CN101092736B - 一种生长方柱体单晶棒的生产方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种生长方柱体单晶棒的生产方法及控制装置。本发明在已有圆柱体单晶棒生长控制装置中加入了一个方框形模具，它将该模具与已有籽晶旋转装置制为一体，保证了它与籽晶的同步旋转，同时，又通过单晶炉的系统控制计算机控制该方框形模具跟随溶融原料液面同步下降，保证了模具与溶融原料液面的距离相对恒定。用本发明生产的方柱体单晶硅棒切片后即能得到正方形单晶硅片，用该正方形单晶硅片制作太阳电池，可产生以下好处：节省多晶硅原材料，并去掉太阳电池组件光照面积中的空隙，提高太阳电池光照面积的利用率，避免边料回炉，节省边料消耗的能源。

Description

一种生长方柱体单晶棒的生产方法及控制装置

所属技术领域

本发明涉及一种生长单晶棒的生产方法及装置，尤其涉及一种生长方柱体单晶棒的生产方法及控制装置。

背景技术

单晶材料包括单晶硅、锗单晶、蓝宝石、砷化镓等，其中单晶硅最为常用，它是一种半导体材料，常用于制造集成电路和电子元件。目前，常用的单晶生长方法是切可劳斯基法，以单晶硅生长为例，它的生长过程是：参见图4、5，将多晶硅放入单晶生长炉中加热熔融，在熔融的多晶硅中插入一根籽晶12，调整熔融硅11液面的温度，使其接近熔点温度，然后驱动籽晶12自上而下伸入熔融硅并旋转，然后缓缓上提籽晶，则单晶硅体13进入锥体部分的生长；当锥体直径接近所需的目标直径时，提高籽晶12的提升速度，则单晶硅体直径不再增大而进入晶体的中部生长阶段；生长接近尾期时，再提高籽晶12的提升速度，单晶硅体逐渐脱离熔融硅11，形成下锥体而结束生长。用这种方法生长出来的单晶硅，其形状为两端呈锥形的圆柱体，将该圆柱体切片即得到单晶硅半导体原料，这种圆形单晶硅片适于作集成电路材料。近些年来，单晶硅片已成为制作太阳电池的主要原料，为了获得太阳电池更大的光照面积，需要用方形的单晶硅片拼成所需的光照面积，如图6所示。由于用已有方法制成的单晶硅体都是圆柱形的，故要得到方形的单晶硅片，需先将圆柱体切成如图7所示的方柱体，然后再切片，才能得到方形的单晶硅片。用这种方法得到的方形单晶硅片，均带有倒角，从图6可以看出，倒角会在太阳电池组件光照面积中产生空隙，使太阳电池光照面积的有效利用率降低。再者，圆切方而剩下来的边料无法使用，虽然边料可以回炉，但它与新料的混合比例要严格控制，而且回炉料会影响单晶棒的品质，同时还浪费能源，因为生长1公斤的单晶硅约耗电100千瓦时，所以边料也消耗了与重量同比例的电能。

参见图4、8、9，已有圆柱形单晶生长控制装置包括设置在单晶生长炉1上方的旋转盘2和垂直联结在该旋转盘的中心处一个籽晶夹持器1，其中籽晶夹持器1需要在自转的同时完成上移的动作，因此，籽晶夹持器1与旋转盘2之间连接采用由键槽1-1和销键3构成的连接结构，当电机14驱动旋转盘2转动时，旋转盘通过销键3带动夹持器1转动，当伺服驱动电机5驱动夹持器1上、下移动时，因夹持器1上带有键槽结构1-1，故在夹持器转动的同时不会影响其上、下移动。工作时，由电机14驱动旋转盘2转动，旋转盘2带动籽晶夹持器1转动，在籽晶夹持器1转动的同时，由伺服驱动电机5驱动籽晶夹持器1直线上移，从而完成单晶体在生长过程中籽晶的旋转和上提动作。通过控制籽晶的旋转和上提的速度，可控制单晶体从生长到结束的整个生长过程。该控制装置完成的是圆柱体单晶的生长控制，无法控制直接生长成方柱体单晶棒。

