CN115747948A - 晶体生长设备及晶体生长设备的使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶体生长设备及晶体生长设备的使用方法，晶体生长设备包括晶体炉以及提拉单元，提拉单元能够在到达晶体炉外与伸入晶体炉之间切换，还包括：举升单元，其包括设于晶体炉内的坩埚台；液压驱动站，其连接举升单元，用于驱动举升单元升降运动；晶体炉内预设有微动区间，坩埚台在提拉单元到达晶体炉外时能够带动坩埚在微动区间中升降运动，及在提拉单元伸入晶体炉时能够带动坩埚在微动区间下方的区域升降运动。

Description

晶体生长设备及晶体生长设备的使用方法

技术领域

本发明涉及晶体制备技术领域，尤其涉及一种晶体生长设备及基于晶体生长设备的晶体生长设备的使用方法。

背景技术

晶体生长设备是一种通过加热坩埚中的原料至熔融状态，并利用泡生法、提拉法或者改良泡生法制备晶体的工业设施，包括用于容纳坩埚的晶体炉以及设置在晶体炉内的热场。使晶体良好生长的关键在于精确控制坩埚和热场的相对位置，以使坩埚内的熔融物按照晶体制备工艺的要求处在适宜的温度环境。

现有的晶体生长设备多采用刚性连接和刚性传动方式调节坩埚在晶体炉内的高度以调节坩埚和热场的相对位置，例如利用丝杠机构带动埚升组件升降运动。这种连接和传动方式决定了在生长晶棒过程中坩埚会以基本确定的速率逐步上升，造成坩埚无法实时地根据热场温度波动而灵活改变高度位置和运动参数，其中的熔融物很难处于最适合晶体生长的温度环境中。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种晶体生长设备，能够根据热场温度波动变化动态且快速地调节坩埚在晶体炉内的高度位置和运动参数，从而实时地改变坩埚与热场之间的相对位置。

本发明提供的晶体生长设备包括晶体炉以及提拉单元，提拉单元能够在到达晶体炉外与伸入晶体炉之间切换，还包括：举升单元，包括设于晶体炉内的坩埚台；液压驱动站，连接举升单元，用于驱动举升单元升降运动；

晶体炉内预设有微动区间，坩埚台在提拉单元到达晶体炉外时能够带动坩埚在微动区间中升降运动，及在提拉单元伸入晶体炉时能够带动坩埚在微动区间下方的区域升降运动。

与现有技术相比，本发明提供的晶体生长设备以液压驱动的方式驱动举升单元相对晶体炉升降运动，取代了现有的刚性连接传动方案。由此可以通过为液压驱动站分配不同的液压驱动力达到使坩埚以变化的运动速率和方向运动，例如可以实现坩埚在晶体炉内的急停、急速起动、急回复位、往复升降以及变速升降，由此可以根据监测到的晶体炉内实时温度梯度分布和热场功率变化信息，实时地改变坩埚的高度位置和运动参数，避免熔融物错过最适合晶棒生长的温度区间，使得最终得到的晶棒质量提升。

并且，本发明的晶体生长设备还可以通过液压驱动举升单元带动坩埚在微动区间运动以使坩埚在承载晶棒和脱离晶棒之间切换。当坩埚脱离晶棒一定距离时，可以避免在截断籽晶过程中因晶棒晃动造成坩埚被晶棒底部划伤的问题，由此可以更好地保护坩埚，并且可以防止坩埚受损后对其中的熔融物污染，因而有利于提高后续得到的晶体的质量。

在其中一个实施方式中，举升单元还包括举升轴，举升轴与坩埚台中的一者开设有对中插槽，另一者固设有对中插块，对中插块与对中插槽的内壁之间沿举升轴的轴线方向形成导向配合。

如此设置，举升轴与坩埚台能够通过导向配合实现精准插接，二者插接固定后同轴设置，由此可以提高坩埚台跟随举升轴转动时的转动同步性，能够消除因坩埚台与举升轴之间的同轴度偏差对坩埚台转动精度的不利影响。

在其中一个实施方式中，举升轴相对靠近晶体炉顶部的一端开设有对中插槽，坩埚台背离晶体炉顶部的一端固设有对中插块，对中插块的外壁与对中插槽的内壁形状相同，且二者均为以举升轴的轴线为中心的锥面；及/或，

举升轴包括固定连接的第一轴体和第二轴体，第二轴体与坩埚台固定连接；第二轴体为石墨轴、钼轴或者钨轴。

如此设置，举升轴与坩埚台形成的插接配合更稳固，不容易发生相对晃动，对中插块与对中插槽内壁之间可以固定贴合；举升轴采用分体并固定连接的结构，第一轴体用于接收输入动力，第二轴体具有更好的耐热性，克服了举升轴受坩埚台传热后出现热胀形变或者机械性能下降的缺陷，使得坩埚可以被平稳带动转动。

