TWI832389B - 一種用於單晶生長的熱場調節裝置和方法 - Google Patents
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Abstract
本發明實施例公開了一種用於單晶生長的熱場調節裝置和方法，該熱場調節裝置包括：頂部固定安裝有導流筒的隔熱筒；第一控制單元和第二控制單元，其中，該第一控制單元經配置為在拉晶過程中控制坩堝的高度位置不變，該第二控制單元經配置為在拉晶過程中驅動該隔熱筒沿垂直方向做升降運動，使得該導流筒的底部與熔融矽的液面的距離始終保持一致。
Description
本發明實施例屬於拉晶熱場技術領域，尤其關於一種用於單晶生長的熱場調節裝置和方法。
製造單晶矽棒的方法有區熔法和切克勞斯基法，通常採用切克勞斯基（Czochralski，CZ）法。在氬氣保護下，CZ法是將多晶矽料收容在設置於拉晶爐爐體內的石英坩堝裡，通過加熱器融化多晶矽原料獲得熔融矽，並通過加熱器持續保溫熔融矽，將一根直徑只有10mm的棒狀晶種（稱籽晶）與熔融矽液面接觸，在步驟要求合適的溫度下，熔融矽中的矽原子會順著晶種的矽原子排列結構在固液交界面上形成規則的結晶，成為單晶體，將晶種一邊旋轉一邊提拉，熔融矽中的矽原子會在之前形成的單晶體上繼續結晶，並延續其規則的原子排列結構，同時加速提拉，生產出目標直徑和品質的單晶矽棒。
參見附圖1，其示出了常見的拉晶爐10的示意圖，該拉晶爐10包括：爐體11、坩堝12、加熱器13、隔熱筒14、導流筒15以及籽晶提拉裝置16，其中加熱器13、隔熱筒14和導流筒15均屬於固定結構。在拉晶過程中，為確保生長出缺陷較少的高品質單晶矽棒S，對其生長環境必須進行嚴格控制，這是因為在直拉法生長單晶的過程中，流程用氣體從拉晶爐10的頂部充入，為了保證揮發物質能夠及時排出通過安裝在坩堝12上方的導流筒15使得流程用氣體經過導流筒15和爐體11的內壁。再通過真空泵從拉晶爐10的底部排氣口排出。在晶棒S的形成過程中，單晶矽棒S生長在固液交界面處，由於熔融矽持續從液態轉化為固態依附在籽晶上，隨著坩堝12中的熔融矽不斷減少，熔融矽的液面位置也在不斷下降，為了保證熔融矽的液面始終與晶體接觸，需要持續向上提升坩堝12，為了避免導流筒15與熔融矽的液面接觸，同時也要保證氣體流動的穩定，導流筒15與液面的相對高度須要保持一致，因此坩堝1需要隨著晶體提升同步上移。同時，CZ法主要通過坩堝和籽晶的同步上升以及坩堝和籽晶的旋轉來保持拉晶爐內部熱場的穩定性，然而，坩堝上升對拉晶爐內能耗和熱場的穩定性都帶來的不小的弊端。
有鑑於此，本發明實施例期望提供用於單晶生長的熱場調節裝置和方法；能夠在拉晶過程中，通過調節隔熱筒以實現導流筒與熔融矽液面的距離保持一致，同時獨立調節加熱器以配合隔熱筒的移動以實現多樣化的熱場控制，為拉晶步驟提供更多方法，提高加工效率。
本發明實施例的技術方案是這樣實現的：
第一方面，本發明實施例提供了一種用於單晶生長的熱場調節裝置，該熱場調節裝置佈置在拉晶爐內，該熱場調節裝置包括：
頂部固定安裝有導流筒的隔熱筒；第一控制單元和第二控制單元，其中，該第一控制單元經配置為在拉晶過程中控制坩堝的高度位置不變，該第二控制單元經配置為在拉晶過程中驅動該隔熱筒沿垂直方向做升降運動，使得該導流筒的底部與熔融矽的液面的距離始終保持一致。
第二方面，本發明實施例提供了一種用於單晶生長的熱場調節方法，該熱場調節方法包括：
在拉制單晶矽棒開始前，通過隔熱筒帶動導流筒處於最高位置，待多晶矽原料完全熔化成熔融矽後，調節該導流筒至與該熔融矽的液面固定距離處；在拉晶過程中，控制坩堝的高度位置不變並旋轉，驅動該隔熱筒以帶動該導流筒沿垂直方向向下移動，以使得在拉晶過程中該導流筒的底部與該熔融矽的液面距離始終保持一致。
本發明實施例提供了一種用於單晶生長的熱場調節裝置和方法；在拉晶過程中，通過隔熱筒帶動導流筒沿垂直方向向下移動，以使得導流筒與熔融矽的液面距離保持一致，避免了坩堝移動帶來的弊端。同時，通過獨立移動的加熱器配合該隔熱筒實現多樣化的熱場控制，為技術參數的調節提供更多的方法和支援，有效提高提拉速度以及降低氧濃度，即，使得提高提拉速度和降低氧濃度變得容易，使得晶棒冷卻更快，生長更快。
