CN204608210U - 一种改善直拉法生长单晶硅品质的加热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种改善直拉法生长单晶硅质量的加热器，包括筒状的发热本体和固定在发热本体上的电极脚，所述发热本体上开设有沿周向交替布置的上开槽和下开槽，所述上开槽和下开槽将发热本体分成多根依次串联的加热条，其特征在于，所述加热条位于所述发热本体上部产生的热量大于位于下部产生的热量，本实用新型通过使加热器的上部发热量大于下部的发热量，从而有效减小熔体沿深度方向上的温度梯度，减小热对流，降低单晶硅中的微缺陷和有害杂质，制备得到低缺陷、超低氧、高少子寿命的单晶硅，成本较低且易于实现。

Description

一种改善直拉法生长单晶硅品质的加热器

技术领域

本实用新型涉及直拉法单晶硅生长技术，特别涉及一种改善直拉法生长单晶硅质量的加热器。

背景技术

直拉法单晶生长技术(Czochralski，CZ法)是把原料放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将棒状晶种(籽晶)浸入熔液中。在合适的温度下，熔液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升，熔液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的单晶硅晶体，即单晶硅锭。

直拉法单晶生长广泛应用于半导体单晶硅和太阳能单晶硅，随着直拉法单晶生长向大直径大装料方向发展，现有技术中直拉法单晶硅生产中加热器用于熔化原料硅和拉晶过程中保温，现有技术中一般采用高纯石墨材料，目前也有用到C-C复合材料。普通的石墨加热器结构如图1所示，加热器包括筒状的发热本体1和固定在发热本体上的电极脚2和备用脚板3，发热本体1上开设有沿周向交替布置的上开槽11和下开槽12，上开槽和下开槽将发热本体分成多根依次串联的加热条13，加热器是在圆柱状或圆桶状石墨胚体上加工而成，通过均匀开槽，形成宽度、厚度一致且来回弯曲的纵向石墨加热条，由于各石墨加热条电阻率相同，截面积相同，加热条上下发热均匀，

拉晶过程中，盛料的石英坩埚被置于上述加热器内部，坩埚上部是敞开系统，没有保温或保温效果差，且保护气的流动带走大量热量，而加热器侧面和底部保温效果好，因此，石英坩埚中熔体的温度随熔体的深度加深越来越高，从而形成较大的温度梯度，温度曲线如图2中的a所示，熔体的温度随熔体的深度加深不断升高，从而使温度梯度引起的热对流加剧，进而导致晶体中缺陷密度急剧加大；另外硅熔体侵蚀石英坩埚导致坩埚中的杂质氧随对流增加进入晶体的机会也大幅增加。

V(r)/G(r)是拉晶过程中的一个重要参数，V为拉速，G为跨过固液生长界面的温度梯度，r为晶体半径，表明V、G随r而变化，V/G比值的大小决定了生长出的晶体中的晶格缺陷的类型和密度大小，V/G很大时形成空位型缺陷的单晶硅，V/G很小时形成间隙型缺陷的单晶硅，从间隙型单晶硅到空位型单晶硅，V/G有一个中间的临界值-(V/G)_临界，V/G正好在这个临界值附近时，空位和自间隙硅的缺陷密度都很低，单晶近乎完美，但要实际控制到这样的条件很难，如果要保证整个生长界面上都能控制到这样的条件那几乎是不可能，因此，在单晶硅的实际生产中并不寻求完美单晶，而是要控制缺陷的危害程度。

在整个生长界面上，由于单晶表面的冷却速度更快，所以，G(r)随单晶中心到边缘有增大趋势，V/G随中心到边缘有变小趋势，因此，单晶中心位置更容易形成空位型缺陷，边缘更容易形成间隙型缺陷，如果拉晶参数控制不好，使得V/G处于临界值附近，这时拉出的单晶就会形成中心空位型、边缘间隙型缺陷的单晶，空位和间隙型缺陷的交界处的单晶容易形成OISF环，它使半导体单晶硅因这种大尺寸的缺陷而导致器件失效。

另一方面，在高温区域的石英坩埚的内壁被熔硅侵蚀，内壁的SiO2进入熔硅中，进入熔体中的O随熔体的对流被带到熔体表面，并以SiO的形式挥发进入保护气中被真空泵抽走，只有1％左右的氧随熔体的流动被输送到生长界面附近进而进入单晶硅中，熔体的温度梯度越大，坩埚底部的富氧的熔体越容易被带到生长界面附近，制备的硅中的氧含量就越高。

