉晶过程中，根据需要可在水平面x0y内调节所提拉准长方形柱体单晶硅棒11横截面对角线与坩埚加热器3横截面特定直线的相对夹角。
优选地，单晶硅提拉装置5采用可以限制准长方形柱体单晶硅棒11横向或转动运动的“硬”提拉轴。
本实施例中，炉室7的侧壁和底端设有若干真空和惰性气体保证系统连接管71、72，保证炉室7内的真空和惰性气氛。
配合第一种设置和第二种设置的组合，本实施例采用S1与S2组合的工艺方案，记为 S3，包括如下步骤：
S3.1、熔料，除石英内坩埚1、支撑外坩埚2不旋转外，其他工艺控制原则与现有技术相同；
S3.2、引晶，除石英内坩埚1、支撑外坩埚2和籽晶10不旋转外，其他工艺控制原则与现有技术相同；
S3.3、放肩，石英内坩埚1、支撑外坩埚2和籽晶10不旋转，降低拉速和加热功率，根据各结晶前沿位置光学探测器8的位置信号输出，单独调整对应的各分区坩埚加热器3-x的加热功率，结合调整x0y平面位移控制器9-1、转角控制器9-2，调整籽晶10及晶体的重心垂直线与坩埚加热器3横截面中心的相对位置，并调整晶体的旋角，使晶体的棱线处于正确的方位，使晶体处于正确的位置，并保持正确的形状，形成一个准长方形横截面的准长方形柱体单晶硅棒的“肩”。其他工艺控制原则与现有技术相同；
S3.4、转肩，石英内坩埚1、支撑外坩埚2和所生长晶体不旋转，晶体形状、位置控制同S3.3，其他与现有技术相同；
S3.5、晶体等形生长，根据各结晶前沿位置光学探测器8的位置信号输出，单独调整对应的各分区坩埚加热器3-x的加热功率，结合调整x0y平面位移控制器9-1、转角控制器9-2，以保持准长方形柱体单晶硅棒11截面的形状和准长方形柱体单晶硅棒11的直线度；根据各结晶前沿位置光学探测器8的位置信号输出的加权均值，调整准长方形柱体单晶硅棒11的拉速和整体坩埚加热系统的整体加热功率；
S3.6、收尾，除石英内坩埚1、支撑外坩埚2和籽晶10不旋转外，其他工艺控制原则与现有技术相同；
本实施例中，准长方形柱体单晶硅棒11的提拉方向是[100]晶向。
进一步地，准长方形柱体单晶硅棒11垂直于提拉方向有效部位的截面是准长方形。
本实施例中，所述石英内坩埚有效容积部位的横截面积与所述准矩形柱体单晶硅棒有效部位横截面积之比为4～9。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分步骤的过程可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的方法，其特征在于：包括从内至外依次设置内腔具有准矩形横截面的石英内坩埚（1）和承载石英内坩埚的支撑外坩埚（2），所述支撑外坩埚（2）外侧设有坩埚加热器（3），所述坩埚加热器（3）沿支撑外坩埚周边布置、对称分布，安装在加热器底盘（31）上，所述坩埚加热器（3）外侧设有隔热装置（4），所述石英内坩埚（1）的正上方设有单晶硅提拉装置（5），所述单晶硅提拉装置（5）从所述石英内坩埚（1）提拉出准矩形柱体单晶硅棒（11），所述支撑外坩埚（2）底端设有坩埚升降装置（6），所述石英内坩埚（1）、所述支撑外坩埚（2）、所述坩埚加热器（3）及所述隔热装置（4）均安装于炉室（7）内，所述石英内坩埚（1）的上方处规则布设有至少两个结晶前沿位置光学探测器（8）；
所述加热器底盘（31）的下部或炉室（7）的上方还配套设有x0y平面位移/旋角控制器（9）该装置包括但不限于两种结构，具体为：第一种结构，所述x0y平面位移/旋角控制器（9）位于设备机架与所述加热器底盘（31）之间，既可以在炉室（7）内，也可以部分在炉室（7）内，部分在炉室(7)外；第二种结构，所述x0y平面位移/旋角控制器（9）位于设备机架与所述单晶硅提拉装置（5）之间，既可以位于炉室（7）内，也可以位于炉室（7）外，此为第一种设置；
所述x0y平面位移/旋角控制器（9）包含有位移控制器、旋角控制器中的至少一个；其中，所述x0y平面位移/旋角控制器（9）包含有位移控制器时，借助于位移控制器，在拉晶过程中，根据需要可在水平面x0y内调节所提拉准矩形柱体单晶硅棒（11）重心垂直线与所述坩埚加热器（3）横截面几何中心的相对位置；所述x0y平面位移/旋角控制器（9）包含有旋角控制器时，借助于旋角控制器，在拉晶过程中，根据需要可在水平面x0y内调节所提拉准矩形柱体单晶硅棒（11）横截面对角线与所述坩埚加热器（3）横截面特定直线的相对夹角；