发明内容

本发明针对已有圆柱形单晶硅棒在太阳电池制作过程中存在的问题，提供一种生长方柱体单晶棒的生产方法及控制装置，从而实现直接生长方柱体单晶棒的生产。

为实现上述目的，本发明生产方法的步骤如下：

一、在单晶生长炉内设置一个水平放置的方框形模具，该方框形模具的中轴线与籽晶同轴，并能驱动它上、下移动并与籽晶同步旋动。

二、将原料放入单晶生长炉内，加热熔化，然后将熔融原料略做降温处理，使熔融原料表面温度接近原料的熔点温度。

三、将方框形模具垂直移动至离熔融原料液面以上20.0～25.0mm的高度，再将籽晶插入熔融原料中，然后控制籽晶旋转，同时，以设定的速度用单晶炉的系统控制计算机控制籽晶缓慢提升，籽晶旋转时，方框形模具随之同步旋转。

四、通过单晶生长炉的观察窗观察单晶体的生长，当单晶体的上锥部形成一半时，控制旋转的方框形模具垂直下降伸入熔融原料液面至模具上沿与熔融原料液面平齐为止，误差小于±1.0mm。

五、进入单晶棒主体生长阶段时，单晶的截面积基本恒定，用单晶炉的系统控制计算机控制旋转的方框形模具随着熔融原料液面的下降而同步下降。

六、进入晶体生长尾期，先停止旋转方形框模具的下降，然后再提高籽晶的上升速度，使生长晶体的根部先后与熔融原料和旋转的方框形模具脱离，即得成品。

为实现上述目的，本发明控制装置的技术方案是：它包括一个籽晶夹持器、驱动该籽晶夹持器转动的旋转盘，所述籽晶夹持器与旋转盘(2)的连接采用键槽和销键结构，所述籽晶夹持器的上端带有平齿结构，在旋转盘上设有一个驱动籽晶夹持器上、下移动的伺服驱动电机，该伺服驱动电机的力矩输出轴联结一个齿轮，该平齿齿轮与籽晶夹持器上端的平齿结构啮合，其特殊之处是在单晶生长炉内增设一个水平放置的方框形模具，该方框形模具的中轴线与晶籽夹持器的同轴，并且它通过设在其四个角处的拉杆与旋转盘相连，所述的拉杆与旋转盘的连接采用键槽和销键结构，所述四个拉杆的上端均带有平齿结构，在旋转盘上设有驱动拉杆上、下移动的伺服驱动电机，所述伺服驱动电机的力矩输出轴联结一个齿轮，该平齿齿轮与拉杆上端的平齿结构啮合。

通过上述技术方案可以看出，本发明在已有圆柱体生长控制装置中加入了一个方框形模具，晶体在生长时均要经过该方框形模具，通过方框形模具的限制，可直接生长成方柱体单晶。使用该方框形模具的技术要点是：模具需跟随籽晶同步旋转，并且在单晶体长大而溶融原料液面下降的同时，模具也要跟随溶融原料的液面同步下降，以保持与溶融原料液面的距离相对恒定。本发明将方框形模具与已有旋转盘制为一体，保证了它与籽晶的同步旋转，同时，又通过单晶炉的系统控制计算机控制该方框形模具跟随溶融原料液面同步下降，保证了模具与溶融原料液面的距离相对不变。用本发明生产的方柱体单晶硅棒切片后即能得到正方形单晶硅片，用该正方形单晶硅片制作太阳电池，可产生以下好处：节省多晶硅原材料，并去掉太阳电池组件光照面积中的空隙，提高太阳电池光照面积的利用率，避免边料回炉，节省边料消耗的能源。

