阅读说明：本技术 一种拉晶装置、设备及方法 (A kind of crystal pulling apparatus, device and method ) 是由 兰洵 全铉国 于 2019-09-12 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供了一种拉晶装置、设备及方法,拉晶装置包括：坩埚,包括一用于容纳硅熔液的容纳空间；磁场发射部,用于向坩埚处输出磁场；温度测量部,用于测量一个或多个指定位置的硅熔液的温度值；控制部,控制部分别与磁场发射部和温度测量部连接,控制部用于接收温度测量部发送的一个或多个指定位置的硅熔液的温度值,根据一个或多个指定位置的硅熔液的温度值,确定磁场发射部输出磁场的目标磁场强度,并控制磁场发射部输出强度为目标磁场强度的磁场。这样可以对磁场进行自动化调控,能将硅熔液的对流强度控制在一定范围内,进而优化硅熔液对流变化所导致的硅熔液内部的热传导,为硅晶体生长提供更加稳定的工艺条件。(The embodiment of the invention provides a kind of crystal pulling apparatus, device and method, crystal pulling apparatus includes: crucible, including one for accommodating the accommodation space of melted silicon；Emission of magnetic field portion is used to export magnetic field at crucible；Temperature measuring section, the temperature value of the melted silicon for measuring one or more designated positions；Control unit, control unit is connect with emission of magnetic field portion and Temperature measuring section respectively, control unit is used to receive the temperature value of the melted silicon of one or more designated positions of Temperature measuring section transmission, according to the temperature value of the melted silicon of one or more designated positions, it determines the magnetic field of the goal intensity in emission of magnetic field portion output magnetic field, and controls the magnetic field that emission of magnetic field portion output intensity is magnetic field of the goal intensity.Automatic regulation can be carried out to magnetic field in this way, the convection intensity of melted silicon can be controlled in a certain range, and then optimize the heat transfer inside melted silicon caused by melted silicon convection current variation, more stable process conditions are provided for crystal growth.)

一种拉晶装置、设备及方法

技术领域

本发明涉及硅片加工制造领域，特别涉及一种拉晶装置、设备及方法。

背景技术

在大尺寸单晶硅的生长过程中，可以通过引入磁场来抑制单晶硅生长过程中硅熔液的对流，进而来减小对硅晶体生长固液界面的影响，最终保证硅晶体生长的稳定性。

在硅晶体生长过程中，坩埚内的温度会逐步产生变化，硅熔液(或称为熔体)的对流也会逐步变化，因此对磁场强度的需求也会随之变化。硅熔液对流的变化会导致硅熔液内部热传导的变化，恒定的磁场不能降低硅熔液对流变化对硅晶体生长的影响。并且现有的拉晶装置只能保持固定磁场，无法对硅熔液的对流进行精确管控，进而也就无法保证硅晶体生长的稳定性。

发明内容

本发明实施例提供了一种拉晶装置、设备及方法，以解决现有的拉晶装置只能保持固定磁场无法对硅熔液的对流进行精确管控的问题。

第一方面，为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种拉晶装置，包括：

坩埚，包括一用于容纳硅熔液的容纳空间；

磁场发射部，用于向所述坩埚处输出磁场；

温度测量部，用于测量一个或多个指定位置的硅熔液的温度值；

控制部，所述控制部分别与所述磁场发射部和所述温度测量部连接，所述控制部用于接收所述温度测量部发送的一个或多个指定位置的硅熔液的温度值，根据一个或多个指定位置的硅熔液的温度值，确定所述磁场发射部输出磁场的目标磁场强度，并控制所述磁场发射部输出强度为目标磁场强度的磁场。

可选地，所述控制部具体用于根据一个或多个指定位置的硅熔液的温度值，确定所述硅熔液的最大温度差，并根据所述硅熔液的最大温度差确定所述磁场发射部输出磁场的目标磁场强度。

