區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置及其保溫方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導體制造領域，旨在提供區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置及其保溫方法。該區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置包括設置在多晶棒外部的輔助加熱器，輔助加熱器的兩個端部分別設有接口，接口通過電纜與輔助加熱電源相連，輔助加熱電源通過信號線依次連接有數(shù)據(jù)分析模塊和紅外測溫儀；利用該區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置對多晶棒進行保溫時，紅外測溫儀實時監(jiān)測多晶棒下端的溫度，數(shù)據(jù)分析模塊通過內(nèi)置的判斷模塊來控制輔助加熱電源施加在輔助加熱器上的電流大小。本發(fā)明對多晶棒實現(xiàn)保溫，而省去對多晶棒的緩慢冷卻和預熱過程，一次可節(jié)省生產(chǎn)時間一個小時以上，節(jié)約電能，并降低多晶棒開裂的風險。
【專利說明】區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置及其保溫方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是關于半導體制造領域，特別涉及區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置及其保溫方法?！颈尘凹夹g】
[0002] 硅材料是現(xiàn)代信息社會的基礎，它不僅是光伏發(fā)電等產(chǎn)業(yè)的主要功能材料，也是半導體產(chǎn)業(yè)，特別是電力電子器件的基礎材料。區(qū)熔法(FZ)生產(chǎn)單晶硅是區(qū)別于直拉爐(CZ)的一種新型的單晶生長方法，它利用高頻感應加熱線圈將高純度的多晶料局部融化，熔區(qū)依靠熔硅的表面張力和加熱線圈提供的磁托浮力而處于懸浮狀態(tài)，然后從熔區(qū)的下方利用籽晶將熔硅拉制成單晶。由于沒有坩堝污染，區(qū)熔爐生長的單晶硅純度高，均勻性好，低微缺陷，其優(yōu)良的電學性能非常適合制作高反壓、大電流、大功率的電力電子器件。
[0003]區(qū)熔硅單晶的生長采用懸浮區(qū)域熔煉法，即用高頻感應加熱線圈加熱多晶硅料使其熔化，在線圈下方用籽晶接住熔融硅連續(xù)生長出單晶棒。正常的區(qū)熔爐生產(chǎn)包括準備工作一預熱一熔接一細頸一擴肩一等徑一收尾一冷卻等過程，整個過程依等徑時間不同約耗時6-12小時，若除去等徑階段則約耗時3小時，其中預熱時間約為30-60分鐘。由于區(qū)熔單晶生長的復雜性，在區(qū)熔爐生產(chǎn)過程中因斷楞、流熔等而造成單晶生長意外終止的情況并不鮮見，發(fā)生概率不小于20%，而此時爐內(nèi)多晶棒尚剩余較長。傳統(tǒng)的處理方式是:緩慢降低施加在主加熱線圈上的功率，等待多晶棒降溫，此過程約耗時30分鐘，如降溫過快可能造成多晶棒開裂；之后關閉高頻電源，開啟爐門并進行相應的處理，比如修理線圈、更換籽晶等；關閉爐門，開啟高頻電源，重新對多晶棒預熱，完成新的一次生長過程。從中可以看出，一次生長意外終止后到下一次新的生長，最少需耗時2個小時，其中多晶棒緩慢冷卻和重新預熱占據(jù)了主要的時間，這段時間耗費了大量的人力和電能，且由于多晶棒脆性大，冷卻之后重新預熱容易造成多晶棒開裂造成原料的浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種能實現(xiàn)對多晶棒保溫，省去對多晶棒緩慢冷卻并重新預熱的多晶棒保溫裝置及其方法。
[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明的解決方案是:
[0006]提供區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置，多晶棒在區(qū)熔爐的主加熱線圈的上方，單晶棒在主加熱線圈的下方，且多晶棒和單晶棒通過主加熱線圈中心的圓孔相熔接，區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置包括至少一個設置在多晶棒外部的輔助加熱器，輔助加熱器的兩個端部分別設有接口，接口通過電纜與輔助加熱電源相連，輔助加熱電源用于對輔助加熱器施加電流，通有電流的輔助加熱器能對多晶棒實現(xiàn)保溫；輔助加熱電源通過信號線依次連接有數(shù)據(jù)分析模塊和紅外測溫儀，紅外測溫儀用于實時監(jiān)測多晶棒下端的溫度，并將測得的溫度數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)分析模塊用于通過判斷紅外測溫儀傳送來的溫度數(shù)據(jù)，控制輔助加熱電源施加在輔助加熱器上的電流大小。
