CN116377562A - 一种单晶炉及降低单晶炉中硅蒸汽的方法 - Google Patents

Abstract

本申请的实施例提供了一种单晶炉及降低单晶炉中硅蒸汽的方法，涉及单晶炉技术领域。该单晶炉包括炉体、坩埚、保温筒、加热器以及水冷硅管；保温筒设置在炉体内，坩埚设置于保温筒内，坩埚内用于盛放熔融硅液，加热器围设于坩埚外，加热器与保温筒之间设置有间隙，水冷硅管设置于间隙内，水冷硅管内用于通入冷却水，且水冷硅管用于供硅蒸气附着；水冷硅管包括依次设置的多个环形管，多个环形管均绕设于坩埚外，环形管之间通过竖直连接管相连通，其不易造成热场中的石墨件、碳碳件侵蚀损伤，也不易出现硅蒸汽与单晶炉内漂浮的其他杂质发生反应形成化合物的情形，也不易引起石墨件发生打火拉弧现象。

Description

一种单晶炉及降低单晶炉中硅蒸汽的方法

技术领域

本申请涉及单晶炉技术领域，具体而言，涉及一种单晶炉及降低单晶炉中硅蒸汽的方法。

背景技术

现有技术的硅单晶炉台在拉制晶棒过程中，需要通过加热器提供适合硅晶体生长的热场温度，当热场中温度达到一定条件时，熔融硅会产生大量的硅蒸汽，但是由于热场内温度场较为复杂，影响因素较多，因此硅蒸汽被排气系统带走较少，会导致绝大部分的硅蒸汽留在单晶炉中，对热场中的石墨件、碳碳件造成不可逆的侵蚀损伤；另外，硅蒸汽在硅单晶炉内循环游走时会与单晶炉内漂浮的其他杂质发生反应，形成化合物，这种化合物通过炉内气流漂浮到熔融硅中，对硅液产生污染，硅晶体生长时会产生缺陷，影响硅单晶的成晶率，影响产量。再有，硅蒸汽浓度过大时，会引起石墨件发生打火拉弧现象，造成石墨件损坏，晶体生长异常。

发明内容

本申请的目的包括，例如，提供了一种单晶炉及降低单晶炉中硅蒸汽的方法，其能够解决背景技术中提到的问题。

本申请的实施例可以这样实现：

本申请的实施例提供了一种单晶炉，其包括炉体、坩埚、保温筒、加热器以及水冷硅管；所述保温筒设置在所述炉体内，所述坩埚设置于所述保温筒内，所述坩埚内用于盛放熔融硅液，所述加热器围设于所述坩埚外，所述加热器与所述保温筒之间设置有间隙，所述水冷硅管设置于所述间隙内，所述水冷硅管内用于通入冷却水。

可选的，所述水冷硅管包括依次设置的多个环形管，多个所述环形管均绕设于所述坩埚外，所述环形管之间通过竖直连接管相连通。

可选的，位于两端的两个所述环形管之间的距离为750-850mm。

可选的，所述环形管与所述保温筒之间的距离为16-30mm，所述环形管与所述坩埚的距离为30-50mm。

可选的，相邻所述环形管之间的距离大于或等于40mm。

可选的，相邻所述竖直连接管之间的间隔角度大于或等于60°。

本申请的实施例还提供了一种降低单晶炉中硅蒸汽的方法，应用于上述的单晶炉，该方法包括：

调整加热器功率达到55-75kw，以调节热场内部温度；

调整所述水冷硅管内的冷却水流量达到50-80lpm，以使所述水冷硅管表面与热场内部形成温度差。

可选的，所述温度差为180℃-220℃。

可选的，所述调整所述水冷硅管内的冷却水流量达到50-80lpm的步骤包括：

调节供水管路的阀门开度以使水冷硅管内的水流量达到50-80lpm。

可选的，所述方法还包括：

调节炉体内的氩气流量为80-90slpm，以使炉体内的压力为10-14torr。

本申请实施例的单晶炉及降低单晶炉中硅蒸汽的方法的有益效果包括，例如：当加热器加热坩埚使得炉体内产生硅蒸汽后，硅蒸汽随着气流在热场内部流动，此时由于向水冷硅管内通入了冷却水，水冷硅管的温度与热场内部温度存在温度差，硅蒸汽便能够附着于水冷硅管上结晶，从而降低了炉体内的硅蒸汽含量，硅蒸汽含量减少，则不易造成热场中的石墨件、碳碳件侵蚀损伤，也不易出现硅蒸汽与单晶炉内漂浮的其他杂质发生反应形成化合物的情形，也不易引起石墨件发生打火拉弧现象。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例中单晶炉的剖视图；

