一種單晶棒引晶和放肩裝置、單晶爐及其工藝方法與流程

本發明涉及單晶硅制造技術領域,尤其涉及一種單晶棒引晶和放肩裝置、單晶爐及其工藝方法。

背景技術：

在單晶棒拉制過程中，引晶和放肩是單晶生長好壞的關鍵因素，如果在引晶階段不能完全排除位錯，放肩或者等徑初期單晶就會斷棱，如何能快速高效的引晶和放肩成為各個單晶廠家研究的主要問題，尤其對于大尺寸單晶棒的引晶、放肩顯得更加困難，因此合適的引晶、放肩工藝方法顯得尤為重要。

目前的引晶和放肩裝置僅僅通過加熱器的溫度控制液面溫度，必然會有溫度的延遲和震蕩，這就不能保證溫度平穩變化，使引晶和放肩的成功率不能得到有效的保證；由于細徑直徑較小，對于拉制大尺寸晶棒（12英寸以上）籽晶的散射遠遠不能滿足，需要二次放肩才能完成，大大增加引晶和放肩的時間；目前的引晶、放肩工藝大多用設定工藝參數，控制溫度補償值來調整硅液表面的溫度，控制細徑的直徑，以及放肩速度的快慢；大尺寸單晶棒還有采用二次放肩的方法，均會大大增加引晶和放肩的時間。

因此，如何提供一種提高引晶和放肩的成功率，縮短引晶和放肩時間的單晶棒引晶和放肩裝置、單晶爐及其工藝方法，是本領域技術人員亟需解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題，是提供一種單晶棒引晶和放肩裝置、單晶爐及其工藝方法，其更加節能，效率高，能夠大大提高引晶和放肩的成功率，縮短引晶和放肩時間。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：

一種單晶棒引晶和放肩裝置，包括位于坩堝上方的重錘，在所述重錘的靠近籽晶連接端的側壁上固定有反射蓋，所述反射蓋呈錐面形，錐頂角度為150°至180°，錐面朝向硅液。

作為優選，所述錐面端口外徑大小為175mm至215mm之間，且反射蓋底端距離硅液上表面的距離為100mm至300mm。

作為優選，所述反射蓋的錐形內表面進行拋光處理。

作為優選，所述反射蓋的頂部設有內徑與重錘外徑一致的筒狀翻邊，反射蓋的筒狀翻邊與重錘之間通過卡箍固定連接。

作為優選，在卡箍與筒狀翻邊之間還設有四氟墊片。

作為優選，所述反射蓋采用耐高溫金屬材料制備。

一種單晶爐，包括權上述任一項所述的單晶棒引晶和放肩裝置。

作為優選，所述單晶爐還包括用于盛放硅液的坩堝、位于坩堝外部并用于對坩堝內的硅液加熱的加熱器和位于加熱器外部的保溫桶，在坩堝的外表面上設有石墨堝，在石墨堝的底部設有用于支撐石墨堝的堝托，在重錘外部設有導流筒。

作為優選，所述保溫桶包括上保溫桶和中保溫桶，所述上保溫桶的上端設有保溫蓋，所述上保溫桶和中保溫桶之間通過支撐環連接，在中保溫桶和石墨堝之間設有所述的加熱器。

一種單晶棒引晶和放肩的工藝方法，利用上述中任一項所述的單晶爐進行，步驟包括：引晶步驟：坩堝轉速為8～12rpm，籽晶轉速為10～13rpm，引晶長度為120～200mm，細晶的直徑為4～8mm；放肩步驟：坩堝轉速為10～12rpm，籽晶轉速為10～13rpm，放肩提拉速度0.5～0.8mm/min。

采用上述技術方案所產生的有益效果在于：本發明通過在重錘的靠近籽晶連接端的側壁上安裝反射蓋，反射蓋呈錐形，錐頂角度為150°至180°，籽晶接觸硅液表面，液面向上輻射的熱量遇到反射蓋，大部分會被反射回硅液表面，這就增加了硅液表面中心的溫度，減小硅溶液表面的徑向溫度梯度，使得在引晶階段增加硅液表面的溫度，在一定程度上降低加熱器的功率，降低引晶功率，隨著引晶長度的增加，反射蓋距離液面逐漸變遠，反射回溶液表面的熱量也逐漸減少，液面溫度逐漸降低，引晶的速率也隨之逐漸加快；等到引晶完成放肩階段開始，反射蓋基本已經失去作用，而此時液面的溫度則正處于比較低的階段，放肩初期能迅速完成棱線的打開，然后再配合加熱器溫度的降低，整個放肩過程在比較短的時間完成，大大縮短引晶和放肩時間；增加反射蓋后硅液液面溫度的變化并不是完全由加熱器功率控制，而是由反射熱和液面內部的熱對流兩者決定，這就不同于以往的熱對流做主導，因為反射熱控制熱量反應更為迅速而且溫度震蕩幅度很小，再配合合適的溫度補償值就能有效的控制引晶和放肩階段的成功率，溫度變化比較平緩，引晶和放肩的成功率大大提升。

