一种单晶硅制造设备及其制备工艺

技术领域

本发明涉及单晶硅制造技术领域，具体为一种单晶硅制造设备及其制备工艺。

背景技术

单晶硅通常指的是硅原子以一种排列形式形成的物质，是硅料经加热熔化，待温度合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、最后等径而成，硅是最常见应用最广的半导体材料，当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成晶核，其晶核长成晶面取向相同的晶粒，形成单晶硅。

但是，石墨坩埚导热性能优越，所以靠近坩埚壁的温度较中心温度更高，单晶硅在坩埚内加热时，靠近坩埚内壁的材料因而与坩埚内壁直接接触会首先进行加热，且分解速度较快，但坩埚中心的材料融化速度，会慢与内壁位置的材料，但此种加热差值，会直接影响材料出品质量问题；因此，不满足现有的需求，对此我们提出了一种单晶硅制造设备及其制备工艺。

发明内容

本发明提供了一种单晶硅制造设备及其制备工艺，具备了坩埚内部材料均匀加热的有益效果，解决了上述背景技术中所提到的石墨坩埚导热性能优越，所以靠近坩埚壁的温度较中心温度更高，单晶硅在坩埚内加热时，靠近坩埚内壁的材料因而与坩埚内壁直接接触会首先进行加热，且分解速度较快，但坩埚中心的材料融化速度，会慢与内壁位置的材料，但此种加热差值，会直接影响材料出品质量问题的问题。

本发明提供如下技术方案：一种单晶硅制造设备及其制备工艺，其中一种单晶硅制造设备，包括罐体和罐体内的磁力支撑结构，所述磁力支撑结构的内部安装有加热罐体，所述加热罐体包括坩埚、导热底盘、导热凸环、安装底座、平面加热线圈、内环壳体和垂直电磁线圈，所述坩埚的下端安装有导热底盘，所述导热底盘的上表面设有导热凸环，所述导热底盘的下端安装有位于罐体底面的安装底座，所述安装底座的上端安装有平面加热线圈，所述坩埚的外侧安装有位于坩埚内壁的内环壳体，所述内环壳体的内部安装有垂直电磁线圈，所述坩埚为石墨材质，所述坩埚与导热底盘材质一致。

作为本发明所述单晶硅制造设备的一种可选方案，其中：所述加热罐体还包括支撑架、储热内环和吸热环，所述坩埚位于支撑架的内部，所述坩埚的内壁设有储热内环，所述储热内环的内部安装有吸热环。

作为本发明所述单晶硅制造设备的一种可选方案，其中：所述内环壳体的外侧与坩埚的外表面之间安装有隔温保护结构，所述隔温保护结构包括外环、内环和支撑环片，所述外环的一侧安装有内环，所述外环与内环之间设有空腔，所述空腔的内部设有两个支撑环片，两个所述支撑环片分别设置于外环与内环的外表面，所述支撑环片的一端设有锥角，所述锥角用于支撑空腔内部以及减少支撑环片与外环和内环的接触面积。

作为本发明所述单晶硅制造设备的一种可选方案，其中：所述磁力支撑结构包括侧边支臂、磁吸架、第一铁芯和第一线圈，所述侧边支臂的下端设有支撑轴，所述侧边支臂呈环形阵列设置于支撑轴上端，所述侧边支臂的上端安装有磁吸架，所述磁吸架的内侧安装有第一铁芯，所述第一铁芯的外侧安装有第一线圈，所述加热罐体的外侧环形阵列有磁吸体，所述磁吸体的一侧设有外槽，所述加热罐体用于摆放在四个侧边支臂的轴心位置，且四个磁吸体用于与四个磁吸架处于同一位置。

作为本发明所述单晶硅制造设备的一种可选方案，其中：所述加热罐体的下端安装有底座支撑结构，所述底座支撑结构包括支撑壳体、第二线圈、第二铁芯和底部配合环，所述支撑架的下端安装有支撑壳体，所述支撑壳体的内部安装有第二铁芯，所述第二铁芯的外侧安装有第二铁芯，所述支撑轴的上端安装有底部配合环，所述底部配合环内部结构与支撑壳体一致，所述第二线圈与底部配合环为同性磁力相斥状态。

作为本发明所述单晶硅制造设备的一种可选方案，其中：所述支撑架的下端还设有定位结构，所述定位结构包括插接轴、限位条、定位孔和限位边槽，所述插接轴的外侧设有限位条，所述支撑轴的顶端设有定位孔，所述定位孔的内壁设有限位边槽，所述插接轴用于插接在定位孔内，所述限位条用于卡合在限位边槽内。

