一種測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法和裝置與流程

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，具體涉及一種測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法和裝置。

背景技術(shù)：

近年來，太陽能作為一種新興的可再生綠色能源已經(jīng)成為了人們開發(fā)和研究的熱點(diǎn)。伴隨著太陽能電池業(yè)的快速發(fā)展，成本低且適于規(guī)模化生產(chǎn)的多晶硅或類單晶硅成為行業(yè)內(nèi)最主要的光伏材料之一，并逐步取代傳統(tǒng)的直拉單晶硅在太陽能電池材料市場(chǎng)中的主導(dǎo)地位。

多晶硅的晶體生長(zhǎng)過程中，其固液界面前沿縱向液相溫度梯度(簡(jiǎn)稱溫度梯度)是一個(gè)很重要的參數(shù)和指標(biāo)，溫度梯度直接影響晶體硅的質(zhì)量，但目前的技術(shù)無法簡(jiǎn)便地獲得溫度梯度數(shù)值，因此，有必要提供一種測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法和裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明提供了一種測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法。該方法可以簡(jiǎn)單、便捷地獲得晶體硅生長(zhǎng)過程中的溫度梯度。本發(fā)明還提供了一種用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作。

本發(fā)明第一方面提供了一種測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，包括：

(1)提供測(cè)試棒和坩堝，所述坩堝中裝有硅熔體，將所述測(cè)試棒置于所述硅熔體中，然后向上提拉，測(cè)試所述測(cè)試棒在所述硅熔體中的拉力值f1；測(cè)試結(jié)束后，提升所述測(cè)試棒至所述坩堝的頂部；

(2)調(diào)節(jié)溫度進(jìn)入長(zhǎng)晶階段，使所述硅熔體開始形核結(jié)晶形成晶體硅，此時(shí)所述坩堝中包括晶體硅、糊狀區(qū)和未結(jié)晶的硅熔體，將所述測(cè)試棒伸入所述坩堝中并下降直至到達(dá)所述晶體硅的位置，然后將所述測(cè)試棒向上提拉，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述測(cè)試棒在提拉過程中的拉力值f變化，所述提拉的速度與步驟(1)的提拉速度相同；當(dāng)所述拉力值f與所述f1相同或相近時(shí)，停止提拉，測(cè)試此時(shí)所述測(cè)試棒的提升高度，所述提升高度即為糊狀區(qū)的厚度l；

(3)按照公式g＝(tl–ts)/l計(jì)算出溫度梯度g與糊狀區(qū)厚度l的數(shù)量關(guān)系，其中tl–ts代表硅熔體tl與晶體硅ts的溫度差，所述tl–ts為常數(shù)。

其中，步驟(2)中，所述測(cè)試棒向上提拉的速度為0.01mm/s-100mm/s。

其中，步驟(2)中，所述測(cè)試棒向上提拉的速度為10mm/s-100mm/s。

其中，當(dāng)所述晶體硅的高度為1cm時(shí)，將所述測(cè)試棒伸入所述坩堝中測(cè)試所述拉力值f的變化。

其中，當(dāng)所述測(cè)試棒下降過程中遇到突然增大的阻力時(shí)表示所述測(cè)試棒到達(dá)所述晶體硅的位置，此時(shí)所述測(cè)試棒停止下降，開始向上提拉。

其中，在長(zhǎng)晶階段，每隔5min-60min測(cè)定一次所述糊狀區(qū)的厚度。

其中，所述測(cè)試棒為石英棒或氮化硅棒。

本發(fā)明第一方面提供的測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，通過測(cè)試鑄錠過程中糊狀區(qū)的厚度獲得溫度梯度和糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關(guān)系，從而獲得溫度梯度變化值，根據(jù)溫度梯度變化值調(diào)整鑄錠加熱器的加熱量及鑄錠爐的散熱量來獲得穩(wěn)定的晶體生長(zhǎng)，從而獲得縱向上穩(wěn)定的硅片制備成電池的轉(zhuǎn)換效率，提高了晶體硅的質(zhì)量。同時(shí)，該方法簡(jiǎn)單易操作。

本發(fā)明第二方面提供了一種用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置，包括測(cè)試棒、與所述測(cè)試棒的一端相連接的壓力傳感器，以及用于驅(qū)動(dòng)所述測(cè)試棒進(jìn)行上下直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置；所述測(cè)試棒的另一端用于伸入鑄錠爐的坩堝中測(cè)試糊狀區(qū)的厚度，所述壓力傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述測(cè)試棒在糊狀區(qū)和硅熔體中上下直線運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的壓力信號(hào)。

其中，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)、與所述電機(jī)連接的用于帶動(dòng)所述測(cè)試棒上下直線運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)件以及用于支撐所述移動(dòng)件的支撐件。

其中，所述實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)，所述壓力傳感器每隔0.1秒采集一次數(shù)據(jù)。

本發(fā)明實(shí)施例第二方面提供的用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置，可方便快捷地測(cè)試得到晶體硅鑄錠過程中溫度梯度，同時(shí)該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作。

