CN211036177U - 一种反向提拉式单晶炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种反向提拉式单晶炉，该技术方案摒弃了提拉籽晶的晶体生长模式，通过驱动坩埚的下降来实现反向提拉作用。具体来看，本实用新型将籽晶固定于坩埚上方，在坩埚及石墨加热器的下端由可升降的支柱进行承载；基于这种结构，当熔融步骤完成后，通过驱动坩埚下降来实现坩埚与籽晶的相对远离，从而实现单晶沿籽晶下端的生长；在此基础上，本实用新型在坩埚及石墨加热器的下方增设了限位机构，可对其下降幅度加以限制。此外，本实用新型提供了升降机构及石墨加热器的具体可选构型，其中，升降机构基于丝杆原理对顶柱加以驱动，可实现其平稳升降；石棉加热器则采用U型金属板围成筒体构型，可保证各方位均能提供电热作用。

Description

一种反向提拉式单晶炉

技术领域

本实用新型涉及单晶炉技术领域，具体涉及一种反向提拉式单晶炉。

背景技术

单晶炉是一种在惰性气体(氮气、氦气为主)环境中，用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备。

在单晶炉的运行过程中，首先把高纯度的多晶硅原料放入高纯石英坩埚，通过石墨加热器产生的高温将其熔化；然后，对熔化的硅液稍做降温，使之产生一定的过冷度，再用一根固定在籽晶轴上的硅单晶体(称作籽晶)插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长；接着，控制籽晶生长出一段长为100mm左右、直径为3～5mm的细颈，用于消除高温溶液对籽晶的强烈热冲击而产生的原子排列的位错，这个过程就是引晶；随后，放大晶体直径到工艺要求的大小，一般为75～300mm，这个过程称为放肩；接着，突然提高拉速进行转肩操作，使肩部近似直角；然后，进入等径工艺，通过控制热场温度和晶体提升速度，生长出一定直径规格大小的单晶柱体；最后，待大部分硅溶液都已经完成结晶时，再将晶体逐渐缩小而形成一个尾形锥体，称为收尾工艺。这样一个单晶拉制过程就基本完成，进行一定的保温冷却后就可以取出。

由此可见，单晶硅的制备过程极大依赖于单晶炉，单晶炉的性能不仅影响着加工效率，而且对晶体的生长效果和加工精度具有重要影响。在常规单晶炉中，单晶硅的生长是以提拉机构驱动籽晶从熔融晶体中向上运动来实现的，这种模式下籽晶与提拉头之间呈驱动式连接关系，因此对二者的契合连接结构具有较高要求；而且，由于热空气自然上升的特点，这种模式下上方的提拉机构热负荷较大，不利于延长设备的使用寿命。

发明内容

本实用新型要解决的一个技术问题是如何提供一种具有新型提拉模式的单晶炉。

本实用新型要解决的另一技术问题是如何避免在单晶炉上方设置驱动机构。

为实现以上技术目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种反向提拉式单晶炉，包括炉体，石墨毡，顶柱，托台，石墨加热器，坩埚，固定柱，籽晶，底座筒，支柱，限位环，其中，在炉体的内壁上固定连接有石墨毡，顶柱插接在炉体中，顶柱的上端位于炉体内部，顶柱的下端位于炉体的下方，顶柱的下端与升降机构相连接，在顶柱的上端固定连接有托台，石墨加热器固定连接在托台上，在石墨加热器的内部连接有坩埚，在炉体的上端固定连接有固定柱，在固定柱的下端固定连接有籽晶，所述籽晶的下端位于坩埚中；在炉体的内部通过支柱固定连接有底座筒，在底座筒的底面上固定连接有限位环，顶柱贯穿限位环以及底座筒的底面。

作为优选，所述升降机构包括内螺纹套，圆柱部，电机，其中，在顶柱的下部外壁上具有外螺纹部，内螺纹套丝接在顶柱的外螺纹部上，在内螺纹套的下端固定连接有圆柱部，电机的主轴与圆柱部传动连接。

作为优选，所述石墨加热器包括U型金属板，环形箍，电极，其中，U型金属板有若干个，所述若干U型金属板围成一筒体形状，在该筒体形状的侧壁上固定连接有环形箍，在所述U型金属板的两端分别连接有电极。

作为优选，固定柱与籽晶均呈圆柱体形状，固定柱与籽晶的轴线相互重合，在籽晶的下端具有锥面。

作为优选，顶柱的轴线与炉体的轴线相互重合；限位环的内缘直径小于托台的外缘直径。

在以上技术方案中，炉体为单晶炉的外壳结构，用于将坩埚、加热机构等封闭于其中；石墨毡起到隔热、保温作用；顶柱的上端具有托台，由于石墨加热器和坩埚位于托台上，因此可通过顶柱的上下运动来驱动石墨加热器及坩埚随之上下运动；托台用于承载石墨加热器及坩埚；石墨加热器对其内部的坩埚起到加热作用，从而对坩埚内的多晶硅材料进行加热热熔；坩埚用于盛装多晶硅材料，并作为单晶热熔、生长的场所；固定柱用于固定籽晶，使其悬置于坩埚上方，当坩埚内的物料热熔完毕后，先驱动坩埚上升，使籽晶下端浸入物料中，再驱动坩埚下降，使物料远离籽晶，在此过程中物料沿籽晶下端生长；支柱用于承载底座筒，使其固定于托台下方，底座筒用于承载限位环，限位环用于对托台的下降位置起到限位作用，避免其下降过多。

