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

背景技術：

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。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中的主導地位。

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

技術實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明第一方面提供了一種測量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，包括：

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

(2)調節(jié)溫度進入長晶階段，使所述硅熔體開始形核結晶形成晶體硅，此時所述坩堝中包括晶體硅、糊狀區(qū)和未結晶的硅熔體，將所述測試棒伸入所述坩堝中并下降直至到達所述晶體硅的位置，然后將所述測試棒向上提拉，實時監(jiān)測所述測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；當所述拉力值f與所述f1相同或相近時，停止提拉，測試此時所述測試棒的提升高度，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計算出溫度梯度g與糊狀區(qū)厚度l的數(shù)量關系，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，所述測試棒向上提拉的速度為0.01mm/s-100mm/s。

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

其中，當所述晶體硅的高度為1cm時，將所述測試棒伸入所述坩堝中測試所述拉力值f的變化。

其中，當所述測試棒下降過程中遇到突然增大的阻力時表示所述測試棒到達所述晶體硅的位置，此時所述測試棒停止下降，開始向上提拉。

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

其中，所述測試棒為石英棒或氮化硅棒。

本發(fā)明第一方面提供的測量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，通過測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)量關系，從而獲得溫度梯度變化值，根據(jù)溫度梯度變化值調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，從而獲得縱向上穩(wěn)定的硅片制備成電池的轉換效率，提高了晶體硅的質量。同時，該方法簡單易操作。

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

其中，所述驅動裝置包括電機、與所述電機連接的用于帶動所述測試棒上下直線運動的移動件以及用于支撐所述移動件的支撐件。

其中，所述實時監(jiān)測時，所述壓力傳感器每隔0.1秒采集一次數(shù)據(jù)。

本發(fā)明實施例第二方面提供的用于測量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置，可方便快捷地測試得到晶體硅鑄錠過程中溫度梯度，同時該裝置結構簡單、易操作。

綜上，本發(fā)明有益效果包括以下幾個方面：

1、本發(fā)明實施例提供了一種測量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，通過測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)量關系，從而獲得溫度梯度變化值，根據(jù)溫度梯度變化值調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，從而獲得縱向上穩(wěn)定的硅片制備成電池的轉換效率，提高了晶體硅的質量。同時，該方法簡單易操作；

2、本發(fā)明實施例提供了一種用于測量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置，可方便快捷地測試得到晶體硅鑄錠過程中溫度梯度，同時該裝置結構簡單、易操作。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施方式中用于測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)明一實施方式中測試棒向上提拉時拉力變化與糊狀區(qū)厚度關系曲線；

圖3為本發(fā)明一實施方式中用于測量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明一實施方式中用于測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)明效果實施例2得到的類單晶硅錠的少子壽命圖。

具體實施方式

以下所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍。

參照圖1，圖1為本發(fā)明一實施方式中一種測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量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，包括：

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

(2)調節(jié)溫度進入長晶階段，使所述硅熔體開始形核結晶形成晶體硅，此時所述坩堝中包括晶體硅5、糊狀區(qū)4和未結晶的硅熔體3，將所述測試棒1伸入所述坩堝2中并下降直至到達所述晶體硅5的位置，然后將所述測試棒1向上提拉，實時監(jiān)測所述測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；當所述拉力值f與所述f1相同或相近時，停止提拉，測試此時所述測試棒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計算出溫度梯度g與糊狀區(qū)厚度l的數(shù)量關系，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)明實施方式中，坩堝為石英坩堝，可選地，坩堝的內(nèi)壁和底部設置有氮化硅層，氮化硅層的設置為常規(guī)選擇，對其厚度和設置方式不做特殊限定。

