直拉式单晶硅棒的生产设备的制作方法

本实用新型涉及半导体和光伏产品生产领域，尤其涉及一种直拉式单晶硅棒的生产设备。

背景技术：

在半导体硅单晶的制备中，大都是利用切克劳斯基(czochralski)法来制备(简称cz法)，特别是目前太阳能级硅单晶的生产中，几乎全都采用这种方法来制备硅单晶，以满足太阳能电池的需要。在目前全球常规能源短缺的情况下，太阳能光伏发电成为绿色再生能源的重要组成部分，得到各国政府的大力扶持和发展；与此同时，我国针对目前国内的高污染、高能耗工业现状，开展了大规模的节能降耗行动，硅材料领域也不例外。

在采用cz法制备硅单晶的过程中，如何提高拉晶效率及降低能耗一直是节能降耗研究的重点，通常都是采用优化单晶炉的热场构件结构、材质等方式来减少热损失，提高效率。

在目前通用的单晶炉中，热场全部采用石墨电极和石墨加热器做为加热单元，采用直流电加热。石墨加热器通过热辐射方式向支撑石英坩埚的碳碳坩埚传热来加热碳碳坩埚，再通过温度差以热传导的方式向石英坩埚内的传热来加热熔融硅料。由于经过一次电热转换和两次热传递过程，能量利用率低。

另外，石墨电极和石墨加热器都装置在炉腔内部，造成内部结构复杂，每次炉体拆解、清理、安装繁琐、复杂。再有，石墨电极和石墨加热器寿命短，更换频繁，维护成本很高。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种直拉式单晶硅棒的生产设备。本实用新型采用的技术手段如下：

一种直拉式单晶硅棒的生产设备，包括：炉腔、炉底座，所述炉底座上开设供坩埚托杆升降的通孔，还包括：设置在炉腔和炉底座内侧的保温结构、设置在炉腔和炉底座外壁的多个微波发射器、设置在坩埚托杆上或是设置在石英坩埚与坩埚托杆之间的微波热源坩埚，所述炉腔的金属外壁和炉底座金属外壁上与各微波发射器相对应位置开设供微波通过的微波馈孔，所述微波发射器用于透过保温结构向炉腔发射微波，所述微波热源坩埚用于将微波转化为热能。

进一步地，所述微波发射器由上至下分层环绕腔体，在腔体外侧，安装在金属腔壁的微波馈孔上，层数为3～5层。

进一步地，所述保温结构包括设置在炉腔和炉底座内侧的保温桶和炉底保温层，所述保温桶包括设置在所述炉腔内侧的上保温桶和中保温桶，两个保温桶的高度为根据石英坩埚规格确定的预设值，厚度为根据热场温度梯度需求确定的预设值，所述炉底座腔体内侧设置下保温桶，所述炉底保温层设置在炉底座底部上表面。

进一步地，所述保温桶和炉底保温层，均由无机非金属且不吸收微波的保温材料构成。无机非金属材料包括以不同晶型二氧化硅、氧化铝、硅酸铝或其混合物构成的不同物理形态的保温材料。

进一步地，所述上保温桶和/或下保温桶，开有透过保温桶壁的用于抽真空的通风孔，并且在腔壁真空口上设置金属网眼式装微波隔离罩。

进一步地，所述微波馈孔为多个且其设置在保温桶内，在腔体内，每层微波馈孔之间均设有用于调整微波发射方向的环状金属微波导向板，固定在金属腔壁上，并沿径向方向炉体内延伸，嵌在保温桶壁内，到保温桶内壁位置为止。

进一步地，所述上保温桶上侧设有用于阻断热量向上炉盖方向热传递的上保温罩，所述保温罩上方设有用于保证上保温罩稳定性的压环，在上保温罩上，装置有锥形导流筒，所述压环为石墨材质，所述导流筒和上保温罩为三层结构，上层为石墨，中间为碳毡，下层为金属微波反射板，所述金属微波反射板用于将微波反射回到坩埚区域。

