CN115354388A - 横截面呈十字形的硅单晶棒及其生长装置和生长方法 - Google Patents
横截面呈十字形的硅单晶棒及其生长装置和生长方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115354388A CN115354388A CN202211020887.1A CN202211020887A CN115354388A CN 115354388 A CN115354388 A CN 115354388A CN 202211020887 A CN202211020887 A CN 202211020887A CN 115354388 A CN115354388 A CN 115354388A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon single
- cross
- single crystal
- crystal
- crucible
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 342
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 157
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 157
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 153
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 120
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 94
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 79
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 79
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 36
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 35
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 27
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 18
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 claims description 16
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 12
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 claims description 10
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 claims description 10
- 230000003028 elevating effect Effects 0.000 claims description 10
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 9
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 4
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 12
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 abstract description 11
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 8
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/06—Silicon
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明涉及半导体及光伏领域，公开了横截面呈十字形的硅单晶棒及其生长装置和生长方法。硅单晶棒生长装置，包括：炉体，由外至内设置在炉体内的隔热组件、分区加热机构、支撑坩埚和石英坩埚，以及从炉体的顶部伸入炉体内且与坩埚的轴线对应的提拉机构，提拉机构伸入炉体内的端部用于连接籽晶；分区加热机构以及支撑坩埚和石英坩埚的横截面呈十字形，三者同轴设置；炉体上设置有可从炉体的外部监测到其内部晶体生长信息的监测窗。硅单晶棒生长方法，包括采用上述装置实施硅单晶棒的生长。硅单晶棒，采用上述方法生长得到，该硅单晶棒的横截面呈十字形，其具有生产效率高、成本低，热应力小、产品质量高，利用率高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体及光伏技术领域，具体而言，涉及横截面呈十字形的硅单晶棒及其生长装置和生长方法。
背景技术
使用大尺寸硅单晶片、拉制大直径硅单晶，是降低光伏电池制造成本的重要措施之一。然而，用直拉法能拉制的硅单晶直径是有上限的，目前拉制直径超过400mm硅单晶的技术瓶颈主要在于传热学的限制。晶体生长的动力是温度梯度，温度梯度依赖于晶体表面的散热。在晶体生长一定长度后，晶体顶端表面的散热可以忽略，主要考虑晶体侧面的散热。晶体的热端是固液界面，冷端是晶体的侧表面。