附圖說明

圖1為本發明的單晶棒引晶和放肩裝置的一個實施例的結構示意圖；

圖2為圖1中的重錘的結構示意圖；

圖3為圖2的俯視圖；

圖4為本發明的單晶爐一個實施例的結構示意圖；

各圖號名稱為：1—保溫蓋，2—上保溫桶，3—導流筒，4—支撐環，5—加熱器，6—中保溫桶，7—硅液，8—石墨堝，9—堝托，10—坩堝，11—反射蓋，12—卡箍，13—重錘，14—籽晶。

具體實施方式

下面結合附圖及一個實施例對本發明作進一步詳細的說明。

如圖1所示，本發明提供了一種單晶棒引晶和放肩裝置，包括位于坩堝10上方的重錘13，在所述重錘13的靠近籽晶14連接端的側壁上固定有反射蓋11，所述反射蓋11呈錐面形，錐頂角度為150°至180°，錐面朝向硅液7。

上述裝置的有益效果在于：本發明通過在重錘13的靠近籽晶14連接端的側壁上安裝反射蓋11，反射蓋11呈錐形，錐頂角度為150°至180°，錐面下錐口朝向硅液，反射蓋11的錐形內表面進行拋光處理，表面保持平整且光亮，籽晶14接觸硅液7表面，液面向上輻射的熱量遇到反射蓋11，大部分會被反射回硅液7上表面，這就增加了硅液7表面中心的溫度，減小硅液7表面的徑向溫度梯度，使得在引晶階段增加硅液7表面的溫度，在一定程度上降低加熱器5的功率，降低引晶功率，溶液表面溫度梯度變小、加熱器5功率降低這更有利于硅液面的溫度穩定，減小熱量震動；待溫度合適后，籽晶14按照設定的速度上升，細徑的直徑控制在6.0mm左右，隨著細徑的增長，隨著引晶長度的增加，反射蓋11距離硅液7上表面逐漸變遠，反射回溶液表面的熱量也逐漸減少，液面溫度逐漸降低，引晶的速率也隨之逐漸加快；等到引晶完成放肩階段開始，反射蓋11基本已經失去作用，而此時液面的溫度則正處于比較低的階段，放肩初期能迅速完成棱線的打開，然后再配合加熱器5溫度的降低，整個放肩過程在比較短的時間完成，可以降低引晶和放肩時間50%以上，大大縮短引晶和放肩時間；增加反射蓋11后硅液7液面溫度的變化并不是完全由加熱器5功率控制，而是由反射熱和液面內部的熱對流兩者決定，這就不同于以往的熱對流做主導，因為反射熱控制熱量反應更為迅速而且溫度震蕩幅度很小，再配合合適的溫度補償值就能有效的控制引晶和放肩階段的成功率，引晶階段調整細徑直徑設定值為4mm至8mm，放肩階段溫度補償的幅度減少約30%，溫度變化比較平緩，引晶和放肩的成功率大大提升，更加節能，效率高。

進一步的，所述錐面端口外徑大小為175mm至215mm之間，且反射蓋11底端距離硅液7上表面的距離為100mm至300mm。上述尺寸設計對反射蓋11的尺寸和位置進行進一步限定，保證其與現有的坩堝10的尺寸匹配，更好的保證熱量的不流失，硅液7表面中心的溫度，最終達到提高引晶和放肩的成功率，縮短引晶和放肩時間的目的。

進一步的，所述反射蓋11的頂部設有內徑與重錘13外徑一致的筒狀翻邊，反射蓋11的筒狀翻邊與重錘13之間通過卡箍12固定連接，在卡箍12與筒狀翻邊之間還設有四氟墊片。上述固定方式簡單、便捷，方便操作，能夠方便調整反射蓋距離硅液面的距離，且固定牢固、可靠。