為利 貴審查委員了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本發明配合附圖及附件，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請範圍，合先敘明。
在本發明實施例的描述中，需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本發明實施例的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
在本發明實施例中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的具通常知識者而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明實施例中的具體含義。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
在拉晶爐內通過CZ法拉制單晶矽的過程中，在坩堝上升的過程中由於保護氣體流動的不穩定以及機械傳動帶來的震動會造成熔融矽液面顫動和單晶矽棒搖晃的問題。搖晃的單晶矽棒和不穩定的熔融矽固液介面會破壞拉晶爐內熱場的穩定性，導致晶體缺陷的形成。上述問題不僅造成晶體難以無錯位生長，而且對晶體的品質有十分不利的影響。
繼續參見附圖1，隨著拉晶過程的行進，坩堝12在垂直方向上緩慢上升保證坩堝12與單晶矽棒S之間的距離保持在理想範圍之內。同時，坩堝12的緩慢上升是由機械部件驅動的，由於加熱器13保持不動，用於驅動坩堝12的機械部件長時間位於加熱器13的熱場中被動的接收加熱器13的熱輻射，導致坩堝12的使用壽命降低，並且由於熱脹冷縮的原理，該機械部件的運動精度也會受到一定程度的影響，進而影響拉晶過程中坩堝12中熔融矽固液介面的穩定性。
因此，針對上述所面臨的技術問題，本發明提出了一種用於單晶生長的熱場調節裝置，通過隔熱筒帶動導流筒下降以代替坩堝的上升，使得坩堝的高度位置保持不變，從而提高拉晶效率。參見附圖2，其示出了具有該熱場調節裝置的拉晶爐100的示意性結構，該熱場調節裝置中至少可以包括：頂部固定安裝有導流筒15的隔熱筒14、第一控制單元T1和第二控制單元T2。
隔熱筒14佈置在拉晶爐的爐體11與加熱器13之間，能夠防止拉晶爐100內熱場的熱能向外輻射。隔熱筒14可採用剛性碳氈製成，為了提高隔熱和保溫效果還可以採用更為先進的蜂窩結構。參見附圖2，隔熱筒14其至少包括側面保溫罩141和頂部保溫罩142，隔熱筒14可以是整體成型，也可以分段成型再進行組合，分段組合式的隔熱筒製造成本低，而且針對損壞的部段更加容易更換。側面保溫罩141與加熱器13平行佈置，用於包圍加熱器13以防止加熱器13的熱量向外輻射從而增強加熱器13的加熱效果減少熱量損失。頂部保溫罩142從側面保溫罩141的頂部出發沿水平方向朝向拉制的單晶矽棒S延伸，直至坩堝12的上方停止，用於從頂部保護熱場的熱量損失，從而提高拉晶熱場的效率。
固定安裝在頂部保溫罩142上的導流筒15呈上大下小的錐形，其主要起高溫氣體導流作用，因此，具有良好的耐熱性能和一定的力學性能；導流筒15還具有保溫隔熱性能，用於保障坩堝12中的熔融矽沿徑向、在拉制單晶矽棒S與坩堝12中的熔融矽沿軸向有合適的溫度梯度。此外，導流筒15經配置為減少SiO在拉晶爐100上部的沉積，從而確保拉制的單晶矽棒S具有較好品質，同時能夠延長拉晶爐100中各部件的使用壽命。目前，導流筒多為由薄壁錐形外石墨筒-氈體夾心-薄壁錐形內石墨筒構成的組合式導流筒。可選地，導流筒15與頂部保溫罩142能夠通過掛扣L可拆卸連接。
