[发明专利]单晶硅生长分区式不间断稳定供电技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种提拉法单晶硅生长分区式不间断稳定供电技术，特别涉及硅单晶生长过程中主加热器、辅助加热器、控制系统采用直流供电，炉体冷却、晶体旋转、坩埚旋转等要求交流交频供电的分区式不间断供电技术。

背景技术

在单晶硅的制造工艺中，最常使用的是直拉法（Czochralski，缩写CZ），在直拉法中，多晶硅是填充在石英玻璃坩埚（也称石英坩埚）中，然后加热熔融形成硅熔液，在硅熔液中浸入籽晶后向上旋转提拉，硅在籽晶与熔溶液的界面处凝固结晶，形成单晶硅锭。

硅熔液的温度高达1400℃以上，因此熔化多晶硅以及保持硅的熔化状态，都需要大量极高的能量输入。同时在1400℃的高温下，熔化的辐射散热速度非常快，并且硅单晶生长过程中通入的氩气也带走相当多的热量。因此，单台硅单晶生长炉的用电功率无均较高，尤其是大生长8吋以上大尺寸的单晶，单晶炉的功率达到250kW以上。

硅单晶生长过程中，由于凝固过程中生成单晶要求是原子级别的结构排布，对温度场的变化非常敏感。熔体的温度变化5℃以上，将会引起引晶失败，晶体生长直径增大、减小的变化、晶体内引入空穴或位借等缺陷。而晶体旋转、坩埚旋转、晶体提拉速度等是晶体生长的关键因素，要求非常稳定并与设定值一致，否则将引起熔体的流场变化，形成紊流。也可能影响熔体的温度场，造成晶体中氧浓度分布的不均匀，影响晶体质量，严重时会发生喷硅和漏硅的现象，威胁到设备的安全。发生这些缺陷或问题与工艺相关，但是电源的稳定性是工艺设计的基础和保障。电源的发生毫秒时间的波动，就会影响到晶体的生长，可能引入一个位错缺陷，而这一缺陷会向晶体内部扩散，最终可能贯穿整个晶体，导致晶棒整体失效。因此电源的稳定性是生长晶体的核心技术之一，而市电受到各种因素的影响，波动较大，不进行稳定化处理不能满足要求。而在大尺寸单晶硅的生长过程中，往往采用电磁技术稳定熔体流场，其对电源的稳定性要求更高。

同时，硅单晶的生长周期长达72h以上，对大功率电源的持续性和稳定的要求更高。

硅单晶生长工艺中，通常采用环形的石墨材料做为主热源或主加热器，而石墨电阻材料采用的直流输入模式。部分单晶炉还采用辅助加热器，也是直流供电。而炉体冷却、晶体旋转、坩埚旋转等要求采用交流交频供电。市场上能够获得的大功率不间断电源，多采用三进单出，或是三进三出的模式，造成各相不均衡，影响能源的使用。同时电源电池组按市电需求设计，不能满足硅单晶的生长要求。市电出现故障时，由于负载的不均衡，难以为有效保护晶体的正常生长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提拉法单晶硅生长分区式不间断稳定供电技术，特别涉及硅单晶生长过程中主加热器、辅助加热器、控制系统采用直流供电，炉体冷却、晶体旋转、坩埚旋转等要求交流交频供电的分区式不间断供电技术。

为了达到以上的目的，本发明工艺技术中市电与单晶生长炉完全断开，只通过本发明供电技术供电。硅单晶生长炉用电分成直流和交流两个区域，直流区域为加热器和控制系统，交流区域为炉体冷却、晶体旋转、坩埚旋转等辅助系统。本发明单晶硅生长不间断稳定供电技术主体分成四个部分，第一部分为市电及备用电源输入、整流稳定及充电部分，且通过升压将电压提高12%；第二部分为电池组部分，采用锂离子电池做为长效型电池存储单元，可持续单独供电30min；第三部分为直流输出部分，是主功率输出部分，具备电压和电流的双重供电调节能力，分为多级体系，为加热器和控制系统供电；第四部分为交流输出部分，采用逆变器输出，为冷却水等辅助系统供电，稳定性高，电压及频率波动小。

本发明专利技术的特征在于，电源的输入具备两组电源，分别为380V交流市电和备用380V交流电源，备用电源可以为备用发电机组。电源的功率要求300kW以上。

整流稳定及充电部分的特征在于，电源引入在本发明供电技术是以变压器的方式接入，采用电容、电感滤除输入电源的波动噪声。防止电网上出现的问题对拉晶产生波动冲击，例如市电断电、电压浪涌、波形下陷、瞬态尖峰、谐波干扰以及频率漂移等。

接入变压器为升压变压器，将市电的电压提高12%。功率器件为功率双极晶体管，可以在功率双极晶体管中引入RCD电路，使功率双级晶体管处于安全工作区间。采用6脉冲或12脉冲晶闸管全桥整流，将交流电转换成直流电压。为逆变器供电和电池组充电，见图1。