綜上，本發(fā)明有益效果包括以下幾個(gè)方面：

1、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，通過測(cè)試鑄錠過程中糊狀區(qū)的厚度獲得溫度梯度和糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關(guān)系，從而獲得溫度梯度變化值，根據(jù)溫度梯度變化值調(diào)整鑄錠加熱器的加熱量及鑄錠爐的散熱量來獲得穩(wěn)定的晶體生長(zhǎng)，從而獲得縱向上穩(wěn)定的硅片制備成電池的轉(zhuǎn)換效率，提高了晶體硅的質(zhì)量。同時(shí)，該方法簡(jiǎn)單易操作；

2、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置，可方便快捷地測(cè)試得到晶體硅鑄錠過程中溫度梯度，同時(shí)該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施方式中用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法的過程圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施方式中測(cè)試棒向上提拉時(shí)拉力變化與糊狀區(qū)厚度關(guān)系曲線；

圖3為本發(fā)明一實(shí)施方式中用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明一實(shí)施方式中用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置的plc控制原理框圖；

圖5為本發(fā)明效果實(shí)施例1得到的多晶硅錠的少子壽命圖；

圖6為本發(fā)明效果實(shí)施例2得到的類單晶硅錠的少子壽命圖。

具體實(shí)施方式

以下所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

參照?qǐng)D1，圖1為本發(fā)明一實(shí)施方式中一種測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法的過程圖；圖1中，1代表測(cè)試棒，2代表坩堝，3代表硅熔體，4代表糊狀區(qū)，5代表晶體硅。本發(fā)明第一方面提供了一種測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，包括：

(1)提供測(cè)試棒1和坩堝2，所述坩堝中裝有硅熔體，將所述測(cè)試棒置于所述硅熔體中，然后向上提拉，測(cè)試所述測(cè)試棒在所述硅熔體中的拉力值f1；測(cè)試結(jié)束后，提升所述測(cè)試棒至所述坩堝的頂部；

(2)調(diào)節(jié)溫度進(jìn)入長(zhǎng)晶階段，使所述硅熔體開始形核結(jié)晶形成晶體硅，此時(shí)所述坩堝中包括晶體硅5、糊狀區(qū)4和未結(jié)晶的硅熔體3，將所述測(cè)試棒1伸入所述坩堝2中并下降直至到達(dá)所述晶體硅5的位置，然后將所述測(cè)試棒1向上提拉，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述測(cè)試棒在提拉過程中的拉力值f變化，所述提拉的速度與步驟(1)的提拉速度相同；當(dāng)所述拉力值f與所述f1相同或相近時(shí)，停止提拉，測(cè)試此時(shí)所述測(cè)試棒1的提升高度，所述提升高度即為糊狀區(qū)的厚度l；

(3)按照公式g＝(tl–ts)/l計(jì)算出溫度梯度g與糊狀區(qū)厚度l的數(shù)量關(guān)系，其中tl–ts代表硅熔體tl與晶體硅ts的溫度差，所述tl–ts為常數(shù)。

本發(fā)明實(shí)施方式中，坩堝為石英坩堝，可選地，坩堝的內(nèi)壁和底部設(shè)置有氮化硅層，氮化硅層的設(shè)置為常規(guī)選擇，對(duì)其厚度和設(shè)置方式不做特殊限定。

本發(fā)明實(shí)施方式中，坩堝底部可設(shè)置籽晶層，然后在籽晶層上方設(shè)置硅熔體，籽晶層的設(shè)置為常規(guī)選擇，其厚度和設(shè)置方式不做特殊限定。

本發(fā)明實(shí)施方式中，晶體硅為多晶硅錠或類單晶硅錠，當(dāng)晶體硅為類單晶硅錠時(shí)，坩堝底部設(shè)有籽晶層。

本發(fā)明實(shí)施方式中，坩堝中硅熔體的來源有：在坩堝中填裝硅料，加熱使硅料熔化形成硅熔體，或者將在另一坩堝中熔化的硅熔體傾倒至該坩堝中。

本發(fā)明實(shí)施方式中，步驟(1)為鑄錠過程中的熔化階段，此時(shí)硅熔體為熔融狀態(tài)。

本發(fā)明實(shí)施方式中，步驟(2)用于測(cè)定測(cè)試棒在硅熔體中的拉力值f1時(shí)，提拉速度與步驟(1)相同。

本發(fā)明實(shí)施方式中，所述測(cè)試棒為石英棒或氮化硅棒。測(cè)試棒可以重復(fù)使用多次。

本發(fā)明實(shí)施方式中，當(dāng)晶體硅的高度為1cm時(shí)，將測(cè)試棒伸入所述坩堝中測(cè)試所述拉力值f的變化。當(dāng)晶體硅高度太小，測(cè)試棒在下降的過程中很容易對(duì)晶體硅產(chǎn)生壓力使晶體硅坍塌，當(dāng)晶體硅高度太大時(shí)再進(jìn)行測(cè)試，可能會(huì)得不到完整的溫度梯度數(shù)據(jù)。

