CN202849589U - 一种单晶炉装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种单晶炉装置，包括炉体，所述炉体内包括有坩埚(10)和设于所述坩埚上方的第一导流筒(7)，其中，炉体内还包括有一个中空的直筒(4)，所述直筒的上端面设置在炉体的炉勃口(2)处，其下端面设置在所述第一导流筒的上方或设置在与所述第一导流筒上端面的高度平齐的位置。使用此装置所生产得到单晶硅的碳氧杂质含量较低且少子寿命值高，从而能够提高单晶硅的品质。

Description

一种单晶炉装置

技术领域

本实用新型涉及一种采用直拉法生产单晶硅的单晶炉装置。

背景技术

随着太阳能光伏产业的技术发展和规模化，行业竞争日益加剧，降低成本和提高光电转换效率已经成为众多光伏厂家生产的主导方向。通常，降低成本是通过降低热场的能耗或提升晶体拉速，进而缩短拉晶时间，节省功耗来实现的；而提高光电转换效率则通过需要通过改善晶体的品质来达到。

长期以来，直拉法是较为经济且普遍采用的一种制备单晶硅的方法，所采用的相应设备为直拉单晶炉装置，如图1所示。在直拉单晶硅的过程中，主要采用惰性气体(如氩气)作为保护性气体，氩气从副室顶部充入经阀室进入主炉室内，因炉体的特殊性，氩气会在保温盖上方区域14发生停滞，且由于经过的路径较长，氩气流速存在一定的衰减；这样就使得氩气的利用效率不高，而且对晶体生长所释放的结晶潜热以及硅溶液表面上方的气尘杂质的携带能力较弱，从而导致所生产的晶体中碳氧等杂质较多，同时，对热场中石墨件(由于单晶炉内部的热场部件均采用石墨材质，因此简称“石墨件”)的侵蚀损耗也较大。此外，现有的众多热场均设计为塔式结构，目标在于产生较大的纵向温度梯度，以使晶体能够较快地生长，然而晶体生长过快意味着结晶界面过冷度较大，易产生新的晶核和造成结构缺陷，进而会严重影响晶体的内在品质。

目前国内已出现一些能解决上述问题的新的装置。申请号为201020182937.2的中国实用新型专利中公开了一种直拉硅单晶炉装置，该装置包括一个两端开口的罩体，所述罩体的长度沿着单晶硅生长的方向从炉腔上部延伸至距离硅熔体液面上方较小的位置处。该装置虽然结构和安装都较为简单，且利用此装置可提高气流的流速以及加快晶体的散热，使得生长速率和单晶硅的纯度都有较大的提高。但是所生产的晶体容易在晶体结晶界面出现过冷现象，并且易造成晶体表面散热速度过快，而晶体内部散热过慢的现象，从而容易在晶体内部产生较大的热应力，严重影响晶体的品质；而且由于罩体的下端长时间处于高温环境下，大大缩减了其使用寿命。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述问题，提供一种能够提高单晶硅的品质的单晶炉装置，使用此装置所生产的单晶硅的碳氧等杂质含量较低且少子寿命值高，且所述单晶硅的晶体边缘表层低少子寿命区域的厚度分布更均匀。

解决本实用新型技术问题所采用的技术方案是该单晶炉装置包括炉体，所述炉体内包括有坩埚和设于所述坩埚上方的第一导流筒，其中，炉体内还包括有一个中空的直筒，所述直筒的上端面设置在炉体的炉勃口处，其下端面设置在所述第一导流筒的上方或设置在与所述第一导流筒上端面的高度平齐的位置。

直筒的设置改变了氩气流的路径，使得氩气流不用经过保温盖上方区域而能够直接将之导入第一导流筒中。

优选的是，所述炉体内还包括有支撑环，所述直筒通过支撑环支撑在所述炉勃口处，支撑环为环状，其下端部向支撑环的中心方向延伸形成肩部，所述肩部设置在炉体的炉勃口处，所述直筒为圆筒状，直筒的上端部向外延伸形成凸缘，所述凸缘能够支撑在所述支撑环的肩部上。由于所拉制的单晶体的晶体截面为圆面，直筒呈圆筒状，可以保证气流均匀性地流过所述晶体。

