CN103451718A - 可连续生产的区熔炉装置及其工艺控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶体生长炉领域，旨在提供可连续生产的区熔炉装置及其工艺控制方法。该可连续生产的区熔炉装置包括炉体、炉室法兰、直线单元、连接块、旋转单元和切割片；该可连续生产的区熔炉装置的工艺控制方法包括籽晶与熔融硅液熔接拉制出硅单晶。本发明在硅单晶生长过程中，需重新开始下一次单晶生长时，本发明可对硅单晶进行切除，迅速重新进行下一次单晶生长，可实现连续生产，节省大量氩气、电能、工时，降低生产成本，并提高单晶生产效率。

Description

可连续生产的区熔炉装置及其工艺控制方法

技术领域

本发明是关于晶体生长炉领域，特别涉及可连续生产的区熔炉装置及其工艺控制方法。

背景技术

区熔法（FZ）生产单晶硅是区别于直拉炉（CZ）的一种新型的单晶生长方法，它利用高频感应加热线圈将高纯度的多晶料局部融化，熔区依靠熔硅的表面张力和加热线圈提供的磁托浮力而处于悬浮状态，然后从熔区的下方利用籽晶将熔硅拉制成单晶。由于没有坩埚污染，区熔炉生长的单晶硅纯度高，均匀性好，低微缺陷，其优良的电学性能非常适合制作高反压、大电流、大功率的电力电子器件。与直拉法生产硅单晶不同，区熔法生产单晶硅过程中，多晶棒和单晶棒的连接是通过高频加热线圈的中心孔。导致1）扩肩以后出现断楞现象，区熔炉无法像直拉炉一样回熔而继续单晶生长过程；2）因熔接、细颈和扩肩初期功率、进给速度、转速等要求变化非常快，对操作人员要求较高，出现断楞、流熔等意外现象概率高。

正常的区熔炉生产包括准备工作—预热—熔接—细颈—扩肩—等径—收尾—冷却等过程，整个过程依等径时间不同约耗时6-12小时，若除去等径阶段则约耗时3小时，其中预热时间约为30-60分钟。由于区熔单晶生长的复杂性，在区熔炉生产过程中因断楞、流熔等而造成单晶生长意外终止的情况并不鲜见，综合发生概率不小于20%，而此时炉内多晶棒尚剩余较长。传统的处理方式是：缓慢降低施加在高频加热线圈上的功率，等待多晶棒降温，此过程约耗时30分钟，如降温过快可能造成多晶棒开裂；之后关闭高频电源，卸荷保护气体，开启炉门并进行相应的处理，比如修理线圈、更换籽晶等；关闭炉门，充入保护气体，开启高频电源，重新对多晶棒预热，完成新的一次生长过程。从中可以看出，一次生长意外终止后到下一次新的生长，约需耗时2个小时，期间需耗费大量的电能、保护气体以及人力操作，且由于多晶棒脆性大，冷却之后重新预热容易造成多晶棒开裂造成原料的浪费。

综上所述，发明一种可连续生产的区熔炉装置对于降低生产成本，减轻操作人员工作负担，提高规模化区熔炉硅单晶生产的效率具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能连续生产的区熔炉装置及其工艺控制方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供可连续生产的区熔炉装置，包括炉体，还包括炉室法兰、直线单元、连接块、旋转单元和切割片；所述直线单元包括固定座和活动杆，固定座与炉室法兰固定，活动杆一端与固定座连接，另一端穿过炉室法兰并能沿着直线单元轴线方向进行直线伸缩运动，活动杆与炉室法兰之间设有密封，炉室法兰与炉体固定；所述旋转单元通过连接块与活动杆连接，用于通过活动杆的直线伸缩运动进行旋转运动，切割片依次连接连接块和旋转单元，旋转单元带动切割片进行旋转运动，切割片用于切割硅单晶。

作为进一步的改进，所述直线单位是电动缸、气缸或液压缸中的任意一种装置。

作为进一步的改进，所述旋转单元是电机或气动马达中的任意一种装置。

提供基于所述的可连续生产的区熔炉装置的工艺控制方法，籽晶固定在可连续生产的区熔炉装置的下轴顶部，利用籽晶与熔融硅液熔接拉制出硅单晶，硅单晶依次包括熔接部分、细颈部分和扩肩部分，具体工艺控制方法步骤包括：

