CN212741576U - 等径长度加长型晶棒提拉单晶炉 - Google Patents

Abstract

一种等径长度加长型晶棒提拉单晶炉，包括炉体、隔离阀、上炉筒、提升机构、提拉头、二次加料装置，所述二次加料装置包括钼杆、石英管、石英锥、支撑环，所述钼杆的下端穿过石英管，所述钼杆的下端与石英锥的锥端连接，所述支撑环的内径等于不等径石英管的外径，所述支撑环套装在不等径石英管的外环壁上，所述支撑环卡装在上炉筒内侧的底部，所述石英锥相对锥端的一端直径不小于石英管的内径，所述石英锥为实心体，所述石英锥的锥度值为2tan30°，所述上炉筒的高度为2760mm，本实用新型中，将上炉筒的高度增加500mm，从而增加了投料量和晶棒等径长度，降低了成本，提高了产量。

Description

等径长度加长型晶棒提拉单晶炉

技术领域

本实用新型涉及单晶硅加工设备技术领域，特别涉及一种等径长度加长型晶棒提拉单晶炉。

背景技术

在晶棒拉制过程中，单晶炉的高度决定了将要拉制晶棒的长度，晶棒长度决定了拉晶的成本和产量，目前单晶炉上炉筒高度2260mm，最大可满足单晶棒等径有效长度1600mm，产量低，并且晶棒长度短，投料量少，导致成本高。

发明内容

有鉴于此，针对上述不足，有必要提出一种等径长度加长型晶棒提拉单晶炉。

一种等径长度加长型晶棒提拉单晶炉，包括炉体、隔离阀、上炉筒、提升机构、提拉头、二次加料装置，所述炉体上端开口，所述隔离阀的下端与炉体的上端连接，所述上炉筒的下端与隔离阀的上端连接，所述提升机构安装在上炉筒的上端，所述提拉头的上端与提升机构的伸缩端连接，所述二次加料装置包括钼杆、石英管、石英锥、支撑环，所述钼杆的上端与提拉头的下端连接，所述钼杆的下端穿过石英管，所述钼杆的下端与石英锥的锥端连接，所述支撑环的内径等于不等径石英管的外径，所述支撑环套装在不等径石英管的外环壁上，所述二次加料装置向下运动，所述支撑环卡装在上炉筒内侧的底部，以将石英管相对上炉筒固定，所述石英管的下端穿过隔离阀，以使石英管的下端位于炉体内，所述石英锥相对锥端的一端直径不小于石英管的内径，所述石英锥为实心体，所述石英锥的锥度值为2tan30°，所述上炉筒的高度为2760mm。

优选的，所述等径长度加长型晶棒提拉单晶炉还包括热屏，所述热屏包括内筒、外筒、筒底，所述内筒套装于外筒内，所述筒底为环形，所述筒底设于内筒、外筒的下端，所述内筒包括第一筒体、第二筒体、第三筒体、第四筒体，所述第一筒体、第二筒体、第三筒体、第四筒体均为上下开口，所述第一筒体为锥形，所述第一筒体的上端的直径大于所述第一筒体的下端的直径，所述第三筒体为锥形，所述第三筒体的上端的直径大于所述第三筒体的下端的直径，所述第二筒体、第四筒体均为柱形，所述第二筒体的直径等于第一筒体的下端的直径，所述第二筒体的直径等于第三筒体的上端的直径，所述第四筒体的直径等于第三筒体的下端的直径，所述第四筒体的内径等于筒底的内径，所述第一筒体的上端的外壁与外筒的上端的内壁连接，所述第二筒体的上端与所述第一筒体的下端连接，所述第二筒体的下端与所述第三筒体的上端连接，所述第三筒体的下端与第四筒体的上端连接，所述第四筒体与筒底同轴设置，所述第四筒体的下端与筒底的上表面连接，所述筒底的外壁与外筒的下端的内壁连接，在内筒、外筒、筒底包围的空腔中填充有保温毡。