图2为本申请实施例中水冷硅管的结构示意图；

图3为本申请实施例中降低单晶炉中硅蒸汽的方法中步骤S1-S2的流程图；

图4为本申请实施例中降低单晶炉中硅蒸汽的方法中步骤S3的流程图。

图标：100-炉体；200-坩埚；300-保温筒；400-加热器；500-水冷硅管；510-环形管；520-竖直连接管。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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申请的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。

本申请的发明人发现，炉体内硅蒸气的浓度过大时会对热场中的石墨件、碳碳件造成不可逆的侵蚀损伤；另外，硅蒸汽在硅单晶炉内循环游走时会与单晶炉内漂浮的其他杂质发生反应，形成化合物，这种化合物通过炉内气流漂浮到熔融硅中，对硅液产生污染，硅晶体生长时会产生缺陷，影响硅单晶的成晶率，影响产量。再有，会引起石墨件发生打火拉弧现象，造成石墨件损坏，晶体生长异常。本申请的实施例提供了一种单晶炉，至少用于解决上述的技术问题。

请参考图1、图2，本申请的实施例提供的单晶炉包括炉体100、坩埚200、保温筒300、加热器400以及水冷硅管500；保温筒300设置在炉体100内，坩埚200设置于保温筒300内，坩埚200内用于盛放熔融硅液，加热器400围设于坩埚200外，加热器400与保温筒300之间设置有间隙，水冷硅管500设置于间隙内，水冷硅管500内用于通入冷却水。

需要指出的是，加热器400用于对坩埚200内的硅液进行加热，实际上，调节加热器400的功率能够使得硅液表面温度达到预设温度，在此温度下便于进行拉晶工序；加热器400的上方留有供硅蒸气流动至水冷硅管500处的空间，水冷硅管500固定于加热器400与保温筒300之间的间隙内，水冷硅管500是以高纯硅作为加工材质，中空设计，水冷硅管500中循环冷却水，作用是提供硅蒸汽附着的基底，也能够保证高温下水冷硅管500不被熔化，降低水冷硅管500表面温度，当水冷硅管500内通入冷却水时，水冷硅管500的表面温度便与热场温度之间产生温度差，其中，热场温度即炉内温度，水冷硅管500的表面温度与热场温度之间具有温度差时，就便于硅蒸气附着于水冷硅管500。

当加热器400加热坩埚200使得炉体100内产生硅蒸汽后，硅蒸汽随着气流在热场内部流动，此时由于向水冷硅管500内通入了冷却水，水冷硅管500的温度与热场内部温度存在温度差，硅蒸汽便能够附着于水冷硅管500上结晶，从而降低了炉体100内的硅蒸汽含量，硅蒸汽含量减少，则不易造成热场中的石墨件、碳碳件侵蚀损伤，也不易出现硅蒸汽与单晶炉内漂浮的其他杂质发生反应形成化合物的情形，也不易引起石墨件发生打火拉弧现象，因此，解决了原有炉体100内硅蒸汽浓度大导致的一系列问题。当单晶炉周期性停炉时，可以将水冷硅管500表面的硅粉收集，用于硅料循环，降低了生产环节的用料成本。

在可选的实施方式中，水冷硅管500包括依次设置的多个环形管510，多个环形管510均绕设于坩埚200外，环形管510之间通过竖直连接管520相连通。

其中，多个环形管510由上至下依次设置，且多个环形管510的中心线相重合；竖直连接管520沿竖直方向延伸，环形管510和竖直连接管520均为空心管，环形管510之间通过竖直连接管520相连通。

例如，环形管510的数量为三个，三个环形管510由上至下依次设置，相邻环形管510之间通过一个竖直连接管520相连通。其中，部分竖直连接管520同轴设置，部分竖直连接管520绕环形管510的周向间隔设置。

环形管510或竖直连接管520上设置有进水口和排水口，冷却水经进水口流入在环形管510和竖直连接管520内流动，最后再经排水口流出，使得冷却水在环形管510和竖直连接管520内循环流动。

