CN107513767B - 一种适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置及使用方法 - Google Patents

一种适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置，包括：石墨外壳，在石墨外壳内，容纳有风屏腔体、石墨导气装置、石墨加热器和坩埚，坩埚的上方分为成型区和溶料区，石墨加热器围绕所述成型区和溶料区，成型区和溶料区相通，成型区的上方设有风屏腔体，石墨导气装置设置在风屏腔体的侧壁的外侧，石墨导气装置与风屏腔体通过陶瓷射流口连通。本发明还提供上述装置的使用方法，本发明所述的适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置及使用方法，利用两侧及中心部位的射流，实现构造稳定的、可控的、均匀的冷却气屏，从而令生长的硅片厚度均匀、生长过程更加稳定。

Description

一种适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置及使用 方法
【技术领域】
本发明涉及硅材料制备技术领域，特别涉及一种精确的垂直温度梯度产生装置。
【背景技术】
硅作为非金属在半导体领域以及光伏领域有广泛的应用。现有技术中，通常采用直拉法(CZ法)或区熔法(HZ法)生产单晶硅锭，利用铸造技术生产多晶硅锭。随后的技术发展过程中，人们开始开发直接生产硅片的设备，其中应用最为广泛的有：导模法(EFG)、线拉带硅法(SR)等。这种生长硅片的方法，是通过构建垂直的温度梯度，使硅晶体从坩埚底部生长，通过引导丝线或者籽晶牵引拉出生长的硅使熔融的硅以一定速度生长成硅片。但是这种方法需要构建稳定的、平顺的垂直温度梯度，才能长出厚度均匀的硅片。传统技术中，通过左右两侧射入冷气体构成冷却气屏来构建垂直温度梯度。这种方法虽然高效，但是存在横向的温度梯度，往往会让生长的晶片厚度不均匀或者出现枝晶。
因此，有必要提供一种改进的技术方案来克服上述问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置，解决线拉带硅(SR)法生长的硅片厚度不均匀，生长不稳定，控制困难等问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置，其包括：石墨外壳，在所述石墨外壳内，容纳有风屏腔体、石墨导气装置、石墨加热器和坩埚，所述坩埚的上方分为成型区和溶料区，所述石墨加热器围绕所述成型区和溶料区，所述成型区和溶料区相通，硅原料在所述溶料区溶解后流入所述成型区，所述成型区的上方设有所述风屏腔体，所述石墨导气装置设置在所述风屏腔体的侧壁的外侧，所述石墨导气装置与所述风屏腔体通过陶瓷射流口连通，所述冷却气体自气体导入口进入所述石墨导气装置，经石墨导气装置引导，从所述陶瓷射流口射入所述风屏腔体内。
作为本发明的一个优选的实施例，所述石墨外壳采用导热石墨，厚度在1～4mm之间。
作为本发明的一个优选的实施例，所述陶瓷射流口具有前射流口、与所述前射流口相对应的后射流口、左射流口和与所述左射流口相对应的右射流口，分别位于所述风屏腔体的前壁、后壁、左壁和右壁。
作为本发明的一个优选的实施例，所述前射流口与所述后射流口的间距为3～8mm，所述左射流口与所述右射流口的间距为10～15mm。
作为本发明的一个优选的实施例，所述前射流口、后射流口、左射流口和右射流口均为排孔，任意相邻两个排孔的间距为2～5mm。
作为本发明的一个优选的实施例，所述左射流口与所述右射流口均为等径孔，孔径为0.5～2mm。
作为本发明的一个优选的实施例，所述前射流口和后射流口的孔径自上而下均匀增加，所述孔径的范围为1～3mm，所述前射流口和后射流口的气路具有倾斜角度，所述倾斜角度的范围为15～40°。
上述结构的使用方法，包括如下步骤：
(1)启动生产设备，硅原料自入料口进入熔料区；
(2)开启石墨加热器，对整个熔料区以及成型区进行加热，溶料区的硅原料熔融形成熔融硅后，流入成型区，在坩埚的底部形成一层厚度为3～4mm的硅熔融层；
(3)向气体导入口通入冷却气体，所述冷却气体通过石墨导气装置的引导，从陶瓷射流口向风屏腔体内射入冷却气体，形成一个冷却风屏；
(4)所述风屏腔体被持续降温后，与坩埚区域形成垂直的温度梯度，待温度稳定后，由牵引丝线带动所述熔融硅向上移动，所述熔融硅结晶形成硅片。
作为本发明的一个优选的实施例，步骤(1)、(2)和(3)同时进行。
作为本发明的一个优选的实施例，所述冷却气体为氩气或者氩气—氦气混合气体，所述冷却气体的温度为200～400℃。