本发明还提供一种晶体生长设备的使用方法，晶体生长设备为本发明的晶体生长设备，该方法包括：

调节举升单元的运动状态，使得提拉单元到达晶体炉外后，坩埚处在晶体炉内的微动区间；

驱动举升单元将坩埚带至微动区间的下极限位置，以使坩埚与晶棒之间形成避让间隙；

在形成有避让间隙的状态下向籽晶施加剪切力，直至籽晶断裂，并利用坩埚承载晶棒。

本发明提供的晶体生长设备的使用方法可以实现在截断籽晶过程中晶棒相对于坩埚悬空设置，晶棒相对于坩埚的悬空高度即为微动区间的高度。这有利于保护坩埚不被晶棒划伤，特别是在截断籽晶过程中因晶棒晃动而将坩埚内部刮擦形成裂痕，由此可以避免坩埚受损后其碎屑和材料成分扩散至熔融物内，有利于维持坩埚内熔融物的纯度并减少杂质，进而可以确保所得的晶体质量。

在其中一个实施方式中，在形成有避让间隙的状态下向籽晶施加剪切力，直至籽晶断裂，并利用坩埚承载晶棒，包括：

带动截断单元相对靠近籽晶运动以剪切籽晶；

带动截断单元相对籽晶运动，使得籽晶在受剪切之前所在位置处抵靠截断单元。

如此设置，截断单元实现了多功能集成化，既可以对籽晶施加剪切力，同时也可以抵靠籽晶以使晶棒能够尽快停止晃动并恢复至静止，以便坩埚可以尽快地承载晶棒。

在其中一个实施方式中，在形成有避让间隙的状态下向籽晶施加剪切力，直至籽晶断裂，并利用坩埚承载晶棒，包括：

监测晶棒的晃动情况；

在晶棒停止晃动的情况下，带动截断单元相对靠近籽晶运动以剪切籽晶，多次剪切籽晶的部位相同。

如此设置，晶棒停止晃动后籽晶可以恢复至其原始位置，也即籽晶首次受剪切之前所处的位置，接着再对籽晶施力可以确保施力部位与籽晶首次受剪切的部位相同，由此可以加快籽晶断裂。

在其中一个实施方式中，监测晶棒的晃动情况，包括：

利用力传感器接触提拉单元，测取提拉单元反作用于力传感器的力；

在力传感器测取到的力信号变化幅值小于预设幅值范围的情况下，判定晶棒的晃动停止。

如此设置，根据提拉单元的晃动情况判定晶棒的晃动情况，使得晶棒的晃动判定更简单、更直观。

在其中一个实施方式中，晶体生长设备的使用方法还包括：

驱动举升单元托举坩埚并跟随提拉单元运动，以使晶棒跟随提拉单元运动；以及

驱动举升单元将坩埚带至微动区间的下极限位置，以使坩埚与晶棒之间形成避让间隙，包括：

驱动举升单元下降运动，以使坩埚从微动区间的上极限位置到达微动区间的下极限位置。

在其中一个实施方式中，调节举升单元的运动状态，使得提拉单元到达晶体炉外后，坩埚处在晶体炉内的微动区间，包括：

计算下端冗余部的外凸高度；

在提拉单元到达晶体炉外的情况下，对估值高度与外凸高度求和，并将所得求和结果确定为微动区间的上极限位置到晶体炉顶部的距离；

下端冗余部位于晶棒相对远离籽晶的一端，外凸高度为下端冗余部在晶棒的轴线方向上的尺寸，估值高度为晶棒的本体部分、位于晶体炉内的籽晶在晶棒的轴线方向上的尺寸之和。

如此设置，上极限位置的确定有利于确定微动区间在晶体炉内的具体位置。

在其中一个实施方式中，计算下端冗余部的外凸高度，包括：

测取籽晶与晶棒的实际重量，得到实测重量值；

对实测重量值与估值重量值作差，得到偏差重量值，估值重量值根据晶体生长工艺得到；

根据偏差重量值和晶棒的密度，计算出下端冗余部的体积；

以晶棒的外径尺寸作为拟合圆锥体的底面直径，并根据下端冗余部的体积计算出拟合圆锥体的高，并将其作为外凸高度；拟合圆锥体是以晶棒的轴线为中心线、以晶棒的外径为其底面直径的假想圆锥体。

附图说明

图1为本发明一个实施例的晶体生长设备的剖视图；

图2为本发明一个实施例的晶体生长设备的部分结构示意图图；

图3为图2所示晶体生长设备被剖切后的轴测图；

图4为本发明一个实施例的截断单元的部分结构示意图；

图5为本发明一个实施例的截断单元的部分结构示意图。

附图标记说明：

10、晶体炉；11、炉盖；111、提拉开口；12、炉体；13、炉腔；14、坩埚；15、炉底；151、举升开口；16、炉毡；

20、提拉单元；21、上轴杆；22、籽晶连接段；

31、中空管筒；32、第一密封对接部；33、第二密封对接部；34、举升密封管；35、第一对接件；36、第二对接件；

40、升降单元；41、升降悬臂；42、晶转驱动件；43、升降导轨；

50、举升单元；51、坩埚台；511、对中插块；52、举升轴；521、对中插槽；522、第一轴体；523、第二轴体；

60、液压驱动站；61、升降滑架；62、立柱；63、举升导轨；

70、机架；80、压力锁紧单元；

90、截断单元；91、侧向挤压件；911、凸棱端；92、侧向抵靠件；921、剪切配合槽；922、抵靠容纳槽；93、挤压驱动件；94、抵靠驱动件；

210、籽晶；220、晶棒；231、上端冗余部；232、下端冗余部。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请提供一种晶体生长设备，该设备是一种可通过泡生法、提拉法、改良泡生法等工艺，将原料加热熔融后获得人造晶体的工业设施，可以利用其制造蓝宝石、硅单晶或者其他金属化合物、非金属化合物晶体，例如以晶体生长设备制得的蓝宝石晶体可以作为光伏产业或半导体产业的原料。

