CN201665729U - 一种用于拉制具有曲面形状硅薄壳的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于拉制具有曲面形状硅薄壳的装置，主要包含用于容纳熔融液态硅的坩埚、用于连续向坩埚中加入液态硅的加料器和加料管、位于坩埚内的模具以及与模具顶端连接的籽晶提拉装置，其特征在于所述模具具有内部间隙。利用液态硅虹吸原理在模具中形成液态硅膜，将籽晶插入模具间隙并提拉制得圆柱或圆弧形以及各种异型曲面薄壳状多晶硅。

Description

一种用于拉制具有曲面形状硅薄壳的装置 

技术领域

本实用新型涉及一种用于拉制具有曲面形状硅薄壳的装置。 

背景技术

多晶硅是制造半导体器件和太阳能电池等产品的主要原材料，还可以用于制备单晶硅，其深加工产品被广泛用于半导体工业中，作为人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等器件的基础材料。同时，由于能源危机和低碳经济的呼吁，全球正在积极开发利用可再生能源。太阳能由于其清洁、安全、资源丰富，在可再生能源中最引人关注。利用太阳能的一种方法是通过光电效应将太阳能转化为电能。硅太阳能电池是最普遍采用的基于光电压效应的装置。此外，由于半导体工业和太阳能电池的发展，对高纯度多晶硅的需求正不断增加。 

在多晶硅的生产方法中，作为被广泛采用的高纯度多晶硅的制备技术，可以举出德国西门子公司于1954年发明的多晶硅制造方法(也称为西门子法)。 

采用高纯三氯氢硅和高纯氢按照一定的配比混合在一起构成原料混合气体，通入本领域技术人员公知的还原炉反应器中，在加热的高纯度硅芯上发生如下式(1)所示的还原反应，通过化学气相沉积，生成的高纯度多晶硅不断沉积在硅芯上，使该硅芯的直径逐渐变粗而形成多晶硅棒(以下简称为硅棒)。 

2SiHCl₃+H₂→Si+2HCl+SiCl₄+H₂            (1) 

上述化学气相沉积过程是在钟罩型的还原炉中进行的，该反应容器是密封的，底盘上安装有出料口和进料口以及若干对电极，电极上连接着直径5～10mm、长度1500～3000mm的硅芯，每对电极上的两根硅棒又在另一端通过一较短的硅棒相互连接，对电极上施加6～12kV左右的高压时，硅棒被击穿导电并加热至1000～1150℃发生反应，经氢还原，硅在硅棒的表面沉积，使硅棒的直径逐渐增大，最终达到120～200mm左右。通常情况下，生产直径为120～200mm的高纯硅棒，所需的反应时间大约为150～300小时。 

然而，西门子工艺中存在诸多缺陷，主要表现在：1)还原单程收率低下以及沉积速率缓慢，这主要是由于硅芯初始表面积小，导致初期生长速率缓慢；2)硅芯需要高压击穿，且横梁搭接处温度较高，容易出现爆米花；3)由于硅芯采用搭接形成回路，在高压击穿启炉或停炉时由于受到热应力或气流的作用发生倒棒。 

为提高多晶硅沉积速率，可以采用增大初始沉积载体表面积的方法。美国专利申请US2007/0251455公开了一种制造多晶硅的方法，采用该方法可以提高多晶硅的产量和单 程收率。它采用表面积大的沉积体，如大面积硅管等为发热体，以缩短沉积时间，由此提高了多晶硅的产量和反应的单程收率，年产量可增加30～40％。但此公开的专利技术中仍存在上述搭接问题以及硅管中存在的气体可能导致危险事故。 

