CN117026366A - 一种变径晶体棒拉拔设备及拉拔工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变径晶体棒拉拔设备及拉拔工艺，包括机座，所述机座的顶部固定连接有炉体，所述炉体的内部固定安装有保温桶，所述机座的外壁固定连接有第一电机，所述第一电机输出轴的顶部固定连接有石墨坩埚，所述石墨坩埚的内部固定连接有石英坩埚，所述石墨坩埚的外壁套设有电加热线圈，所述电加热线圈的外壁套设有环形加热器。本发明通过环形加热器与电加热线圈将原料热融，通过设置第四电机、丝杆、导杆、移动块、圆环、矩形套与花键轴，两个矩形套进行左右移动，实现两种转速之间的切换，相较于电机的改变电压变速，通过机械机构避免了负载情况，避免了烧坏与寿命降低，保证了晶体棒的变径过程稳定，降低了生产成本。

Description

一种变径晶体棒拉拔设备及拉拔工艺

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种变径晶体棒拉拔设备及拉拔工艺。

背景技术

单晶硅作为一种半导体材料，大部分的半导体单晶硅采用直拉法制造。直拉法生产过程中，首先将多晶硅原料放入石英坩埚中加热至熔融状态，液面上方通过提拉索悬吊一根单晶硅籽晶，籽晶下降至与液面接触，当温度合适时，籽晶与熔体达到热平衡，液面会在表面张力的支撑下，吸附在籽晶下方；籽晶缓慢向上提升，吸附熔体也会随之向上运动，从而形成过冷状态，具有过冷态的硅原子会顺着籽晶的排列结构在固液交界面上形成规则的结晶体。在籽晶下端依次进行引晶、放肩、转肩等径及收尾，若整个生长环境稳定，就可以周而复始地在之前形成的单晶体上继续结晶，最终形成一根圆柱形的单晶硅棒。

在现有技术中，籽晶的速度是匀速的，生长后的单晶硅棒直径变化较小，整体直径基本相同，在生产不同直径的单晶硅棒时，需要通过不同的单晶炉进行生产，无法在单晶硅棒上进行变径，对于生产不同直径的硅棒，需要多个单晶炉进行生产，所采用的场地与设备费用较高，因此我们提出一种变径晶体棒拉拔设备及拉拔工艺，用于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种变径晶体棒拉拔设备及拉拔工艺。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种变径晶体棒拉拔设备，包括机座，所述机座的顶部固定连接有炉体，所述炉体的内部固定安装有保温桶，所述机座的外壁固定连接有第一电机，所述第一电机输出轴的顶部固定连接有石墨坩埚，所述石墨坩埚的内部固定连接有石英坩埚，所述石墨坩埚的外壁套设有电加热线圈，所述电加热线圈的外壁套设有环形加热器，所述机座的顶部固定连接有上炉升降架，所述上炉升降架的外壁安装有安装架，所述安装架的外壁固定连接有上炉，所述上炉的顶部固定连接有提拉箱，所述提拉箱的内部设有切换机构，所述提拉箱的内部设有提拉机构。

优选的，所述切换机构包括第三电机，所述提拉箱的内部固定连接有第二电机，所述第三电机的外壁与提拉箱的内壁固定连接，所述第二电机与第三电机输出轴的外壁均固定连接有矩形块，所述提拉箱的内壁固定连接有第四电机，所述第四电机输出轴的外壁固定连接有丝杆，所述丝杆的外壁螺纹套设有两个移动块，两个移动块的外壁均固定连接有圆环，通过设置丝杆使移动块带动圆环进行移动，圆环移动使矩形套进行移动，方便进行左右切换。

优选的，所述提拉机构包括花键套，所述提拉箱的内部固定连接有两个隔板，两个隔板的外壁均开设有圆孔，圆孔的内壁与花键套的外壁转动连接，所述花键套的内壁滑动连接有两个花键轴，两个花键轴的一端均固定连接有矩形套，所述花键轴的外壁收卷有钢丝绳，所述钢丝绳的一端固定连接有籽晶，所述提拉箱的内部固定安装有激光测距传感器，通过设置花键轴带动花键套进行转动，花键套转动使钢丝绳进行收放卷。

优选的，所述上炉升降架的外壁固定安装有气缸，气缸输出端的顶部与安装架的外壁固定连接，气缸运转使上炉通过安装架进行升降。

优选的，所述提拉箱的内部固定连接有导杆，两个移动块的外壁均开设有滑孔，滑孔的与导杆的外壁滑动连接，所述隔板的外壁开设有通孔，通孔的内壁与丝杆的外壁转动连接，通过设置隔板对丝杆与导杆进行支撑。

