CN110528064A - 一种单晶硅生长装置及单晶硅生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单晶硅生长装置，包括炉体，所述炉体内的相对侧壁上均固定有上固定块和下固定块，所述炉体内的底部固定有炉底护盘，所述炉底护盘的上端固定有石墨碳毡，且石墨碳毡位于下固定块的下端，所述上固定块的下端固定有上保温罩，所述下固定块的上端固定有下保温罩，所述上保温罩和下保温罩之间共同固定有中保温罩；本发明还提出了一种单晶硅生长方法。本发明通过L型夹持板、坩埚托盘和连接块之间的配合，实现了能对不同大小的坩埚进行夹持的功能，提高了坩埚加热时的稳定性，保证了单晶硅的生长速度和质量，节约了时间，适用范围广，同时还简化了单晶硅的生长方法，操作简单，大大减少了晶体的缺陷。

Description

一种单晶硅生长装置及单晶硅生长方法

技术领域

本发明涉及单晶硅技术领域，尤其涉及一种单晶硅生长装置及单晶硅生长方法。

背景技术

单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。

由于硅材料的易获得性、太阳能级高纯硅生产方法较为成熟，硅晶体类（单晶硅、多晶硅）太阳能电池作为一类重要的清洁能源，已经被广泛地使用。进入21世纪，这类电池的使用量巨幅增长。

目前，在利用单晶硅生长装置获得硅时，需要利用坩埚对多晶硅原料进行加热，但是，现有的单晶硅生长装置大部分都是固定的，在使用不同大小的坩埚时，无法对其进行稳定夹持固定，从而影响单晶硅的生长速度和质量，而且现有的单晶硅生长方法较为繁琐，操作复杂，为此，我们提出了一种单晶硅生长装置及生长方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种单晶硅生长装置及单晶硅生长方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种单晶硅生长装置，包括炉体，所述炉体内的相对侧壁上均固定有上固定块和下固定块，所述炉体内的底部固定有炉底护盘，所述炉底护盘的上端固定有石墨碳毡，且石墨碳毡位于下固定块的下端，所述上固定块的下端固定有上保温罩，所述下固定块的上端固定有下保温罩，所述上保温罩和下保温罩之间共同固定有中保温罩，两个上固定块的相对一侧均固定有导流筒，所述炉体、石墨碳毡和炉底护盘的中部共同贯穿并固定有托杆护套，所述托杆护套内贯穿设有托杆，所述托杆的上端设有支撑装置，所述支撑装置上设有石墨坩埚，所述石墨坩埚内放置有石英坩埚，所述石英坩埚的上端延伸至石墨坩埚的上端，两个导流筒的下端均延伸至石英坩埚内，所述炉体内设有加热装置，所述加热装置和石英坩埚相对应。

优选地，所述支撑装置包括固定在托杆上端的支撑块，所述支撑块的上端固定有坩埚托盘，所述坩埚托盘的其中两侧均固定有连接块，所述坩埚托盘的另外两侧和两个连接块的一侧均设有插槽，所述插槽内贯穿设有L型夹持板，所述插槽内的一端侧壁上等间距设有两个以上通孔，所述L型夹持板的一侧等间距设有两个以上和通孔对应的螺纹盲孔，其中四个通孔内均贯穿设有螺钉，所述螺钉的一端延伸至对应的螺纹盲孔内，所述L型夹持板的一侧均固定有夹持块，四个夹持块的一侧均抵触在石墨坩埚的一周侧壁上。

优选地，所述加热装置包括共同贯穿并固定在炉体、石墨碳毡和炉底护盘上的电极护套，所述电极护套内的一周侧壁上固定有石英环，所述石英环内贯穿设有电极，所述电极的上端通过电极螺栓固定有L型加热器，两个L型加热器分别位于石英坩埚的两侧。