可选地，所述温度测量部至少包括：红外温度计，所述红外温度计与所述控制部连接，所述红外温度计的测量端指向靠近所述容纳空间的侧壁一侧的硅熔液，所述红外温度计用于获取所述硅熔液的最大温度值，并将所述硅熔液的最大温度值发送给所述控制部。

可选地，所述控制部用于根据以下公式确定所述磁场发射部输出磁场的目标磁场强度B

其中，α是硅熔液的热膨胀系数，d是坩埚的直径，ΔT是硅熔液的最大温度差，A是预设的比例系数，g是重力加速度，v_k是动力粘滞系数，σ是导电系数，B是目标磁场强度，ρ是硅熔液的密度。

可选地，所述拉晶装置还包括：

热屏，所述热屏位于所述坩埚的上方；

晶棒提升部，所述晶棒提升部位于所述坩埚的上方。

第二方面，本发明实施例还提供了一种单晶硅生产设备，包括如上所述的拉晶装置。

第三方面，本发明实施例还提供了一种控制方法，应用于如上所述的拉晶装置；

所述控制方法包括：

所述控制部接收所述温度测量部发送一个或多个指定位置的硅熔液的温度值，根据一个或多个指定位置的硅熔液的温度值，确定所述磁场发射部输出磁场的目标磁场强度，并控制所述磁场发射部输出强度为目标磁场强度的磁场。

可选地，所述根据一个或多个指定位置的硅熔液的温度值，确定所述磁场发射部输出磁场的目标磁场强度，包括：

所述控制部根据一个或多个指定位置的硅熔液的温度值，确定所述硅熔液的最大温度差；

根据所述硅熔液的最大温度差，确定所述磁场发射部输出磁场的目标磁场强度。

可选地，所述方法还包括：

所述温度测量部测量所述硅熔液的温度值，并将测量所得的所述硅熔液的温度值发送给所述控制部。

可选地，所述根据所述硅熔液的最大温度差确定所述磁场发射部输出磁场的目标磁场强度，包括：

根据以下公式确定所述磁场发射部输出磁场的目标磁场强度B

其中，α是硅熔液的热膨胀系数，d是坩埚的内径，ΔT是硅熔液的最大温度差，A是预设的比例系数，g是重力加速度，v_k是动力粘滞系数，σ是导电系数，B是目标磁场强度，ρ是硅熔液的密度。

可选地，所述方法还包括：

所述温度测量部测量所述硅熔液的温度值，并将测量所得的所述硅熔液的温度值发送给所述控制部。

本发明的实施例具有如下有益效果：

在本发明实施例中，通过温度测量部对所述容纳空间的一个或多个指定位置的硅熔液的温度值进行监控，所述温度测量部将检测到一个或多个指定位置的硅熔液的温度值发送给所述控制部，所述控制部根据获取到的温度值确定所述磁场发射部的目标磁场强度，并控制所述磁场发射部的输出场强为目标磁场强度，进而实现对磁场发射部的输出磁场的磁场强度进行实时调控。这样，本发明实施例的拉晶装置可以对磁场进行自动化调控，来对硅熔液的对流进行控制，即能将硅熔液的对流强度控制在一定范围内，进而优化硅熔液的对流变化所导致的硅熔液内部的热传导，为硅晶体的生长提供更加稳定的工艺条件。

附图说明

图1为本发明实施例的拉晶装置的结构示意图之一；

图2为本发明实施例的拉晶装置的结构示意图之二；

图3为本发明实施例的控制方法的流程示意图之一；

图4为本发明实施例的控制方法的流程示意图之二。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

参见图1，本发明实施例提供了一种拉晶装置，所述拉晶装置包括：坩埚1、磁场发射部2、温度测量部3和控制部4。

其中，所述坩埚1包括一用于容纳硅熔液的容纳空间11；所述磁场发射部2用于向所述坩埚1处输出磁场；所述温度测量部3用于测量一个或多个指定位置的硅熔液的温度值；所述控制部4分别与所述磁场发射部2和所述温度测量部3连接，所述控制部4用于接收所述温度测量部3发送的一个或多个指定位置的硅熔液的温度值，根据一个或多个指定位置的硅熔液的温度值，确定所述磁场发射部2输出磁场的目标磁场强度，并控制所述磁场发射部2输出强度为目标磁场强度的磁场。需要说明的是，所述硅熔液还可以称为熔体。