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

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

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

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

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

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

本發(fā)明實施方式中，當所述測試棒下降過程中遇到突然增大的阻力時表示所述測試棒到達所述晶體硅的位置，此時所述測試棒停止下降，開始向上提拉。具體地，當所述測試棒在下降過程中遇到超過35-40n的范圍內(nèi)阻力時，停止下降，開始向上提拉?？蛇x地，測試棒的下降速度要大于長晶速度，以防止測試棒被不斷生長的晶體硅固定住。進一步可選地，測試棒下降的速度為0.2mm/s-100mm/s。進一步可選地，測試棒下降的速度為0.2mm/s-10mm/s。進一步可選地，測試棒下降的速度為10mm/s-100mm/s。具體地，測試棒下降的速度為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)明實施方式中，在長晶階段，每隔5min-60min測定一次糊狀區(qū)的厚度，直至溫度梯度保持不變或者長晶結束。可以根據(jù)實際工藝的需要調整測試的次數(shù)和頻率?？蛇x地，每隔5min-30min測定一次所述糊狀區(qū)的厚度?？蛇x地，每隔30min-60min測定一次所述糊狀區(qū)的厚度。進一步可選地，每隔5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min、60min測定一次糊狀區(qū)的厚度。

本發(fā)明實施方式中，測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，測試棒的提拉速度小于長晶速度，測試棒可能會長在晶體硅中。如果提拉速度大于100mm/s，可能會出現(xiàn)超出壓力傳感器測試精密度的情況?？蛇x地，測試棒向上提拉的速度為10mm/s-100mm/s?？蛇x地，測試棒向上提拉的速度為0.01mm/s-10mm/s。進一步可選地，測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)明實施方式中，步驟(2)中，當所述拉力值f與所述f1相同或相近時，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?？蛇x地，當所述測試棒的提升高度測試結束，可將所述測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，坩堝中會形成糊狀區(qū)，在定向凝固過程中，一個穩(wěn)定的平面的固液相界面總是以一個較大溫度梯度為先決條件。因此，一旦一個定向凝固試樣處于一個穩(wěn)定的溫度梯度條件下，對應于這個溫度梯度及晶體的固液相溫度必然存在一個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)是一個不穩(wěn)定的區(qū)域，該區(qū)域將影響微觀組織形態(tài)、凝固缺陷及晶體材料的機械性能，同時將影響穩(wěn)定的平面的固液相界面的穩(wěn)定。在多晶硅錠長晶過程中，由于糊狀區(qū)的粘滯力與硅熔體不同，通過測試糊狀區(qū)對測試棒的向上的拉力值及拉力值變化來衡量硅錠生長前沿的糊狀區(qū)厚度，從而獲得多晶硅錠長晶前沿的穩(wěn)定梯度。獲得該縱向溫度梯度變化后，可指導晶體生長的工藝調試及衡量定向凝固定向生長界面的穩(wěn)定性，從而獲得頭尾效率更加均勻的晶體硅。

本發(fā)明方法的運用范圍遠不止g5硅錠，同樣可實現(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)明實施例第一方面提供了測量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，通過在測試棒上升過程中，測試拉力變化與時間的關系，測試得到糊狀區(qū)的厚度。進一步通過測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)量關系，從而獲得溫度梯度變化值，根據(jù)溫度梯度變化值調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，提高了晶體硅的質量，從而獲得縱向上穩(wěn)定的電池的轉換效率。同時，該方法簡單易操作。

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

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

本發(fā)明實施方式中，測試棒的上下直線運動指的是測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動。

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

本發(fā)明實施方式中，根據(jù)測試棒在糊狀區(qū)和硅熔體中上升直線運動過程中所產(chǎn)生的力信號確定糊狀區(qū)的厚度。再根據(jù)糊狀區(qū)的厚度按照公式g＝(tl–ts)/l計算出溫度梯度g和糊狀區(qū)厚度l的數(shù)量關系。