在以上技术方案中，顶柱的上下运动是依托于炉体下方的、独立的升降机构实现的，本实用新型进一步给出了该升降机构的一种可选构型：其中，内螺纹套与顶柱下部丝接，与内螺纹套相固定的圆柱部用于同电机建立传动连接关系，该传动连接关系可以是电机主轴通过联轴器直接驱动圆柱部，也可以是借助齿轮传动等常规传动模式，当电机驱动圆柱部转动时，圆柱部随之带动内螺纹套转动，基于内螺纹套与顶柱之间的丝接关系，当内螺纹套与顶柱之间发生相对转动时，内螺纹套与顶柱之间同时发生相对平移(即丝杠原理)，从而驱动顶柱升降。

此外，本实用新型进一步给出了石墨加热器的一种可选构型：其中，U型金属板用于围成筒体形状，从而承载坩埚，U型金属板两端的电极起到电热作用，而位于该筒体形状外周的环形箍用于对各U型金属板起到连接作用，从而确保该筒体形状的稳定。

本实用新型提供了一种反向提拉式单晶炉，该技术方案摒弃了提拉籽晶的晶体生长模式，通过驱动坩埚的下降来实现反向提拉作用。具体来看，本实用新型通过固定柱将籽晶固定于坩埚上方，在坩埚及石墨加热器的下端由可升降的支柱进行承载；基于这种结构，当熔融步骤完成后，可在籽晶固定的状态下，通过驱动坩埚下降来实现二者的相对远离，从而实现单晶沿籽晶下端的生长；在此基础上，本实用新型在坩埚及石墨加热器的下方增设了限位机构，可对其下降幅度加以限制。此外，本实用新型提供了升降机构及石墨加热器的具体可选构型，其中，升降机构基于丝杆原理对顶柱加以驱动，可实现其平稳升降；石棉加热器则采用U型金属板围成筒体构型，可保证各方位均能提供电热作用。

附图说明

图1是本实用新型炉体内部的纵剖面结构示意图；

图2是本实用新型中驱动机构的示意图；

图3是本实用新型中石墨加热器的结构示意图；

图中：

1、炉体 2、石墨毡 3、顶柱 4、托台

5、石墨加热器 6、坩埚 7、固定柱 8、籽晶

9、底座筒 10、支柱 11、限位环 12、内螺纹套

13、圆柱部 14、电机 15、U型金属板 16、环形箍

17、电极。

具体实施方式

以下将对本实用新型的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。以下实施例中所使用的近似性语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本实用新型所属领域技术人员普遍理解的相同含义。

实施例1

一种反向提拉式单晶炉，如图1所示，包括炉体1，石墨毡2，顶柱3，托台4，石墨加热器5，坩埚6，固定柱7，籽晶8，底座筒9，支柱10，限位环11，其中，在炉体1的内壁上固定连接有石墨毡2，顶柱3插接在炉体1中，顶柱3的上端位于炉体1内部，顶柱3的下端位于炉体1的下方，顶柱3的下端与升降机构相连接，在顶柱3的上端固定连接有托台4，石墨加热器5固定连接在托台4上，在石墨加热器5的内部连接有坩埚6，在炉体1的上端固定连接有固定柱7，在固定柱7的下端固定连接有籽晶8，所述籽晶8的下端位于坩埚6中；在炉体1的内部通过支柱10固定连接有底座筒9，在底座筒9的底面上固定连接有限位环11，顶柱3贯穿限位环11以及底座筒9的底面。

该装置的结构特点如下：炉体1为单晶炉的外壳结构，用于将坩埚6、加热机构等封闭于其中；石墨毡2起到隔热、保温作用；顶柱3的上端具有托台4，由于石墨加热器5和坩埚6位于托台上，因此可通过顶柱3的上下运动来驱动石墨加热器5及坩埚6随之上下运动；托台4用于承载石墨加热器5及坩埚6；石墨加热器5对其内部的坩埚6起到加热作用，从而对坩埚6内的多晶硅材料进行加热热熔；坩埚6用于盛装多晶硅材料，并作为单晶热熔、生长的场所；固定柱7用于固定籽晶8，使其悬置于坩埚6上方，当坩埚6内的物料热熔完毕后，先驱动坩埚6上升，使籽晶8下端浸入物料中，再驱动坩埚6下降，使物料远离籽晶8，在此过程中物料沿籽晶8下端生长；支柱10用于承载底座筒9，使其固定于托台4下方，底座筒9用于承载限位环11，限位环11用于对托台4的下降位置起到限位作用，避免其下降过多。

