CN1327040C - 重复加料生长晶体的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种重复加料生长晶体的装置及其方法，用加料管向熔料坩埚内重复加入生长原料。加料管的底部端口用与加入生长原料同种原料构成的底板盖住。装入生长原料后，将加料管放入熔料坩埚里的生长原料熔液里，底板熔化后，生长原料全部落入熔料坩埚里。拉制一根完整的晶体棒后，可以重复多次用加料管加料，从而拉制出多根晶体棒。本发明的装置及方法，对于加入生长原料的形状大小不受限制。而且提高了一次装料量。对于一个熔料坩埚能够多次重复地加入生长原料。提高了产品质量和利用率。提高了产量，减少了材料的损耗，节约了能源，大大降低了成本。

Description

重复加料生长晶体的装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种生长晶体的装置及其方法，尤其是涉及一种重复加料生长晶体的装置及其方法。
背景技术
1、生长晶体的方法
目前生长晶体最普通的方法是直拉法。如在全球有95％以上的单晶硅是采用直拉法(CZ法)拉制生产的。直拉法是在熔料坩锅中添加生长原料，通过单晶炉中的电阻加热将生长原料熔化，并通过籽晶生长出整根晶体棒。
2、目前重复加料的方法
直拉法中，由于采用了熔料坩埚，并且由于直拉单晶炉的结构绝大部分都只能一次加料拉制一根晶体棒。只有少数公司采用了重复加料技术。但他们只能使用棒状生长原料，或粒状生长原料，或小块状生长原料。棒状生长原料是将生长原料制成棒状，通过籽晶挂钩吊挂后，放入熔料坩埚内熔化。粒状生长原料是直径几毫米的颗粒，或小块状料都是通过装置将其倒入熔料坩埚中并熔化，以达到加料目的。
在先技术中，MEMC电子材料有限公司的约瀚·侯德(John Holder)博士，在2001年半导体设备与材料国际会议(SEMICON China)上介绍了粒状料重复及混合加料方法，并介绍了美国专利号5,588,993及5,919,303中所描述的粒状混合料重复加料的目的。
上述重复加料的方法都局限于使用棒料，或粒状料，或小块状料。而事实上，绝大多数生产使用的是块状原料。并不是砸小了的小块状料。因此，在先技术就大大局限了重复加料的应用。
3、重复加料的意义
a、重复加料可以提高一个熔料坩埚中的装料量，从而提高生产率、降低耗材、降低能耗，达到提高产量，降低成本的目的。
b、重复加料可在一个熔料坩埚中拉制出数根晶体棒，这就进一步减少了耗材、节约了能源、降低了成本。
以生长单晶硅为例，据MEMC公司John Holder博士介绍：拉制第一根单晶硅棒，由于熔料坩埚中多加了料，可使成本由无重复加料的100％降为94％，拉制第二根单晶硅棒时，成本是无重复加料时成本的74％，而第三根单晶硅棒更可达到60％。这对于全球超过100亿美元的单晶硅产业来说，无疑具有重大的经济价值。我们知道，超过90％的直拉单晶硅是使用块状料作为生长原料的。因此，对于单晶硅生产来说，使用块状料重复加料才能真正达到提高产能，降低成本的目的。此例更显示出重复加料，尤其是重复加块状料的重大意义。
发明内容
本发明为了使用不受大小形状限制的块状生长原料，对于一个熔料坩埚能够多加料和多次重复加料，提供一种重复加料生长晶体的装置及其方法。
本发明的生长晶体的装置主要包含：熔化生长原料的熔料坩埚12，熔料坩埚12置于石墨加热器10内的石墨坩埚11里。向熔料坩埚12里重复加料的加料管，加料管的底部端口用与加入生长原料相同原料构成的底板盖住。
如上所述的本发明装置，生长晶体重复加入生长原料的具体方法步骤是：
1、首先将加料管的底部端口用与加入生长原料相同原料构成的底板盖住；
2、将生长原料装入加料管内；
3、将加料管的顶端吊挂在籽晶挂钩上；
4、当熔料坩埚里有熔融的熔液时，将装有生长原料的加料管底端的底板放入熔液中；
5、待底端底板熔化后，生长原料落入熔料坩埚内，提升加料管；
6、当加料管内的生长原料全部落入熔料坩埚内，提出空的加料管，生长原料全部熔化成熔液时，放入所要生长晶体的晶种，开始拉制晶体；
7、一根完整的晶体棒拉制完成提出后，反复重复上述步骤。至此，反复重复上述步骤，就能够拉制成多根完整的晶体棒。
很显然，上述本发明的装置及其方法，用加料管向熔料坩埚里加入生长原料，不受生长原料是否块状，或小块状，或粒状的形状大小的限制。对于一个熔料坩埚，不仅一次加料多，而且能够多次重复加料。这对于生产晶体来说，是有着重大的意义。提高一次装料量，生长出的晶体棒质量好。如生长的单晶硅棒的电阻率就均匀性好、产品利用率高。总之，用本发明的加料管加料，提高了产量，降低了损耗，降低了成本。多次重复加入生长原料，在同一个熔料坩埚中，可以拉制出数根晶体棒，这当然，大大减少了耗材，节约了能源，将成倍地降低成本。本发明上述的装置及其方法，能够用于多种用直拉法生长的晶体上。如，可以用于硅、铌酸锂、钽酸锂、蓝宝石、砷化钾等等晶体的生长上。