虽然在半导体单晶硅中适量的氧在器件加工过程中形成的氧沉淀具有内吸杂作用，从而能改善器件的性能，但过高的氧含量形成的大量氧沉淀及诱生的二次缺陷达到一定的尺寸，将严重影响器件的性能，高的缺陷密度和高氧的同时存在情况下，更容易形成肉眼就能观察到的漩涡缺陷和OISF环，导致器件的报废，因此需要降低单晶硅内的含氧量。而在太阳单晶硅中，电池的加工尽管温度不高，时间也不长，氧沉淀的量不大，但氧沉淀的初期对材料的少子寿命影响巨大，高密度的缺陷及高氧的结合，引起少子寿命的大幅下降，产生黑心低效现象，严重影响产品质量。

实用新型内容

本实用新型提供了一种改善直拉法生长单晶硅质量的加热器，通过改善单晶炉的热场设计，实现低缺陷、超低氧、高少子寿命的单晶硅的制造。

一种改善直拉法生长单晶硅质量的加热器，包括筒状的发热本体和固定在发热本体上的电极脚，所述发热本体上开设有沿周向交替布置的上开槽和下开槽，所述上开槽和下开槽将发热本体分成多根依次串联的加热条，所述加热条位于所述发热本体上部产生的热量大于位于下部产生的热量。

所述的上开槽的开口向下，下开槽的开口向上。

现有的石墨加热器的加热条上下发热均匀，又由于炉体上下的保温情况不同，从而导致坩埚内的熔体上下温差大，使用时，难以将G(r)控制在较小的范围，而将本实用新型的加热器应用到现有的晶体炉内时，由于加热器本身产生的热能上多下少，正好与现有的晶体炉口部保温措施不佳相对应，从而使坩埚内的熔体上下温差减小，使温度梯度下降。

直拉法生长单晶硅质量的方法包括步骤：将原料硅投入晶体炉的坩埚内；加热器加热坩埚融化埚内的原料硅并保持熔体在熔融状态；将棒状籽晶浸入熔液中；通入惰性气体至熔体液面，控制炉内压力；一边旋转坩埚，一边提升相对坩埚反向旋转的棒状籽晶，得到圆柱形的单晶硅晶体。

与现有技术的熔体的温度梯度相比，使用本实用新型的加热器时，通过靠近生长界面的熔体中的温度梯度设置在较低的范围内，从而减小生长界面的温度梯度G(r)，如图2所示，温度曲线a为现有技术下产生的温度曲线，熔体的温度随熔体的深度加深不断升高，沿着熔体的深度，温度梯度一直较大，生长界面的温度梯度G(r)较大，会形成中心空位型、边缘间隙型缺陷的单晶，空位和间隙型缺陷的交界处的单晶容易形成OISF环，它使半导体单晶硅因这种大尺寸的缺陷而导致器件失效。

而按照使用本实用新型可以对熔体温度进行控制，呈现出如温度曲线b和c在靠近生长界面的温度梯度明显降低，从而对应的生长界面的温度梯度G(r)明显降低，在V保持不变的情况下，V/G变大，使V/G远离临界点-(V/G)_临界，从而防止发生形成中心空位型、边缘间隙型缺陷的单晶，避免空位和间隙型缺陷的交界处形成OISF环，提高少子寿命。

为了使温度曲线成c曲线的趋势，便于G(r)控制在更小的范围内，尽量减小加热器下部的发热量，使得靠近坩埚底部的熔体沿着深度方向的温度梯度为负值，即在靠近坩埚底部时，熔体的温度逐渐降低。坩埚底部熔体温度降低，底部富氧的熔体不能产生热对流而流向生长界面，这时生长出的硅单晶氧含量极低，有效降低单晶硅的含氧量。

根据发热功率W＝I²R，R＝ρ*l/S，ρ为材料电阻率，l为电阻长度，S为电阻的截面积,为使这些串联的加热条在通电后，使上部产生的热量大于下部产生的热量方式主要有改变加热条的截面积、长度和电阻率这三种方式。

截面积的变化可以通过改变加热条的厚度和宽度来实现，其中，电流在串联的加热条中流动，包括各加热条纵向电流以及加热条之间的横向电流产生的热量，优选的，所述发热本体的壁厚自上而下逐渐变大。从而使各加热条上薄下厚。为了便于制造，使发热本体的壁厚自上而下逐渐变大的方式有保持发热本体的内径不变，通过外部磨削使发热本体外径上小下大；保持发热本体的外径不变，通过内挖使发热本体的内径上大下小；保持发热本体壁厚的中心线不变，同时调整内外径，使外径上小下大，内径上大下小。