请参阅图1-图2，晶体生长设备包括晶体炉10、提拉单元20以及升降单元40。晶体炉10用于容纳坩埚14和热场，坩埚14用于盛放供晶体生长所需的原料，热场用于对坩埚14加热使其中的晶体生长原料熔化。提拉单元20能够伸入晶体炉10内并进行引晶，之后可以连接析出的籽晶210并带动籽晶210和晶棒220升降运动，籽晶210被提升至晶体炉10外后可以被截断单元90截断，从而分离籽晶210和晶棒220。升降单元40用于连接提拉单元20并对其施加驱动力，施加于提拉单元20的驱动力包括带动提拉单元20、籽晶210和晶棒220沿提拉单元20轴向升降运动的提拉力，还包括带动提拉单元20、籽晶210和晶棒220绕提拉单元20轴线为中心转动的旋转力。

晶体生长设备还包括举升单元50，举升单元50能够伸入晶体炉10内并承载坩埚14，在坩埚14内的原料熔化后举升单元50可以上升或下降运动，以带动坩埚14在晶体炉10内升降运动。值得注意的是，坩埚14的升降运动并不是无序随意的，要确保坩埚14和提拉单元20以相同的运动取向并保持基本相同的步调节奏运动，也即坩埚14要跟随提拉单元20的升降而同步升降，以使坩埚14内的晶棒220跟随提拉单元20运动，并且坩埚14在晶体炉10内的高度位置要与符合晶体生长工艺需要的温度环境对应，以使熔融物质处于最适合晶体生长的温度区域内。

晶体炉10包括中空的炉体12、分别位于炉体12两端的炉底15和炉盖11，炉底15和炉盖11与炉体12的两端开口边缘密封配合，三者共同围设形成炉腔13，坩埚14和热场设置在炉腔13内，此外炉腔13内还设有围设在坩埚14外围的炉毡16。炉盖11上开设有连通炉腔13的提拉开口111，提拉开口111可供提拉单元20从晶体炉10炉盖11外侧穿设通过并伸入炉腔13。炉底15上开设有连通炉腔13的举升开口151，举升开口151可供举升单元50从晶体炉10炉底15外侧穿设通过并伸入炉腔13。为方便设置举升单元50和晶体炉10，晶体生长设备还包括机架70，晶体炉10承载于机架70并且相对于地面悬空设置。

提拉单元20包括固定连接的上轴杆21以及籽晶连接段22，上轴杆21的轴线作为提拉单元20的轴线，其中上轴杆21相对于晶体炉10的炉底15悬空设置，籽晶连接段22固定连接于上轴杆21相对靠近晶体炉10炉底15的一端。提拉单元20能够在伸入晶体炉10与到达晶体炉10外之间切换，提拉单元20穿设提拉开口111后伸入晶体炉10时，既可以是至少部分籽晶连接段22伸入晶体炉10内，也可以是全部籽晶连接段22以及部分上轴杆21伸入晶体炉10内。随着晶体生长进行，提拉单元20被升降单元40带动上升并逐步减小其位于晶体炉10内的长度，直至提拉单元20到达晶体炉10外，此时籽晶连接段22相对远离上轴杆21的一端不低于炉盖11外侧，并且退出提拉开口111。当提拉单元20到达晶体炉10外后，意味着晶体生长结束，晶棒220生长成形，此时为便于通过截断单元90将籽晶210截断，籽晶连接段22优选为高于炉盖11外侧，以便将部分籽晶210提拉至炉盖11外侧。

升降单元40包括相对于晶体炉10炉盖11悬空设置并且可以升降活动的升降悬臂41，此外还包括与升降悬臂41形成滑动配合的升降导轨43，升降悬臂41沿升降导轨43进行直线升降并沿直线轨迹带动提拉单元20、籽晶210和晶棒220平移运动。可选的，炉体12呈中空圆柱筒状或中空棱柱筒状结构，炉体12的轴线即为晶体炉10的轴线沿竖直方向延伸，炉盖11和炉底15沿水平方向延展。晶体炉10的轴线与提拉开口111的轴线以及举升开口151的轴线相重合。举升单元50伸入炉体12内的部分能够水平承载坩埚14。提拉单元20和举升单元50均能够沿晶体炉10的轴线进行升降。升降导轨43沿竖直方向延伸并与晶体炉10的轴线相平行。

进一步地，上轴杆21与籽晶连接段22可以同轴固定连接，升降单元40还包括安装在升降悬臂41并与上轴杆21驱动连接的晶转驱动件42。晶转驱动力能够驱动提拉单元20绕上轴杆21的轴线转动。

进一步地，晶体生长设备还包括套设提拉单元20的中空管筒31、分别连接于中空管筒31两端的第一密封对接部32与第二密封对接部33，第一密封对接部32与升降悬臂41固定连接并形成密封配合，第二密封对接部33与晶体炉10形成可拆卸连接，当第二密封对接部33与晶体炉10连接时，二者之间形成固定密封配合，此时升降悬臂41、中空管筒31、第一密封对接部32、第二密封对接部33以及晶体炉10共同密封包围提拉单元20。当晶棒220生长完成后，第二密封对接部33与晶体炉10之间拆卸，此时能够将籽晶连接段22和部分籽晶210露出，以便截断单元90截断籽晶210。可选的，中空管筒31为具有弹性伸缩能力的波纹管，第二密封对接部33与炉盖11上的提拉开口111边缘形成可拆卸连接。晶体生长设备还包括安装于晶体炉10的压力锁紧单元80，压力锁紧单元80能够抵持第二密封对接部33并对其施加压力，以使第二密封对接部33与提拉开口111边缘之间的接触压力足够形成可靠的密封配合。