与现有技术相比，本发明所述的一种适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置及使用方法，利用两侧及中心部位的射流，实现构造稳定的、可控的、均匀的冷却气屏，从而令生长的硅片厚度均匀、生长过程更加稳定。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明中的适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置的部分结构示意图；
图2为本发明中的适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置的前、后陶瓷射流口的侧向气路结构示意图。
其中，1为气体导入口、2为陶瓷射流口、3为石墨加热器、4为溶料区、5为成型区、6为硅片、7为风屏腔体、8和10为石墨导气装置、9为坩埚。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
请参阅图1，图1为本发明中的适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置的部分结构示意图。如图1所示，本发明所述的适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置，包括：石墨外壳(未图示)，在一种方案中，石墨外壳采用导热石墨，厚度在1～4mm之间。在石墨外壳中，共设有用于传输冷却气体的冷却部件(未图示)、用于加热硅原料的加热部件(未图示)和用于生成硅片的反应部件(未图示)。
反应部件包括风屏腔体7。
冷却部件包括陶瓷射流口2、用以引导冷却气体从陶瓷射流口2射出的石墨导气装置10和气体导入口1，风屏腔体7。石墨导气装置10与石墨外壳通过紧固石墨螺钉固定连接，石墨导气装置10连接气体导入口1，风屏腔体7与石墨导气装置10通过陶瓷射流口2连通。冷却气体自气体导入口1进入石墨导气装置10，经石墨导气装置10引导，从陶瓷射流口2射入风屏腔体7内。风屏腔体7由4个不同方向的横向射流口包裹，这4个不同方向的横向射流口分别是前射流口、后射流口、左射流口和右射流口，分别位于风屏腔体7的前壁、后壁、左壁和右壁。这四个射流口中，前射流口与后射流口的间距为3～8mm，左射流口与右射流口的间距为10～15mm，左射流口与右射流口均为等径孔，孔径为0.5～2mm。前射流口、后射流口、左射流口和右射流口均为排孔，任意相邻两个排孔的间距为2～5mm。
请参阅图2，图2为本发明中的适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置的前、后陶瓷射流口的侧向气路结构示意图。如图2所示，前射流口和后射流口的孔径自上而下均匀增加，孔径的范围为1～3mm，前后射流口的射流气路向上倾斜一定角度。前射流口和后射流口的气路具有倾斜角度，倾斜角度的范围为15～40°。冷却气体从气体导入口1进入石墨导气装置，然后从陶瓷射流口2中射入风屏腔本7内，风屏腔体7具有前，后，左，右4个射流口，左右的射流口采用均匀间距的排孔，孔径相同，会形成横向的气流，前后的射流口，由于上方孔径小，下方孔径大，所以上方的流速更大，而下方的流速小，自上而下气压增大，风屏腔体7内的气体会自然上流，从而减小对成型区5的影响。同时前后的射流口可以进一步弥补若只存在左右射流而产生的中间温度高两侧温度低的问题。从而形成一个更加稳定且均匀的冷区域。
加热部件包括坩埚9、成型区5、溶料区4和石墨加热器3，成型区5、溶料区4位于坩埚9的上方，成型区5的上方为风屏腔体7，石墨加热器3设置在成型区5和溶料区4的周围，对成型区5和溶料区4中的硅原料和熔融硅进行加热，成型区5与溶料区4相通，硅原料在溶料区4溶解后流入成型区5。
实施例2
适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置的使用方法，包括如下步骤：
启动生产设备，硅粉末原料自入料口(未图示)进入熔料区4，冷却气体自气体导入口1进入，通过石墨导气装置8，10的引导，从陶瓷射流口2射入风屏腔体7内，冷却气体为200～400℃的氩气或者氩气—氦气混合气体，气体流量为1～5L/min，这个流量数据可以根据工艺要求进行改变，形成一个冷的、气体的冷却屏，从而形成一个自下而上的温度梯度。在导入气体的同时，开启石墨加热器3的开关，电流通过四周的石墨电极(未图示)导入石墨加热器3，对整个熔料区4以及成型区5进行加热，溶料区4的硅料熔融后，流入成型区5，在坩埚9的底部形成一层3～4mm后的硅熔融层，此时由于腔体7被持续降温，与坩埚区域形成温度差，从而自然形成垂直的温度梯度。在温度稳定后，通过牵引丝线带动熔融硅向上移动，由于温度梯度的存在，熔融硅结晶，形成片状多晶，成型的硅片6被冷却气屏冷却后自出料口移出。