优选地，所述上保温罩、中保温罩和下保温罩均采用炭纤维无纬布与薄炭纤维网胎制成。

优选地，所述支撑块和坩埚托盘为一体成型。

优选地，所述螺纹盲孔的数量为5-8个。

本发明还提出了一种单晶硅生长方法，包括以下步骤：

S1、准备好适量的多晶料和杂质混合物；

S2、将多晶料混合物通过导流筒倒入进石英坩埚内；

S3、利用L型加热器对石英坩埚进行加热，使多晶料全部熔化；

S4、将籽晶放下经烘烤后，使之接触熔体，籽晶向上提拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶；

S5、单晶保持圆柱形开始生长，直至长大到所需要的直径尺寸；

S6、将单晶直径逐渐缩小，使之最后呈锥形；

S7、温度冷却下来后，将成型后的单晶从炉体内取出。

在本发明中，先准备好适量的多晶料混合物，然后将多晶硅原料及杂质通过导流筒落到石英坩埚内，杂质的种类依电阻的N或P型而定，杂质种类有硼、磷、锑、砷、目前国内太阳能行业仅掺硼形成P型半导体，加完多晶硅原料于石英坩埚内后，炉体必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开加热电源，利用L型加热器将温度加热至熔化温度（1420℃）以上，将多晶硅原料熔化，当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中引晶生长时将籽晶快速向上提长，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（4-6mm），由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能排出晶体表面，产生低位错的晶体，长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小，长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2mm之间，这段直径固定的部分即称为等径部分，单晶硅片取自于等径部分，在生长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么热应力将使得晶棒出现位错与滑移线，于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开，从而获得成品，然后待温度降下来之后，将成品从炉体内取出，本发明通过L型夹持板、坩埚托盘和连接块之间的配合，实现了能对不同大小的坩埚进行夹持的功能，提高了坩埚加热时的稳定性，保证了单晶硅的生长速度和质量，节约了时间，适用范围广，同时还简化了单晶硅的生长方法，操作简单，大大减少了晶体的缺陷。

附图说明

图1为本发明提出的一种单晶硅生长装置的结构示意图；

图2为本发明提出的一种单晶硅生长装置坩埚托盘的结构示意图；

图3为本发明提出的一种单晶硅生长装置的A处放大图；

图4为本发明提出的一种单晶硅生长装置的B处放大图；

图5为本发明提出的一种单晶硅生长方法的流程图。

图中：1导流筒、2上固定块、3炉体、4中保温罩、5 L型加热器、6插槽、7下保温罩、8坩埚托盘、9炉底护盘、10托杆、11电极护套、12电极、13石墨碳毡、14下固定块、15通孔、16连接块、17托杆护套、18石墨坩埚、19石英坩埚、20上保温罩、21 L型夹持板、22石英环、23电极螺栓、24 L型支撑板、25螺纹盲孔、26螺钉、27支撑块、28夹持块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-4，一种单晶硅生长装置，包括炉体3，方便对多晶料和杂质混合物进行加热，炉体3内的相对侧壁上均固定有上固定块2和下固定块14，起到连接固定的作用，炉体3内的底部固定有炉底护盘9，方便对炉体3的底部进行保护，炉底护盘9的上端固定有石墨碳毡13，且石墨碳毡13位于下固定块14的下端，石墨碳毡13具有强力大、抗氧化能力强、保温性能好的特点。

在本发明中，上固定块2的下端固定有上保温罩20，下固定块14的上端固定有下保温罩7，上保温罩20和下保温罩7之间共同固定有中保温罩4，起到保温隔热的作用，两个上固定块2的相对一侧均固定有导流筒1，便于多晶硅材料落入石英坩埚19内。

在本发明中，炉体3、石墨碳毡13和炉底护盘9的中部共同贯穿并固定有托杆护套17，托杆护套17内贯穿设有托杆10，利用托杆护套17方便对托杆10进行保护，托杆10的上端设有支撑装置，支撑装置上设有石墨坩埚18，石墨坩埚18内放置有石英坩埚19，石英坩埚19的上端延伸至石墨坩埚18的上端，在支撑装置的作用下，方便对石墨坩埚18进行稳定夹持固定，提高石墨坩埚18的稳定性。

