一种直拉法单晶炉及其熔体温度梯度控制方法与流程

本发明涉及单晶硅生产技术领域，具体地说，涉及一种直拉法单晶炉及其熔体温度梯度控制方法。

背景技术：

近年来硅单晶的生长技术发展迅速，更低成本更高品质的单晶硅推动了晶硅电池走向平价发电时代。

单晶硅电池的转换效率与单晶硅的少数载流子寿命密切相关，它不仅要求原生单晶硅的少子寿命高，而且要保证在电池制作过程中，特别是电池制作的热过程中少子寿命不会大幅降低。单晶硅在拉制过程中从石英坩埚中引入了氧，这些硅中过饱和的氧在单晶炉内冷却过程中就已经聚集，并且在电池制作过程的热退火时，间隙氧进一步聚集成团，并引起少子寿命的大幅降低，因此，硅中氧含量越高，电池的转换效率越低，氧含量大到一定程度甚至引起电池的黑心低效，对电池产生严重危害。

硅中氧来源于石英坩埚，高温下液态硅料腐蚀石英坩埚内壁，坩埚中的氧进入熔体，并随熔体的流动进入整个坩埚中，绝大部分的氧(>95％)以sio的气体的方式从液面挥发进入保护气中，少量的氧通过分凝而进入硅晶体中，决定硅中氧含量高低的是生长界面附近硅熔体中氧含量的大小，生长界面远离坩埚壁，生长界面附近熔体中的氧来源二种途径，一种是通过扩散，氧从高浓度区域进入到生长界面附近，一种是通过热对流使坩埚壁附近高浓度氧的熔体通过传输进入到生长界面附近，晶体中氧含量的控制主要是控制熔体中纵向温度梯度，从而控制熔体热对流的大小，控制石英坩埚壁附近的富含氧的熔体快速传输至晶体生长区域，以达到控氧的目的。坩埚内的熔体的受毛细对流、热对流、和强迫对流的影响，不同的区域流动的状况不同，对氧含量的影响也不同，靠近主加热器的坩埚内壁的富含氧的熔体，在热对流的作用下，沿坩埚壁向上流动，至熔体表面后，在毛细对流的作用下，快速流动至整个表面，绝大部分氧以sio的形式挥发至气相中，并随保护气流被真空泵吸走，坩埚底部的富含氧熔体，在热对流的作用下，流动至生长界面，一部分熔体结晶成单晶，一部分熔体在晶转的作用下沿生长界面从中心流向边缘，到达自由表面后在保护气冷却后密度增大，随热对流从上向下流动。生长界面正下方，坩埚底的熔体的热对流强烈地受坩埚底部温度的影响，并且坩埚底部的温度高低直接决定了熔体与坩埚壁的反应速度和溶出的氧的浓度，因此，坩埚底部的温度直接决定了硅中氧含量的高低，极端的情况在确保坩埚底部不结晶的情况下，尽可能保持坩埚底部温度最低时，坩埚底部附近处于负的温度梯度，这样就能显著降低热对流甚至不对流，坩埚底附近的富含氧的熔体不能进入到生长界面附近，氧主要来源于附近扩散，晶体生长的固液面下方成为一个相对封闭的区域，由此可获得极低氧含量的单晶，降氧的效果甚至超过超导磁场拉晶的效果。

综上所述，坩埚底部的温度直接决定了硅中氧含量的高低，并影响生长界面附近的温度梯度进而影响单晶的生长速度，因此，直接测量和控制坩埚底部的温度对硅单晶来说显得尤为重要，尽可能低的控制坩埚底部温度可以获得更低成本更高品质的单晶硅。

目前，拉晶普遍采用快速拉晶技术，矮热场控氧技术，单晶生长界面上方有水冷热屏，生长后的单晶能快速进入水冷热屏中冷却，加热器的发热区高度明显低于石英坩埚的高度，满装料时坩埚底部移出加热器的发热区，在一个合适的加热功率下，拉晶过程中熔体内温度随熔体深度的变化如图1中的实线曲线所示，此时，熔体表面是单晶生长固-液界面处，温度为硅的熔点1450℃，纵向随熔体深度增加，温度越来越高，到达一个最高温度后，温度开始下降，至坩埚底温度又达到一个相对低的温度，这样的温度分布，既保证了在生长界面之下有一个正的温度梯度，以保持单晶的稳定生长，同时在坩埚下部至坩埚底是一个负的温度梯度，坩埚底部的富含氧的熔体不能进行热对流而流动至生长液面附近，坩埚底处于较低的温度，熔硅与石英坩埚内表面的sio2反应速度降低，溶出的氧也更低，由此可以获得低氧含量的单晶硅。与普通热场相比，矮热场的设计，同时也降低了单晶生长界面下方的熔体的温度梯度，使得熔体中向固-液界面传导的热量也降低，有利于拉速的提升，拉晶的非硅成本也由此变得更低。