作为本发明所述单晶硅制造设备的一种可选方案，其中：所述支撑架的下端对称设有连接管，所述连接管的下端安装有导线，其中两个所述侧边支臂的内部均安装有转动导电结构，所述转动导电结构包括限位壳体、导电底销、导电杆和连接导电片，所述限位壳体位于侧边支臂的下表面，所述限位壳体的内部安装有导电底销，所述导电底销的内部活动连接有导电杆，所述导电杆的上端设有连接导电片，所述导线的下端用于与连接导电片电性连接。

作为本发明所述单晶硅制造设备的一种可选方案，其中：所述罐体的下端设有底座，所述底座的上端安装有外接电结构，所述外接电结构包括第一连接环、第二连接环、滑槽和连接线路，所述底座的上端安装有第一连接环，所述第一连接环的内部还安装有位于罐体上端的第二连接环，所述第一连接环与第二连接环的上表面均设有滑槽，所述底座的内部设有两个连接线路，两个所述连接线路均分别与第一连接环与第二连接环的下表面电性连接，所述导电底销的下表面用于贴合在滑槽的上表面，所述导电底销的下端安装有导电滚轮，所述导电滚轮用于滚动贴合在滑槽的上表面，所述导电杆的外侧安装有弹簧，所述磁力支撑结构还包括驱动齿轮和驱动电机，所述支撑轴的底端设有驱动齿轮，所述驱动齿轮的一侧安装有驱动电机。

本发明还提供一种单晶硅制造设备的制备工艺，包括如下步骤：

S1、原料酸洗：经过石头加工成硅原料，在进行酸洗步骤，将硅外表面杂质洗净；

S2、熔料：将洗净后的硅原料，放入坩埚内加热至一千四百度，使硅原料呈液态；

S3、拉晶：硅原料融化后，坩埚缓慢转动，将籽晶从上面下落，并悬停至坩埚中心位置，并与融化后的硅原料液面接触，同时籽晶呈反向转动，再向上拉引，坩埚下面同时在电加热，液面上加冷，籽晶点到液面上就会出现光点，慢慢旋转，向上拉引，放肩转肩，拉棒最后形成单晶棒；

S4、切方：在对单晶棒进行切方，切掉单晶棒四个角，做成有倒角的正方形，在切片，最后形成单晶硅。

作为本发明所述的一种单晶硅制备工艺的一种可选技术方案，所述S2熔料包括以下步骤：

S21、均匀加热：通过平面加热线圈对导热底盘内部进行加热，加热的同时再由导热凸环传递至坩埚内部，通过导热凸环以及垂直电磁线圈的电磁加热，双重加热结构，可同时对坩埚进行加热，使坩埚的轴心位置的硅材料，更快实现加热融化以及均匀送热；

S22、罐体的支撑：加热的同时，支撑架的整体通过磁力支撑结构内部产生的电磁吸附效果，使磁吸架对磁吸体形成吸引，四个磁吸体和磁吸架同时工作，形成四向牵引效果，对加热罐体形成固定状态，使加热罐体悬停在磁力支撑结构内部之中；

S23、温度隔离：通过外环与内环形成的中空结构，极大程度减少了坩埚内部热量对垂直电磁线圈产生的干涉，并且底部配合环与第二线圈为电磁相斥状态，对加热罐体的下方起到支撑作用，经过磁力支撑结构对加热罐体的牵引以及底座支撑结构内部对加热罐体的下方提供支撑效果，使加热罐体悬停在磁力支撑结构内部，并无接触区域，大幅度降低加热罐体向外温度的传递状况，磁力支撑结构与加热罐体和隔温保护结构的配合使用，使坩埚内部的高热温度隔绝在内。

本发明具备以下有益效果：

1、该一种单晶硅制造设备及其制备工艺，所述吸热环能够吸收坩埚内部所产生的热量，使垂直电磁线圈在停止运转时，吸热环内部的热量会传递在坩埚内部之中，使坩埚内部始终处于高温状态，便于后序的材料在放入时，使之快速升温至材料的融化温度区间，从而使材料迅速达到融化状态，并加速了材料预热效果，并且减少了垂直电磁线圈初始加热时的电力耗费，具备了节能效果。