优选的，所述上开槽和下开槽的开度自下而上逐渐加宽。从而使上开槽和下开槽之间的加热条上窄下宽。

优选的，各上开槽的槽底距离发热本体的顶沿的距离小于各下开槽的槽底距离发热本体的底沿的距离。

上述三种方式都可以改变加热条中电流通过的横截面，使发热本体上部的横截面小于下部，从而实现所述加热条位于所述发热本体上部产生的热量大于位于下部产生的热量，可以单独通过一种或几种方式组合实现。

加热器通电时，直流电流从正极通过加热器的电极脚流入，并沿2个方向，通过串联的加热条，从负极电极脚流出加热器，为减小加热器下部的发热，优选的，任一一对相邻的加热条组成一U型加热条，其中具有上开槽的为上U型加热条，具有下开槽的为下U型加热条，从加热器的电极脚算起，按顺时针或逆时针方向开始对下U型加热条计数，与电极脚间隔相隔的为奇序数下U型加热条，其余为偶序数下U型加热条，所述偶序数下U型加热条的底沿高于奇序数下U型加热条的底沿。

进一步优选的，偶序数下U型加热条的底部高度不低于奇序数下U型加热条的底部高度。

还可以通过调整加热条上下部的材质来实现上下发热不均，优选的，所述的加热条由上部和下部拼接而成，上部的电阻率大于下部的电阻率。整个加热器通过石墨粉压制而成，上部和下部使用不同电阻率的石墨粉，或加压成型时上、下部的密度不同，上部松散、下部紧密，即可以使得上部的电阻率大于下部的电阻率。

还可以通过调整加热器外侧保温桶的上下部的保温情况来使熔体的温度梯度减小，优选的，设置在加热本体外侧的保温桶的上部保温层厚度大于下部保温层厚度，上部保温层采用的保温材料传热系数小于下部保温层采用的保温材料传热系数。设置保温层厚度可以通过缠绕保温材料的层数来控制。从而实现保温桶的上部的保温效果较下部更好，进一步减小熔体的温度梯度。

使用本实用新型的加热器，结构与现有加热器相似，可以直接应用在现有的晶体炉内，技术成熟，易于与现有的晶体炉匹配，不用增设线路或者部件，改造成本低。

为了进一步提高单晶质量，需要对拉晶参数进行控制：

单晶炉内的压力称为炉压，炉压通过调节真空阀的开度调整，炉压越小，熔体表面SiO的挥发越容易，生长出的硅单晶中的氧含量越低，但炉压越低，液面的稳定性也越低，引放次数也越多，单晶生长难度增加，需要选择在合适的范围内，优选的，将炉压控制在10～25Torr。

拉晶过程中采用惰性气体做保护气，一般选用氩气作为保护气，保护气从炉顶进入，经炉颈进入主室，经热屏流向液面，并从热屏下沿与液面间的空隙处流出，保护气既能维持稳定的炉压，又能不断带走液面挥发出的SiO，惰性气体流量越大越容易带走SiO，但增加惰性气体流量，惰性气体的消耗增加，真空泵负荷增加，带来拉晶成本的增加，因此，也需要控制在合适的范围内，优选的，将惰性气体流量控制在50～150slpm。

坩埚旋转产生的强制对流对热对流产生抑制作用，从而起到稳定熔体，降低拉晶难度的作用，提高坩埚的转速，引放次数明显减小，但是石英坩埚内壁与熔体之间的相对流动增加，二者之间的粘滞层减薄，更多的氧会进入熔体中，从而引起硅单晶中的氧含量增加，为了降氧与降拉晶难度兼顾，优选的，坩埚的转速为7～12rpm。

籽晶相对坩埚反方向旋转，使得晶体生长区域与其它区域相对隔离，降低熔体对流的波动对单晶稳定生长的影响，籽晶的转速增加有利于拉晶，同时也能起到搅拌的作用，有利于熔体中的杂质分布均匀，改善单晶的径向电阻率的均匀性，但受单晶炉提拉头的动平衡限制，过大的晶转会引起单晶的晃动和摆动，例如半导体单晶炉晶转可以开到30rpm，太阳能单晶炉一般只能开到15rpm，优选的，籽晶的转速为10～30rpm。