步骤A：选择由无位错的硅单晶切制而成的圆柱形或方形的籽晶，且籽晶的长度为40～50mm，直径或边长为5～7mm；

步骤B：预热完成后，（逐渐）增加可连续生产的区熔炉装置中的高频电源功率，直至多晶料熔化成熔融硅液后，上升籽晶至籽晶与熔融硅液熔接，熔接后对拉制出的熔接部分进行整形；

步骤C：整形完成后，快速生长细颈部分，保持细颈部分的生长速度不小于8mm/min，控制细颈部分的直径在3.2～5.5mm之间，长度为45～55mm；

步骤D：细颈部分生长完成后，通过控制可连续生产的区熔炉装置的高频电源的加热功率和上轴、下轴的进给速度，增加拉制出的硅单晶的直径，进行扩肩部分拉制。

作为进一步的改进，当在硅单晶的拉制过程中，需要停止本次拉制并重新开始下一次硅单晶拉制时，利用切割片切割硅单晶熔接部分和细颈部分的连接处，即可开始下一次硅单晶拉制。

作为进一步的改进，所述切割片工作时的线速度大于10m/s。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在硅单晶生长过程中，如出现断楞、硅单晶形状不佳等意外情况需重新下一次单晶生长时，本发明可对硅单晶进行切除，迅速重新进行下一次单晶生长，可实现连续生产，节省大量氩气、电能、工时，降低生产成本，并提高单晶生产效率。

附图说明

图1为本发明的可连续生产的区熔炉装置的结构示意图。

图2为硅单晶示意图。

图3为传统技术的实施效果图。

图4为本发明的实施效果图。

图中的附图标记为：1直线单元；2炉室法兰；3连接块；4旋转单元；5切割片；6硅单晶；7籽晶；8炉体；101固定座；102活动杆；601熔接部分；602细颈部分；603扩肩部分。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

图1中的可连续生产的区熔炉装置包括炉室法兰2、直线单元1、连接块3、旋转单元4和切割片5。所述直线单元1包括固定座101和活动杆102，固定座101与炉室法兰2固定，活动杆102一端与固定座101连接，另一端穿过炉室法兰2并能沿着直线单元1轴线方向进行直线伸缩运动，活动杆102与炉室法兰2之间设有密封，炉室法兰2与炉体8固定。直线单位是电动缸、气缸或液压缸中的任意一种装置。所述旋转单元4通过连接块3与活动杆102连接，用于通过活动杆102的直线伸缩运动进行自身的旋转运动，切割片5依次连接连接块3和旋转单元4，旋转单元4带动切割片5进行旋转运动，切割片5用于切割硅单晶6。旋转单元4是电机或气动马达中的任意一种装置。

籽晶7固定在可连续生产的区熔炉装置的下轴顶部，利用籽晶7与熔融硅液熔接拉制出硅单晶6。如图2所述，硅单晶6依次包括熔接部分601、细颈部分602和扩肩部分603。基于所述可连续生产的区熔炉装置的工艺控制方法，具体步骤包括：

步骤A：选择由无位错的硅单晶切制而成的圆柱形或方形的籽晶7，且籽晶7的长度为40～50mm，直径或边长为5～7mm。

步骤B：预热完成后，逐渐增加高频电源功率，直至多晶料熔化成熔融硅液后，上升籽晶7并将籽晶7与熔融硅液熔接，熔接后对拉制出的熔接部分601进行整形。

步骤C：整形完成后，快速生长细颈部分602，保持细颈部分602的生长速度不小于8mm/min，控制细颈部分602的直径在3.2～5.5mm之间，长度为45～55mm。控制细颈部分602在合适的直径范围内，以免直径过小无法支持硅单晶6的重量，直径过大造成切割片5切割难度大。

步骤D：细颈部分602生长完成后，通过控制可连续生产的区熔炉装置的高频电源的加热功率和上轴、下轴的进给速度，缓慢增加拉制出的硅单晶6的直径，进行扩肩部分603拉制。

