CN1273651C - 用于拉晶的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种使用一对环带从坩埚中连续地抽拉半导体晶体条的设备，该设备具有用于自动调整半导体晶体条的横向位置的位置控制装置。该位置控制装置被放置在用于从坩埚中抽拉半导体晶体条的路径中。该位置控制装置包括一对挡块，这对挡块分别横向位于所述半导体晶体条的所述路径的两侧上，并且可相对所述半导体晶体条横向移动，还包括一对分别安装在所述挡块上的位置传感器，这对传感器用于检测所述半导体晶体条的每个边缘。所述挡块具有各自的侧表面，用于通过接触半导体晶体条的两个边缘调节半导体晶体条的抽拉方向。

Description

用于拉晶的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于使用一对环带从熔炉中抽拉半导体晶体条(片状晶体)的方法和设备。

背景技术

条状形式的大面积单晶硅或多晶硅基片被生产用于太阳能电池等。通过沿一条给定的晶体轴线从一个坩埚中抽拉一个晶种，其中该坩埚中容纳有被调整到一定温度的熔融硅材料，并由此使一个晶体条连续地从熔融硅材料中生长出来，就可以生产出单晶硅或多晶硅基片。当该晶体条被夹在一对环带之间并被抽拉时，它便被连续生产成一条拉长的晶体条。该拉长的晶体条具有弹性，这是因为它的厚度只有约100μm。该拉长的晶体条在被夹紧并被垂直抽拉以后，被沿一个具有大曲率半径的弧形表面弹性弯曲，然后被送入切割设备中。在该切割设备中，该拉长的晶体条被切割成矩形单晶硅或多晶硅片。

当该晶体条被夹在一对环带之间，并被从坩埚中连续拉出时，该晶体可能不是完全向上生长，而是可能产生横向移动。具体而言，当该晶体条被夹在一对环带之间，并被从坩埚中连续拉出时，该晶体可能会偏离环带的中心轴线，并且可能沿一个偏离环带的方向生长。如果晶体被因此而移动，它就不能被平稳地送入到下游的切割设备中。如果晶体被这样移动，即脱离环带，它就不能被平稳地从坩埚中拉出。

当被连续抽拉的晶体不与环带的中心轴线对齐生长时，通常由工人来手工纠正脱离移动位置的晶体。具体而言，当晶体被从坩埚中拉出时，工人用视觉检测晶体，并且手工调整晶体在环带的抽拉下所处的位置，从而该晶体将大体沿环带的中心轴线被抽拉。手工调整过程要求工人具有很高的技能，因为不能将任何过强的震动施加在正在被抽拉的晶体上，同时由于它需要伴有视觉检测过程，所以手工调整过程非常费时费力。另外，晶体从线性晶种开始生长，然后逐渐变宽成为具有理想宽度的晶体条。当晶体由此而生长成晶体条时，晶体相对环带的位置随时都需要被调整，所以拉晶过程是很费力的。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供用于通过一对环带从熔炉中稳定且连续地抽拉晶体条的设备和方法，而无需乏味且费时的手工过程。

根据本发明，提供了一种从坩埚中连续抽拉半导体晶体条的设备，该设备包括用于自动调整半导体晶体条的横向位置的位置控制装置，该位置控制装置被放置在用于从坩埚中抽拉半导体晶体条的路径中。

通过采用上述布置结构，即使当半导体晶体条偏离晶体生长方向时，位置控制装置也可以产生动作，以保持半导体晶体条的中心与抽拉机构的环带的中心轴线大体相对齐，从而使半导体晶体条被稳定抽拉。

位置控制装置包括一对挡块和一对分别安装在所述挡块上的位置传感器，其中所述挡块分别横向位于半导体晶体条的路径的两侧上，并且可相对半导体晶体条横向移动，而所述传感器被用于检测半导体晶体条的每个边缘。所述挡块具有各自的侧表面，用于通过接触半导体晶体条的两个边缘调节半导体晶体条的抽拉方向。

半导体晶体条的一个边缘在每一个时间间隔内或抽拉长度处被一个相应的传感器检测到，然后相应的侧表面被固定在原位置，该位置例如距离被测边缘0.5mm。当半导体晶体条接触到该侧表面时，其横向运动就受到了限制。结果是，半导体晶体条的生长方向被得以纠正，并且因此半导体晶体条大体沿环带的中轴线被抽拉。