优选的，所述第一筒体的锥度值为2tan17°。

优选的，所述第三筒体的锥度值为2tan45°。

优选的，所述筒底包括第一环体、第二环体，所述第一环体为柱形，所述第二环体为锥形，所述第一环体的外径等于第二环体的下端的直径，所述第四筒体的下端与第一环体的上表面连接，所述第一环体的外壁与第二环体的下端连接，所述第二环体的上端的外壁与外筒的下端的内壁连接。

优选的，所述内筒为石英材质。

优选的，所述筒底、外筒、保温毡为石墨材质。

优选的，所述热屏还包括支撑筒，所述支撑筒的内壁与外筒的上端的外壁连接。

优选的，所述炉体包括壳体、保温筒、盖板，所述保温筒上端开口，所述保温筒嵌套于壳体内，在保温筒的上端安装有盖板，所述盖板的中部设有安装孔，所述安装孔内径大于外筒的外径，所述安装孔内径小于支撑筒的外径，所述支撑筒的下表面与盖板上表面连接。

优选的，所述炉体还包括支撑轴、托盘、坩埚、底加热器、侧加热器，保温毡底部设有支撑轴，支撑轴上托举托盘，在托盘上放置有坩埚，保温毡底壁与托盘之间安装有底加热器，保温毡侧壁与坩埚之间安装有侧加热器。

本实用新型中，将上炉筒的高度增加500mm，从而增加了投料量和晶棒等径长度，降低了成本，提高了产量。

本实用新型中，石英锥内部采用实心结构，更加厚实，改变了石英锥的角度，使得硅料滑落碰到石英锥时对石英锥造成的损伤力减小，并且在加料的过程中，硅料下落到坩埚内更加顺畅，耗时更少。

附图说明

图1为所述等径长度加长型晶棒提拉单晶炉的结构示意图。

图2为所述二次加料装置的剖视图。

图3为所述热屏的结构示意图。

图4为所述排气装置的局部结构示意图。

图5为所述法兰与卡箍组件的装配图。

图6为所述卡箍本体的主视图。

图中：炉体10、壳体11、保温筒12、盖板13、支撑轴14、托盘15、坩埚16、底加热器17、侧加热器18、排气装置20、第一排气管21、四通管22、卡箍组件23、卡箍本体231、中间部2311、第一连接部2312、第二连接部2313、中间架232、中心环2321、O形圈2322、盲板24、真空阀25、第二排气管26、滑阀泵27、法兰28、第四阀门29、第五阀门2100、水环泵2110、热屏30、内筒31、第一筒体311、第二筒体312、第三筒体313、第四筒体314、外筒32、筒底33、第一环体331、第二环体332、支撑筒34、隔离阀40、上炉筒50、氩气供给装置60、氩气储罐61、质量流量控制器62、第一阀门63、布气罩64、第二阀门65、第三阀门66、提升机构70、提拉头80、二次加料装置90、钼杆91、石英管92、石英锥93、支撑环94。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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的附图。

参见图1和图2，本实用新型实施例提供了一种等径长度加长型晶棒提拉单晶炉，包括炉体10、隔离阀40、上炉筒50、提升机构70、提拉头80、二次加料装置90，炉体10上端开口，隔离阀40的下端与炉体10的上端连接，上炉筒50的下端与隔离阀40的上端连接，提升机构70安装在上炉筒50的上端，提拉头80的上端与提升机构70的伸缩端连接，二次加料装置90包括钼杆91、石英管92、石英锥93、支撑环94，钼杆91的上端与提拉头80的下端连接，钼杆91的下端穿过石英管92，钼杆91的下端与石英锥93的锥端连接，支撑环94的内径等于不等径石英管92的外径，支撑环94套装在不等径石英管92的外环壁上，二次加料装置90向下运动，支撑环94卡装在上炉筒50内侧的底部，以将石英管92相对上炉筒50固定，石英管92的下端穿过隔离阀40，以使石英管92的下端位于炉体10内，石英锥93相对锥端的一端直径不小于石英管92的内径，石英锥93为实心体，石英锥93的锥度值为2tan30°，上炉筒50的高度为2760mm。

