单晶硅多次加料连续生长的装置和工艺制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种单晶硅多次加料连续生长的装置及工艺，本发明专利技术装置借助于第一高频加热线圈和第二高频加热线圈产生的电磁约束力、液硅的表面张力和结晶单晶体的支撑力，将区域熔融的多晶硅限制在一个漏斗状石英坩埚及其流出口缩颈和单晶硅棒顶端的熔融区内；借助于漏斗状石英坩埚中储存熔硅的缓冲，使得在添加新的多晶硅料的间歇时段，不中断单晶硅的连续生长。本发明专利技术单晶硅多次加料连续生长的装置及生产工艺可以实现多次加料、不间断拉晶；借助于本发明专利技术拉制的单晶硅，同时具备区熔单晶和直拉的优点。

Equipment and Technology for Continuous Growth of Single Crystal Silicon by Multiple Feeding

【技术实现步骤摘要】
单晶硅多次加料连续生长的装置和工艺
本专利技术涉及单晶硅制备
，具体涉及一种单晶硅多次加料连续生长的装置和工艺。
技术介绍
单晶硅制造现有技术主要包括区熔悬浮（FZ）法和直拉（CZ）法。FZ法是利用高频感应线圈实现对多晶硅棒料的局部加热，借助熔硅的表面张力和电磁约束力，使熔区处于悬浮状态，然后在特定晶向的籽晶引导下，使熔区凝固生成硅单晶，不断移动晶体和多晶硅棒料的相对位置，使熔融-重结晶的过程持续进行，从而获得预设晶向的单晶硅棒；CZ法利用石墨加热器熔融石英坩埚中的多晶硅，然后在特定晶向的籽晶引导下，向上边旋转提拉边冷却，使液态硅逐渐按预定籽晶的晶向定向凝固成单晶硅棒。现有技术的不足在于：FZ法：1、加热区域小，温度梯度大，使得单晶硅棒热应力较大，易于产生位错甚至裂纹；2、由于径向温度梯度较大，杂质的径向分布均匀性差；3、由于熔融体较小，多晶硅棒料熔融过程中热冲击较大，棒料边缘易出现硅刺；4、无法连续加料，生产率低。CZ法：1、单晶氧、碳含量高；2、受杂质分凝系数的影响，单晶轴向电阻率分布不均；3、连续加料装置比较复杂，且受坩埚使用寿命的限制。申请号CN201810707594.8的专利，公布了一种硅晶体的连续生长装置，尤其适用于单晶硅，准单晶硅及多晶硅的制备。所述装置具有双熔区：主熔炼室可以用于晶体生长，一个辅助投料熔炼室可以作为连续高温熔体投料区。辅助投料熔炼室：配有两区的感应加热磁场，用于给多晶料加热。当上熔炼系统的料用尽以后在坩埚下料口的感应线圈断电后具有强制冷却的作用，使得多晶料凝固密封下料口。连续投料区有两组电磁约束磁场，控制熔体的上下运动。晶体生长区具有电磁约束磁场，使得熔体在无侧壁坩埚的条件下定向生长。通过投料区可以多次向晶体生长区投高温熔体料，实现晶体的稳定连续生长。该专利公布的技术的不足在于：1、201810707594.8专利技术很难制备出单晶硅。单晶硅的生成需要在熔融硅冷却凝固的过程中只有一个晶核不断生长的环境，从该专利说明书看，“对于连续单晶生长仅仅放上一块单晶籽晶。然后将多晶料放置到辅助投料熔炼室坩埚18中，将炉体密封，抽真空至预设值，并充入预设值的惰性气体，开启坩埚水冷系统10，使得主熔炼室坩埚9的底部获得水冷效果；开启主熔炼室加热器8给主熔炼室坩埚9内的多块单晶料加热，直至坩埚内的多块单晶料上半部分熔化。