2、该一种单晶硅制造设备及其制备工艺，而隔温保护结构能够实现温度隔离、保温的效果，能够保护坩埚内部高温向外蔓延，并减少了温度的流失，与加热罐体配合，可起到隔绝温度的流失以及减少长久锁温的效果，使坩埚内部始终保持在合适高温工作状态下使用。

3、该一种单晶硅制造设备及其制备工艺，通过磁力支撑结构与底座支撑结构的配合，采用磁力的牵引以及斥力作用，对加热罐体的侧边以及下方实现牵引支撑，对加热罐体固定的同时，减少其与外部结构的接触，实现无接触安装方式对加热罐体进行固定，直接隔绝了加热罐体内部温度向外部结构的传递，同时保证加热罐体使其在拉晶操作时，能够随着磁力支撑结构的转动而进行转动，完成拉晶操作，从而实现装置的支撑以及安装效果的同时，具备热量隔绝功能。

附图说明

图1为本发明整体的结构示意图。

图2为本发明加热罐体内部结构示意图。

图3为本发明图2的A处局部结构示意图。

图4为本发明磁力支撑结构示意图。

图5为本发明底座支撑结构示意图。

图6为本发明外接电结构与定位结构示意图。

图7为本发明图1的B处局部示意图。

图中：1、罐体；2、磁力支撑结构；21、侧边支臂；22、磁吸架；23、第一铁芯；24、第一线圈；25、支撑轴；26、驱动齿轮；27、驱动电机；28、磁吸体；29、外槽；3、加热罐体；31、支撑架；32、坩埚；33、储热内环；34、吸热环；35、导热底盘；36、导热凸环；37、安装底座；38、平面加热线圈；39、内环壳体；40、垂直电磁线圈；4、隔温保护结构；41、外环；42、内环；43、支撑环片；44、锥角；5、底座支撑结构；51、支撑壳体；52、第二线圈；53、第二铁芯；54、底部配合环；6、转动导电结构；61、限位壳体；62、导电底销；63、导电滚轮；64、导电杆；65、连接导电片；66、弹簧；7、外接电结构；71、第一连接环；72、第二连接环；73、滑槽；74、连接线路；8、定位结构；81、插接轴；82、限位条；83、定位孔；84、限位边槽；9、连接管；10、导线；11、底座。

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。

实施例一

请参阅图1-图7，且公开了一种单晶硅制造设备，包括罐体1和罐体1内的磁力支撑结构2，磁力支撑结构2的内部安装有加热罐体3，加热罐体3包括坩埚32、导热底盘35、导热凸环36、安装底座37、平面加热线圈38、内环壳体39和垂直电磁线圈40，坩埚32的下端安装有导热底盘35，导热底盘35的上表面设有导热凸环36，导热底盘35的下端安装有位于罐体1底面的安装底座37，安装底座37的上端安装有平面加热线圈38，坩埚32的外侧安装有位于坩埚32内壁的内环壳体39，内环壳体39的内部安装有垂直电磁线圈40，坩埚32为石墨材质，坩埚32与导热底盘35材质一致。

通过平面加热线圈38的电感加热，对坩埚32的底部进行加热，并且热量可经过导热底盘35同时传递至坩埚32的底部，再由导热凸环36将热量传递高度进一步向上递增，延伸热量的传递高度，从而实现电感以及导体加热，对坩埚32内部原材料进行加热，同时垂直电磁线圈40对坩埚32内部实现电磁加热，经过两种加热区域的重合加热效果，由底部和侧边位置同时朝向坩埚32的内部输送温度，对坩埚32内部的原材料底部和侧边同时进行加热，使热量均匀送入原材料之中的内部，从而实现了坩埚32内部材料的中心位置的材料加热功能，使坩埚32内部材料整体温度达到同一加热效果。

实施例二

本实施例是在实施例1的基础上做出的改进，具体的，请参阅图1-图7，加热罐体3还包括支撑架31、储热内环33和吸热环34，坩埚32位于支撑架31的内部，坩埚32的内壁设有储热内环33，储热内环33的内部安装有吸热环34；

内环壳体39的外侧与坩埚32的外表面之间安装有隔温保护结构4，隔温保护结构4包括外环41、内环42和支撑环片43，外环41的一侧安装有内环42，外环41与内环42之间设有空腔，空腔的内部设有两个支撑环片43，两个支撑环片43分别设置于外环41与内环42的外表面，支撑环片43的一端设有锥角44，锥角44用于支撑空腔内部以及减少支撑环片43与外环41和内环42的接触面积。