在本发明实施例中，拉晶装置还包括：位于所述坩埚1底部的第一加热器(图中未示出)和位于所述坩埚1的侧部的第二加热器(图中未示出)。在硅晶体生长的等径阶段，所述第一加热器关闭，由所述第二加热器为坩埚1提供热源。所述硅熔液的最大温度值是靠近所述容纳空间11侧壁一侧的温度值，即靠近所述坩埚1侧壁一侧的温度；最小温度值是晶体生长固液界面处的温度值，即围绕晶棒7周围所测的温度值。由于硅熔液结晶的温度为1410℃左右，由此可以得知，所述硅熔液的最小温度值可以为1410℃左右。

参见图2所示，对应地，所述指定位置可以为靠近所述容纳空间11的侧壁111一侧的第一区域112内的一个或多个位置。需要说明的是，所述第一区域112可以为沿着所述容纳空间11的侧壁111设置的预设大小的环形区域。其中，可以根据检测需要确定所述第一区域112的范围，在本发明实施例并不具体限定所述第一区域112的范围。

可以理解的是，为了保证测量结果的准确性，可以将靠近所述容纳空间11的侧壁111一侧的预设范围区域112内的多个位置选定为指定位置，通过温度测量部3对上述选定的指定位置进行温度测量，并取上述位置的硅熔液的温度平均值作为所述硅熔液的最大温度值。

在本发明实施例中，通过温度测量部3对所述容纳空间11的一个或多个指定位置的硅熔液的温度值进行监控，所述温度测量部3将检测到一个或多个指定位置的硅熔液的温度值发送给所述控制部4，所述控制部4根据获取到的温度值确定所述磁场发射部2的目标磁场强度，并控制所述磁场发射部2的输出场强为目标磁场强度，进而实现对磁场发射部2的输出磁场的磁场强度进行实时调控。这样，本发明实施例的拉晶装置可以对磁场进行自动化调控，来对硅熔液对流进行控制，即能将硅熔液的对流强度控制在一定范围内，进而优化硅熔液的对流变化所导致的硅熔液内部的热传导，为硅晶体生长提供更加稳定的工艺条件。

在一些实施方式中，所述控制部4还用于根据一个或多个指定位置的硅熔液的温度值，确定所述硅熔液的最大温度差，并根据所述硅熔液的最大温度差确定所述磁场发射部2输出磁场的目标磁场强度。

在本发明实施例中，所述控制部4用于根据以下公式确定最大温度差ΔT

ΔT＝Tmax-Tmin

其中，Tmax表示所述容纳空间11中靠近所述坩埚1一侧的硅熔液的最大温度值，Tmin表示所述硅熔液的最小温度值，Tmax和Tmin单位均为℃。

在一些实施方式中，根据以上分析可知，可以将Tmin设定为固定值。例如：Tmin为1410±3℃。

另外，为了保证测量结果的准确性，可以在确定所述硅熔液的最大温度差之前，测量所述硅熔液的最小温度值，即可以通过温度测量部3的测量端指向所述硅熔液的固液界面处或者围绕晶棒7周围预设范围内的位置，来测量所述硅熔液的最小温度值。

继续参见图2，进一步地，可以通过将温度测量部3的测量端指向所述硅熔液的固液界面处或者围绕晶棒7周围的第二区域113的一个或多个位置，来测量所述硅熔液的最小温度值。

