带移动保温的单晶生长设备及单晶生长方法

1.本发明属于单晶生长技术领域，特别是涉及一种带移动保温单晶生长设备及单晶生长方法。


背景技术：

2.直拉法是现有的一种常用的单晶生长方法，又称为切克劳斯基法，简称cz法。cz法的特点是在一个直筒型的炉体中，用石墨电阻加热，将装在高纯度石英坩埚中的多晶硅熔化，然后将籽晶插入熔体表面进行熔接，同时转动籽晶，配合坩埚转动，籽晶缓慢向上提升，经过引晶、放肩、等径、收尾等过程，最终长成所需直径和长度的晶棒。
3.现有的单晶生长设备中，单晶炉热场侧保温和底保温为密封固定状态，即炉体侧壁的保温结构和底部的保温结构通常是相互连接以将炉体底部密封，且在整个单晶生长过程中，保温结构的位置固定不变，这种结构的单晶生长设备存在诸多问题。比如，长晶过程中由于热场下部温度过高，坩埚内壁会释放更多氧，晶体内氧含量不易控制，导致生长出的晶棒纯度难以符合生产标准，而在冷却阶段，底部热场仍为密封状态，散热较慢，大大增加了冷却周期，影响了单晶炉产能。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种带移动保温的单晶生长设备及生长方法，用于解决现有技术中的单晶炉热场侧保温和底保温为密封固定状态，单晶生长过程中保温结构的位置固定不变，导致长晶过程中由于热场下部温度过高，坩埚内壁会释放更多氧，晶体内氧含量不易控制，导致生长出的晶棒纯度难以符合生产标准；而在冷却阶段，底部热场仍为密封状态，散热较慢，大大增加了冷却周期，影响了单晶炉产能等问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种带移动保温的单晶生长设备，所述单晶生长设备包括炉体、坩埚、侧加热器、底加热器、导流筒、水冷套、坩埚支撑装置、侧保温层、底保温层及保温层移动装置；所述坩埚、侧加热器、底加热器、侧保温层、底保温层及导流筒均位于所述炉体内；所述坩埚用于承载硅料，所述侧加热器位于所述坩埚的周向外侧，所述底加热器位于所述坩埚的底部，所述导流筒自所述坩埚的外侧延伸到所述硅料的上方，且所述导流筒与所述硅料具有间距；所述水冷套经所述炉体的顶部开口自所述炉体外部延伸到所述炉体内部；所述坩埚支撑装置与所述坩埚的底部相连接；所述侧保温层位于所述侧加热器及所述炉体的内壁之间，所述底保温层位于所述底加热器的下方；所述保温层移动装置与所述底保温层和/或侧保温层相连接，在单晶生长的不同阶段，通过所述保温层移动装置改变所述底保温层与所述侧保温层之间的相对位置以改变热场下部温度。
6.可选地，所述侧保温层沿纵向向下延伸，所述底保温层位于所述侧保温层的下方且所述底保温层的横向尺寸大于所述侧保温层的横向开口尺寸。
7.可选地，所述侧保温层的底部向所述坩埚的底部方向弯折，所述底保温层位于所
述侧保温层的底部弯折部分的上方，且所述底保温层的横向尺寸小于所述侧保温层的弯折部分的横向开口尺寸。
8.可选地，所述单晶生长设备还包括坩埚驱动装置，所述坩埚驱动装置与所述坩埚支撑装置相连接。
9.可选地，所述单晶生长设备还包括底加热器移动装置，与所述底加热器相连接，以在单晶生长的不同阶段，通过改变所述底加热器的位置以改变热场下部温度。
10.本发明还提供一种单晶生长方法，该单晶生长方法包括：在单晶生长的化料阶段，坩埚周向上的侧保温层与坩埚底部的底保温层无缝接触以实现密封保温；在长晶阶段，所述底保温层与侧保温层在纵向上具有第一间距以降低下部热场温度；在冷却阶段，所述底保温层与侧保温层在纵向上具有第二间距以增加底部散热。
11.可选地，在长晶阶段，通过提高所述侧保温层的位置和/或降低所述底保温层的位置以使所述底保温层和侧保温层具有第一间距；在冷却阶段，通过提高所述侧保温层的位置和/或降低所述底保温层的位置以使所述底保温层和侧保温层具有第二间距。
12.在一可选方案中，所述侧保温层沿纵向向下延伸，所述底保温层位于所述侧保温层的下方且所述底保温层的横向尺寸大于所述侧保温层的横向开口尺寸，所述第一间距为h1，1mm《h1《50mm，所述第二间距为h2，1mm《h2《500mm。
13.在另一可选方案中，所述侧保温层的底部向所述坩埚的底部方向弯折，所述底保温层位于所述侧保温层的底部弯折部分的上方，且所述底保温层的横向尺寸小于所述侧保温层的弯折部分的横向开口尺寸；所述第一间距为h3，1mm《h3《50mm，所述第二间距为h4，1mm《h4《500mm。
14.可选地，所述单晶生长方法还包括在单晶生长过程中改变坩埚底部的底加热器的位置以改变下部热场温度，同时提高热场底保温移动的灵活性。