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

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

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

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

本發(fā)明實施方式中，所述壓力傳感器包括常用的壓電式傳感器，壓力傳感器可實時監(jiān)測測試棒上下直線運動過程中的力度變化信號并可將該信號傳遞給plc?？蛇x地，壓力傳感器可對測試棒上下直線運動過程中所產(chǎn)生的壓力信號進行采集和讀數(shù)，并將讀數(shù)結果傳遞給plc，并通過plc傳遞給人機界面并顯示于人機界面上?？蛇x地，壓力傳感器通過夾具與測試棒連接。

本發(fā)明實施方式中，所述人機界面是觸摸屏。

本發(fā)明實施方式中，所述驅動裝置包括電機31、與所述電機連接的用于帶動所述測試棒上下直線運動的移動件32以及用于支撐所述移動件的支撐件33?？蛇x地，驅動裝置上設置有位置傳感器以實時監(jiān)測驅動裝置的行程。

本發(fā)明一實施方式中，驅動裝置包括電缸。可選地，所述驅動裝置包括電機和滑動絲杠，所述滑動絲杠包括導軌和在導軌上滑動的滑塊，所述電機設置在所述導軌的頂部用于驅動所述滑塊在導軌上滑動，所述滑塊與所述壓力傳感器連接用于帶動所述測試棒進行上下直線運動。具體地，當電機驅動滑塊在導軌上下滑動的時候，帶動測試棒進行上下移動。根據(jù)滑塊的高度變化，可以得到測試棒的高度變化，從而獲得糊狀區(qū)的厚度?；瑝K在導軌上作勻速運動，其速度是可知的，再根據(jù)滑塊滑動的時間可以計算出滑塊滑動的高度。此外，本發(fā)明也可以在測試棒或滑塊上設置位置傳感器以實時監(jiān)測測試棒或滑塊的位置。

本發(fā)明一實施方式中，所述驅動裝置包括滾動絲桿、設置在滾動絲桿上的驅動器以及設置在所述滾動絲桿頂部的電機，所述電機通過正反向旋轉帶動滾動絲桿做正方向旋轉，所述驅動器隨著所述滾動絲桿的正反向旋轉做上下直線運動，所述驅動器與所述壓力傳感器連接用于帶動所述測試棒進行上下直線運動。

本發(fā)明一實施方式中，所述驅動裝置包括傳動齒條、與所述傳動齒條嚙合的傳動輪組，以及用于驅動所述傳動輪組在所述傳動齒條上下移動的電機；所述傳動輪組與所述力度傳感器連接用于帶動所述測試棒進行上下直線運動。

本發(fā)明一實施方式中，所述驅動裝置包括與所述測試棒連接的重錘、與所述測試棒連接用于帶動測試棒上下直線運動的傳動絲桿、用于驅動所述傳動絲桿上下直線運動的傳動電機和用于監(jiān)測所述重錘移動信息的接近傳感器，所述傳動電機通過正反向旋轉帶動傳動絲桿做上下直線運動進而帶動所述測試棒做上下直線運動，當所述接近傳感器監(jiān)測到所述重錘位置發(fā)生移動時，所述接近傳感器指示所述傳動電機開始反轉?？蛇x地，當所述測試棒伸入所述坩堝中并下降直至到達所述晶體硅的位置時，重錘會被頂起發(fā)生移動，觸發(fā)接近傳感器發(fā)送信號至plc，plc控制電機開始反轉。

本發(fā)明一實施方式中，驅動裝置可包括氣缸。進一步可選地，氣缸的活塞桿上下往復運動，從而帶動測試棒上下往復運動，測試棒和活塞桿之間設有壓力傳感器。可選地，驅動裝置還可以是液壓缸或其它動力裝置。

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

本發(fā)明實施方式中，當測試棒在下降過程中接觸到晶體硅，測試棒端部受到晶體硅的壓力并將該壓力傳至壓力傳感器，壓力傳感器感應該壓力并將該信號傳遞給plc表示此時測試棒的端部已經(jīng)與晶體硅接觸，plc根據(jù)該信號使驅動裝置停止運行，然后plc控制驅動裝置進行反向運行，帶動測試棒向上運動離開晶體硅，當壓力傳感器感應到測試棒受到的壓力f與測試棒在硅熔體中的提拉壓力f1相同或相近時，plc根據(jù)該信號后，使驅動裝置停止運行，根據(jù)此時測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)的厚度可以計算出溫度梯度與糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關系。