因此，仍旧需要一种简单而有效的多晶硅生产方法，能够在安全稳定生产的同时，提高单位生长周期内多晶硅的产量和反应的单程收率。 

发明内容

本实用新型的目的是提供一种用于拉制具有曲面形状硅薄壳的装置。该装置利用EFG原理，使用薄壳状硅籽晶从液态熔融硅中向上提拉制取薄壳状硅。 

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下的技术方案： 

一种用于拉制具有曲面形状硅薄壳的装置，该装置包含熔融硅坩埚、液态硅加料器、液态硅加料管、具有间隙结构的模具、高纯硅籽晶以及籽晶提拉装置。液态硅加料器与熔融硅坩埚通过液态硅加料管连接，熔融硅坩埚中设有模具，模具上方，对应间隙的位置设有高纯硅籽晶，高纯硅籽晶固定在籽晶提拉装置下端。 

其中，所述熔融硅坩埚采用电加热线圈进行加热，坩埚内壁材质由石墨、氮化硅、碳化硅中的一种或几种组成，坩埚内盛装液态硅并固定具有间隙结构的模具。 

其中，所述液态硅加料器采用辐射炉加热，内壁材质由石墨、氮化硅、碳化硅中的一种或几种组成。新鲜硅块置于加料器中被加热并熔融，通过所述加料管通入坩埚。 

其中，所述液态硅加料管外壳采用带水冷夹套的金属材质，内壁材质由石墨、氮化硅、碳化硅中的一种或几种组成，内壁与外壳之间设有电加热线圈。可在加料管上设置阀门切断加料管内液体硅的流动。 

其中，所述具有间隙结构的模具固定在熔融硅坩埚中，材质由石墨、氮化硅、碳化硅中的一种或几种组成，其间隙宽度为0.3～3mm，模具外壁具有孔道连通间隙空间与坩埚空间。液态硅经过模具外壁孔道进入间隙并形成虹吸，形成虹吸后间隙内的液体硅液面将高于坩埚内液面并可通过调节坩埚内液面高度使间隙内液面高于模具上表面。 

其中，所述高纯硅籽晶为曲面薄壳形状，内径大于模具间隙内径，外径小于模具间隙外径，采用与目标产品具有相同电阻率的多晶硅制备。硅籽晶固定在所述籽晶提拉装置的下部，籽晶下端插入间隙中液态硅液面下，然后籽晶提拉装置下上提拉。 

其中，所述熔融硅坩埚中至少设有一个所述模具，相应地，所述籽晶提拉装置下部至少固定有一个所述高纯硅籽晶。 

其中，所述密封炉体为配有水冷夹套的金属结构，炉体内充填氦气、氖气、氩气、氪气、氙气中的一种或几种作为保护气体，优选地为氩气。 

通过本实用新型的装置，可以提拉制得包括圆柱或圆弧形在内的各种异型曲面薄壳状多晶硅。 

附图说明

图1是本实用新型的用于拉制具有曲面形状硅薄壳的装置示意图。其中，1、熔融硅坩埚；2、液态硅加料器；3、液态硅加料管；4、具有间隙结构的模具；5、高纯硅籽晶；6、籽晶提拉装置；7、密封炉体；8、阀门；9、液体硅。 