本实用新型中，将上炉筒50的高度增加500mm，从而增加了投料量和晶棒等径长度，降低了成本，提高了产量。

本实用新型中，石英锥93内部采用实心结构，更加厚实，改变了石英锥93的角度，使得硅料滑落碰到石英锥93时对石英锥93造成的损伤力减小，并且在加料的过程中，硅料下落到坩埚16内更加顺畅，耗时更少。

参见图1和图3，进一步，等径长度加长型晶棒提拉单晶炉还包括热屏30，热屏30包括内筒31、外筒32、筒底33，内筒31套装于外筒32内，筒底33为环形，筒底33设于内筒31、外筒32的下端，内筒31包括第一筒体311、第二筒体312、第三筒体313、第四筒体314，第一筒体311、第二筒体312、第三筒体313、第四筒体314均为上下开口，第一筒体311为锥形，第一筒体311的上端的直径大于第一筒体311的下端的直径，第三筒体313为锥形，第三筒体313的上端的直径大于第三筒体313的下端的直径，第二筒体312、第四筒体314均为柱形，第二筒体312的直径等于第一筒体311的下端的直径，第二筒体312的直径等于第三筒体313的上端的直径，第四筒体314的直径等于第三筒体313的下端的直径，第四筒体314的内径等于筒底33的内径，第一筒体311的上端的外壁与外筒32的上端的内壁连接，第二筒体312的上端与第一筒体311的下端连接，第二筒体312的下端与第三筒体313的上端连接，第三筒体313的下端与第四筒体314的上端连接，第四筒体314与筒底33同轴设置，第四筒体314的下端与筒底33的上表面连接，筒底33的外壁与外筒32的下端的内壁连接，在内筒31、外筒32、筒底33包围的空腔中填充有保温毡。

本实施例中，将靠近晶棒距离最近的内筒31分段设计成第一筒体311、第二筒体312、第三筒体313、第四筒体314的串联体，第二筒体312和第四筒体314为柱形的设计，能减少内筒31与晶棒之间的距离，能减少内筒31杂质元素会挥发到晶棒表面。

本实施例中，由于热屏30的导向作用，氩气向下进入单晶生长的区域，热屏30直接把气流引导至坩锅内，热屏30的下口沿伸入坩埚16内，直接作用于单晶生长面附近的气尘杂质，然后由于坩锅内壁的导向作用，气体在熔液面上铺开后，又随坩锅内壁上升，最后经隔离阀40、上炉筒50排出，有效带走坩埚16内的颗粒气尘。

参见图3，进一步，第一筒体311的锥度值为2tan17°。

参见图3，进一步，第三筒体313的锥度值为2tan45°。

参见图3，进一步，筒底33包括第一环体331、第二环体332，第一环体331为柱形，第二环体332为锥形，第一环体331的外径等于第二环体332的下端的直径，第四筒体314的下端与第一环体331的上表面连接，第一环体331的外壁与第二环体332的下端连接，第二环体332的上端的外壁与外筒32的下端的内壁连接。

参见图3，进一步，内筒31为石英材质。

本实施例中，高纯石英内铁含量很少，没有碳原子，并且可以耐高温，能减少内筒31杂质元素会挥发到晶棒表面。

参见图3，进一步，筒底33、外筒32、保温毡为石墨材质。

参见图3，进一步，热屏30还包括支撑筒34，支撑筒34的内壁与外筒32的上端的外壁连接。

参见图1，进一步，炉体10包括壳体11、保温筒12、盖板13，保温筒12上端开口，保温筒12嵌套于壳体11内，在保温筒12的上端安装有盖板13，盖板13的中部设有安装孔，安装孔内径大于外筒32的外径，安装孔内径小于支撑筒34的外径，支撑筒34的下表面与盖板13上表面连接。