优选的，所述圆环套设在花键轴的外壁上，所述矩形套的外壁固定套设有第一轴承，所述第一轴承的外圈与圆环的外壁固定连接，通过设置第一轴承辅助矩形块进行转动。

优选的，所述籽晶位于上炉内，所述上炉的内壁转动连接有多个滑轮，所述滑轮的外壁与钢丝绳的外壁滑动连接。

优选的，所述上炉的底部固定安装有炉盖，所述上炉的外壁固定安装有隔离阀。

优选的，所述花键套的外壁固定套设有第二轴承，第二轴承的外圈与圆孔的内壁固定连接，通过设置第二轴承辅助花键套进行转动。

一种变径晶体棒拉拔设备的拉拔工艺，包括以下步骤：

S1、环形加热器与电加热线圈运转将原料热融，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体，并且在变径时可提高温度，抑制结晶速度，方便进行提拉晶体；

S2、提拉机构将籽晶伸入到热熔后的液体内，第一电机运转使石墨坩埚与石英坩埚进行转动，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构，吸附熔体也会随之向上运动，从而形成过冷状态；

S3、在晶体生长过程中，晶体棒和溶液的固液界面会形成一个高亮的光环，通过测量该光环的直径，可以基于该光环的直径计算得到单晶硅棒的直径，CCD摄像头拍摄下光环的黑白图像；

S4、切换机构使第二电机与第三电机进行切换，实现不同转速调整，通过转速调整，改变花键套的转速，从而使晶体棒上下具有不同的粗细。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本方案通过环形加热器与电加热线圈将原料热融，通过设置第四电机、丝杆、导杆、移动块、圆环、矩形套与花键轴，两个矩形套进行左右移动，实现两种转速之间的切换，相较于电机的改变电压变速，通过机械机构避免了负载情况，避免了烧坏与寿命降低，保证了晶体棒的变径过程稳定，降低了生产成本；通过设置花键套、隔板、钢丝绳、滑轮、籽晶与激光测距传感器，辅助籽晶提拉晶体棒，并且方便矩形套滑入到矩形块内。

附图说明

图1为本发明提出的一种变径晶体棒拉拔设备的立体结构示意图；

图2为本发明提出的一种变径晶体棒拉拔设备的剖面结构示意图；

图3为本发明提出的一种变径晶体棒拉拔设备的图2中的A部分放大结构示意图；

图4为本发明提出的一种变径晶体棒拉拔设备的图2中的B部分放大结构示意图；

图5为本发明提出的一种变径晶体棒拉拔设备的部分立体结构示意图；

图6为本发明提出的一种变径晶体棒拉拔设备的部分剖面结构示意图。

图中：1、机座；2、炉体；3、保温桶；4、环形加热器；5、第一电机；6、石墨坩埚；7、石英坩埚；8、电加热线圈；9、上炉升降架；10、安装架；11、上炉；12、提拉箱；13、第二电机；14、矩形块；15、第三电机；16、第四电机；17、丝杆；18、导杆；19、移动块；20、圆环；21、矩形套；22、花键轴；23、花键套；24、隔板；25、钢丝绳；26、滑轮；27、籽晶；28、激光测距传感器；29、炉盖；30、隔离阀；31、第一轴承。

具体实施方式

由图1-图6所示，一种变径晶体棒拉拔设备，包括机座1，机座1的顶部固定连接有炉体2，炉体2的内部固定安装有保温桶3，保温桶3对加热后的原料进行保温，机座1的外壁固定连接有第一电机5，第一电机5输出轴的顶部固定连接有石墨坩埚6，第一电机5运转使石墨坩埚6进行转动。

石墨坩埚6的内部固定连接有石英坩埚7，石墨坩埚6的外壁套设有电加热线圈8，电加热线圈8的外壁套设有环形加热器4，电加热线圈8与环形电加热器4对原料进行热熔，机座1的顶部固定连接有上炉升降架9，上炉升降架9的外壁安装有安装架10，上炉升降架9的外壁固定安装有气缸，气缸输出端的顶部与安装架10的外壁固定连接，气缸运转使安装架10进行升降，带动炉盖29与炉体1进行对接。

安装架10的外壁固定连接有上炉11，上炉11的底部固定安装有炉盖29，上炉11的外壁固定安装有隔离阀30，上炉11的顶部固定连接有提拉箱12，提拉箱12的内部设有切换机构，提拉箱12的内部设有提拉机构。