在本发明中，两个导流筒1的下端均延伸至石英坩埚19内，便于多晶料落下，炉体3内设有加热装置，加热装置和石英坩埚19相对应，上保温罩20、中保温罩4和下保温罩7均采用炭纤维无纬布与薄炭纤维网胎制成，支撑块27和坩埚托盘8为一体成型，在加热装置的作用下，方便对石英坩埚19内的多晶料进行加热熔化。

本发明中，支撑装置包括固定在托杆10上端的支撑块27，起到稳定支撑的作用，支撑块27的上端固定有坩埚托盘8，方便对石墨坩埚18进行支撑，坩埚托盘8的其中两侧均固定有连接块16，坩埚托盘8的另外两侧和两个连接块16的一侧均设有插槽6，插槽6内贯穿设有L型夹持板21，利用L型夹持板21方便对石墨坩埚18进行夹持固定。

在本发明中，插槽6内的一端侧壁上等间距设有两个以上通孔15，L型夹持板21的一侧等间距设有两个以上和通孔15对应的螺纹盲孔25，螺纹盲孔25的数量为5-8个，其中四个通孔15内均贯穿设有螺钉26，螺钉26的一端延伸至对应的螺纹盲孔25内，L型夹持板21的一侧均固定有夹持块28，四个夹持块28的一侧均抵触在石墨坩埚18的一周侧壁上，方便进行稳定夹持，通过插槽6和L型夹持板21之间的配合，方便根据坩埚的大小调节L型夹持板21的位置，以便于对不同大小的坩埚都能进行夹持固定，适用范围广。

在本发明中，加热装置包括共同贯穿并固定在炉体3、石墨碳毡13和炉底护盘9上的电极护套11，电极护套11内的一周侧壁上固定有石英环22，便于保护电极12，石英环22内贯穿设有电极12，电极12的上端通过电极螺栓23固定有L型加热器5，两个L型加热器5分别位于石英坩埚19的两侧，利用电极12方便对L型加热器5进行加热。

参照图5，一种单晶硅生长方法，包括以下步骤：

S1、准备好适量的多晶料和杂质混合物；

S2、将多晶料混合物通过导流筒1倒入进石英坩埚19内，杂质的种类依电阻的N或P型而定，杂质种类有硼、磷、锑、砷、目前国内太阳能行业仅掺硼形成P型半导体；

S3、炉体3必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开加热电源，利用L型加热器5对石英坩埚19进行加热，加热至熔化温度（1420℃）以上，使多晶料全部熔化；

S4、将籽晶放下经烘烤后，使之接触熔体，籽晶向上提拉，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（4-6mm），由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能排出晶体表面，产生低位错的晶体，控制温度使熔体在籽晶上结晶；

S5、单晶保持圆柱形开始生长，直至长大到所需要的直径尺寸，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2mm之间，这段直径固定的部分即称为等径部分，单晶硅片取自于等径部分；