本發(fā)明實(shí)施方式中，當(dāng)所述測(cè)試棒下降過程中遇到突然增大的阻力時(shí)表示所述測(cè)試棒到達(dá)所述晶體硅的位置，此時(shí)所述測(cè)試棒停止下降，開始向上提拉。具體地，當(dāng)所述測(cè)試棒在下降過程中遇到超過35-40n的范圍內(nèi)阻力時(shí)，停止下降，開始向上提拉。可選地，測(cè)試棒的下降速度要大于長(zhǎng)晶速度，以防止測(cè)試棒被不斷生長(zhǎng)的晶體硅固定住。進(jìn)一步可選地，測(cè)試棒下降的速度為0.2mm/s-100mm/s。進(jìn)一步可選地，測(cè)試棒下降的速度為0.2mm/s-10mm/s。進(jìn)一步可選地，測(cè)試棒下降的速度為10mm/s-100mm/s。具體地，測(cè)試棒下降的速度為0.2mm/s、1mm/s、5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s、30mm/s、35mm/s、40mm/s、45mm/s、50mm/s、55mm/s、60mm/s、65mm/s、70mm/s、75mm/s、80mm/s、85mm/s、90mm/s、95mm/s、100mm/s。

本發(fā)明實(shí)施方式中，在長(zhǎng)晶階段，每隔5min-60min測(cè)定一次糊狀區(qū)的厚度，直至溫度梯度保持不變或者長(zhǎng)晶結(jié)束?？梢愿鶕?jù)實(shí)際工藝的需要調(diào)整測(cè)試的次數(shù)和頻率?？蛇x地，每隔5min-30min測(cè)定一次所述糊狀區(qū)的厚度。可選地，每隔30min-60min測(cè)定一次所述糊狀區(qū)的厚度。進(jìn)一步可選地，每隔5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min、60min測(cè)定一次糊狀區(qū)的厚度。

本發(fā)明實(shí)施方式中，測(cè)試棒向上提拉的速度為0.01mm/s-100mm/s。如果提拉速度小于0.01mm/s，測(cè)試棒的提拉速度小于長(zhǎng)晶速度，測(cè)試棒可能會(huì)長(zhǎng)在晶體硅中。如果提拉速度大于100mm/s，可能會(huì)出現(xiàn)超出壓力傳感器測(cè)試精密度的情況。可選地，測(cè)試棒向上提拉的速度為10mm/s-100mm/s?？蛇x地，測(cè)試棒向上提拉的速度為0.01mm/s-10mm/s。進(jìn)一步可選地，測(cè)試棒向上提拉的速度為0.01mm/s、0.1mm/s、1mm/s、5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s、30mm/s、35mm/s、40mm/s、45mm/s、50mm/s、55mm/s、60mm/s、65mm/s、70mm/s、75mm/s、80mm/s、85mm/s、90mm/s、95mm/s、100mm/s。

本發(fā)明實(shí)施方式中，步驟(2)中，當(dāng)所述拉力值f與所述f1相同或相近時(shí)，停止提拉。拉力值f與所述f1相近指的是拉力值f與所述f1的差值小于2n。可選地，當(dāng)所述測(cè)試棒的提升高度測(cè)試結(jié)束，可將所述測(cè)試棒提升至所述坩堝的頂部且不與硅熔體接觸以待用。

在鑄錠過程中，坩堝中會(huì)形成糊狀區(qū)，在定向凝固過程中，一個(gè)穩(wěn)定的平面的固液相界面總是以一個(gè)較大溫度梯度為先決條件。因此，一旦一個(gè)定向凝固試樣處于一個(gè)穩(wěn)定的溫度梯度條件下，對(duì)應(yīng)于這個(gè)溫度梯度及晶體的固液相溫度必然存在一個(gè)低于固相線溫度的固相區(qū)、高于液相線溫度的液相區(qū)以及介乎于固相線與液相線之問的固液相共存的糊狀區(qū)(mushy-zone)。糊狀區(qū)是一個(gè)不穩(wěn)定的區(qū)域，該區(qū)域?qū)⒂绊懳⒂^組織形態(tài)、凝固缺陷及晶體材料的機(jī)械性能，同時(shí)將影響穩(wěn)定的平面的固液相界面的穩(wěn)定。在多晶硅錠長(zhǎng)晶過程中，由于糊狀區(qū)的粘滯力與硅熔體不同，通過測(cè)試糊狀區(qū)對(duì)測(cè)試棒的向上的拉力值及拉力值變化來衡量硅錠生長(zhǎng)前沿的糊狀區(qū)厚度，從而獲得多晶硅錠長(zhǎng)晶前沿的穩(wěn)定梯度。獲得該縱向溫度梯度變化后，可指導(dǎo)晶體生長(zhǎng)的工藝調(diào)試及衡量定向凝固定向生長(zhǎng)界面的穩(wěn)定性，從而獲得頭尾效率更加均勻的晶體硅。

本發(fā)明方法的運(yùn)用范圍遠(yuǎn)不止g5硅錠，同樣可實(shí)現(xiàn)于g6、g7硅錠、類單晶、半熔法、全熔法生產(chǎn)高效多晶。

