CN116479523B - 一种生长非圆柱状硅单晶锭的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及硅单晶的制备技术领域，公开了一种生长非圆柱状硅单晶锭的装置和方法，装置包括供给多晶硅原料的送料装置、加热约束线圈、引晶和拉晶装置，形状约束线圈，其设置在所述加热约束线圈的下方，并围绕在结晶生长界面附近的熔硅池和硅单晶锭的外周围，所述形状约束线圈的下开口的横截面形状与所拉制硅单晶锭的横截面形状相对应，用于通过所述形状约束线圈产生的交变磁场和感生电流，约束硅单晶锭结晶生长界面附近熔硅的横截面形状呈非圆柱状，在籽晶的引导下，冷却生长出非圆柱状的硅单晶锭。本发明提供的装置和方法能实现以区熔法生长非圆柱形硅单晶锭，可以扩大单晶锭的横截面积和单根硅的单重，提高生产效率和硅片切片利用率。

Description

一种生长非圆柱状硅单晶锭的装置和方法

技术领域

本发明涉及硅单晶制备技术领域，具体而言，涉及一种生长非圆柱状硅单晶锭的装置和方法。

背景技术

现有直拉技术或区熔技术制备的硅单晶，得到的都是准圆柱形的硅单晶棒。圆柱形的硅单晶棒存在如下缺点：

第一，大直径硅单晶棒生长时，棒中心处温度梯度过小，棒边缘处温度梯度过大，且两者相差过大。

硅单晶体的生长对结晶生长界面的温度梯度有严格的要求，结晶生长界面的温度梯度过低，则晶体生长的动力不足，生长缓慢乃至停滞；结晶生长界面的温度梯度过高，则会在熔硅中产生新的结晶中心和晶核，破坏单晶体的生长环境；在同一结晶生长界面温度梯度相差过大时，则生长界面是弯曲的，因此，在硅棒的径向横截面，结晶时间差较大，则硅相结晶时，会引入较大的相变应力，在硅单晶锭中产生位错，严重时使晶锭开裂。

生长中的硅单晶锭结晶生长界面的温度梯度，取决于熔硅池温度和硅单晶锭的散热条件，靠近晶锭表面处散热条件好，晶锭中心处散热条件差。生长一定长度后，随着硅单晶锭直径尺寸的增大，晶体边缘和晶体中心部位的散热条件相差越来越大，硅单晶锭中心处温度梯度小，边缘处温度梯度大，且两者相差过大的问题会越来越严重。

现有技术缓解这一问题的技术措施是，一是控制硅单晶棒的直径，一般硅单晶棒的直径不超过400mm；二是采用加保温套对硅单晶棒的柱面保温、降低硅单晶棒外缘的温度梯度。

然而，控制晶锭的直径，也就限制了生产率的提高；加保温套虽然降低了晶锭边缘的温度梯度，但是也不同程度地降低了结晶界面其他部位，包括晶锭中心部位的温度梯度，而晶锭中心的温度梯度是晶体生长的速率的限制项，从而也限制了晶锭的生长速率。

进一步地，现有技术为了拉制单重较大的硅单晶，只能依靠增加硅单晶锭的长度，从而增加了设备的高度。使得厂房高度增加，能耗和建设、维护成本增加。

第二，圆柱形的硅单晶锭在切制矩形硅片时，因为需要裁方，使得材料利用率降低。

为了能够在保持一定生产率的前提下拉制较大横截面的硅单晶、降低硅单晶锭的内应力、降低设备高度，且能够拉制非圆柱状硅单晶锭，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生长非圆柱状硅单晶锭的装置和方法，该装置和方法是在区熔法的基础上实现的。

为解决背景技术提出的大直径硅单晶生长时，硅单晶锭中心处温度梯度过小，边缘处温度梯度过大，且两者相差过大、圆柱形硅单晶锭加工非圆柱形（如矩形）硅单晶片时材料利用率低的技术问题，本发明是这样实现的：

第一方面，提供一种生长非圆柱状硅单晶锭的装置，包括供给多晶硅原料的送料装置、加热约束线圈、引晶和拉晶装置，还包括：形状约束线圈，其设置在所述加热约束线圈的下方，围绕在硅单晶锭结晶生长界面附近的熔硅池和硅单晶锭的外周围。所述形状约束线圈的下开口的横截面形状与所拉制硅单晶锭的横截面形状相对应。

本发明送料装置、加热约束线圈、形状约束线圈、引晶和拉晶装置由上而下依次设置。

本发明设置的形状约束线圈，通过其产生的交变磁场和感生电流分布，约束硅单晶锭结晶生长界面附近熔硅的横截面形状呈非圆形的预设形状，在籽晶的引导下，冷却顺序生长出非圆柱状的硅单晶锭。具体地：

（1）借助加热约束线圈的电磁压力、形状约束线圈产生的电磁约束力、熔硅的表面张力，平衡作用于熔硅的熔体重力、热对流运动力等作用力，由形状约束线圈的水平截面形状约束临近硅单晶锭结晶生长界面熔硅横截面的形状；在结晶界面温度梯度的作用下，使处于晶体硅熔点附近的结晶生长界面只限于籽晶或硅单晶锭与熔硅之间，使结晶后的硅单晶锭保持熔硅被约束的形状。

（2）借助形状约束线圈的集肤加热效应，选择性地补偿靠近硅单晶锭柱面附近结晶生长界面的散失热，降低硅单晶锭柱面附近结晶生长界面的温度梯度，使结晶生长界面区域平坦化，减小结晶生长界面的应力。由于影响面小，其并未降低靠近硅单晶锭中心部位结晶生长界面的温度梯度，也就不会降低硅单晶锭的固有生长速率。

本发明的一些实施方式中，所述非圆柱状为矩形柱状，本发明中，所谓矩形柱是指，以矩形为底的直四棱柱，包括长方形柱和正方形柱。矩形柱状具体讲就是准矩形横截面的硅单晶锭。所谓“准”，是“相当于”的意思，其原因在于，熔硅表面张力、熔硅对流动力和其他外界环境的扰动，构成了对硅单晶锭的面和棱角形状的干扰，使所述硅单晶锭的面和棱角有所变形；所谓“状”，表示“大体上是”，因为硅单晶锭有引晶、收尾段，应理解为工程上除去引晶、收尾段后的晶体形状。