所属领域内的普通技术人员应该能够理解的是，本发明的特点或目的之一在于：适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置可以使垂直的温度梯度均匀且减少过冷氩气对成型区的温度场的影响，从而生长出厚度均匀的硅片，同时可以有效的减小硅片的次品率，使整个生产过程更加稳定可靠。本发明另一特点或目的在于：上述装置在使用时运用垂直提拉生长步骤，当设备启动并向溶料区加入硅原料的同时，还向该装置内通过冷却气体入口导入冷的氩气气体，不仅如此，还同时开启加热器。气体通过石墨导气装置的引导，通过陶瓷射流口，向风屏腔体内射入冷气体，形成一个冷却风屏。左右射流口流量与前后射流口流量一致，所制得的硅片厚度均匀、生长过程稳定。
需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (9)

1.一种适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置，其特征在于，包括：石墨外壳，在所述石墨外壳内，容纳有风屏腔体、石墨导气装置、石墨加热器和坩埚，
所述坩埚的上方分为成型区和溶料区，所述石墨加热器围绕所述成型区和溶料区，所述成型区和溶料区相通，硅原料在所述溶料区溶解后流入所述成型区，所述成型区的上方设有所述风屏腔体，所述石墨导气装置设置在所述风屏腔体的侧壁的外侧，所述石墨导气装置与所述风屏腔体通过陶瓷射流口连通，所述冷却气体自气体导入口进入所述石墨导气装置，经石墨导气装置引导，从所述陶瓷射流口射入所述风屏腔体内，所述陶瓷射流口具有前射流口、与所述前射流口相对应的后射流口、左射流口和与所述左射流口相对应的右射流口，分别位于所述风屏腔体的前壁、后壁、左壁和右壁。
2.根据权利要求1所述的适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置，其特征在于，所述石墨外壳采用导热石墨，厚度在1～4mm之间。
3.根据权利要求1所述的适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置，其特征在于，所述前射流口与所述后射流口的间距为3～8mm，所述左射流口与所述右射流口的间距为10～15mm。
4.根据权利要求1所述的适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置，其特征在于，所述前射流口、后射流口、左射流口和右射流口均为排孔，任意相邻两个排孔的间距为2～5mm。
5.根据权利要求1所述的适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置，其特征在于，所述左射流口与所述右射流口均为等径孔，孔径为0.5～2mm。
6.根据权利要求1所述的适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置，其特征在于，所述前射流口和后射流口的孔径自上而下均匀增加，所述孔径的范围为1～3mm，所述前射流口和后射流口的气路具有倾斜角度，所述倾斜角度的范围为15～40°。
7.一种如权利要求1-6所述的适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)启动生产设备，硅原料自入料口进入熔料区；
(2)开启石墨加热器，对整个熔料区以及成型区进行加热，溶料区的硅原料熔融形成熔融硅后，流入成型区，在坩埚的底部形成一层厚度为3～4mm的硅熔融层；
(3)向气体导入口通入冷却气体，所述冷却气体通过石墨导气装置的引导，从陶瓷射流口向风屏腔体内射入冷却气体，形成一个冷却风屏；
(4)所述风屏腔体被持续降温后，与坩埚区域形成垂直的温度梯度，待温度稳定后，由牵引丝线带动所述熔融硅向上移动，所述熔融硅结晶形成硅片。
8.根据权利要求7所述的适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置的使用方法，其特征在于，步骤(1)、(2)和(3)同时进行。
9.根据权利要求7所述的适用于多晶硅垂直生长机构的温度梯度产生装置的使用方法，其特征在于，所述冷却气体为氩气或者氩气—氦气混合气体，所述冷却气体的温度为200～400℃。
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