第一控制單元T1連接在坩堝12底部，在拉制晶棒S的過程中第一控制單元T1通過機械部件控制坩堝12的高度位置不變只做相對於坩堝12中心軸線的旋轉運動。第二控制單元T2與隔熱筒14連接，可選地安裝在隔熱筒14的底部以避免第二控制單元T2在拉晶爐內受到長時間的熱輻射導致機械部件的傳動精度受到影響。第二控制單元T2能夠通過電機或滾珠絲杠等傳動方式驅動隔熱筒14沿著垂直方向做升降運動。基於通過隔熱筒14帶動導流筒15下降以代替坩堝12的上升的構思，在拉晶過程中，坩堝12的高度位置不變，第二控制單元T2驅動隔熱筒14向下移動，從而帶動固定安裝在隔熱筒14頂部的導流筒15下降，導流筒15的底部進入坩堝12內，使得導流筒15的底部與熔融矽的液面的距離始終保持在能夠保證拉制單晶矽棒品質的合理範圍內，可選地，始終保持導流筒的底部與熔融矽的液面的距離一致。
該熱場調節裝置還包括電連接的液面感測器和處理器（未示出）。液面感測器可以是電荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）相機、數碼相機或高清攝像機等成像裝置，通過液面感測器能夠即時獲得坩堝中熔融矽的液面變化狀態資訊，處理器將從液面感測器接收到熔融矽的液面變化狀態資訊處理後獲得拉晶過程中熔融矽的液面下降高度，並向第二控制單元T2發出控制信號，第二控制單元T2根據該控制信號準確調節隔熱筒14的下降高度以精確地調控導流筒15的底部與熔融矽的液面的距離，用於保障導流筒15的底部不與熔融矽的液面接觸。可選地，為了保證處理器信號傳輸的穩定性，處理器與第二控制單元T2通過線連接。
參見附圖2，加熱器13佈置在坩堝12外周對坩堝12進行熱輻射以融化矽原料得到熔融矽，並且保持熔融矽一直處於利於拉制單晶矽棒S的溫度。相關技術中加熱器是固定的，並不能夠在拉直單晶矽棒時移動，因此在從熔融矽中拉制出單晶矽棒的同時，處於熔融矽液面頂部已成型的單晶矽棒仍然處在加熱器的熱輻射範圍內，不僅導致單晶矽棒熱量散失緩慢，冷卻速率降低，提拉速度得不到有效地提升，還使得單晶矽棒的氧濃度下降。在通過第二控制單元T2驅動隔熱筒14下降的同時，隔熱筒14相對於加熱器13的位置降低，導致隔熱筒14的保溫效果降低，無法充分加熱熔融矽的液面，繼而無法充分降低單晶矽棒S的氧濃度。為了解決該問題，該熱場調節裝置還包括第三控制單元T3，第三控制單元T3能夠從下方支承加熱器13並驅動加熱器13沿垂直方向下降以配合隔熱筒14的下降。通過上述結構，使得拉制的單晶矽棒S處於易冷卻的狀態，增強了冷卻效率，加快了提拉速度。第二控制單元T2與第三控制單元T3能夠分別獨立驅動隔熱筒14和加熱器13，從而保證加熱器13與隔熱筒14的高度位置關係，因此也不會導致結晶品質惡化或單晶化效率低下的問題。
通過附圖3所示的拉晶爐100拉制單晶矽棒S的過程，可以包括在坩堝12內升高導流筒15位置裝入多晶矽原料；隨後通過加熱器13對坩堝12內的多晶矽原料進行加熱以熔化多晶矽原料形成熔融矽；待多晶矽原料完全融化後降低導流筒15，使得導流筒15底部與熔融矽的液面的距離能夠保證拉制單晶矽棒品質；通過加熱器13和隔熱筒14穩定熔融矽的液面的溫度，通過籽晶與熔融矽接觸的方式拉制單晶矽棒S。上述過程中，為了始終保持導流筒15底部與熔融矽的液面的距離恆定，同時避免因熔融矽的液面下降而上升坩堝12帶來弊端，而使用導流筒15下降的方式實現保持導流筒15底部與熔融矽的液面的距離恆定。參見附圖4，其示出了本發明實施例提供的一種用於單晶生長的熱場調節方法，該熱場調節方法能夠應用於附圖2所示的拉晶爐，該熱場調節方法包括以下步驟：
S401：在拉制單晶矽棒開始前，通過隔熱筒帶動導流筒處於最高位置，待多晶矽原料完全熔化成熔融矽後，調節該導流筒至與熔融矽的液面固定距離處；
S404：在拉晶過程中，控制坩堝的高度位置不變並旋轉，驅動隔熱筒以帶動導流筒沿垂直方向向下移動，以使得在拉晶過程中導流筒的底部與熔融矽的液面距離始終保持一致。
通過附圖4所示的技術方案，本發明能夠通過隔熱筒下降的方式帶動導流筒下降代替坩堝上升，實現了穩定地保持導流筒底部與熔融矽的液面的距離恆定。進一步地，驅動隔熱筒以帶動導流筒沿垂直方向向下移動，以使得在拉晶過程中導流筒的底部與熔融矽的液面距離始終保持一致的這一步驟具體包括：