在本发明的一些优选实施方式中，所述加热约束线圈呈单匝板状且其中部设置有熔硅通道，其水平外缘轮廓有且只有1对或2对相互垂直的对称轴；在所述任1对相互垂直的对称轴方向，所述加热约束线圈外缘的尺寸之比为（1∶1）~（1∶3.5）。其中有2对相互垂直的对称轴的情况对应于准正方形的形状，其中第1对相互垂直的对称轴指与准正方形的直边平行的两条对称轴，第2对相互垂直的对称轴指准正方形的两条对角线。

在本发明的一些优选实施方式中，所述加热约束线圈呈单匝板状且其中部设置有熔硅通道，其水平外缘轮廓有且只有1对相互垂直的对称轴，其所述加热约束线圈的水平方向上布置有若干对称排布的电流引导缝隙，所述电流引导缝隙，由其头尾两端所在的直线与所述加热约束线圈水平外缘平面的较长对称轴相垂直，所述电流引导缝隙两侧的电流方向是同向的。

进一步优选地，所述电流引导缝隙长度方向直线长度大于10mm，且小于所处位置的所述加热约束线圈外缘图形的宽度，具体尺寸可通过计算各支路阻抗获得。

本发明所述电流引导缝隙可以是弧线、直线等曲线段或多段线，但其延伸方向是由加热约束线圈的一条长边到另一条长边，可以理解的是，电流引导缝隙的引导方向与加热约束线圈的短边延长方向相一致。

本发明设置电流引导缝隙的有益效果包括，第一，消除相邻反向电流，提高电源效率；即防止在加热约束线圈临近区域出现流向相反的电流而导致电源效率降低的可能发生。第二，降低加热约束线圈阻抗，有利于大功率输出。

本发明所述电流引导缝隙的两端的电流通道宽度，系按比例均分各支路截面，总的原则是使各支路阻抗匹配、电流均衡。

更优选地，电流引导缝隙的宽度为0.3mm-8mm。该优选方案下，能够兼顾工艺可行性、运行可靠性和熔硅池上表面的平整性，更利于稳定拉晶过程。

本发明电流引导缝隙位于加热约束线圈熔硅通道的两侧，呈对称排布。

在本发明的一些优选实施方式中，所述加热约束线圈下表面，其电流密度较高的下表面部分向上翘，拉大加热约束线圈与熔硅表面的距离；电流密度较低的下表面部分向下压，缩小加热约束线圈与熔硅表面的距离。也即对于加热约束线圈下表面，其电流密度较高的部分的高度高于电流密度较低的部分的高度。以此调整对熔硅池上表面的局部电磁压力，获得比较规整的融硅表面。

本发明进一步优选地，通过如下公式控制加热约束线圈下表面与熔硅间的距离：

其中：

：加热约束线圈在区域x处的电磁压强；

：熔硅的导磁率；

：加热约束线圈在区域x处的电流强度；

：加热约束线圈在熔硅区域x处中的感生电流强度；

：加热约束线圈在区域x处与熔硅间的距离。

通过调整，达到使各处对熔硅的压强趋于一致，使硅熔池表面各处高度趋于一致。

在一些优选实施方式中，所述电流引导缝隙为若干，且其中一个电流引导缝隙为弧形且弧形的弧度和延伸方向与熔硅通道的弧度及延伸方向相同，最靠外的一个电流引导缝隙为直线型，且所述电流引导缝隙的两端均位于加热约束线圈的两条对角线上并与熔硅通道中心等分对角线。

本发明所述加热约束线圈还包括常规的部件、配套的组件及常规设计，例如：加热约束线圈电极本体、线圈冷却系统；板状本体的侧面的电极，中部的融硅通道、板状本体上实现线圈首尾端的隔离的狭缝，以及板状本体外缘厚中间薄的设计等，均为现有技术，在此不再赘述。

在本发明的一些优选实施方式中，所述形状约束线圈的下开口附近的线圈内壁的横截面为由边部（对应于目标横截面矩形的边）和向远离熔硅池的方向凸出的转角凸出部（对应于目标横截面矩形的角）间隔设置并相互连接而形成。该优选方案下，能够借助矫正的电磁场分布，抵消熔硅表面张力的影响，更利于形成接近理想矩柱形硅单晶锭。

在本发明的一些优选实施方式中，所述形状约束线圈的边部内壁整体和/或转角凸出部内壁均由上到下向内倾斜且倾斜角度在0°~10°。该优选方案下，更利于抵消熔硅重力的影响。

所述形状约束线圈的上开口横截面和上开口、下开口之间的中部区域的横截面形状可以与下开口横截面相同或不同。在本发明的一些优选实施方式中，所述形状约束线圈的上开口形状与加热约束线圈底面的外轮廓形状相同，或者形状约束线圈的上开口形状与形状约束线圈的下开口形状相同。

更优选地，形状约束线圈的上开口的横径大于加热约束线圈底面的外轮廓的横径，且所述形状约束线圈除转角凸出部外的部分与加热约束线圈之间的间隙（即任一间隙）在10mm以内，更利于在减少形状约束线圈与加热约束线圈之间的干扰的前提下，防止熔硅泄漏。

上述形状约束线圈与加热约束线圈之间的间隙是指在水平方向上形状约束线圈与加热约束线圈之间的距离。

关于所述加热约束线圈和形状约束线圈的具体尺寸和电参数，现有技术可以提供设计方法，不再赘述。

进一步优选地，所述装置还包括：

屏蔽环，其位于所述加热约束线圈和所述形状约束线圈之间，并与所述加热约束线圈和所述形状约束线圈同轴设置；

约束环，其位于所述屏蔽环内缘与熔硅池外缘之间，并与所述形状约束线圈以及所述屏蔽环同轴设置。

该优选方案下，所述屏蔽环能够有效隔离加热约束线圈和形状约束线圈，减少两个线圈之间的干扰，更利于单独调节各自的电流和频率，分别达到加热和约束的最佳效果；所述约束环能够有效地协助加热约束线圈和形状约束线圈约束熔硅的稳定和形状，使拉晶过程平稳进行。

