CN111411390B - 单晶炉及采用其进行单晶硅棒测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的单晶炉，包括牵引室，牵引室的外壁上设置有单晶硅棒测量组件和单晶硅棒转移保护组件，单晶硅棒测量组件包括位于牵引室外壁的纵向导轨，导轨上配合设置有底端可运动至牵引室下方的移动元件，移动元件的底端连接有与牵引室同轴的环形扫描元件，移动元件上连接有位于牵引室外壁上的动力元件二；单晶硅棒转移保护组件包括沿牵引室径向与其外壁依次连接的转轴和动力元件一，转轴上连接有可旋转至牵引室下方的定位元件。本发明还公开了采用上述单晶炉进行单晶硅棒测量的方法。本发明的单晶炉及采用其进行单晶硅棒测量的方法，解决了现有单晶硅棒冷却后测量过程中复杂的人工操作带来的精度差、效率低及单晶硅棒转移过程中安全性差的问题。

Description

单晶炉及采用其进行单晶硅棒测量的方法

技术领域

本发明属于单晶硅生长技术领域，具体涉及一种单晶炉，本发明还涉及采用上述单晶炉进行单晶硅棒测量的方法。

背景技术

多晶硅是生产太阳能光伏产品和半导体产品的主要原材料。切克劳斯基(Czochralski，简称Cz)法是单晶硅最常用的制备方法之一，高纯度固态多晶硅原料在晶体生长炉(单晶炉)内的坩埚中熔化形成熔体，通过籽晶提拉机构下降籽晶使其与旋转坩埚中的熔融状态下的硅熔汤接触，然后，将籽晶按照一定的工艺方法提拉出，熔体围绕籽晶凝固形成单晶硅棒。

传统的Cz单晶炉上不具备单晶硅棒测量组件，生产过程中一般在单晶硅棒冷却出炉后需要对单晶硅棒进行测量。测量的参数一般包括，晶身总长度、晶身良好长度、尾部良好长度、最大直径、最小直径以及特定点位的直径(如每隔5mm测量一次)，需要对尺寸的测量做很多复杂的工作。此外，现有的测量方法中主要采用人工的方法在单晶硅棒完全取出后转移到地面进行测量，在单晶硅棒转移过程中多采用人工手扶的方式对单晶硅棒进行保护，在单晶硅棒转移过程中由于惯性的存在，若不对单晶硅棒进行保护可能会导致在牵引室开始移动和停止时单晶硅棒和牵引室内壁碰撞而损坏单晶硅棒或损坏拉晶炉，也有可能因此而造成安全事故，而采取人工手扶单晶硅棒随着牵引室转移的方法一定程度上解决了以上问题。但是，当人工手扶单晶硅棒转移时会导致操作人员的肢体部分存在于单晶硅棒的竖直投影面之中，这是十分危险的不安全的。并且目前的生产中，单晶硅棒在进入到下一工序之前必须要进行测量并备案，实现一晶一档，方便后期硅片的跟踪和工艺调整等。在人工测量过程中，工序费时费力，严重延长了单晶硅生产的时间，制约了直拉式单晶硅的生产效率。总而言之，人工操作存在繁杂、效率低下、精度较差，以及测量后数据量较小的问题。

为了满足单晶硅棒生产后尺寸采集的要求，对单晶硅棒进行有效的测量，提高单晶硅棒的生产效率并弥补过多人工操作导致测量精度不高的技术缺陷。已有专利公开一种用于单晶硅棒的测量装置。公开号为CN109029197A的专利申请给出一种用于单晶硅棒的测量装置，该专利涉及硅棒检测技术领域，尤其涉及一种用于单晶硅棒的测量装置，包括长度测量部分和直径测量部分；长度测量部分包含工作台、固定架，且固定架固定横杆；横杆的外侧套接滑套，且所述滑套的底部固定气动杆；气动杆的底部固定有固定板，第一测量板的底部边缘处固定挡板，且第一测量板的一端通过卷尺连接第二测量板；第二测量板的顶部有第二连接杆，且第二连接杆通过发条弹簧连接转轴；第二连接杆固定活动板，活动板连接限位杆。该发明操作简单，可有降低测量出现错位、偏位的差错。但是以上发明专利所涉及的一种用于单晶硅棒的测量装置的结构和功能过于简单，只能简单的测量单晶硅棒的长度和直径，这越来越难满足半导体行业对晶棒数据量的要求。此外，该专利所涉及的一种用于单晶硅棒的测量装置在实际使用时需要人力操作且效率较低，速度较慢。授权公告号CN206709748U和授权公告号CN203929026U的实用新型专利给出了一种多晶硅棒生长直径的测量装置，两个实用新型所提出的一种多晶硅棒生长直径的测量装置主要用于在多晶硅棒的生产过程中准确测量多晶硅棒的生长直径。一方面，单晶硅棒的生产过程和多晶硅棒的生产过程所采取的工艺方法和使用的设备大不相同。此外，按目前业内主流的做法，即使在单晶硅棒生长过程中进行了直径的测量，还需在单晶硅棒冷却取出后再次进行测量。这主要考虑到生产过程中所测试的直径精度不高以及由于温度变化导致的尺寸微变。