本發(fā)明實(shí)施例第一方面提供了測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，通過在測(cè)試棒上升過程中，測(cè)試?yán)ψ兓c時(shí)間的關(guān)系，測(cè)試得到糊狀區(qū)的厚度。進(jìn)一步通過測(cè)試鑄錠過程中糊狀區(qū)的厚度獲得溫度梯度和糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關(guān)系，從而獲得溫度梯度變化值，根據(jù)溫度梯度變化值調(diào)整鑄錠加熱器的加熱量及鑄錠爐的散熱量來獲得穩(wěn)定的晶體生長(zhǎng)，提高了晶體硅的質(zhì)量，從而獲得縱向上穩(wěn)定的電池的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，該方法簡(jiǎn)單易操作。

圖3為本發(fā)明一實(shí)施方式中用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明一實(shí)施方式中用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置的plc控制原理框圖；參照?qǐng)D3和圖4，本發(fā)明實(shí)施例第二方面提供了一種用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置，包括測(cè)試棒10、與所述測(cè)試棒10的一端相連接的壓力傳感器20，以及用于驅(qū)動(dòng)所述測(cè)試棒10進(jìn)行上下直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置30；所述測(cè)試棒10的另一端用于伸入鑄錠爐40(只顯示部分鑄錠爐結(jié)構(gòu))的坩堝41中測(cè)試糊狀區(qū)的厚度，所述壓力傳感器20用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述測(cè)試棒10在糊狀區(qū)和硅熔體中上下直線運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的壓力信號(hào)。圖3中的箭頭表示測(cè)試棒的移動(dòng)方向。

本發(fā)明提供的用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置，通過實(shí)時(shí)測(cè)試測(cè)試棒上升過程中拉力的變化與時(shí)間的關(guān)系，測(cè)試糊狀區(qū)的厚度。

本發(fā)明實(shí)施方式中，測(cè)試棒的上下直線運(yùn)動(dòng)指的是測(cè)試棒在硅熔體中以垂直于坩堝底部的方向做上升或下降運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明實(shí)施方式中，所述壓力傳感器的采樣頻率是10hz。可選地，所述實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)，所述壓力傳感器每隔0.1秒采集一次數(shù)據(jù)。

本發(fā)明實(shí)施方式中，根據(jù)測(cè)試棒在糊狀區(qū)和硅熔體中上升直線運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的力信號(hào)確定糊狀區(qū)的厚度。再根據(jù)糊狀區(qū)的厚度按照公式g＝(tl–ts)/l計(jì)算出溫度梯度g和糊狀區(qū)厚度l的數(shù)量關(guān)系。

本發(fā)明實(shí)施方式中，在晶體硅鑄錠過程中的熔化階段，所述坩堝中裝有硅熔體，將所述測(cè)試棒置于所述硅熔體中，然后向上提拉，測(cè)試所述測(cè)試棒在所述硅熔體中的拉力值f1；測(cè)試結(jié)束后，提升所述測(cè)試棒至所述坩堝的頂部；

在晶體硅鑄錠過程中的長(zhǎng)晶階段，當(dāng)所述硅熔體開始形核結(jié)晶形成晶體硅，此時(shí)所述坩堝中包括晶體硅、糊狀區(qū)和未結(jié)晶的硅熔體，將所述測(cè)試棒伸入所述坩堝中并下降直至到達(dá)所述晶體硅的位置，然后將所述測(cè)試棒向上提拉，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述測(cè)試棒在提拉過程中的拉力值f變化，當(dāng)所述拉力值f與所述f1相同或相近時(shí)，停止提拉，測(cè)試此時(shí)所述測(cè)試棒的提升高度，所述提升高度即為糊狀區(qū)的厚度l。

本發(fā)明實(shí)施方式中，測(cè)試棒的材質(zhì)包括石英或氮化硅。對(duì)測(cè)試棒的長(zhǎng)度和直徑不做特殊限定。可選地，測(cè)試棒可重復(fù)利用多次?？蛇x地，在測(cè)試之前或測(cè)試結(jié)束后，測(cè)試棒可以設(shè)置在坩堝上部，不與硅熔體接觸，這樣測(cè)試棒不用的時(shí)候可以脫離高溫區(qū)，防止測(cè)試棒高溫變形，提高測(cè)試棒的充分利用的次數(shù)?？蛇x地，鑄錠爐上設(shè)有導(dǎo)氣孔，測(cè)試棒從導(dǎo)氣孔中伸入鑄錠爐中用于測(cè)試糊狀區(qū)的厚度。

本發(fā)明實(shí)施方式中，用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置還包括plc和人機(jī)界面，plc分別與所述壓力傳感器、所述驅(qū)動(dòng)裝置和所述人機(jī)界面電連接，所述plc根據(jù)接收到的所述壓力傳感器的信號(hào)和所述人機(jī)界面輸入的參數(shù)值控制所述驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)所述測(cè)試棒進(jìn)行上下直線運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明實(shí)施方式中，所述壓力傳感器包括常用的壓電式傳感器，壓力傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試棒上下直線運(yùn)動(dòng)過程中的力度變化信號(hào)并可將該信號(hào)傳遞給plc?？蛇x地，壓力傳感器可對(duì)測(cè)試棒上下直線運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的壓力信號(hào)進(jìn)行采集和讀數(shù)，并將讀數(shù)結(jié)果傳遞給plc，并通過plc傳遞給人機(jī)界面并顯示于人機(jī)界面上?？蛇x地，壓力傳感器通過夾具與測(cè)試棒連接。

