[发明专利]一种不对称的双环路侧部加热器

说明书

本发明涉及一种晶体生长炉用双环路侧部加热器。每个环路有两个电极，两个环路的电极交替布置将环路圆周均分为四段。在每个电极处，两环路在竖直方向上相互交叉，在交叉点处两环路保持电绝缘。两环路分别连接单相工频电源。上层加热带优选直板结构，下层加热带为蛇形周期结构，下层加热带电阻显著大于上层加热带电阻。下层蛇形周期结构具有上下不对称性，其向上凸起半波形的宽度，大于向下凸起半波形宽度；其向上凸起半波形的上部的横截面积，大于向下凸起半波形下部横截面积。这种不对称交叉双环路结构，电流分布重心向上偏移，可以产生更均匀的电磁力场，而发热量分布重心向下偏移，可以抑制铸造单晶生长中的侧壁形核和多晶侵入。

技术领域

本发明涉及晶体生长设备领域，特别涉及一种晶硅铸锭炉用的侧部电阻加热器结构及其使用方法。

背景技术

在硅晶体铸锭生长过程中，熔硅中的碳和氮杂质一般都达到饱和溶解度浓度,其固液分凝系数分别是0.07和不到0.001的水平，意味着固液界面向前推进过程中，绝大部分的碳和氮杂质都将被排到熔硅中。如果熔硅中没有足够强度的对流，排入熔体中的碳氮杂质不能被及时带走，将在界面前沿形成杂质富集层，促进碳化硅和氮化硅的形核析出，降低铸锭良率和切片良率。对于铸造单晶影响更大，考虑到晶粒和位错更容易在杂质点处形核生长。因此，足够强度的熔硅对流是铸锭单晶生长的前提条件。

铸锭单晶生长的另一个前提条件是要能够保持固液界面平坦，也就是保证温度分布的均匀性和对称性，避免冷热区分布的不对称性。在晶体生长过程中，熔硅流速达到几个厘米每秒，对流传热是主导传热形式。因此，热对称性不仅依赖于发热体和热场保温结构的对称均匀性，更依赖于熔硅流场的对称性，特别是要避免熔硅的上下翻腾流动，考虑熔硅向上流的区域会偏冷，界面内斜，引起侧壁形核和多晶区侵入，而熔硅向下流的区域，热硅流的冲刷导致偏热，界面外斜，热应力大，位错密度增加，电池效率下降。

在保证足够对流强度前提下，保持对流的圆周对称性，改善冷热区均匀性，是铸造单晶设备要解决的核心问题。现有晶硅铸锭炉无法同时满足上述两项要求。国内约六千台铸锭炉大部分为GT类炉型，其加热器包括位于坩埚上方的顶部加热器和位于坩埚侧面的侧部加热器。在一些近期交付使用的大尺寸炉台上，顶侧加热器之外，又增加了独立控制的位于坩埚下方的底部加热器。顶、侧和底部加热器分别连接三相交流电源。沿ABC方向的旋转磁场引起熔硅同方向的旋转流动。由于电流是通过吊臂自上而下引入侧加热器环路，电流分布在竖直方向上的不对称性，导致电极两侧的熔硅在竖直方向上所受电磁力的不对称。以电极B为例，在其附近区域，偏向A电极一侧，熔硅会受到向上的拉力，而在偏向C电极一侧，则会受到向下的推力。电磁力场的不对称性，导致熔硅对流的不对称，晶体生长过程中冷热区分布很不均匀，无法实现高质量的铸锭单晶生长。

提升电压降低电流，电磁洛伦兹力相应下降，其所引起的对流不对称性相应改善。但是在电磁搅拌力不足的情况下，需要依赖热对流来保证必要的排杂能力。热对流的浮力来源于同一水平面上的温度差异分布，热对流的产生必然伴随着固液界面的倾斜分布。在一个扁平的熔池中，需要更大的驱动力来维持一个有序的适当强度的热对流流场，意味着在G7或G8大尺寸铸锭中，需要有更大的中心-边缘固液界面高度差，这会损害晶体质量。首先，过度凸起的界面意味着更长的边缘长晶时间，也就是更严重的杂质扩散；其次，更凸的界面也意味着在温度均匀化的退火过程中会产生更高的应力，导致更高的位错密度；再次，在掺镓的硅晶体中，由于镓的分凝系数只有0.008，不平整的固液界面意味着热区晶砖的上部容易出现低电阻，以及在同一张硅片内电阻率分布的不均匀。由于凸界面的以上弊端，以及弱对流带来的排杂阴影问题，国内外几家公司先后放弃了高电压低电流这一技术方向上的设备工艺研发。

加热器的发热均匀性是高质量长晶的基础，侧部加热器上下分层独立控制结构，侧加热器上层和顶加热器并联的结构，顶和侧部加热器通过厚度变化实现局部发热量调控的设计，侧部加热器采用六电极同时和顶加热器共享其中三个电极的结构等不同设计见于专利CN107523867、CN107699943和CN108193266。前述的结构都是针对加热器发热量均匀性的改善，并不能解决吊臂处洛伦兹力不对称，进一步引起的晶锭冷热区不对称问题。