该设备还包括一个控制机构，该控制机构用于使挡块同时从各自的起始位置开始运动，并且当任何一个挡块上的传感器检测到半导体晶体条的一个相应边缘时，使挡块停止运动。

挡块恢复至其初始位置，然后同时开始朝向半导体晶体条向内移动。当任何一个挡块上的传感器检测到半导体晶体条的相应边缘时，挡块被停止移动。即使半导体晶体条的宽度逐渐增加或者其运动方向被反转，挡块的侧表面也可以被置于半导体晶体条的相应的边缘附近。如果半导体晶体条沿一个偏移的方向生长，那么半导体晶体条的一个边缘将与相应的挡块侧表面滑动接触，并且其横向运动将受到限制，由此，半导体晶体条的生长方向被得以纠正。由于挡块的位置以周期性的时间间隔被固定，所以即使当半导体晶体条的宽度根据其抽拉长度而变化时，半导体晶体条的生长方向也可以被稳定地得以纠正。

根据本发明，还提供了一种用于连续抽拉半导体晶体条的方法，该方法包括：在半导体晶体条的抽拉过程中检测该半导体晶体条的一个边缘，以及对靠近被检测到的边缘的侧表面进行固定，以便使侧表面与检测到的边缘滑动接触，从而限制半导体晶体条的横向运动。

在上述方法中，半导体晶体条的边缘被检测到，并且根据半导体晶体条的横向尺寸的变化连续地调节侧表面的位置。

下面将结合附图对本发明进行详细说明，从而本发明的上述和其它目的、特征以及优点将被更加清楚地得以理解，其中附图以示例的方式表示了本发明的推荐实施例。

附图说明

图1A是根据本发明的拉晶设备的正视图，表示了在该设备中抽拉晶种的操作状态；

图1B是拉晶设备的侧视图，表示了在该设备中晶体条被一对环带连续抽拉的状态；

图2A是拉晶设备中用于自动调整晶体条横向位置的位置控制装置的正视图；

图2B是位置控制装置的侧视图；

图3A是位置控制装置的俯视图，表示了该装置对晶体条边缘进行检测的操作模式，其中晶体条边缘用水平横截面进行了表示；

图3B是位置控制装置的正视图，表示了该装置对晶体条边缘进行检测的操作模式，其中晶体条边缘用正视面进行了表示；

图4A是位置控制装置的平面图，表示了该装置与以水平横截面表示的晶体条边缘滑动接触的操作模式；

图4B是位置控制装置的正视图，表示了该装置与以正视面表示的晶体条边缘滑动接触的操作模式；

图5是一个图表，示例性地表示了被抽拉的晶体横向扩展的情况；

图6是一个图表，表示了位置控制装置控制晶***置时晶体的被测中心位置和被测角，其中晶体以该角度被倾斜；和

图7是一个图表，表示了当晶体在没有受到位置控制装置的控制时晶体的被测中心位置和晶体的被测倾斜角。

具体实施方式

图1A和1B表示了一种根据本发明的拉晶设备。图1A表示了抽拉晶种的操作阶段，而图1B表示了晶体条被一对环带连续抽拉的操作阶段。

如图1A和1B所示，该拉晶设备包括一个晶体生长熔炉11，熔炉11的中部布置有一个坩埚12。坩埚12内盛有处在预定温度下的熔融硅。当一个晶种14被浸入坩埚12内的熔融硅中并且接着被抽拉时，一个与晶种14相连接的晶体条15就会生长出来，并且被从熔融硅中抽拉出来。通过沿一定的方向引导晶种14的晶体轴线，晶体条15就会被抽拉成一片单晶或多晶硅晶体。晶种14被一个垂直延伸的晶种夹持器夹持住，并且当一台与垂直连续抽拉机构17相连接的驱动马达18被发动时，晶种14被该垂直连续抽拉机构17沿垂直方向抽拉。