当在硅单晶6的拉制过程中，如出现断楞、硅单晶6形状不佳等意外情况，需要停止本次拉制，并重新开始下一次硅单晶6拉制时，利用切割片5切割硅单晶6熔接部分601和细颈部分602的连接处，即可开始下一次硅单晶6拉制。在切割位置的选择上，如切割位置为细颈部分602，由于细颈部分602太细，不容易回熔，增加了下一次单晶生长的引晶难度；如切割位置为熔接部分601或籽晶7处，则直径太大，给切割造成困难，故合适位置是熔接部分601与细颈部分602的连接处。切割片5工作时的线速度大于10m/s，拥有较高的切削效率。

需要补充的是：在单晶生长的熔接过程或者细颈过程出现意外需要重新下一次生长过程时，也可以采用本发明实现对硅单晶6的切割。

如图3、图4所示，采用本发明的技术方案与传统技术方案相比，在硅单晶6生长过程中（夹持器实现对硅单晶6的夹持之前），如出现断楞或单晶形状不佳等意外情况需要中止单晶生长过程，采用本发明可省去对多晶料的缓慢降温、放出保护气体、开炉门、更换籽晶7并重新预热等过程，而直接对硅单晶6进行切除，即可直接重新开始熔接并引晶。采用本发明，出现一次单晶意外中止情况，可节省工时1.5小时以上，并节约大量的电能和保护气体，节约生产成本，提高生产效率。在熔接、细颈和扩肩的初期阶段，高频电源功率、上下轴转速、上下轴进给速度等工艺参数要求变化非常快，对拉晶人员操作要求较高，稍有不慎就可能出现断楞、流熔、形状不佳等意外情况。根据统计，90%以上的意外情况均发生在这些阶段，因此本发明在区熔硅单晶6生长过程中的使用率是非常高的。采用本发明技术可提高区熔硅单晶6生产率10%以上，并降低生产成本。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.可连续生产的区熔炉装置，包括炉体，其特征在于，还包括炉室法兰、直线单元、连接块、旋转单元和切割片；所述直线单元包括固定座和活动杆，固定座与炉室法兰固定，活动杆一端与固定座连接，另一端穿过炉室法兰并能沿着直线单元轴线方向进行直线伸缩运动，活动杆与炉室法兰之间设有密封，炉室法兰与炉体固定；所述旋转单元通过连接块与活动杆连接，用于通过活动杆的直线伸缩运动进行旋转运动，切割片依次连接连接块和旋转单元，旋转单元带动切割片进行旋转运动，切割片用于切割硅单晶。

2.根据权利要求1所述的可连续生产的区熔炉装置，其特征在于，所述直线单位是电动缸、气缸或液压缸中的任意一种装置。

3.根据权利要求1所述的可连续生产的区熔炉装置，其特征在于，所述旋转单元是电机或气动马达中的任意一种装置。

4.基于权利要求1所述的可连续生产的区熔炉装置的工艺控制方法，籽晶固定在可连续生产的区熔炉装置的下轴顶部，利用籽晶与熔融硅液熔接拉制出硅单晶，硅单晶依次包括熔接部分、细颈部分和扩肩部分，其特征在于，具体工艺控制方法步骤包括：

步骤A：选择由无位错的硅单晶切制而成的圆柱形或方形的籽晶，且籽晶的长度为40～50mm，直径或边长为5～7mm；

步骤B：预热完成后，增加可连续生产的区熔炉装置中的高频电源功率，直至多晶料熔化成熔融硅液后，上升籽晶至籽晶与熔融硅液熔接，熔接后对拉制出的熔接部分进行整形；

步骤C：整形完成后，快速生长细颈部分，保持细颈部分的生长速度不小于8mm/min，控制细颈部分的直径在3.2～5.5mm之间，长度为45～55mm；

步骤D：细颈部分生长完成后，通过控制可连续生产的区熔炉装置的高频电源的加热功率和上轴、下轴的进给速度，增加拉制出的硅单晶的直径，进行扩肩部分拉制。

5.根据权利要求4所述的工艺控制方法，其特征在于，当在硅单晶的拉制过程中，需要停止本次拉制并重新开始下一次硅单晶拉制时，利用切割片切割硅单晶熔接部分和细颈部分的连接处，即可开始下一次硅单晶拉制。

6.根据权利要求5所述的工艺控制方法，其特征在于，所述切割片工作时的线速度大于10m/s。

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