本发明提供的晶体生长设备还包括液压驱动站60，液压驱动站60连接举升单元50，用于液压驱动举升单元50升降运动。液压驱动站60可以设置在机架70下方，也即晶体炉10炉底15外侧的下方。举升单元50包括设置于晶体炉10内的坩埚台51，坩埚台51具有水平延展的台板用于水平承载坩埚14，坩埚台51随着液压驱动站60的驱动始终在晶体炉10内升降运动。此外举升单元50还包括举升轴52，举升轴52与坩埚台51通过插接方式固定，二者插接之后同轴连接。举升轴52的轴线与晶体炉10的轴线重合，举升单元50能够沿举升轴52的轴线升降。

可选的，举升轴52包括同轴固定连接的第一轴体522和第二轴体523，液压驱动站60驱动连接第一轴体522，第二轴体523相对远离第一轴体522的一端与坩埚台51固定插接。其中第一轴体522可以是钢轴，第二轴体523可以是石墨轴，也可以是钼轴、钨轴或者其他通过耐热材料制成的轴体。

进一步地，请参阅图3，举升轴52相对靠近晶体炉10顶部的一端，也即第二轴体523相对远离第一轴体522的一端开设有对中插槽521，坩埚台51还包括凸设于台板相对背离晶体炉10顶部一侧的对中插块511，对中插块511与对中插槽521的内壁的形状相同，二者均为以举升轴52的轴线为中心的锥面，由此对中插块511与对中插槽521能够沿举升轴52的轴线方向形成导向配合，当然，对中插块511与对中插槽521的设置位置还可以互换。坩埚台51的台板始终位于炉体12内，当举升单元50下降至最低处时，坩埚台51位于炉底15，此时坩埚14到炉盖11的距离达到最大，且对中插块511部分穿设于举升开口151，并且对中插块511相对远离台板的末端可以伸出晶体炉10。

进一步地，液压驱动站60包括液压驱动组件，还包括设置于晶体炉10底部下方的立柱62、安装于立柱62并沿直线方向延伸的举升导轨63以及与举升导轨63形成滑动配合的升降滑架61。液压驱动组件连接升降滑架61，并且能够根据系统控制指令分配不同大小或不同方向或不同作用时长的液压驱动力，驱动升降滑架61沿举升导轨63上升下降平移或者改变运动升降平移速率。举升单元50相对远离晶体炉10顶部的一端，也即第一轴体522相对远离坩埚台51的一端连接于升降滑架61。可选的，举升导轨63沿竖直方向延伸，并与与晶体炉10的轴线相平行。

进一步地，晶体生长设备还包括套设举升单元50的举升密封管34、分别连接于举升密封管34两端的第一对接件35和第二对接件36，第一对接件35与晶体炉10炉底15外侧固定连接形成密封配合，第一对接件35优选与举升开口151的边缘固定连接并密封配合，第二对接件36与升降滑架61固定连接形成密封配合，举升密封管34优选采用能够伸缩形变的波纹管，以适应升降滑架61与晶体炉10炉底15之间的距离变化。由此升降滑架61、第二对接件36、举升密封管34、第一对接件35和晶体炉10密封包围举升单元50。

进一步地，在本发明的一个实施方式中，晶体生长设备还包括截断单元90，截断单元90既可以设置在晶体炉10外用于实施籽晶210的炉外截断，也可以设置在晶体炉10内以实施籽晶210的炉内截断。截断单元90包括侧向挤压件91与侧向抵靠件92，二者相向设置，此外还包括连接并驱动侧向挤压件91靠近侧向抵靠件92运动的挤压驱动件93以及连接并驱动侧向抵靠件92靠近侧向挤压件91运动的抵靠驱动件94。侧向挤压件91用于挤压籽晶210以向籽晶210施加剪切力，侧向抵靠件92用于抵靠籽晶210以确保籽晶210不发生偏斜从而能被侧向挤压件91准确挤压形成剪切缺口槽。同时，侧向抵靠件92与侧向挤压件91之间形成插接配合。

可选的，请参阅图4-图5。侧向挤压件91相对靠近侧向抵靠件92的一端设有用于挤压籽晶210的凸棱端911，侧向抵靠件92相对靠近侧向挤压件91的一端设有剪切配合槽921，凸棱端911能够插接伸入剪切配合槽921并与之固定贴合，其中凸棱端911的棱边沿水平方向延伸，剪切配合槽921的槽沟同样沿水平方向延伸。此外，侧向抵靠件92相对靠近侧向挤压件91的一端还开设有沿竖直方向延展的抵靠容纳槽922，抵靠容纳槽922与剪切配合槽921交叉并且连通，用于容纳籽晶210，籽晶210被挤压形成剪切缺口槽的位置即位于抵靠容纳槽922与剪切配合槽921交汇形成的区域内。