附图说明
图1是在先技术中，用整根棒料重复加料的示意图。
图2是在先技术中，用粒状或小块状料重复加料的示意图。
图3是从熔液中生长晶体的示意图。
图4是生长一根晶体棒完成后，在熔料坩埚中有残余熔液的示意图。
图5是本发明用加料管重复加料的装置示意图。
图6是加料管底部端口的底板熔化后，生长原料落入熔液中的示意图。
图7是向上提升加料管，有更多的生长原料落入熔液中。
图8是将加料管全部提出液面后，所有加料管中的生长原料均加入到熔料坩埚中。
图9是当生长原料一次重复加料过程完成后，在熔料坩埚中有更多的生长原料熔液。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的装置及其方法。
图1是在先技术中，熔料坩埚12置于石墨加热器10内的石墨坩埚11里。用一整根的棒状生长原料101在向熔料坩埚12内重复加料。熔料坩埚12内已熔化部分生长原料成熔液13。石墨坩埚11底下，石墨加热器10之间有加热器连线14。
图2是在先技术中，用一加料器201将粒状或小块状生长原料202重复加料于熔料坩埚12内。其中粒状生长原料202是直径为几毫米的颗粒。
图3是熔料坩埚12内的生长原料全部被熔化成熔液，将从熔液中拉制晶体。
图4是当一根晶体棒生长完成后，在熔料坩埚12内总要剩余一些生长原料的熔液13。
图5是本发明用加料管重复加料的装置。
加料管18的底部端口有与加入生长原料相同原料构成的底板19堵住。加料管18内装入生长原料15。加料管18的顶端有连接头17吊在籽晶挂钩16上。图中，加料管18的底部底板19已经放入熔料坩埚12里的生长原料熔液13中。所说的加料管18可以用与熔料坩埚12同种材料制成，或者用熔点高于生长原料的高熔点材料制成。如石英、陶瓷、铂、铱金等。
图6是当图5中进入熔料坩埚12里的加料管18底部的底板19已经部分地被熔化了。图中21是被熔化后的部分底板。部分生长原料20已从加料管18中落入熔料坩埚12里。
图7是当加料管18底部端口上的底板19全部被熔化了，有更多的生长原料22从加料管18里流进熔料坩埚12里，熔化于生长原料熔液13中，将加料管18提升。
图8是将加料管18全部提出液面后，所有生长原料22均加入到熔料坩埚12中。
图9是当全部加料管内的生长原料加入到熔料坩埚12内，空的加料管18已被提出，重复加料的过程完成后，生长原料全部被熔化了，在熔料坩埚12中有更多的生长原料熔液。
对于用本发明的加料管重复加料的具体方法步骤是：
一、第一炉加料的方法步骤是：
1、先将加料管底部端口用与加入的生长原料相同原料构成的底板盖住；
2、将生长原料装入加料管中；
3、按常规方法在熔料坩埚中装料并加热熔化；
4、将加料管的顶端吊挂在籽晶挂钩上，等熔料坩埚中生长原料熔化后，将加料管底部端口的底板放入熔化的生长原料熔液中，待底部端口底板熔化脱落后，加料管中的生长原料落入熔料坩埚中并熔化，提升加料管；
5、待生长原料全部落入熔料坩埚中，提出空的加料管。生长原料全部熔化后，放入生长晶体的籽晶，开始拉制晶体。
二、超过一根完整晶体棒的重复加料的步骤是：
1、将加料管底部端口用与加入的生长原料相同原料构成的底板盖住；
2、将生长原料装入加料管中；
3、当单晶炉中生长的一根完整晶体棒取出后，将加料管的顶端挂到籽晶挂钩上；
4、保持熔料坩埚的温度；
5、将加料管放入熔化的生长原料熔液中，待底部端口的底板熔化脱落后，加料管中的生长原料也落入熔料坩埚中并熔化，提升加料管；
6、当加料管中的生长原料全部落入到熔料坩埚内，提出空的加料管。生长原料全部熔化后，放入晶体的籽晶，开始拉制晶体；
7、拉制一根完整的晶体棒取出后，再重复这第二部分的步骤。反复重复这第二部分的步骤，即反复重复加料，就达到了在一个熔料坩埚里，拉制出多根晶体棒的目的。

Claims (2)

1、一种重复加料生长晶体的装置，主要包含：熔化生长晶体原料的熔料坩埚，熔料坩埚置于石墨加热器内的石墨坩埚里，其特征在于包含有向熔料坩埚里加生长原料的加料管，加料管的底部端口用与加入的生长原料相同原料构成的底板盖住。
2、一种重复加料生长晶体的方法，其特征在于具体方法步骤是：
(1)首先将加料管的底部端口用与加入生长原料相同原料构成的底板盖住；
(2)将生长原料装入加料管内；
(3)将加料管的顶端吊挂在籽晶挂钩上；
(4)当熔料坩埚里有熔融的熔液时，将装有生长原料的加料管的底端底板放入熔液中；
(5)待加料管底端的底板熔化后，一部分生长原料落入熔料坩埚内，提升加料管；
(6)当加料管内的生长原料全部落入熔料坩埚内，提出空的加料管，生长原料全部熔化成熔液时，放入所要生长晶体的晶种，开始拉制晶体；
(7)一根完整的晶体棒拉制完成提出后，再反复重复上述步骤。
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