進一步的，所述反射蓋11采用耐高溫金屬材料制備，優選采用鉬，鉬具有較高的熔點，能夠長期使用，另外，其也具有很高的反射能力，保證足夠的反射熱。

一種單晶爐，包括上述任一項所述的單晶棒引晶和放肩裝置，還包括用于盛放硅液7的坩堝10、位于坩堝10外部并用于對坩堝10內的硅液7加熱的加熱器5和位于加熱器5外部的保溫桶，在坩堝10的外表面上設有石墨堝8，在石墨堝8的底部設有用于支撐石墨堝8的堝托9，在重錘13外部設有導流筒3；所述保溫桶包括上保溫桶2和中保溫桶6，所述上保溫桶2的上端設有保溫蓋1，所述上保溫桶2和中保溫桶6之間通過支撐環4連接，在中保溫桶6和石墨堝8之間設有所述的加熱器5。采用此單晶爐，利用錐形的反射蓋11，通過選擇不同的錐頂角度和錐面下錐口外徑大小，并調整反射蓋11底端距離硅液7上表面的距離來得到不同引晶和放肩時間及成功率，通過試驗擇優選擇，能夠大大提高引晶和放肩的成功率，縮短引晶和放肩時間。

一種單晶棒引晶和放肩的工藝方法，利用上述所述的單晶爐進行，步驟包括：引晶步驟：坩堝轉速為8～12rpm，籽晶轉速為10～13rpm，引晶長度為120～200mm，細晶的直徑為4～8mm；放肩步驟：坩堝轉速為10～12rpm，籽晶轉速為10～13rpm，放肩提拉速度0.5～0.8mm/min。該方法能夠大大提高引晶和放肩的成功率，縮短引晶和放肩時間。采用上述方法，能夠大大提高引晶和放肩的成功率，縮短引晶和放肩時間，更加節能，效率高。

以下結合具體實施例對本發明進行進一步詳細描述，這些實施例不能理解為限制本發明所要求保護的范圍。

實施例1：拋光后的鉬片，外徑175mm，夾角180度，距離硅液表面300mm，安裝在上虞100型單晶爐重錘上；引晶坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為12rpm，引晶長度180mm；放肩坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為10rpm，放肩提拉速度0.8mm/min。

實施例2：拋光后的鉬片，外徑205mm，夾角180度，距離硅液表面300mm，安裝在上虞100型單晶爐重錘上；引晶坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為12rpm，引晶長度180mm；放肩坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為10rpm，放肩提拉速度0.8mm/min。

實施例3：拋光后的鉬片，外徑215mm，夾角180度，距離硅液表面300mm，安裝在上虞100型單晶爐重錘上；引晶坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為12rpm，引晶長度180mm；放肩坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為10rpm，放肩提拉速度0.8mm/min。

實施例4：拋光后的鉬片，外徑215mm，夾角160度，距離硅液表面300mm，安裝在上虞100型單晶爐重錘上；引晶坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為12rpm，引晶長度180mm；放肩坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為10rpm，放肩提拉速度0.8mm/min。

實施例5：拋光后的鉬片，外徑215mm，夾角160度，距離硅液表面200mm，安裝在上虞100型單晶爐重錘上；引晶坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為12rpm，引晶長度180mm；放肩坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為10rpm，放肩提拉速度0.8mm/min。

實施例6：拋光后的鉬片，外徑215mm，夾角160度，距離硅液表面150mm，安裝在上虞100型單晶爐重錘上；引晶坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為12rpm，引晶長度180mm；放肩坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為10rpm，放肩提拉速度0.8mm/min。

實施例7：拋光后的鉬片，外徑215mm，夾角150度，距離硅液表面150mm，安裝在上虞100型單晶爐重錘上；引晶坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為12rpm，引晶長度180mm；放肩坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為10rpm，放肩提拉速度0.8mm/min。

對比例1：引晶坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為12rpm，引晶長度180mm；放肩坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為10rpm，放肩提拉速度0.8mm/min。

對比例2：引晶坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為12rpm，引晶長度180mm；放肩坩堝轉速為10rpm，籽晶轉速為10rpm，放肩提拉速度0.5mm/min。

以上各實施例和對比例實際運行情況如下表：

從以上數據可以看出，本發明上述的實施例實現了以下技術效果：提高引晶放肩的成功率；大幅度縮短了引晶放肩的時間，更加節能，效率更高。

本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。