具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1、图2所述的实施例中，一种铸造单晶的热场结构，包括保温体、加热体、热开关13、石墨均热平台3、坩埚本体4、坩埚托板9、坩埚护板8、水冷盘14和支架2，保温体置于支架2的上方，保温体的底部中间设有通孔17，加热体置于保温体的内部，热开关13置于支架2的下方且与保温体上的通孔17相对应，石墨均热平台3、坩埚本体4、坩埚托板9和坩埚护板8置于加热体的内部，坩埚托板9置于石墨均热平台3置于坩埚本体4之间，坩埚护板8置于坩埚本体4的外侧面上，水冷盘14置于热开关13的下方，热开关13的底部设有升降杆12。

保温体包括顶部保温体6、侧面保温体5和底部保温体10，通孔17置于底部保温体10的中间位置处，侧面保温体5置于顶部保温体6和底部保温体10之间，保温体的内部为碳纤维毡，保温体的外部为耐热金属框架。热开关13的面积大于等于通孔17的面积，热开关13的上部为碳纤维毡，热开关13的底部为耐热金属托盘，升降杆12置于热开关13的底部中间处，升降杆12的一端与热开关13连接，升降杆12的另一端穿过水冷盘14后与升降电机连接。石墨均热平台3的底部左右两侧设有导向杆1，热开关13上设有与导向杆1相匹配的导向孔，热开关13通过导向孔与导向杆1滑动连接，导向杆1安装在支架2上，水冷盘14置于导向杆1的下方。

加热体包括功率可调的顶部加热体7和功率可调的底部加热体11，顶部加热体7置于顶部保温体6与坩埚本体4之间，底部加热体11置于底部保温体10与石墨均热平台3之间，顶部加热体7的横截面形状呈U型。顶部加热体7包括平面加热体15和侧面加热体16，侧面加热体16置于平面加热体15的边缘处且置于坩埚护板8的外侧，侧面加热体16与坩埚本体4底部之间的最小距离是坩埚本体4高度的2/3。

如果用流体力学和热力学的术语描述，铸锭单晶的晶体生长系统的理想热场可以表述为：在温度场中，垂直温度梯度为正，即上高下低，在熔体中，只有固液界面附近存在晶体生长驱动力（即过冷度ΔT=T-Tm，其中Tm为硅的熔点温度），只T<Tm，才有可能结晶，过冷度越负（T越低），就越容易结晶。固液界面以上部分ΔT的驱动力为正，且在熔体中越向上离开固液界面，ΔT越大（温度越高），所以固液界面以上部分是不能结晶的。为了晶体生长良好且籽晶以外的部分没有晶体形成，温度场还要满足以下要求：

1）熔料和籽晶熔接时，保持正向的垂直温度梯度，使坩埚底部的籽晶底部低于硅的熔点。在此温度下保温一段时间，消除前端籽晶内可能存在的热应力，为籽晶顺利熔接做好准备；这个过程称为籽晶“接引”过程。

2）底部在结晶开始时，硅熔体的固液界面保持微凸向熔体；这样保证坩埚底部区域的温度籽晶区域最低，周边较高，使坩埚底部无法提前形成多晶硅的晶核，单晶只能从籽晶生长出来，并沿坩埚底部的斜坡向四周生长并覆盖整个埚底。我们把这个过程称为铸锭单晶的“筑基”过程。这是一个非常重要的过程，因为这个过程能够将籽晶的位错减少一半。

3）而后晶体开始垂直向上生长。在晶体生长的全过程中，硅熔体的固液界面和所有的等温面依然是微凸向熔体的，这样，坩埚壁万一由于某种原因过冷造成多晶成核，多晶也只能够沿着坩埚壁垂直或向外生长，不会向内生长，不会影响晶体质量。

4）晶体生长期间，底部温度和顶部温度均可控，通过控制底部和顶部的温度要保证固液界面的上移速度可控，保证晶体以合适的速度进行生长。尤其是在晶体生长的末期的结束时刻，不能出现温度上低下高的情况。

满足上述条件的温度场，就能最大限度地避免籽晶之外的地方有多晶硅形核，即便万一坩埚壁附近有多晶硅形核的情况，多晶硅也将向外上方向生长，将离开硅锭的有效区域，不会影响最终的单晶质量。因此，可以生长出高质量的铸锭单晶出来。

本发明所述的热场结构，则在保持正向垂直温度梯度的同时，在降温时采用底部中央降温的方式，同时，结合特殊结构的石墨平台进行均热，使得在晶体生长的整个过程中，固液界面始终保持水平或者微凸向熔体的形状；再通过在坩埚中央的凹槽中放置单籽晶的方式，使得从籽晶出来的形核自由能最低，而坩埚底部和四壁的多晶硅形核自由能都高于籽晶生长所需的形核自由能，因此，就杜绝了在铸锭单晶时多晶硅的形核，从而实现100%的单晶率。