以籽晶210的炉外截断方式为例，当晶棒220生长成形后，升降悬臂41带动提拉单元20上升至其最高处，此时提拉单元20到达晶体炉10外，接着第二密封对接部33与晶体炉10被拆卸，中空管筒31弹性收缩带动第二密封对接部33脱离炉盖11并靠近升降悬臂41复位运动，使得籽晶连接段22以及部分籽晶210露出，此时伸出炉盖11的籽晶210位于侧向挤压件91与侧向抵靠件92之间。然后由侧向挤压件91与侧向抵靠件92协同配合截断籽晶210。

可以理解，在其他实施方式中，也可以将侧向抵靠件92替换为另一个侧向挤压件91，由两个侧向挤压件91协同配合相向运动共同挤压籽晶210至断裂，还可以只设置一个侧向挤压件91，通过挤压驱动件93带动其反复撞击籽晶210以使籽晶210断裂。

需要注意的是，本发明并不限定截断单元90的具体形式和设置位置，截断单元90既可以是晶体生长设备中的构成单元，能够利用截断单元90实现自动截断籽晶210，还可以是独立于晶体生长设备的手动工具，人员手动对截断单元90施力完成籽晶210截断操作。

相较于当前采用滚珠丝杠等刚性连接传动方式驱动埚升组件升降以带动坩埚14升降的方案，本发明提供的晶体生长设备以液压驱动方式驱动举升组件升降运动，能够根据晶体生长工艺的需要实现坩埚14在晶体炉10内急停、急速起动、急回复位、往复升降以及变速率升降运动。由此可以在监测到晶体炉10内实时温度梯度分布和热场功率变化信息的情况下，灵活、精准且实时地改变坩埚14在晶体炉10内的高度位置，从而确保坩埚14内的晶体生长原料可以随时处于最适合晶棒220生长的温度区域，实现令坩埚14动态追踪最适合生长晶体的高度位置，最后得到的晶棒220质量可以获得显著提升。

更重要的是，以液压驱动方式驱动举升单元50可以使举升单元50和坩埚14在极小的高度区间内进行高频次的升降位移，不仅可以迅速且微量地改变坩埚14高度位置，同时还不会产生机械磨损。作为对比，当前普遍采用的滚珠丝杠的传动精度不及液压驱动，会导致坩埚14无法精确灵敏地响应系统控制指令，造成坩埚14位移、埚升组件位移与系统指令所要求的位移量不一致；同时刚性连接传动方案中的配合间隙会造成坩埚14位移迟滞，无法使坩埚14实时地响应系统控制指令而及时升降，导致坩埚14内的熔融物经常错过最适合的温度区间；且在极小的行程范围内进行高频升降位移还会增加滚珠丝杠的配合间隙，加剧传动误差。

本发明还提供一种基于上述晶体生长设备的晶体生长设备的使用方法，该方法包括以下步骤：

S10、液压调节举升单元50的运动状态，使得提拉单元20到达晶体炉10外后，坩埚14处在晶体炉10内的微动区间；

S20、液压驱动举升单元50将坩埚14带至微动区间的下极限位置，以使坩埚14与晶棒220之间形成避让间隙；

S30、在形成有避让间隙的状态下向籽晶210施加剪切力，直至籽晶210断裂，并利用坩埚14承载晶棒220。

请再次参阅图4，图4示出了籽晶210和晶棒220生长成形后籽晶210与晶棒220的结构，晶棒220连接籽晶210的一端形成大致呈锥形或锥台形的上端冗余部231，晶棒220相对远离籽晶210的一端还形成有大致呈锥形或锥台形的下端冗余部232，晶棒220还包括位于上端冗余部231与下端冗余部232之间的晶棒本体，晶棒本体大致呈圆柱体结构。在晶棒220生长成形之后，坩埚14对晶棒220的承载通过坩埚14支撑下端冗余部232来实现。由于晶棒220生长成型后坩埚14内还留有残余的熔融物质，因此下端冗余部232将会至少有一部分浸没在这些熔融物中。

上述步骤中提及的微动区间，是根据晶体生长工艺、晶体规格参数确定的一段高度区间，该区间位于晶体炉10内，具有沿竖直方向设置的相对靠近炉盖11的上极限位置和相对靠近炉底15的下极限位置。当坩埚14处于上极限位置时，坩埚14承接触下端冗余部232并承载晶棒220，当坩埚14处于下极限位置时，坩埚14与下端冗余部232之间形成避让间隙，避让间隙的宽度，也即避让间隙沿晶体炉10轴线方向的距离即为该微动区间在竖直方向上的跨度，也是坩埚14从上极限位置下降至下极限位置/从下极限位置上升至上极限位置的行程。

之所以设置下极限位置，使坩埚14在下极限位置时与下端冗余部232形成避让间隙，是因为在对籽晶210施加剪切力以截断籽晶210时，晶棒220会相对于提拉单元20晃动，由此会带动下端冗余部232相对坩埚14滑动，或者下端冗余部232出现相对坩埚14摩擦滑动的趋势。这种晃动或者摩擦滑动趋势会使下端冗余部232将坩埚14内壁划伤并形成划痕，而从划痕中脱离的坩埚14材料成分会扩散至熔融物质内，影响后续晶体生长，造成后续所得晶棒220中混合杂质，纯度下降。设置下极限位置，使坩埚14在下极限位置时与下端冗余部232相互分离，可以避免晶棒220晃动将坩埚14划伤。

