硅晶体的连续生长装置
[0001] 本
申请是申请号为2017113583666，申请日为2017年12月17日，
发明创造名称为“硅晶体的连续生长装置”的
专利的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及
半导体晶体的制备装置技术领域，尤其涉及一种适用于
单晶硅、准单晶硅及
多晶硅的连续生长装置。
背景技术
[0003] 半导体晶体材料被广泛应用于微
电子及
光电子领域，可用于制备
太阳能电池，集成
电路等。半导体晶体材料是现代信息技术的
基础材料之一，其中硅的应用最为广泛。晶体越大，成本就越低。材料的纯度越好，晶体的物理特性就越好。
[0004] 电
磁约束技术是最近兴起的一种熔炼方法，由于熔炼期间熔体不与
坩埚接触，所熔炼的材料洁净，并能够通过该方法实现材料的形状控制。电磁约束成型是利用感应器产生交变
磁场，通过电磁效应在熔体表面感应出涡
电流，涡电流在洛伦兹
力的作用下，在熔体中形成约束力，从而实现对熔体约束。通常，
电磁感应方法生产重复上述补料阶段工艺的连续投料，均是将多晶料预先放置在炉室内，然后再生长时在将其投下，投料量有限。
[0005] 电磁技术适用于导磁与导电良好的金属材料。对于半导体材料，如硅等首先要对半导体进行加热，然后再施加
电磁场方可实现电磁感应效应，如目前兴起的重复上述补料阶段工艺的电磁冷坩埚熔炼技术等，可以在电磁力的作用下形成熔体表面凸起，即“
驼峰”(即液面向上凸起现象)出现。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题是如何提供一种可以连续生长高纯大尺寸单晶硅、准单晶硅及多晶硅的装置。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种硅晶体的连续生长装置，其特征在于：包括主熔炼室，所述主熔炼室的上侧设有辅助投料熔炼室，所述辅助投料熔炼室正下侧的主熔炼室内设置有主熔炼室坩埚，所述主熔炼室坩埚的下侧设置有坩埚
水冷系统，所述主熔炼室坩埚的外周设置有主熔炼室加热器，所述主熔炼室加热器的上侧圆周设置有主电磁约束感应器，所述主电磁约束感应器用于使主熔炼室坩埚内的熔体表面向上凸起，所述主熔炼室内设置有驱动装置，所述驱动装置的动力输出端与所述主电磁约束感应器连接，用于驱动所述主电磁约束感应器上下运动，所述主熔炼室坩埚的下侧设置有重量
传感器，用于感应所述主熔炼室坩埚的总重量，随着所述重量传感器感应重量的增加，
控制器通过所述驱动装置驱动所述主电磁约束感应器上升；
[0008] 所述辅助投料熔炼室内设置有辅助投料熔炼室坩埚，所述辅助投料熔炼室坩埚的底部通过连通管与所述主熔炼室相连通，且所述辅助投料熔炼室坩埚的下料口位于所述主熔炼室坩埚的正上方，所述主熔炼室内辅助投料熔炼室坩埚的下料口的外周设置有辅助投料熔炼下料口电磁约束感应器，所述下料口电磁约束感应器用于对熔体产生向上的力；所述辅助投料熔炼室坩埚下侧的连通管的外周设置有辅助投料熔炼下料口加热器，所述辅助投料熔炼下料口加热器的外周设置有辅助投料熔炼下料口感应线圈，所述辅助投料熔炼室坩埚的上侧的外周设置有辅助投料熔炼室主加热器，所述辅助投料熔炼室主加热器的外周设置有辅助投料熔炼室主感应线圈，所述辅助投料熔炼室坩埚的上端开口处设置有辅助投料熔炼室熔体下压电磁约束感应器，用于对熔体产生向下的力。
[0009] 进一步的技术方案在于：所述主熔炼室的
侧壁上设置有与其连通的保护气体管路，所述保护气体管路上设置有第一
阀体，通过所述保护气体管路向所述主熔炼室内充入保护气体。
[0010] 进一步的，所述主熔炼室的顶部设置有第一压力表，所述第一压力表用于测量所述主熔炼室内气压。
[0011] 进一步的技术方案在于：所述辅助投料熔炼室通过辅助投料熔炼室
炉盖进行密封。
[0012] 进一步的技术方案在于：所述炉盖上设置有与所述辅助投料熔炼室相连通的抽气管以及第二压力表，所述抽气管上设置有第二
阀体。
[0013] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述装置具有双熔区，一个熔区可以用于晶体生长，一个熔区可以作为连续投料区。连续投料区：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，然后打开上熔体区，投料，合炉体，密封，抽
真空，通电熔炼，下料口熔开，打开上方的电磁压力器，向熔体施压，使得熔体继续滴向晶体生长系统。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。由于硅不导电，先利用下加热器熔掉部分熔体，开启电磁约束装置，通过投料区可以多次向晶体生长区投料，实现晶体的连续生长。