一方面，冷-热端的面积比：
也就是说，硅晶体冷-热端的面积比R1与硅单晶棒的半径r成反比。较小的R1不利于硅单晶棒散热。
另一方面，较小直径的硅单晶传热路径较短，晶体侧面温度较高，而辐射传热的效率与物体表面温度的4次方成正比。
综合起来看，随着硅单晶直径的增大，硅单晶棒的散热条件越来越差，特别是晶体硅棒的中心，散热条件更差。为了维持晶体生长所需的晶体固-液表面必要的温度梯度，只能设法降低晶体的表面温度，但是此举将使晶体的径向温差变大，增加晶体的热应力，严重时，甚至导致晶体炸裂。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供横截面呈十字形的硅单晶棒及其生长装置和生长方法。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种横截面呈十字形的硅单晶棒生长装置，包括：炉体，由外至内设置在炉体内的隔热组件、分区加热机构、支撑坩埚和石英坩埚，以及从炉体的顶部伸入炉体内且与石英坩埚的轴线对应的提拉机构，提拉机构伸入炉体内的端部用于连接籽晶；
石英坩埚、支撑坩埚的横截面呈十字形，分区加热机构围护在支撑坩埚的周边，三者同轴设置；
炉体上设置有可从炉体的外部监测到其内部晶体生长状况的监测窗。
在可选的实施方式中，硅单晶棒生长装置还包括控制系统以及一个或多个光学探测器，一个或多个光学探测器设置在炉体之外，用于透过监测窗观察炉体内部晶体生长状况，每个光学探测器与控制系统通信连接，用于将探测到的晶体生长信息发送至控制系统，控制系统与分区加热机构通信连接，控制系统根据晶体生长信息判断并执行是否向分区加热机构下发指令对不同区域的加热功率和时间进行调整。
在可选的实施方式中，光学探测器的设置数量为至少4个。
在可选的实施方式中，硅单晶棒生长装置还包括坩埚升降机构，坩埚升降机构的一端位于炉体内，用于承托支撑坩埚和石英坩埚的底部。
在可选的实施方式中，硅单晶棒生长装置还包括水平位置控制机构，水平位置控制机构与提拉机构和/或坩埚升降机构连接，控制系统与水平位置控制机构通信连接；
水平位置控制机构用于通过控制提拉机构调控籽晶的方位角度和水平位置，和/或用于通过控制坩埚升降机构调控石英坩埚的方位角度和水平位置。
在可选的实施方式中，炉体的外部设置有固定支架和/或探测器运行轨道，每个光学探测器安装在固定支架或探测器运行轨道上。
第二方面，本发明实施例提供一种横截面呈十字形的硅单晶棒生长方法，采用本发明实施例提供的硅单晶棒生长装置实施，实施步骤包括：熔料、引晶、放肩、转肩、晶体等形生长以及收尾；
引晶、放肩、转肩、晶体等形生长以及收尾步骤中石英坩埚与籽晶之间无相对旋转，籽晶轴向为〈100〉晶向，生长过程提拉方向为〈100〉晶向；
引晶步骤中，使坩埚竖直轴线与分区加热机构的竖直中心线相重合；调整石英坩埚横截面对称轴与分区加热机构横截面的相应对称轴相平行或垂直；调整籽晶的棱线方位到预设位置；调控分区加热机构的各个区域加热功率和时间并达到稳定；
放肩步骤中，根据结晶前沿位置信息，调控籽晶的重心垂线与坩埚轴线的相对水平位置使籽晶的重心垂线与坩埚轴线相重合；调控晶体的方位使晶体的棱线所处方位与上一步骤保持一致；调控分区加热机构各个区域的加热功率和时间，从而使提拉机构的端部逐渐形成一个横截面呈十字形的硅单晶棒的“肩”；
晶体等形生长步骤中，根据结晶前沿位置信息，通过调控籽晶的重心垂线与石英坩埚轴线的相对水平位置，使籽晶的重心垂线与坩埚轴线相重合；调控晶体的方位使晶体的棱线所处方位与上一步骤保持一致；调控分区加热机构各个区域加热功率和时间，从而保证晶体按照预设的十字形生长。
在可选的实施方式中，引晶步骤中调整籽晶的棱线方位到预设位置为：
调控籽晶横截面对角两棱线之间的连线与石英坩埚的横截面的对称中心线A平行或垂直；
或者调控籽晶横截面对角两棱线之间的连线与石英坩埚的横截面的对称中心线B平行或垂直。
第三方面，本发明实施例提供一种硅单晶棒，采用上述硅单晶棒生长方法制得。
在可选的实施方式中，硅单晶棒的横截面通过其准对称中心的最大横径与最小横径之比为1.6～5；
优选地，硅单晶棒的横截面与该横截面外接的正“十”字形的面积之比≥0.8。
本发明具有以下有益效果：
本申请提供的装置和方法可制得横截面为十字形的硅单晶棒，十字形的硅单晶棒具有以下优点：
1.生产效率高、降低生产成本
横截面为十字形的硅单晶棒的比表面积远大于现有技术，因此表面散热条件远好于现有技术，可以得到较高的硅单晶棒纵向温度梯度，有利于提高拉速；
单位长度的横截面为十字形的硅单晶棒的质量可以远大于现有技术，因此生产在同样拉速情况下，单位长度可以得到更多硅单晶棒产品；
硅棒拉的快、单位长度质量大，因此本发明可以达到提高生产率、降低生产成本的目的。
2.硅单晶棒热应力小、产品质量高
横截面为十字形的硅单晶棒中心部分到侧表面的横向距离较短，中心到表面的温差较小。距离短、温差小，使得硅单晶棒内部的热应力低，由热应力引发的位错等缺陷密度低，因此产品的质量高。
3.硅单晶棒的利用率高
横截面为十字形的硅单晶棒，很容易高取得率地分切成光伏电池需要的矩形硅单晶片，硅单晶棒利用率高、回融料少，节电节能，产品质量高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的硅单晶棒生长装置的结构示意图；
图2为炉体内部的分区加热机构以及位于分区加热机构内部组件构成的结构的横截面剖视图；
图3为实施例1中籽晶的设置方位示意；
图4为硅单晶棒的尺寸特点以及其与外接正“十”字形的大小关系示意。