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

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

應用上述用于測量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置對溫度梯度進行測量的方法，包括以下步驟：

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

2)plc啟動驅動裝置，驅動裝置帶動測試棒從初始位置緩慢下降至測試棒的下端接近晶體硅的表面；

3)當測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到f2時，壓力傳感器將感應到的信號傳遞至plc，plc根據(jù)該信號使驅動裝置停止運行，同時將驅動裝置的行程h1傳遞給plc，plc對接收到的信號進行記錄并通過人機界面顯示；

4)plc控制驅動裝置進行反向運行，帶動測試棒向上運動離開晶體硅，當壓力傳感器感應到測試棒受到的拉力f與f1相同或相近時，plc根據(jù)該信號，使驅動裝置停止運行，同時將驅動裝置的行程h2或者驅動裝置的運行時間s和速度v傳遞給plc，plc對接收到的信號進行記錄并通過人機界面顯示；測試棒被驅動裝置帶動向遠離硅錠表面的方向運動至初始位置以便進行下一次測量；

5)經(jīng)過一個測量周期t的時間后，根據(jù)驅動裝置的移動的高度，計算出第一個測量周期內(nèi)溫度梯度g＝(tl–ts)/l，l＝h2-h1或l＝vs；

6)重復上述步驟2)至5)，即可計算出每個測量周期內(nèi)的晶體硅鑄錠過程中的溫度梯度。

本發(fā)明實施例第二方面提供的用于測量晶體硅鑄錠過程中溫度梯度的裝置，可方便快捷地測試得到晶體硅鑄錠過程中溫度梯度，同時該裝置結構簡單、易操作。

實施例1

一種測量多晶硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，包括：

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

(2)調節(jié)溫度進入長晶階段，使硅熔體進行形核結晶形成多晶硅，此時坩堝中包括多晶硅、糊狀區(qū)和未結晶的硅熔體，將測試棒伸入坩堝中并下降直至到達多晶硅的位置，然后將測試棒向上提拉，提拉的速度與步驟(1)的提拉速度相同，實時監(jiān)測測試棒在提拉過程中的拉力值f變化；當拉力值f與f1相同時，停止提拉，測試此時測試棒的提升高度，提升高度即為糊狀區(qū)的厚度l；

(3)按照公式g＝(tl–ts)/l計算出溫度梯度和糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關系，其中g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)明實施例1中測試棒向上提拉時拉力變化與糊狀區(qū)厚度關系曲線；圖2中實線代表測試棒在硅熔體中的拉力值變化(全熔)，虛線代表在長晶階段測試棒在糊狀區(qū)和硅熔體中的拉力值變化。從圖2中可以看出，當測試棒下降過程中遇到突然增大的阻力時表示測試棒到達多晶硅的位置，此時測試棒停止下降，開始向上提拉。拉力值f也慢慢下降，當拉力值f與f1＝20n相同時，停止提拉，測試此時測試棒的提升高度，提升高度即為糊狀區(qū)的厚度l；從圖2中可以看出，本實施例測試得到的糊狀區(qū)的厚度l＝3.1mm，此時的溫度梯度為：g＝(tl–ts)/l＝(tl–ts)/3.1。

實施例2

一種測量多晶硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，包括：

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

(2)調節(jié)溫度進入長晶階段，使硅熔體進行形核結晶形成多晶硅，此時坩堝中包括多晶硅、糊狀區(qū)和未結晶的硅熔體，將測試棒伸入坩堝中并下降直至到達多晶硅的位置，然后將測試棒向上提拉，提拉的速度與步驟(1)的提拉速度相同，實時監(jiān)測測試棒在提拉過程中的拉力值f變化；當拉力值f與f1相同時，停止提拉，測試此時測試棒的提升高度，提升高度即為糊狀區(qū)的厚度l；

