一种单晶炉的制作方法

本发明涉及晶体生长领域，具体涉及一种单晶炉。

背景技术：

人工晶体在科学技术和工业生产领域中起到越来越重要的作用，特别是单晶硅作为一种半导体材料，在集成电路和其他电子元件应用越来越广泛。现有的大部分的单晶硅都采用直拉法制造，在传统的直拉法制造中，通常是在单晶硅生长之前，操作人员在单晶炉的控制系统里边设定好相应的程序，然后单晶炉的控制系统按照程序的设定一步一步的完成单晶硅的生长过程。这种控制系统为单向控制方式、功能单一，单晶硅生长的好与坏基本完全依靠操作人员的专业经验和操作技能，其产品质量相对不高。然而，市场对大尺寸的单晶硅的晶体质量要求越来越高，于是对单晶炉的控制系统的精准度也越来越严苛。

目前，因在直拉法单晶硅生长过程中投料量大，使得单晶炉内的热场分布十分复杂，单晶炉的控制系统难以精确的呈现单晶炉内的实际热场分布；而且，整个生长过程从引晶阶段到最后收尾阶段持续时间长，单晶炉的控制系统对每个阶段工艺的稳定性和空间尺寸的精确控制面临很大的挑战。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的单晶炉。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种单晶炉，实现单晶炉的控制系统智能自动化控制，提高单晶炉的控制精准度，提高单晶体的晶体质量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种单晶炉，所述单晶炉用于一单晶体的生长，所述单晶炉包括一长晶炉腔和一控制系统；所述控制系统包括一用于采集所述长晶炉腔中的数据的数据采集模块、一用于将所述数据进行数据分析处理并且反馈一控制信号的数据处理模块以及一用于对所述长晶炉腔反馈所述控制信号的输出模块；所述数据处理模块包括一仿真结果数据库和一数据存储模块，所述仿真结果数据库为通过模拟仿真构建出的一长晶数据库；所述数据存储模块用于存储所述长晶数据库和所述数据采集模块采集的实时数据。

进一步的，所述单晶炉还包括一炉体、设于所述炉体内且用于装熔融多晶硅料的坩埚、用于提拉和旋转所述单晶体的提拉杆。

可选的，在所述单晶炉中，以所述炉体的几何结构为基础，依据所述单晶体生长中各个阶段定义的工艺参数进行建模，利用一长晶模拟仿真软件进行计算，利用计算结果建立所述长晶数据库。

进一的，在所述单晶炉中，所述长晶数据库中包括以所述炉体的几何结构为基础，不同的单晶体生长各个阶段定义的工艺参数、不同的所述单晶体生长各个阶段中所述炉体内的温度分布图或者温度分布曲线、以及相对应的不同的所述单晶体生长各个阶段中所述炉体内的流场分布图或者流场分布曲线。

进一步的，在所述单晶炉中，所述数据处理模块将所述实时数据在所述长晶数据库中进行查找、对比和分析，反馈出一控制信号，所述控制信号为所述单晶体生长下一时刻的定义的工艺参数。

可选的，在所述单晶炉中，所述数据存储模块分为第一数据存储模块和第二数据存储模块，所述第一数据存储模块存储所述长晶数据库，所述第二数据存储模块存储所述实时数据。

进一步的，在所述单晶炉中，所述第二数据存储模块的实时数据更新和优化所述第一数据存储模块的长晶数据库。

进一步的，在所述单晶炉中，所述长晶炉腔包括一晶控模块和一埚控模块，所述晶控模块用于调节所述单晶体的提拉速度和单晶体转速，所述埚控模块用于调节所述坩埚内温度、所述坩埚的升降速度和坩埚转速。

可选的，在所述单晶炉中，所述数据采集模块包括一用于监测所述单晶体位置的晶位传感器、一用于监测所述坩埚位置的埚位传感器、一实时测量所述坩埚内温度的温度传感器，所述数据采集模块采集所述单晶体的提拉速度数据和单晶体转速数据、所述坩埚的升降速度数据和坩埚转速数据以及所述坩埚内的温度数据。