图标：100-硅单晶棒生长装置；110-炉体；111-监测窗；120-隔热组件；130-分区加热机构；140-石英坩埚；141-支撑坩埚；142-石英坩埚的横截面对称轴A；143-石英坩埚的横截面对称轴B；150-提拉机构；151-提拉轴；160-坩埚升降机构；161-升降轴；170-探测器运行轨道；171-光学探测器；180-硅单晶棒横截面；181-硅单晶棒横截面的轮廓；182-硅单晶棒横截面外接正“十”字形轮廓；191-上水平位置控制机构；192-下水平位置控制机构；1-籽晶；11-〈100〉晶向籽晶棱线；2-硅单晶棒；21-〈100〉晶向硅单晶棱线方位。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供的横截面呈十字形的硅单晶棒及其生长装置和方法进行具体说明。
本发明实施例提供一种横截面呈十字形的硅单晶棒生长装置100，包括：
炉体110，由外至内设置在炉体110内的隔热组件120、分区加热机构130、支撑坩埚141和石英坩埚140，以及从炉体110的顶部伸入炉体110内且与石英坩埚140的轴线对应的提拉机构150，提拉机构150伸入炉体110内的端部用于连接籽晶1；
石英坩埚140和支撑坩埚141的横截面呈十字形，分区加热机构130围护在支撑坩埚141的周边，三者同轴设置；
炉体110上设置有可从炉体110的外部监测到其内部晶体生长状况信息的监测窗111。
本申请中的分区加热机构130是指其发热部位被划分为多个加热区，这些加热区的温度可在一定范围独立调控。优选地，分区加热机构130对称设置，其对称轴与石英坩埚的对称轴相同。
本申请实施例提供的硅单晶棒生长装置100，由于分区加热机构130、石英坩埚140的具体设置，在采用该装置实施硅单晶棒2生长时，采用轴向〈100〉晶向的籽晶1，生长过程提拉方向为〈100〉晶向，以石英坩埚的方位作为参照来预设横截面呈十字状的硅单晶棒2横截面平面内的晶向方位(即晶体柱面棱线方位)，硅单晶棒2生长过程中透过监测窗111采集晶体前沿结晶位置信息来调控分区加热机构130对不同区域的加热功率和时间，例如，当透过监测窗111观察到某一侧晶体前沿生长较快时，可控制分区加热机构130提高该区域的温度，或降低其他区域的温度。通过本申请提供的硅单晶棒生长装置100来实施硅单晶棒生长工艺可制得横截面为十字形的硅单晶棒2。
十字形的硅单晶棒2具有以下优点：
1.生产效率高、降低生产成本
横截面为十字形的硅单晶棒2的比表面积远大于现有技术，因此表面散热条件远好于现有技术，可以得到较高的硅单晶棒2纵向温度梯度，有利于提高拉速；
单位长度的横截面为十字形的硅单晶棒2的质量可以远大于现有技术，因此生产在同样拉速情况下，单位长度可以得到更多硅单晶棒2产品；
硅棒拉的快、单位长度质量大，因此本发明可以达到提高生产率、降低生产成本的目的。
2.硅单晶棒2热应力小、产品质量高
横截面为十字形的硅单晶棒2中心部分到侧表面的横向距离较短，中心到表面的温差较小，距离短、温差小，使得硅单晶棒2内部的热应力低，由热应力引发的位错等缺陷密度低，因此产品的质量高。
3.硅单晶棒2的利用率高
横截面为十字形的硅单晶棒2，很容易高取得率地分切成光伏电池需要的矩形硅单晶片，硅单晶棒2利用率高、回融料少，节电节能，产品质量高。
进一步地，硅单晶棒生长装置100还包括控制系统以及一个或多个光学探测器171，一个或多个光学探测器171设置在炉体110之外用于透过监测窗111采集炉体110内部晶体生长状况信息(主要指晶体前沿位置和温度信息)，每个光学探测器171与控制系统通信连接用于将探测到的晶体生长状况信息发送至控制系统，控制系统与分区加热机构130通信连接，控制系统根据晶体生长信息判断并执行是否向分区加热机构130下发指令对不同区域的加热功率和加热时间进行调整。
控制系统、一个或多个光学探测器171以及分区加热机构130的具体设置，能实现硅单晶棒生长装置100的自动化运行。一个或多个光学探测器171将探测到的晶体前沿生长信息发送给控制系统，控制系统内置比较程序，比较程序将接收到的晶体生长信息进行比较，判断是否存在晶体生长不均匀，不满足十字形生长规则的情况，若存在这一情况，则对分区加热机构130下发指令调整某一个或多个加热区域的加热功率和时间，使晶体的生长按照预期进行。
光学探测器171的设置方式分为固定式和扫描式两种。
优选地，当采用固定式光学探测器171时，其设置数量为至少4个。较佳地，光学探测器171的设置数量一般为4的倍数，例如4个、8个以及16个等。
优选地，当采用扫描式光学探测器171时，具体设置方式为：在炉体110的外部设置有探测器运行轨道170，至少一个光学探测器171设置在炉体110外部的探测器运行轨道170上，使光学探测器171可沿探测器运行轨道170做周向摆动，如此设置能保证光学探测器171扫描硅单晶棒的结晶前沿，采集硅单晶棒2的生长状况信息。
进一步地，硅单晶棒生长装置100还包括坩埚升降机构160，坩埚升降机构160的一端位于炉体110内，用于承托支撑坩埚141和石英坩埚140的底部。
坩埚升降机构160除用于实现石英坩埚的升降外，还用于调整石英坩埚140与分区加热机构130的相对水平位置，也可辅助调整籽晶1或硅单晶棒2与石英坩埚140的相对水平位置和方位。
优选地，硅单晶棒生长装置100包括水平位置控制机构，水平位置控制机构包括上水平位置控制机构191和下水平位置控制机构192。上水平位置控制机构191与提拉机构150，下水平位置控制机构192与坩埚升降机构160连接，控制系统与水平位置控制机构通信连接。
上水平位置控制机构191用于通过控制提拉机构150调控籽晶1的方位角度和水平位置，下水平位置控制机构192用于通过控制坩埚升降机构160调控石英坩埚的方位角度和水平位置。