(3)按照公式g＝(tl–ts)/l計算出溫度梯度和糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關系，其中g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)測定，本實施例測試得到的糊狀區(qū)的厚度l＝3.0mm，此時的溫度梯度為：g＝(tl–ts)/l＝(tl–ts)/3.0。

實施例3

一種測量多晶硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，包括：

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

(2)調節(jié)溫度進入長晶階段，使硅熔體進行形核結晶形成多晶硅，此時坩堝中包括多晶硅、糊狀區(qū)和未結晶的硅熔體，將測試棒伸入坩堝中并下降直至到達多晶硅的位置，然后將測試棒向上提拉，提拉的速度與步驟(1)的提拉速度相同，實時監(jiān)測測試棒在提拉過程中的拉力值f變化；當拉力值f與f1相同時，停止提拉，測試此時測試棒的提升高度，提升高度即為糊狀區(qū)的厚度l；

(3)按照公式g＝(tl–ts)/l計算出溫度梯度和糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關系，其中g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。

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

實施例4

一種測量類單晶硅鑄錠過程中溫度梯度的方法，包括：

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

(2)調節(jié)溫度進入長晶階段，使硅熔體進行形核結晶形成晶體硅，此時坩堝中包括類單晶硅、糊狀區(qū)和未結晶的硅熔體，將測試棒伸入坩堝中并下降直至到達類單晶硅的位置，然后將測試棒向上提拉，提拉的速度與步驟(1)的提拉速度相同，實時監(jiān)測測試棒在提拉過程中的拉力值f變化；當拉力值f與f1相同時，停止提拉，測試此時測試棒的提升高度，提升高度即為糊狀區(qū)的厚度l；

(3)按照公式g＝(tl–ts)/l計算出溫度梯度和糊狀區(qū)厚度的數(shù)量關系，其中g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)測定，本實施例測試得到的糊狀區(qū)的厚度l＝2.5mm，此時的溫度梯度為：g＝(tl–ts)/l＝(tl–ts)/2.5。

效果實施例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，晶體生長的環(huán)境越穩(wěn)定，雜質的分凝、位錯的增殖、晶體的長大就會受到控制，從而實現(xiàn)整個晶體的一致性，從而提高晶體整體的質量。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量。本實施例將根據(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：

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

實施例5：根據(jù)實施例1的溫度梯度變化數(shù)值，在實施例5多晶硅鑄錠過程中調整溫度梯度，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。

將對比實施例1和實施例5的多晶硅錠進行測試，采用semilab2000檢測硅塊少子壽命圖，具體結果如圖5所示，圖5為對比實施例1(左圖)和實施例5(右圖)的多晶硅錠的少子壽命圖。從圖5中可以看出，未進行溫度梯度調整的對比實施例1得到的多晶硅錠存在較多缺陷，少子壽命較低。而本發(fā)明實施例5調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)量關系，進而調節(jié)溫度梯度，可使硅塊內(nèi)晶體缺陷及位錯減少、純凈度提升，整體硅塊少子壽命提升，從而達到硅片效率的提升。

效果實施例2

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

實施例6：根據(jù)實施例4的溫度梯度變化數(shù)值，在實施例6類單晶鑄錠過程中調整溫度梯度，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。

將對比實施例2和實施例6的類單晶硅錠進行測試，采用semilab2000檢測硅塊少子壽命圖，具體結果如圖6所示，圖6為對比實施例2(左圖)和實施例6(右圖)的類單晶硅錠的少子壽命圖。從圖6中可以看出，未進行溫度梯度調整的對比實施例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)明實施例6調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)量關系，進而調節(jié)溫度梯度，可使硅塊內(nèi)晶體缺陷及位錯減少、純凈度提升，整體硅塊少子壽命提升，從而達到硅片效率的提升。

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

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。