CN115467014B - 单晶硅制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种单晶硅制备装置，装置包括：晶体生长炉本体；坩埚；升降机构，用于将籽晶垂直升降；导流筒；装置还包括：主加热单元，设在位于坩埚外侧；副加热单元，位于坩埚和导流筒之间，处于熔体液面上方，用于对熔体进行加热；控制单元，用于控制主加热单元和/或副加热单元的功率，以使晶体等径生长；其中，控制单元在控制加热单元的功率时，控制单元优先选择控制副加热单元。本申请还提供一种单晶硅制备方法。本申请通过增设一直接向熔体液面辐射热量的副加热单元，通过调节副加热单元的功率影响熔体液面温度，可以有效延长坩埚的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及单晶硅技术领域，尤其设计一种单晶硅制备装置及方法。
背景技术
硅晶圆片作为集成电路的衬底材料，对单晶硅棒的均匀性、密度、微缺陷尺寸和含量有严格要求。传统的直拉法生产单晶硅棒时，通过调整实际晶体拉速来控制晶体的实际直径，导致实际晶体拉速一直处于波动状态，严重影响单晶硅棒的工艺质量，而采用恒定拉速拉制单晶硅棒能有效的避免该问题。目前恒定拉速已应用到实际生产，限定实际晶体拉速的情况下，通过调整主加热器的功率来控制直径，但功率调整直到液面温度反应，再到直径涨缩，需要一段较长的响应时间，直径的变化远滞后于调整功率的时间，容易影响对后期直径的判断，且由于功率的频繁变化，导致系统内温度不太稳定，对石英坩埚的寿命也有一定影响。
发明内容
本申请的目的在于提供一种技术方案，以解决现有技术中存在的晶体等径生长时，主加热器频繁调节功率影响坩埚寿命的问题。
基于以上问题，本申请提出一种单晶硅制备装置，包括：
晶体生长炉本体，所述晶体生长炉本体内限定出容纳空间；
坩埚，所述坩埚设置在所述容纳空间内，用于熔化多晶硅原料及盛放硅熔体；
升降机构，设在所述坩埚上方，用于将籽晶垂直升降，且可将所述籽晶伸入所述熔体中以便直拉长晶得到晶体；
导流筒，所述导流筒设在所述坩埚上方且环绕所述晶体的一部分设置；
所述装置还包括：
主加热单元，所述主加热单元设在所述晶体生长炉本体内且位于所述坩埚外侧；
副加热单元，位于所述坩埚和所述导流筒之间，处于所述熔体液面上方，用于对熔体进行加热；
控制单元，用于控制所述主加热单元和/或副加热单元的功率，以使晶体等径生长；
其中，所述控制单元在控制加热单元的功率时，所述控制单元优先选择控制所述副加热单元。
进一步的，当晶体实际生长率大于预设晶体生长率时，所述控制单元控制所述副加热单元提高功率；
当晶体实际生长率小于所述预设晶体生长率时，所述控制单元控制所述副加热单元降低功率。
进一步的，所述装置还包括：
称重机构，用于称取所述熔体重量变化或所述晶体重量变化；
所述控制单元根据所述熔体重量变化或所述晶体重量变化计算所述晶体实际生长率。
进一步的，所述装置还包括热能反射罩，所述热能反射罩位于所述副加热单元的上方，用于控制所述副加热单元的热量输出方向，以使所述副加热单元的热量输出方向基本指向所述熔体液面。
进一步的，所述副加热单元与所述导流筒连接，且所述副加热单元跟随所述导流筒升降。
进一步的，所述升降机构以一预设恒定拉速提拉所述晶体。
本申请还提供一种单晶硅制备方法，通过控制加热功率以控制晶体等径生长，所述方法包括：
通过至少两个加热单元提供所述加热功率，其中，
主加热单元，所述主加热单元设在所述晶体生长炉本体内且位于所述坩埚外侧；
副加热单元，位于所述坩埚和导流筒之间，处于所述熔体液面上方，用于对熔体进行加热；
控制所述主加热单元和/或所述副加热单元的功率，以使晶体等径生长，并且，在控制所述加热功率时，优先选择控制所述副加热单元。
进一步的，所述方法还包括：
当晶体实际生长率大于预设晶体生长率时，所述控制单元控制所述副加热单元提高功率；
当晶体实际生长率小于所述预设晶体生长率时，所述控制单元控制所述副加热单元降低功率。
进一步的，当加热功率调节超出所述副加热单元调节能力范围时，调节所述主加热单元的功率。