S402：在拉晶過程中，監控熔融矽的液面高度變化；
S403：依據熔融矽的液面高度變化控制第二控制單元，使得導流筒與熔融矽的液面的距離始終保持一致。
由於在從熔融矽中拉制出單晶矽棒的同時，處於熔融矽液面頂部已成型的單晶矽棒仍然處在加熱器的熱輻射範圍內，不僅導致單晶矽棒熱量散失緩慢，冷卻速率降低，提拉速度得不到有效地提升，還使得單晶矽棒的氧濃度下降。參見附圖5，本發明還提出通過加熱器與隔熱筒能夠同時下降的方式使得拉制的單晶矽棒處於易冷卻的狀態，該熱場調節方法包括：
S501：在隔熱筒向下移動的同時，驅動加熱器沿垂直方向向下移動，用於保持熔融矽的液面溫度恆定並且使得加熱器不再向拉制的單晶矽棒傳遞熱量；
S502：隔熱筒與加熱器同時沿垂直方向向下移動，用於改善拉制單晶矽棒的熱場，使得拉制的單晶矽棒的冷卻速率更快。
因此本發明提供了一種用於單晶生長的熱場調節裝置和方法，通過隔熱筒帶通導流筒下降的方式代替坩堝的上升解決的由坩堝上升引起的熔融矽液面顫動和單晶矽棒搖晃的問題，同時在上述過程中通過驅動加熱器上下移動配合隔熱筒下降的結構解決了單晶矽棒熱量散失緩慢，冷卻速率降低的問題。
需要說明的是：本發明實施例所記載的技術方案之間，在不衝突的情況下，可以任意組合。
需要說明的是：本發明實施例所記載的技術方案之間，在不衝突的情況下，可以任意組合。以上僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍，如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。
100:拉晶爐
10:調準裝置
11:爐體
12:坩堝
13:加熱器
14:隔熱筒
15:導流筒
16:籽晶提拉裝置
141:側面保溫罩
142:頂部保溫罩
S:單晶矽棒
L:掛扣
T1:第一控制單元
T2:第二控制單元
T3:第三控制單元
S401-S404:步驟
S501-S502:步驟
圖1為相關技術中拉晶爐的示意圖；
圖2為具有本發明實施例提供的一種用於調節單晶生長的熱場調節裝置的拉晶爐的示意圖；
圖3為圖2示出的拉晶爐裝料後和化料階段導流筒和加熱器位置示意圖；
圖4為本發明實施例提供的一種用於調節單晶生長的熱場調節方法的流程示意圖；
圖5為本發明實施例提供的一種用於調節單晶生長的熱場調節方法中加速單晶矽棒冷卻方法的流程示意圖。
100:拉晶爐
11:爐體
12:坩堝
13:加熱器
14:隔熱筒
15:導流筒
141:側面保溫罩
142:頂部保溫罩
S:單晶矽棒
L:掛扣
T1:第一控制單元
T2:第二控制單元
T3:第三控制單元
Claims (3)
- 一種用於單晶生長的熱場調節方法，該熱場調節方法包括：在拉制單晶矽棒開始前，通過隔熱筒帶動導流筒處於最高位置，待多晶矽原料完全熔化成熔融矽後，調節該導流筒至與該熔融矽的液面固定距離處；及，在拉晶過程中，控制坩堝的高度位置不變並旋轉，驅動該隔熱筒以帶動該導流筒沿垂直方向向下移動，以使得在拉晶過程中該導流筒的底部與該熔融矽的液面距離始終保持一致。
- 如請求項1所述之用於單晶生長的熱場調節方法，其中，該驅動該隔熱筒以帶動該導流筒沿垂直方向向下移動，以使得在拉晶過程中該導流筒的底部與該熔融矽的液面距離始終保持一致具體包括：在拉晶過程中，監控該熔融矽的液面高度變化；及，依據該熔融矽的液面高度變化控制第二控制單元，使得該導流筒與該熔融矽的液面的距離始終保持一致。
- 如請求項1所述之用於單晶生長的熱場調節方法，其中，該熱場調節方法還包括：在該隔熱筒向下移動的同時，驅動加熱器沿垂直方向向下移動，用於保持該熔融矽的液面溫度恆定並且使得該加熱器不再向拉制的單晶矽棒傳遞熱量；及，該隔熱筒與該加熱器同時沿垂直方向向下移動，用於改善拉制單晶矽棒的熱場，使得該拉制的單晶矽棒的冷卻速率更快。
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