S6、将单晶直径逐渐缩小，使之最后呈锥形，避免热应力使得晶棒出现位错与滑移线；

S7、温度冷却下来后，将成型后的单晶从炉体3内取出。

在本发明中，先准备好量的多晶料混合物，然后将多晶硅原料及杂质通过导流筒1落到石英坩埚19内，杂质的种类依电阻的N或P型而定，杂质种类有硼、磷、锑、砷、目前国内太阳能行业仅掺硼形成P型半导体，加完多晶硅原料于石英坩埚19内后，炉体3必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开加热电源，利用L型加热器5将温度加热至熔化温度（1420℃）以上，将多晶硅原料熔化，当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中引晶生长时将籽晶快速向上提长，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（4-6mm），由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能排出晶体表面，产生低位错的晶体，长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小，长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2mm之间，这段直径固定的部分即称为等径部分，单晶硅片取自于等径部分，在生长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么热应力将使得晶棒出现位错与滑移线，于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开，从而获得成品，然后待温度降下来之后，将成品从炉体3内取出。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单晶硅生长装置，包括炉体（3），其特征在于：所述炉体（3）内的相对侧壁上均固定有上固定块（2）和下固定块（14），所述炉体（3）内的底部固定有炉底护盘（9），所述炉底护盘（9）的上端固定有石墨碳毡（13），且石墨碳毡（13）位于下固定块（14）的下端，所述上固定块（2）的下端固定有上保温罩（20），所述下固定块（14）的上端固定有下保温罩（7），所述上保温罩（20）和下保温罩（7）之间共同固定有中保温罩（4），两个上固定块（2）的相对一侧均固定有导流筒（1），所述炉体（3）、石墨碳毡（13）和炉底护盘（9）的中部共同贯穿并固定有托杆护套（17），所述托杆护套（17）内贯穿设有托杆（10），所述托杆（10）的上端设有支撑装置，所述支撑装置上设有石墨坩埚（18），所述石墨坩埚（18）内放置有石英坩埚（19），所述石英坩埚（19）的上端延伸至石墨坩埚（18）的上端，两个导流筒（1）的下端均延伸至石英坩埚（19）内，所述炉体（3）内设有加热装置，所述加热装置和石英坩埚（19）相对应。

2.根据权利要求1所述的一种单晶硅生长装置，其特征在于：所述支撑装置包括固定在托杆（10）上端的支撑块（27），所述支撑块（27）的上端固定有坩埚托盘（8），所述坩埚托盘（8）的其中两侧均固定有连接块（16），所述坩埚托盘（8）的另外两侧和两个连接块（16）的一侧均设有插槽（6），所述插槽（6）内贯穿设有L型夹持板（21），所述插槽（6）内的一端侧壁上等间距设有两个以上通孔（15），所述L型夹持板（21）的一侧等间距设有两个以上和通孔（15）对应的螺纹盲孔（25），其中四个通孔（15）内均贯穿设有螺钉（26），所述螺钉（26）的一端延伸至对应的螺纹盲孔（25）内，所述L型夹持板（21）的一侧均固定有夹持块（28），四个夹持块（28）的一侧均抵触在石墨坩埚（18）的一周侧壁上。

3.根据权利要求1所述的一种单晶硅生长装置，其特征在于：所述加热装置包括共同贯穿并固定在炉体（3）、石墨碳毡（13）和炉底护盘（9）上的电极护套（11），所述电极护套（11）内的一周侧壁上固定有石英环（22），所述石英环（22）内贯穿设有电极（12），所述电极（12）的上端通过电极螺栓（23）固定有L型加热器（5），两个L型加热器（5）分别位于石英坩埚（19）的两侧。

4.根据权利要求1所述的一种单晶硅生长装置，其特征在于：所述上保温罩（20）、中保温罩（4）和下保温罩（7）均采用炭纤维无纬布与薄炭纤维网胎制成。

5.根据权利要求2所述的一种单晶硅生长装置，其特征在于：所述支撑块（27）和坩埚托盘（8）为一体成型。

6.根据权利要求2所述的一种单晶硅生长装置，其特征在于：所述螺纹盲孔（25）的数量为5-8个。

7.一种单晶硅生长方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、准备好适量的多晶料和杂质混合物；

S2、将多晶料混合物通过导流筒（1）倒入进石英坩埚（19）内；

S3、利用L型加热器（5）对石英坩埚（19）进行加热，使多晶料全部熔化；

S4、将籽晶放下经烘烤后，使之接触熔体，籽晶向上提拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶；

S5、单晶保持圆柱形开始生长，直至长大到所需要的直径尺寸；

S6、将单晶直径逐渐缩小，使之最后呈锥形；

S7、温度冷却下来后，将成型后的单晶从炉体（3）内取出。