进一步的，所述方法还包括：
当坩埚内剩料量低于预设余量阈值时，提高所述副加热单元的加热功率在整体加热功率中的占比，其中，整体加热功率为主加热单元以及副加热单元的加热功率总和。
根据以上说明，本申请提供的单晶硅制备装置及方法通过增设一直接向熔体液面辐射热量的副加热单元，通过调节副加热单元的功率影响熔体液面温度，在这一过程中，主加热器无需频繁调节功率，可以有效延长坩埚的使用寿命。并且，通过调节副加热单元的功率可以迅速影响熔体液面温度，从而在熔体液面进入坩埚R角以下后，可以有效稳定熔体液面的温度，避免晶体直径出现大幅度的涨缩。
附图说明
图1为本申请实施例提供的单晶硅制备方法流程图；
图2为本申请实施例提供的单晶硅制备方法中步骤S4的流程图；
图3为本申请实施例提供的单晶硅制备方法中步骤S42的流程图；
图4为本申请实施例提供的单晶硅制备方法中步骤S43的流程图；
图5为本申请实施例提供的单晶硅制备方法中步骤S5的流程图；
图6为本申请实施例提供的单晶硅制备方法中步骤S53的流程图；
图7为本申请一种实施例提供的单晶硅制备装置示意图；
图8为本申请实施例提供的图像传感单元及温度传感单元的工作原理示意图；
图9为本申请实施例提供的单晶硅制备装置的控制框图；
图10为本申请另一实施例提供的单晶硅制备装置示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
单晶硅的制备往往需要经历化料、引晶、缩颈、放肩以及等径生长等步骤。其中，放肩环节和等径生长环节是影响单晶硅成品的重要环节，为了提高成品率，提高晶体质量，本申请提供的单晶硅制备装置可以在放肩环节和等径生长环节对晶体生长提供进一步的控制。具体如下：
如图1所示，本申请提供一种单晶硅制备方法，包括以下步骤：
S1、化料，加热使初始原料熔化；
S2、引晶，将籽晶的至少部分浸入熔体液面下方；
S3、缩颈，以设定移动速度段内的速度提拉籽晶进行缩颈；
S4、放肩，控制加热功率和籽晶的提拉速度，以使晶体直径达到设定直径；
S5、等径加料，进行晶棒的等径生长；
如图2所示，步骤S4中还包括：
S41、跟踪获取晶体直径变化；
S42、根据晶体的直径变化以及放肩时间，调节加热功率，以使晶体的直径达到设定直径。
S43、根据晶体直径变化调节升降机构的提拉速度。
其中，步骤S42和步骤S43两者并无先后顺序，在放肩环节调节加热功率和调节提拉速度两者并行。
在放肩环节，不同于传统的以肩长变化为基础设定的PID运算控制方法，本申请提供的单晶硅制备方法综合晶体的直径变化以及放肩时间，调节加热功率，以使晶体的直径达到设定直径。
作为一种可选的实现方式，可以根据实验数据统计，设计与放肩时间相关的第一功率降幅，以及与晶体生长直径相关的第二功率降幅，将第一功率降幅和第二功率降幅相结合，从而可以控制加热功率变化。
根据以上说明，在放肩环节，本申请实施例提供的单晶硅制备方法将晶体直径变化以及放肩时间相结合，从而对放肩过程的整体加热功率进行调节。
由于初始温度差异造成放肩速度不同，使用本申请提供的方法，将晶体直径对应温度变化与放肩时间过程温度变化相结合的方式进行放肩降温，可以修正初始功率造成的温度偏差±1.5kw，从而保证放肩状态的一致性。
如图3所示，作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的单晶硅制备方法中，步骤S42还包括：
S421、获取距离晶体边缘固定距离的熔体液面的实际温度。
S422、根据放肩时间生成第一功率降幅，根据晶体的直径生成第二功率降幅，并根据距离晶体边缘固定距离的熔体液面的实际温度与预设液面温度的偏移量生成功率调节修正量。
S423、根据第一功率降幅、第二功率降幅以及功率调节修正量，对加热功率进行控制。
根据以上说明，本申请实施例提供的单晶硅制备方法，在放肩环节，除了将晶体生长直径和放肩时间相结合对加热功率整体进行调节外，还通过将距离晶体边缘固定距离的熔体液面的实际温度与预设液面温度进行对比，以对加热功率进行修正。