进一步的，在所述单晶炉中，所述晶控模块包括一控制所述提拉杆提拉所述单晶体的晶升电机和一控制所述单晶体旋转的晶转电机。

进一步的，在所述单晶炉中，所述埚控模块包括一控制所述坩埚旋转的埚转电机、一控制所述坩埚升降的埚升电机、对所述坩埚进行加热的加热模块以及根据所述坩埚内的温度控制所述加热模块的温控模块。

进一步的，在所述单晶炉中，所述长晶炉腔还包括一控制所述炉体内的气压的气压控制模块。

进一步的，在所述单晶炉中，所述数据采集单元还包括一用于采集所述炉体的气压值的气压检测器。

可选的，在所述单晶炉中，所述控制系统还包括一报警模块，用于提示和记录所述单晶体生长过程中的故障信息。

可选的，在所述单晶炉中，所述控制系统还包括一显示模块，用于显示所述实时数据和所述控制信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过所述单晶炉中的仿真结果数据库对所述单晶体生长进行全面模拟仿真，得到不同工艺条件下的模拟仿真数据，可以实时监测和分析所述单晶炉的温度分布和流场分布，克服现有技术中对所述单晶炉内的实际热场分布难以把控的缺陷，提高所述单晶炉的控制精准度，提高单晶体的晶体质量。

进一步的，以所述炉体的几何结构为基础，依据所述单晶体生长中各个阶段定义的工艺参数进行建模，利用一长晶模拟仿真软件进行计算，利用计算结果建立所述长晶数据库，使得所述长晶数据库中的理论模拟仿真数据更加准确，更具有参考价值；同时，将所述控制系统探测到的数据(即所述数据采集模块采集的实时数据)与所述长晶数据库中的模拟仿真结果进行智能交互，以所述实时数据为基础，适时在线调整工艺，改变传统的单一化的控制方式，实现所述单晶体生长过程的分析和优化控制，提高所述单晶炉的控制精准度，进一步提高单晶体的晶体质量。

另外，将所述实时数据存储在第二数据存储模块中，所述单晶体生长过程中，根据分析和判断可以使所述第二数据存储模块的数据不断优化更新所述第一数据存储模块的长晶数据库，以形成良好的交互迭代使得长晶数据库和单晶体生长工艺都日趋成熟完善，达到一定程度之后，可以实现基于所述长晶数据库的单晶炉的智能自动化控制，自行调节单晶体生长过程中的温度和流场等问题，使得每次单晶体的生长都处于高度自动化状态，节约成本，提高单晶体的晶体质量。

附图说明

图1为本发明实施例中所述单晶炉的结构示意图；

图2为本发明实施例中的所述单晶炉的控制系统的框架结构图。

具体实施方式

发明人发现在现有技术的单晶体生长的过程中，操作人员没法知晓所述单晶炉的实际温度梯度分布情况、气流流场分布情况等，而单晶炉的温度梯度分布和流场分布对单晶体的晶体质量起决定性的影响。同时，发明人又了解到模拟仿真技术在研发和生产中应用越来越广泛，随着计算机性能的提高和各种优化算法的提出，使得模拟仿真速度更快、结果更准确。于是，发明人通过研究相应的模拟软件进行准稳态和动态模拟仿真，可以准确的获得单晶炉内的温度分布、气体流场分布、以及可以反映出单晶体氧杂质分布、单晶体自身缺陷分布等信息，可以获得对单晶体生长过程的精确信息，发明人认为将其应用于单晶硅的实际生长中，具有很重大的意义，有利于提高所述单晶炉的控制精准度，实现高晶体质量的单晶体生长。

因此，基于上述研究和发现，本发明提供一种单晶炉，所述单晶炉用于一单晶体的生长，所述单晶炉包括一长晶炉腔和一控制系统；所述控制系统包括一用于采集所述长晶炉腔中的数据的数据采集模块、一用于将所述数据进行数据分析处理并且反馈一控制信号的数据处理模块以及一用于对所述长晶炉腔反馈所述控制信号的输出模块；所述数据处理模块包括一仿真结果数据库和一数据存储模块，所述仿真结果数据库为通过模拟仿真构建出的一长晶数据库；所述数据存储模块用于存储所述长晶数据库和所述数据采集模块采集的实时数据。