本發(fā)明實(shí)施方式中，所述人機(jī)界面是觸摸屏。

本發(fā)明實(shí)施方式中，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)31、與所述電機(jī)連接的用于帶動(dòng)所述測(cè)試棒上下直線運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)件32以及用于支撐所述移動(dòng)件的支撐件33?？蛇x地，驅(qū)動(dòng)裝置上設(shè)置有位置傳感器以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)裝置的行程。

本發(fā)明一實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)裝置包括電缸?？蛇x地，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)和滑動(dòng)絲杠，所述滑動(dòng)絲杠包括導(dǎo)軌和在導(dǎo)軌上滑動(dòng)的滑塊，所述電機(jī)設(shè)置在所述導(dǎo)軌的頂部用于驅(qū)動(dòng)所述滑塊在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，所述滑塊與所述壓力傳感器連接用于帶動(dòng)所述測(cè)試棒進(jìn)行上下直線運(yùn)動(dòng)。具體地，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊在導(dǎo)軌上下滑動(dòng)的時(shí)候，帶動(dòng)測(cè)試棒進(jìn)行上下移動(dòng)。根據(jù)滑塊的高度變化，可以得到測(cè)試棒的高度變化，從而獲得糊狀區(qū)的厚度?；瑝K在導(dǎo)軌上作勻速運(yùn)動(dòng)，其速度是可知的，再根據(jù)滑塊滑動(dòng)的時(shí)間可以計(jì)算出滑塊滑動(dòng)的高度。此外，本發(fā)明也可以在測(cè)試棒或滑塊上設(shè)置位置傳感器以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試棒或滑塊的位置。

本發(fā)明一實(shí)施方式中，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括滾動(dòng)絲桿、設(shè)置在滾動(dòng)絲桿上的驅(qū)動(dòng)器以及設(shè)置在所述滾動(dòng)絲桿頂部的電機(jī)，所述電機(jī)通過正反向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾動(dòng)絲桿做正方向旋轉(zhuǎn)，所述驅(qū)動(dòng)器隨著所述滾動(dòng)絲桿的正反向旋轉(zhuǎn)做上下直線運(yùn)動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)器與所述壓力傳感器連接用于帶動(dòng)所述測(cè)試棒進(jìn)行上下直線運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明一實(shí)施方式中，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括傳動(dòng)齒條、與所述傳動(dòng)齒條嚙合的傳動(dòng)輪組，以及用于驅(qū)動(dòng)所述傳動(dòng)輪組在所述傳動(dòng)齒條上下移動(dòng)的電機(jī)；所述傳動(dòng)輪組與所述力度傳感器連接用于帶動(dòng)所述測(cè)試棒進(jìn)行上下直線運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明一實(shí)施方式中，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括與所述測(cè)試棒連接的重錘、與所述測(cè)試棒連接用于帶動(dòng)測(cè)試棒上下直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)絲桿、用于驅(qū)動(dòng)所述傳動(dòng)絲桿上下直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)電機(jī)和用于監(jiān)測(cè)所述重錘移動(dòng)信息的接近傳感器，所述傳動(dòng)電機(jī)通過正反向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)傳動(dòng)絲桿做上下直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)所述測(cè)試棒做上下直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)所述接近傳感器監(jiān)測(cè)到所述重錘位置發(fā)生移動(dòng)時(shí)，所述接近傳感器指示所述傳動(dòng)電機(jī)開始反轉(zhuǎn)。可選地，當(dāng)所述測(cè)試棒伸入所述坩堝中并下降直至到達(dá)所述晶體硅的位置時(shí)，重錘會(huì)被頂起發(fā)生移動(dòng)，觸發(fā)接近傳感器發(fā)送信號(hào)至plc，plc控制電機(jī)開始反轉(zhuǎn)。

本發(fā)明一實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)裝置可包括氣缸。進(jìn)一步可選地，氣缸的活塞桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)測(cè)試棒上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測(cè)試棒和活塞桿之間設(shè)有壓力傳感器。可選地，驅(qū)動(dòng)裝置還可以是液壓缸或其它動(dòng)力裝置。

本發(fā)明實(shí)施方式中，所述測(cè)試棒或移動(dòng)件上設(shè)有位置傳感器，用來監(jiān)測(cè)所述測(cè)試棒的行程并將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸至plc?？蛇x地，所述支撐件上設(shè)有外凸的上限位塊和下限位塊。上限位塊的作用是避免驅(qū)動(dòng)裝置中的移動(dòng)件在上升過程中脫離驅(qū)動(dòng)裝置，下限位塊的作用是避免驅(qū)動(dòng)裝置中的移動(dòng)件在下降過程中帶動(dòng)測(cè)試棒接觸到坩堝底部使測(cè)試棒斷裂。這里的移動(dòng)件可以為滑塊、傳動(dòng)輪組等。