例如，根据放肩时间，设定每小时所变化（降低）的第一功率降幅，以及持续时间。根据晶体直径，生成与该直径对应的第二功率降幅（例如，晶体直径100mm时功率降低0.1kw，晶体直径150mm时功率下降0.5kw）。将第一功率降幅和第二功率降幅相结合，以对整体加热功率进行控制。并且，进一步检测距离晶体边缘固定距离的熔体液面的实际温度，将实际温度与预设液面温度进行对比，对加热功率进行修正。
其中，预设液面温度根据晶体直径进行设置，可以根据需求的直径增速，通过理论计算获得。
不同于传统的PID方式运算，本申请提供的单晶硅制备方法采用以科学的物理量（放肩时间和晶体直径）为基础，结合模拟计算来进行最终的修正输出调节（温度），在不同热场下具有跟好的适用性。同时，在规模化生产中，使用同一套参数可以修正设备之间的差异保证了生产的稳定性。
作为一种可选的实现方式，在放肩环节，本申请实施例提供的方法除了对加热功率进行控制外，还对晶体的提拉速度进行控制。晶体的提拉速度会影响晶体的放肩直径，因此，拉速调节是根据放肩直径的大小或增速快慢进行相应的调节。
如图4所示，步骤S43中还包括：
S431、根据晶体的直径变化获取晶体实际直径变化率，并根据晶体实际直径变化率与晶体预设直径变化率的偏移量生成拉速调节修正量；
S432、根据拉速调节修正量对升降机构的提拉速度进行修正。
在对拉速进行调节时，还要注意拉速的变化幅度，拉速变化幅度过大会导致与放肩直径相关的参数进行调节。例如：温度会出现反方向调节的情况（直径增长快降温快，直径增长慢降温慢）。
作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的单晶硅制备方法中，对于拉速的调节采用固定的拉速变化幅度和固定的拉速变化频率达成拉速调节修正量。
具体的，在本申请实施例中，可以设置第一拉速变化幅度以及第一拉速变化频率。当生成拉速调节修正量时，按照第一拉速变化幅度，并以第一拉速变化频率，阶梯性的逐步调节拉速，以最终达成拉速调节修正量。通过以上拉速调节方式，可以避免因拉速变化幅度过大而导致与放肩直径相关的参数进行调节。
与传统的PID控制拉速调节相比，本申请实施例提供的单晶硅制备方法中，根据整体趋势（晶体直径）与阶段趋势变化（晶体直径变化率）进行微量调节，拉速不对放肩形态做强制调节，以热场的自然形态进行放肩，拉速缓慢趋近当前晶体直径状态的需求，保证了放肩的平稳，可以在一定程度上提高放肩成活率。
对于步骤S5，在晶棒的等径生长环节，在本申请实施例提供的单晶硅制备方法中，可以按照恒定拉速拉制单晶硅棒，并通过控制加热功率来调节晶棒直径。
作为一种可选的实现方式，可以采用称重法得出晶体的增加量或者熔体的减少量，实现对晶体生长炉内温度控制，最终用于控制晶体的直径。
其中，称重法可以分为上称重法和下称重法，下称重法通过称取坩埚体和熔体的重量变化量来确定晶体的生长状况。而上称重法则是对籽晶杆和晶体棒总和的重量变化进行称重，以确定晶体的生长状况。
在称重法控制晶体等径生长过程中，保持晶体的提拉速度恒定不变，称取晶体重量变化或坩埚中熔体重量变化，从而根据晶体重量变化或熔体重量变化可以计算得晶体实际生长率。其中，生长率即晶体生长速率，指在单位时间内增加的重量。在保持晶体的提拉速度不变的前提下，调节加热功率以维持实际晶体生长率，可以实现晶体的等径生长。即，在这一过程中，期望维持晶体生长率为一常量。
然而，由于晶体在生长过程中的高温性、控制的延迟性、环境的复杂性，导致晶体的实际生长率会出现波动。
如图5所示，作为一种可选的实现方式，步骤S5中包括：
S51、根据设定的晶体直径和晶棒的拉速，预设一晶体生长率；
S52、利用称重法称取晶体重量变化或坩埚中熔体重量变化，并根据晶体重量变化或熔体重量变化计算晶体实际生长率；
S53、当实际晶体生长率大于预设晶体生长率时，表明晶体生长率过快，有晶体直径变大趋势，此时，控制加热功率升高，以抑制晶体生长。当实际晶体生长率小于预设晶体生长率时，表明晶体生长率过慢，有晶体直径缩小趋势，此时，控制加热功率降低，以促进晶体生长。