进一步地，环形金属微波导向板和金属微波反射板均为耐高温金属，包括钼和钨钢。

进一步地，微波热源坩埚的材料为强微波吸收，且具有高微波向热能转换率的材料，包括碳化硅、石墨、氧化锆或它们的混合物，或含有它们的混合物。

进一步地，所述坩埚托盘、坩埚托杆的材质为非金属陶瓷，包括二氧化硅、氧化铝或其他非吸波陶瓷材料。

与现有技术比较，本实用新型具有以下有有优点：

1)本实用新型采用微波能作为能量源，经微波热源坩埚转化为热能，直接加热熔融硅料，减少了热能层层传递而引起的热量损失，可以提高效率，同时降低能耗；

2)精简了炉腔结构，去除了传统的石墨电极和石墨加热器，使腔内空间增大，可以增大坩埚尺寸，提高硅料装填率，利用特种物质对微波选择性吸收、转换为热能的特性，可以快速实现硅料的熔融，从而提高生产效率；

3)简化了腔体内部结构，可提高拆装的效率，从而提高生产效率。

4)减少易损件的使用，降低维护成本。

5)通过设置的环形金属微波导向板可有效控制热场温度梯度，金属微波反射板可阻断微波向上方的传递，从而反射微波回到坩埚区域被二次吸收，提高微波利用效率。

基于上述理由本实用新型可在半导体和光伏产品生产领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一种直拉式单晶硅棒的生产设备具体结构示意图。

图中：1.1上炉盖；1.2炉腔；1.3炉底座；1.4上通风孔；1.5下通风孔；2.1导流筒；2.2压环；2.3上保温罩；3.1上保温桶；3.2中保温桶；3.3下保温桶；3.4炉底保温层；3.5金属微波导向板；4.1石英坩埚；4.2微波热源坩埚；4.3坩埚托盘；4.4坩埚托杆；4.5轴密封环；5.1炉腔侧微波发射器；5.2炉底侧微波发射器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实施例公开了一种直拉式单晶硅棒的生产设备，此直拉式单晶炉热场为一封闭的圆柱形结构，包括炉盖、炉腔1.2和炉底座1.3。以上所述3部分为金属材质，相互连接，构成一个封闭式圆柱形腔体，3部分可以分解、组装，便于热场内部的组件的安装和维护。其中，根据实际应用场景的不同，炉腔1.2和炉底座1.3可合并成一个部分，所述炉底座1.3上开设供坩埚托杆4.4升降的通孔。所述生产设备还包括：设置在炉腔1.2和炉底座1.3内侧的保温层、设置在炉腔1.2和炉底座1.3外壁的多个微波发射器(炉腔端的5.1、炉底座端的5.2)、设置在石英坩埚4.1与坩埚托杆4.4之间的微波热源坩埚4.2，在其他可选的实施例中，也可不设置石英坩埚4.1，即微波热源坩埚4.2设置在坩埚托杆4.4上，将待熔融硅料直接放置微波热源坩埚4.2内。为了保证整体的平衡性，坩埚托杆4.4上还连接有坩埚托盘4.3，本实施例中微波发射器可选用磁控管、波导管的组合。

所述炉腔1.2和炉底座1.3的金属腔壁上，与各微波发射器相对应位置开设供微波通过的微波馈孔，具体地，微波由微波发射器产生，通过炉腔1.2和炉底座1.3上的微波馈孔向腔体内发射，并穿透不吸收微波的保温桶和炉底保温层3.4，到达微波热源坩埚4.2，微波被微波热源坩埚4.2吸收后转化为热能。热能持续向石英坩埚4.1内的硅料传递，从而使硅料溶解。

作为优选的实施方式，所述微波发射器分层环绕安装在金属腔壁的微波馈孔上，层数为1-10层，优选为3～5层。使得实际生产过程中可以根据坩埚的位置、里面硅料的数量，来控制相应层或位置的微波发生器的启动和停止，从而控制温场/热场的各个温度梯度。

作为优选的实施方式，所述保温结构包括装置在炉腔1.2和炉底座1.3内侧的保温桶和炉底保温层3.4，所述保温桶包括设置在所述炉腔1.2内侧的上保温桶3.1和中保温桶3.2，两个保温桶的高度为根据石英坩埚4.1规格确定的预设值，厚度为根据热场温度梯度需求确定的预设值，所述炉底座1.3腔体内侧设置下保温桶3.3，所述炉底保温层3.4设置在炉底座1.3底部上表面。本实施例中，上保温桶3.1、中保温桶3.2和下保温桶3.3均呈环状排布。所述保温桶和炉底保温层3.4，均由无机非金属且不吸收微波的保温材料构成，即透波材料，其使得微波能够直接透过保温层到达微波热源坩埚4.2。无机非金属材料包括以不同晶型二氧化硅、氧化铝、硅酸铝或其混合物构成的不同物理形态的保温材料。