微动区间在竖直方向上的跨度，也即避让间隙的宽度根据晶体硬度、晶体密度和形状体积确定，原则上要确保当坩埚14处于下极限位置时，与籽晶210分离后的晶棒220掉落到坩埚14内不会将坩埚14撞坏，而由于晶棒220生长成形后坩埚14内还会残留部分熔融物质，因此熔融物质可以起到缓冲晶棒220冲击的作用，从而可以保护坩埚14免于被晶棒220撞击出裂痕。微动区间在晶体炉10内的高度位置，可以通过确定上极限位置在晶体炉10内的高度而确定，上极限位置在晶体炉10内高度的确定方式将在后文予以详细阐述。

步骤S10，调节举升单元50的运动状态包括以下情形：

(一)、首先由液压驱动站60驱动举升单元50跟随提拉单元20上升而上升，接着液压驱动组件改变液压驱动力，使举升单元50减速上升，最终在提拉单元20到达晶体炉10外之前举升单元50率先停止运动，坩埚14停留在微动区间的下极限位置，在这种情形下，坩埚14不会到达或者经过上极限位置，并且可以选择一直停留在下极限位置，直到籽晶210断裂完成籽晶210和晶棒220分离；

(二)、首先仍是由液压驱动站60驱动举升单元50跟随提拉单元20上升而上升，当提拉单元20到达晶体炉10外时，坩埚14也被带动至微动区间的上极限位置并进行短暂停留，接着液压驱动组件改变液压驱动力的方向，举升单元50被液压驱动站60驱动折返以下降，直至坩埚14从上极限位置到达微动区间的下极限位置，此后举升单元50可以维持固定，使坩埚14继续停留在下极限位置，直到籽晶210断裂完成籽晶210和晶棒220分离，由此，晶体生长设备的使用方法还包括：

S40、液压驱动举升单元50托举坩埚14并跟随提拉单元20运动，以使晶棒220跟随提拉单元20运动；

步骤S20，即液压驱动举升单元50将坩埚14带至微动区间的下极限位置，以使坩埚14与晶棒220之间形成避让间隙包括：

S21、液压驱动举升单元50下降运动，以使坩埚14从微动区间的上极限位置到达微动区间的下极限位置。

本发明并不具体限定籽晶210承受截断单元90剪切力的受力次数，既可以通过多次短促撞击籽晶210使籽晶210断裂，也可以多次挤压籽晶210，还可以采用若干次挤压和若干次短促撞击相结合的方式截断籽晶210，甚至还可以采用先挤压或撞击籽晶210，然后沿撞击凹痕或挤压凹痕切割的方式切断籽晶210。但需要注意的是，每次对籽晶210施加剪切力时，无论施力形式为挤压、撞击还是切锯施力，都要确保在形成有避让间隙的状态下进行。

进一步地，如前所述，在对籽晶210施加剪切力时，晶棒220会相对提拉单元20晃动，使得籽晶210被晶棒220带动而一并晃动，这在多次向籽晶210施力以使籽晶210断裂的情况中非常不利，因为籽晶210晃动会使籽晶210在后续受力的位置与籽晶210在初期或首次受力的位置不一致，造成籽晶210难以快速断裂。为克服晶棒220晃动为后续剪切籽晶210带来的不利影响，步骤S30，在形成有避让间隙的状态下向籽晶210施加剪切力，直至籽晶210断裂，并利用坩埚14承载晶棒220，包括：

S31、带动截断单元90相对靠近籽晶210运动以剪切籽晶210；

S32、带动截断单元90相对籽晶210运动，使得籽晶210在受剪切之前所在位置处抵靠截断单元90；

S33、监测晶棒220的晃动情况；

S34、在晶棒220停止晃动的情况下，带动截断单元90相对靠近籽晶210运动以剪切籽晶210，多次剪切籽晶210的位置相同。

步骤S31的具体执行方式不作特别限定，既可以利用侧向挤压件91对籽晶210施加挤压力，施力持续若干秒，也可以利用侧向挤压件91的凸棱端911短促撞击籽晶210，撞击力持续时间不超出0.2秒。

步骤S32可以利用侧向挤压件91实现，即在对籽晶210施加剪切力之后侧向挤压件91沿远离提拉单元20轴线的方向运动一定距离，此时侧向挤压件91与籽晶210在接受剪切力之前保持静止的籽晶210刚好接触，且二者间没有接触压力。随着籽晶210晃动到达其受剪切之前所处位置，籽晶210被侧向挤压件91限位止挡。在侧向挤压件91多次限位止挡籽晶210后，籽晶210和晶棒220的晃动趋于停止，之后再对籽晶210施加剪切力，即可保证后续施力部位与籽晶210首次受力位置一致。当然，步骤S32也可以利用侧向抵靠件92实现，由于开设有抵靠容纳槽922，籽晶210和晶棒220停止晃动的需时更短。