本发明通过所述单晶炉中的仿真结果数据库对所述单晶体的生长进行全面模拟仿真，得到不同工艺条件下的模拟仿真数据，可以实时监测和分析所述单晶炉的温度分布和流场分布，克服现有技术中对所述单晶炉内的实际热场分布难以把控的缺陷，提高所述单晶炉的控制精准度，提高单晶体的晶体质量。

下面将结合结构图和流程图对本发明的单晶炉进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

以下列举以直拉法单晶硅生长的所述单晶炉为实施例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。

首先，请参阅图1，图1为本发明实施例中所述单晶炉的结构示意图，所述单晶炉用于一单晶硅的生长，所述单晶炉包括一炉体、设于所述炉体内且用于装熔融多晶硅料的坩埚、以及用于提拉和旋转所述单晶硅的提拉杆，所述单晶炉还包括一长晶炉腔1和一控制系统2。所述长晶炉腔1包括一晶控模块11、一埚控模块12和一气压控制模块13，所述晶控模块11包括一控制所述提拉杆提拉所述单晶硅的晶升电机111和一控制所述单晶硅旋转的晶转电机112；所述埚控模块12包括一控制所述坩埚升降的埚升电机121、一控制所述坩埚旋转的埚转电机122、对所述坩埚进行加热的加热模块123、以及根据所述坩埚内的温度控制所述加热模块123的温控模块124；所述气压控制模块13用于调节所述炉体内的气压，在直拉法制备单晶硅的过程中采用惰性气体如氩气作为保护气体，形成一个减压气氛下的氩气流动，氩气流动一方面能够带走高温熔融多晶硅挥发的氧化物，以防止氧化物颗粒掉进硅熔体，进而运动到固液界面，破坏单晶硅原子排列的一致性；另一方面，能够带走生长过程中的温度，促使单晶硅的散热和冷却。

如图2所示，图2为本发明实施例中的所述单晶炉的控制系统的框架结构图，在本实施例中所述单晶炉的控制系统2包括一用于采集所述长晶炉腔1中的数据的数据采集模块21、一用于将所述数据进行数据分析处理而输出一控制信号的数据处理模块22以及一用于对所述长晶炉腔1反馈所述控制信号的输出模块23。所述数据采集模块21包括一晶位传感器211、一埚位传感器212、一温度传感器213和一气压检测器214，通过所述晶位传感器211可以采集到所述单晶硅的提拉速度数据(所述提拉速度数据是通过所述晶位传感器211检测所述单晶硅的位置和生长时间得到的)，同样，通过所述埚位传感器212可以得到所述坩埚升降的速度数据，通过所述温度传感器213可以实时测量所述坩埚内的温度值，通过所述气压检测器214实时检测所述炉体内的气压值。当然，所述数据采集模块21还可以采集到所述晶转电机112控制所述单晶硅旋转的单晶体转速数据以及所述埚转电机122控制所述坩埚旋转的坩埚转速数据。

所述数据处理模块22根据所述数据采集模块21采集的实时数据进行数据分析处理并且反馈出一控制信号，所述数据处理模块22包括一仿真结果数据库221和一数据存储模块222，较佳的，所述仿真结果数据库221为通过模拟仿真构建出的一长晶数据库，以所述炉体的几何结构为基础，依据所述单晶硅生长中各个阶段定义的工艺参数(如所述炉体的气压值、所述单晶体的提拉速度和单晶体转速、所述坩埚内的温度值、所述坩埚的升降速度和坩埚转速、以及所述单晶硅生长各个阶段的时间等)进行建模，利用一长晶模拟仿真软件进行计算，利用计算结果建立所述长晶数据库。比如，所述长晶数据库中可以包括不同的所述单晶硅生长各个阶段定义的工艺参数、不同的所述单晶硅生长各个阶段中所述炉体内的温度分布图或者温度分布曲线、以及相应的流场分布图或者流场分布曲线，因为通过所述炉体内的温度分布情况和流场分布情况便可知晓所述单晶硅氧杂质分布情况、单晶硅自身缺陷分布情况以及单晶硅的热应力情况等信息。所述数据存储模块222可以分为第一数据存储模块2221和第二数据存储模块2222，所述第一数据存储模块2221存储所述长晶数据库，所述第二数据存储模块2222存储所述实时数据。