需要说明的是，所述第二区域113为围绕所述晶棒7设置的预设大小的环形区域。其中，可以根据检测需要确定所述第二区域113的范围，在本发明实施例并不具体限定所述第二区域113的范围。

需要强调的是，以上有关所述硅熔液的最小温度值的确定方式的描述只是示例并非限定，可以理解的是，本发明实施例并不具体限定所述硅熔液的最小温度值的确定方式。

进一步地，所述温度测量部3至少包括：红外温度计，所述红外温度计与所述控制部4连接，所述红外温度计的测量端指向靠近所述容纳空间11的侧壁111一侧的硅熔液，所述红外温度计用于获取所述硅熔液的最大温度值，并将所述硅熔液的最大温度值发送给所述控制部4。

例如：由红外温度计采集所述硅熔液表面靠近所述容纳空间11侧壁111处的最大温度值Tmax，并将最大温度值Tmax反馈给控制部4，所述控制部4根据ΔT＝Tmax-1410确定最大温度差，并由此确定磁场发射部2输出磁场的目标磁场强度B；根据磁场强度和电流的关系，可以计算出所述磁场发射部2的输入电流，并将该电流值反馈给所述磁场发射部2，来调整所述磁场发射部2的输入电流，从而对所述磁场发射部2的磁场进行调控。

进一步地，所述红外温度计位于所述坩埚1的圆形炉盖上方，当然并不仅限于此。

在上述实施例的基础上，所述拉晶装置还包括：热屏5和晶棒提升部6；其中，所述热屏5和所述晶棒提升部6均位于所述坩埚1的上方；所述热屏5用于将热量反射至所述坩埚1处，所述晶棒提升部6用于将结晶生成的晶棒7从硅熔液中提拉出来。

为了更好地通过所述硅熔液的最大温度差确定磁场发射部2输出磁场的磁场强度，接下来对所述硅熔液的最大温度差与磁场发射部2输出磁场的磁场强度之间的关系进行推导说明。

在硅晶体生长过程的等径阶段，硅熔液的对流主要是不同位置的硅熔液的温度差不同而引起的自然对流，自然对流的强度大小可以由无因子的Grashof常数确定，Grashof常数的计算公式如下所示

其中，α是熔体的热膨胀系数，d是坩埚1的直径或硅熔液深度，ΔT是硅熔液的最大温度差，v_k是动力粘滞系数。

同时，可以通过提升硅熔液对流的Grashof常数的零界值，以使得磁场对硅熔液的对流起到抑制作用，其中Grashof常数的零界值Gr_c可以表示为

Gr_c＝π²(σ/ρυ_k)^1/2Bd (2)

其中，σ是导电系数，μ是磁导率，d是坩埚1的直径，B是目标磁场强度，ρ是硅熔液的密度。

当Gr常数小于或与零界值Gr_c相差不大时，可以使得磁场对硅熔液的对流起到抑制作用。即Gr＝AGr_c，A为预设的比例系数，且A≤1，A的取值范围可以根据具体的工艺参数确定，可以理解的是，所述预设的比例系数与生产工艺相关，可以根据单晶硅的生产工艺参数调整所述预设的比例系数的值，在本发明实施例中并不具体限定A的取值范围。

为了让磁场对硅熔液的对流起到抑制作用，所述控制部4还用于根据以下公式确定所述磁场发射部2输出磁场的目标磁场强度B

其中，α是硅熔液的热膨胀系数，d是坩埚1的直径，ΔT是硅熔液内的最大温度差，A是预设的比例系数，g是重力加速度，v_k是动力粘滞系数，σ是导电系数，B是目标磁场强度，ρ是硅熔液的密度。

根据以上公式可以得知

B∝ΔT (4)