降低加热器的加热功率，由电源获得的总能量不足以弥补热量的损失，熔体的温度降低，由于熔体的表面仍维持等径生长，表面温度仍维持硅的熔点温度，熔体内的温度随熔体深度的变化变为图1中的虚线曲线2所示。与实线曲线相比，生长界面下方，熔体的温度梯度更低，生长速度加快，由于降低加热器功率并不影响通过仔晶的热量传导，单晶中心的生长速度变化不大，因此，生长界面变得更凹。更低的温度和更快的生长速度导致单晶变形，棱线开叉变形转换为小平面，甚至扭曲，后续的方棒机加工困难，成品率下降。更为严重的是伴随着熔体的整体温度降低，坩埚底的温度也大幅降低，当坩埚底的温度降至熔点以下时，坩埚底的硅熔体会结晶，由于硅晶体的质量密度比熔体低，这些晶体一旦脱离坩埚底部的粘附，就会在浮力的作用下上浮至生长界面，熔体就会在这个新的核心上继续生长，单晶体就变成多晶体，失去无位错生长，长晶失败。

增加加热器的加热功率，由电源获得的总能量明显多于整个热场的热量损失，整个熔体的温度也随之上升，由于熔体的表面仍维持等径生长，表面温度仍维持硅的熔点温度，熔体内的温度随熔体深度的变化变为图1中的虚线曲线1所示。与实线曲线相比，生长界面下方，熔体的温度梯度升高，生长速度降低，生长界面变得更平，单晶外形变得更圆，棱线变得更细，温度梯度变大，热对流变得更活跃，这时任意的热冲击或温度波动，将会打破热对流的稳定，失去无位错生长引起断线，单晶生长失败。与之对应的是伴随着熔体的整体温度升高，坩埚底的温度也大幅升高，单晶硅中的氧含量也大幅上升，单晶硅的品质大幅下降。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种直拉法单晶炉及其熔体温度梯度控制方法，可以得到高品质的单晶硅。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的直拉法单晶炉包括炉体，所述炉体内设置有坩埚和加热器，所述坩埚包括用于盛装熔体的石英坩埚和包裹在所述石英坩埚外的石墨坩埚，加热器设置在石墨坩埚的外侧，所述石墨坩埚的底部设有坩埚轴和测温装置，所述测温装置穿过所述坩埚轴中心并插入所述石墨坩埚的底部，测温装置的底部引出有与数据处理器连接的信号数据线。

上述技术方案中，通过在石墨坩埚的底部设置测温装置，用于测量石英坩埚底部的温度，实时获得在拉晶过程中石英坩埚底部的温度变化，从而调整加热器的功率。

在一定的热场和坩埚装料量后，加热器在一个合适的加热功率直拉法单晶炉时，熔体保持一个合适的温度分布，由此能获得低成本低氧含量的高品质硅单晶，这个合适的加热功率与石英坩埚底的温度密切相关。在单晶生长的每个阶段，对应的石英坩埚内的熔硅质量或拉晶长度，单晶生长从头到尾，将每阶段的最佳加热功率和坩埚底的温度作图就得到拉晶过程中的最佳加热功率和坩埚底的温度的最佳控制曲线，实时测量和控制坩埚底的温度就能获得低成本高品质的硅单晶。由于石英坩埚底温度更能直观反映硅中间隙氧含量的高低，所以，测量和控制石英坩埚底温度更显而易见。