[0007]作為一種改進，所述區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置是采用熱輻射方式的輔助加熱器、使多晶棒感應加熱方式的輔助加熱器中任意一種輔助加熱器或者兩種輔助加熱器組合的裝置，實現(xiàn)對多晶棒保溫。
[0008]作為一種改進，采用熱輻射方式的輔助加熱器呈圓筒形，輔助加熱器是石墨材質(zhì)的加熱器。
[0009]作為一種改進，采用使多晶棒感應加熱方式的輔助加熱器是銅或者硅材質(zhì)的加熱器，輔助加熱器是U型和倒U型交替連接而成的條狀加熱器，且條狀加熱器圍成圓環(huán)狀。
[0010]作為一種改進，所述條狀加熱器圍成的圓環(huán)的直徑取值范圍為IOOmm-250mm,所述條狀加熱器的U型和倒U型的高度取值范圍為50mm-20mm。
[0011]提供基于所述的區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置的保溫方法，所述區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置對多晶棒進行保溫時，紅外測溫儀實時監(jiān)測多晶棒下端的溫度(下端面以上15mm-30mm范圍內(nèi)的溫度)，并將測得的溫度數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)分析模塊通過內(nèi)置的判斷模塊來控制輔助加熱電源施加在輔助加熱器上的電流大小；
[0012]所述判斷模塊能實現(xiàn):當紅外測溫儀傳送來的溫度信號不大于550°C時，控制輔助加熱電源對輔助加熱器施加最大電流；當紅外測溫儀傳送來的溫度信號不小于800°C時，控制輔助加熱電源對輔助加熱器施加最小電流；當紅外測溫儀傳送來的溫度信號在550°C-800°C之間時，控制輔助加熱電源對輔助加熱器施加的電流滿足公式I=Ic1-S.35X(Tr850)/ (1\-500)，其中I為輔助加熱電源對輔助加熱器施加的電流,T1為紅外測溫儀傳送來的溫度，I。為輔助加熱器初始設置值，即I。= (Imax+Imin)/2，其中Imax為輔助加熱電源對輔助加熱器施加的最大電流，Imin為輔助加熱電源對輔助加熱器施加的最小電流。
[0013]作為一種改進，當輔助加熱器通過對多晶棒感應加熱而實現(xiàn)保溫時，輔助加熱電源對輔助加熱器施加的電流是交變電流。
[0014]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0015]輔助加熱器可實現(xiàn)對多晶棒的保溫，當單晶棒生長過程意外終止時，在進行必要的準備工作后，即可直接開始下一次生長過程，而省去對多晶棒的緩慢冷卻和預熱過程，一次可節(jié)省生產(chǎn)時間一個小時以上，節(jié)約電能，并降低多晶棒開裂的風險。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明的結構示意圖
[0018]圖3為本發(fā)明與現(xiàn)有技術的實施效果對比圖。
[0019]圖中的附圖標記為:1輔助加熱電源；2輔助加熱器；3主加熱線圈；4數(shù)據(jù)分析模塊；5紅外測溫儀；6多晶棒；7單晶棒。
【具體實施方式】
[0020]首先需要說明的是，在本發(fā)明實現(xiàn)過程中會涉及自動控制技術和計算機技術的運用。 申請人:認為，如在仔細閱讀申請文件、準確理解本發(fā)明的實現(xiàn)原理和發(fā)明目的以后完全能夠實現(xiàn)本發(fā)明。例如數(shù)據(jù)分析模塊4可采用PLC，可選型號CJ2M，生產(chǎn)商為歐姆龍，并且本領域技術人員完全可以運用其掌握的軟件編程技能，并在結合現(xiàn)有公知技術的情況下，實現(xiàn)其中的判斷模塊功能。因此，凡本發(fā)明申請文件提及的均屬此范疇， 申請人:不再一一列舉。
[0021]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述:
[0022]如圖1、2所示，多晶棒6在區(qū)熔爐的主加熱線圈3的上方，主加熱線圈3用于熔化多晶棒6，單晶棒7在主加熱線圈3的下方，且多晶棒6和單晶棒7通過主加熱線圈3中心的圓孔相熔接，區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置包括輔助加熱器2、輔助加熱電源1、數(shù)據(jù)分析模塊4和紅外測溫儀5。輔助加熱器2設置在多晶棒6的外部，輔助加熱器2的兩個端部分別設有接口，接口通過電纜與輔助加熱電源I相連，輔助加熱電源I用于對輔助加熱器2施加電流，通有電流的輔助加熱器2能對多晶棒6實現(xiàn)保溫。輔助加熱電源I通過信號線依次連接有數(shù)據(jù)分析模塊4和紅外測溫儀5，紅外測溫儀5用于實時監(jiān)測多晶棒6下端的溫度，并將測得的溫度數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)分析模塊4，數(shù)據(jù)分析模塊4用于通過判斷紅外測溫儀5傳送來的溫度數(shù)據(jù)，控制輔助加熱電源I施加在輔助加熱器2上的電流大小。
[0023]區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置是采用熱輻射方式的輔助加熱器2、使多晶棒6感應加熱方式的輔助加熱器2中任意一種輔助加熱器或者兩種輔助加熱器組合的裝置，實現(xiàn)對多晶棒6保溫。如圖1所示的輔助加熱器2呈圓筒形，材質(zhì)為石墨，在該種輔助加熱器2上施加一定電流能導致輔助加熱器2發(fā)熱，從而通過熱輻射方式實現(xiàn)對多晶棒6保溫。如圖2所示的輔助加熱器2的材質(zhì)是銅或者硅，輔助加熱器2是U型和倒U型交替組合而成的條狀加熱器，且條狀加熱器圍成圓環(huán)狀，條狀加熱器的U型和倒U型的高度取值范圍為50mm-20mm，條狀加熱器圍成的圓環(huán)的直徑取值范圍為IOOmm-250mm，在該種輔助加熱器2上施加一定頻率的交變電流，能在輔助加熱器2附近形成同頻率的交變磁場，從而多晶棒6將直接被感應加熱而實現(xiàn)保溫?？筛鶕?jù)實際需要組合使用上述兩種輔助加熱器2，用以制成能實現(xiàn)對多晶棒6保溫的區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置。
[0024]本發(fā)明在正常狀態(tài)下是不工作的，只有拉晶人員根據(jù)現(xiàn)場拉晶情況，比如單晶棒7生長過程意外終止，且多晶棒6預料較多時，拉晶人員判斷需要對多晶棒6進行保溫，區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置才開始工作。
[0025]基于所述區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置的保溫方法具體指:區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置對多晶棒6進行保溫時，輔助加熱電源I為輔助加熱器2施加電流，輔助加熱器2對在其內(nèi)部的多晶棒6進行保溫；紅外測溫儀5實時監(jiān)測多晶棒6下端的溫度，即多晶棒6下端面以上15mm-30mm范圍內(nèi)的溫度，并將測得的溫度數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)分析模塊4，數(shù)據(jù)分析模塊4通過內(nèi)置的判斷模塊來控制輔助加熱電源I施加在輔助加熱器2上的電流大小。
[0026]所述判斷模塊能實現(xiàn):當紅外測溫儀5傳送來的溫度信號不大于550°C時，控制輔助加熱電源I對輔助加熱器2施加最大電流；當紅外測溫儀5傳送來的溫度信號不小于800°C時，控制輔助加熱電源I對輔助加熱器2施加最小電流；當紅外測溫儀5傳送來的溫度信號在550°C-800°C之間時，控制輔助加熱電源I對輔助加熱器2施加的電流滿足公式I=IO-8.35X (T1-850)/ (T1-500)，其中I為輔助加熱電源I對輔助加熱器2施加的電流，T1為紅外測溫儀5傳送來的溫度，10為輔助加熱器2初始設置值，即I。= (Imax+Imin) /2，其中Imax為輔助加熱電源I對輔助加熱器2施加的最大電流，Imin為輔助加熱電源I對輔助加熱器2施加的最小電流。
[0027]在實際工作中，使用本發(fā)明，在單晶棒7生長過程意外終止時，在進行必要的準備工作后，即可直接開始下一次生長過程，而省去對多晶棒6的緩慢冷卻和預熱過程。如圖3所示，相同拉晶人員采用本發(fā)明的技術方案和采用緩慢冷卻和預熱過程的現(xiàn)有技術，分別進行10次6英寸硅單晶生產(chǎn)試驗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用本發(fā)明技術方案的硅單晶產(chǎn)量和采用現(xiàn)有技術的硅單晶產(chǎn)量相比，單臺區(qū)熔爐硅單晶日均產(chǎn)量提高8.4%，優(yōu)勢明顯。另一方面采用本發(fā)明還可節(jié)省大量電能消耗，因輔助加熱器2只是起到保溫作用，功耗只需3-6kw左右，而預熱過程中主加熱線圈3上施加的功率將高達30kw以上，同時由于多晶棒6自身較脆，進行降溫升溫過程很容易造成多晶棒6開裂，而采用本發(fā)明可降低多晶棒6開裂的風險，節(jié)約原料。