15.如上所述，本发明的带移动保温的单晶生长设备及单晶生长方法，具有以下有益效果：本发明经改善的结构设计，将底保温层和/或侧保温层设置为各自独立且可移动方式，在单晶生长的不同阶段通过改变底保温层和侧保温层的相对位置以灵活控制热场下部温度，从而有助于控制晶棒内氧杂质含量以提高晶棒生长质量，且有助于缩减热场冷却时间以增加单晶生产产能。
附图说明
16.图1至图3显示为本发明实施例一的带移动保温的单晶生长设备的结构示意图。
17.图4至图6显示为本发明实施例二的带移动保温的单晶生长设备的结构示意图。
18.元件标号说明
19.11
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炉体
20.12
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坩埚
21.13
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侧加热器
22.14
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底加热器
23.15
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导流筒
24.16
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水冷套
25.17
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坩埚支撑装置
26.18
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侧保温层
27.19
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底保温层
具体实施方式
28.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
29.请参阅图1至图6，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
30.实施例一
31.如图1至图3所示，本发明提供一种带移动保温的单晶生长设备，包括炉体11、坩埚12、侧加热器13、底加热器14、导流筒、水冷套16、坩埚支撑装置17、侧保温层18、底保温层19及保温层移动装置(未图示)；所述坩埚12、侧加热器13、底加热器14、侧保温层18、底保温层19及导流筒均位于所述炉体11内，炉体底部可设置有排气口；所述坩埚12用于承载硅料，所述侧加热器13位于所述坩埚12的周向外侧，且优选与所述坩埚12具有间距；所述底加热器14位于所述坩埚12的底部，且同样优选与所述坩埚12的底部具有间距，通过所述侧加热器13及底加热器14对所述坩埚12进行加热，以将所述坩埚12内的固态硅料加热熔融为硅熔液；所述导流筒自所述坩埚12的外侧延伸到所述硅料的上方，且所述导流筒与所述硅料具有间距，该间距即液口距，通过所述导流筒将惰性气体，比如将氩气由上而下导入到硅熔液上方，可以带走硅熔液上方的sio，并对单晶硅棒进行降温，增大其纵向温度梯度，使单晶快速生长；所述水冷套16经所述炉体11的顶部开口自所述炉体11外部延伸到所述炉体11内部，使用水冷套16可以加速晶棒的冷却，缩短晶棒的成长时间，提高拉晶效率；所述坩埚支撑装置17与所述坩埚12的底部相连接；所述侧保温层18位于所述侧加热器13及所述炉体11的内壁之间，且可以与所述炉体11的内壁相接触而与所述侧加热器13具有间距，所述底保温层19位于所述底加热器14的下方；所述保温层移动装置与所述底保温层19和/或侧保温层18相连接，用于驱动所述底保温层19和/或侧保温层18上下移动，以在单晶生长的不同阶段，通过改变所述底保温层19与所述侧保温层18之间的相对位置以改变热场下部温度，即所述保温层移动装置可以与所述底保温层19相连接，此时所述侧保温层18的位置固定不动，通过上下移动所述底保温层19的位置可以改变两者之间的间距；或者所述保温层移动装置可以与所述侧保温层18相连接，此时所述底保温层19的位置固定不动，通过上下移动所述侧保温层18的位置可以改变两者之间的间距；还可以是所述保温层移动装置既与所述底保温层19相连接，又与所述侧保温层18相连接(或者所述保温层移动装置可以是两个，分别与所述底保温层19和侧保温层18相连接以驱动对应的保温层上下移动)，通过上下移动所述底保温层19和侧保温层18的位置以改变两者之间的间距。本发明经改善的结构设计，将底保温层和侧保温层设置为各自独立且可移动方式，在单晶生长的不同阶段通过改变底保温层和侧保温层的相对位置以灵活控制热场下部温度，从而有助于控制晶棒内氧杂质含
