CN101133194B - 浮法硅晶片的制作工艺和设备 - Google Patents

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Abstract

一种浮法硅晶片的制作工艺，采取融熔、结晶成型、打磨切割连续工艺制取。将硅原料通过加料装置(1)加入到坩锅(2)中，坩锅内的温度设在高于硅熔点1421℃，固态的硅原料在1421℃以上熔化成液态硅，液态硅上方经加料口连续排出氩气或其他惰性气体，结晶区料槽(4)与坩锅排液口(3)相连通，槽内充满液态的锡金属或其他熔点低于硅熔点的合金为载体，靠近出料口温度高于硅的熔点1421℃，另一端的温度介于1421℃到400℃，当液态硅移至浮法成型区末端(4)时，液态硅会凝固成固态，结晶区上层相对靠近坩锅排液口(3)设置挡板(5)调节控制晶片的厚度，成型结晶硅片经冷却段(6)冷却、打磨抛光段(7)后，根据需要在切割晶片区(8)切割晶片。适用于浮法制取太阳能电池和半导体硅晶片。

Description

浮法硅晶片的制作工艺和设备
技术领域
本发明属晶体生长，具体涉及一种硅晶片的制作工艺和设备。
背景技术
硅属于非金属，原子序数为14，原子量28.0855g.mol-1，硅材料广泛应用于半导体、太阳能电池等工业领域。生产半导体级别的硅片或制造太阳能电池硅片多采用的直拉单晶制造法(Czochralski，CZ法)或区熔法。半导体用的硅材料多使用单晶硅，太阳能电池有使用单晶硅或者是多晶硅。
公知技术中，多晶硅的制备方法很多，主要有以四氯化硅为原料的还原法、以三氯化硅为原料氢还原和热分解法，以及以硅烷热分解法等。单晶硅制作工艺主要采用用直拉单晶制造法(Czochralski，CZ法)和浮动区熔法(FZ法)。拉晶法，例如US3679370号专利(CRYSTAL GROWER WITHEXPANDABLE CHAMBER)、CN1150355号专利(结晶的连续提拉方法和装置)，基本采用将原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热熔化，再将一根直径只有10mm的棒状晶种(称籽晶)浸入熔液中。在合适的温度下，熔液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升，熔液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高升速可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度。反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。经引晶、拉晶开始，先引出一定长度，直径为3～5mm的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径生长阶段，直至大部分硅熔液都结晶成单晶锭，再经收尾，只剩下少量剩料。浮动区熔法(FZ法)，例如类似于CN1139678号专利(单晶生长的方法)，是将预先处理好的多晶硅棒和籽晶一起竖直固定在区熔炉中，以高频感应对多晶硅棒从头至尾定向移动加热，形成熔融区结晶，反复多次使硅棒提纯。CN1095505号专利(生产单晶硅的直拉区熔法)公开的技术方案将上述两种方法结合使用。
上述技术方案都是非连续性生产，效率低，设备投资较大，耗时长。且制成单晶棒后还需切片、打磨和抛光，增加工序，加大损耗。
发明内容
本发明是为了提高硅片生产率，降低生产成本，提供一种连续性、大规模和低成本生产硅片的设备和工艺。本发明采取的技术方案如下：
一种浮法硅晶片的制作工艺，其采取融熔、结晶成型、打磨切割连续工艺制取：
A：融熔硅原料，将硅原料通过加料装置加入到坩锅中，坩锅内的温度设在高于硅熔点1421℃，固态的硅原料在1421℃以上熔化成液态硅，液态硅上方经加料口连续排出氩气或其他惰性气体；
B：结晶成型，结晶区料槽与坩锅排液口相连通，槽内充满液态的锡金属或其他熔点低于硅熔点的合金为载体，靠近出料口温度高于硅的熔点1421℃，另一端的温度介于1421℃到400℃，当液态硅移至浮法成型区末端时，液态硅会凝固成固态，结晶区相应硅表面上层相对靠近坩锅排液口设置的挡板调节控制晶片的厚度，其温度设定在使料槽底部盛放的熔点低于硅熔点温度的金属液呈熔融态，结晶区相应硅表面上层相对靠近坩锅排液口设置的挡板调节控制晶片的厚度；
C：成型结晶硅片经冷却段冷却、打磨抛光后，根据需要在切割晶片区切割晶片。
结晶区料槽底部盛放的熔点低于硅熔点温度的金属为锡金属。
采用浮法硅晶片的制作工艺的设备，坩锅为长方形，加料口向锅内方向设置气体喷嘴，连续排出氩气或其他惰性气体，结晶区料槽与坩锅排液口连接为一体，结晶区相应硅表面上层相对靠近坩锅排液口设置挡板。坩锅排液口设置为U型，排液口低于浮法结晶区内液态锡等载体的液面。
本发明采取连续工艺制取多晶体或单晶体，特别是结晶成型工艺采取了与硅熔点差别较大的锡金属，使发明取得了料想不到的效果。锡的熔点为292℃，沸点为2270℃，使用锡不但可使硅浮于锡液表层凝固成型，还可使硅单晶的有害重金属杂质通过扩散到达硅单晶表面，最后进入到熔锡中。
附图说明
附图为浮法硅晶片制作工艺的设备原理图
图中，1-加料装置，2-坩锅，3-坩锅排液口，4-结晶区料槽，5-挡板，6-冷却段，7-打磨抛光段，8-切割晶片区。
具体实施方式
以下为本发明的具体实施例。实施例是用来说明本发明的，而不是对本发明作任何限制。
将硅原料通过加料装置加入到坩锅2中，坩锅内的温度设在硅熔点1421°C以上，固态的硅原料在1421℃以上熔化成液态硅。为防止硅和空气中的氧气和氮气反应，坩锅的设计和普通坩锅有所不同，加料装置1附近可装有气体喷嘴，会连续排出氩气或其他惰性气体，避免于空气接触。坩锅的形状为长方形，一端为加料装置1，另一端为坩锅排液口3，坩锅排液口3设计在坩锅的底部。这样的坩锅设计可以实现连续加料，连续熔炼生成液态硅。和现有的直拉单晶法和铸造法不同，二者只能是断续生产，生产率低，成本高。
坩锅排液口3设置为U型，出料口低于浮法结晶区内液态锡等载体的液面，由于液体硅的密度小于液态载体的密度，液态硅会自动上浮，这样可以减少液体排出时所产生的喷溅现象。
与坩锅排液口3衔接的是浮法结晶区，结晶区内是充满液态的锡金属或其他的熔点的金属作为载体，由于液态硅的浮力小于载体，液态硅就会浮在上面，靠近出料口的载体温度高于硅的熔点。液态硅会随着重力的因素继续沿着结晶区向前移动，经过耐高温的挡板5时，会因为挡板5与载体的空隙使流到此处的液态硅形成一定的厚度，挡板5可通过高精密度的步进电机与电脑控制，可以将挡板与载体的空隙控制到微米级别的精度，使凝固后的硅片厚度控制到1000微米。在挡板的另一端10厘米，载体温度会降至1300℃-1400℃。这时液态硅就会结晶变成固态硅，形成一定厚度的固体硅板。如果要制作单晶硅片，需要使用平板状的单晶体晶种(籽晶)浸入到熔液中，在合适的温度下，熔液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转并向前拉伸，熔液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，形成单晶体的硅片。这个方法基本上和CZ直拉单晶法类似，对原材料的纯度要求高，通常对杂质含量要少过ppb。但是此发明因为是连续结晶，只需要使用一次晶种。如果要制作多晶体的硅片，则不需要晶种就可将液态硅凝固。控制好适当的温度梯度，就会得到更加细化的晶粒。这种方法会比铸造法优异，避免在铸模周围形成枝状晶。在此区域，会有惰性气体将硅材料与空气隔绝，避免形成氧化硅和氮化硅等不良杂质。
凝结的硅板会通过机械方式传送到冷却段6，在此区域里，高温凝固的硅板会继续冷却，直到室温。在这个区域里，冷却方式有传导式的热板冷却，也可以设计成气流冷却的对流式。冷却方式会影响到硅板中晶粒的形状和大小。
经过降温，硅板继续前进到打磨及抛光段7，在这里整块的硅板会经过打磨及抛光，这里的工艺是连续不间断的进行。研磨片是安装在上方，在水平方向做往复性移动。沿着硅板前进的方向排列不同级别的研磨片，可以完成从粗磨到精密抛光。无论是CZ直拉单晶法，还是区熔法法，都是先做成晶锭，然后切割成硅片，再做研磨和抛光。由于硅属于一种脆性材料，切割方式和金属不同，再技术上属于打磨的形式，用切割器将材料断面挤开。此外在断面上会形成微裂纹，需要用研磨的方式去掉一定厚度的材料才可以完全消除微裂纹。在生产过程中，近一半的材料会被浪费掉。此发明是预先做成一定厚度，省去了切割，这样就可以大大减少材料的成本，约在50％以上。
抛光后的晶片会在切割区(8)被钻石切割器或激光切割器切割成不同尺寸的硅片，硅片会转离生产线，进行晶边的打磨，然后放置到包装箱内。