可选地，在一个实施例中，所述的坩埚轴的中心设有用于安装所述测温装置的空腔。

可选地，在一个实施例中，所述的坩埚轴的空腔内设有用于安装所述测温装置的轴承。

由此，整个测温装置固定于坩埚底部随坩埚一起升降，但不随其旋转。整个测温装置从石墨坩埚轴中心插入并从坩埚轴最底部穿出。整体结构不影响坩埚轴的升降和旋转。

可选地，在一个实施例中，所述的加热器的底部设有电极脚，加热器外设置有保温层。

可选地，在一个实施例中，所述的坩埚轴的内部设有冷却水回流腔，坩埚轴的底部设有冷却水进水口和冷却水回水口。

可选地，在一个实施例中，所述的测温装置的温度探头距离所述石英坩埚的底部5～10mm。

石墨坩埚底部从下方打孔至石英坩埚距离5～10mm，将加热装置的温度探头置于距离石英坩埚底部距离与石墨坩埚壁厚度差不多的位置，既保证的装置的正常运行，又能有效的测得石英坩埚底部的温度。

第二方面，本发明提供的直拉法单晶炉的熔体温度梯度控制方法，包括以下步骤：

1)实时测量和记录坩埚底的温度，并将相关数据储存于数据库中；

2)进行坩埚底温度最佳控制线评估；

3)根据评估打分结果，挑选出3～5炉评分最高的单晶生长数据，统计出从稳温、熔接、引晶、放肩、等径生长、到收尾全过程的坩埚底温度曲线数据，求出均值后得到拉晶过程的坩埚底的温度最佳控制曲线；

4)以步骤3)得到的坩埚底的温度最佳控制曲线上拉晶各阶段坩埚底的最佳温度为后续拉晶坩埚底温度的设定值sp；

5)实时测得的坩埚底温度为实际值t，并调整加热器功率，以保证坩埚底温度围绕设定值运行，直至拉晶过程结束。

步骤2)中，评估方法包括：

a.经济运行，包括引放次数、生长速度、单产；

b.单晶棒外形质量，包括单晶轴向直径差异、单晶径向直径差异、成晶合格率；

c.单晶品质数据，包括间隙氧含量、头尾氧含量、整棒氧含量均值。

步骤5)中，调整加热器功率的方法为：

当坩埚底温度的实际值高于设定值，并且持续升温时，降低加热功率；当坩埚底温度的实际值低于设定值，并且持续降温时，增加加热功率；其它条件下保持功率不变。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

通过本发明的直拉法单晶炉及其熔体温度梯度控制方法可以得到高品质的单晶硅。整个装置结构简单，易于操作，大大提高了拉晶效率和拉晶质量。

附图说明

图1为背景技术中不同加热功率时坩埚内熔体的温度纵向分布示意图；

图2为本发明实施例中直拉法单晶炉的结构示意图；

图3为本发明实施例中坩埚轴的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

参见图2和图3，本实施例的直拉法单晶炉包括炉体100，以及设置在炉体100内的：

坩埚，包括石英坩埚200和包裹在石英坩埚200外的石墨坩埚300，石墨坩埚300的底部设有坩埚轴301；

加热器400，设置在石墨坩埚300的外侧；加热器400的外侧设置有保温层401，加热器400的底部设有电极脚402；

测温装置，本实施例的测温装置为热电偶500，安装在石墨坩埚300的底部，并穿过坩埚轴301设置，热电偶500的顶部温度探头距离石英坩埚200的底部5～10mm；在热电偶500的底部引出有连接至数据处理器的信号数据线。

本实施例中，坩埚轴301的中心设有空腔，在空腔内设有用于安装热电偶500的轴承。坩埚轴301内设有冷却水回流腔，坩埚轴301的底部设有冷却水进水口3011和冷却水回水口3012。

将热电偶500的温度探头置于距离石英坩埚200底部，整个热电偶500从坩埚轴301中心插入并从坩埚轴301最底部穿出，信号数据线从下方引出，并与数据处理器连接，整个热电偶500固定于坩埚轴301内并随坩埚轴一起升降，坩埚轴301外围由旋转电机带动可以自由旋转，整体不影响坩埚轴301的升降和旋转功能。热电偶500不随坩埚轴301旋转，拉晶过程中实时测量和纪录石英坩埚底温度，并将相关数据储存于数据库，随时可以调用各拉晶过程中坩埚底的温度数据。

对于稳定运行的炉台，热场(加热器，上、中、下、底保温层，热屏)、工艺无大的变动时，坩埚底的温度决定了加热器功率的大小和熔体中的温度梯度，控制了坩埚底的温度等于控制了熔体的温度梯度，对单晶的成本和品质有决定的影响。坩埚底的温度控制方法在不同的情形下有不同的处理方式。