附图说明

图1、本发明生长方柱体单晶棒的生产示意图。

图2、本发明生长方柱体单晶棒的控制装置示意图。

图3、图2的俯视示意图。

图4、已有生长圆柱体单晶硅棒的生产示意图。

图5、已有生长圆柱体单晶硅棒的生产流程图。

图6、已有太阳电池片排列排列成太阳电池组件的示意图。

图7、已有圆柱体单晶硅棒切方示意图。

图8、已有籽晶夹持器与旋转盘的连接结构示意图。

图9、图8的A-A剖面结构示意图。

具体实施方式

参见图1、2、3，本发明的控制装置包括一个籽晶夹持器1和一个驱动籽晶夹持器1转动的旋转盘2，在籽晶夹持器1的上半段设有一个轴向键槽1-1，在旋转盘2中心的夹持器过孔上设有一个销键3，所述籽晶夹持器1与旋转盘2通过键槽1-1和销键3联结在一起，采用该种连接结构可在夹持器1旋转的同时不影响其轴向的上、下移动。为了驱动籽晶夹持器上、下移动，所述籽晶夹持器1的上端带有平齿结构1-2，在旋转盘2上设有一个驱动籽晶夹持器上、下移动的伺服驱动电机5，该伺服驱动电机5的力矩输出轴联结一个齿轮6，该齿轮与籽晶夹持器上端的平齿结构1-2啮合。为了实现单晶硅直接生长成方柱体，在单晶生长炉4内增设一个方框形模具7，该方框形模具的中轴线与籽晶夹持器1的同轴，它最好采用石英材料，为满足强度要求，其框宽为20～50mm，其框厚为15～30mm。所述的方框形模具通过设在其四个角处的拉杆8与旋转盘2相连，所述的拉杆8与旋转盘2的连接采用由键槽8-1和销键15构成的连接结构，从而使方框形模具在随旋转盘2转动的同时而不影响其上、下移动；为了驱动方框形模具7的上、下移动，在所述四个拉杆8的上端设有平齿结构8-2，在旋转盘2上设有四个驱动拉杆上、下移动的伺服驱动电机9，所述伺服驱动电机9的力矩输出轴联结一个齿轮10，该齿轮10与拉杆上端的平齿结构8-2啮合。驱动四台伺服驱动电机9同步正转或反转，则平齿齿轮10驱动四个拉杆8同时上移或下降，从而带动方框形模具7上移或下移。图1中的单晶生长炉4的最外层4-1为加热器，中间层4-2为石墨基座，内胆4-3为SiO₂坩锅。籽晶旋转的速度一般是2～50转/分。

下面以单晶硅为例说明方柱形单晶棒的具体生产步骤和生长控制过程(参见图1、2、3)：

1、将上述长生方柱体单晶硅棒的控制装置安装在单晶生长炉4上。

2、将多晶硅原料放入单晶生长炉4内，加热熔化，然后将熔融硅11表面略做降温处理，使熔融硅温度接近其熔点温度。接近熔点的熔融硅液有利于单晶体的生长成形。

3、手动控制四个伺服电机9工作，使方框形模具7垂直下移至离熔融硅液面以上20.0～25.0mm的高度，做好下一步更近一步接近熔融硅液面的准备；然后控制伺服电机5驱动籽晶夹持器1下移，使籽晶12插入熔融硅11中，再驱动旋转盘2转动，旋转盘带动籽晶转动，然后用单晶炉的系统控制计算机控制伺服驱动电机5以设定速度缓慢提升籽晶，这时，单晶体开始生长；其中籽晶的提升速度可以控制单晶棒生长的直径，提升速度越快，生长单晶棒的直径越小，反之，越大。在旋转盘2转动的同时，它也带动方框形模具7与籽晶同步旋转，但这时单晶体才开始生长，其头部的锥体还没形成，故模具7暂停留在离熔融硅液面以上较高的地方。