切换机构包括第三电机15，提拉箱12的内部固定连接有第二电机13，第三电机15的外壁与提拉箱12的内壁固定连接，第二电机13与第三电机15输出轴的外壁均固定连接有矩形块14，第三电机15与第二电机13两者转速不同，并且第三电机15与第二电机13运转使矩形块14进行转动。

提拉箱12的内壁固定连接有第四电机16，第四电机16输出轴的外壁固定连接有丝杆17，丝杆17的外壁螺纹套设有两个移动块19，两个移动块19的外壁均固定连接有圆环20，第四电机16运转使丝杆17进行转动，丝杆17转动使两个移动块19进行同步移动。

提拉箱12的内部固定连接有导杆18，两个移动块19的外壁均开设有滑孔，滑孔的与导杆18的外壁滑动连接，移动块19通过导杆18进行直线移动，隔板24的外壁开设有通孔，通孔的内壁与丝杆17的外壁转动连接。

提拉机构包括花键套23，提拉箱12的内部固定连接有两个隔板24，两个隔板24的外壁均开设有圆孔，圆孔的内壁与花键套23的外壁转动连接，花键套23的内壁滑动连接有两个花键轴22，花键轴22通过矩形块14进行转动，两个花键轴22的一端均固定连接有矩形套21，矩形套21套入到矩形块14上时，第三电机15或第二电机13进行转动使矩形块14带动矩形套21进行转动。

花键轴22的外壁收卷有钢丝绳25，钢丝绳25的一端固定连接有籽晶27，钢丝绳25带动籽晶27进行升降，籽晶27位于上炉11内，上炉11的内壁转动连接有多个滑轮26，滑轮26的外壁与钢丝绳25的外壁滑动连接，滑轮26辅助籽晶27进行上下移动。

提拉箱12的内部固定安装有激光测距传感器28，激光测距传感器28检测矩形套21的垂直面，控制第三电机15与第二电机13进行转动，使矩形套12方便滑入矩形块14内，圆环20套设在花键轴22的外壁上，矩形套21的外壁固定套设有第一轴承31，第一轴承31的外圈与圆环20的外壁固定连接，第一轴承31带动矩形套21进行移动，花键套23的外壁固定套设有第二轴承，第二轴承的外圈与圆孔的内壁固定连接。

一种变径晶体棒拉拔设备的拉拔工艺，包括以下步骤：

S1、环形加热器4与电加热线圈8运转将原料热融，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体，并且在变径时可提高温度，抑制结晶速度，方便进行提拉晶体；

S2、提拉机构将籽晶27伸入到热熔后的液体内，第一电机5运转使石墨坩埚6与石英坩埚7进行转动，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构，吸附熔体也会随之向上运动，从而形成过冷状态；

S3、在晶体生长过程中，晶体棒和溶液的固液界面会形成一个高亮的光环，通过测量该光环的直径，可以基于该光环的直径计算得到单晶硅棒的直径，CCD摄像头拍摄下光环的黑白图像；

S4、切换机构使第二电机13与第三电机15进行切换，实现不同转速调整，通过转速调整，改变花键套23的转速，从而使晶体棒上下具有不同的粗细。

工作原理：在使用时，炉体2将原料热融，第四电机16运转使丝杆17进行转动，丝杆17转动使两个移动块19进行同步向右移动，此时移动块19通过导杆18进行直线移动，移动块19移动使圆环20进行移动，圆环20移动使第一轴承31带动矩形套21进行移动，当两个矩形套21向右移动后，矩形套21套入到第二电机13输出轴的矩形块14上，第二电机13运转使矩形块14带动矩形套21进行转动，矩形套21转动使花键轴22进行转动，花键轴22进行转动使花键套23进行转动，花键套23转动使钢丝绳25进行放卷，钢丝绳25通过籽晶27的重量向下移动，籽晶27伸入到热熔后的液体内，吸附熔体也会随之向上运动，从而形成过冷状态，在进行变径时，第四电机16反向运转使丝杆17进行转动，丝杆17转动使两个移动块19进行向左移动，两个移动块19向左移动使两个圆环20通过第一轴承31带动矩形套21向左移动，进行左右切换，当左侧矩形套21彻底滑入到第三电机15输出轴上的矩形块14上时，第二电机13上的矩形块14彻底脱离矩形套21，主要避免花键轴22产生松动，实现稳定切换，第三电机15匀速转动，所产生的转速相较于第二电机13较快，在实现拉晶时，上方晶体较粗，下方较细，使生产后的晶体棒进行不同粗细，相较于电机的改变电压变速，通过机械机构避免了负载情况，避免了烧坏与寿命降低，保证了晶体棒的变径过程稳定。