进一步优选地，所述约束环的上方开口内壁形状与所述加热约束线圈的外轮廓相对应，所述约束环的下方开口内壁形状与所拉制矩形硅单晶的横截面轮廓相对应，所述上方开口内壁、下方开口内壁之间的横截面形状平滑过渡。

进一步优选地，所述屏蔽环水平设置，所述约束环设有卡沿，借助所述卡沿卡接在所述屏蔽环的内缘上；所述加热约束线圈的下表面配合所述约束环的上沿口设置有台阶平面使得两者配合安放。

进一步优选地，所述屏蔽环的厚度d根据如下公式获得：

；

其中，

：加热约束线圈和形状约束线圈中频率较低的高频电源趋肤厚度；

：加热约束线圈和形状约束线圈中频率较低的电源频率；

：屏蔽环材料的电导率；

：屏蔽环材料的导磁率。

进一步优选地，所述屏蔽环的材质是石墨或碳质纤维，优选石墨。

进一步优选地，所述约束环的材质是石英。

该优选方案下，可以兼顾屏蔽环的隔离效果和机械强度，且石墨或碳质纤维材料本身亦可作加热介质，无需冷却，对维持熔硅区的温度亦有益；石英材料亦是现有技术的常规材料，稳定、有效、且成本低廉。

需要说明的是，本发明中，所谓“同轴设置”意指，两部件安装位置水平截面对称中心重合、在装置的俯视图中，两部件水平截面相互垂直的长轴和短轴分别重合、两部件水平截面轮廓最大程度相互重叠。

本发明的送料装置可以采用现有技术的任何能输送多晶硅原料的装置，在此不再赘述。

进一步优选地，形状约束线圈还设置辅助加热机构，实现辅助加热功能。

第二方面，本发明提供一种生长非圆柱状硅单晶锭的方法，其采用第一方面所述的生长非圆柱状硅单晶锭的装置进行生长。

本发明所述方法包括以下步骤：（1）引晶，（2）放肩，（3）转肩，（4）等形生长和（5）收尾。

本发明步骤（1）引晶，依现有区熔技术将多晶硅原料接近所述加热约束线圈控制熔融并约束，由引晶和拉晶装置中的拉晶模块驱动籽晶接近熔融的所述多晶硅原料，加热所述籽晶头部至熔融状使所述籽晶与所述多晶硅原料接触，在接触处形成熔硅池，完成“引晶”，此为现有技术。

其中步骤（2）放肩，放肩开始，依现有区熔技术“放肩”。

步骤（2）放肩还包括：对于设置形状约束线圈、未设置屏蔽环和约束环的情况，放肩形状对应形状约束线圈的约束形状，并始终保持结晶界面附近的融硅和硅晶体与所述形状约束线圈留有间隔；之后缓慢向下拉“肩”，直至结晶生长界面进入形状约束线圈的中下部具有所需矩形磁场（例如具有较理想矩形磁场的部位）的部位，放肩至预设的形状和尺寸；

步骤（2）放肩还包括：对于设置形状约束线圈、并在加热约束线圈和形状约束线圈之间设置有屏蔽环和约束环的情况，放肩形状对应约束环出口的约束形状，并始终保持结晶界面附近的融硅和硅晶体与所述约束环间的间隔；之后缓慢向下拉“肩”，直至结晶生长界面的位置低于约束环的出口，且进入形状约束线圈中的预设位置，放肩至预设的形状和尺寸。

本发明步骤（3）转肩中，在步骤（2）之后依照现有区熔技术完成转肩。

本发明步骤（4）等形生长中，在步骤（3）之后依照现有区熔技术完成等形生长，与现有技术不同点说明如下：

对于本发明设置或不设置屏蔽环和约束环的任一情况下的装置，在晶体生长时存在如下关系：

；

；

.

其中：

：晶体生长速率；

：通过结晶界面结晶潜热的散失速率；

：常数；

：硅单晶密度；

：硅晶体熔融比热容；

：结晶界面的面积；

：通过结晶界面总热量的散失速率；

：外界热量补充到结晶界面的速率；

：结晶界面附近的温度梯度；

：热传导系数。

本发明人研究发现，在结晶界面各点处温度梯度是不相同的，靠近硅单晶锭边缘处有最大值，靠近晶体硅锭中心处有最小值，温度梯度值的差异使得结晶界面各点具有不同的晶体生长速率/>，造成结晶界面呈弯曲状，弯曲的结晶界面引入热应力，轻者在硅单晶中产生位错、杂质分布不均等结晶缺陷，重者存在使晶体开裂使晶体生长失败的可能。

为了控制因结晶界面各点晶体生长速率不同而产生的应力，现有技术是在硅单晶锭外围加热屏保温桶，以降低/>的办法，该措施以较多地降低硅单晶锭边缘处/>的办法来实现降低硅单晶锭边缘处的/>，但是该措施在降低/>的同时也意味着同时降低了晶体硅锭中心处的/>，从而进一步地降低了晶体的最低生长速率点的生长速率，直至使晶体的生长速率趋近于0。使得以现有技术拉制圆柱形硅单晶锭的直径上限约为400mm左右。

对此，本发明的优选实施方式中从两方面给出解决方案：

第一，拉制非圆柱形，特别是矩柱形硅单晶锭，在同样截面积情况下，非圆柱形硅单晶锭的柱面表面积可以大大超过圆柱形的表面积，并且最不利散热区域的热传导路径短于圆柱形圆心到圆周的传导路径。因此可以得到较高的值，保证拉制大横截面硅单晶锭时的拉速；

