CN110528073A - 一种单晶硅片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单晶硅片的制备方法，包括以下步骤：S1、将多晶硅和掺杂剂置入单晶炉内的石英坩埚中；S2、当装料结束关闭单晶炉门后，抽真空使单晶炉内保持在一定的压力范围内，驱动石墨加热系统的电源，加热至大于硅的熔化温度，使多晶硅和掺杂物熔化。本发明中的薄化单晶硅材料及其载负微纳结构能有效抑制光在硅基材料表面的反射损失，增加光吸收，对进一步提高光基器件的性能具有重要意义，因此，采用薄化单晶硅的方式来制备柔性硅基材料可以满足于传统硅基结构制备工艺相兼容的要求，具有良好电学特性和机械柔性的材料，同时制造工艺成本低，并且阵列之间有着大量的应力释放区，使得转移后的硅条阵列具有良好的抗弯折性能。
Description
技术领域
本发明涉及单晶硅片生产技术领域，尤其涉及一种单晶硅片的制备方法。
背景技术
近年来，由于便携式电子器件突飞猛进的发展，柔性薄膜型器件能够实现其本身功能的同时兼具柔性、超薄甚至透明特性而广受关注。尽管诸多超薄且柔韧性较好的新型材料在构建柔性器件时表现出强劲优势，但是目前柔性器件的关键性能依然不能与传统的硅微电子器件相比。块体硅材料本身是脆性半导体材料，在微电子和光伏产业占据着主导地位，现代的元器件和集成电路大多数也都是硅为原料，但是柔性单晶硅材料目前研究较少，无法满足柔性器件要求，因此，发展基于柔性化的单晶硅材料得到了科研人员的关注和研究。
目前制备柔性单晶硅材料的方法主要有两类：第一类，通过机械剥离、外延生长或化学腐蚀来薄化单晶硅材料，使其厚度达到-定尺度后，薄片的单晶硅材料将会表现出一定的柔性；第二类，通过蚀刻的方法将体硅制备成一维硅纳米线，将硅纳米线嵌入某一种支撑体薄膜中，然后通过机械力、化学腐蚀将硅纳米线与硅基底之间接触力变弱，剥离有序的硅纳米线薄膜，实现单晶硅材料柔性化。虽然剥离硅纳米线的方式具有工艺简单，低成本等优点，且新的剥离方法可以高效有序的剥离硅纳米线，但是单一的硅纳米线有序阵列并不能满足新形式下对复杂构型的硅基结构的要求，难以与传统的硅基结构的构筑工艺兼容，剥离下的硅纳米线结构，也无法制备复杂的3D硅基复合结构，为此，我们提出了一种单晶硅片的制备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片的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种单晶硅片的制备方法，包括以下步骤：
S1、将多晶硅和掺杂剂置入单晶炉内的石英坩埚中；
S2、当装料结束关闭单晶炉门后，抽真空使单晶炉内保持在一定的压力范围内，驱动石墨加热系统的电源，加热至大于硅的熔化温度，使多晶硅和掺杂物熔化；
S3、当多晶硅熔融体温度稳定后，将籽晶慢慢下降进入硅熔融体中(籽晶在硅熔体中也会被熔化)，然后具有一定转速的籽晶按一定速度向上提升，由于轴向及径向温度梯度产生的热应力和熔融体的表面张力作用，使籽晶与硅熔体的固液交接面之间的硅熔融体冷却成固态的硅单晶；
S4、当籽晶与硅熔融体接触时，由于温度梯度产生的热应力和熔体的表面张力作用，会使籽晶晶格产生大量错位，需在引晶后先生长一段“细颈”单晶(直径2-4亳米)，并加快提拉速度，由于细颈处应力小，不足以产生新错位，也不足以推动籽晶中原有的错位迅速移动，这样，晶体生长速度超过了错位运动速度，与生长轴斜交的错位就被中止在晶体表面上，从而可以生长出无错位单晶；
S5、在缩径工艺中，当细颈生长到足够长度时，通过逐渐降低晶体的提升速度及温度调整，使晶体直径逐渐变大而达到工艺要求直径的目标值；
S6、当晶体直径达到工艺要求直径的目标值时，再通过逐渐提高晶体的提升速度及温度的调整，使晶体生长进入等直径生长阶段，并使晶体直径控制在大于或接近工艺要求的目标公差值；
S7、当晶体生长的长度达到预定要求时，应该逐渐缩小晶体的直径，直至最后缩小成为一个点而离开硅熔融体液面，完成体硅的生产；