附图说明
[0014] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0015] 图1是本发明
实施例所述生长装置在备料阶段的结构示意图；
[0016] 图2是本发明实施例所述生长装置在熔料阶段的结构示意图；
[0017] 图3是本发明实施例所述生长装置在晶体生长阶段的结构示意图；
[0018] 图4是本发明实施例所述生长装置在补料阶段的结构示意图；
[0019] 图5是本发明实施例所述生长装置在连续生长阶段的结构示意图；
[0020] 其中：1、第二压力表；2、炉盖；3、第一压力表；4、辅助投料熔炼室；5、主熔炼室；6、第一阀体；7、主电磁约束感应器；8、主熔炼室加热器；9、主熔炼室坩埚；10、坩埚水冷系统；11、晶体；12、熔体；13、下料口电磁约束感应器；14、辅助投料熔炼下料口感应线圈；15、辅助投料熔炼下料口加热器；16、辅助投料熔炼室主加热器；17、辅助投料熔炼室主感应线圈；
18、辅助投料熔炼室坩埚；20、第二阀体；21、下压电磁约束感应器；22、多晶料；23、单晶料。
具体实施方式
[0021] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0023] 如图5所示，本发明实施例公开了一种硅晶体的连续生长装置，包括主熔炼室5，所述主熔炼室5的上侧设有辅助投料熔炼室4，所述辅助投料熔炼室4正下侧的主熔炼室5内设置有主熔炼室坩埚9。所述主熔炼室坩埚9的下侧设置有坩埚水冷系统10，所述主熔炼室坩埚9的外周设置有主熔炼室加热器8，所述主熔炼室加热器8的上侧圆周设置有主电磁约束感应器7，所述主约束感应器7用于使主熔炼室坩埚9内的熔体表面向上凸起。所述主熔炼室5内设置有驱动装置，所述驱动装置的动力输出端与所述主电磁约束感应器7连接，用于驱动所述主电磁约束感应器7上下运动，所述主熔炼室坩埚9的下侧设置有重量传感器，用于感应所述主熔炼室坩埚9的总重量。随着所述重量传感器感应重量的增加，控制器通过所述驱动装置驱动所述主电磁约束感应器7上升。
[0024] 所述辅助投料熔炼室4内设置有辅助投料熔炼室坩埚18，所述辅助投料熔炼室坩埚18的底部通过连通管与所述主熔炼室5相连通，且所述辅助投料熔炼室坩埚18的下料口位于所述主熔炼室坩埚9的正上方。所述主熔炼室5内辅助投料熔炼室坩埚的下料口的外周设置有辅助投料熔炼下料口电磁约束感应器13，所述下料口电磁约束感应器13用于对熔体产生向上的力；所述辅助投料熔炼室坩埚18下侧的连通管的外周设置有辅助投料熔炼下料口加热器15，所述辅助投料熔炼下料口加热器15的外周设置有辅助投料熔炼下料口感应线圈14，所述辅助投料熔炼室坩埚18的上侧的外周设置有辅助投料熔炼室主加热器16，所述辅助投料熔炼室主加热器16的外周设置有辅助投料熔炼室主感应线圈17，所述辅助投料熔炼室坩埚18的上端开口处设置有辅助投料熔炼室熔体下压电磁约束感应器21，用于对熔体产生向下的力。
[0025] 所述装置具有双熔区，一个熔区可以用于晶体生长，一个熔区可以作为连续投料区。连续投料区：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，然后打开上熔体区，投料，合炉体，密封，抽真空，通电熔炼，下料口熔开，打开上方的电磁压力器，向熔体施压，使得熔体继续滴向晶体生长系统。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。由于硅不导电，先利用下加热器熔掉部分熔体，开启电磁约束装置，通过投料区可以多次向晶体生长区投料，实现晶体的连续生长。
[0026] 进一步的，如图5所示，所述主熔炼室5的侧壁上设置有与其连通的保护气体管路，所述保护气体管路上设置有第一阀体6，第一阀体6用于控制保护气体管路的打开或关闭，通过所述保护气体管路向所述主熔炼室5内充入保护气体，提高所述晶体生长的纯度。
[0027] 进一步的，如图5所示，所述主熔炼室5的顶部设置有第一压力表3，所述第一压力表3用于测量所述主熔炼室5内气压。所述辅助投料熔炼室4通过辅助投料熔炼室炉盖2进行密封，所述辅助投料熔炼室炉盖2能够根据需要打开或关闭。所述炉盖2上设置有与所述辅助投料熔炼室5相连通的抽气管以及第二压力表1，所述抽气管上设置有第二阀体20。
[0028] 本发明还公开了一种硅晶体连续生长方法，包括如下步骤：