一个带有两条环带20a，20b(见图2A)的环带抽拉机构20被布置在晶体生长熔炉11的上方，该环带20由一个马达21进行驱动，并且可以水平移动。当晶种14被抽拉至高于环带抽拉机构20的位置时，与晶种14的下端相连接的晶体条15的上端也到达了高于环带抽拉机构20的位置。然后，环带抽拉机构20被马达21水平驱动至一个位置，以便夹住晶体条15。然后，环带抽拉机构20的环带20a，20b夹住晶体条15，并且晶种14被从晶体15上切下。接下来，环带抽拉机构20的驱动马达22被起动，从而使环带20a，20b连续地对被夹住的晶体15进行抽拉。晶体条15的宽度范围例如为70至80mm，并且厚度为150μm，这就使晶体条15具有弹性。然后晶体条15被沿一条弧形路径传送至一个切割设备。在该切割设备中，晶体条15被切成矩形单晶硅或多晶硅片。当把某些材料散布在该矩形单晶硅或多晶硅片中之后，如此生产出来的矩形单晶硅或多晶硅片就可以被太阳能电池板上或类似器件上。

该晶体抽拉设备具有一个位于环带抽拉机构20下面的位置控制装置23，该装置23用于调整晶体条15的位置，从而使晶体条15以正确的位置被抽拉。位置控制装置23通过与晶体条15的边缘滑动接触而对晶体条进行水平方向或横向的限制，以限制晶体条15的生长方向，这是为了使晶体能够通过环带的中心被抽拉。在晶体条15被连续抽拉的同时，晶体条15受到位置控制装置23的引导，以便通过环带的中心被抽拉。因此，即使被抽拉出来的晶体条15的连续长度达到几百米时，晶体条15依旧可以保持良好的位置，并且稳定地通过环带的中心被抽拉出来。对于连续抽拉晶体条15而言，必须往坩埚12中添加新的硅材料。通过添加新硅材料以及以均衡的速率抽拉晶体条15，就可以连续地拔出晶体条15，同时使坩埚12中的熔融硅材料保持恒定的量。

下面将结合图2A至4B对位置控制装置23的结构细节及工作过程进行说明。位置控制装置23具有一对挡块25，挡块25被紧邻布置在环带抽拉机构20的下方，并且沿水平方向相互隔开，这是为了在晶体条15被抽拉的过程中调整该晶体条15的水平位置。两个挡块25各自具有一个传感器26，用于分别探测晶体条15的两个边缘，另外还各自具有水平相对的侧表面27，用于分别与晶体条15的两个边缘滑动接触。传感器26分别被安装在侧表面27上。位置控制装置23还包括一个用于使两个挡块25相向或相背移动的驱动机构(未示出)。在工作过程中，挡块25在驱动机构的驱动下，以相等的速率从各自的起始位置相向向内移动，其中所述起始位置与相应的晶体条15的边缘之间具有足够大的距离。当晶体条15的任何一个边缘被被相应的传感器26检测到时，挡块25就会被停止并被固定在当前位置。位置控制装置23还具有一个功能，即根据对一个信号的响应以合适的时间间隔使挡块25恢复至其初始位置，使挡块25相向向内移动，然后当晶体条15的任何一个边缘被被相应的传感器26检测到时，使挡块25停止在一定的位置。

如上所述，挡块25可以水平移动，并且它们的固定位置可以根据晶体条15的宽度而被调节。具体而言，晶体条15在刚刚被晶种14抽拉出来时，具有一定的宽度，而当它已被拔出100米至几百米的长度之后，又会具有一个不同的宽度。更加具体地说，当晶种14开始被抽拉时，晶体条15的宽度范围大约为40至50mm。当晶体条15被继续抽拉出时，晶体条15会逐渐变宽。当晶体条被拔出大约100米时，晶体条15的稳定宽度范围约为70至80mm。如实线所示的起始位置A和如虚线所示的固定位置B皆根据将受到位置调节的晶体条25的宽度而定。挡块25上的每个传感器26都是一个光纤传感器，例如，该传感器包括一个发光元件26a和一个光检测元件26b(见图3A和4A)，发光元件26a和光检测元件26b相互面对并且在水平方向上相互隔开一定距离。当晶体条15的一个边缘被置于发光元件26a和光检测元件26b之间时，该边缘就会挡住发光元件26a发出的光线。由于此时光检测元件26b检测不到光线，因此该光纤传感器26就检测到了晶体条15的边缘。每个光纤传感器26的侧表面27与光纤传感器26的光学轴线之间具有一个向外的小间距1，例如大约为0.5mm(见图3A)。在晶体条15被抽拉的过程中，当挡块25被从起始位置A移动向晶体条15的边缘时，光纤传感器26检测到与侧表面27相距0.5mm或更近的晶体条15的边缘，由此，光纤传感器26输出一个信号，从而停止挡块25并固定其位置。