S8、通过光刻-刻蚀技术在体硅上制备了微米级别阵列，然后真空沉积一层贵金属，反应离子刻蚀去除掩模，碱液各向异性刻蚀沟槽，氮化硅保护层制备，再次真空沉积贵金属层，碱液刻蚀脱离，最后有机物粘离体硅基底，剥离形成超薄的硅条阵列，通过构型设计、层层刻蚀制备出大量的薄硅条阵列。
优选地，所述S1中掺杂剂的种类应视所需生长的硅单晶电阻率而定。
优选地，所述S2中硅的熔化温度为1420摄氏度。
优选地，所述S4中无错位硅单晶的直径生长粗大后，尽管有较大的冷却应力也不易被破坏。
优选地，所述S5中为了降低晶棒头部的原料损失，采用平放肩工艺使肩部夹角呈180°。
本发明将多晶硅和掺杂剂置入单晶炉内的石英坩埚中，当装料结束关闭单晶炉门后，抽真空使单晶炉内保持在一定的压力范围内，驱动石墨加热系统的电源，加热至大于硅的熔化温度，使多晶硅和掺杂物熔化，当多晶硅熔融体温度稳定后，将籽晶慢慢下降进入硅熔融体中(籽晶在硅熔体中也会被熔化)，然后具有一定转速的籽晶按一定速度向上提升，由于轴向及径向温度梯度产生的热应力和熔融体的表面张力作用，使籽晶与硅熔体的固液交接面之间的硅熔融体冷却成固态的硅单晶，当籽晶与硅熔融体接触时，由于温度梯度产生的热应力和熔体的表面张力作用，会使籽晶晶格产生大量错位，需在引晶后先生长一段“细颈”单晶(直径2-4亳米)，并加快提拉速度，由于细颈处应力小，不足以产生新错位，也不足以推动籽晶中原有的错位迅速移动，这样，晶体生长速度超过了错位运动速度，与生长轴斜交的错位就被中止在晶体表面上，从而可以生长出无错位单晶，在缩径工艺中，当细颈生长到足够长度时，通过逐渐降低晶体的提升速度及温度调整，使晶体直径逐渐变大而达到工艺要求直径的目标值，当晶体直径达到工艺要求直径的目标值时，再通过逐渐提高晶体的提升速度及温度的调整，使晶体生长进入等直径生长阶段，并使晶体直径控制在大于或接近工艺要求的目标公差值，当晶体生长的长度达到预定要求时，应该逐渐缩小晶体的直径，直至最后缩小成为一个点而离开硅熔融体液面，完成体硅的生产，通过光刻-刻蚀技术在体硅上制备了微米级别阵列，然后真空沉积一层贵金属，反应离子刻蚀去除掩模，碱液各向异性刻蚀沟槽，氮化硅保护层制备，再次真空沉积贵金属层，碱液刻蚀脱离，最后有机物粘离体硅基底，剥离形成超薄的硅条阵列，通过构型设计、层层刻蚀制备出大量的薄硅条阵列。本发明中的薄化单晶硅材料及其载负微纳结构能有效抑制光在硅基材料表面的反射损失，增加光吸收，对进一步提高光基器件的性能具有重要意义，因此，采用薄化单晶硅的方式来制备柔性硅基材料可以满足于传统硅基结构制备工艺相兼容的要求，具有良好电学特性和机械柔性的材料，同时制造工艺成本低，并且阵列之间有着大量的应力释放区，使得转移后的硅条阵列具有良好的抗弯折性能。
附图说明
图1为本发明提出的一种单晶硅片的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面将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1，一种单晶硅片的制备方法，包括以下步骤：
首先，将多晶硅和掺杂剂置入单晶炉内的石英坩埚中，掺杂剂的种类应视所需生长的硅单晶电阻率而定，掺杂过程实质上是导电聚合物的一个氧化或还原过程，所使用的氧化剂或还原剂在掺杂过程中称为掺杂剂。
然后，当装料结束关闭单晶炉门后，抽真空使单晶炉内保持在一定的压力范围内，驱动石墨加热系统的电源，加热至大于硅的熔化温度，使多晶硅和掺杂物熔化，硅的熔化温度为1420摄氏度。
之后，当多晶硅熔融体温度稳定后，将籽晶慢慢下降进入硅熔融体中(籽晶在硅熔体中也会被熔化)，然后具有一定转速的籽晶按一定速度向上提升，由于轴向及径向温度梯度产生的热应力和熔融体的表面张力作用，使籽晶与硅熔体的固液交接面之间的硅熔融体冷却成固态的硅单晶。
之后，当籽晶与硅熔融体接触时，由于温度梯度产生的热应力和熔体的表面张力作用，会使籽晶晶格产生大量错位，需在引晶后先生长一段“细颈”单晶(直径2-4亳米)，并加快提拉速度，由于细颈处应力小，不足以产生新错位，也不足以推动籽晶中原有的错位迅速移动，这样，晶体生长速度超过了错位运动速度，与生长轴斜交的错位就被中止在晶体表面上，从而可以生长出无错位单晶，无错位硅单晶的直径生长粗大后，尽管有较大的冷却应力也不易被破坏。