Claims (2)

1.一种浮法硅晶片的制作工艺，其特征是采取融熔、结晶成型、打磨切割连续工艺制取：
A：融熔硅原料，将硅原料通过加料装置(1)加入到坩锅(2)中，坩锅内的温度设在高于1421℃，固态的硅原料在1421℃以上熔化成液态硅，液态硅上方经加料口连续排出氩气或其他惰性气体；
B：结晶成型，结晶区料槽(4)与坩锅排液口(3)相连通，槽内充满液态的锡金属，靠近排液口(3)温度高于1421℃，结晶区料槽(4)靠近冷却段(6)一端的温度介于1421℃到400℃，当液态硅移至结晶区料槽(4)末端时，液态硅会凝固成固态，调整挡板(5)与结晶区料槽(4)中液面的间隙，可调节控制晶片成型的厚度；
C：成型结晶硅片经冷却段(6)冷却、打磨抛光段(7)后，根据需要在切割晶片区(8)切割晶片。
2.一种采用浮法硅晶片制作工艺的设备，坩锅(2)为长方形，加料口(1)向锅内方向设置气体喷嘴，连续排出氩气或其他惰性气体，结晶区料槽(4)与坩锅排液口(3)连接为一体，结晶区相应硅表面上层相对靠近坩锅排液口(3)设置挡板(5)，结晶区料槽(4)后端联接冷却段(6)、打磨抛光段(7)和切割晶片区(8)，其特征是坩锅排液口(3)设置为U型，坩锅排液口(3)低于结晶区料槽(4)内液态锡载体的液面。
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