因此，为了缩短单晶硅棒冷却后的测量的时间，提高单晶硅棒冷却后测量的精度，同时减少人工操作，亟待对单晶硅棒取出后的测量工作进行调整。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单晶炉，解决了现有单晶硅棒冷却后测量过程中复杂的人工操作带来的精度差、效率低及单晶硅棒转移过程中安全性差的问题。

本发明的另一目的在于提供采用上述单晶炉进行单晶硅棒测量的方法。

本发明所采用的第一种技术方案是：单晶炉，包括牵引室，牵引室的外壁上设置有单晶硅棒测量组件和单晶硅棒转移保护组件，单晶硅棒测量组件包括位于牵引室外壁的纵向导轨，导轨上配合设置有底端可运动至牵引室下方的移动元件，移动元件的底端连接有与牵引室同轴的环形扫描元件，移动元件上连接有位于牵引室外壁上的动力元件二；单晶硅棒转移保护组件包括沿牵引室径向与其外壁依次连接的转轴和动力元件一，转轴上连接有可旋转至牵引室下方的定位元件。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

扫描元件的内侧壁沿周向均匀间隔设置有至少三组三维扫描仪。

导轨设置有两条且对称分布在牵引室的两侧。

单晶硅棒转移保护组件为一端开口的矩形框架结构，单晶硅棒转移保护组件的开口端套设于牵引室对称的两侧，转轴设置有两个并分别连接于单晶硅棒转移保护组件开口端与牵引室之间，定位元件为孔形结构并开设置于单晶硅棒转移保护组件远离牵引室的一端，定位元件内设置有柔性缓冲元件。

动力元件一同轴连接于两个转轴中一个且远离牵引室的一端。

牵引室的上方设置有籽晶提拉机构，牵引室的下方依次设置有圆顶室和主炉室，主炉室外部包围超导磁场。

籽晶提拉机构内通过钼丝连接有籽晶夹头，籽晶夹头上安装有位于牵引室内的籽晶/单晶硅棒。

牵引室的外壁上还设置有连接组件。

本发明所采用的第二种技术方案是：一种采用单晶炉进行单晶硅棒测量的方法，包括以下步骤：

步骤1：当单晶硅棒在牵引室中冷却完成之后，开启牵引室并控制其上移；

步骤2：停止牵引室，动力元件一动作使得单晶硅棒转移保护组件旋转至竖直状态；

步骤3：通过籽晶提拉机构控制单晶硅棒下降至其底端进入定位元件内并与柔性缓冲元件接触，之后单晶硅棒停止下降；

步骤4：将单晶硅棒在单晶硅棒转移保护组件的保护下随着牵引室共同移动至单晶硅棒取出/测量区域；

步骤5：当单晶硅棒到达单晶硅棒取出/测量区域时，通过籽晶提拉机构控制单晶硅棒上升至牵引室内部，动力元件一动作使得单晶硅棒转移保护组件旋转至初始位置；

步骤6：动力元件二(动作使得扫描元件随着移动元件沿着导轨共同向下运动，至扫描元件的上边缘不高于牵引室的下边缘后停止，之后开启扫描元件；

步骤7：通过籽晶提拉机构控制单晶硅棒匀速下降并使其整体穿过扫描元件后停止，完成扫描元件对单晶硅棒的数据采集。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

还包括以下步骤：完成扫描元件对单晶硅棒的数据采集后关闭扫描元件，动力元件二动作使得扫描元件随着移动元件沿着导轨共同向上运动，至扫描元件的下边缘不低于牵引室的下边缘后停止。

本发明的有益效果是：本发明的单晶炉及采用其进行单晶硅棒测量的方法，解决了现有单晶硅棒冷却后测量过程中复杂的人工操作带来的精度差、效率低及单晶硅棒转移过程中安全性差的问题。在解决的基本问题的基础上，扩展了测试的参数，提升了数据量，更便于后期通过测量结果反馈调节生产环节的设备和工艺。