[0028]最后，需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有很多變形。本領域的普通技術人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容中直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均 應認為是本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置，多晶棒在區(qū)熔爐的主加熱線圈的上方，單晶棒在主加熱線圈的下方，且多晶棒和單晶棒通過主加熱線圈中心的圓孔相熔接，其特征在于，區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置包括至少一個設置在多晶棒外部的輔助加熱器，輔助加熱器的兩個端部分別設有接口，接口通過電纜與輔助加熱電源相連，輔助加熱電源用于對輔助加熱器施加電流，通有電流的輔助加熱器能對多晶棒實現(xiàn)保溫；輔助加熱電源通過信號線依次連接有數(shù)據(jù)分析模塊和紅外測溫儀，紅外測溫儀用于實時監(jiān)測多晶棒下端的溫度，并將測得的溫度數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)分析模塊用于通過判斷紅外測溫儀傳送來的溫度數(shù)據(jù)，控制輔助加熱電源施加在輔助加熱器上的電流大小。
2.根據(jù)權利要求1所述的區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置，其特征在于，所述區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置是采用熱輻射方式的輔助加熱器、使多晶棒感應加熱方式的輔助加熱器中任意一種輔助加熱器或者兩種輔助加熱器組合的裝置，實現(xiàn)對多晶棒保溫。
3.根據(jù)權利要求2所述的區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置，其特征在于，采用熱輻射方式的輔助加熱器呈圓筒形，輔助加熱器是石墨材質(zhì)的加熱器。
4.根據(jù)權利要求2所述的區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置，其特征在于，采用使多晶棒感應加熱方式的輔助加熱器是銅或者硅材質(zhì)的加熱器，輔助加熱器是U型和倒U型交替連接而成的條狀加熱器，且條狀加熱器圍成圓環(huán)狀。
5.根據(jù)權利要求4所述的區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置，其特征在于，所述條狀加熱器圍成的圓環(huán)的直徑取值范圍為IOOmm-250mm，所述條狀加熱器的U型和倒U型的高度取值范圍為 50mm -20mm。
6.基于權利要求1所述的區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置的保溫方法，其特征在于，所述區(qū)熔爐多晶棒保溫裝置對多晶棒進行保 溫時，紅外測溫儀實時監(jiān)測多晶棒下端的溫度，并將測得的溫度數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)分析模塊通過內(nèi)置的判斷模塊來控制輔助加熱電源施加在輔助加熱器上的電流大小； 所述判斷模塊能實現(xiàn):當紅外測溫儀傳送來的溫度信號不大于550°C時，控制輔助加熱電源對輔助加熱器施加最大電流；當紅外測溫儀傳送來的溫度信號不小于800°C時，控制輔助加熱電源對輔助加熱器施加最小電流；當紅外測溫儀傳送來的溫度信號在550°C-800°C之間時，控制輔助加熱電源對輔助加熱器施加的電流滿足公式I=Ic1-S.35X (Tr850)/ (!\-500)，其中I為輔助加熱電源對輔助加熱器施加的電流,T1為紅外測溫儀傳送來的溫度，I。為輔助加熱器初始設置值，即I。= (Imax+Imin)/2，其中Imax為輔助加熱電源對輔助加熱器施加的最大電流，Imin為輔助加熱電源對輔助加熱器施加的最小電流。
7.根據(jù)權利要求6所述的保溫方法，其特征在于，當輔助加熱器通過對多晶棒感應加熱而實現(xiàn)保溫時，輔助加熱電源對輔助加熱器施加的電流是交變電流。
【文檔編號】C30B29/06GK103451727SQ201310361470
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月19日 優(yōu)先權日:2013年8月19日
【發(fā)明者】歐陽鵬根, 陳明杰, 王丹濤, 傅林堅, 曹建偉, 石剛, 邱敏秀, 蔣慶良 申請人:浙江晶盛機電股份有限公司