[0029] 备料阶段，如图1所示：首先，对于准单晶来说，需要按着一致晶向将多
块单晶料23在主熔炼室坩埚9内排好并布满主熔炼室坩埚9。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，然后开启主电磁约束感应器7，使得所述主熔炼室坩埚9内熔化的熔体受到电磁力的约束，向上凸起；
[0030] 熔料阶段，如图2所示：主熔炼室坩埚9内的熔体稳定后，开启辅助投料熔炼室4下部的下料口电磁约束感应器13，并开启辅助投料熔炼室主感应线圈17以及辅助投料熔炼室主加热器16，给辅助投料熔炼室坩埚内18的多晶料22加热，所述多晶料22受热后部分熔化，熔体受热流入辅助投料熔炼室下料口，由于下料口本身是冷区，且辅助投料熔炼下料口感应线圈14以及辅助投料熔炼下料口加热器15未通电，同时辅助投料熔炼室4下部的下料口电磁约束感应器13工作对下料口的熔体施加向上的力，使得熔体凝固在下料口内，将下料口封闭；
[0031] 晶体生长阶段，如图3所示：待辅助投料熔炼室坩埚18中的熔体均匀后，关闭辅助投料熔炼室4下部的下料口电磁约束感应器13，打开下料口电磁感应线圈14和辅助投料熔炼下料口加热器15，给下料口加热，使得下料口内凝固的多晶料受热熔化，并从下料口流下，滴入主熔炼室坩埚9中，直至达到电磁约束熔体的稳定态；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；调整熔体下压电磁约束感应器21施加压力的大小，控制下料口的熔体流量，同时调整主电磁约束感应器7的上升速度，使得流下的硅熔体重量等于主熔炼室坩埚9内硅结晶的重量；
[0032] 补料阶段，如图4所示：待辅助投料熔炼室坩埚18内的熔体将要用尽时，切断辅助投料熔炼室5的辅助投料熔炼室主感应线圈17、辅助投料熔炼下料口感应线圈14、辅助投料熔炼室主加热器16以及辅助投料熔炼下料口加热器15的电流，同时保证所述辅助投料熔炼室4内感应线圈内具有
循环水，使得下料口内的熔体及时凝固，将下料口封闭，使得主熔炼室5与辅助投料熔炼室4气氛隔离；同时待无熔体滴下时，停止移动主电磁约束感应器7；然后打开辅助投料熔炼室4上的第二阀
门20，使辅助投料熔炼室4内的气压至
大气压，之后打开辅助投料熔炼室，同时将新的多晶料快速放入辅助投料熔炼室坩埚18内，关闭辅助投料熔炼室，抽真空至初始预设值；关闭辅助投料熔炼室4下部的下料口电磁约束感应器13，开启辅助投料熔炼室内的电磁感应线圈和加热器，待辅助投料熔炼室4内的熔体熔化均匀后，关闭辅助投料熔炼室4下部的下料口电磁约束感应器13，开启辅助投料熔炼室熔体下压电磁约束感应器21。打开下料口电磁感应线圈14和辅助投料熔炼下料口加热器15，给下料口加热，使得下料口内凝固的多晶料受热熔化，并从下料口流下，滴入主熔炼室坩埚中，直至达到电磁约束熔体的稳定态；滴入主熔炼室坩埚中，直至达到电磁约束熔体的稳定态；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，形成所需的单晶硅、准晶硅或者多晶硅；
[0033] 连续生长阶段：重复补料阶段工艺，即可实现硅晶体的连续生长。
[0034] 优选的，在所述备料阶段时，抽真空至10-3Pa，并充入0.5MPa的氮气或者氩气作为保护气，需要说明的是，所述装置的真空度以及保护气的具体成分可以根据实际需要进行设置。
[0035] 进一步的，在所述补料阶段时，检查主熔炼室5的第一压力表3的压力值，若压力下降时需要及时的通过保护气体管路补充气体，同时快速将新的多晶料放入辅助投料熔炼室坩埚18内，关闭辅助投料熔炼室，可以有效的防止空气进入到主熔炼室5内，提高了晶体生长的纯度。
[0036] 进一步的，在所述补料阶段，进行抽真空操作时，将抽出的气体传输至氮
氧分析仪进行气体成分的分析，利用氮氧分析仪的分析结果判断补料阶段前辅助投料熔炼室的下料口是否被密封；在所述补料阶段时，如果第一压力表3的压力值下降，在进行后续的抽真空操作时，直到第一压力表3以及第二压力表1显示的压力值都初始预设值时才停止抽真空操作，可有效的防止因主熔炼室5与辅助投料熔炼室4的压力不一致造成对晶体生长的影响。
[0037] 进一步的，通过如下方法获得辅助投料熔炼室坩埚18内的熔体是否用尽：备料阶段时，分别获得辅助投料熔炼室坩埚18内多晶料的重量以及主熔炼室坩埚9内单晶料的重量，随着熔料阶段和晶体生长阶段的进行，主熔炼室坩埚9下侧的重量传感器感应的值将增大，当主熔炼室坩埚9的重量增加值为辅助投料熔炼室坩埚18内多晶料重量的六分之五至七分之六时，判断辅助投料熔炼室坩埚18内的熔体将用尽，此时需要进行补料。