然而，在加热功率控制过程中，要影响固液生长界面的温度需要经历以下阶段：第一阶段为加热器依靠热辐射传递热量至坩埚外壁；第二阶段主要依靠热传导，经过坩埚外壁将热量传递至内层坩埚内表面；第三阶段热辐射，热传导以及热对流的耦合作用，熔体内部存在热传导以及熔体热对流，熔体只有表面依靠辐射散热与炉体内部氩气进行热量交换。因此，通过控制围绕坩埚的主加热器的加热功率来影响固液生长界面的温度会出现作用效果滞后的情况。并且，随热场尺寸的增大，作用效果滞后的问题愈发明显，导致功率实际输出时间和温度反应时间有间隔，导致无法进行准确控制温度的问题产生。
此外，频繁改变围绕坩埚的主加热器的加热功率，容易加速坩埚的老化，消耗坩埚的寿命。
基于以上问题，本申请实施例提供一种单晶硅制备方法。该方法包括：
通过至少两个加热单元提供加热功率，其中，
主加热单元，所述主加热单元设在所述晶体生长炉本体内且位于所述坩埚外侧；
副加热单元，位于坩埚和导流筒之间，处于熔体液面上方，用于对熔体进行加热；
控制主加热单元和/或副加热单元的功率，以使晶体等径生长，并且，在控制加热功率时，优先选择控制副加热单元。
作为一种可选的实现方式，主加热单元可以包括第一加热器和第二加热器。其中，第一加热器设在晶体生长炉本体内且位于坩埚的下方，第二加热器设在晶体生长炉本体内且环绕坩埚的侧壁。
副加热单元包括第三加热器，第三加热器位于坩埚和导流筒之间，处于熔体液面上方，用于对熔体进行加热。
在另一种可选的实现方式中，主加热单元可以仅包括环绕坩埚侧壁的第二加热器。在本申请实施例中，优选采用主加热单元包括第一加热器和第二加热器的方案。
主加热单元在加热过程中承担大部分加热功率。副加热单元在加热过程中分摊部分加热功率，主要起温度调节作用。
通过直接向熔体液面辐射热量，可以更加快速的改变熔体液面的温度，缩短控制的延时，从而更有利于控制晶体的等径生长。
如图6所示，作为一种可选的实现方式，根据本申请提供的方法，步骤S53中还包括：
S531、当晶体实际生长率大于预设晶体生长率时，控制副加热单元提高功率；
S532、当晶体实际生长率小于预设晶体生长率时，控制副加热单元降低功率。
S533、当加热功率调节超出副加热单元调节能力范围时，调节主加热单元的功率。
根据本申请实施例提供的单晶硅制备方法，通过额外设计一可以直接向熔体液面辐射热量的副加热单元，在晶体等径生长环节，优先调节该副加热单元，并尽可能减少对环绕坩埚的主加热单元的功率进行调整，从而可以有效延长坩埚的使用寿命。
此外，当坩埚中剩料过少时，例如熔体液面进入坩埚R角以下时，常常会出现较剧烈的温度波动。其温度波动的原因主要在于：在制备晶体时，通过磁场来抑制熔体的热对流，进而保证温度的稳定性，而在熔体液面进入坩埚R角以下时，表示坩埚中剩料量不多，且由于坩埚形状的变化，磁场的抑制作用易受影响，导致熔体热对流运动，引发温度变化。
对流主要发生在熔体内部，此时若想调节主加热单元功率进而影响熔体液面温度，受对流作用的影响，环绕坩埚的主加热单元的功率调节对熔体液面温度的控制效果并不理想。并且，由于加热器作用于调节熔体固液界面温度的滞后性，常常出现直径和拉速的剧烈波动，对半导体单晶硅棒的质量有重要影响。
对此，采用本申请实施例提供的单晶硅制备方法，该方法包括：
在坩埚中剩料量低于预设余量阈值时（如，熔体液面进入坩埚R角以下时），提高副加热单元的加热功率在整体加热功率中的占比，其中，整体加热功率为主加热单元和副加热单元的加热功率总和。即，整体加热功率为第一加热器、第二加热器以及第三加热器的加热功率总和。副加热单元保持一较大的功率，加强副加热单元的功率调节作用对熔体液面温度的影响，以维持熔体表面温度稳定。
例如，副加热单元的功率可以在10-20kw。作为一种可选的实现方式，副加热单元的功率可调范围设计与熔体液面的面积相关，在设计时，熔体液面面积越大，则应相应的提高副加热单元的最大功率。
本申请提供的方法通过副加热单元直接向熔体液面辐射热量，实现快速改变固液界面的温度，该方法对熔体温度的作用效果更为直接，且不受热场大小的限制，不存在调节的滞后性和热场反应的惰性，从而可以使晶体实际生长率保持稳定，在恒定拉速下，实现晶体的等径生长。