所述坩埚加热器（3）设有若干纵向分区（3-x），若干纵向分区坩埚加热器（3-x）沿所述支撑外坩埚（2）周边布置且对称分布，安装在所述加热器底盘（31）上，此为第二种设置；
选用不同结构的装置（第一种设置结构、第二种设置结构或第一种设置、第二种设置的组合结构）时，可以采用不同的工艺方案，包括如下步骤：
S1、选用第一种设置结构的装置，按常规流程进行提拉生长，根据各结晶前沿位置光学探测器（8）的信号，分别调整准矩形柱体单晶硅棒（11）的重心垂直线与坩埚加热器（3）横截面中心的相对位置、准矩形柱体单晶硅棒（11）横截面对角线与石英内坩埚（1）横截面特定直线间的夹角、整体坩埚加热器系统的功率及拉速，所述石英内坩埚（1）有效容积部位的横截面积与所述准矩形柱体单晶硅棒（11）有效部位横截面积之比为2~13；
S2、选用第二种设置结构的装置，按常规流程进行提拉生长，根据各结晶前沿位置光学探测器（8）的信号，分别调整各分区坩埚加热器（3-x）的功率、整体坩埚加热器系统的功率及拉速，所述石英内坩埚（1）有效容积部位的横截面积与所述准矩形柱体单晶硅棒（11）有效部位横截面积之比为2~13；
其中，所述第一种设置和第二种设置的结构可以单独或组合采用；所述S1、S2两种工艺手段也可以单独或组合使用；
所述S1中，选用第一种设置结构的装置进行提拉生长的具体工艺流程包括如下步骤：
S1.1、熔料，石英内坩埚（1）、支撑外坩埚（2）不旋转；
S1.2、引晶，石英内坩埚（1）、支撑外坩埚（2）和籽晶（10）不旋转；
S1.3、放肩，石英内坩埚（1）、支撑外坩埚（2）和籽晶（10）不旋转，降低拉速和加热功率，根据目测或各结晶前沿位置光学探测器（8）的位置信号输出，借助于x0y平面位移/旋角控制器（9），调整籽晶（10）及晶体的重心垂直线与坩埚加热器（3）横截面中心的相对位置，并调整晶体的旋角，使晶体的棱线处于正确的方位，形成一个准矩形横截面的准矩形柱体单晶硅棒（11）的“肩”；
S1.4、转肩，石英内坩埚（1）、支撑外坩埚（2）和晶体不旋转，晶体形状、位置控制同S1.3；
S1.5、晶体等形生长，根据各结晶前沿位置光学探测器（8）的位置信号输出，借助于x0y平面位移/旋角控制器（9），分别调整在x0y水平面内所提拉准矩形柱体单晶硅棒（11）重心垂直线与坩埚加热器（3）横截面中心的相对位置、准矩形柱体单晶硅棒（11）横截面对角线与石英内坩埚（1）横截面特定直线间的夹角、以及根据各结晶前沿位置光学探测器（8）的位置信号输出的加权均值，调整准矩形柱体单晶硅棒（11）的拉速和整体坩埚加热系统的整体加热功率；
S1.6、收尾，石英内坩埚（1）、支撑外坩埚（2）和籽晶（10）不旋转。
2.根据权利要求1所述的用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的方法，其特征在于：所述坩埚加热器（3）是石墨电阻加热器，各所述纵向分区坩埚加热器（3-x）分别与各自分区加热电源V（3-x）相并联，组成分区加热系统，各所述纵向分区坩埚加热器（3-x）可以单独控制其加热功率；各纵向分区加热系统串联，布置在所述支撑外坩埚（2）的外侧，组成整体坩埚加热器（3）；所述纵向分区坩埚加热器（3-x）的数量至少为四个，与所述石英内坩埚（1）各边缘平面部位相对应的纵向分区坩埚加热器（3-x）至少为一个，每个所述纵向分区坩埚加热器（3-x）均对应着一个所述结晶前沿位置光学探测器（8）。
3.根据权利要求2所述的用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的方法，其特征在于：所述单晶硅提拉装置（5）采用可以限制准矩形柱体单晶硅棒（11）横向或转动运动的硬提拉轴（12）。
4.根据权利要求3所述的用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的方法，其特征在于：所述S2中，选用第二种设置结构的装置进行提拉生长的具体工艺流程包括如下步骤：