图2是采用本实用新型的装置拉制的几种曲面薄壳状多晶硅。 

具体实施方式

以下通过具体的实施例并结合附图对本实用新型中的装置系统进行详细说明，但这些实施例仅仅是例示的目的，并不旨在对本实用新型的范围进行任何限定。 

实施例1： 

参见图1，图1为本实用新型中拉制薄壳状硅的设备示意图。其中，包括1、熔融硅坩埚；2、液态硅加料器；3、液态硅加料管；4、模具；5、高纯硅籽晶；6、籽晶提拉装置；7、密封炉体；8、阀门；9、液体硅。如图1所示，固体硅块装入液态硅加料器2中，并对液态硅加料器2进行加热至1500～1600℃，使硅块熔融成液体硅9，同时对液态硅加料管3以及熔融硅坩埚1进行加热，维持温度在1500～1600℃。经过液态硅加料管3通入熔融硅坩埚1，熔融硅坩埚1内充填入液态硅9后，随着硅液位升高，液态硅9通过模具4外壁的孔道流入模具间隙内，并由于虹吸效应，间隙内液态硅的液面可高于模具4上表面，模具4的上表面高度低于熔融硅坩埚1的上表面。将高纯硅籽晶5固定在籽晶提拉装置6下部，将籽晶提拉装置6下降至籽晶5的下端接触到间隙内的液态硅液面。将籽晶提拉装置向上提起，间隙中的液态硅9将不断在籽晶底部生长为固态薄壳状硅。采用本装置可拉制一端封口的管状硅，如图1所示，采用具有圆形环隙结构的模具4，将一个液态硅加料装置2同时与两台薄壳硅拉制炉相连，阀门8A与8B分别控制液态硅的流动，当A套炉拉制将结束时，保持阀门8A打开并关闭8B，抬高加料装置2中液态硅的液面控制熔融硅坩埚1中液态硅的液面略高于模具4，继续向上提拉，则形成的硅管下端将为密闭结构，当A套炉拉制完成后，打开阀门8B，则A套炉中液面将回落以重新开始拉制，而B套炉可采用相同方式进行拉制。 

参见图2，采用不同样式的所述模具可以拉制出不用形状的曲面形状硅薄壳，例如可以举出圆形、半圆形、S型、波浪型等，但并不限于此。显然的是，可以采用横截面为封闭或非封闭的圆环形模具拉制不同弧度的曲面硅薄壳，即所述模具所夹中心角θ满足0＜θ≤360°，相应地，拉制出的曲面硅薄壳横截面也为封闭或非封闭的圆环形，例如横 截面为3/4圆周形状、1/4圆周形状的曲面硅薄壳等。 

本实用新型中的利用EFG原理拉制薄壳硅的装置可用于生产采用管式硅芯沉积多晶硅的西门子CVD还原炉所需的硅芯，采用薄壳硅代替传统硅棒进行沉积，有利于提高沉积速率以及产率，降低生产成本。 

尽管上文对本实用新型的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本实用新型的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种用于拉制具有曲面形状硅薄壳的装置，其特征在于它包括熔融硅坩埚(1)、液态硅加料器(2)、液态硅加料管(3)、具有内部间隙的模具(4)、高纯硅籽晶(5)、籽晶提拉装置(6)以及密封炉体(7)；液态硅加料器(2)与熔融硅坩埚(1)通过液态硅加料管(3)连接，熔融硅坩埚(1)中设有模具(4)，模具(4)上方，对应间隙的位置设有高纯硅籽晶(5)，高纯硅籽晶(5)固定在籽晶提拉装置(6)下端。

2.根据权利要求1所述的用于拉制具有曲面形状硅薄壳的装置，其特征在于，所述熔融硅坩埚(1)设有电加热线圈。

3.根据权利要求1所述的用于拉制具有曲面形状硅薄壳的装置，其特征在于，所述液态硅加料器(2)设有辐射炉。

4.根据权利要求1所述的用于拉制具有曲面形状硅薄壳的装置，其特征在于，所述液态硅加料管(3)的外壳设有水冷夹套，内壁与外壳之间设有电加热线圈。

5.根据权利要求1所述的用于拉制具有曲面形状硅薄壳的装置，其特征在于，所述具有间隙结构的模具(4)，其间隙宽度为0.3～3mm，模具(4)外壁具有孔道连通间隙空间与坩埚空间。

6.根据权利要求1所述的用于拉制具有曲面形状硅薄壳的装置，其特征在于，所述高纯硅籽晶(5)为曲面薄壳形状，内径大于模具间隙内径，外径小于模具间隙外径。

7.根据权利要求1所述的用于拉制具有曲面形状硅薄壳的装置，其特征在于，所述密封炉体配有水冷夹套。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的用于拉制具有曲面形状硅薄壳的装置，其特征在于，所述熔融硅坩埚(1)中至少设有一个模具(4)，对应于每一个模具(4)上方设置有一个高纯硅籽晶(5)。

Images