CN102234840A - 薄形硅晶片的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种薄形硅晶片的制备方法，包括：①制备籽晶、②安装籽晶、③配料、④化料、⑤生长晶体和⑥对所述的带状的硅晶体进行少量加工等步骤，即可获得所需要的薄形硅晶片。本发明从晶体生长过程就控制硅晶体形状和尺寸，减少了晶体加工时的物料浪费和能耗。

Description

薄形硅晶片的制备方法

技术领域

本发明涉及晶体生长：特别是一种薄形硅晶片的制备方法。

背景技术

传统晶体生长工艺生长出的硅晶体呈棒状，通过铸锭工艺生长出的多晶硅晶体通常呈块状，这种形状和尺寸的原料需要经过切割、打磨和清洗等工艺后，加工为棒状、块状或片状才能加以应用。在加工工序中，材料碎裂时有发生，切割时的材料损耗，即锯末，不可避免，通过大量提纯和生长工艺获得的高纯硅晶体进入使用仍然至少需要损耗刀口厚度。

煤和石油等化石能源的不可再生性使得其稀缺性不断增加，随之而来的是传统能源价格不断提高。人类社会的发展和运行以大量的能源消耗为基础，因此发展基于传统能源的高碳经济的成本将不断提高。历次石油价格大幅波动均带来全球经济的大幅震荡，不利于人类社会的可持续稳定发展。

世界范围内分布最为广泛、可利用量最大的清洁能源是太阳能。硅基光伏产品目前占据主要市场份额，化合物半导体光伏技术以及其他光伏技术也有一定发展潜力。主流光伏技术的基础主要是各种半导体材料，主要包括高纯硅片和高纯砷化镓晶片等。光伏发电代替传统能源的主要阻力来自其较高的发电成本，技术进步和传统能源价格提升将逐步缩小光伏发电与化石能源发电之间的成本差异，并推进新能源的利用。降低光伏发电成本的重要途径之一是尽量减少高纯原料的无效消耗及原材料转化为光伏器件过程中的能耗，但目前主流的材料转化工序(原材料→单晶棒/多晶锭→晶片)存在如上文所述的难以逾越的材料消耗极限，且加工过程中的能源利用效率也不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种薄形硅晶片的制备方法，该方法从晶体生长过程就控制硅晶体形状和尺寸，以尽量减少晶体利用加工时的物料浪费和能耗。

本发明的技术解决方案如下：

一种薄形硅晶片的制备方法，特点在于包括以下步骤：

①制备籽晶：按照所需生长薄形硅晶片横断面的形状并按晶体生长的取向将硅单晶体或多晶硅锭加工成具有所需生长薄形硅晶片横截面的形状的籽晶；

②安装籽晶：将所述的籽晶按晶体生长方向朝下固定在生长装置的籽晶架上；

③配料：将高纯多晶硅粉料或块料以及达到所需电阻率对应浓度的掺杂元素的高纯原料置于石英坩埚中，再将该石英坩埚置于所述的生长装置的密闭容器的石墨发热体中；

④化料：将所述的密闭容器内抽真空，真空度范围为10^-8～10^-3乇，将氩气充入密闭容器至0.5～3个大气压，起保护作用，所述的石墨发热体通电加热，将所述的石英坩埚内的温度升至石英坩埚内原料的熔点以上，并保持0.2～2个小时，使原料充分融化，形成熔体；

⑤生长晶体：调整生长装置中的温场，达到所述的硅晶体的生长温度，通过籽晶架的驱动机构将所述的籽晶下降，使部分籽晶浸入所述的熔体中，同时调整籽晶的提拉速度，采用直拉法从熔体中生长出的带状的单晶或多晶硅晶体，该单晶或多晶硅晶体的横截面形状与所述的籽晶横截面的形状相似；