参见图1，进一步，炉体10还包括支撑轴14、托盘15、坩埚16、底加热器17、侧加热器18，保温毡底部设有支撑轴14，支撑轴14上托举托盘15，在托盘15上放置有坩埚16，保温毡底壁与托盘15之间安装有底加热器17，保温毡侧壁与坩埚16之间安装有侧加热器18。

参见图1和图4，进一步，等径长度加长型晶棒提拉单晶炉还包括排气装置20，排气装置20包括第一排气管21、四通管22、卡箍组件23、盲板24、真空阀25、第二排气管26、滑阀泵27，第一排气管21的入口端与炉体10的内腔连通，第一排气管21的出口端与四通管22的左端口密封连接，四通管22的右端口通过卡箍组件23与盲板24密封连接，四通管22的上端口通过卡箍组件23与盲板24密封连接，四通管22的下端口与真空阀25的入口端密封连接，真空阀25的出口端与第二排气管26的入口端密封连接，第二排气管26出口端与滑阀泵27的入口密封连接。

具体的，卡箍组件23为KF卡箍，更具体的，卡箍组件23为不锈钢KF卡箍，更具体的，卡箍组件23为KF80卡箍。

参见图5，四通管22的右端口、四通管22的下端口各安装有法兰28，盲板24的一端安装有法兰28。

参见图5，卡箍组件23包括卡箍本体231、中间架232，中间架232包括中心环2321、O形圈2322，O形圈2322固定套装在中心环2321的环形表面，中心环2321的直径小于法兰28的内径，O形圈2322的直径小于法兰28的外径。

参见图5和图6，卡箍本体231为两个，卡箍本体231包括半圆环状的中间部2311，中间部2311的截面为“凹”字形，中间部2311的两侧为对称设置的穿装孔，穿装孔的半径大于四通管22的半径，中间部2311径向内侧为卡装槽，卡装槽的半径大于法兰28的外径，卡装槽的两侧为斜面，中间部2311的一端连接第一连接部2312，中间部2311的另一端连接第二连接部2313。

使用方法：参见图5和图6，将中间架232卡装在两个法兰28之间，两个卡箍本体231的第一连接部2312铰接，两个法兰28连同中间架232一同卡入两个卡箍本体231形成的环形卡装槽内，两个第二连接部2313通过螺栓连接，并旋紧螺栓，两个卡箍本体231形成的卡装槽的直径逐渐减小，卡装槽两侧为斜面，卡装槽两侧产生的分力将两个法兰28沿轴向相对压紧，中间架232的O形圈2322卡紧在法兰28之间，以使两个法兰28相对密封连接。

本实施例中，改用四通管22作为连接管，管道内残留聚集的氧化物可以很轻松的、彻底的清理干净，避免了因氧化物较多导致真空阀25关闭不严以及管道中的氧化物影响晶棒性能的问题；四通管22的右端口、上端口均通过卡箍组件23盲板24密封连接，安装和拆卸方便，还避免了清理前后需要拆装四通管22、真空阀25，有效的提高了清理效率。

参见图1，进一步，等径长度加长型晶棒提拉单晶炉还包括氩气供给装置60，氩气供给装置60包括氩气储罐61、质量流量控制器62、第一阀门63、第二阀门65、第三阀门66、布气罩64，排气装置20还包括第四阀门29、第五阀门2100、水环泵2110，布气罩64为一个圆台形筒体，布气罩64的上端开口，布气罩64的下端中心设有通孔，在布气罩64的环壁设有进气微孔，进气微孔沿布气罩64的周向密布，布气罩64内置于上炉筒50中，布气罩64的开口端盖合在上炉筒50顶部中心位置，氩气储罐61的出口通过管道与质量流量控制器62的入口连接，质量流量控制器62的出口通过管道与第一阀门63的入口连接，第一阀门63的出口通过管道与布气罩64的内腔连通，第二阀门65的一端通过管道与上炉筒50下部的内腔连通，第二阀门65的另一端通过管道与氩气储罐61的出口连接，第三阀门66的一端通过管道与炉体10的内腔连通，第三阀门66的一端通过管道与质量流量控制器62的出口连接，水环泵2110的出口通过管道与第四阀门29的入口连接，第四阀门29的出口通过管道与布气罩64的内腔连通，水环泵2110的出口通过管道与第五阀门2100的入口连接，第五阀门2100的出口通过管道与四通管22连通。