具体地，提拉机构150包括提拉轴151，提拉轴151部分伸入炉体110内部，其上连接有籽晶夹头，籽晶夹头用于连接籽晶1与提拉轴151。上水平位置控制机构191设置于炉体110外部与提拉轴151连接，上水平位置控制机构191通过控制提拉轴151来实现控制籽晶1或晶体在水平方向上的位置以及相对于石英坩埚140横截面对称轴的方位角度。坩埚升降机构160包括部分伸入炉体110内的升降轴161，下水平位置控制机构192设置于炉体110外部与坩埚升降机构160之间，下水平位置控制机构192通过控制升降轴161来实现控制石英坩埚在水平方向上的位置以及相对于分区加热机构130横截面对称轴的方位角度。
通过上水平位置控制机构191来控制籽晶1或晶体在水平方向上的位置和方位角度，通过下水平位置控制机构192来控制石英坩埚140在水平方向上的位置和方位角度，从而实现使籽晶1或晶体的重心垂线相对于石英坩埚140竖直轴线的位置调整，以及实现使石英坩埚140的轴线相对于分区加热机构130竖直轴线的位置调整，以使籽晶1或晶体的重心垂线与石英坩埚140的竖直轴线以及分区加热机构130竖直轴线的尽量重合，并实现使籽晶1或晶体的水平面内晶向处于预设的方位角度。
当光学探测器171探测到晶体的结晶界面轮廓偏离预设时，首先控制系统对上水平位置控制机构191或下水平位置控制机构192下发指令，调整籽晶1的水平位置或石英坩埚140的水平位置使籽晶1重心垂线、石英坩埚140的轴线、分区加热机构130的轴线基本重合(所谓基本重合，允许为消除误差的微调)；当光学探测器171探测到籽晶1水平面内的方位角度不在预设方位角度时，控制系统对水平位置控制机构下发指令调整籽晶1的旋转角度必要时调整石英坩埚140的旋转角度使其方位角度处于合适位置。
优选地，为保证所提拉的十字状横截面硅单晶棒2与石英坩埚140间水平面方位角度的相对稳定性，提拉轴151优先采用可以限制硅单晶棒2平面位移和转动的硬提拉轴。
本申请实施例提供的一种横截面呈十字形的硅单晶棒2生长方法，采用本申请实施例提供的硅单晶棒生长装置100实施，实施步骤包括：熔料、引晶、放肩、转肩、晶体等形生长以及收尾；
引晶、放肩、转肩、晶体等形生长以及收尾步骤中石英坩埚140与籽晶1之间无相对旋转，籽晶1轴向晶向为〈100〉，生长过程提拉方向为〈100〉。
本申请特别针对生长〈100〉晶向的硅单晶棒，原因在于横截面为十字形的硅单晶棒2的形状与〈100〉晶向的晶体结构更匹配，〈100〉晶向的硅单晶棒2更容易保证后续切片所有硅片平面法线晶向的一致性和各棱边晶向的一致性。
引晶步骤中，首先调整坩埚升降机构160使坩埚竖直轴线与分区加热机构130的竖直中心线相重合；调整坩埚升降机构160，使石英坩埚的横截面对称轴A 142或石英坩埚的横截面对称轴B 143，与分区加热机构130横截面的相应对称轴相平行或垂直；调控分区加热机构130的各个区域加热功率和时间并达到稳定；
放肩步骤中，根据结晶前沿位置信息，调控籽晶1的重心垂线与石英坩埚140竖直轴线的相对水平位置使晶体重心垂线与石英坩埚140竖直轴线相重合(该重合是指基本重合，允许为消除误差的微调)；调控晶体的方位使晶体的棱线处于预设方位角度(同上，允许为消除误差的微调)；调控分区加热机构130各个区域的加热功率和时间，从而使籽晶1的端部逐渐形成一个横截面呈十字形的硅单晶棒2的“肩”；
晶体等形生长步骤中，根据结晶前沿位置信息，通过调控籽晶1的重心垂线与石英坩埚140轴线的相对水平位置，使籽晶1及晶体的重心垂线与石英坩埚140的轴线相重合(该重合是指基本重合，允许为消除误差的微调)；调控晶体的方位使晶体的棱线处于预设方位处(与引晶步骤、放肩步骤保持一致)；调控分区加热机构130各个区域的加热功率和时间，从而保证晶体按照十字形生长。
上述内容中引晶、放肩、转肩、晶体等形生长以及收尾步骤中石英坩埚140与籽晶1之间无相对旋转，是指区别于现有的圆柱形硅单晶棒的生长方式而言不通过旋转来保证晶体生长均匀。在放肩和晶体等形生长步骤中，为保证能够生长得到十字形的硅单晶棒2，略微的方位角度调整不属于上述的“旋转”范畴。
硅单晶棒2生长方法具体为：
S1、熔料
石英坩埚140、支撑坩埚141相对于分区加热机构130不旋转，预调整坩埚升降机构160的水平位置，使石英坩埚140竖直轴线与分区加热机构130的竖直中心线相重合；调整石英坩埚140横截面对称轴与分区加热机构130横截面的相应对称轴相平行或垂直；其他工艺控制原则与现有技术相同；
S2、引晶
石英坩埚140、支撑坩埚141和籽晶1间无相对旋转，调整坩埚升降机构160，使坩埚竖直轴线与分区加热机,130的竖直中心线相重合；调整石英坩埚横截面对称轴与分区加热机构横截面的相应对称轴相平行或垂直；调整分区加热机构130各加热区的加热功率并使其达到稳定，其他工艺控制原则与现有技术相同。
优选地，该过程中调控〈100〉晶向籽晶棱线11与石英坩埚140横截面对称轴的相对方位到预设方位，且使其保持稳定。
上述预设方位可以是：
例如，如图3所示，调控两位置相对的〈100〉晶向籽晶棱线11之间的连线与石英坩埚140的横截面对称轴A 142平行或垂直，如此按照〈100〉晶向的提拉方向拉晶会更易于晶体的“保形生长”。
或者，如图3所示，调控两位置相对的〈100〉晶向籽晶棱线11之间的连线与石英坩埚的横截面对称轴B平行或垂直；如此生长得到的硅单晶棒2切片时，硅单晶片的受力方向容易做到更好。
以上调控籽晶1方位过程中，石英坩埚140仅为一个参照，本质在于调控〈100〉晶向籽晶棱线11与“十”字、进而与热场的角度关系。