晶体生长阶段，稳态之后开始根据主熔炼室坩埚9底部的重量传感器感应的数值，控制所述驱动装置驱动所述主电磁约束感应器7上移，使得晶体硅不断的开始向上定向生长，形成准晶硅；”由说明书描述可知，在晶体生长阶段“主熔炼室坩埚9的底部获得水冷效果”，由于坩埚9的底部同时获得冷却效果，而此时坩埚内的熔融硅不止一点与坩埚壁接触，每一个接触点都会形成一个凝固的晶核，从而生长成为多晶硅，而不是单晶硅。2、用凝固的多晶硅料密封所述“下料口”的密封效果欠佳晶体硅材料是冷涨热缩的脆性材料，冷凝时体积膨胀的应力会导致出现裂纹，也可能将其容器涨裂，使密封失效。3、“辅助投料熔炼室坩埚”的材料成本较高熔炼晶体硅的坩埚材料要求耐高温、变形小、无金属离子和其他材料污染。现有技术采用高纯石英或碳化硅，这两种材料都是脆性材料。因此，不能满足201810707594.8号专利急冷急热的工艺要求，该专利没有给出所使用材料的线索，因为材料需要满足多方面的要求，势必会增加材料成本。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种单晶硅多次加料连续生长的装置和工艺方法，可以实现多次加料、在加料期间可靠隔离上、下炉室单元，不间断拉制单晶硅；借助气相掺杂，满足单晶硅棒纵向电阻率分布一致性的要求。工艺和装置简单、成本低廉。为了实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种单晶硅多次加料连续生长的装置，包括：单晶炉，所述单晶炉从上往下依次分为上炉室单元和下炉室单元，其中，上炉室单元和下炉室单元之间相连通设置，之间设有真空隔离阀；上炉室单元的室壁上设有第一真空阀、排气阀、第一惰性气体流量阀和第一真空压力表；下炉室单元的室壁上设有第二真空阀、第二惰性气体流量阀第二真空压力表；一漏斗状石英坩埚，设置在单晶炉中位于下炉室单元的中部，其作用是：a.为坩埚下部连续生长的单晶硅提供熔融态多晶硅；b.约束熔融态多晶硅料；c.为连续拉晶过程中更换多晶硅材料过程提供缓冲；漏斗状石英坩埚的底部开设有为硅单晶生长提供熔融态多晶硅的流出口；第一高频加热线圈，设置在单晶炉下炉室单元内位于所述漏斗状石英坩埚的底部、石英坩埚流出口的周围，用于对所述漏斗状石英坩埚底部流出口处的多晶硅料棒进行加热，借助所述第一高频加热线圈加热所述漏斗状石英坩埚流出口处的多晶硅料，提供籽晶熔接、引细颈、放肩、转肩和拉晶工艺操作所需要的热能和对熔融硅的电磁约束力；第二高频加热线圈，设置在单晶炉下炉室单元内位于所述漏斗状石英坩埚的周围，用于向所述漏斗状石英坩埚内的多晶硅料提供熔融和保持温度所需要的热能、以及向所述漏斗状石英坩埚中的熔融硅提供电磁约束力，使之向中心聚拢，微离坩埚壁；多晶硅料棒夹持及送料机构，设置在单晶炉的上炉室单元中，多晶硅料棒夹持及送料机构上夹持有多晶硅料棒，所述多晶硅料棒通过多晶硅料棒夹持及送料机构悬吊设置在所述漏斗状石英坩埚中熔融硅的上方，多晶硅料棒的下端与熔融硅熔接，且不断熔融，用于补充所述漏斗状石英坩埚中减少的熔融硅；送料驱动装置，设置在单晶炉上炉室单元的上方，用于控制送料速度和位置参数；掺杂气体喷嘴，设置在单晶炉下炉室单元内位于漏斗状石英坩埚一侧，用于向所述漏斗状石英坩埚中的熔融硅进行气相掺杂；籽晶和单晶夹持机构，设置于漏斗状石英坩埚的下方，用于夹持籽晶、夹持单晶硅棒、稳定和支撑所述单晶硅棒和漏斗状石英坩埚中的熔融硅；拉晶驱动装置，设置于下炉室单元的下方，用于控制拉制单晶硅的速度和位置参数。