⑥对所述的带状的硅晶体进行加工，得到所需要的薄形硅晶片。

所述的籽晶形状为片状、棒状、瓦片状或筒状。

所述的籽晶架具有一个以上的籽晶夹，每个籽晶夹夹设一块籽晶。

所述的籽晶架上的籽晶夹的排列方法包括横向排列、纵向排列或纵横组合排列。

本发明的技术效果：

1、采用本发明中的方法，能够控制所生长出的硅单晶或多晶硅晶体的形状和尺寸，得到晶体硅片，可以减少材料转化过程中的能耗。

2、可选用适当工艺参数，降低硅片厚度，调整硅片形状，使得生长出的晶体只需要经过少量加工即可用于半导体产品生产加工，避免了将单晶棒滚磨为圆柱体、再将其切割为四方晶体柱、最后将其切割为硅片或将多晶硅锭多次切割为硅片等传统加工工序，减少了传统工艺中的大量高纯原料损耗以及相应过程中的能耗。

附图说明

图1为本发明实例中所用薄片状籽晶的示意图

图2为本发明实例中瓦片状籽晶的示意图

图3为本发明实例中圆形石英坩埚生长装置的部分示意图

图4为本发明实例中方形石英坩埚生长装置的部分示意图

图中：

1-薄片籽晶厚度；2一薄片籽晶高度；3-薄片籽晶宽度；4-瓦片形籽晶厚度；5-瓦片形籽晶高度；6-瓦片形籽晶宽度；7-瓦片形籽晶的曲率半径；8-密闭容器；9-籽晶架；10-籽晶；11-带状晶体；12-带状晶体厚度；13-带状晶体高度；14-带状晶体宽度；15-石墨发热体；16-熔体；17-石英坩埚；18-纵向籽晶排列；19-横向籽晶排列。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

用于本发明薄形硅晶片的制备的籽晶可以具有多种形状，包括且不局限于片状、棒状、瓦片状或筒状，图1为本发明实例中所用薄片状籽晶的示意图，图2为本发明实例中瓦片状籽晶的示意图，用于本发明薄形硅晶片的制备的石英坩埚也可为多种形状，包括圆形坩埚和长方形坩埚，如图3图4所示。图中省略了晶体生长常用的提拉装置、真空装置、保温装置以及电路控制装置，所生长晶体的厚度、高度和宽度的维度定义如图所示。图4省略了晶体生长常用的提拉装置、真空装置、保温装置以及电路控制装置，所生长晶体的厚度、高度和宽度的维度定义如图所示，多个籽晶的横向及纵向排列定义如图所示。

本发明薄形硅晶片的制备方法，包括以下步骤：

①制备籽晶：按照所需生长薄形硅晶片横断面的形状并按晶体生长的取向将硅单晶体或多晶硅锭加工成具有所需生长薄形硅晶片横截面的形状的籽晶10；

②将所述的籽晶10按晶体生长方向朝下固定在生长装置的籽晶架9上；

③将高纯多晶硅粉料或块料以及达到所需电阻率对应浓度的掺杂元素的高纯原料置于石英坩埚17中，再将该石英坩埚置于所述的生长装置的密闭容器8的石墨发热体15中；

④将所述的密闭容器8内抽真空，真空度范围为10^-8～10^-3乇，将氩气充入密闭容器至0.5～3个大气压，起保护作用，所述的石墨发热体15通电加热，将所述的石英坩埚17内的温度升至石英坩埚内原料的熔点以上，并保持0.2～2个小时，使原料充分融化，形成熔体16；

⑤调整生长装置中的温场，达到所述的硅晶体的生长温度，通过籽晶架9的驱动机构将所述的籽晶10下降，使部分籽晶浸入熔体16中，同时调整籽晶的提拉速度，采用直拉法从熔体中生长出的带状的单晶或多晶硅晶体11，该单晶或多晶硅晶体的横截面形状与所述的籽晶横截面的形状相似；