需要说明的是，本步骤中调控两位置相对的〈100〉晶向籽晶棱线11之间的连线相对于石英坩埚的方位角度关系并非必要，在本申请的其他实施例中，两位置相对的〈100〉晶向籽晶棱线11之间的连线相对于石英坩埚的方位角度关系不是上述两种也不影响本申请技术方案的实施，以上两种仅为优选方案。
S3、放肩
石英坩埚140、支撑坩埚141和籽晶1间无相对旋转，降低拉速和加热功率，根据光学探测器171探测到的结晶前沿位置信息，由控制系统判断是否需要调整晶体水平位置、方位角度以及加热功率和时间，若需要调整晶体的方位角度和水平位置则对水平位置控制机构下发指令调整籽晶1及晶体的重心垂线与石英坩埚140的竖直轴线的相对位置使重心垂线与石英坩埚140的竖直轴线尽量重合(指基本重合，允许为消除误差的微调)，调控晶体的水平方位角度，使晶体的棱线方位与上一步骤尽量保持一致；若需要调整加热功率和时间则对分区加热机构130下发指令调整各个加热区域的加热功率和时间，从而保证形成一个十字形横截面的硅单晶棒2的“肩”。其他工艺控制原则与现有技术相同。
如图3中可看出，〈100〉晶向籽晶棱线11相对于石英坩埚140横截面的相对方位不同，预计形成棱线位置也不同，图3中籽晶1之外的圆形并非实物，是用于模拟“肩”形成过程的示意。硅单晶棒生长过程中预计形成的〈100〉晶向硅单晶棱线方位21与〈100〉晶向籽晶棱线11方位一致。
S4、转肩
石英坩埚140、支撑坩埚141和籽晶1间无相对旋转，晶体形状、水平位置、方位角度控制同S3，其他与现有转肩技术相同。
S5、晶体等形生长
石英坩埚140、支撑坩埚141和籽晶1间无相对旋转。
根据光学探测器171探测到的结晶前沿位置信息，由控制系统判断是否需要调整晶体水平位置、方位角度，若需要调整晶体的方位角度和水平位置则对水平位置控制机构下发指令调整籽晶1及晶体的重心垂线与石英坩埚轴线的相对位置，调整晶体的方位，使晶体的棱线处于预设的方位上；根据晶体等形生长所需热场分布、硅单晶棒2的内部温度梯度以及光学探测器171探测到的结晶前沿位置信息，通过控制系统控制分区加热机构130对不同区域针对性加热，从而保证晶体按照十字形生长；结合合适的提拉速度，从而得到横截面为十字形的硅单晶棒2。
S6、收尾
石英坩埚140、支撑坩埚141和籽晶1不旋转，其他工艺控制原则与现有技术相同。
本申请实施例提供的硅单晶棒2，采用本申请实施例提供的硅单晶棒2生长方法制得。该硅单晶棒横截面180呈十字形。
如图4所示，硅单晶棒2的横截面通过其准对称中心的最大横径与最小横径之比；即图中L1与L3之比为1.6～5。
优选地，如图4所示，硅单晶棒横截面180与硅单晶棒横截面外接正“十”字形轮廓182所围面积之比≥0.8。
本发明制得的横截面为十字形的硅单晶棒2，其横截面趋近于十字形，而不是标准的正“十”字形，事实上不可能存在能够制得标准正“十”字形的硅单晶棒2工艺。为衡量本申请制得的硅单晶棒2趋近于正“十”字形的程度，以其横截面与其外接的正“十”字形的面积之比来反映，即图4中，硅单晶棒横截面的轮廓181与硅单晶棒横截面外接正“十”字形轮廓182围成的面积之比R2≥0.8。其中，硅单晶棒横截面外接正“十”字形轮廓182的凹角的点，取自硅单晶棒横截面最小横径L3的测量点。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供横截面呈十字形的硅单晶棒生长装置100以及生长方法。
本实施例的生长装置中：
光学探测器171的设置数量为4个，4个光学探测器171固定设置在炉体110外硅单晶棒2结晶前沿的斜上方，与石英坩埚140横截面对称轴B143的两端相对应，透过监测窗111监测内部晶体结晶前沿位置图像信息；
分区加热机构130设为8个加热分区，分别对应十字状硅单晶棒横截面的4个顶端平面和4个凹角部分，根据光学探测器171监测得到的硅单晶棒2结晶前沿图像信息，控制分区加热机构130的8个加热分区的加热功率和加热时间以及微调晶体的水平位置和棱线方位。
本实施例的生长方法实施过程中，引晶步骤中，调控两位置相对的〈100〉晶向籽晶棱线11之间的连线与石英坩埚的横截面对称轴A 142平行或垂直。
本实施例中未提到的内容与前述具体内容相同，在此不做过多赘述。
实施例2
本实施例提供横截面呈十字形的硅单晶棒生长装置100以及生长方法。
本实施例的生长装置中：
光学探测器171的设置数量为2个，2个光学探测器171对称设置在炉体110外的探测器运行轨道170上，每个光学探测器171均可以在硅单晶棒2结晶前沿斜上方的超过半个圆周的探测器运行轨道170上移动，透过监测窗111，扫描得到硅单晶棒2结晶前沿图像信息；
分区加热机构130设为16个加热分区，分别对应十字状硅单晶棒横截面的4个顶端平面各设2个和4个凹角平面各设2个加热分区，根据光学探测器171扫描监测得到的硅单晶棒2结晶前沿图像信息，控制分区加热机构130的16个加热分区的加热功率和加热时间。
本实施例的生长方法实施过程中，引晶步骤中，调控两位置相对的〈100〉晶向籽晶棱线11之间的连线与石英坩埚的横截面对称轴B 143平行或垂直。
本实施例中未提到的内容与前述具体内容相同，在此不做过多赘述。
以上两实施例制得横截面为十字形的硅单晶棒2，其硅单晶棒的横截面通过其准对称中心的最大横径与最小横径之比为1.6～5；硅单晶棒的横截面与该横截面外接的正“十”字形的面积之比≥0.8。
综上，本申请提供的装置和方法可制得横截面为十字形的硅单晶棒，十字形的硅单晶棒具有以下优点：
1.生产效率高、降低生产成本
横截面为十字形的硅单晶棒的比表面积远大于现有技术，因此表面散热条件远好于现有技术，可以得到较高的硅单晶棒纵向温度梯度，有利于提高拉速；