以上所述，仅为本实施例较佳的具体实施方式，但本实施例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实施例揭露的技术范围内，根据本实施例的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变径晶体棒拉拔设备，包括机座（1），其特征在于，所述机座（1）的顶部固定连接有炉体（2），所述炉体（2）的内部固定安装有保温桶（3），所述机座（1）的外壁固定连接有第一电机（5），所述第一电机（5）输出轴的顶部固定连接有石墨坩埚（6），所述石墨坩埚（6）的内部固定连接有石英坩埚（7），所述石墨坩埚（6）的外壁套设有电加热线圈（8），所述电加热线圈（8）的外壁套设有环形加热器（4），所述机座（1）的顶部固定连接有上炉升降架（9），所述上炉升降架（9）的外壁安装有安装架（10），所述安装架（10）的外壁固定连接有上炉（11），所述上炉（11）的顶部固定连接有提拉箱（12），所述提拉箱（12）的内部设有切换机构，所述提拉箱（12）的内部设有提拉机构。

2.根据权利要求1所述的一种变径晶体棒拉拔设备，其特征在于，所述切换机构包括第三电机（15），所述提拉箱（12）的内部固定连接有第二电机（13），所述第三电机（15）的外壁与提拉箱（12）的内壁固定连接，所述第二电机（13）与第三电机（15）输出轴的外壁均固定连接有矩形块（14），所述提拉箱（12）的内壁固定连接有第四电机（16），所述第四电机（16）输出轴的外壁固定连接有丝杆（17），所述丝杆（17）的外壁螺纹套设有两个移动块（19），两个移动块（19）的外壁均固定连接有圆环（20）。

3.根据权利要求2所述的一种变径晶体棒拉拔设备，其特征在于，所述提拉机构包括花键套（23），所述提拉箱（12）的内部固定连接有两个隔板（24），两个隔板（24）的外壁均开设有圆孔，圆孔的内壁与花键套（23）的外壁转动连接，所述花键套（23）的内壁滑动连接有两个花键轴（22），两个花键轴（22）的一端均固定连接有矩形套（21），所述花键轴（22）的外壁收卷有钢丝绳（25），所述钢丝绳（25）的一端固定连接有籽晶（27），所述提拉箱（12）的内部固定安装有激光测距传感器（28）。

4.根据权利要求1所述的一种变径晶体棒拉拔设备，其特征在于，所述上炉升降架（9）的外壁固定安装有气缸，气缸输出端的顶部与安装架（10）的外壁固定连接。

5.根据权利要求2所述的一种变径晶体棒拉拔设备，其特征在于，所述提拉箱（12）的内部固定连接有导杆（18），两个移动块（19）的外壁均开设有滑孔，滑孔的与导杆（18）的外壁滑动连接，所述隔板（24）的外壁开设有通孔，通孔的内壁与丝杆（17）的外壁转动连接。

6.根据权利要求3所述的一种变径晶体棒拉拔设备，其特征在于，所述圆环（20）套设在花键轴（22）的外壁上，所述矩形套（21）的外壁固定套设有第一轴承（31），所述第一轴承（31）的外圈与圆环（20）的外壁固定连接。

7.根据权利要求3所述的一种变径晶体棒拉拔设备，其特征在于，所述籽晶（27）位于上炉（11）内，所述上炉（11）的内壁转动连接有多个滑轮（26），所述滑轮（26）的外壁与钢丝绳（25）的外壁滑动连接。

8.根据权利要求1所述的一种变径晶体棒拉拔设备，其特征在于，所述上炉（11）的底部固定安装有炉盖（29），所述上炉（11）的外壁固定安装有隔离阀（30）。

9.根据权利要求3所述的一种变径晶体棒拉拔设备，其特征在于，所述花键套（23）的外壁固定套设有第二轴承，第二轴承的外圈与圆孔的内壁固定连接。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种变径晶体棒拉拔设备的拉拔工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、环形加热器（4）与电加热线圈（8）运转将原料热融，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体，并且在变径时可提高温度，抑制结晶速度，方便进行提拉晶体；

S2、提拉机构将籽晶（27）伸入到热熔后的液体内，第一电机（5）运转使石墨坩埚（6）与石英坩埚（7）进行转动，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构，吸附熔体也会随之向上运动，从而形成过冷状态；

S3、在晶体生长过程中，晶体棒和溶液的固液界面会形成一个高亮的光环，通过测量该光环的直径，可以基于该光环的直径计算得到单晶硅棒的直径，CCD摄像头拍摄下光环的黑白图像；

S4、切换机构使第二电机（13）与第三电机（15）进行切换，实现不同转速调整，通过转速调整，改变花键套（23）的转速，从而使晶体棒上下具有不同的粗细。