1.稳定运行炉台

1.1在坩埚轴中心轴位置设置热电偶，温度探头置于石英坩埚底部。

1.2实时测量和纪录坩埚底温度，并将相关数据储存于数据库。

1.3坩埚底温度最佳控制线评估。评估可从a.经济运行，包括且不限于引放次数，生长速度，单产等。b.单晶棒外形质量,包括且不限于，单晶轴向直径差异，单晶径向直径差异，成晶合格率等。c.单晶品质数据，主要为间隙氧含量，头尾氧含量，整棒氧含量均值等。评估剔除在收尾前已经断线的数据，以保证单晶生长为第一要素。评分示例如表1所示。

表1.坩埚底温度最佳控制评分表

注：总分等于各分项得分相乘。满分1000分。

1.4根据评估打分结果，挑选出3-5炉评分最高的单晶生长数据，统计出贯穿从稳温、熔接、引晶、放肩、转肩、等径生长、收尾全过程的坩埚底的温度曲线数据，求出均值后得到拉晶过程的坩埚底的温度的最佳控制曲线。

1.5以1.4得出的坩埚底最佳温度控制曲线上，拉晶各阶段坩埚底的最佳温度为后续拉晶坩埚底温度的设定值sp，实时测得的坩埚底温度为实际值t，并调整加热器功率，以保证坩埚底温度围绕设定值运行，直至拉晶过程结束。也就是说当坩埚底的实际温度高于设定值，并且持续升温时，降低加热功率，当坩埚底的实际温度低于设定值，并且持续降温时，增加加热功率，其它条件下保持功率不变，由此保持坩埚底温度围绕设定值波动。

1.6重复1.4-1.5的步骤，保证拉晶过程的最优化，获得更低成本更高品质的硅单晶。

2.工艺调试炉台

新增炉台，重大工艺变更，如新热场，新材料，新产品等无参考数据的情形下，按如下步骤进行工艺调试，直至获得最佳控制温度曲线。

2.1设置坩埚底温度测试与控制系统，实时测量、纪录、储存坩埚底温度数据，按传统工艺进行工艺调试。

一般来说，熟练的拉晶工或工艺调试人员，都能准确判断出熔接、引晶、放肩、转肩等阶段熔体表面温度的偏高偏低，并适宜调整加热功率至熔体的表面温度到一个合适的值。

2.2进入温度自动控制阶段，传统控制方法，都进行一个温度补偿，主要根据设定拉速sv和实际拉速v的相对高低来决定，实际拉速大于设定拉速时，表明熔体表面温度偏低，加大加热器功率，直至实际拉速降至设定拉速以下。反之，当实际拉速低于设定拉速时，降低加热器功率，直至实际拉速高于设定拉速。

2.3因设定拉速不一定合理，为加强温度补偿的合理性，增加坩埚底温度的判断，以加快工艺的调整，当实际拉速低于设定拉速(v<sv)，并且温度持续上升时(t2>t1)，降低加热功率，当实际拉速高于设定拉速时，且坩埚底温度持续下降时(t2<t1)，增加加热功率，以免坩埚底温度降幅太大，形成结晶，其它情形维持加热功率不变。

2.4顺利拉出第一根整棒单晶后，以此单晶棒拉晶过程的坩埚底温度曲线为设定温度值，实时测得的坩埚底温度为实际值，并按前述1.5的方案调整加热器功率，以保证坩埚底温度围绕设定值运行，直至拉出第二根单晶拉制。

2.5重复2.4的步骤，拉出第三根、第四根、第五根单晶。

2.6当完整拉出五根单晶后，炉台结束工艺调整，进入稳定运行阶段。坩埚底温度的控制方法按稳定运行炉台的方式执行。

3.热场设计的优化

稳定运行的炉台经过足够时间的运行后，坩埚底温度控制曲线不断优化后，这个曲线也变得相对稳定，单晶的成本和品质也进入到一个瓶颈期，提升的空间变得有限。为此，必须对热场进一步优化，以拓展单晶成本和品质的提升空间，改进的方法如下：

3.1坩埚底控制温度远高于硅的熔点，且硅中的间隙氧含量偏高时，可以降低加热器主发热区的高度，或者增加坩埚的高度，提高投料量，这样坩埚底更远离发热区，氧含量降低，成本降低。

3.2坩埚底的控制温度偏低，时有坩埚底结晶，不明原因断线，可以增加底部或下部侧面保温，具体可以增加保温毡层数，或使用导热系数更小的保温材料。

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