所述数据处理模块22将所述实时数据在所述长晶数据库中进行查找、对比和分析，智能的从所述长晶数据库中调出所述单晶硅生长下一时刻的定义的工艺参数(即下一时刻所需的所述炉体的气压值、所述单晶体的提拉速度和单晶体转速、所述坩埚内的温度值、所述坩埚的升降速度和坩埚转速、以及所述单晶硅生长各个阶段的时间等)，并且反馈出相应的定义的工艺参数(即控制信号)。所述数据处理模块22完成了所述实时数据和所述长晶数据库中的模拟仿真结果的智能交互，以所述实时数据为基础，适时在线调整工艺。

所述输出模块23将所述数据处理模块22反馈的控制信号再反馈给所述长晶炉腔1中相应模块，所述长晶炉腔1中的相应模块根据接收到的所述控制信号执行所述单晶硅下一时刻的生长工作。

如此，所述单晶炉重复所述数据采集模块21采集所述长晶炉腔1的数据、所述数据处理模块22分析处理所述数据并且反馈一控制信号、以及所述输出模块23对所述长晶炉腔1反馈所述控制信号的过程，直至所述单晶硅的生长结束。

同时，每一次所述单晶硅的生长的也会验证或优化所述长晶数据库的内容，通过判断和分析所述控制系统探测到的数据结果(即所述实时数据)，不断优化更新所述长晶数据库，以形成良好的交互迭代使得长晶数据库和单晶体生长工艺都日趋成熟完善。

当然，为了便于清楚地知晓所述单晶硅不同生长阶段中的各个工艺参数，所述控制系统2还包括一显示模块25，所述显示模块25同步显示所述实时数据和所述控制信号。同时，在所述单晶硅生长的过程中，所述控制系统2还包括一报警模块25，所述报警模块25提示和记录所述单晶硅生长过程中的故障信息，所述单晶炉也会配有手动开关，用于故障时紧急停机。这些都是本领域普通技术人员知晓的和可以理解的，在此不做赘述。

因此，采用本发明实施例中的所述单晶炉生长单晶硅时，通过所述单晶炉中的仿真结果数据库221对所述单晶硅的生长进行全面模拟仿真，得到不同工艺条件下的模拟仿真数据，可以实时监测和分析所述单晶炉的温度分布和流场分布，克服现有技术中对所述单晶炉内的实际热场分布难以把控的缺陷；并且，将所述控制系统2探测到的数据与所述长晶数据库中的模拟仿真结果进行智能交互，以所述实时数据为基础，适时在线调整工艺，改变传统的单一化的控制方式，实现所述单晶硅生长过程的分析和优化控制，提高所述单晶炉的控制精准度，提高单晶硅的晶体质量。

综上，本发明通过所述单晶炉中的仿真结果数据库对所述单晶体的生长进行全面模拟仿真，得到不同工艺条件下的模拟仿真数据，可以实时监测和分析所述单晶炉的温度分布和流场分布，克服现有技术中对所述单晶炉内的实际热场分布难以把控的缺陷，提高所述单晶炉的控制精准度，提高单晶体的晶体质量。

进一步的，以所述炉体的几何结构为基础，依据所述单晶体生长中各个阶段定义的工艺参数进行建模，利用一长晶模拟仿真软件进行计算，利用计算结果建立所述长晶数据库，使得所述长晶数据库中的理论模拟仿真数据更加准确，更具有参考价值；同时，将所述控制系统探测到的数据(即所述数据采集模块采集的实时数据)与所述长晶数据库中的模拟仿真结果进行智能交互，以所述实时数据为基础，适时在线调整工艺，改变传统的单一化的控制方式，实现所述单晶体生长过程的分析和优化控制，提高所述单晶炉的控制精准度，进一步提高单晶体的晶体质量。

另外，将所述实时数据存储在第二数据存储模块中，所述单晶体生长过程中，根据分析和判断可以使所述第二数据存储模块的数据不断优化更新所述第一数据存储模块的长晶数据库，以形成良好的交互迭代使得长晶数据库和单晶体生长工艺都日趋成熟完善，达到一定程度之后，可以实现基于所述长晶数据库的单晶炉的智能自动化控制，自行调节单晶体生长过程中的温度和流场等问题，使得每次单晶体的生长都处于高度自动化状态，节约成本，提高单晶体的晶体质量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。