坩埚32内部温度较大，容易影响外部结构的使用，装置缺少保护结构，需要将内部温度隔离在坩埚32内，并阻止温度的流失，使材料在完成加工之后，避免温度流失，缺少预热步骤，影响材料的溶化；

当坩埚32内部融化材料时，通过储热内环33与材料的接触，将坩埚32内部的温度传递至吸热环34的内部，而吸热环34为金刚石材质，拥有较好的导热性能，能够将储热内环33传递的热量进行吸收，并存储在其中，当材料加工完之后排出，坩埚32内部热量迅速降低，通过吸热环34将自身存储的热量传递至坩埚32内部，使坩埚32内部温度保持在高温状态下，从而实现对坩埚32内部热量的吸收，避免坩埚32内部材料排出后，出现低温状况，影响下次加工；

而坩埚32在工作时，内部的高温经过传递导出则容易影响外部结构的使用，以及导致温度的流失，影响使用；

通过外环41与内环42之间采用支撑环片43作为支撑结构，减少接触面积，从而减少了热量的传递效果，并且在减少外环41与内环42接触面积的同时，还能提供支撑效果，而支撑环片43的一端设有锥角44，锥角44呈锥角与外环41和内环42的内壁接触，通过此结构，可进一步减少支撑环片43与外环41和内环42的接触面积，从而大幅度减少了热量的传递。

实施例三

本实施例是在实施例2的基础上做出的改进，具体的，请参阅图1-图7，磁力支撑结构2包括侧边支臂21、磁吸架22、第一铁芯23和第一线圈24，侧边支臂21的下端设有支撑轴25，侧边支臂21呈环形阵列设置于支撑轴25上端，侧边支臂21的上端安装有磁吸架22，磁吸架22的内侧安装有第一铁芯23，第一铁芯23的外侧安装有第一线圈24，加热罐体3的外侧环形阵列有磁吸体28，磁吸体28的一侧设有外槽29，加热罐体3用于摆放在四个侧边支臂21的轴心位置，且四个磁吸体28用于与四个磁吸架22处于同一位置；

加热罐体3的下端安装有底座支撑结构5，底座支撑结构5包括支撑壳体51、第二线圈52、第二铁芯53和底部配合环54，支撑架31的下端安装有支撑壳体51，支撑壳体51的内部安装有第二铁芯53，第二铁芯53的外侧安装有第二铁芯53，支撑轴25的上端安装有底部配合环54，底部配合环54内部结构与支撑壳体51一致，第二线圈52与底部配合环54为同性磁力相斥状态。

加热罐体3固定方式始终与其他结构为连接状态，难免会造成温度的传导，而加热罐体3本体温度较高，与其他结构连接后传递的温度也会较大，则会对其他结构造成影响；

第一线圈24与第一铁芯23形成电磁效应，通过磁吸架22形成磁力，并对磁吸体28实现吸引状态，同时四个磁吸架22对四个磁吸体28同时实现磁吸效果，直接对加热罐体3的四个方向提供磁吸牵引效果，并起到固定效果，而加热罐体3的底部与支撑轴25的顶端之间安装有底座支撑结构5，第二线圈52与底部配合环54之间为同性相斥状态，形成弹性效果，将第二线圈52向上顶起，从而带动加热罐体3升起，从而使加热罐体3具备了悬浮固定效果，并且加热罐体3可随着磁力支撑结构2的转动一并转动，可与隔温保护结构4配合，切断与加热罐体3与外部支撑结构的直接接触，直接隔绝温度传递，直接将温度隔离在加热罐体3内。

实施例四

本实施例是在实施例3的基础上做出的改进，具体的，请参阅图1-图7，支撑架31的下端还设有定位结构8，定位结构8包括插接轴81、限位条82、定位孔83和限位边槽84，插接轴81的外侧设有限位条82，支撑轴25的顶端设有定位孔83，定位孔83的内壁设有限位边槽84，插接轴81用于插接在定位孔83内，限位条82用于卡合在限位边槽84内。

加热罐体3在于磁力支撑结构2之间实现磁力牵引固定的同时，稳定性较低，导致加热罐体3会横向偏移，影响加热罐体3的固定操作；

通过插接轴81插入定位孔83的内部，可对加热罐体3的横向偏移起到限位作用，同时限位条82嵌入限位边槽84内部后，避免加热罐体3出现旋转偏移状态，使得磁吸体28偏离磁吸架22的一端位置，从而为加热罐体3与磁力支撑结构2之间提供了固定限位结构，加强了两者的连接稳定程度。