第二，本发明通过形状约束线圈的高频电流集肤效应，仅对硅单晶锭边缘处的结晶界面补充热量，通过增加补充速率/>，达到降低硅单晶锭边缘处的/>的目的。由于没有降低硅单晶锭中心部位的/>，所以不会进一步降低硅单晶锭的拉速，有利于拉制大横截面的硅单晶锭。

本发明步骤（2）~步骤（4）过程中，控制所述形状约束线圈与加热约束线圈的电流频率为0.5-3MHz。优选地，对于设置形状约束线圈、并不设置有屏蔽环和约束环的情况，控制所述形状约束线圈与加热约束线圈的电流频率为2-3MHz。对于设置形状约束线圈、并在加热约束线圈和形状约束线圈之间设置有屏蔽环和约束环的情况，控制所述形状约束线圈与加热约束线圈的电流频率为0.5-3MHz。由于电流的约束力效应与电流的频率成正比，而电流的热效应与电流频率的平方成正比，因此，该优选方案下，不同结构配置不同的电流频率能够选择性地增强电流的约束力效应或电流的加热效应，更有利于选择性地调整电流效应的力热之比例。

本发明中，等形生长中控制硅单晶按照与形状约束线圈匹配的形状生长，其方法包括：引晶后，接通形状约束线圈的电源，借助形状约束线圈产生的电磁约束力，平衡作用于熔硅池的各作用力，约束熔硅池横截面的形状；且熔硅池下低于晶体硅熔点的冷却结晶生长界面只限于所述硅单晶锭（或籽晶）与熔硅之间，稳定实现硅单晶锭在连续的结晶生长界面上“二维表面成核，侧向生长”的循序结晶过程，得到稳定的硅单晶锭横截面形状；从而保证所生长的晶体为单晶体。

本发明步骤（5）收尾中，在步骤（4）之后依照现有区熔技术完成晶体收尾。

需要强调的是，本发明在整个拉晶过程中，确保结晶界面附近熔硅不与除籽晶或硅单晶锭外的其他固相物体或颗粒相接触。

有益效果：

本发明提供的生长非圆柱状硅单晶锭的装置和方法借助于近邻加热约束线圈的形状约束线圈，可以实现拉制非圆柱状（如矩形状）横截面形状的硅单晶锭。有益效果如下：

第一，非圆柱状（如矩形状）横截面形状的硅单晶锭可以提高硅单晶锭横截面的周长面积比、消除或减轻现有技术圆形横截面圆心处的温度梯度极低值点，从而提高拉晶速度，提高生产率。

同理，在拉制大横截面积硅单晶锭时，相比圆形横截面的硅单晶锭，非圆形横截面的散热更为均匀有效，因此有利于降低硅单晶锭的内应力，降低位错缺陷密度，使晶体硅锭横截面的杂质分布更加均匀。

进一步地，本发明借助形状约束线圈的高频电流加热集肤效应，有针对性地对硅单晶锭边缘处的结晶界面补充热量，通过增加补充速率/>，达到降低硅单晶锭边缘处的结晶潜热散失速率/>的目的，使结晶生长界面区域平坦化，减小结晶生长界面的应力，由于在过程中没有降低硅单晶锭中心部位的温度梯度/>，所以不会进一步降低硅单晶锭的拉速，方便拉制大横截面积硅单晶。

更进一步地，与圆形横截面相比，非圆形横截面可以拉制更大横截面积的硅单晶锭，因此，在拉制大单重硅单晶时，可以有效降低设备和厂房的高度，有利于降低能耗、降低工厂建设和维护成本。

第二，圆柱形的硅单晶锭在切制非圆形（例如矩形）硅片时，因为需要裁方，使得材料利用率降低。本发明提供的装置和方法能生长矩形硅单晶锭，有利于提高了硅片的切片利用率，成为高效制备区熔硅单晶技术手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的某些实施例，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为本发明实施例1提供的生长非圆柱状硅单晶锭的装置的结构及工作状态示意图，该实施例为区熔法；

图2为本发明实施例1中第一加热约束线圈的形状和结构示意图；

图3为本发明实施例1中第一形状约束线圈的形状和结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的生长非圆柱状硅单晶锭的装置的结构及工作状态示意图，该实施例为区熔法；

图5为本发明实施例2提供的生长非圆柱状硅单晶锭的装置的结构及引晶、放肩阶段工作状态示意图；

图6为本发明实施例2中第二加热约束线圈的形状和结构示意图；

图7为本发明实施例2中石英约束环的结构和形状示意图；

图8为本发明实施例2中第二形状约束线圈的结构和形状示意图。

图标：100-生长非圆柱状硅单晶锭的装置；11-多晶硅原料；12-硅单晶锭；13-熔硅池；14-结晶生长界面；15-籽晶；21-第一加热约束线圈；211-第一加热约束线圈电极；212-第一加热约束线圈熔硅通道；22-第一形状约束线圈；221-第一形状约束线圈电极；222-倾角β；223-第一形状约束线圈边部；224-第一形状约束线圈转角凸出部；23-第二加热约束线圈；231-第二加热约束线圈电极；232-第二加热约束线圈电流引导缝隙；233-第二加热约束线圈熔硅通道；24-第二形状约束线圈；241-第二形状约束线圈电极；242-倾角α；243-第二形状约束线圈边部；244-第二形状约束线圈转角凸出部；31-引晶和拉晶装置；311-籽晶夹头；312-拉晶模块；33-石英约束环；331-石英约束环上口；332-石英约束环下口；34-石墨屏蔽环。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供了一种生长非圆柱状硅单晶锭的装置100，具体生长正方形柱状硅单晶锭，以区熔法实现，自上而下设有：

多晶硅原料11的送料装置；

第一加热约束线圈21，见图2；

第一加热约束线圈21为单匝板状，其不包括线圈电极211部分，其外轮廓为倒角正方形，倒角线段为圆弧，第一加热约束线圈21水平面的宽长比为1∶1。第一加热约束线圈21设有第一加热约束线圈电极211和第一加热约束线圈熔硅通道212，其中第一加热约束线圈电极211、第一加热约束线圈熔硅通道212、电极冷却设计、及其外缘厚中间薄的设计均为现有技术。