附图说明

图1是本发明单晶炉的结构示意图；

图2是本发明单晶炉的细节图；

图3是本发明采用单晶炉进行单晶硅棒测量的过程图a；

图4是本发明采用单晶炉进行单晶硅棒测量的过程图b；

图5是本发明采用单晶炉进行单晶硅棒测量的方法流程图。

图中，1.牵引室，2.籽晶提拉机构，3.连接组件，4.单晶硅棒转移保护组件；5.单晶硅棒测量组件，6.单晶硅棒。

41.动力元件一，42.转轴，43.定位元件，44.柔性缓冲元件；

51.动力元件二，52.导轨，53.移动元件，54.扫描元件。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种单晶炉，如图1至图4所示，包括牵引室1，牵引室1的外壁上设置有单晶硅棒测量组件5和单晶硅棒转移保护组件4，单晶硅棒测量组件5包括位于牵引室1外壁的纵向导轨52，导轨52设置有两条且对称分布在牵引室1的两侧，两条导轨52上配合设置有底端可运动至牵引室1下方的移动元件53，两个移动元件53的底端连接有与牵引室1同轴的环形扫描元件54，扫描元件54对下降过程中的单晶硅棒6进行扫描，移动元件53上连接有位于牵引室1外壁上的动力元件二51；单晶硅棒转移保护组件4包括沿牵引室1径向与其外壁依次连接的转轴42和动力元件一41，转轴42上连接有可旋转至牵引室1下方的定位元件43。

导轨52为直线型导轨，选用完全密封的直线模组，可以在平稳运行的同时更大限度的降低环境的污染，保证单晶硅棒6的质量。移动元件53的移动行程可以满足在上极限时，随移动元件53共同运动的扫描元件54的下端高于牵引室1下沿10cm，避免了单晶硅棒测量组件5对拉晶过程造成影响和干扰。移动元件53的移动行程可以满足在下极限时，随移动元件53共同运动的扫描元件54的上端低于牵引室1下沿15cm，可以保证在测量过程中的精度。扫描元件54的角度可以在未工作时进行微调以保证在测量时和拉制完成的单晶硅棒6的同轴度。可选地，本发明给出两种移动元件在导轨52上移动的动力实施方式：移动元件53在导轨52上移动的动力实施方式为气动，动力足造价低；移动元件53在导轨52上移动的动力实施方式为电动，可实现平稳、精准的运动。扫描元件54的内部最小直径大于700mm，可以避免工作过程中和拉晶炉牵引室1下部碰撞。

扫描元件54的内侧壁沿周向均匀间隔设置有至少三组三维扫描仪进行信息的搜集，扫描的范围可以覆盖整个单晶硅棒6的圆周。通过三维扫描仪采集的数据在外部控制器上通过处理生成单晶硅棒6几何表面的点云数据，通过进一步处理将这些点插补成单晶硅棒6表面形状，创建出精确的三维模型供技术人员参考使用。上述的三维扫描仪可选用市场上存在的成品三维扫描仪组装至扫描元件内，如SCANTECH公司的KSCAN20复合式三维扫描仪、新拓公司的XTOM-MATRIX三维高精度测量仪等，上述三维扫描仪均为非接触式，可以避免对已经拉制完成的单晶硅棒6表面造成损伤。

单晶硅棒转移保护组件4为一端开口的矩形框架结构，单晶硅棒转移保护组件4的开口端套设于牵引室1对称的两侧，转轴42设置有两个并分别连接于单晶硅棒转移保护组件4开口端与牵引室1之间，定位元件43为孔形结构并开设置于单晶硅棒转移保护组件4远离牵引室1的一端，定位元件43内设置有柔性缓冲元件44。动力元件一41同轴连接于两个转轴42中一个且远离牵引室1的一端。单晶硅棒转移保护组件4为已经拉制完成的单晶硅棒6在其转移阶段提供保护，保护的方式主要是单晶硅棒转移保护组件4在通过转轴42旋转一定的角度(可绕转轴42旋转160°)至竖直状态后锁紧，随后单晶硅棒6下降一定高度，单晶硅棒转移保护组件4拖住单晶硅棒6，随牵引室1一同移动到指定位置。

