[發明專利]一種鑄造單晶的熱場結構及其方法

有效

• 申請號: 202011335456.5
• 申請日: 2020-11-25
• 公開（公告）號: CN112647122B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 史珺
• 申請（專利權）人: 浙江普智能源裝備有限公司
• 主分類號: C30B11/00
• 分類號: C30B11/00;C30B29/06;C30B33/02
• 代理公司: 杭州伍博專利代理事務所(普通合伙) 33309
• 代理人: 熊小芬

1.一種鑄造單晶方法，其特征是，采用鑄造單晶的熱場結構，包括保溫體、加熱體、熱開關（13）、石墨均熱平臺（3）、坩堝本體（4）、坩堝托板（9）、坩堝護板（8）、水冷盤（14）和支架（2），所述的保溫體置于支架（2）的上方，所述保溫體的底部中間設有通孔（17），所述的加熱體置于保溫體的內部，所述的熱開關（13）置于支架（2）的下方且與保溫體上的通孔（17）相對應，所述的石墨均熱平臺（3）、坩堝本體（4）、坩堝托板（9）和坩堝護板（8）置于加熱體的內部，所述的坩堝托板（9）置于石墨均熱平臺（3）置于坩堝本體（4）之間，所述的坩堝護板（8）置于坩堝本體（4）的外側面上，所述的水冷盤（14）置于熱開關（13）的下方，所述熱開關（13）的底部設有升降桿（12），所述的保溫體包括頂部保溫體（6）、側面保溫體（5）和底部保溫體（10），所述的通孔（17）置于底部保溫體（10）的中間位置處，所述的側面保溫體（5）置于頂部保溫體（6）和底部保溫體（10）之間，所述保溫體的內部為碳纖維氈，所述保溫體的外部為耐熱金屬框架，所述的加熱體包括功率可調的頂部加熱體（7）和功率可調的底部加熱體（11），所述的頂部加熱體（7）置于頂部保溫體（6）與坩堝本體（4）之間，所述的底部加熱體（11）置于底部保溫體（10）與石墨均熱平臺（3）之間，所述頂部加熱體（7）的橫截面形狀呈U型，所述的頂部加熱體（7）包括平面加熱體（15）和側面加熱體（16），所述的側面加熱體（16）置于平面加熱體（15）的邊緣處且置于坩堝護板（8）的外側，所述側面加熱體（16）與坩堝本體（4）底部之間的最小距離是坩堝本體（4）高度的2/3，所述熱開關（13）的面積大于等于通孔（17）的面積，所述熱開關（13）的上部為碳纖維氈，所述熱開關（13）的底部為耐熱金屬托盤，所述的升降桿（12）置于熱開關（13）的底部中間處，所述升降桿（12）的一端與熱開關（13）連接，所述升降桿（12）的另一端穿過水冷盤（14）后與升降電機連接，所述石墨均熱平臺（3）的底部左右兩側設有導向桿（1），所述的熱開關（13）上設有與導向桿（1）相匹配的導向孔，所述的熱開關（13）通過導向孔與導向桿（1）滑動連接，所述的導向桿（1）安裝在支架（2）上，所述的水冷盤（14）置于導向桿（1）的下方；具體包括如下步驟：

（1）熔料：坩堝本體（4）內裝料后升溫，當硅料大部分熔化時，底部的未熔硅料又不斷會浮上來，此時表示硅料已經基大部分熔化完畢；

（2）籽晶接引：硅料熔化后，適當提高頂部加熱體（7）功率，提高頂部溫度，同時保持底部溫度，就能做到籽晶頂部全部熔化，而籽晶的下部全部沒有完全熔化；

（3）筑基：籽晶在接引完成后剛開始生長時的橫向生長，是沿坩堝本體（4）底部向四周的坩堝壁方向生長的，直到鋪滿整個坩堝的堝底且固液界面與坩堝本體（4）鍋底的內平面同樣大小；

（4）晶體向上生長：在整個晶體生長過程中，都保持晶體中和硅熔體中的適當的溫度場，并控制溫度場隨時間的變化，做到使晶體中的各種應力小于產生位錯形核所需要的臨界應力，從而保證鑄錠單晶生長的過程中沒有新的位錯的生長；溫度場能夠保持坩堝本體（4）底部勻速地降溫，保持頂部溫度的大體穩定，同時頂部保溫體（6）的側面懸掛側面加熱體（16）保持坩堝四壁的溫度；

（5）結晶收尾：晶體生長到距離硅液表面小于50mm時，進入結晶的收尾階段，由于晶體接近硅液頂部，因此結晶潛熱對于硅液頂部的溫度升高影響較大，控制頂部加熱體（7）功率，保證在頂部的硅液層小于5~10mm后再降溫；

（6）退火階段：結晶收尾后，在高溫區進行退火，緩慢釋放晶體內部因溫度上高下低產生的熱應力，此時，將頂部加熱體（7）逐漸關閉，底部加熱體（11）根據底部升溫曲線確定是否要增加功率，在一定的速度將打開的底部熱開關（13）再度閉合；

（7）冷卻過程：退火階段結束后，進入冷卻階段，此時將底部熱開關（13）下行到底，與水冷盤（14）接觸使得硅錠能夠更快降溫，以縮短工藝時間，當溫度降到200℃以下時，整個鑄錠單晶的晶體生長工序完成。

2.根據權利要求1所述的一種鑄造單晶方法，其特征是，在步驟（3）中，在筑基開始時，坩堝本體（4）底部的溫度從中央區域開始下降，這樣，籽晶中的固液界面將緩慢上升，當固液界面上升到與坩堝本體（4）底部的籽晶凹坑的上沿齊平時，晶體開始橫向生長。

3.根據權利要求2所述的一種鑄造單晶方法，其特征是，在步驟（3）中，由于坩堝本體（4）底部是中間低四周高的斜坡，因此溫度也是中間低四周高的情況，晶體橫向生長時，坩堝底部不會形核，只有籽晶生長出來的單晶能夠生長，最終該單晶將底部鋪滿同時固液界面保持水平，形成一個上大下小的四方臺形的大單晶體。