本發(fā)明實(shí)施方式中，當(dāng)測(cè)試棒在下降過程中接觸到晶體硅，測(cè)試棒端部受到晶體硅的壓力并將該壓力傳至壓力傳感器，壓力傳感器感應(yīng)該壓力并將該信號(hào)傳遞給plc表示此時(shí)測(cè)試棒的端部已經(jīng)與晶體硅接觸，plc根據(jù)該信號(hào)使驅(qū)動(dòng)裝置停止運(yùn)行，然后plc控制驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行反向運(yùn)行，帶動(dòng)測(cè)試棒向上運(yùn)動(dòng)離開晶體硅，當(dāng)壓力傳感器感應(yīng)到測(cè)試棒受到的壓力f與測(cè)試棒在硅熔體中的提拉壓力f1相同或相近時(shí)，plc根據(jù)該信號(hào)后，使驅(qū)動(dòng)裝置停止運(yùn)行，根據(jù)此時(shí)測(cè)試棒提升的高度可以確定糊狀區(qū)的厚度，根據(jù)該糊狀區(qū)的厚度可以計(jì)算出溫度梯度與糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關(guān)系。

本發(fā)明實(shí)施方式中，plc內(nèi)可以具有運(yùn)算單元，用于對(duì)接收到的來自位置傳感器和壓力傳感器的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析，從而得到溫度梯度的數(shù)值并將該數(shù)值顯示于人機(jī)界面上。運(yùn)算單元的設(shè)置使得本發(fā)明提供的溫度梯度自動(dòng)測(cè)量裝置能夠直接由人機(jī)界面輸出多晶爐的溫度梯度的數(shù)值，從而省去了人工計(jì)算分析的步驟，提高了測(cè)量效率。

本發(fā)明實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)裝置可通過固定裝置固定在鑄錠爐上，具體地，可通過螺栓、支架等固定在鑄錠爐上。

本發(fā)明實(shí)施例提供的用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置的運(yùn)用范圍遠(yuǎn)不止g5硅錠，同樣可實(shí)現(xiàn)于g6、g7硅錠、類單晶、半熔法、全熔法生產(chǎn)高效多晶。

應(yīng)用上述用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置對(duì)溫度梯度進(jìn)行測(cè)量的方法，包括以下步驟：

1)首先通過人機(jī)界面向plc輸入用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置的測(cè)量周期t及壓力傳感器的感應(yīng)壓力值f1和f2；f2為測(cè)試棒下降過程中與晶體硅接觸的時(shí)候表面受到的壓力；f1為測(cè)試棒在硅熔體中上升過程中的受到的拉力值；

2)plc啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)測(cè)試棒從初始位置緩慢下降至測(cè)試棒的下端接近晶體硅的表面；

3)當(dāng)測(cè)試棒的下端接觸到晶體硅的表面，并且在晶體硅表面受到的壓力達(dá)到f2時(shí)，壓力傳感器將感應(yīng)到的信號(hào)傳遞至plc，plc根據(jù)該信號(hào)使驅(qū)動(dòng)裝置停止運(yùn)行，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)裝置的行程h1傳遞給plc，plc對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行記錄并通過人機(jī)界面顯示；

4)plc控制驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行反向運(yùn)行，帶動(dòng)測(cè)試棒向上運(yùn)動(dòng)離開晶體硅，當(dāng)壓力傳感器感應(yīng)到測(cè)試棒受到的拉力f與f1相同或相近時(shí)，plc根據(jù)該信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)裝置停止運(yùn)行，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)裝置的行程h2或者驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行時(shí)間s和速度v傳遞給plc，plc對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行記錄并通過人機(jī)界面顯示；測(cè)試棒被驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)向遠(yuǎn)離硅錠表面的方向運(yùn)動(dòng)至初始位置以便進(jìn)行下一次測(cè)量；

5)經(jīng)過一個(gè)測(cè)量周期t的時(shí)間后，根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置的移動(dòng)的高度，計(jì)算出第一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)溫度梯度g＝(tl–ts)/l，l＝h2-h1或l＝vs；

6)重復(fù)上述步驟2)至5)，即可計(jì)算出每個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的晶體硅鑄錠過程中的溫度梯度。

本發(fā)明實(shí)施例第二方面提供的用于測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置，可方便快捷地測(cè)試得到晶體硅鑄錠過程中溫度梯度，同時(shí)該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作。

實(shí)施例1

一種測(cè)量多晶硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，包括：

(1)提供測(cè)試棒和坩堝，坩堝中裝有硅熔體，將測(cè)試棒置于硅熔體中，然后向上提拉，測(cè)試測(cè)試棒在硅熔體中的拉力值f1；測(cè)試結(jié)束后，提升測(cè)試棒至坩堝的頂部；

(2)調(diào)節(jié)溫度進(jìn)入長(zhǎng)晶階段，使硅熔體進(jìn)行形核結(jié)晶形成多晶硅，此時(shí)坩堝中包括多晶硅、糊狀區(qū)和未結(jié)晶的硅熔體，將測(cè)試棒伸入坩堝中并下降直至到達(dá)多晶硅的位置，然后將測(cè)試棒向上提拉，提拉的速度與步驟(1)的提拉速度相同，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試棒在提拉過程中的拉力值f變化；當(dāng)拉力值f與f1相同時(shí)，停止提拉，測(cè)試此時(shí)測(cè)試棒的提升高度，提升高度即為糊狀區(qū)的厚度l；