第一形状约束线圈22，见图3，其配套设有第一形状约束线圈电极221；

第一形状约束线圈22呈“天圆地方”样结构，所谓“天圆”意指其上开口形状与第一加热约束线圈21相适应，且大于第一加热约束线圈21的相对应横径，以减少第一加热约束线圈21、第一形状约束线圈22间的相互干扰。此处，两线圈间的间隙的设计尤为重要，两线圈间的间隙即保证不使熔硅从此间隙溢出（有效约束），又要尽可能减少两线圈间磁通的相互干扰，在此，需要考虑多晶硅供料方式、熔硅设计高度、硅单晶锭尺寸、两线圈中电流的频率、电流强度范围等边界条件，具体可参考现有技术仿真设计。为此，控制两线圈间的横向间隙在10mm以内。且本实施例采用2~3MHz的电流频率，在此频率下，熔硅本身是良好的屏蔽导体，起到部分隔离两线圈的作用。

所谓“地方”是指第一形状约束线圈22的下半截及下开口处的形状适应正方形截面硅单晶锭12的截面形状要求，其首先设有第一形状约束线圈边部223，流经第一形状约束线圈边部223的电流产生准矩形的环状电流，约束熔硅呈矩形截面，其次为了降低所述矩形角部的磁场强度，还设有第一形状约束线圈转角凸出部224，第一形状约束线圈转角凸出部224远离所述矩形的角。

此外第一形状约束线圈22还有辅助加热的功能，改变加热电流的频率和电压，可以在维持相同约束力的前提下，改变补充热量的施加速率/>以便在结晶生长界面14附近保持合适的界面形状，保证足够的拉晶速率。

本实施例中的第一形状约束线圈22的第一形状约束线圈边部223的倾角β222由上到下向内倾斜为5°。

引晶和拉晶装置31包括有籽晶夹头311和拉晶模块312，籽晶夹头311和拉晶模块312的配置都是现有技术。

本实施例提供的生长非圆柱状硅单晶锭的方法，具体生长正方形柱状硅单晶锭，以区熔法实现，通过本实施例提供的装置实施，包括如下步骤：

按常规区熔硅单晶的工作条件，设置设备和晶体生长环境，包括晶体生长环境保护气体、气压、流量，冷却和温度梯度控制装置，并以常规技术区熔拉晶。特别地，包括如下步骤：

（1）引晶：

依现有技术将多晶硅原料11接近第一加热约束线圈21控制熔融，由拉晶模块312驱动籽晶夹头311、籽晶15接近熔融的多晶硅原料11，加热籽晶15头部至熔融状，使籽晶15与熔融的多晶硅原料11接触，在接触处形成熔硅池13，完成“引晶”，此为现有技术。

引晶后，接通第一形状约束线圈22的电源，借助第一形状约束线圈22产生的电磁约束力，平衡作用于熔硅池13的各作用力，约束熔硅池13横截面的形状为准正方形；且熔硅池13下低于晶体硅熔点的冷却结晶生长界面14只限于所述籽晶15与熔硅池13之间，稳定实现籽晶15在连续的结晶生长界面14上“二维表面成核，侧向生长”的循序结晶过程，得到稳定的硅单晶细颈；从而保证而后所生长的晶体为单晶体。

（2）放肩：

放肩开始，依现有技术“放肩”，所不同的是：

拉制220mm×220mm正方形横截面的硅单晶锭12，在所述第一形状约束线圈22中通2.5MHz、3000A的高频电流，可以维持60mm的熔硅池13的高度，放肩形状对应所述第一形状约束线圈22的约束形状，并保持“肩”或硅单晶晶体与所述第一形状约束线圈22间的工艺间隙；

按现有区熔技术向下拉“肩”，直至结晶生长界面14进入所述第一形状约束线圈22的下半部具有较理想正方形磁场的部位，放肩至预设的形状和尺寸，并保持“肩”或硅单晶锭12与所述第一形状约束线圈22间的工艺间隙；

（3）转肩

接下来依照现有区熔技术完成转肩；

（4）等形生长

依照现有区熔技术完成等形生长，与现有技术不同点说明如下：

第一，由于拉制的是220mm×220mm的正方柱形硅单晶锭12，与同样截面积的φ248mm的圆柱形硅单晶锭相比，其柱面表面积增加了13%，并且最不利散热区域的热传导路径短于圆柱形圆心到圆周的传导路径。因此在硅单晶锭12的最中心区域可以得到较高的温度梯度，可以得到较高的整体硅单晶锭12的生长速度/>；

第二，本实施例通过第一形状约束线圈22的高频电流集肤效应，仅对硅单晶锭12边缘处的结晶界面补充热量，通过改变/>的补充速率/>，达到改变硅单晶锭边缘处放出结晶潜热/>，从而改变硅单晶锭12边缘处生长速率的目的。由于没有降低硅单晶锭12中心部位的/>，所以保证了硅单晶锭12最低的拉速/>，有利于拉制大横截面的硅单晶锭。

本实施例步骤（2）~步骤（4），控制所述第一形状约束线圈22与第一加热约束线圈21的电流频率为2.5MHz。

本实施例，等形生长中控制硅单晶锭12按照与第一形状约束线圈22匹配的形状生长，其方法包括：引晶后，接通第一形状约束线圈22的电源，借助第一形状约束线圈22产生的电磁约束力，平衡作用于熔硅池13的各作用力，约束熔硅池13横截面的形状为准正方形；且熔硅池13下低于晶体硅熔点的冷却结晶生长界面14只限于所述硅单晶锭12与熔硅池13之间，稳定实现硅单晶锭12在连续的结晶生长界面14上“二维表面成核，侧向生长”的循序结晶过程，得到稳定的硅单晶锭12的横截面形状；从而保证所生长的晶体为单晶体。