并且，在剩料量较少时，本申请提供的方法不需要通过对流来将从坩埚传导的热量传到液面，当磁场作用因剩料量较少导致熔体温度起伏时，根据液面温度，调节直接辐射熔体表面的副加热单元的功率，以维持液面温度或升温，从而可以较迅捷地起到抑制弥补作用，从而能缩小直径和拉速的波动区间，避免晶体直径出现大幅度的涨缩。
如图7所示，根据本申请实施例提供的单晶硅制备方法，本申请还相应的提供一种单晶硅制备装置100，包括晶体生长炉本体11，坩埚12，升降机构（图中未示出），导流筒13，加热单元14以及控制单元（图中未示出）。
其中，晶体生长炉本体11内限定出容纳空间。
坩埚12设置在容纳空间内，用于熔化多晶硅原料及盛放硅熔体。
升降机构设在坩埚12上方，用于将籽晶垂直升降，且可将籽晶伸入熔体中以便直拉长晶得到晶体101。
导流筒13设在坩埚12上方且环绕晶体101的一部分。
加热单元14，用于加热坩埚12，以提供制备晶体101所需温度。
控制单元，控制加热功率和提拉速度，以便直拉长晶得到晶棒。
作为一种可选的实现方式，在放肩环节，不同于传统的以肩长变化为基础设定的PID运算控制方法，本申请提供的单晶硅制备装置100综合晶体101的直径变化以及放肩时间，调节加热功率，以使晶体101的直径达到设定直径。
结合图8和图9，作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的装置还包括：图像传感单元16，用于跟踪获取晶体101的直径变化。从而控制单元15可以根据晶体101的直径变化以及放肩时间，调节加热单元14的功率，以使晶体101的直径达到设定直径。
作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的装置还包括温度调节修正单元18。温度调节修正单元18可以根据实验数据统计，设计与放肩时间相关的第一功率降幅，以及与晶体101生长直径相关的第二功率降幅，将第一功率降幅和第二功率降幅相结合，从而控制单元15可以控制加热单元14的功率变化。
作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的单晶硅制备装置100还包括温度传感单元17，该温度传感单元17用于获取距离晶体101边缘固定距离的熔体液面102的实际温度。温度调节修正单元18可以根据距离晶体101边缘固定距离的熔体液面102的实际温度与预设液面温度的偏移量生成功率调节修正量。其中，预设液面温度根据晶体101实际直径进行设置。
控制单元15可以根据第一功率降幅、第二功率降幅以及功率调节修正量，对加热单元14的功率进行控制。
作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的装置还包括水平驱动机构19。水平驱动机构19用于驱动图像传感单元16在基本平行于熔体液面102的平面内沿晶体101的径向移动，以使晶体101的边缘位于图像传感单元16所拍摄图像的同一位置。
具体的，在理想情况下，图像传感单元16在一个与熔体液面102平行的平面中移动，且图像传感单元16的移动方向为沿晶体101径向。当图像传感单元16以一固定角度对晶体101直径进行跟踪时，为保持晶体101边缘处于所拍摄图像的同一位置，则伴随晶体101生长，图像传感单元16也要相应的进行位移，则在这种情况下，图像传感单元16的位移量与晶体101直径的变化量成比例（例如，图像传感单元16的位移量等于晶体101直径的变化量），从而可以通过测量图像传感单元16的位移量较容易得获得晶体101直径的变化。
作为一种可选的实现方式，图像传感单元16可以是相机或CCD。
作为一种可选的实现方式，温度传感单元17的位移量与图像传感单元16的位移量成比例。例如，可以将温度传感单元17与图像传感单元16之间进行连接，保持温度传感单元17与图像传感单元16之间的相对位置固定，此时，温度传感单元17会伴随着图像传感单元16移动。调节温度传感单元17的探测角度，使其在移动过程中探测角度与熔体液面102成一固定夹角。通过这种方式，可以较简单的获取距离晶体101边缘固定距离的熔体液面102的实际温度。