优选所述直筒采用石英制成，支撑环采用不锈钢制成。由于所述支撑环采用不锈钢材质，承重能力强。

进一步优选的是，所述炉体内还包括有第二导流筒，所述第二导流筒设置在所述第一导流筒的内表面上。第二导流筒的设置增加了整个导流筒的厚度。

优选的是，所述炉体内还包括有保温盖，所述保温盖设置在坩埚的上方且处于第一导流筒的外围，所述第二导流筒的上端部搭接在所述保温盖上。

优选的是，所述直筒的下端面的面积小于或等于第二导流筒上端面的面积。

优选所述第一导流筒采用石墨制成，所述第二导流筒采用石英制成。

本实用新型的有益效果如下：

该单晶炉装置因直筒的引入而增大了气流流速，且改变了气流路径，即气流不会经过保温盖上方区域，从而可以提高熔硅体表面上方的气尘杂质被带走的速度和提高气体的利用效率，以降低单晶硅中碳氧等杂质的含量以及使SiO、CO等气尘杂质能够快速地从抽空管道排出，减少其在热场中石墨件上的沉积与侵蚀，进而可提高石墨件的使用寿命。并且，由于直筒的下端面最多只至与第一导流筒的上端面平齐的位置，不会造成单晶硅的结晶界面过冷的现象，整体上可以使晶体、熔体形成较理想的温度梯度，有利于晶体的无位错生长，最终能有效地提高晶体的品质。

另外，因石英材质制成的第二导流筒导热系数低，从而可减缓晶体表面的散热速度，以降低晶体内部存在的热应力，使其限定在弹性应力范围内的几率大大提高；同时，第二导流筒的设置增加了导流筒的厚度，从而可以削弱导流筒下方的硅熔体对上部空间的热辐射，增强了保温效果。

附图说明

图1为现有的直拉单晶炉的结构示意图

图2为本实用新型实施例1中单晶硅装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1中支撑环的结构示意图；

图4为本实用新型实施例1中直筒的结构示意图；

图5为本实用新型实施例1中第二导流筒的结构示意图。

图中：1-支撑环；2-炉勃口；3-凸缘；4-直筒；5-第二导流筒；6-保温盖；7-第一导流筒；8-上保温层；9-加热器；10-坩埚；11-中保温层；12-下保温层；13-抽空管道；14-保温盖上方区域；15-硅熔体表面。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

一种单晶炉装置，包括炉体，所述炉体内包括有坩埚和设于所述坩埚上方的第一导流筒，其中，炉体内还包括有一个中空的直筒，所述直筒的上端面设置在炉体的炉勃口处，其下端面设置在所述第一导流筒的上方或设置在与所述第一导流筒上端面的高度平齐的位置。

实施例1：

如图2所示，本实施例中，该单晶炉装置包括炉体，炉体上有炉勃口2，炉体内包括有坩埚10、上保温层8、中保温层11、下保温层12、加热器9、抽空管道13、保温盖6和第一导流筒7等部件，炉体内还包括有中空的直筒4和第二导流筒5。

所述直筒4的上端面设置在炉体的炉勃口2处，其下端面可设置在所述第一导流筒7的上方或设置在与第一导流筒7上端面的高度平齐的位置。本实施例中，直筒4的下端面设置在与所述第一导流筒7(或第二导流筒5)的上端面的高度平齐的位置。

如图4所示，本实施例中，直筒4为中空的圆筒状，其上下两端分别开口，直筒4的上端部向外延伸形成凸缘3。

具体的，直筒4是通过支撑环1挂扣在炉体的炉勃口2处。如图3所示，支撑环1为环状，其下端部向支撑环的中心方向延伸形成肩部。所述肩部设置在炉勃口内，肩部的外直径与炉勃口2的内径相等。支撑环1的上端部的压接于炉勃口2之上。所述凸缘3支撑在支撑环的肩部上。

如图2所示，第一导流筒7设置在坩埚10的正上方，其下端部与硅熔体表面15接近，保温盖6设置在坩埚10的上方且处于第一导流筒7的外部，所述第二导流筒5设置在第一导流筒7的内表面上。如图5所示，第二导流筒5的形状为外径逐渐缩小的圆筒状，其上端部向外延伸形成凸台，所述凸台搭接在保温盖6上。

其中，直筒4的下端面的面积小于第二导流筒5上端面的面积，以使得直筒4的下端部与第二导流筒5上端部的开口处相接，因而气流不会经过保温盖上方区域14。

本实施例中，直筒4采用石英制成，支撑环1采用不锈钢制成；第一导流筒7采用石墨制成，第二导流筒5采用石英制成。

在装炉过程中，热场石墨件的安装遵循从下到上，从里到外的原则。安装导流筒时，先将第二导流筒5装于第一导流筒7内。对于支撑环1和直筒4的安装，首先是将直筒4从炉勃口2正下方处向上抬起，当其穿过且下端高过炉勃口2时，再将支撑环1安装于炉勃口2处，接着缓慢放低直筒4，当直筒4上端部的凸缘3嵌入支撑环1内时，松开手，从而便完成了支撑环1和直筒4的安装；随后可进行装料、合炉、单晶拉制。