如果晶体条15由于某种原因沿横向或沿水平方向偏离环带20a，20b的垂直中心轴线，那么晶体条15的边缘将与相应挡块25的侧表面27相接触。由于侧表面27的位置被固定，所以晶体条15在被抽拉的过程中，其边缘通过与侧表面27的滑动接触而被限制住，从而防止了进一步的偏移。

当晶体条15被夹在环带20a，20b之间时，挡块25被移动，并且对从挡块25的起始位置A至晶体条15的边缘之间的距离进行测量。基于测得的距离值，可以确定两挡块25处于起始位置A时的中心位置与处于抽拉过程中的晶体条15的中心位置之间的偏差。位置控制装置23能够自动检测晶体条15将产生位置位移的方向，并且固定挡块25的侧表面27，以防止晶体条15产生这种位置位移。为了充分发挥位置控制装置23的作用，必须找出晶体条15被夹在环带20a，20b之间时所处的位置，并且纠正晶体条15相对该晶体条15被抽拉的方向而产生的任何位置位移。如果晶体条15的中心位置在晶体条15即将被夹在环带20a，20b之间之前被检测出，那么环带抽拉机构20或位置控制装置23的位置可以被调节，从而使其中心与晶体条15的中心对齐。由此，晶体条15可以开始被连续抽拉出来，同时被夹在环带20a，20b的中心区域之间。或者，当晶体条15被夹在环带20a，20b之间之后，可以检测出环带20a，20b的中心位置和晶体条15的中心位置，然后可以改变挡块25的起始位置，以便使检测到的中心位置相一致。

当环带20a，20b的中心位置与晶体条15的中心位置对齐之后，由于晶体条15的宽度依据晶体条15被拉出的长度(时间)而变化，所以挡块25被周期性地从其起始位置移向晶体条。检测到晶体条15的相应边缘的挡块25首先被停住，然后另一个挡块25被返回至其起始位置。图3A和3B表示了如此运动的挡块25。在图3A和3B中，当晶体条15在被抽拉的过程中偏离垂直线一个角度θ时，当一个档块25上的传感器26检测到晶体条15的一个边缘时，该挡块25将被停止和固定在位置B，而另一个档块25被返回至其起始位置A。

图4A和4B表示了已被从图3A和3B所示的状态中抽拉出来的晶体条15，其中晶体条15的边缘通过与其中一个挡块25的侧表面27滑动接触而被限制住，以便对晶体条15的倾斜进行纠正，从而使晶体条15沿正常的方向被抽拉。具体而言，当晶体条15相对垂直方向产生角位移时，晶体条15的边缘与挡块25的侧表面27滑动接触，这将限制晶体条15产生横向运动，并且使晶体条15沿正常的方向被抽拉。总之，两个挡块25同时从它们的起始位置A向晶体条15移动，并且在两档块25中，较早检测到晶体条15的相应边缘的挡块25被停止并且其位置被固定，由此防止晶体条15产生偏移，并且对晶体条15相对正常抽拉方向产生的任何倾斜进行纠正。

图5表示了被抽拉的晶体横向扩展的情况。如上所述，当线性晶种被垂直连续抽拉机构抽拉时，树状晶体将在该线性晶种的每一侧上生长，而一个条状或片状晶体开始在该树状晶体之间生长。当晶种被切掉时，该晶体条已被抽拉出一定的长度，并且该晶体条被传送至环带抽拉机构。例如，如果刚刚被送至环带抽拉机构的晶体条的宽度范围为40至50mm，那么随后该晶体条的宽度将随时间而增大，直至达到一个稳定的宽度范围，例如该范围为70至80mm。

图5中的纵轴表示晶体条的宽度，而横轴表示晶体条被抽拉的长度。由于晶体条被抽拉的速率大体保持恒定，因此图5中横轴表示的晶体条被抽拉的长度，或抽拉长度，与时间成正比。

如图5所示，在抽拉长度从L₀增至L₁的阶段1，晶体条的宽度以相对较大的速率增大。因此，在阶段1中，必须使档块返回至其起始位置，检测晶体条的下一个边缘，并且相对频繁地固定挡块的位置。在阶段1中，挡块位置的设定周期用下面的方程(1)进行表示：

T₁＝2l/(W₁-W₀)/(L₁-L₀)                             (1)