牵引室1的上方设置有籽晶提拉机构2，牵引室1的下方依次设置有圆顶室和主炉室，主炉室外部包围超导磁场。籽晶提拉机构2内通过钼丝连接有籽晶夹头，籽晶夹头上安装有位于牵引室1内的籽晶/单晶硅棒6。牵引室1的外壁上还设置有连接组件3。籽晶提拉机构2具有动力，可以实现带动籽晶/单晶硅棒6升降和旋转。在单晶硅棒6从拉晶炉中取出时，由籽晶提拉机构2通过钼丝缓慢的释放籽晶夹头使得拉制完成的单晶硅棒6在牵引室1中缓缓下降。牵引室1通过连接组件3连接到主机架上，在已经拉制完成的单晶硅棒6在牵引室1中冷却后转移到预下降点时，拉制完成的单晶硅棒6始终在牵引室1中。在随牵引室1转移过程中，牵引室1依托于连接组件3绕主机架转过一定的角度，牵引室1可在连接组件3的带动下平稳的绕着主机架旋转180度。柔性缓冲元件44在保护组件主体结构锁紧固定完成后，单晶硅棒6下降至单晶硅棒转移保护组件4的底部定位元件43内时可通过柔性缓冲元件44对单晶硅棒6进行柔性缓冲，这可使单晶硅棒6在下降和转移过程中更不容易遭到破坏，降低了风险。

本发明还提供了采用上述单晶炉进行单晶硅棒测量的方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤1：当单晶硅棒6在牵引室1中冷却完成之后，开启牵引室1并控制其上移；

步骤2：停止牵引室1，动力元件一41动作使得单晶硅棒转移保护组件4旋转至竖直状态；

步骤3：通过籽晶提拉机构2控制单晶硅棒6下降至其底端进入定位元件43内并与柔性缓冲元件44接触，之后单晶硅棒6停止下降；

步骤4：将单晶硅棒6在单晶硅棒转移保护组件4的保护下随着牵引室1共同移动至单晶硅棒取出/测量区域；

步骤5：当单晶硅棒6到达单晶硅棒取出/测量区域时，通过籽晶提拉机构2控制单晶硅棒6上升至牵引室1内部，动力元件一41动作使得单晶硅棒转移保护组件4旋转至初始位置；

步骤6：动力元件二51动作使得扫描元件54随着移动元件53沿着导轨52共同向下运动，至扫描元件54的上边缘不高于牵引室1的下边缘后停止，之后开启扫描元件54；

步骤7：通过籽晶提拉机构2控制单晶硅棒6匀速下降并使其整体穿过扫描元件54后停止，完成扫描元件54对单晶硅棒6的数据采集。

完成扫描元件54对单晶硅棒6的数据采集后关闭扫描元件54，动力元件二51动作使得扫描元件54随着移动元件53沿着导轨52共同向上运动，至扫描元件54的下边缘不低于牵引室1的下边缘后停止。

本发明采用单晶炉进行单晶硅棒测量的方法在具体实施时，当单晶硅棒6在牵引室1中冷却完成后，操作人员操作控制器将牵引室1提升与副炉室脱离后并继续提升一定高度以满足保护组件有一定的释放空间。当牵引室1到达指定位置后，操作人员操作控制器控制动力元件一41，动力元件一41输出动力使得单晶硅棒转移保护组件4绕旋转轴42旋转到达指定位置并锁紧。随后操作人员操作控制器控制籽晶提拉机构2向下释放单晶硅棒6，此时单晶硅棒6在钼丝的牵引下缓慢下降直到单晶硅棒6尾部的尖端即将接触到单晶硅棒转移保护组件4底部定位元件43上的柔性缓冲元件44上时减慢籽晶提拉机构2的速度使单晶硅棒6下降速度减慢，随后单晶硅棒6缓慢下降接触柔性缓冲元件44后停止下降，此时单晶硅棒6尾部的尖端与定位元件43的中心对正。操作人员操作控制器，连接组件3带动牵引室1向即将进行单晶硅棒取出的位置缓慢移动。当单晶硅棒6随着牵引室1移动至指定位置后，操作人员先操作控制器使籽晶提拉机构2对单晶硅棒6提拉，此时单晶硅棒6缓慢上升与柔性缓冲元件44脱离并继续上升一段距离使单晶硅棒6底部完全进入到牵引室1中。当单晶硅棒6与晶棒转移保护组件4完全脱离后，操作人员操作控制器使动力元件一41带动单晶硅棒转移保护组件绕其转轴42旋转回到初始位置并锁紧。随后操作人员通过控制器向下释放单晶硅棒测量组件5，此时扫描元件54和移动元件53一起在动力元件二51的驱动下沿着导轨52缓慢向下运动直到扫描元件54上边缘距牵引室1下边缘10cm时停止，如图3所示。在完成单晶硅棒测量组件5的向下移动工序后，操作人员通过控制器开启扫描元件54，使扫描元件54开始工作并控制籽晶提拉机构2向下匀速缓慢释放单晶硅棒6，如图4所示。单晶硅棒6匀速缓慢的全部通过扫描元件54后，使籽晶提拉机构2停止，此时单晶硅棒6静止在扫描元件54下部。随后通过控制器关闭扫描元件54并将单晶硅棒测量组件5升高到初始位置。此时，单晶硅棒6转移下降完成并同时完成了单晶硅棒6的测量，技术人员可以通过PC端观看单晶硅棒6的测量数据。至此，整个工序完成进入到下一工序。