进一步地，为了更方便、更及时地确定晶棒220的晃动情况，及时获悉晶棒220恢复至静止状态，步骤S33包括：

S331、利用力传感器接触提拉单元20，测取提拉单元20反作用于力传感器的力；

S332、在力传感器测取到的力信号变化幅值小于预设幅值范围的情况下，判定晶棒220的晃动停止。

采用力传感器监测提拉单元20的晃动情况，不仅可以将力传感器布置在晶体炉10外，使其免受炉体12内余热炙烤，而且也更容易被人员获悉监测结果，以提拉单元20的晃动情况近似等同于籽晶210和晶棒220的晃动情况，使得晶体晃动的判定更容易。以力传感器接收到的力数据作为提拉单元20的晃动幅度指标，可以使晶棒220停止晃动时的状态更接近其完全静止时的状态，最终得到的判定结果更为可信。鉴于使籽晶210和晶棒220完全恢复至静止需要很长时间，步骤S332可以缩短等候籽晶210和晶棒220停止晃动的时长，只要籽晶210和晶棒220的晃动幅度在可接收范围内，不会对后续剪切籽晶210产生明显影响即可。

进一步地，为了确定上极限位置在晶体炉10内的高度，从而确定微动区间在晶体炉10内的位置，步骤S10包括：

S11、计算下端冗余部232的外凸高度；

S12、在提拉单元20到达晶体炉10外的情况下，对估值高度与外凸高度求和，并将所得求和结果作为微动区间的上极限位置到晶体炉10顶部的距离。

如前述，下端冗余部232位于晶棒本体相对远离籽晶210的一端，外凸高度为下端冗余部232在晶棒220轴线方向上的尺寸，估值高度为晶棒本体、上端冗余部231以及位于晶体炉10内的籽晶210部分在晶棒220轴线方向上的尺寸之和。也就是说，估值高度可以认为是提拉单元20到达晶体炉10外时，沿晶棒220轴线方向，尚位于晶体炉10内同时不包括下端冗余部232的晶体部分的尺寸。

由于提拉单元20上升运动时的提拉行程可以测取，籽晶210、上端冗余部231、晶棒本体沿晶棒220轴向的长度可以根据晶体生长工艺和晶体制备要求确定，因此在提拉单元20到达晶体炉10外时，籽晶210、晶棒220均已到达各自的最高位置，换言之，此时在晶棒220轴向上，估值高度的数值可得到且到达最短。因此只需确定出下端冗余部232的外凸高度，然后将估值高度与外凸高度求和即可得到坩埚14在上极限位置时到炉盖11的距离。这里给出一种计算估值高度的方法：估值高度＝籽晶210长度＋晶棒本体长度＋上端冗余部231高度－提拉单元20上升行程，其中长度均是指沿晶棒220轴线的尺寸，上端冗余部231高度为上端冗余部231沿晶棒220轴线方向的尺寸。

进一步地，步骤S11包括：

S111、测取籽晶210与晶棒220的实际重量，得到实测重量值；

S112、对实测重量值与估值重量值作差，得到偏差重量值，估值重量值根据晶体生长工艺和晶体制备要求得到；

S113、根据偏差重量值和晶棒220的密度，计算出下端冗余部232的体积；

S114、以晶棒220的外径尺寸作为拟合圆锥体的底面直径，根据下端冗余部232的体积计算出拟合圆锥体的高，并将其作为外凸高度，其中，拟合圆锥体是以晶棒220的轴线为中心、以晶棒220的外径为其底面直径的假想圆锥体。

基于目前制备晶体的工艺，最终得到的晶棒220会在其远离籽晶210的一端形成大致呈圆锥体的下端冗余部232，由于实际得到的下端冗余部232并非是标准的圆锥体，其外壁面还会出现一定的弧度，因此下端冗余部232的实际外凸高度难以准确获得。这里本发明给出了一种得到外凸高度近似值的方案，也就是将下端冗余部232的形状假定为标准的圆锥体，该假想的圆锥体的高作为理论外凸高度，理论外凸高度大于或等于实际外凸高度。

籽晶210和晶棒220的实际重量可以由设置在提拉单元20或者升降悬臂41上的传感器测取得到，籽晶210和晶棒220的密度可以根据晶体制备要求得到，估值重量值可以根据晶体生长工艺和晶体制备要求得到。具体来说，估值重量值可以看作是籽晶210和除去下端冗余部232外的晶棒220部分的重量和，其具体数值可以利用密度与估值体积之积求得，估值体积可以根据籽晶210尺寸数据、上端冗余部231尺寸数据和晶棒本体尺寸数据计算得出。

实测重量值与估值重量值作差所得的偏差重量值即为下端冗余部232的重量值。紧接着便可以得出上述假定标准圆锥体的体积，进一步便可求得上述假定标准圆锥体的高并将该结果作为理论外凸高度，由于真实的下端冗余部232的形状接近标准圆锥体，因此将理论外凸高度近似为下端冗余部232的实际外凸高度是允许的。

以上所述实施方式的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施方式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。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种晶体生长设备，包括晶体炉(10)以及提拉单元(20)，所述提拉单元(20)能够在到达所述晶体炉(10)外与伸入所述晶体炉(10)之间切换，其特征在于，还包括：

举升单元(50)，包括设于所述晶体炉(10)内的坩埚台(51)；

液压驱动站(60)，连接所述举升单元(50)，用于驱动所述举升单元(50)升降运动；

所述晶体炉(10)内预设有微动区间，所述坩埚台(51)在所述提拉单元(20)到达所述晶体炉(10)外时能够带动坩埚(14)在所述微动区间中升降运动，及在所述提拉单元(20)伸入所述晶体炉(10)时能够带动所述坩埚(14)在所述微动区间下方的区域升降运动。