S2.1、熔料，石英内坩埚（1）、支撑外坩埚（2）不旋转；
S2.2、引晶，石英内坩埚（1）、支撑外坩埚（2）和籽晶（10）不旋转；
S2.3、放肩，石英内坩埚（1）、支撑外坩埚（2）和籽晶（10）不旋转，降低拉速和加热功率，根据目测或各结晶前沿位置光学探测器（8）的位置信号输出，单独调整对应的各分区坩埚加热器（3-x）的加热功率，使晶体处于正确的位置，并保持正确的形状，形成一个准矩形横截面的准矩形柱体单晶硅棒的“肩”；
S2.4、转肩，石英内坩埚（1）、支撑外坩埚（2）和晶体不旋转，晶体形状、位置控制同S2.3；
S2.5、晶体等形生长，根据各结晶前沿位置光学探测器（8）的位置信号输出，单独调整对应的各分区坩埚加热器（3-x）的加热功率，以保持准矩形柱体单晶硅棒（11）截面的形状和准矩形柱体单晶硅棒（11）的直线度；根据各结晶前沿位置光学探测器（8）的位置信号输出的加权均值，调整准矩形柱体单晶硅棒（11）的拉速和整体坩埚加热系统的整体加热功率；
S2.6、收尾，石英内坩埚（1）、支撑外坩埚（2）和籽晶（10）不旋转。
5.根据权利要求4所述的用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的方法，其特征在于：所述准矩形柱体单晶硅棒（11）的提拉方向是[100]晶向；所述准矩形柱体单晶硅指垂直于单晶硅棒拉制方向有效部位的横截面呈“准矩形”，所述准矩形柱体单晶硅棒（11）垂直于提拉方向的截面是准正方形，其单晶硅棒的“棱线”位于准正方形的“角”的位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Address after: 675000 east side of South Gate of chufengyuan, sunshine Avenue, Lucheng Town, Chuxiong City, Chuxiong Yi Autonomous Prefecture, Yunnan Province Patentee after: Yunnan Yuze Semiconductor Co.,Ltd. Address before: 675000 east side of South Gate of chufengyuan, sunshine Avenue, Lucheng Town, Chuxiong City, Chuxiong Yi Autonomous Prefecture, Yunnan Province Patentee before: Yuze semiconductor (Yunnan) Co.,Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: No. 69 Waizhou Road, Yihai Community, Lucheng Town, Chuxiong City, Chuxiong Yi Autonomous Prefecture, Yunnan Province, 675000 Patentee after: Yunnan Yuze New Energy Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 675000 east side of South Gate of chufengyuan, sunshine Avenue, Lucheng Town, Chuxiong City, Chuxiong Yi Autonomous Prefecture, Yunnan Province Patentee before: Yunnan Yuze Semiconductor Co.,Ltd. Country or region before: China |
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| CP03 | Change of name, title or address |