为了便于抽真空和通过氩气气流，调节温度场分布，同时可带走硅料加热溶解过程中所产生的废气和漂浮的颗粒，作为优选的实施方式，所述上保温桶3.1和/或下保温桶3.3，开有透过保温桶壁的通风孔(上通风孔1.4/下通风口1.5)，并且在腔壁真空口管路接入口处，设置金属网眼式装微波隔离罩，起到阻隔微波的作用，避免微波的泄露。

所述微波馈孔为多个，分层环绕设置在金属外腔壁上。垂直于保温桶壁，且在每层微波馈孔之间，均设有用于调整微波发射方向的环状金属微波导向板3.5，金属微波导向板3.5固定在腔壁上，沿径向腔体内延伸，嵌在保温桶内。金属微波导向板3.5与腔体间的具体角度、位置为预先设计值，使每层馈孔之间互不干涉。

在所述的上保温桶3.1上侧，装置有上保温罩2.3，起到阻断热量向上炉盖1.1方向的热传递，提高热量的利用率。在上保温罩2.3上侧，装置有压环2.2，保证上保温罩2.3的稳定性，以及阻断热量沿上保温罩2.3与墙壁之间缝隙的传递。同时，在上保温罩2.3上，装置有锥形导流筒2.1，即横截面积自上至下逐渐减小，其用于减小氩气气流的涡流，并提高氩气的流速，提高硅棒的冷却速度。同时，可降低固体颗粒在炉腔1.2上部和上炉盖1.1上的沉积。所述的压环2.2采用石墨材质。所述的导流筒2.1和上保温罩2.3，为三层结构，上层为石墨，中间为碳毡，下层为(朝向石英坩埚4.1)金属微波反射板。其中，金属微波反射板可以阻断微波向上方的传递，并可反射微波回到坩埚区域被二次吸收，提高微波利用效率。而碳毡和石墨层可起到阻隔热量向上方的传递。

环形金属微波导向板3.5和金属微波反射板均为耐高温金属，包括但不限于金属钼和钨钢。

微波热源坩埚4.2的材料为强微波吸收，且具有高微波向热能转换率的材料，包括碳化硅、石墨、氧化锆或它们的混合物，或含有它们的混合物。

所述的坩埚托盘4.3安装在坩埚托杆4.4上。坩埚托杆4.4通过轴密封环4.5穿过炉底保温层3.4和炉底座1.3，延伸到炉腔1.2外部，与外部的机械部分结合，实现坩埚托杆4.4及其承载的坩埚托盘4.3、微波热源坩埚4.2和石英坩埚4.1的升降和旋转。所述的坩埚托盘4.3、坩埚托杆4.4的材质为非金属陶瓷，包括但不限于二氧化硅(石英)、氧化铝或其他非吸波陶瓷材料。

每个微波馈孔上，安装有微波发射器。微波发射器与外部电源连接，可产生持续微波。微波可通过微波馈孔向腔体内发射。本实施例中所述的微波发生器采用915mhz或(和)2.45ghz。本实用新型在具体应用时，首相将待熔融的硅料放置在石英坩埚4.1或是内微波热源坩锅中。微波热源坩锅可有效吸收微波并转换成热能，并将热能传递给石英坩埚4.1内的硅料，从而使硅料熔融。微波热源坩埚4.2还起到对石英坩埚4.1的支持作用。其中，微波发生器可逐个或逐层控制启动和停止。从而可以根据坩埚的位置、里面硅料的多少，来控制相应的微波发生器的启动和停止，从而控制温场/热场的各个温度梯度(包括温场的径向/轴向的温度梯度、熔体的径向/轴向温度梯度和晶体的径向/轴向温度梯度)，同时有一部分微波经过锥形导流筒2.1的金属微波反射板反射微波回到坩埚区域被二次吸收，提高微波利用效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。