本实施例中，为了尽可能快的带出挥发气尘，氩气流量必须足够大，大气流量会在上炉筒50产生高速气流，并在气流周围形成不规则的气流旋涡，影响晶棒的性能，利用布气罩64将原来的一个进气口，改为多个的进气微孔，并且气流方向向外发散。这样进气口的总孔径不变，保证了大进气量，又使气流相对缓和分散，避免形成不规则的气流旋涡。

本实施例中，质量流量控制器62测量精度不受气体的温度、压力等外在因素的影响能在20～200SLPM的范围内达到高于1.0%的控制精度，响应时间小于2s，保证氩气进气速度恒定，可以使单晶炉内真空值相当稳定。

滑阀泵27是用油来保持密封的机械真空泵的，由于它的滑阀环与泵腔有一定间隙，两者不接触，可抽含有微小尘埃的气体。在单晶正常生长过程中，滑阀泵27将会带走由于高温而产生出来的硅氧化物和杂质挥发物，这些杂质大部分会进入泵腔，与真空泵油混合在一起。由于硅单晶生长时间比较漫长，特别是大直径的硅单晶生长时间更长，随着时间的增加，真空泵油里的杂质也越积越多，从而使真空泵油的黏稠度也越来越大，导致真空泵负荷增大，抽速下降，严重的会造成真空泵不能正常工作。因此需要定期更换真空泵油，这样做还可延长真空泵寿命。但频繁的更换真空泵油，不但维护费用高而且在一个拉晶工艺过程中是无法实现的。特别是在拉重掺砷等剧毒掺杂元素的硅单晶时，有一部分砷等剧毒元素融入真空泵油中，使得真空泵的维护更加困难。

本实施例中，既可以使用水环泵2110作为主泵，也可使用滑阀泵27作为主泵，满足不同拉晶工艺的需要。当使用水环泵2110作为主泵时，正常拉晶产生的硅氧化物和杂质挥发物都被抽到了水环泵2110里，溶于水环泵2110的水中，水环泵2110的水不断地循环更新，确保了水的清洁，使得水环泵2110能正常工作，不会因为拉晶时间太长，影响水环泵2110的工作性能，从而维持正常抽速，保证真空度稳定。排出的水经过处理还可以重复使用，这样不但维护方便而且费用低，特别是拉重掺砷等剧毒掺杂元素的硅单晶时，砷等剧毒掺杂元素融入水中后比较容易被分离收集，减少对环境影响。

参见图1，进一步，真空阀25、第四阀门29、第五阀门2100均为步进蝶阀。

采用步进蝶阀目的是通过改变抽气通道的孔径来调节真空抽速，可以使单晶炉内真空值相当稳定。

本实用新型实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于实用新型所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种等径长度加长型晶棒提拉单晶炉，其特征在于：包括炉体、隔离阀、上炉筒、提升机构、提拉头、二次加料装置，所述炉体上端开口，所述隔离阀的下端与炉体的上端连接，所述上炉筒的下端与隔离阀的上端连接，所述提升机构安装在上炉筒的上端，所述提拉头的上端与提升机构的伸缩端连接，所述二次加料装置包括钼杆、石英管、石英锥、支撑环，所述钼杆的上端与提拉头的下端连接，所述钼杆的下端穿过石英管，所述钼杆的下端与石英锥的锥端连接，所述支撑环的内径等于不等径石英管的外径，所述支撑环套装在不等径石英管的外环壁上，所述二次加料装置向下运动，所述支撑环卡装在上炉筒内侧的底部，以将石英管相对上炉筒固定，所述石英管的下端穿过隔离阀，以使石英管的下端位于炉体内，所述石英锥相对锥端的一端直径不小于石英管的内径，所述石英锥为实心体，所述石英锥的锥度值为2tan30°，所述上炉筒的高度为2760mm。