可选的，位于两端的两个环形管510之间的距离为750-850mm。

需要说明的是，两端的两个环形管510之间的距离即水冷硅管500的总高度，该水冷硅管500的总高度涵盖坩埚200顶端至炉体100底部的距离，这个范围是硅蒸汽聚集的区域，顶端的环形管510靠近坩埚200的顶端，底端的环形管510靠近炉体100的底部，因此，通过限定水冷硅管500的总高度，可以最大程度地吸附炉体100内的硅蒸汽。

例如，位于两端的两个环形管510之间的距离即水冷硅管500的总高度为750 mm、800mm或850mm。可以理解的是，水冷硅管500的总高度与坩埚200顶端至炉体100底部的距离有关，因此，水冷硅管500的总高度依据实际工况在上述范围内确定合适的高度。

可选的，环形管510与保温筒300之间的距离为16-30mm，环形管510与坩埚200的距离为30-50mm。

需要说明的是，环形管510与保温筒300之间的距离指的是环形管510与保温筒300的内壁之间的最短距离，环形管510与坩埚200之间的距离指的是环形管510与坩埚200的外壁之间的最短距离。实际上，在保温筒300与坩埚200之间的距离不变的情况下，限定环形管510与保温筒300之间的距离，或限定环形管510与坩埚200的距离起到的作用一致。以下以限定环形管510与保温筒300之间的距离为例说明其带来的技术效果。

在距离保温筒300内壁16-30mm 处安装水冷硅管500，具有较佳的硅蒸汽吸附效果，若环形管510与保温筒300之间的距离超过30mm，水冷硅管500距离坩埚200过近，容易造成坩埚200内的熔融硅液结晶；若环形管510与保温筒300之间的距离低于16mm，水冷硅管500距离保温筒300的内壁过近，容易增大保温筒300与热场温度的温差，导致保温筒300使用寿命降低。

例如，环形管510与保温筒300之间的距离为16mm、20mm、25mm或30mm，可以理解的是，环形管510与保温筒300之间的距离可以依据实际工况而调整，在上述距离范围内，只要环形管510与保温筒300之间的距离限定既不易造成坩埚200内的熔融硅液结晶，也不易导致保温筒300使用寿命降低即可。

可选的，相邻环形管510之间的距离大于或等于40mm。

需要说明的是，相邻环形管510之间的距离大于或等于40mm，相邻环形管510之间相互作用降低，可以达到硅蒸汽均匀附着的效果；若相邻环形管510之间的距离低于40mm会在单晶热场内形成冷区，破坏热场的温度梯度。

例如，相邻环形管510之间的距离为80mm、100mm或200mm，具体相邻环形管510之间的距离可以依据环形管510的数量以及水冷硅管500的设定总高度而确定。

可选的，相邻竖直连接管520之间的间隔角度大于或等于60°。

需要说明的是，此处相邻的竖直连接管520指的是绕环形管510的周向间隔设置的竖直连接管520，通过限定相邻竖直连接管520之间的间隔角度大于或等于60°，能够降低冷区集中，避免破坏热场的温度梯度，为硅蒸汽的持续附着提供空间。

例如，相邻竖直连接管520之间的间隔角度为60°、90°或120°，具体相邻竖直连接管520之间的间隔角度可以依据竖直连接管520的设置数量而定。

请参考图3、图4，本申请的实施例还提供了一种降低单晶炉中硅蒸汽的方法，应用于上述的单晶炉；该降低单晶炉中硅蒸汽的方法包括：

步骤S1、调整加热器400功率达到55-75kw，以调节热场内部温度。

其中，热场内部温度即炉体100内温度。

通过调整加热器400功率达到55-75kw，能够对坩埚200内的硅液进行加热，以使坩埚200内的硅液表面温度达到1350-1500℃，此时热场温度大致为1200-1300℃。

步骤S2、调整水冷硅管500内的冷却水流量达到50-80lpm，以使水冷硅管500表面与热场内部形成温度差。

其中，步骤S2和步骤S1可以同时进行，温度差为180℃-220℃，优选的，温度差为200℃。在该温度差下，硅蒸气随气流在热场内部流动且易于附着于环形管510及竖直连接管520上结晶，从而降低了硅蒸气浓度。

通过调整水冷硅管500内的冷却水流量达到50-80lpm，环形管510及竖直连接管520中通入冷却水，使得环形管510及竖直连接管520表面温度由热场温度降低至1000-1100℃，此时环形管510及竖直连接管520表面温度与热场温度之间出现温度差，从而便于硅蒸气附着于环形管510及竖直连接管520上。