单位长度的横截面为十字形的硅单晶棒的质量可以远大于现有技术，因此生产在同样拉速情况下，单位长度可以得到更多硅单晶棒产品；
硅棒拉的快、单位长度质量大，因此本发明可以达到提高生产率、降低生产成本的目的。
2.硅单晶棒热应力小、产品质量高
横截面为十字形的硅单晶棒中心部分到侧表面的横向距离较短，中心到表面的温差较小。距离短、温差小，使得硅单晶棒内部的热应力低，由热应力引发的位错等缺陷密度低，因此产品的质量高。
3.硅单晶棒的利用率高
横截面为十字形的硅单晶棒，很容易高取得率地分切成光伏电池需要的矩形硅单晶片，硅单晶棒利用率高、回融料少，节电节能，产品质量高。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种横截面呈十字形的硅单晶棒生长装置，其特征在于，包括：
炉体，
由外至内设置在所述炉体内的隔热组件、分区加热机构、支撑坩埚和石英坩埚，
以及从所述炉体的顶部伸入所述炉体内且与所述石英坩埚的轴线对应的提拉机构，所述提拉机构伸入所述炉体内的端部用于连接籽晶；
所述石英坩埚、支撑坩埚的横截面呈十字形，所述分区加热机构围护在所述支撑坩埚的周边，三者同轴设置；
所述炉体上设置有可从所述炉体的外部监测到其内部晶体生长状况的监测窗。
2.根据权利要求1所述的硅单晶棒生长装置，其特征在于，所述硅单晶棒生长装置还包括控制系统以及一个或多个光学探测器，所述一个或多个光学探测器设置在所述炉体之外，用于透过所述监测窗观察所述炉体内部晶体生长状况，每个所述光学探测器与所述控制系统通信连接，用于将探测到的晶体生长信息发送至所述控制系统，所述控制系统与所述分区加热机构通信连接，所述控制系统根据晶体生长信息判断并执行是否向所述分区加热机构下发指令对不同区域的加热功率和时间进行调整。
3.根据权利要求2所述的硅单晶棒生长装置，其特征在于，所述光学探测器的设置数量为至少4个。
4.根据权利要求2所述的硅单晶棒生长装置，其特征在于，所述硅单晶棒生长装置还包括坩埚升降机构，所述坩埚升降机构的一端位于所述炉体内，用于承托所述支撑坩埚和石英坩埚的底部。
5.根据权利要求4所述的硅单晶棒生长装置，其特征在于，所述硅单晶棒生长装置还包括水平位置控制机构，所述水平位置控制机构与所述提拉机构和/或所述坩埚升降机构连接，所述控制系统与所述水平位置控制机构通信连接；
所述水平位置控制机构用于通过控制所述提拉机构调控籽晶的方位角度和水平位置，和/或用于通过控制所述坩埚升降机构调控石英坩埚的方位角度和水平位置。
6.根据权利要求2所述的硅单晶棒生长装置，其特征在于，所述炉体的外部设置有固定支架和/或探测器运行轨道，每个所述光学探测器安装在所述固定支架或所述探测器运行轨道上。
7.一种横截面呈十字形的硅单晶棒生长方法，其特征在于，采用如权利要求1～6任一项所述的硅单晶棒生长装置实施，实施步骤包括：熔料、引晶、放肩、转肩、晶体等形生长以及收尾；
引晶、放肩、转肩、晶体等形生长以及收尾步骤中石英坩埚与籽晶之间无相对旋转，所述籽晶轴向晶向为〈100〉，生长过程提拉方向为〈100〉；
引晶步骤中，使石英坩埚竖直轴线与分区加热机构的竖直中心线相重合；调整石英坩埚横截面对称轴与分区加热机构横截面的相应对称轴相平行或垂直；调整籽晶的棱线方位到预设位置；调控所述分区加热机构的各个区域加热功率和时间并达到稳定；
放肩步骤中，根据结晶前沿位置信息，调控籽晶的重心垂线与所述坩埚轴线的相对水平位置使所述重心垂线与所述坩埚竖直轴线相重合；调控晶体的方位使晶体的棱线所处方位与上一步骤保持一致；调控所述分区加热机构各个区域的加热功率和时间，从而使所述提拉机构的端部逐渐形成一个横截面呈十字形的硅单晶棒的“肩”；
晶体等形生长步骤中，根据结晶前沿位置信息，通过调控籽晶的重心垂线与所述石英坩埚轴线的相对水平位置使所述重心垂线与所述坩埚轴线相重合；调控晶体的方位使晶体的棱线所处方位与上一步骤保持一致；调控所述分区加热机构各个区域加热功率和时间，从而保证晶体按照预设的十字形生长。
8.根据权利要求7所述的硅单晶棒生长方法，其特征在于，引晶步骤中调整籽晶的棱线方位到预设位置为：
调控籽晶横截面对角两棱线之间的连线与所述石英坩埚的横截面的对称中心线A平行或垂直；
或者调控籽晶横截面对角两棱线之间的连线与所述石英坩埚的横截面的对称中心线B平行或垂直。
9.一种硅单晶棒，其特征在于，采用如权利要求7或8所述的硅单晶棒生长方法制得。
10.根据权利要求9所述的硅单晶棒，其特征在于，所述硅单晶棒的横截面通过其准对称中心的最大横径与最小横径之比为1.6～5；
优选地，所述硅单晶棒的横截面与该横截面外接的正“十”字形的面积之比≥0.8。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211020887.1A CN115354388B (zh) | 2022-08-24 | 2022-08-24 | 横截面呈十字形的硅单晶棒及其生长装置和生长方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211020887.1A CN115354388B (zh) | 2022-08-24 | 2022-08-24 | 横截面呈十字形的硅单晶棒及其生长装置和生长方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115354388A true CN115354388A (zh) | 2022-11-18 |
| CN115354388B CN115354388B (zh) | 2023-03-10 |
Family
ID=84004056