量以提高晶棒生长质量，且有助于缩减热场冷却时间以增加单晶生产产能。
32.本实施例中，如图1至图3所示，所述侧保温层18沿纵向向下延伸，所述底保温层19位于所述侧保温层18的下方且所述底保温层19的横向尺寸大于所述侧保温层18的横向开口尺寸，即所述侧保温层18的底部并未弯折延伸到所述坩埚12的底部。在一示例中，所述侧加热器13可以为中空圆筒状，其环状侧壁为封闭结构，而所述坩埚12位于所述侧加热器13的内部；而在另一示例中，所述侧加热器13虽然同样为中空圆筒状，所述坩埚12位于所述侧加热器13的内部，但其环状侧壁并不是封闭的，而是由一个个条形柱状加热板沿其周向间隔分布而成；其横向开口是指沿炉体11的径向方向的开口。所述坩埚包括但不限于石英坩埚。
33.作为示例，所述单晶生长设备还包括坩埚驱动装置，所述坩埚驱动装置与所述坩埚支撑装置17相连接。所述坩埚驱动装置可自所述坩埚支撑装置17的底部，穿过所述底保温层19后延伸到所述炉体11外。所述坩埚驱动装置可以在单晶生长过程中根据需要驱动所述坩埚12旋转和/或上下移动。
34.作为示例，所述单晶生长设备还包括底加热器移动装置(未图示)，与所述底加热器14相连接，以在单晶生长的不同阶段，通过所述加热器移动装置改变所述底加热器14的位置(比如上下移动底加热器14)以改变热场下部温度。且底加热器14的位置移动可以和所述底保温层19的位置移动相配合，或者所述底加热器14可以位于所述底保温层19上，这种情况下底加热器移动装置和所述底保温层移动装置可以为同一移动装置，在单晶生长过程中，底加热器14配合底保温层19一起上下移动，可增加底保温层19可移动的范围，更易于下部热场的温度控制。当然，在其他示例中，所述底加热器移动装置与底保温层移动装置也可以为不同的移动装置，通过各自独立的控制移动以根据需要更加灵活地调整单晶生长过程中的热场下部温度。
35.在一示例中，所述导流筒的上部架设于所述侧保温层18的顶部，所述导流筒与惰性气体源相连通。
36.作为示例，所述侧保温层18和底保温层19均包括但不限于石墨层，所述侧加热器13及所述底加热器14均包括但不限于石墨加热器。
37.采用本实施例的单晶生长设备进行单晶生长的一示例性过程为：
38.在初始的化料阶段，如图1所示，底保温层19与侧保温层18紧密接触，两者之间无缝隙，此时热场保温效果最佳，可以快速化料，缩短化料周期；
39.在长晶阶段，如图2所示，通过所述保温层移动装置降低所述底保温层19，增加所述底保温层19与侧保温层18之间的间隙，两者之间的纵向间距为h1，其中，1mm《h1《50mm，由此可以降低下部热场温度，从而降低坩埚12内氧析出量，减少晶棒氧杂质含量，提高晶体的生长质量，且该过程中，可根据客户不同需求调整h1以生长氧含量可控的晶棒；
40.冷却阶段，如图3所示，抬高侧保温层18，增加侧保温层18与底保温层19之间的间隙，两者之间的纵向间距为h2，其中，1mm《h2《500mm，以增加底部散热，使得热场冷却效率大大提升，可以节约长晶周期，提高生产产能。
41.当然，上述单晶生长过程只是示例性的，实际的单晶生长过程中可以根据需要更加灵活地调整底保温层19和/或侧保温层18的位置，以根据单晶生长需要更加灵活地调整热场下部温度，以生长出所需的单晶硅棒。
42.本发明的单晶生长设备使用非常方便，有助于提高单晶生长品质、降低单晶生长成本。
43.实施例二
44.如图4至图6所示，本发明还提供另一种结构的带移动保温的单晶生长设备。本实施例的单晶生长设备与实施例一的区别在于，实施例一中，所述侧保温层18沿纵向向下延伸，所述底保温层19位于所述侧保温层18的下方且所述底保温层19的横向尺寸大于所述侧保温层18的横向开口尺寸，即所述侧保温层18的底部并未弯折延伸到所述坩埚12的底部；而本实施例中，所述侧保温层18的底部向所述坩埚12的底部方向弯折(侧保温层18的横截面为l型结构)，所述底保温层19位于所述侧保温层18的底部弯折部分的上方，且所述底保温层19的横向尺寸小于所述侧保温层18的弯折部分的横向开口尺寸(即当两者相接触时，所述底部保温层位于所述侧保温层18的底部弯折部分的表面)。除上述区别外，本实施例的单晶生长设备的其他结构均与实施例一相同，具体请参考实施例一，出于简洁的目的不赘述。
45.采用本实施例的单晶生长设备进行单晶生长的一示例性过程为：
46.在单晶生长的化料阶段，底保温层19与侧保温层18紧密配合，如图4所示，所述底部保温层位于所述侧保温层18的底部弯折部分的表面而实现两者之间的无缝接触，此时热场底部热量无散失，可保证快速化料；