本实用新型单晶炉装置在进行单晶拉制过程中，当氩气从副室顶充入至阀室后，由直筒4将上部氩气流汇集成圆柱束状气流延伸至导流筒的上方，氩气流速可得到提升，然后经过第二导流筒5导流吹至硅熔体表面15上方，以吹拂带走液面上方的气尘杂质，氩气然后通过坩埚10内壁与第一导流筒7外壁之间的空间，最后经抽空管道13排出炉腔。因晶体(单晶硅)的不断生长导致了熔体的减少和坩埚10位置的升高，为防止坩埚10内发生结晶，可以采用加热器9进行加热补温，通过在第一导流筒7的内表面上设置第二导流筒5，则可以增加导流筒的厚度，以削弱硅熔体对炉体上部空间的热辐射，增强了保温效果；而直筒4的下端只到达与第二导流筒5的上端面的高度平齐的位置，不会造成结晶界面过冷的现象，整体上形成良好的晶体生长环境，因此拉制出的晶体质量十分优越。

本实用新型单晶炉装置由于上部气流的束状汇集增大了氩气流速，有利于硅熔体表面15上方气尘杂质的迅速带走；同时改变了氩气流的路径，氩气未经过保温盖上方区域14，从而可提升氩气的利用效率。同时，由于导流筒的加厚以及直筒4的下端部只至与第二导流筒上端面的高度平齐的位置，可使晶体、熔体形成理想的温度梯度，有利于晶体的无位错生长，因此能有效提高晶体的品质。

采用本实用新型单晶炉装置进行单晶硅拉制时，所生产出的单晶硅中，晶棒头部中心氧含量≤6×10¹⁷atom/cm³，尾部中心碳含量≤2×10¹⁶atom/cm³，且尾部非平衡少子，其寿命相对于普通的单晶硅产品提升了40％以上。

实施例2：

本实施例中单晶炉装置与实施例1的区别在于：炉体中不具有第二导流筒5。

本实施例单晶炉装置的其他结构都与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例3：

本实施例中单晶炉装置与实施例1的区别在于：直筒的下端面设置在所述第一导流筒或第二导流筒的上方，未达到与所述第一导流筒或第二导流筒的上端面的高度平齐的位置。

本实施例单晶炉装置的其他结构都与实施例1相同，这里不再赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种单晶炉装置，包括炉体，所述炉体内包括有坩埚(10)和设于所述坩埚上方的第一导流筒(7)，其特征在于，炉体内还包括有一个中空的直筒(4)，所述直筒的上端面设置在炉体的炉勃口(2)处，其下端面设置在所述第一导流筒的上方或设置在与所述第一导流筒上端面的高度平齐的位置。

2.根据权利要求1所述的单晶炉装置，其特征在于，所述炉体内还包括有支撑环(1)，所述直筒(4)通过支撑环支撑在所述炉勃口处，支撑环为环状，其下端部向支撑环的中心方向延伸形成肩部，所述肩部设置在炉体的炉勃口处，所述直筒为圆筒状，直筒的上端部向外延伸形成凸缘(3)，所述凸缘能够支撑在所述支撑环的肩部上。

3.根据权利要求2所述的单晶炉装置，其特征在于，所述直筒(4)采用石英制成，支撑环(1)采用不锈钢制成。

4.根据权利要求1-3之一所述的单晶炉装置，其特征在于，所述炉体内还包括有第二导流筒(5)，所述第二导流筒设置在所述第一导流筒(7)的内表面上。

5.根据权利要求4所述的单晶炉装置，其特征在于，所述炉体内还包括有保温盖(6)，所述保温盖设置在坩埚的上方且处于第一导流筒的外围，所述第二导流筒(5)的上端部搭接在所述保温盖上。

6.根据权利要求4所述的单晶炉装置，其特征在于，所述直筒(4)的下端面的面积小于或等于第二导流筒上端面的面积。

7.根据权利要求4所述的单晶炉装置，其特征在于，所述第一导流筒(7)采用石墨制成，所述第二导流筒(5)采用石英制成。

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