（5）收尾

接下来依照现有区熔技术完成收尾。

在整个拉晶过程中，确保结晶生长界面14附近熔硅不与除籽晶15或硅单晶锭12以外的其他固相物体或颗粒相接触。

与现有技术相比，本实施例的有益效果：

第一，本实施例借助于近邻第一加热约束线圈21的第一形状约束线圈22，实现拉制准正方形横截面形状的硅单晶锭12；

本实施例，正方形横截面形状的硅单晶锭12可以提高硅单晶锭横截面的周长面积比、消除或减轻现有技术圆形横截面圆心处的温度梯度极低值点，从而提高拉晶速度，提高生产率。

相比圆形横截面的硅单晶锭，正方形横截面的散热更为均匀有效，因此有利于降低硅单晶锭12的内应力，降低位错缺陷密度，使硅单晶锭12横截面的杂质分布更加均匀。

进一步地，本实施例借助第一形状约束线圈22的高频电流加热集肤效应，有针对性地对硅单晶锭12边缘处的结晶生长界面14补充热量，通过改变补充速率，达到改变硅单晶锭12边缘处的结晶潜热散失速率/>的目的，使结晶生长界面14区域平坦化，减小结晶生长界面14的应力，由于在过程中没有降低硅单晶锭12中心部位的温度梯度/>，所以不会进一步降低硅单晶锭12的拉速，方便拉制大横截面积硅单晶。

更进一步地，与圆形横截面相比，正方形横截面可以拉制更大横截面积的硅单晶锭12，因此，相较现有技术，本实施例可以有效降低设备和厂房的高度，有利于降低能耗、降低工厂建设和维护成本。

第二，现有技术圆柱形的硅单晶锭在切制正形硅片时，因为需要裁方，使得材料利用率降低。本实施例提供的装置和方法生长的正形硅单晶锭12，考虑损耗后，硅片的切片利用率相比于圆柱形的硅单晶锭提高了约42%，成为高效制备区熔硅单晶技术手段。

实施例2

如图4、图5、图6、图7和图8所示，本发明实施例提供了一种生长非圆柱状硅单晶锭的装置100，具体生长长方形柱硅单晶锭，自上而下设有：

多晶硅原料11的送料装置；

此与实施例1相同。

第二加热约束线圈23，见图6；

第二加热约束线圈23为单匝板状，其不包括第二加热约束线圈电极231部分，其外轮廓为倒角长方形，倒角线段为圆弧，第二加热约束线圈23水平面的宽长比近似为1∶2。第二加热约束线圈23设有第二加热约束线圈电极231、第二加热约束线圈电流引导缝隙232和第二加热约束线圈熔硅通道233，其中第二加热约束线圈电极231、第二加热约束线圈熔硅通道233、电极冷却设计、及其外缘厚中间薄的设计均为现有技术。

配合第二加热约束线圈23的倒角长方形轮廓，在第二加热约束线圈23上设置有第二加热约束线圈电流引导缝隙232，其作用是，阻断第二加热约束线圈23靠近所述倒角长方形长轴方向的往返电流，该往返电流所产生的电磁场会互相抵消，降低电源效率。

本实施例中，在第二加热约束线圈23平面设置的第二加热约束线圈电流引导缝隙232需考虑各支路电流及其电流分布的均衡，为此，需要评估在工作频率下各支路回路的阻抗。第二加热约束线圈电流引导缝隙232的宽度为符合相应电压等级所需电气间隙的较低值，并考虑加工工艺和运行可靠性，本实施例中第二加热约束线圈电流引导缝隙232的宽度为2mm。

本实施例中，为了达到电磁约束力的均衡，在电流密度较低的所述第二加热约束线圈23长度方向的两端，设计成下压模式，以补偿电磁约束力的衰减。

本实施例中，连接第二加热约束线圈23对角倒角的圆心得两条交叉线，所述第二加热约束线圈电流引导缝隙232的起点和终点位于该两条交叉线，靠外侧的两条第二加热约束线圈电流引导缝隙232为直线，靠内侧的两条第二加热约束线圈电流引导缝隙232为第二加热约束线圈熔硅通道233的同心圆弧线，第二加热约束线圈电流引导缝隙232的宽度为2mm。4条第二加热约束线圈电流引导缝隙232和第二加热约束线圈熔硅通道233的中心，等分第二加热约束线圈23的长轴。

石墨屏蔽环34；

石墨屏蔽环34置于第二加热约束线圈23和第二形状约束线圈24之间，并与所述第二加热约束线圈23和所述第二形状约束线圈24同轴设置，用来实现两线圈的隔离，防止相互干扰。

石墨屏蔽环34的厚度按照第二加热约束线圈23或/和第二形状约束线圈24频率较低者计算。

依据趋肤深度公式，取石墨屏蔽环34的厚度d：

；

其中，

：加热约束线圈和形状约束线圈中频率较低的高频电源趋肤厚度；

：加热约束线圈和形状约束线圈中频率较低的电源频率；

：屏蔽环材料的电导率此处取石墨材料；

：屏蔽环材料的导磁率此处取石墨材料。

本实施例中，取石墨屏蔽环34的厚度为5mm。

石英约束环33，见图7；

石英约束环33横截面由上至下从较大倒角矩形过渡至较小倒角矩形，纵截面呈L型，其中石英约束环上口331对应第二加热约束线圈23的外轮廓，石英约束环下口332对应预设的硅单晶锭12的横截面形状；其上方开口内壁、下方开口内壁之间的横截面形状平滑过渡。

第二形状约束线圈24，见图8，其配套设有第二形状约束线圈电极241；

在本实施例中，第二形状约束线圈24的横截面形状与长方形对应，用于拉制横截面为长方形的硅单晶锭12。具体地，第二形状约束线圈24的形状如图8所示，其由第二形状约束线圈边部243和第二形状约束线圈转角凸出部244交替连接构成，以减弱矩形角部的电磁场强度，第二形状约束线圈转角凸出部244的开口朝向第二形状约束线圈24内。为了抵消熔硅池13重力的影响，第二形状约束线圈24的上部开口尺寸大于下部开口尺寸。