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211020887.1A Active CN115354388B (zh) | 2022-08-24 | 2022-08-24 | 横截面呈十字形的硅单晶棒及其生长装置和生长方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115354388B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116479523A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-07-25 | 苏州晨晖智能设备有限公司 | 一种生长非圆柱状硅单晶锭的装置和方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05194078A (ja) * | 1992-01-17 | 1993-08-03 | Mitsubishi Materials Corp | 単結晶シリコンの引上装置 |
| CN206359654U (zh) * | 2016-12-15 | 2017-07-28 | 乐山新天源太阳能科技有限公司 | 单晶炉 |
| CN110359095A (zh) * | 2019-08-23 | 2019-10-22 | 广东先导先进材料股份有限公司 | 一种砷化镓单晶生长装置及生长方法 |
| CN209702906U (zh) * | 2019-01-31 | 2019-11-29 | 常州市乐萌压力容器有限公司 | 一种单晶炉 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001163697A (ja) * | 1999-12-10 | 2001-06-19 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 単結晶育成後の石英るつぼ回収方法およびｃｚ単結晶育成装置 |
| CN202144523U (zh) * | 2011-07-14 | 2012-02-15 | 西安华晶电子技术股份有限公司 | 一种提高单晶硅纵向电阻率一致性的装置 |
| CN102260900B (zh) * | 2011-07-14 | 2013-11-27 | 西安华晶电子技术股份有限公司 | 提高单晶硅纵向电阻率一致性的装置及其处理工艺 |
| CN102220634B (zh) * | 2011-07-15 | 2012-12-05 | 西安华晶电子技术股份有限公司 | 一种提高直拉硅单晶生产效率的方法 |
-
2022
- 2022-08-24 CN CN202211020887.1A patent/CN115354388B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05194078A (ja) * | 1992-01-17 | 1993-08-03 | Mitsubishi Materials Corp | 単結晶シリコンの引上装置 |
| CN206359654U (zh) * | 2016-12-15 | 2017-07-28 | 乐山新天源太阳能科技有限公司 | 单晶炉 |
| CN209702906U (zh) * | 2019-01-31 | 2019-11-29 | 常州市乐萌压力容器有限公司 | 一种单晶炉 |
| CN110359095A (zh) * | 2019-08-23 | 2019-10-22 | 广东先导先进材料股份有限公司 | 一种砷化镓单晶生长装置及生长方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116479523A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-07-25 | 苏州晨晖智能设备有限公司 | 一种生长非圆柱状硅单晶锭的装置和方法 |
| CN116479523B (zh) * | 2023-06-25 | 2023-09-22 | 苏州晨晖智能设备有限公司 | 一种生长非圆柱状硅单晶锭的装置和方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115354388B (zh) | 2023-03-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2520472C2 (ru) | Способ и устройство для выращивания монокристаллов сапфира | |
| US8951344B2 (en) | Methods and apparatuses for manufacturing geometric multicrystalline cast silicon and geometric multicrystalline cast silicon bodies for photovoltaics | |
| US20170183792A1 (en) | Apparatus for forming single crystal sapphire | |
| US10253430B2 (en) | Method for preparing polycrystalline silicon ingot | |
| US8709154B2 (en) | Methods for manufacturing monocrystalline or near-monocrystalline cast materials | |