实施例五

本实施例是在实施例4的基础上做出的改进，具体的，请参阅图1-图7，支撑架31的下端对称设有连接管9，连接管9的下端安装有导线10，其中两个侧边支臂21的内部均安装有转动导电结构6，转动导电结构6包括限位壳体61、导电底销62、导电杆64和连接导电片65，限位壳体61位于侧边支臂21的下表面，限位壳体61的内部安装有导电底销62，导电底销62的内部活动连接有导电杆64，导电杆64的上端设有连接导电片65，导线10的下端用于与连接导电片65电性连接。

实施例六

本实施例是在实施例5的基础上做出的改进，具体的，请参阅图1-图7，罐体1的下端设有底座11，底座11的上端安装有外接电结构7，外接电结构7包括第一连接环71、第二连接环72、滑槽73和连接线路74，底座11的上端安装有第一连接环71，第一连接环71的内部还安装有位于罐体1上端的第二连接环72，第一连接环71与第二连接环72的上表面均设有滑槽73，底座11的内部设有两个连接线路74，两个连接线路74均分别与第一连接环71与第二连接环72的下表面电性连接，导电底销62的下表面用于贴合在滑槽73的上表面，导电底销62的下端安装有导电滚轮63，导电滚轮63用于滚动贴合在滑槽73的上表面，导电杆64的外侧安装有弹簧66，磁力支撑结构2还包括驱动齿轮26和驱动电机27，支撑轴25的底端设有驱动齿轮26，驱动齿轮26的一侧安装有驱动电机27；

磁力支撑结构2用于支撑加热罐体3，并且在支撑的同时，需要实现旋转功能，但旋转时，难以将电路以常规方式进行输送；

通过连接管9将导线10与连接导电片65的上表面连接，并且导线10与垂直电磁线圈40以及平面加热线圈38电性连接，当侧边支臂21在旋转时，导电底销62通过导电滚轮63滑动在滑槽73的上表面，同时经过连接线路74与外接电源设备连接，并将电力输送至第一连接环71与第二连接环72内，再分别由两个转动导电结构6与两个第一连接环71接触，形成电性连接，进行输送电力，使侧边支臂21在转动的同时还能具备电力的输送效果。

本实施例还提供一种单晶硅制造设备的制备工艺，包括如下步骤：

S1、原料酸洗：经过石头加工成硅原料，在进行酸洗步骤，将硅外表面杂质洗净；

S2、熔料：将洗净后的硅原料，放入坩埚内加热至一千四百度，使硅原料呈液态；

S3、拉晶：硅原料融化后，坩埚缓慢转动，将籽晶从上面下落，并悬停至坩埚中心位置，并与融化后的硅原料液面接触，同时籽晶呈反向转动，再向上拉引，坩埚下面同时在电加热，液面上加冷，籽晶点到液面上就会出现光点，慢慢旋转，向上拉引，放肩转肩，拉棒最后形成单晶棒；

S4、切方：在对单晶棒进行切方，切掉单晶棒四个角，做成有倒角的正方形，在切片，最后形成单晶硅。

上述S2熔料包括以下步骤：

S21、均匀加热：通过平面加热线圈38对导热底盘35内部进行加热，加热的同时再由导热凸环36传递至坩埚32内部，通过导热凸环36以及垂直电磁线圈40的电磁加热，双重加热结构，可同时对坩埚32进行加热，使坩埚32的轴心位置的硅材料，更快实现加热融化以及均匀送热；

S22、罐体的支撑：加热的同时，支撑架31的整体通过磁力支撑结构2内部产生的电磁吸附效果，使磁吸架22对磁吸体28形成吸引，四个磁吸体28和磁吸架22同时工作，形成四向牵引效果，对加热罐体3形成固定状态，使加热罐体3悬停在磁力支撑结构2内部之中；

S23、温度隔离：通过外环41与内环42形成的中空结构，极大程度减少了坩埚32内部热量对垂直电磁线圈40产生的干涉，并且底部配合环54与第二线圈52为电磁相斥状态，对加热罐体3的下方起到支撑作用，经过磁力支撑结构2对加热罐体3的牵引以及底座支撑结构5内部对加热罐体3的下方提供支撑效果，使加热罐体3悬停在磁力支撑结构2内部，并无接触区域，大幅度降低加热罐体3向外温度的传递状况，磁力支撑结构2与加热罐体3和隔温保护结构4的配合使用，使坩埚32内部的高热温度隔绝在内。

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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。