与实施例1相同，此外第二形状约束线圈24亦有辅助加热的功能，改变加热电流的频率和电压，可以在维持相同约束力的前提下，改变补充热量的施加速率/>以便在结晶生长界面14附近保持合适的界面形状，保证足够的拉晶速率。

本实施例中的第二形状约束线圈24的倾角α242由上到下向内倾斜为5°。

引晶和拉晶装置31；引晶和拉晶装置31与实施例1相同。

本实施例石墨屏蔽环34、石英约束环33与第二加热约束线圈23、第二形状约束线圈24以及引晶和拉晶装置31均同轴设置。

本实施例提供的以区熔法生长长方形柱硅单晶锭的方法，通过本实施例提供的装置实施，包括如下步骤：

按常规区熔硅单晶的工作条件，设置设备和晶体生长环境，包括晶体生长环境保护气体、气压、流量，冷却和温度梯度控制装置，并以常规技术区熔拉晶。特别地，包括如下步骤：

（1）引晶：

本步骤与实施例1相同。

（2）放肩：

放肩开始，依现有技术“放肩”，所不同的是：

以拉制220mm×430mm长方形横截面的硅单晶锭12为例，在所述第二形状约束线圈24中通0.5MHz、5000A的高频电流，可以维持60mm的熔硅池13的高度，放肩形状对应所述第二形状约束线圈24的约束形状，并保持硅单晶晶体与所述第二形状约束线圈24间的工艺间隙；

以现有技术向下拉“肩”，直至结晶生长界面14离开石英约束环33下口，进入第二形状约束线圈24的中部，放肩至预设的形状和尺寸；

（3）转肩

接下来依照现有区熔技术完成转肩；

（4）等形生长

依照现有区熔技术完成等形生长，与现有技术不同点说明如下：

第一，由于拉制的是220mm×430mm的长方柱形硅单晶锭12，与同样截面积的φ347mm的圆柱形硅单晶锭相比，其柱面表面积增加了19%，并且最不利散热区域的热传导路径短于圆柱形圆心到圆周的传导路径。因此在硅单晶锭12的最中心区域可以得到较高的温度梯度，可以得到较高的整体硅单晶锭12的生长速度/>；

第二，本实施例通过第二形状约束线圈24的高频电流集肤效应，仅对硅单晶锭12边缘处的结晶界面补充热量，通过改变/>的补充速率/>，达到改变硅单晶锭边缘处放出结晶潜热/>，从而改变硅单晶锭12边缘处生长速率的目的。由于没有降低硅单晶锭12中心部位的/>，所以保证了硅单晶锭12最低的拉速/>，有利于拉制大横截面的硅单晶锭。

本实施例步骤（2）~步骤（4），控制所述第二形状约束线圈24中的电流频率为0.5MHz，第二加热约束线圈23的电流频率为2.5MHz。

本实施例，等形生长中控制硅单晶锭12按照与第二形状约束线圈24匹配的形状生长，其方法包括：引晶后，接通第二形状约束线圈24的电源，借助第二形状约束线圈24产生的电磁约束力，平衡作用于熔硅池13的各作用力，约束熔硅池13横截面的形状为准长方形；且熔硅池13下低于晶体硅熔点的冷却结晶生长界面14只限于所述硅单晶锭12与熔硅池13之间，稳定实现硅单晶锭12在连续的结晶生长界面14上“二维表面成核，侧向生长”的循序结晶过程，得到稳定的硅单晶锭12的横截面形状；从而保证所生长的晶体为单晶体。

（5）收尾

接下来依照现有区熔技术完成收尾。

在整个拉晶过程中，确保结晶生长界面14附近熔硅不与除籽晶15或硅单晶锭12以外的其他固相物体或颗粒相接触。

需要说明的是，引晶、扩肩后的硅单晶按照与第二形状约束线圈24下开口匹配的形状生长，其方法包括：引晶后，接通第二形状约束线圈24的电源，借助第二形状约束线圈24产生的电磁约束力，平衡作用于熔硅池13的各作用力，约束熔硅池13结晶生长界面14处的横截面的形状呈准矩形；在所述第二形状约束线圈24与所述第二加热约束线圈23的配合作用下，熔硅池13处于晶体硅熔点附近的结晶生长界面14只限于所述硅单晶锭12与熔硅池13之间；本实施例等形生长的过程与现有区熔法基本相同，所不同的是：加热效果需考虑第二形状约束线圈24的贡献。

与现有技术相比，本实施例的有益效果：

第一，本实施例借助于近邻第二加热约束线圈23的第二形状约束线圈24，实现拉制准长方形横截面形状的硅单晶锭12；

本实施例，长方形横截面形状的硅单晶锭12可以提高硅单晶锭横截面的周长面积比、消除或减轻现有技术圆形横截面圆心处的温度梯度极低值点，从而提高拉晶速度，提高生产率。

相比圆形横截面的硅单晶锭，长方形横截面的散热更为均匀有效，因此有利于降低硅单晶锭12的内应力，降低位错缺陷密度，使硅单晶锭12横截面的杂质分布更加均匀。

进一步地，本实施例借助第二形状约束线圈24的高频电流加热集肤效应，有针对性地对硅单晶锭12边缘处的结晶生长界面14补充热量，通过改变补充速率，达到改变硅单晶锭12边缘处的结晶潜热散失速率/>的目的，使结晶生长界面14区域平坦化，减小结晶生长界面14的应力，与现有技术不同，由于在过程中没有降低硅单晶锭12中心部位的温度梯度/>，所以不会降低硅单晶锭12的拉速，方便拉制大横截面积硅单晶。

更进一步地，与圆形横截面相比，长方形横截面可以拉制更大横截面积的硅单晶锭12，因此，相较现有技术，本实施例可以有效降低设备和厂房的高度，有利于降低能耗、降低工厂建设和维护成本。

第二，现有技术圆柱形的硅单晶锭在切制矩形硅片时，因为需要裁方，使得材料利用率降低。本实施例提供的装置和方法生长的长方形硅单晶锭12，在切制矩形硅片时，材料的利用率较现有技术大幅提高，成为高效制备区熔硅单晶技术手段。