4、通过单晶生长炉的观察窗观察晶体生长的情况，当生长晶体的上锥部形成约一半时，手动控制四个伺服驱动电服9工作，使方框形模具7进一步下降，用肉眼观察，将模具下降至方框上沿与熔融硅体液面平齐，误差小于±1.0mm处停止。这时，籽晶继续旋转，单晶体逐渐长大，生长体经过方框形模具而形成方形。

5、在单晶体中段生长过程中，用单晶炉的系统控制计算机控制旋转的方框形模具随着熔融硅液面的下降而同步下降。同步控制可以采用以下方式：根据t时间段里，晶体生长的体积等于炉内溶融硅减少的体积这一等量关系式v×t×S＝v₀×t×S₀，推导出熔融硅液面下降的速度式中v₀为籽晶提升的速度，S₀为方框的内孔面积，S为坩锅内腔的截面积，其中v₀、S₀、S三个参数都为已知参数，故可以求出熔融硅液面下降速度v，以该速度v作为方框形模具下降的速度，并将这个速度输入单晶炉的系统控制计算机进行控制。也可以采用液面位置传感器，由计算机根据液面位置传感信号控制模具下降。

6、当需要结束单晶体生长时，先控制方框形模具7的停止下降，然后再提高籽晶的上升速度，使生长单晶体的根部先后脱离熔融硅和方框形模具而形成下锥体，即可得到方柱体形的单晶棒成品。

Claims (2)

1.一种生长方柱体单晶棒的生产方法，其步骤如下：

1.1、在单晶生长炉内设置一个水平放置的方框形模具，该方框形模具的中轴线与籽晶同轴，并能驱动它与籽晶同步旋动和上、下移动；

1.2、将原料放入单晶生长炉内，加热熔化，然后将熔融原料略做降温处理，使熔融原料表面温度接近原料的熔点温度；

1.3、将方框形模具垂直移动至离熔融原料液面以上20.0～25.0mm的高度，再将籽晶插入熔融原料中，然后控制籽晶旋转，同时，以设定的速度用单晶炉的系统控制计算机控制籽晶缓慢提升，籽晶旋转时，方框形模具随之同步旋转；

1.4、通过单晶生长炉的观察窗观察单晶体的生长，当单晶体的上锥部形成一半时，控制旋转的方框形模具垂直下降伸入熔融原料液面至模具上沿与熔融原料液面平齐为止，误差小于±1.0mm；

1.5、进入单晶棒主体生长阶段时，单晶的截面积基本恒定，用单晶炉的系统控制计算机控制旋转的方框形模具随着熔融原料液面的下降而同步下降；

1.6、进入晶体生长尾期，先停止旋转方形框模具的下降，然后再提高籽晶的上升速度，使生长晶体的根部先后与熔融原料和旋转的方框形模具脱离，即得到方柱体单晶棒。

2.一种使用权利要求1所述生产方法生长方柱体单晶棒的控制装置，它包括一个籽晶夹持器(1)、驱动该籽晶夹持器转动的旋转盘(2)，所述籽晶夹持器(1)与旋转盘(2)的连接采用键槽(1-1)和销键(3)结构，所述籽晶夹持器的上端带有平齿结构(1-2)，在旋转盘(2)上设有一个驱动籽晶夹持器上、下移动的伺服驱动电机(5)，该伺服驱动电机的力矩输出轴联结一个齿轮(6)，该齿轮与籽晶夹持器上端的平齿结构(1-2)啮合，其特征是：在单晶生长炉(4)内增设一个水平放置的方框形模具(7)，该方框形模具的中轴线与晶籽夹持器(1)的同轴，并且它通过设在其四个角处的拉杆(8)与旋转盘(2)相连，所述的拉杆(8)与旋转盘(2)的连接采用键槽(8-1)和销键(15)结构，所述四个拉杆的上端均带有平齿结构(8-2)，在旋转盘(2)上设有驱动拉杆上、下移动的伺服驱动电机(9)，所述伺服驱动电机的力矩输出轴联结一个齿轮(10)，该齿轮与拉杆上端的平齿结构(8-2)啮合。

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