一种大直径单晶硅生产设备的制作方法

本发明涉及单晶硅生产技术领域，具体为一种大直径单晶硅生产设备。

背景技术：

单晶硅为一种半导体材料，一般用于制造集成电路和其他电子元件，单晶硅生长技术有两种:一种是区熔法，另一种是直拉法，其中直拉法使目前普遍采用的方法，直拉法生长单晶硅的方法如附图6所示:将高纯度的多晶硅原料放入石英坩埚5内，然后通过氩气输入口9通入氩气并利用真空泵形成低压，在此条件下对多晶硅进行加热熔化，同时利用吊绳7将有着特定生长方向的籽晶8与硅溶液接触，调整熔融硅溶液的温度，使其接近熔点温度，然后驱动吊绳7使籽晶8自上而下伸入熔融的硅溶液中并旋转，然后缓缓上提籽晶8，同时也可通过轴承座4带动石英坩埚5旋转与升降，此时，单晶硅进入锥体部分的生长，当锥体的直径接近目标直径时，提高籽晶的提升速度，使单晶硅体直径不再增大而进入晶体的中部生长阶段，在单晶硅体生长接近结束时，再提高籽晶的提升速度，单晶硅体逐渐脱离熔融硅，形成下锥体而结束生长，但此单晶炉存在一些不足，如下：

在拉取单晶硅时，利用籽晶8或者石英坩埚5的两者的反向旋转，实现固液分离，从而析出单晶硅体，但由于籽晶8由吊绳7悬挂，其转速只能够在一定范围内，随着单晶硅体的长度增加，吊绳7与单晶硅体的重心距离逐渐增加，如果转速过快，则容易造成单晶硅体摆动，导致单晶硅体析出变形，同时石英坩埚5的转速也不宜过大，一旦转速过大，容易破坏坩埚内的熔体热场，导致晶体提取失败，但是单晶硅体的直径与籽晶8和石英坩埚5的转速成正比，故而单晶硅体的直径受到极大限制，无法提取出较大的直径单晶硅体。

在单晶硅体生长时，坩埚的边缘与坩埚的中央存在温度差，有一定的温度梯度，使得生长出的单晶硅的边缘和中央存在温度差，该温度梯度随半径增大而呈指数变化，从而导致单晶硅体内部存在热应力，并且，单晶硅体离开固液界面后冷却时，晶体硅边缘冷却得快，中心冷却得慢，也加剧了热应力，一旦热应力超过了位错形成的临界压力，就容易形成新的位错，导致单晶硅体内部被破坏，造成质量下降，增加成本。

技术实现要素：

本发明提供了一种大直径单晶硅生产设备，具备单晶硅生产直径大，质量好的优点，解决了上述背景技术中的问题。

本发明提供如下技术方案：一种大直径单晶硅生产设备，包括固定箱、上炉腔和转向轮，所述固定箱内腔左部固定安装有保温筒一，所述保温筒一的内壁固定安装有加热元件，所述上炉腔的顶部两侧均固定安装有转向轮，所述固定箱的内腔中部固定安装有石英坩埚，所述石英坩埚的底部固定连通有输送管，所述输送管上固定套装有保温筒二，所述输送管的右端固定连接有生长箱，所述输送管与上炉腔固定连接，所述生长箱与上炉腔的内腔底部固定连接，所述上炉腔的顶部固定安装有升降装置，所述升降装置上缠绕有吊绳，所述吊绳包括右牵引绳、左牵引绳和中心牵引绳，所述上炉腔的内部且位于生长箱的上方活动卡接有驱动装置，所述右牵引绳与左牵引绳的底端均与驱动装置固定连接，所述中心牵引绳的底端且位于驱动装置的侧上方固定连接有悬挂加热板，所述石英坩埚的底部且位于石英坩埚的正上方固定安装有多晶硅储运装置，所述上炉腔的顶部左侧开设有气体出口，所述上炉腔的顶部右侧开设有氩气输入口，所述右牵引绳和左牵引绳分别与转向轮活动连接。

优选的，所述驱动装置包括悬挂板，所述悬挂板有两个且对称分布，两个所述悬挂板上均活动安装有旋转盘，两个所述旋转盘之间固定连接有籽晶，位于籽晶右侧的所述悬挂板上固定安装有电机，所述电机的活动轴左端固定连接有旋转盘，所述旋转盘与悬挂板活动连接，位于籽晶右侧的所述旋转盘上固定安装有大齿轮，所述电机与大齿轮啮合。