作为一种可选的实现方式，温度传感单元17可以是红外温度传感器。
如图8所示，作为一种可选的实现方式，在本申请实施例提供的装置中，水平驱动机构19包括支架191、丝杆192、导轨193以及滑块194。
其中，支架191提供安装导轨193和丝杆192的位置。导轨193安装在支架191上，与熔体液面102基本平行，用于为滑块194移动提供导向，其导向沿晶体101径向。丝杆192安装在支架191上，与导轨193平行。步进电机195通过丝杆192带动滑块194移动。可以将图像传感单元16和温度传感单元17设置在滑块194上，从而可以通过步进电机195控制图像传感单元16和温度传感单元17移动。
在放肩环节，除了需要对加热功率进行控制外，还需要对晶体101的提拉速度进行控制。
作为一种可选的实现方式，控制单元15根据晶体101的直径变化获取晶体101实际直径变化率，并根据晶体101实际直径变化率与晶体101预设直径变化率的偏移量生成拉速调节修正量；
控制单元15根据拉速调节修正量对升降机构的提拉速度进行修正。
作为一种可选的实现方式，在放肩环节，控制单元15采用固定的拉速变化幅度和固定的拉速变化频率达成拉速调节修正量。
例如，在本申请实施例中，控制单元15设置有第一拉速变化幅度以及第一拉速变化频率。当控制单元15生成拉速调节修正量时，控制单元15控制升降机构，按照第一拉速变化幅度，并以第一拉速变化频率，阶梯性的逐步调节拉速，以最终达成拉速调节修正量。
根据本申请提供的单晶硅制备方法及装置，本申请利用晶体101直径变化对晶体101提拉速度进行调节，并将晶体101直径和放肩时间相结合以对加热功率进行调控，进而对放肩环节进行控制，提高放肩成活率。
如图10所示，作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的单晶硅制备装置100中，加热单元14包括主加热单元141和副加热单元142。其中，主加热单元141包括第一加热器1411和第二加热器1412，副加热单元142包括第三加热器142。
作为一种可选的实现方式，第一加热器1411设在晶体生长炉本体11内且位于坩埚12的下方。第二加热器1412设在晶体生长炉本体11内且环绕坩埚12的侧壁。第三加热器142位于坩埚12和导流筒13之间，处于熔体液面102上方，用于对熔体进行加热。
其中，第一加热器1411和第二加热器1412可以作为主加热器，承担大部分加热功率。第三加热器142可以直接向熔体液面102辐射热量，分摊部分加热功率。
作为一种可选的实现方式，控制单元15用于控制第一加热器1411、第二加热器1412以及第三加热器142中的一个或多个的功率，以使晶体101等径生长。其中，控制单元15在控制加热单元14的功率时，控制单元15优先选择控制第三加热器142。
具体的，控制单元15主要通过调节第三加热器142功率以迅捷影响晶体101和固液生长界面的温度梯度，加强功率变化对直径的控制效果。
例如，在恒定拉速下优先控制第三加热器142的功率，以控制晶体101的实际生长率，当晶体101实际生长率大于预设晶体101生长率时，控制单元15控制第三加热器142提高功率，当晶体101实际生长率小于预设晶体101生长率时，控制单元15控制第三加热器142降低功率。
其中，预设晶体101生长率根据拉速以及期望晶体101生长的直径进行设计。
作为一种可选的实现方式，当加热功率调节超出第三加热器142调节能力范围时，调节第一加热器1411和/或第二加热器1412的功率。
例如，第一加热器1411、第二加热器1412以及第三加热器142共同提供整体加热功率，其中，第三加热器142提供第一加热功率，并且，第三单元能够提供的最大加热功率为第二加热功率。当控制单元15对整体加热功率进行调节时，优先调节第三加热器142。
对于提高加热功率的情况，若调节时，加热功率的调节量大于第二加热功率与第一加热功率之差，则此时加热功率调节超出第三加热器142调节能力范围，需要配合调节第一加热器1411和/或第二加热器1412的功率。