通过上述方式，本发明的单晶炉及采用其进行单晶硅棒测量的方法，解决了现有单晶硅棒冷却后测量过程中复杂的人工操作带来的精度差、效率低及单晶硅棒转移过程中安全性差的问题。在解决的基本问题的基础上，扩展了测试的参数，提升了数据量，更便于后期通过测量结果反馈调节生产环节的设备和工艺。

Claims (2)

1.一种采用单晶炉进行单晶硅棒测量的方法，其特征在于，单晶炉包括牵引室（1），牵引室（1）的外壁上设置有单晶硅棒测量组件（5）和单晶硅棒转移保护组件（4），单晶硅棒测量组件（5）包括位于牵引室（1）外壁的纵向导轨（52），导轨（52）上配合设置有底端可运动至牵引室（1）下方的移动元件（53），移动元件（53）的底端连接有与牵引室（1）同轴的环形扫描元件（54），移动元件（53）上连接有位于牵引室（1）外壁上的动力元件二（51）；单晶硅棒转移保护组件（4）包括沿牵引室（1）径向与其外壁依次连接的转轴（42）和动力元件一（41），转轴（42）上连接有可旋转至牵引室（1）下方的定位元件（43）；

所述扫描元件（54）的内侧壁沿周向均匀间隔设置有至少三组三维扫描仪；

所述单晶硅棒转移保护组件（4）为一端开口的矩形框架结构，单晶硅棒转移保护组件（4）的开口端套设于牵引室（1）对称的两侧，转轴（42）设置有两个并分别连接于单晶硅棒转移保护组件（4）开口端与牵引室（1）之间，定位元件（43）为孔形结构并开设置于单晶硅棒转移保护组件（4）远离牵引室（1）的一端，定位元件（43）内设置有柔性缓冲元件（44）；

所述导轨（52）设置有两条且对称分布在牵引室（1）的两侧；

所述动力元件一（41）同轴连接于两个转轴（42）中一个且远离牵引室（1）的一端；

所述牵引室（1）的上方设置有籽晶提拉机构（2），牵引室（1）的下方依次设置有圆顶室和主炉室，主炉室外部包围超导磁场；

所述籽晶提拉机构（2）内通过钼丝连接有籽晶夹头，籽晶夹头上安装有位于牵引室（1）内的籽晶/单晶硅棒（6）；

所述牵引室（1）的外壁上还设置有连接组件（3）；

单晶硅棒测量的方法包括以下步骤：

步骤1：当单晶硅棒（6）在牵引室（1）中冷却完成之后，开启牵引室（1）并控制其上移；

步骤2：停止牵引室（1），动力元件一（41）动作使得单晶硅棒转移保护组件（4）旋转至竖直状态；

步骤3：通过籽晶提拉机构（2）控制单晶硅棒（6）下降至其底端进入定位元件（43）内并与柔性缓冲元件（44）接触，之后单晶硅棒（6）停止下降；

步骤4：将单晶硅棒（6）在单晶硅棒转移保护组件（4）的保护下随着牵引室（1）共同移动至单晶硅棒取出/测量区域；

步骤5：当单晶硅棒（6）到达单晶硅棒取出/测量区域时，通过籽晶提拉机构（2）控制单晶硅棒（6）上升至牵引室（1）内部，动力元件一（41）动作使得单晶硅棒转移保护组件（4）旋转至初始位置；

步骤6：动力元件二（51）动作使得扫描元件（54）随着移动元件（53）沿着导轨（52）共同向下运动，至扫描元件（54）的上边缘不高于牵引室（1）的下边缘后停止，之后开启扫描元件（54）；

步骤7：通过籽晶提拉机构（2）控制单晶硅棒（6）匀速下降并使其整体穿过扫描元件（54）后停止，完成扫描元件（54）对单晶硅棒（6）的数据采集。

2.如权利要求1所述的一种采用单晶炉进行单晶硅棒测量的方法，其特征在于，还包括以下步骤：完成扫描元件（54）对单晶硅棒（6）的数据采集后关闭扫描元件（54），动力元件二（51）动作使得扫描元件（54）随着移动元件（53）沿着导轨（52）共同向上运动，至扫描元件（54）的下边缘不低于牵引室（1）的下边缘后停止。

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