第三，本实施例加入石墨屏蔽环34，有效降低第二加热约束线圈23和第二形状约束线圈24之间的干扰，避免由此导致的熔硅边缘部分上翘，使系统较易设计，稳定性高。

第四，本实施例加入石英约束环33，使得熔硅池13和拉晶过程更加稳定。

综上，本发明提供的技术方案具有显著的成本优势和降本潜力，对产业的发展具有重要意义。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种生长非圆柱状硅单晶锭的装置，包括供给多晶硅原料的送料装置、加热约束线圈、引晶和拉晶装置，其特征在于，还包括：

形状约束线圈，其设置在所述加热约束线圈的下方，并围绕在结晶生长界面附近的熔硅池和硅单晶锭的外周围，所述形状约束线圈的下开口的横截面形状与所拉制硅单晶锭的横截面形状相对应，用于通过所述形状约束线圈产生的交变磁场和感生电流，约束硅单晶锭结晶生长界面附近熔硅的横截面形状呈非圆柱状，在籽晶的引导下，冷却生长出非圆柱状的硅单晶锭；所述非圆柱状为矩形柱状，所述形状约束线圈的下开口附近的线圈内壁的横截面为由边部和转角凸出部间隔设置并相互连接而形成；所述转角凸出部向远离熔硅池的方向凸出；所述形状约束线圈的边部内壁整体和/或转角凸出部内壁整体均由上到下向内倾斜且倾斜角度在0°~10°；

屏蔽环，其位于所述加热约束线圈和所述形状约束线圈之间，并与所述加热约束线圈和所述形状约束线圈同轴设置；

约束环，其位于所述屏蔽环内缘和熔硅池外缘之间，并与所述形状约束线圈以及所述屏蔽环同轴设置；所述约束环的上方开口内壁形状与所述加热约束线圈的外轮廓相对应，所述约束环的下方开口内壁形状与所拉制矩形硅单晶的横截面轮廓相对应，所述上方开口内壁、下方开口内壁之间的横截面形状平滑过渡；

所述屏蔽环的厚度d根据如下公式获得：

；

；

其中，

：加热约束线圈和形状约束线圈中频率较低的高频电源趋肤深度；

：加热约束线圈和形状约束线圈中频率较低的电源频率；

：屏蔽环材料的电导率；

：屏蔽环材料的导磁率。

2.根据权利要求1所述的生长非圆柱状硅单晶锭的装置，其特征在于，所述加热约束线圈呈单匝板状且其中部设置有熔硅通道，所述加热约束线圈的水平外缘轮廓有且只有1对或2对相互垂直的对称轴；在所述1对或2对相互垂直的对称轴方向，所述加热约束线圈外缘的一侧尺寸与相邻的另一侧尺寸之比为（1∶1）~（1∶3.5）。

3.根据权利要求2所述的生长非圆柱状硅单晶锭的装置，其特征在于，所述加热约束线圈的水平外缘轮廓有且只有1对相互垂直的对称轴，所述加热约束线圈的水平方向上布置有若干对称排布的电流引导缝隙，所述电流引导缝隙的头尾两端所在的直线与所述加热约束线圈水平外缘平面的较长对称轴相垂直，所述电流引导缝隙两侧的电流方向是同向的；电流引导缝隙的宽度为0.3mm-8mm，电流引导缝隙的长度方向直线距离大于10mm且小于所处位置的所述加热约束线圈外缘图形的宽度。

4.根据权利要求1所述的生长非圆柱状硅单晶锭的装置，其特征在于，所述形状约束线圈的上开口形状与加热约束线圈底面的外轮廓形状相同，或者形状约束线圈的上开口形状与形状约束线圈的下开口形状相同；

且形状约束线圈上开口的横径大于加热约束线圈底面的外轮廓的横径，且所述形状约束线圈除转角凸出部的部分外与加热约束线圈之间的间隙在10mm以内。

5.根据权利要求1所述的生长非圆柱状硅单晶锭的装置，其特征在于，所述屏蔽环水平设置，所述约束环设有卡沿，借助所述卡沿卡接在所述屏蔽环的内缘上；所述加热约束线圈的下表面配合所述约束环的上沿口设置有台阶平面使得两者配合安放。

6.根据权利要求1所述的生长非圆柱状硅单晶锭的装置，其特征在于，所述屏蔽环的材质是石墨；和/或，所述约束环的材质是石英。

7.一种生长非圆柱状硅单晶锭的方法，其特征在于，其采用如权利要求1-6中任一项所述的生长非圆柱状硅单晶锭的装置进行生长，所述方法包括以下步骤：

（1）引晶

（2）放肩，包括：

对于设置有形状约束线圈、未设置屏蔽环和约束环的情况，放肩形状对应形状约束线圈的约束形状，并始终保持结晶界面附近的融硅和硅晶体与所述形状约束线圈留有间隔；之后缓慢向下拉“肩”，直至结晶生长界面进入形状约束线圈的中下部具有所需矩形磁场的部位，放肩至预设的形状和尺寸；

对于设置有形状约束线圈、并在加热约束线圈和形状约束线圈之间设置有屏蔽环和约束环的情况，放肩形状对应约束环出口的约束形状，并始终保持结晶界面附近的融硅和硅晶体与所述约束环间的间隔；之后缓慢向下拉“肩”，直至结晶生长界面的位置低于约束环的出口，且进入形状约束线圈中的预设位置，放肩至预设的形状和尺寸；

（3）转肩

（4）等形生长

由形状约束线圈向硅单晶锭外缘的结晶界面提供额外的热量Q_r，达到降低硅单晶锭边缘的生长速率，控制硅单晶锭边缘的生长速率与硅单晶锭中心的生长速率之差在预设许可范围之内的目的；接下来，由形状约束线圈将结晶界面附近的融硅横截面约束成预设的目标形状，继续完成硅单晶锭等形生长；

（5）收尾

其中，在整个拉晶过程中，确保结晶界面附近熔硅不与除籽晶或硅单晶锭外的其他固相物体或颗粒相接触。