一种单晶硅多次加料连续生长的装置的生产工艺，包括如下步骤，S1、熔接、引晶、放肩、转肩：S1.1、将一端加工有细颈的多晶硅棒料由夹持及送料机构夹持、送料驱动机构驱动，穿过漏斗状石英坩埚流出口，将多晶硅棒细颈端送至第一高频加热线圈附近；S1.2、开启第一高频加热线圈的高频电源对所述多晶硅棒细颈端加热至端部部分熔融；S1.3、由籽晶和单晶夹持机构夹持籽晶并将籽晶送至所述第一高频加热线圈附近，烤晶至与所述多晶硅细颈端温度平衡；S1.4、熔接所述籽晶端部与所述多晶硅棒细颈端；S1.5、开启第二高频加热线圈的高频电源，调整第一高频加热线圈、第二高频加热线圈的加热功率和电源频率，使得所述多晶硅棒料逐次更多地熔融在所述漏斗状石英坩埚中，且使得所述漏斗状石英坩埚底部流出口下端的熔融硅所受到的表面张力、电磁力约束力与液态硅的重力、籽晶旋转所需的旋转向心力达到动态平衡；S1.6、通过所述拉晶驱动装置向下牵引籽晶，引晶得细颈排除位错缺陷；S1.7、放肩生长至预设直径后开始转肩，调整送料速度与晶体结晶速度协调；S2、单晶生长：在动态平衡的热力学和传热学过程中，籽晶和单晶硅棒夹持机构、生成的单晶硅棒向下缓慢运动、不断冷却，使得单晶硅棒连续生长；多晶硅料棒夹持及送料机构驱动多晶硅棒不断向下运动、不断吸收热量、不断熔融，补充所述漏斗状石英坩埚中减少的熔融硅，单晶生长过程连续进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单晶硅多次加料连续生长的装置，其特征在于，包括：单晶炉，所述单晶炉从上往下依次分为上炉室单元和下炉室单元，其中，上炉室单元和下炉室单元之间相连通设置，之间设有真空隔离阀；上炉室单元的室壁上设有第一真空阀、排气阀、第一惰性气体流量阀和第一真空压力表；下炉室单元的室壁上设有第二真空阀、第二惰性气体流量阀第二真空压力表；惰性气体流量控制系统，用于控制惰性气体的流量，保证重复加料过程中无空气进入下炉室单元；水冷系统，用于使得拉晶过程中系统温度梯度处于预设值，保证设备部件的安全平稳运行；一漏斗状石英坩埚，设置在单晶炉中位于下炉室单元的中部，用于：为坩埚下部连续生长的单晶硅提供熔融态多晶硅；约束熔融态多晶硅料；为连续拉晶过程中更换多晶硅材料过程提供缓冲；漏斗状石英坩埚的底部开设有为硅单晶生长提供熔融态多晶硅的流出口；第一高频加热线圈，设置在单晶炉下炉室单元内位于所述漏斗状石英坩埚的底部、石英坩埚流出口的周围，用于对所述漏斗状石英坩埚底部流出口处的多晶硅料棒进行加热，借助所述第一高频加热线圈加热所述漏斗状石英坩埚流出口处的多晶硅料，提供籽晶熔接、引细颈、放肩、转肩和拉晶工艺操作所需要的热能和对熔融硅的电磁约束力；第二高频加热线圈，设置在单晶炉下炉室单元内位于所述漏斗状石英坩埚的周围，用于向所述漏斗状石英坩埚内的多晶硅料提供熔融和保持温度所需要的热能、以及向所述漏斗状石英坩埚中的熔融硅提供电磁约束力，使之向中心聚拢，微离坩埚壁；多晶硅料棒夹持及送料机构，设置在单晶炉的上炉室单元中，多晶硅料棒夹持及送料机构上夹持有多晶硅料棒，所述多晶硅料棒通过多晶硅料棒夹持及送料机构悬吊设置在所述漏斗状石英坩埚中熔融硅的上方，多晶硅料棒的下端与熔融硅熔接，且不断熔融，用于补充所述漏斗状石英坩埚中减少的熔融硅；送料驱动装置，设置在单晶炉上炉室单元的上方，用于控制送料速度和位置参数；掺杂气体喷嘴，设置在单晶炉下炉室单元内位于漏斗状石英坩埚一侧，用于向所述漏斗状石英坩埚中的熔融硅进行气相掺杂；籽晶和单晶夹持机构，设置于漏斗状石英坩埚的下方，用于夹持籽晶、夹持单晶硅棒、稳定和支撑所述单晶硅棒和漏斗状石英坩埚中的熔融硅；拉晶驱动装置，设置于下炉室单元的下方，用于控制拉制单晶硅的速度和位置参数。...