2.根据权利要求1所述的晶体生长设备，其特征在于，所述举升单元(50)还包括举升轴(52)，所述举升轴(52)与所述坩埚台(51)中的一者开设有对中插槽(521)，另一者固设有对中插块(511)，所述对中插块(511)与所述对中插槽(521)的内壁之间沿所述举升轴(52)的轴线方向形成导向配合。

3.根据权利要求2所述的晶体生长设备，其特征在于，所述举升轴(52)相对靠近所述晶体炉(10)顶部的一端开设有所述对中插槽(521)，所述坩埚台(51)背离所述晶体炉(10)顶部的一端固设有所述对中插块(511)，所述对中插块(511)的外壁与所述对中插槽(521)的内壁形状相同，且二者均为以所述举升轴(52)的轴线为中心的锥面；及/或，

所述举升轴(52)包括固定连接的第一轴体(522)和第二轴体(523)，所述第二轴体(523)与所述坩埚台(51)固定连接；所述第二轴体(523)为石墨轴、钼轴或者钨轴。

4.一种晶体生长设备的使用方法，晶体生长设备为权利要求1-权利要求3中任意一项所述的晶体生长设备，其特征在于，所述晶体生长设备的使用方法包括：

调节举升单元(50)的运动状态，使得提拉单元(20)到达晶体炉(10)外后，坩埚(14)处在所述晶体炉(10)内的微动区间；

驱动所述举升单元(50)将所述坩埚(14)带至所述微动区间的下极限位置，以使所述坩埚(14)与晶棒(220)之间形成避让间隙；

在形成有所述避让间隙的状态下向籽晶(210)施加剪切力，直至所述籽晶(210)断裂，并利用所述坩埚(14)承载所述晶棒(220)。

5.根据权利要求4所述的晶体生长设备的使用方法，其特征在于，在形成有所述避让间隙的状态下向籽晶(210)施加剪切力，直至所述籽晶(210)断裂，并利用所述坩埚(14)承载所述晶棒(220)，包括：

带动截断单元(90)相对靠近所述籽晶(210)运动以剪切所述籽晶(210)；

带动所述截断单元(90)相对所述籽晶(210)运动，使得所述籽晶(210)在受剪切之前所在位置处抵靠所述截断单元(90)。

6.根据权利要求5所述的晶体生长设备的使用方法，其特征在于，在形成有所述避让间隙的状态下向籽晶(210)施加剪切力，直至所述籽晶(210)断裂，并利用所述坩埚(14)承载所述晶棒(220)，包括：

监测所述晶棒(220)的晃动情况；

在所述晶棒(220)停止晃动的情况下，带动所述截断单元(90)相对靠近所述籽晶(210)运动以剪切所述籽晶(210)。

7.根据权利要求6所述的晶体生长设备的使用方法，其特征在于，监测所述晶棒(220)的晃动情况，包括：

利用力传感器接触所述提拉单元(20)，测取所述提拉单元(20)反作用于所述力传感器的力；

在所述力传感器测取到的力信号变化幅值小于预设幅值范围的情况下，判定所述晶棒(220)的晃动停止。

8.根据权利要求4所述的晶体生长设备的使用方法，其特征在于，所述晶体生长设备的使用方法还包括：

驱动所述举升单元(50)托举所述坩埚(14)并跟随所述提拉单元(20)运动，以使所述晶棒(220)跟随所述提拉单元(20)运动；以及

驱动所述举升单元(50)将所述坩埚(14)带至所述微动区间的下极限位置，以使所述坩埚(14)与所述晶棒(220)之间形成避让间隙，包括：

驱动所述举升单元(50)下降运动，以使所述坩埚(14)从所述微动区间的上极限位置到达所述微动区间的下极限位置。

9.根据权利要求4所述的晶体生长设备的使用方法，其特征在于，调节举升单元(50)的运动状态，使得提拉单元(20)到达晶体炉(10)外后，坩埚(14)处在所述晶体炉(10)内的微动区间，包括：

计算下端冗余部(232)的外凸高度；

在所述提拉单元(20)到达所述晶体炉(10)外的情况下，对估值高度与所述外凸高度求和，并将所得求和结果确定为所述微动区间的上极限位置到所述晶体炉(10)顶部的距离；

所述下端冗余部(232)位于所述晶棒(220)相对远离所述籽晶(210)的一端，所述外凸高度为所述下端冗余部(232)在所述晶棒(220)的轴线方向上的尺寸，所述估值高度为所述晶棒(220)的本体部分、位于所述晶体炉(10)内的籽晶(210)在所述晶棒(220)的轴线方向上的尺寸之和。

10.根据权利要求9所述的晶体生长设备的使用方法，其特征在于，计算下端冗余部(232)的外凸高度，包括：

测取所述籽晶(210)与所述晶棒(220)的实际重量，得到实测重量值；

对所述实测重量值与估值重量值作差，得到偏差重量值，所述估值重量值根据晶体生长工艺得到；

根据所述偏差重量值和所述晶棒(220)的密度，计算出所述下端冗余部(232)的体积；

以所述晶棒(220)的外径尺寸作为拟合圆锥体的底面直径，根据所述下端冗余部(232)的体积计算出所述拟合圆锥体的高，并将其作为所述外凸高度；所述拟合圆锥体是以所述晶棒的轴线为中心线、以所述晶棒的外径为其底面直径的圆锥体。

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