47.长晶阶段，如图5所示，抬高所述底保温层19，增加底保温层19与侧保温层18之间的间隙，两者在纵向的间距为h3，较优地，1mm《h3《50mm；两者之间的横向间距为d1，较优地，5mm《d1《300mm，底部热量从d1和h3通道散失，从而调整下部热场温度，可以控制晶棒氧杂质含量；
48.冷却阶段，如图6所示，降低侧保温层18，增加侧保温层18与低保温层之间的缝隙，两者之间的纵向间距为h4，较优地，1mm《h4《500mm，可以增加底部散热，使得热场冷却效率大大提升，节约长晶周期，提高生产产能。
49.实施例三
50.本发明还提供一种单晶生长方法，该单晶生长方法包括在单晶生长的化料阶段，坩埚12周向上的侧保温层18与坩埚12底部的底保温层19无缝接触以实现密封保温；在长晶阶段，所述底保温层19与侧保温层18在纵向上具有第一间距以降低下部热场温度；在冷却阶段，所述底保温层19与侧保温层18在纵向上具有第二间距以增加底部散热。根据不同的工艺需要，第二间距可以大于第一间距，也可以是相等，还可以是第二间距小于第一间距，重要的是第一间距和第二间距可根据需要灵活调整。
51.具体地，在长晶阶段，通过提高所述侧保温层18的位置和/或降低所述底保温层19的位置以使所述底保温层19和侧保温层18具有第一间距；在冷却阶段，通过提高所述侧保温层18的位置和/或降低所述底保温层19的位置以使所述底保温层19和侧保温层18具有第二间距。
52.在一示例中，所述单晶生长方法可依实施例一所述的单晶设备进行，即在本实施例的单晶生长方法中，所述侧保温层18沿纵向向下延伸，所述底保温层19位于所述侧保温层18的下方且所述底保温层19的横向尺寸大于所述侧保温层18的横向开口尺寸，所述第一间距为h1，1mm《h1《50mm，更具体地，该示例中，通过降低所述底保温层19以使底保温层19和
侧保温层18在纵向上具有所述第一间距；作为示例，所述第二间距为h2，1mm《h2《500mm，更具体地，在该示例中，通过抬高侧保温层18(底保温层19保持前一阶段的位置)以使底保温层19和侧保温层18在纵向上具有所述第二间距。(对单晶生长设备的更详细介绍还请参考实施例一，出于简洁的目的不赘述。)
53.在另一示例中，所述单晶生长方法可依实施例二所述的单晶生长设备进行，即在本实施例的单晶生长方法中，所述侧保温层18的底部向所述坩埚12的底部方向弯折，所述底保温层19位于所述侧保温层18的底部弯折部分的上方，且所述底保温层19的横向尺寸小于所述侧保温层18的弯折部分的横向开口尺寸；所述第一间距为h3，较优地，1mm《h3《50mm，更具体地，在该示例中，通过抬高所述底保温层19以使底保温层19和侧保温层18在纵向上具有所述第一间距，所述第二间距为h4，较优地，1mm《h4《500mm；更具体地，在该示例中，通过降低侧保温层18以使底保温层19和侧保温层18在纵向上具有所述第二间距。(对单晶生长设备的更详细介绍还请参考实施例二，出于简洁的目的不赘述。)
54.作为示例，所述单晶生长方法还包括在单晶生长过程中改变坩埚底部的底加热器14的位置以改变下部热场温度，同时提高热场底保温移动的灵活性。即在单晶生长过程中，底加热器配合底保温层一起上下移动，可增加底保温层可移动的范围，更易于热场下部的温度控制。
55.综上所述，本发明提供一种带移动保温的单晶生长设备及单晶生长方法。所述单晶生长设备包括炉体、坩埚、侧加热器、底加热器、导流筒、水冷套、坩埚支撑装置、侧保温层、底保温层及保温层移动装置；所述坩埚、侧加热器、底加热器、侧保温层、底保温层及导流筒均位于所述炉体内；所述坩埚用于承载硅料，所述侧加热器位于所述坩埚的周向外侧，所述底加热器位于所述坩埚的底部，所述导流筒自所述坩埚的外侧延伸到所述硅料的上方，且所述导流筒与所述硅料具有间距；所述水冷套经所述炉体的顶部开口自所述炉体外部延伸到所述炉体内部；所述坩埚支撑装置与所述坩埚的底部相连接；所述侧保温层位于所述侧加热器及所述炉体的内壁之间，所述底保温层位于所述底加热器的下方；所述保温层移动装置与所述底保温层和/或侧保温层相连接，在单晶生长的不同阶段，通过所述保温层移动装置改变所述底保温层与所述侧保温层之间的相对位置以改变热场下部温度。本发明经改善的结构设计，将底保温层和侧保温层设置为各自独立且可移动方式，在单晶生长的不同阶段通过改变底保温层和侧保温层的相对位置以灵活控制热场下部温度，从而有助于控制晶棒内氧杂质含量以提高晶棒生长质量，且有助于缩减热场冷却时间以增加单晶生产产能。
56.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。