可以理解的是，所述目标磁场强度和所述熔液的最大温度差成正比，因此可以通过所述硅熔液的最大温度差来对所述磁场发射部输出磁场的磁场强度进行调控。

另外，本发明实施例还提供了一种单晶硅生产设备，该单晶硅生产设备包括如上所述的拉晶装置。

为了解决现有的拉晶装置只能保持固定磁场无法对硅熔液的对流进行精确管控的问题，本发明实施例还提供了一种控制方法，该控制方法的实施原理与如上所述的拉晶装置的实施原理相同，为了避免重复，相同之处不再赘述。

参见图3，本发明实施例提供了一种控制方法，该控制方法应用于如上所述的拉晶装置，所述控制方法具体步骤如下所示：

步骤301：所述温度测量部测量一个或多个指定位置的硅熔液的温度值，并将测量所得的所述硅熔液的温度值发送给所述控制部；

步骤302：所述控制部4接收所述温度测量部3发送一个或多个指定位置的硅熔液的温度值，根据一个或多个指定位置的硅熔液的温度值，确定所述磁场发射部2输出磁场的目标磁场强度，并控制所述磁场发射部2输出强度为目标磁场强度的磁场。

参见图4，进一步地，步骤302具体包括：

步骤3021：所述控制部4根据一个或多个指定位置的硅熔液的温度值，确定所述硅熔液的最大温度差；

所述指定位置可以为靠近所述容纳空间11的侧壁111一侧的一个或多个位置，可以理解的是，为了保证测量结果的准确性，可以将所述指定位置设定为靠近所述容纳空间11的侧壁111一侧的多个位置，可以取上述位置的硅熔液的温度平均值作为所述硅熔液的最大温度值。

在本发明实施例中，所述控制部4用于根据以下公式确定最大温度差ΔT

ΔT＝Tmax-Tmin

其中，Tmax表示所述容纳空间11中靠近所述坩埚1一侧的硅熔液的最大温度值，Tmin表示所述硅熔液的最小温度值，Tmax和Tmin单位均为℃。

在一些实施方式中，根据以上分析可知，可以将Tmin设定为固定值。例如：Tmin为1410±3℃。

另外，为了保证测量结果的准确性，可以在确定所述硅熔液的最大温度差之前，测量所述硅熔液的最小温度值，即可以通过温度测量部3的测量端指向所述硅熔液的固液界面处或者围绕晶棒7周围预设范围内的位置，来测量所述硅熔液的最小温度值。

步骤3022：根据所述硅熔液的最大温度差，确定所述磁场发射部2输出磁场的目标磁场强度，并控制所述磁场发射部2输出强度为目标磁场强度的磁场。

在步骤3022中，所述控制部4可以根据以下公式确定所述磁场发射部2输出磁场的目标磁场强度B

其中，α是硅熔液的热膨胀系数，d是坩埚1的内径，ΔT是硅熔液的最大温度差，A是预设的比例系数，g是重力加速度，v_k是动力粘滞系数，σ是导电系数，B是目标磁场强度，ρ是硅熔液的密度。

在本发明实施例中，通过温度测量部3对所述容纳空间11的一个或多个指定位置的硅熔液的温度值进行监控，所述温度测量部3将检测到一个或多个指定位置的硅熔液的温度值发送给所述控制部4，所述控制部4根据获取到的温度值确定所述磁场发射部2的目标磁场强度，并控制所述磁场发射部2的输出场强为目标磁场强度，进而实现对磁场发射部2的输出磁场的磁场强度进行实时调控。这样，本发明实施例的控制方法可以对磁场进行自动化调控，来对硅熔液对流进行控制，即能将硅熔液的对流强度控制在一定范围内，进而优化硅熔液对流变化所导致的硅熔液内部的热传导，为硅晶体生长提供更加稳定的工艺条件。

另外，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的控制方法的步骤。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

在本发明的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

在本申请所提供的实施例中，应理解，“与A相应的B”表示B与A相关联，根据A可以确定B。但还应理解，根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其它信息确定B。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露方法和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理包括，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络侧设备等)执行本发明各个实施例所述收发方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。