优选的，所述右牵引绳的顶端与小卷轮的最低点固定连接，所述左牵引绳的顶端与小卷轮的最顶点固定连接，所述右牵引绳的底端与位于籽晶右侧的悬挂板上表面固定连接，所述左牵引绳的底端与位于籽晶左侧的悬挂板上表面固定连接，两个所述悬挂板保持同一水平面上。

优选的，所述升降装置包括大卷轮和小卷轮，所述大卷轮的直径与小卷轮的直径之比为2：1，所述右牵引绳、左牵引绳和中心牵引绳的直径相同。

优选的，所述生长箱包括上升腔，所述上升腔上固定安装有循环腔，所述循环腔的两侧底部通过螺纹固定安装有除杂口，所述上升腔的中部开设有写向上的通道。

优选的，所述石英坩埚中的熔体液面高于生长箱中的熔体高度。

优选的，所述多晶硅储运装置的内部活动安装有螺旋输送器。

本发明具备以下有益效果：

1、通过生长箱和石英坩埚的设置，使得固体多晶硅的融化与单晶硅的提取分为两个地点，进而减少多晶硅融化时产生的不稳定热场对单晶硅提取的影响，同时硅溶液在输送过程中，不在进行加热，以此增加熔体分布的范围与高度，提高熔体内的轴向温度梯度，降低熔体其他处温度对生长界面处的影响，提高单晶硅体的生长速度。

2、通过驱动装置的设置，使得单晶硅的提取由竖向离心提取变为横向逐层提取，由固定长度的籽晶作为单晶硅体的轴心，一部分进入硅溶液中，旋转提取单晶硅，直到提取到所需直径的单晶硅即可停止，增加了单晶硅的直径，同时通过悬挂加热板的设置，对即将进入硅溶液的籽晶以及后续的单晶硅体进行适当加热，使其在硅溶液中，表层融化，与后续去的硅溶液融为一体，防止单晶硅出现断面。

附图说明

图1为本发明结构正视示意图；

图2为本发明结构生长箱侧视示意图；

图3为本发明结构驱动装置与悬挂加热板安装侧视示意图；

图4为本发明结构悬挂板与上炉腔安装示意图；

图5为本发明结构升降装置示意图；

图6为现有结构示意图。

图中：1、固定箱；2、保温筒一；3、加热元件；4、轴承座；5、石英坩埚；6、上炉腔；7、吊绳；71、右牵引绳；72、左牵引绳；73、中心牵引绳；8、籽晶；9、氩气输入口；10、气体出口；11、生长箱；111、上升腔；112、循环腔；113、除杂口；12、驱动装置；121、悬挂板；122、电机；123、齿轮轴；124、旋转盘；13、悬挂加热板；14、输送管；15、保温筒二；16、转向轮；17、升降装置；171、大卷轮；172、小卷轮；18、多晶硅储运装置。

具体实施方式

下面将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。

请参阅图1-6，一种大直径单晶硅生产设备，包括固定箱1、上炉腔6和转向轮16，固定箱1内腔左部固定安装有保温筒一2，保温筒一2的内壁固定安装有加热元件3，上炉腔6的顶部两侧均固定安装有转向轮16，固定箱1的内腔中部固定安装有石英坩埚5，石英坩埚5的底部固定连通有输送管14，输送管14上固定套装有保温筒二15，输送管14的右端固定连接有生长箱11，输送管14与上炉腔6固定连接，生长箱11与上炉腔6的内腔底部固定连接，上炉腔6的顶部固定安装有升降装置17，升降装置17上缠绕有吊绳7，吊绳7包括右牵引绳71、左牵引绳72和中心牵引绳73，上炉腔6的内部且位于生长箱11的上方活动卡接有驱动装置12，右牵引绳71与左牵引绳72的底端均与驱动装置12固定连接，中心牵引绳73的底端且位于驱动装置12的侧上方固定连接有悬挂加热板13，石英坩埚5的底部且位于石英坩埚5的正上方固定安装有多晶硅储运装置18，上炉腔6的顶部左侧开设有气体出口10，上炉腔6的顶部右侧开设有氩气输入口9，右牵引绳71和左牵引绳72分别与转向轮16活动连接。