其中1表示当传感器检测到晶体条的边缘时(见图3A)晶体条的一个边缘与相应挡块的侧面之间的距离。当抽拉长度达到L₁时，该重复循环进入下一阶段2。

在阶段2中，晶体条的宽度以相对较小的速率增大。阶段2中挡块位置的设定周期用下面的方程(2)进行表示：

T₁＝2l/(W₂-W₁)/(L₂-L₁)                            (2)

在阶段2之后的阶段3中，晶体条的宽度基本不再增大，并且挡块的位置保持不动。

图6表示了当晶体的位置受到位置控制装置中的挡块的控制时，晶体的被测中心位置和晶体条的被测倾斜角。图6中的横轴表示晶体条的抽拉长度，而纵轴表示晶体条的中心位置。在图6中，“×”表示晶体的被测中心位置，而“△”表示晶体条的被测倾斜角。曲线P₀代表环带的中轴线，表示该中轴线在角度上与晶体条的中心相对齐，即是说，环带中轴线与晶体条的中心之间的任何角位移都为0°。曲线P₁表示晶体条的被测数据的趋势。曲线P₁说明尽管晶体条的中心在开始阶段会轻微地与环带的中轴线相偏离，但随后会被校正处于一个恒定位置。

图7表示了当晶体的位置不受位置控制装置中的挡块的控制时，晶体的被测中心位置和晶体条的被测倾斜角。在图7中，“×”表示晶体的被测中心位置，而“△”表示晶体条的被测倾斜角。相对中轴线0偏移的被测中心位置“×”表示相对环带中轴线偏移的晶体条的中心位置，而被测角“△”表示晶体条的生长方向，该方向相对环带的中轴线产生角度偏移。用于表示晶体条的被测中心位置和晶体条的被测倾斜角度的曲线P₁与曲线P₀之间存在着巨大的差别，这说明当抽拉长度达到L_X时，晶体条的中心位置完全偏离出了环带。

根据使用环带抽拉晶体条的传统过程，晶体条在被抽拉的过程中倾向于偏离环带的中轴线，甚至脱离环带。根据本发明的位置控制装置可以通过挡块的侧表面有效地限制晶体条的生长方向，防止晶体条的中心偏离环带的中轴线，并且允许晶体条被连续抽拉。如上所述，晶体条的宽度从晶体条的抽拉过程开始时起逐渐增大至一个恒定的宽度。尽管晶体条的宽度在到达稳定宽度之前不断变化，但挡块以周期循环的方式被恢复至其起始位置以及重新定位。因此，晶体条在任何时候都能够被稳定地抽拉。

根据本发明，用于自动调节晶体条的横向位置的位置控制装置被布置在晶体条被抽拉的路径上。该位置控制装置允许环带在无需手工调节和操作的情况下稳定地抽拉晶体条。因此，现在已不需要手工调节晶体条的位置这一传统的技能型复杂操作，并且可以稳定地大批量生产出具有稳定质量的晶体条。

尽管上文对本发明的一个推荐实施例进行了详细描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施例进行各种改变和修改，但这都不脱离所附权利要求所记载的范围。

Claims (4)

1.一种用于从坩埚中连续地抽拉半导体晶体条的设备，该设备包括：

用于自动调整半导体晶体条的横向位置的位置控制装置，所述位置控制装置被放置在用于从坩埚中抽拉半导体晶体条的路径中，所述位置控制装置包括：一对挡块，这对挡块分别横向位于所述半导体晶体条的所述路径的两侧上，并且可相对所述半导体晶体条横向移动；和一对分别安装在所述挡块上的位置传感器，这对传感器用于检测所述半导体晶体条的每个边缘；以及

控制机构，该控制机构用于使所述挡块同时从各自的起始位置开始运动，并且当任何一个所述挡块上的传感器检测到半导体晶体条的一个相应边缘时，使所述挡块停止运动。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述挡块具有各自的侧表面，用于通过接触半导体晶体条的两个边缘调节半导体晶体条的抽拉方向。

3.一种用于连续抽拉半导体晶体条的方法，包括：

在半导体晶体条的抽拉过程中检测该半导体晶体条的一个边缘；和

对靠近被检测到的边缘的侧表面进行固定，以便使侧表面与检测到的边缘滑动接触，从而限制半导体晶体条的横向运动。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，检测半导体晶体条的边缘，并且根据半导体晶体条的横向尺寸的变化连续地调节侧表面的位置。

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