(3)按照公式g＝(tl–ts)/l計(jì)算出溫度梯度和糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關(guān)系，其中g(shù)代表溫度梯度，tl–ts代表為多晶硅與硅熔體的溫度差，tl–ts為常數(shù)，l為糊狀區(qū)的厚度。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中測(cè)試棒向上提拉時(shí)拉力變化與糊狀區(qū)厚度關(guān)系曲線；圖2中實(shí)線代表測(cè)試棒在硅熔體中的拉力值變化(全熔)，虛線代表在長(zhǎng)晶階段測(cè)試棒在糊狀區(qū)和硅熔體中的拉力值變化。從圖2中可以看出，當(dāng)測(cè)試棒下降過程中遇到突然增大的阻力時(shí)表示測(cè)試棒到達(dá)多晶硅的位置，此時(shí)測(cè)試棒停止下降，開始向上提拉。拉力值f也慢慢下降，當(dāng)拉力值f與f1＝20n相同時(shí)，停止提拉，測(cè)試此時(shí)測(cè)試棒的提升高度，提升高度即為糊狀區(qū)的厚度l；從圖2中可以看出，本實(shí)施例測(cè)試得到的糊狀區(qū)的厚度l＝3.1mm，此時(shí)的溫度梯度為：g＝(tl–ts)/l＝(tl–ts)/3.1。

實(shí)施例2

一種測(cè)量多晶硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，包括：

(1)提供測(cè)試棒和坩堝，坩堝中裝有硅熔體，將測(cè)試棒置于硅熔體中，然后向上提拉，測(cè)試測(cè)試棒在硅熔體中的拉力值f1；測(cè)試結(jié)束后，提升測(cè)試棒至坩堝的頂部；

(2)調(diào)節(jié)溫度進(jìn)入長(zhǎng)晶階段，使硅熔體進(jìn)行形核結(jié)晶形成多晶硅，此時(shí)坩堝中包括多晶硅、糊狀區(qū)和未結(jié)晶的硅熔體，將測(cè)試棒伸入坩堝中并下降直至到達(dá)多晶硅的位置，然后將測(cè)試棒向上提拉，提拉的速度與步驟(1)的提拉速度相同，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試棒在提拉過程中的拉力值f變化；當(dāng)拉力值f與f1相同時(shí)，停止提拉，測(cè)試此時(shí)測(cè)試棒的提升高度，提升高度即為糊狀區(qū)的厚度l；

(3)按照公式g＝(tl–ts)/l計(jì)算出溫度梯度和糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關(guān)系，其中g(shù)代表溫度梯度，tl–ts代表為多晶硅與硅熔體的溫度差，tl–ts為常數(shù)，l為糊狀區(qū)的厚度。

經(jīng)測(cè)定，本實(shí)施例測(cè)試得到的糊狀區(qū)的厚度l＝3.0mm，此時(shí)的溫度梯度為：g＝(tl–ts)/l＝(tl–ts)/3.0。

實(shí)施例3

一種測(cè)量多晶硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，包括：

(1)提供測(cè)試棒和坩堝，坩堝中裝有硅熔體，將測(cè)試棒置于硅熔體中，然后向上提拉，測(cè)試測(cè)試棒在硅熔體中的拉力值f1；測(cè)試結(jié)束后，提升測(cè)試棒至坩堝的頂部；

(2)調(diào)節(jié)溫度進(jìn)入長(zhǎng)晶階段，使硅熔體進(jìn)行形核結(jié)晶形成多晶硅，此時(shí)坩堝中包括多晶硅、糊狀區(qū)和未結(jié)晶的硅熔體，將測(cè)試棒伸入坩堝中并下降直至到達(dá)多晶硅的位置，然后將測(cè)試棒向上提拉，提拉的速度與步驟(1)的提拉速度相同，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試棒在提拉過程中的拉力值f變化；當(dāng)拉力值f與f1相同時(shí)，停止提拉，測(cè)試此時(shí)測(cè)試棒的提升高度，提升高度即為糊狀區(qū)的厚度l；

(3)按照公式g＝(tl–ts)/l計(jì)算出溫度梯度和糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關(guān)系，其中g(shù)代表溫度梯度，tl–ts代表為多晶硅與硅熔體的溫度差，tl–ts為常數(shù)，l為糊狀區(qū)的厚度。

本實(shí)施例測(cè)試得到的糊狀區(qū)的厚度l＝3.2mm，此時(shí)的溫度梯度為：g＝(tl–ts)/l＝(tl–ts)/3.2。

實(shí)施例4

一種測(cè)量類單晶硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，包括：

(1)提供測(cè)試棒和坩堝，坩堝中裝有硅熔體，將測(cè)試棒置于硅熔體中，然后向上提拉，測(cè)試測(cè)試棒在硅熔體中的拉力值f1；測(cè)試結(jié)束后，提升測(cè)試棒至坩堝的頂部；