实施例2

一种反向提拉式单晶炉，如图1～3所示，包括炉体1，石墨毡2，顶柱3，托台4，石墨加热器5，坩埚6，固定柱7，籽晶8，底座筒9，支柱10，限位环11，其中，在炉体1的内壁上固定连接有石墨毡2，顶柱3插接在炉体1中，顶柱3的上端位于炉体1内部，顶柱3的下端位于炉体1的下方，顶柱3的下端与升降机构相连接，在顶柱3的上端固定连接有托台4，石墨加热器5固定连接在托台4上，在石墨加热器5的内部连接有坩埚6，在炉体1的上端固定连接有固定柱7，在固定柱7的下端固定连接有籽晶8，所述籽晶8的下端位于坩埚6中；在炉体1的内部通过支柱10固定连接有底座筒9，在底座筒9的底面上固定连接有限位环11，顶柱3贯穿限位环11以及底座筒9的底面。

其中，所述升降机构包括内螺纹套12，圆柱部13，电机14，其中，在顶柱3的下部外壁上具有外螺纹部，内螺纹套12丝接在顶柱3的外螺纹部上，在内螺纹套12的下端固定连接有圆柱部13，电机14的主轴与圆柱部13传动连接。所述石墨加热器5包括U型金属板15，环形箍16，电极17，其中，U型金属板15有若干个，所述若干U型金属板15围成一筒体形状，在该筒体形状的侧壁上固定连接有环形箍16，在所述U型金属板15的两端分别连接有电极17。固定柱7与籽晶8均呈圆柱体形状，固定柱7与籽晶8的轴线相互重合，在籽晶8的下端具有锥面。顶柱3的轴线与炉体1的轴线相互重合；限位环11的内缘直径小于托台4的外缘直径。

在以上技术方案中，内螺纹套12与顶柱3下部丝接，与内螺纹套12相固定的圆柱部13用于同电机14建立传动连接关系，该传动连接关系可以是电机14主轴通过联轴器直接驱动圆柱部13，也可以是借助齿轮传动等常规传动模式，当电机14驱动圆柱部13转动时，圆柱部13随之带动内螺纹套12转动，基于内螺纹套12与顶柱3之间的丝接关系，当内螺纹套12与顶柱3之间发生相对转动时，内螺纹套12与顶柱3之间同时发生相对平移(即丝杠原理)，从而驱动顶柱3升降。

此外，本实施例同时给出了石墨加热器5的一种可选构型：其中，U型金属板15用于围成筒体形状，从而承载坩埚6，U型金属板15两端的电极17起到电热作用，而位于该筒体形状外周的环形箍16用于对各U型金属板15起到连接作用，从而确保该筒体形状的稳定。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型。凡在本实用新型的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种反向提拉式单晶炉，其特征在于包括炉体(1)，石墨毡(2)，顶柱(3)，托台(4)，石墨加热器(5)，坩埚(6)，固定柱(7)，籽晶(8)，底座筒(9)，支柱(10)，限位环(11)，其中，在炉体(1)的内壁上固定连接有石墨毡(2)，顶柱(3)插接在炉体(1)中，顶柱(3)的上端位于炉体(1)内部，顶柱(3)的下端位于炉体(1)的下方，顶柱(3)的下端与升降机构相连接，在顶柱(3)的上端固定连接有托台(4)，石墨加热器(5)固定连接在托台(4)上，在石墨加热器(5)的内部连接有坩埚(6)，在炉体(1)的上端固定连接有固定柱(7)，在固定柱(7)的下端固定连接有籽晶(8)，所述籽晶(8)的下端位于坩埚(6)中；在炉体(1)的内部通过支柱(10)固定连接有底座筒(9)，在底座筒(9)的底面上固定连接有限位环(11)，顶柱(3)贯穿限位环(11)以及底座筒(9)的底面。

2.根据权利要求1所述的一种反向提拉式单晶炉，其特征在于所述升降机构包括内螺纹套(12)，圆柱部(13)，电机(14)，其中，在顶柱(3)的下部外壁上具有外螺纹部，内螺纹套(12)丝接在顶柱(3)的外螺纹部上，在内螺纹套(12)的下端固定连接有圆柱部(13)，电机(14)的主轴与圆柱部(13)传动连接。

3.根据权利要求1所述的一种反向提拉式单晶炉，其特征在于所述石墨加热器(5)包括U型金属板(15)，环形箍(16)，电极(17)，其中，U型金属板(15)有若干个，所述若干U型金属板(15)围成一筒体形状，在该筒体形状的侧壁上固定连接有环形箍(16)，在所述U型金属板(15)的两端分别连接有电极(17)。

4.根据权利要求1所述的一种反向提拉式单晶炉，其特征在于固定柱(7)与籽晶(8)均呈圆柱体形状，固定柱(7)与籽晶(8)的轴线相互重合，在籽晶(8)的下端具有锥面。

5.根据权利要求1所述的一种反向提拉式单晶炉，其特征在于顶柱(3)的轴线与炉体(1)的轴线相互重合；限位环(11)的内缘直径小于托台(4)的外缘直径。

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