之后，在缩径工艺中，当细颈生长到足够长度时，通过逐渐降低晶体的提升速度及温度调整，使晶体直径逐渐变大而达到工艺要求直径的目标值，为了降低晶棒头部的原料损失，采用平放肩工艺使肩部夹角呈180°。
之后，当晶体直径达到工艺要求直径的目标值时，再通过逐渐提高晶体的提升速度及温度的调整，使晶体生长进入等直径生长阶段，并使晶体直径控制在大于或接近工艺要求的目标公差值，在等径生长阶段，对拉晶的各项工艺参数的控制非常重要，由于在晶体生长过程中，硅熔融体液面逐渐下降及加热功率逐渐增大等各种因素的影响，使得警惕的散热速率随着晶体的长度增长而递减，因此固液交接界面处的温度梯度变小，从而使得晶体的最大提升速度随着警惕长度的增长而减小。
之后，当晶体生长的长度达到预定要求时，应该逐渐缩小晶体的直径，直至最后缩小成为一个点而离开硅熔融体液面，完成体硅的生产，收尾晶体的收尾主要是防止错位的反延，一般讲，晶体错位反延的距离大于或等于晶体生长界面的直径。
最后，通过光刻-刻蚀技术在体硅上制备了微米级别阵列，然后真空沉积一层贵金属，反应离子刻蚀去除掩模，碱液各向异性刻蚀沟槽，氮化硅保护层制备，再次真空沉积贵金属层，碱液刻蚀脱离，最后有机物粘离体硅基底，剥离形成超薄的硅条阵列，通过构型设计、层层刻蚀制备出大量的薄硅条阵列，阵列之间有着大量的应力释放区，使得转移后的硅条阵列具有良好的抗弯折性能。
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 (5)
1.一种单晶硅片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将多晶硅和掺杂剂置入单晶炉内的石英坩埚中；
S2、当装料结束关闭单晶炉门后，抽真空使单晶炉内保持在一定的压力范围内，驱动石墨加热系统的电源，加热至大于硅的熔化温度，使多晶硅和掺杂物熔化；
S3、当多晶硅熔融体温度稳定后，将籽晶慢慢下降进入硅熔融体中(籽晶在硅熔体中也会被熔化)，然后具有一定转速的籽晶按一定速度向上提升，由于轴向及径向温度梯度产生的热应力和熔融体的表面张力作用，使籽晶与硅熔体的固液交接面之间的硅熔融体冷却成固态的硅单晶；
S4、当籽晶与硅熔融体接触时，由于温度梯度产生的热应力和熔体的表面张力作用，会使籽晶晶格产生大量错位，需在引晶后先生长一段“细颈”单晶(直径2-4亳米)，并加快提拉速度，由于细颈处应力小，不足以产生新错位，也不足以推动籽晶中原有的错位迅速移动，这样，晶体生长速度超过了错位运动速度，与生长轴斜交的错位就被中止在晶体表面上，从而可以生长出无错位单晶；
S5、在缩径工艺中，当细颈生长到足够长度时，通过逐渐降低晶体的提升速度及温度调整，使晶体直径逐渐变大而达到工艺要求直径的目标值；
S6、当晶体直径达到工艺要求直径的目标值时，再通过逐渐提高晶体的提升速度及温度的调整，使晶体生长进入等直径生长阶段，并使晶体直径控制在大于或接近工艺要求的目标公差值；
S7、当晶体生长的长度达到预定要求时，应该逐渐缩小晶体的直径，直至最后缩小成为一个点而离开硅熔融体液面，完成体硅的生产；
S8、通过光刻-刻蚀技术在体硅上制备了微米级别阵列，然后真空沉积一层贵金属，反应离子刻蚀去除掩模，碱液各向异性刻蚀沟槽，氮化硅保护层制备，再次真空沉积贵金属层，碱液刻蚀脱离，最后有机物粘离体硅基底，剥离形成超薄的硅条阵列，通过构型设计、层层刻蚀制备出大量的薄硅条阵列。
2.根据权利要求1所述的一种单晶硅片的制备方法，其特征在于，所述S1中掺杂剂的种类应视所需生长的硅单晶电阻率而定。
3.根据权利要求1所述的一种单晶硅片的制备方法，其特征在于，所述S2中硅的熔化温度为1420摄氏度。
4.根据权利要求1所述的一种单晶硅片的制备方法，其特征在于，所述S4中无错位硅单晶的直径生长粗大后，尽管有较大的冷却应力也不易被破坏。
5.根据权利要求1所述的一种单晶硅片的制备方法，其特征在于，所述S5中为了降低晶棒头部的原料损失，采用平放肩工艺使肩部夹角呈180°。
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