⑥对所述的带状硅晶体进行加工，得到所需要的薄形硅晶片。

下面是几个具体实施例：

实施例1

将单晶硅片切割为宽120毫米、高30毫米、厚200微米的硅薄片，将其固定在不锈钢籽晶架9中，将纯度为99.9999％的多晶硅粉料置入直径为200毫米的石英坩埚17内，将石英坩埚置入生长装置中的石墨发热体15中，先用真空泵将密闭容器8内抽真空达10^-8乇，再向生长装置中逐渐通入氩气至0.2个大气压，开启并逐步加大通过装置内石墨发热体的电流，将石英坩埚17内温度升高至1430摄氏度，并在该温度保持0.2小时，待多晶硅粉料充分熔化后，将熔体温度降低至1414摄氏度，通过籽晶架9的驱动机构将所述的籽晶10下降，将硅薄片籽晶10的宽边3接触并浸入熔体中5毫米，保持温场稳定，开始以5毫米/分钟的速度将籽晶10向上提拉，之后在0.8小时内线性提高提拉速度至15毫米/分钟，随后保持该速度提拉1小时，得到厚120微米、宽119毫米、高90厘米的平整的带状晶体硅。

实施例2

将单晶硅棒加工为宽100毫米、高30毫米、弧形内半径为100毫米、厚300微米的弧形硅片作籽晶10，将其固定在不锈钢籽晶架9上，将纯度为99.999％的多晶硅粉料置入长200毫米、宽300毫米的方形石英坩埚17内，将石英坩埚置入生长装置中，先用真空泵将密闭容器8内抽置10^-3乇，再向生长装置中逐渐通入氩气至3个大气压，开启并逐步加大通过装置内石墨发热体15的电流，将石英坩埚内温度线性升高至1430摄氏度，并在该温度保持2小时，待多晶硅粉料充分熔化后，将熔体温度降低至1408摄氏度，通过籽晶架9的驱动机构将所述的籽晶10下降，将弧形硅片籽晶的宽边接触熔体16，保持温场稳定，开始以4毫米/分钟的速度将籽晶10向上提拉，之后在1.5小时内线性提高提拉速度至10毫米/分钟，随后保持该速度提拉0.5小时，得到厚度为150微米、宽99毫米、高30厘米的弧形带状硅晶体。

实施例3

将单晶硅片切割为长200毫米、宽40毫米、厚180微米的硅薄片籽晶10，将该籽晶10固定在不锈钢籽晶架9中，将纯度为99.99999％的多晶硅粉料以及浓度达3×10²⁰个原子/立方厘米所对应量的纯度为99.9999％的硼粉料(硼掺杂得P型硅晶体，对应电阻率为0.0005欧姆·厘米)置入直径为300毫米的石英坩埚17内，将石英坩埚置入生长装置中，先用真空泵将密闭容器8内抽置10^-7乇，再向生长装置中逐渐通入氩气至1.1个大气压，开启并逐步加大通过装置内石墨发热体的电流，将石英坩埚内温度线性升高至1450摄氏度，并在该温度保持1.5小时，待石英坩埚内原料充分熔化和混合均匀后，将熔体温度降低至1410摄氏度，通过籽晶架9的驱动机构将所述的籽晶10下降，将硅薄片籽晶的长边接触并浸入熔体中4毫米，保持温场稳定，开始以6毫米每分钟的速度将籽晶向上提拉，之后在1小时内线性提高提拉速度至16毫米每分钟，随后保持该速度提拉0.8小时，得到厚度为100微米、宽199毫米、高76.8厘米的平整晶体硅带。