对于降低加热功率的情况，若调节时，加热功率的调节量大于第一加热功率，则此时加热功率调节超出第三加热器142调节能力范围，需要配合调节第一加热器1411和/或第二加热器1412的功率。
作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的第三加热器142除了可以在晶体101的等径生长环节起温度调节作用外，还可在放肩环节对温度进行调控。
根据以上说明，本申请实施例提供的单晶硅制备装置100优先控制直接向熔体液面102辐射热量的第三加热器的功率，以加强功率变化对直径的控制效果。并且，该方式大大降低了在生产过程中对第一加热器1411和第二加热器1412功率调节的频率，一定程度上起到了保护坩埚12，延迟坩埚12寿命的作用。
作为一种可选的实现方式，本申请提供的单晶硅制备装置100还包括热能反射罩（图中未示出），热能反射罩位于第三加热器142的上方，用于控制第三加热器142的热量输出方向，以使第三加热器142的热量输出方向基本指向熔体液面102。通过这一方式，可以加强第三加热器142的功率调控对熔体液面102温度的作用。
作为一种可选的实现方式，第三加热器142可以与第一加热器1411和/或第二加热器1412连接，由同一电源供电。
作为另一种可选的实现方式，第三加热器142可以与导流筒13连接，从而第三加热器142可以跟随导流筒13升降，进而可以控制第三加热器142与熔体液面102之间的距离。
作为一种可选的实现方式，第三加热器可以随着熔体液面102的下降而下降，以使第三加热器142与熔体液面102之间的距离保持在预设范围之内。
作为一种可选的实现方式，本申请提供的单晶硅制备装置100在晶体101等径生长环节，可以以恒定拉速拉制晶棒，通过调节加热功率以控制晶棒的生长率。
作为一种可选的实现方式，本申请提供的单晶硅制备装置100还包括称重机构（图中未示出）。
在一种实施方式中，称重机构被设置为用于称取坩埚12和熔体的重量变化量。在另一实施方式中，称重机构被设置为称取籽晶杆和晶体101棒总和的重量变化量。以上两种称重方式均可根据称取到的重量变化量来确定晶体101单位时间内的增长量（即晶体101生长率）。在恒定拉速下，通过调节加热功率以保持晶体101生长率稳定在一预设值，即可实现晶体101的等径生长。
作为一种可选的实现方式，通过称重机构称取熔体重量变化或晶体101重量变化，可以进一步的判断坩埚12中的剩料量，当坩埚12中的剩料量较少时（例如，熔体液面102进入坩埚12的R角103以下时），第三加热器142保持一较大的功率，加强第三加热器142的功率调节作用对熔体液面102温度的影响，以维持熔体表面温度稳定。
作为一种可选的实现方式，在晶体101的等径生长环节，还可以通过本申请提供的图像传感单元16进一步地确认晶体101的生长状况。同时，还可用图像传感单元16检测熔体液面102温度。
综上，本申请提供的单晶硅制备装置100及方法，在放肩环节，根据晶体101直径变化以及放肩时间相结合，结合模拟计算从而对放肩过程的整体加热功率进行调节，在不同热场下具有更好的适用性。并且，在等径生长环节，通过增设一直接向熔体液面102辐射热量的第三加热器142，通过调节第三加热器142的功率迅速影响熔体液面102温度，从而可以在熔体液面102进入R角103以下后稳定熔体液面102的温度，避免晶体101直径出现大幅度的涨缩。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，然其并非用以限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (9)
1.一种单晶硅制备装置，所述装置包括：
晶体生长炉本体，所述晶体生长炉本体内限定出容纳空间；
坩埚，所述坩埚设置在所述容纳空间内，用于熔化多晶硅原料及盛放硅熔体；
升降机构，设在所述坩埚上方，用于将籽晶垂直升降，且可将所述籽晶伸入所述熔体中以便直拉长晶得到晶体；
导流筒，所述导流筒设在所述坩埚上方且环绕所述晶体的一部分设置；