进一步地，步骤S2包括：

S21、调节供水管路的阀门开度以使水冷硅管500内的水流量达到50-80lpm。

需要说明的是，供水管路安装在炉体100上，且与水冷硅管500中的环形管510或竖直连接管520连通；阀门安装在炉体100外，且阀门安装于供水管路上，调整阀门的开度直至水冷硅管500内的水流量达到50-80lpm，实际上，将阀门的开度调整至70%左右即可控制水冷硅管500内的水流量达到50-80lpm。

此外，该降低单晶炉中硅蒸汽的方法还包括：

S3、调节炉体100内的氩气流量为80-90slpm，以使炉体100内的压力为10-14torr。

需要指出的是，步骤S3与步骤S1可以同步进行，氩气由炉体100外通入炉体100内，设定向炉体100内通入的氩气流量为80-90slpm，则能够使得炉体100内的压力保持在10-14torr，在此压力范围下，坩埚200内的晶体生长能够处于合适的环境，若炉体100内的压力过低，坩埚200内的硅液液面抖动严重，成晶效果差，若炉体100内的压力过高，坩埚200内的晶体周围杂质不易带走，坩埚200内的杂质浓度高，成晶效果也差。

实际上，通过本申请实施例中的降低单晶炉中硅蒸汽的方法使得炉体100内的硅蒸汽浓度下降80%，剩余未被捕获吸附的硅蒸汽对热场部件的侵蚀损害甚微，可以忽略不计。

综上所述，本申请实施例提供了一种单晶炉及降低单晶炉中硅蒸汽的方法，当加热器400加热坩埚200使得炉体100内产生硅蒸汽后，硅蒸汽随着气流在热场内部流动，此时由于向环形管510及竖直连接管520内通入了冷却水，环形管510及竖直连接管520的表面温度与热场内部温度存在温度差，硅蒸汽便能够附着于环形管510及竖直连接管520上并结晶，从而降低了炉体100内的硅蒸汽浓度，硅蒸汽浓度减少，则不易造成热场中的石墨件、碳碳件侵蚀损伤，也不易出现硅蒸汽与单晶炉内漂浮的其他杂质发生反应形成化合物的情形，也不易引起石墨件发生打火拉弧现象，因此，解决了原有炉体100内硅蒸汽浓度大导致的一系列问题。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种单晶炉，其特征在于，包括炉体、坩埚、保温筒、加热器以及水冷硅管；所述保温筒设置在所述炉体内，所述坩埚设置于所述保温筒内，所述坩埚内用于盛放熔融硅液，所述加热器围设于所述坩埚外，所述加热器与所述保温筒之间设置有间隙，所述水冷硅管设置于所述间隙内，所述水冷硅管内用于通入冷却水，且所述水冷硅管用于供硅蒸气附着；

所述水冷硅管包括依次设置的多个环形管，多个所述环形管均绕设于所述坩埚外，所述环形管之间通过竖直连接管相连通；

所述环形管与所述保温筒之间的距离为16-30mm，所述环形管与所述坩埚的距离为30-50mm，相邻所述环形管之间的距离大于或等于40mm。

2.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，位于两端的两个所述环形管之间的距离为750-850mm。

3.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，相邻所述竖直连接管之间的间隔角度大于或等于60°。

4.一种降低单晶炉中硅蒸汽的方法，其特征在于，应用于如权利要求1-3任一项所述的单晶炉；所述方法包括：

调整加热器功率达到55-75kw，以调节热场内部温度；

调整所述水冷硅管内的冷却水流量达到50-80lpm，以使所述水冷硅管表面与热场内部形成温度差。

5.根据权利要求4所述的降低单晶炉中硅蒸汽的方法，其特征在于，所述温度差为180℃-220℃。

6.根据权利要求4所述的降低单晶炉中硅蒸汽的方法，其特征在于，所述调整所述水冷硅管内的冷却水流量达到50-80lpm的步骤包括：

调节供水管路的阀门开度以使水冷硅管内的水流量达到50-80lpm。

7.根据权利要求4所述的降低单晶炉中硅蒸汽的方法，其特征在于，所述方法还包括：

调节炉体内的氩气流量为80-90slpm，以使炉体内的压力为10-14torr。

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