(2)調(diào)節(jié)溫度進(jìn)入長(zhǎng)晶階段，使硅熔體進(jìn)行形核結(jié)晶形成晶體硅，此時(shí)坩堝中包括類單晶硅、糊狀區(qū)和未結(jié)晶的硅熔體，將測(cè)試棒伸入坩堝中并下降直至到達(dá)類單晶硅的位置，然后將測(cè)試棒向上提拉，提拉的速度與步驟(1)的提拉速度相同，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試棒在提拉過程中的拉力值f變化；當(dāng)拉力值f與f1相同時(shí)，停止提拉，測(cè)試此時(shí)測(cè)試棒的提升高度，提升高度即為糊狀區(qū)的厚度l；

(3)按照公式g＝(tl–ts)/l計(jì)算出溫度梯度和糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關(guān)系，其中g(shù)代表溫度梯度，tl–ts代表為類單晶硅與硅熔體的溫度差，tl–ts為常數(shù)，l為糊狀區(qū)的厚度。

經(jīng)測(cè)定，本實(shí)施例測(cè)試得到的糊狀區(qū)的厚度l＝2.5mm，此時(shí)的溫度梯度為：g＝(tl–ts)/l＝(tl–ts)/2.5。

效果實(shí)施例1

晶體的溫度梯度決定了定向凝固的定向性，定向凝固的定向性越好，晶體生長(zhǎng)的環(huán)境越穩(wěn)定，雜質(zhì)的分凝、位錯(cuò)的增殖、晶體的長(zhǎng)大就會(huì)受到控制，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)晶體的一致性，從而提高晶體整體的質(zhì)量。因此，溫度梯度將影響定向凝固生產(chǎn)多晶硅錠或類單晶硅錠的質(zhì)量。本實(shí)施例將根據(jù)溫度梯度來減少多晶硅錠和類單晶硅錠的頭尾效率差異及提高整錠的效率：

對(duì)比實(shí)施例1：按照常規(guī)的多晶硅鑄錠的方法進(jìn)行鑄錠，并測(cè)試鑄錠過程中的溫度梯度變化，制得多晶硅錠。

實(shí)施例5：根據(jù)實(shí)施例1的溫度梯度變化數(shù)值，在實(shí)施例5多晶硅鑄錠過程中調(diào)整溫度梯度，使坩堝頂部位置的溫度梯度接近于坩堝底部的溫度梯度，最終加熱器的溫度為1435度，隔熱籠的高度為18cm，制得多晶硅錠。

將對(duì)比實(shí)施例1和實(shí)施例5的多晶硅錠進(jìn)行測(cè)試，采用semilab2000檢測(cè)硅塊少子壽命圖，具體結(jié)果如圖5所示，圖5為對(duì)比實(shí)施例1(左圖)和實(shí)施例5(右圖)的多晶硅錠的少子壽命圖。從圖5中可以看出，未進(jìn)行溫度梯度調(diào)整的對(duì)比實(shí)施例1得到的多晶硅錠存在較多缺陷，少子壽命較低。而本發(fā)明實(shí)施例5調(diào)整后得到多晶硅錠的少子壽命較高，缺陷較少。這證明了本發(fā)明通過測(cè)試糊狀區(qū)厚度得到溫度梯度與糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關(guān)系，進(jìn)而調(diào)節(jié)溫度梯度，可使硅塊內(nèi)晶體缺陷及位錯(cuò)減少、純凈度提升，整體硅塊少子壽命提升，從而達(dá)到硅片效率的提升。

效果實(shí)施例2

對(duì)比實(shí)施例2：按照常規(guī)的類單晶硅鑄錠的方法進(jìn)行鑄錠，并測(cè)試鑄錠過程中的溫度梯度變化，制得類單晶硅錠。

實(shí)施例6：根據(jù)實(shí)施例4的溫度梯度變化數(shù)值，在實(shí)施例6類單晶鑄錠過程中調(diào)整溫度梯度，使坩堝頂部位置的溫度梯度接近于坩堝底部的溫度梯度，最終加熱器的溫度為1439度，隔熱籠的高度為19cm，制得類單晶硅錠。

將對(duì)比實(shí)施例2和實(shí)施例6的類單晶硅錠進(jìn)行測(cè)試，采用semilab2000檢測(cè)硅塊少子壽命圖，具體結(jié)果如圖6所示，圖6為對(duì)比實(shí)施例2(左圖)和實(shí)施例6(右圖)的類單晶硅錠的少子壽命圖。從圖6中可以看出，未進(jìn)行溫度梯度調(diào)整的對(duì)比實(shí)施例2得到的類單晶硅錠存在較多缺陷，少子壽命較低。而本發(fā)明實(shí)施例6調(diào)整后得到類單晶硅錠的少子壽命較高，缺陷較少。這證明了本發(fā)明通過測(cè)試糊狀區(qū)厚度得到溫度梯度與糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關(guān)系，進(jìn)而調(diào)節(jié)溫度梯度，可使硅塊內(nèi)晶體缺陷及位錯(cuò)減少、純凈度提升，整體硅塊少子壽命提升，從而達(dá)到硅片效率的提升。

綜上，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種測(cè)量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，通過測(cè)試糊狀區(qū)的厚度，獲得溫度梯度和糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關(guān)系，從而可以調(diào)整鑄錠過程中的溫度梯度，獲得質(zhì)量較高的多晶硅錠。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。