其特征在于，所述装置还包括：
主加热单元，所述主加热单元设在所述晶体生长炉本体内且位于所述坩埚外侧；
副加热单元，位于所述坩埚和所述导流筒之间，处于所述熔体液面上方，用于对熔体进行加热；
称重机构，用于称取所述熔体重量变化或所述晶体重量变化；
水平驱动机构，所述水平驱动机构设置有图像传感单元，所述水平驱动机构用于驱动所述图像传感单元在基本平行于熔体液面的平面内沿晶体的径向移动，以使晶体的边缘位于所述图像传感单元所拍摄图像的同一位置；
温度传感单元，所述温度传感单元与所述图像传感单元连接，所述温度传感单元伴随所述图像传感单元移动，所述温度传感单元在移动过程中探测角度与熔体液面成一固定夹角，用于获取距离所述晶体边缘固定距离的所述熔体液面的实际温度；
控制单元，用于控制所述主加热单元和/或副加热单元的功率，以使晶体直径达到设定直径后等径生长；
其中，所述控制单元将所述实际温度与预设温度进行对比，对加热功率进行修正，所述控制单元在控制加热单元的功率时，所述控制单元优先选择控制所述副加热单元，当坩埚内剩料量低于预设余量阈值时，提高所述副加热单元的加热功率在整体加热功率中的占比，其中，整体加热功率为主加热单元以及副加热单元的加热功率总和。
2.根据权利要求1所述的单晶硅制备装置，其特征在于，
当晶体实际生长率大于预设晶体生长率时，所述控制单元控制所述副加热单元提高功率；
当晶体实际生长率小于所述预设晶体生长率时，所述控制单元控制所述副加热单元降低功率。
3.根据权利要求2所述的单晶硅制备装置，其特征在于，所述装置还包括：
所述控制单元根据所述熔体重量变化或所述晶体重量变化计算所述晶体实际生长率。
4.根据权利要求1所述的单晶硅制备装置，其特征在于，所述装置还包括热能反射罩，所述热能反射罩位于所述副加热单元的上方，用于控制所述副加热单元的热量输出方向，以使所述副加热单元的热量输出方向基本指向所述熔体液面。
5.根据权利要求1所述的单晶硅制备装置，其特征在于，
所述副加热单元与所述导流筒连接，且所述副加热单元跟随所述导流筒升降。
6.根据权利要求1所述的单晶硅制备装置，其特征在于，所述升降机构以一预设恒定拉速提拉所述晶体。
7.一种单晶硅制备方法，通过控制加热功率以控制晶体等径生长，其特征在于，所述方法包括：
通过至少两个加热单元提供所述加热功率，其中，
主加热单元，所述主加热单元设在所述晶体生长炉本体内且位于坩埚外侧；
副加热单元，位于所述坩埚和导流筒之间，处于熔体液面上方，用于对熔体进行加热；
设置水平驱动机构，所述水平驱动机构上设置有图像传感单元和温度传感单元，所述水平驱动机构用于驱动所述图像传感单元在基本平行于熔体液面的平面内沿晶体的径向移动，以使晶体的边缘位于所述图像传感单元所拍摄图像的同一位置，所述温度传感单元与所述图像传感单元连接，所述温度传感单元伴随所述图像传感单元移动，所述温度传感单元在移动过程中探测角度与熔体液面成一固定夹角，用于获取距离所述晶体边缘固定距离的所述熔体液面的实际温度；
控制所述主加热单元和/或所述副加热单元的功率，以使晶体直径达到设定直径后等径生长，并且，控制单元将所述实际温度与预设温度进行对比以对所述加热功率进行修正，在控制所述加热功率时，优先选择控制所述副加热单元，当坩埚内剩料量低于预设余量阈值时，提高所述副加热单元的加热功率在整体加热功率中的占比，其中，整体加热功率为主加热单元以及副加热单元的加热功率总和。
8.根据权利要求7所述的单晶硅制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
当晶体实际生长率大于预设晶体生长率时，所述控制单元控制所述副加热单元提高功率；
当晶体实际生长率小于所述预设晶体生长率时，所述控制单元控制所述副加热单元降低功率。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当加热功率调节超出所述副加热单元调节能力范围时，调节所述主加热单元的功率。
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