其中，驱动装置12包括悬挂板121，悬挂板121有两个且对称分布，两个悬挂板121上均活动安装有旋转盘124，两个旋转盘124之间固定连接有籽晶8，位于籽晶8右侧的悬挂板121上固定安装有电机122，电机122的活动轴左端固定连接有旋转盘124，旋转盘124与悬挂板121活动连接，位于籽晶8右侧的旋转盘124上固定安装有大齿轮，电机122与大齿轮啮合，由电机122带动齿轮轴123转动，进而驱动旋转盘124带动籽晶8在熔融的硅溶液中转动，配合升降装置17使得单晶硅围绕籽晶8一圈圈的析出，直到达到所需直径的单晶硅，即可停止转动。

其中，右牵引绳71的顶端与小卷轮1左牵引绳72的最低点固定连接，左牵引绳72的顶端与小卷轮1左牵引绳72的最顶点固定连接，右牵引绳71的底端与位于籽晶8右侧的悬挂板121上表面固定连接，左牵引绳72的底端与位于籽晶8左侧的悬挂板121上表面固定连接，两个悬挂板121保持同一水平面上，当小卷轮1左牵引绳72转动收束右牵引绳71与左牵引绳72时，使得悬挂板121通过旋转盘124带动籽晶8水平上升，保证籽晶8提取的单晶硅体厚度均匀，保证单晶硅的质量。

其中，升降装置17包括大卷轮1右牵引绳71和小卷轮1左牵引绳72，大卷轮1右牵引绳71的直径与小卷轮1左牵引绳72的直径之比为2：1，右牵引绳71、左牵引绳72和中心牵引绳73的直径相同，当大卷轮1右牵引绳71与小卷轮1左牵引绳72同轴转动时，使得中心牵引绳73的上升速率是右牵引绳71的两倍，使得悬挂加热板13跟随籽晶8上升的同时，还能够相对籽晶8上升，使得悬挂加热板13依然能够与直径逐渐增加的单晶硅体保持间距，减少与单晶硅体的碰触，防止破坏单晶硅体的形态，提高单晶硅体的安全性。

其中，生长箱11包括上升腔111，上升腔111上固定安装有循环腔112，循环腔112的两侧底部通过螺纹固定安装有除杂口113，上升腔111的中部开设有写向上的通道，当硅溶液从石英坩埚5中通过输送管14输送进入上升腔111中，而后上升，由中部逐渐向两侧扩散，然后进入上升腔111与循环腔112之间，一些杂质在循环腔112中沉淀，并且硅溶液在上升腔111中上升时，会携带一部分循环腔112中的硅溶液从通道中重新上升，为单晶硅的拉取提供原料，同时，在原料输送过程中，不在进行加热，以此增加熔体分布的范围与高度，提高熔体内的轴向温度梯度，降低熔体其他处温度对生长界面处的影响，提高单晶硅体的生长速度。

其中，石英坩埚5中的熔体液面高于生长箱11中的熔体高度。

其中，多晶硅储运装置18的内部活动安装有螺旋输送器。

工作原理，准备阶段，将籽晶8装在两个旋转盘124之间，同时，将固体多晶硅装入多晶硅储运装置18，利用真空泵从气体出口10中持续抽气，同时从氩气输入口9中充入氩气，等待一段时间后，将固定箱1与上炉腔6的内部空气全部排除；初始阶段，利用多晶硅储运装置18的螺旋输送器将固体多晶硅送入石英坩埚5中，利用加热元件3对固体多晶硅进行加热并使其融化，并进入输送管14，进而传输进入上升腔111中，而后上升，到达上升腔111顶部后，由中部逐渐向两侧扩散，然后进入上升腔111与循环腔112之间，一些杂质在循环腔112中沉淀，并且硅溶液在上升腔111中上升时，会携带一部分循环腔112中的硅溶液从通道中重新上升，为单晶硅的拉取提供原料；旋转提取阶段，升降装置17通过下放吊绳7，此时悬挂加热板13对籽晶8的表面进行加热，使得籽晶8的表面达到接近熔点的温度，然后融利用电机122通过齿轮轴123带动旋转盘124缓慢旋转，将籽晶8放入硅溶液中，使得籽晶8的底部浸入硅溶液1-2mm，此时，单晶硅与籽晶8结合，由于籽晶8的旋转，单晶硅体逐渐逐层缠绕到籽晶8上形成单晶硅体，并通过升降装置17带动吊绳7缓慢上提驱动装置12，使得籽晶8与后续中的单晶硅体浸入硅溶液的深度保持恒定，保证单晶硅每层析出的厚度均匀。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

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