| EP2971274B1 (en) | Czochralski crucible for controlling oxygen and related methods | |
| CN101370969A (zh) | 制造几何多晶铸硅的方法和装置及用于光电池的几何多晶铸硅实体 | |
| CN115354388B (zh) | 横截面呈十字形的硅单晶棒及其生长装置和生长方法 | |
| CN102392300A (zh) | 一种晶粒规则排列的太阳能级多晶硅锭的生产方法 | |
| US5795382A (en) | Oxygen precipitation control in Czochralski-grown silicon crystals | |
| US8597756B2 (en) | Resistance heated sapphire single crystal ingot grower, method of manufacturing resistance heated sapphire single crystal ingot, sapphire single crystal ingot, and sapphire wafer | |
| KR20120070080A (ko) | 단결정 사파이어 잉곳 성장장치 | |
| CN101445954A (zh) | 一种控制直拉硅单晶生长过程中晶体和熔体界面处的温度梯度及热历史的方法 | |
| CN108166060A (zh) | 一种锑化铟<211>方向单晶的制备方法 | |
| CN102477581A (zh) | 多晶硅铸锭炉的坩埚平台 | |
| CN104073875A (zh) | 一种大尺寸蓝宝石晶体动态温度场制备方法 | |
| TW202039942A (zh) | 一種控制矽熔體坩堝安全升降的方法和裝置 | |
| CN104120488A (zh) | 一种大尺寸c轴蓝宝石晶体动态温度场制备方法 | |
| CN105463571A (zh) | SiC单晶的制造方法 | |
| CN114941171B (zh) | 一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置和工艺方法 | |
| JPH09221380A (ja) | チョクラルスキー法による結晶製造装置、結晶製造方法、およびこの方法から製造される結晶 | |
| CN201971923U (zh) | 多晶硅铸锭炉的坩埚平台 | |
| Vishnuwaran et al. | Effect of titanium carbide heat exchanger block and retort on oxygen impurities in Mc-silicon: Numerical modelling | |
| Ouadjaout et al. | Growth by the Heat Exchanger Method and Characterization of Multi-crystalline Silicon ingots for PV | |
| CN117305969A (zh) | 一种大直径低位错锗单晶热场系统及配置方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 675000 East of South Gate of Chufeng Garden, Sunshine Avenue, Lucheng Town, Chuxiong Yi Autonomous Prefecture, Yunnan Province Patentee after: Yunnan Yuze Semiconductor Co.,Ltd. Address before: 675000 East of South Gate of Chufeng Garden, Sunshine Avenue, Lucheng Town, Chuxiong Yi Autonomous Prefecture, Yunnan Province Patentee before: Yuze semiconductor (Yunnan) Co.,Ltd. |
|
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: No. 69 Waizhou Road, Yihai Community, Lucheng Town, Chuxiong City, Chuxiong Yi Autonomous Prefecture, Yunnan Province, 675000 Patentee after: Yunnan Yuze New Energy Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 675000 East of South Gate of Chufeng Garden, Sunshine Avenue, Lucheng Town, Chuxiong Yi Autonomous Prefecture, Yunnan Province Patentee before: Yunnan Yuze Semiconductor Co.,Ltd. Country or region before: China |
|
| CP03 | Change of name, title or address |