实施例4

将单晶硅片切割为长200毫米、宽60毫米、厚200微米的硅薄片，将6个硅薄片固定在不锈钢籽晶架的6个籽晶夹中(参见图4)，并组成3纵向×2横向阵列，将纯度为99.99999％的多晶硅粉料置入尺寸为长500毫米、宽400、深400毫米的长方形的石英坩埚17内，将石英坩埚置入石墨发热体15环绕中，先用真空泵将密闭容器内抽置10^-6乇，再向生长装置中逐渐通入氩气至1.5个大气压，开启并逐步加大通过装置内石墨发热体的电流，将石英坩埚内温度线性升高至1440摄氏度，并在该温度保持1小时，待多晶硅粉料充分熔化后，将熔体温度降低至1405摄氏度，通过籽晶架9的驱动机构将所述的籽晶10下降，将硅薄片籽晶的长边接触并浸入熔体中5毫米，保持温场稳定，开始以4毫米每分钟的速度将籽晶向上提拉，之后在0.7小时内线性提高提拉速度至12毫米每分钟，随后保持该速度提拉1.5小时，得到厚度为180微米、宽199毫米、高108厘米的平整带状晶体硅。

实施例5

将单晶硅片切割为长160毫米、宽60毫米、厚220微米的硅薄片，将6个硅薄片固定在不锈钢籽晶架9的6个籽晶夹中，并组成3纵向×2横向阵列(如附图4所示)，将纯度为99.99999％的多晶硅粉料以及浓度达2.8×10¹⁹个原子/立方厘米所对应量的纯度为99.9999％的磷粉料(磷掺杂得N型硅晶体，对应电阻率为0.0025欧姆·厘米)置入尺寸为长700毫米、宽450毫米、深300毫米的石英坩埚17内，将石英坩埚置入石墨发热体15环绕中，先用真空泵将密闭容器8内抽置10^-7乇，再向生长装置中逐渐通入氩气至1.3个大气压，开启并逐步加大通过装置内石墨发热体的电流，将石英坩埚内温度线性升高至1470摄氏度，并在该温度保持2小时，待石英坩埚内原料充分熔化和混合均匀后，将熔体温度降低至1405摄氏度，通过籽晶架9的驱动机构将所述的籽晶10下降，将硅薄片籽晶的长边接触并浸入熔体中5毫米，保持温场稳定，开始以6毫米每分钟的速度将籽晶向上提拉，之后在0.4小时内线性提高提拉速度至17毫米每分钟，随后保持该速度提拉1.2小时，得到厚度为100微米、宽199毫米、高122厘米的平整晶体硅带。

Claims (4)

1.一种薄形硅晶片的制备方法，特征在于包括以下步骤：

①制备籽晶：按照所需生长薄形硅晶片横断面的形状并按晶体生长的取向将硅单晶体或多晶硅锭加工成具有所需生长薄形硅晶片横截面的形状的籽晶；

②安装籽晶：将所述的籽晶按晶体生长方向朝下固定在生长装置的籽晶架上；

③配料：将高纯多晶硅粉料或块料以及达到所需电阻率对应浓度的掺杂元素的高纯原料置于石英坩埚中，再将该石英坩埚置于所述的生长装置的密闭容器的石墨发热体中；

④化料：将所述的密闭容器内抽真空，真空度范围为10^-8～10^-3乇，将氩气充入密闭容器至0.5～3个大气压，起保护作用，所述的石墨发热体通电加热，将所述的石英坩埚内的温度升至石英坩埚内原料的熔点以上，并保持0.2～2个小时，使原料充分融化，形成熔体；

⑤生长晶体：调整生长装置中的温场，达到所述的硅晶体的生长温度，通过籽晶架的驱动机构将所述的籽晶下降，使部分籽晶浸入所述的熔体中，同时调整籽晶的提拉速度，采用直拉法从熔体中生长出的带状的单晶或多晶硅晶体，该单晶或多晶硅晶体的横截面形状与所述的籽晶横截面的形状相似；

⑥对所述的带状的硅晶体进行加工，得到所需要的薄形硅晶片。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的籽晶形状为片状、棒状、瓦片状或筒状。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的籽晶架具有一个以上的籽晶夹，每个籽晶夹夹设一块籽晶。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的籽晶架上的籽晶夹的排列方法包括横向排列、纵向排列或纵横组合排列。

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