本发明所描述的热场结构，很巧妙地通过热开关13、水冷盘14和支撑坩埚本体4的石墨均热平台3，以及热开关13的运动方式，达到了在晶体生长时，坩埚底部从中央散热。在底部降温时，能够保证坩埚底部中央的区域较冷，四周的温度较高，这就保证了在晶体生长时，等温面能够保持微凸向熔体，而且结晶只能从位于坩埚中央的籽晶开始生章，于是杜绝了多晶在坩埚底部和四壁的形核。而且，本发明所述的热场结构还能使得等温面和固液界面微凸和水平在整个晶体生章过程中都能够得以实现，为铸锭单晶的晶体生长提供最为理想的温度场。

本发明还提供了一种铸造单晶方法，具体包括如下步骤：

（1）熔料：坩埚本体4内装料后升温，当硅料大部分熔化时，底部的未熔硅料又不断会浮上来，此时表示硅料已经基大部分熔化完毕；

（2）籽晶接引：硅料熔化后，适当提高顶部加热体7功率，提高顶部温度，同时保持底部温度，就能做到籽晶顶部全部熔化，而籽晶的下部全部没有完全熔化；至此，籽晶接引过程完成。

（3）筑基：籽晶在接引完成后刚开始生长时的横向生长，是沿坩埚本体4底部向四周的坩埚壁方向生长的，直到铺满整个坩埚的埚底且固液界面与坩埚本体4锅底的内平面同样大小；

在筑基开始时，坩埚本体4底部的温度从中央区域开始下降，这样，籽晶中的固液界面将缓慢上升，当固液界面上升到与坩埚本体4底部的籽晶凹坑的上沿齐平时，晶体开始横向生长。由于坩埚本体4底部是中间低四周高的斜坡，因此温度也是中间低四周高的情况，晶体横向生长时，坩埚底部不会形核，只有籽晶生长出来的单晶能够生长，最终该单晶将底部铺满同时固液界面保持水平，形成一个上大下小的四方台形的大单晶体。在选区特殊的籽晶方向时，可以使得铸锭单晶的位错密度降低到籽晶的50%。当籽晶筑基过程使整个单晶铺满了坩埚底部从而长到了四周的坩埚壁的时候，籽晶“筑基”期结束，进入了晶体向上生长的过程。

铸锭单晶与直拉单晶有一个很大的不同，就是直拉单晶有一个“缩颈”的操作，将籽晶中的位错再度削减为“无位错”；传统的铸锭单晶无法进行这个过程，而且按照现有的“类单晶”的铸锭生长方式，采用的均为多籽晶平面铺设方式，在这个阶段不仅无法消除籽晶的原生位错，还会产生大量新的位错，现在不仅能做到没有新产生位错，而且还把籽晶的位错降低了50%左右。

（4）晶体向上生长：在整个晶体生长过程中，都保持晶体中和硅熔体中的适当的温度场（水平微凸的等温面，适当的垂直温度梯度），并控制温度场随时间的变化，做到使晶体中的各种应力小于产生位错形核所需要的临界应力，从而保证铸锭单晶生长的过程中没有新的位错的生长，而且晶体的位错也降低到了籽晶的50%以下；

根据热力学原理，有新位错的产生将增加系统的能量，因此系统能够经受一定的生长条件的变化的冲击而继续保持低位错状态。因此，只要温度场能够保持坩埚底部匀速地降温，保持顶部温度的大体稳定，同时顶部保温体6的侧面悬挂加热体能保持坩埚四壁的温度。

（5）结晶收尾：晶体生长到距离硅液表面小于50mm时，进入结晶的收尾阶段，要严禁发生顶部加热体7的过冷现象，由于晶体接近硅液顶部，因此结晶潜热对于硅液顶部的温度升高影响较大，控制顶部加热体7功率，保证在顶部的硅液层小于5~10mm后再降温，防止硅液顶部提前凝固；

（6）退火阶段：结晶收尾后，在高温区进行退火，缓慢释放晶体内部因温度上高下低产生的热应力，此时，将顶部加热体7逐渐关闭，底部加热体11根据底部升温曲线确定是否要增加功率，在一定的速度将打开的底部热开关13再度闭合；

（7）冷却过程：退火阶段结束后，进入冷却阶段，此时将底部热开关13下行到底，与水冷盘14接触使得硅锭能够更快降温，以缩短工艺时间，当温度降到200℃以下时，整个铸锭单晶的晶体生长工序完成。

如图1、图2所示，在开始熔料时，底部热开关13上行到顶，封闭底部保温体10，保持最佳保温效果。当熔料结束后，晶体生长过程开始时，热开关13开始下行，坩埚底部开始降温，籽晶开始生长。随着热开关13的逐渐下行，底部温度逐渐下降。在底部温度下降的过程中，由于均热平台和顶部加热体7功率的条件，可以始终保持硅熔体内的固液界面微凸向熔体，因而获得最佳的长晶效果。当晶体生长到顶部长晶结束，底部热开关13可配合退火过程进行上下移动。退火过程完成后，热开关13下行到底与底部水冷盘14接触，底部水冷盘14将导致热开关13上表面的温度下降，因此，可以缩短晶体冷却时间，节省工艺时间，提高设备产能。