2.如权利要求1所述的等径长度加长型晶棒提拉单晶炉，其特征在于：所述等径长度加长型晶棒提拉单晶炉还包括热屏，所述热屏包括内筒、外筒、筒底，所述内筒套装于外筒内，所述筒底为环形，所述筒底设于内筒、外筒的下端，所述内筒包括第一筒体、第二筒体、第三筒体、第四筒体，所述第一筒体、第二筒体、第三筒体、第四筒体均为上下开口，所述第一筒体为锥形，所述第一筒体的上端的直径大于所述第一筒体的下端的直径，所述第三筒体为锥形，所述第三筒体的上端的直径大于所述第三筒体的下端的直径，所述第二筒体、第四筒体均为柱形，所述第二筒体的直径等于第一筒体的下端的直径，所述第二筒体的直径等于第三筒体的上端的直径，所述第四筒体的直径等于第三筒体的下端的直径，所述第四筒体的内径等于筒底的内径，所述第一筒体的上端的外壁与外筒的上端的内壁连接，所述第二筒体的上端与所述第一筒体的下端连接，所述第二筒体的下端与所述第三筒体的上端连接，所述第三筒体的下端与第四筒体的上端连接，所述第四筒体与筒底同轴设置，所述第四筒体的下端与筒底的上表面连接，所述筒底的外壁与外筒的下端的内壁连接，在内筒、外筒、筒底包围的空腔中填充有保温毡。

3.如权利要求2所述的等径长度加长型晶棒提拉单晶炉，其特征在于：所述第一筒体的锥度值为2tan17°。

4.如权利要求2所述的等径长度加长型晶棒提拉单晶炉，其特征在于：所述第三筒体的锥度值为2tan45°。

5.如权利要求2所述的等径长度加长型晶棒提拉单晶炉，其特征在于：所述筒底包括第一环体、第二环体，所述第一环体为柱形，所述第二环体为锥形，所述第一环体的外径等于第二环体的下端的直径，所述第四筒体的下端与第一环体的上表面连接，所述第一环体的外壁与第二环体的下端连接，所述第二环体的上端的外壁与外筒的下端的内壁连接。

6.如权利要求2所述的等径长度加长型晶棒提拉单晶炉，其特征在于：所述内筒为石英材质。

7.如权利要求2所述的等径长度加长型晶棒提拉单晶炉，其特征在于：所述筒底、外筒、保温毡为石墨材质。

8.如权利要求2所述的等径长度加长型晶棒提拉单晶炉，其特征在于：所述热屏还包括支撑筒，所述支撑筒的内壁与外筒的上端的外壁连接。

9.如权利要求8所述的等径长度加长型晶棒提拉单晶炉，其特征在于：所述炉体包括壳体、保温筒、盖板，所述保温筒上端开口，所述保温筒嵌套于壳体内，在保温筒的上端安装有盖板，所述盖板的中部设有安装孔，所述安装孔内径大于外筒的外径，所述安装孔内径小于支撑筒的外径，所述支撑筒的下表面与盖板上表面连接。

10.如权利要求9所述的等径长度加长型晶棒提拉单晶炉，其特征在于：所述炉体还包括支撑轴、托盘、坩埚、底加热器、侧加热器，保温毡底部设有支撑轴，支撑轴上托举托盘，在托盘上放置有坩埚，保温毡底壁与托盘之间安装有底加热器，保温毡侧壁与坩埚之间安装有侧加热器。

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