【技术特征摘要】
1.一种单晶硅多次加料连续生长的装置，其特征在于，包括：单晶炉，所述单晶炉从上往下依次分为上炉室单元和下炉室单元，其中，上炉室单元和下炉室单元之间相连通设置，之间设有真空隔离阀；上炉室单元的室壁上设有第一真空阀、排气阀、第一惰性气体流量阀和第一真空压力表；下炉室单元的室壁上设有第二真空阀、第二惰性气体流量阀第二真空压力表；惰性气体流量控制系统，用于控制惰性气体的流量，保证重复加料过程中无空气进入下炉室单元；水冷系统，用于使得拉晶过程中系统温度梯度处于预设值，保证设备部件的安全平稳运行；一漏斗状石英坩埚，设置在单晶炉中位于下炉室单元的中部，用于：为坩埚下部连续生长的单晶硅提供熔融态多晶硅；约束熔融态多晶硅料；为连续拉晶过程中更换多晶硅材料过程提供缓冲；漏斗状石英坩埚的底部开设有为硅单晶生长提供熔融态多晶硅的流出口；第一高频加热线圈，设置在单晶炉下炉室单元内位于所述漏斗状石英坩埚的底部、石英坩埚流出口的周围，用于对所述漏斗状石英坩埚底部流出口处的多晶硅料棒进行加热，借助所述第一高频加热线圈加热所述漏斗状石英坩埚流出口处的多晶硅料，提供籽晶熔接、引细颈、放肩、转肩和拉晶工艺操作所需要的热能和对熔融硅的电磁约束力；第二高频加热线圈，设置在单晶炉下炉室单元内位于所述漏斗状石英坩埚的周围，用于向所述漏斗状石英坩埚内的多晶硅料提供熔融和保持温度所需要的热能、以及向所述漏斗状石英坩埚中的熔融硅提供电磁约束力，使之向中心聚拢，微离坩埚壁；多晶硅料棒夹持及送料机构，设置在单晶炉的上炉室单元中，多晶硅料棒夹持及送料机构上夹持有多晶硅料棒，所述多晶硅料棒通过多晶硅料棒夹持及送料机构悬吊设置在所述漏斗状石英坩埚中熔融硅的上方，多晶硅料棒的下端与熔融硅熔接，且不断熔融，用于补充所述漏斗状石英坩埚中减少的熔融硅；送料驱动装置，设置在单晶炉上炉室单元的上方，用于控制送料速度和位置参数；掺杂气体喷嘴，设置在单晶炉下炉室单元内位于漏斗状石英坩埚一侧，用于向所述漏斗状石英坩埚中的熔融硅进行气相掺杂；籽晶和单晶夹持机构，设置于漏斗状石英坩埚的下方，用于夹持籽晶、夹持单晶硅棒、稳定和支撑所述单晶硅棒和漏斗状石英坩埚中的熔融硅；拉晶驱动装置，设置于下炉室单元的下方，用于控制拉制单晶硅的速度和位置参数。2.一种基于权利要求1所述一种单晶硅多次加料连续生长的装置的生产工艺，其特征在于：包括如下步骤，S1、熔接、引晶、放肩、转肩：S1.1、将一端加工有细颈的多晶硅棒料由夹持及送料机构夹持、送料驱动机构...

【专利技术属性】
技术研发人员：高文飞，
申请(专利权)人：苏州亚傲鑫企业管理咨询有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32