坩埚位置决定晶体的生长液面的位置，埚位越低，意味着坩埚向加热器底部移动，有利于熔体内温度梯度的降低，当坩埚底部处于低温区时，硅中的缺陷和氧含量极大地降低，但埚位降低，生长液面往高温区移动，液面的坩埚内壁有更高的温度，而单晶结晶区为硅的凝固点，温度不变，这样液面径向方向温度梯度增大，表面对流增加，波动增加，引放次数明显增多，为兼顾成晶和单晶的品质，优选的，调整单晶炉的坩埚相对加热器的位置，使生长液面离加热器顶沿的垂直距离为50～150mm。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的改善直拉法生长单晶硅质量的加热器，通过使加热器的上部发热量大于下部的发热量，从而有效减小熔体沿深度方向上的温度梯度，减小热对流，降低单晶硅中的微缺陷和有害杂质，制备得到低缺陷、超低氧、高少子寿命的单晶硅，成本较低且易于实现。

附图说明

图1为现有技术的加热器的结构示意图。

图2为不同加热方式带来的不同变化的温度曲线图。

图3为实施例1的加热器的局部结构示意图。

图4为实施例2的加热器的横截面结构示意图。

图5为实施例2的加热器的局部结构示意图。

图6为实施例3的加热器的局部结构示意图。

图7为使用实施例3的加热器生产的单晶硅的PL检测图。

图8为使用现有技术的加热器生产的单晶硅的PL检测图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的加热器应用在20寸石英坩埚上，20寸石英坩埚高度380mm，投料量135KG，拉制N型，<100>晶向，电阻率0.8～4.5Ω·cm，直径6.5英寸的硅单晶。

如图3所示，本实施例的加热条13的宽度顶部是底部的三分之一，中部宽带是顶部的2倍，下部宽带是顶部的3倍，发热本体1内外径上下一致，加热条13厚度不变，发热本体1的高度为380mm，上开槽11和下开槽12的开槽的深度以满足H底＝L底＝3L顶＝3H顶，上开槽的槽底距离发热本体的顶沿的距离为H顶，下开槽的槽底距离发热本体的底沿的距离为H底，上述结构使加热本体1的上部的发热量大于下部的发热量，结合上部散热快的情况，从而使坩埚内的熔体上下温差小，使温度梯度保持在很小。

本实施例的改善直拉法生长单晶硅质量的方法，步骤包括，将原料硅投入晶体炉的坩埚内，调整起始埚位，以确保坩埚底部的料首先熔化，从而避免漏料；加热器加热坩埚融化埚内的原料硅并保持熔体在熔融状态；将棒状籽晶浸入熔液中；通入惰性气体作为保护气体至熔体液面，氩气流量为90slpm，炉压为13Torr；一边旋转坩埚，一边提升相对坩埚反向旋转的棒状籽晶，籽晶的转速为10rpm，坩埚的转速为8rpm，得到圆柱形的单晶硅晶体。

拉晶结果为2次引放，成品率87.5％，取头、中、尾样品检测，氧含量分别为，14.5，10.5，12.1ppma，少子寿命分别为11500，9500，4780us，PL检测未发现同心圆环或同心圆，高温热氧化试验，未发现漩涡缺陷和OISF环，电池加工中，整根单晶未发现低效片。

实施例2

本实施例的加热器应用在18寸石英坩埚上，18寸石英坩埚的高度350mm，投料量90KG，拉制N型，<111>晶向，多次拉晶，前3根6英寸，目标电阻率45～30Ω·cm，最后拉制5英寸，拉完剩余的料，目标电阻率45～15Ω·cm。

本实施例的加热条13下部加厚的同时下部加宽，如图4所示，加热本体1的壁厚自上而下逐渐变大，顶部厚度为底部厚度的3/4，如图5所示，通过调整上开槽和下开槽，使加热条13宽度顶部是底部的3/4，整个加热本体1顶部的截面积与底部的截面积比例是9：16，加热器高度350mm，且上开槽11和下开槽12的开槽的深度满足H底＝4H顶，上述结构使加热本体1的上部的发热量大于下部的发热量，结合上部散热快的情况，从而使坩埚内的熔体上下温差小，使温度梯度保持在很小。

本实施例的改善直拉法生长单晶硅质量的方法，除了使用本实施例的加热器以外，还在增加底部加热器以确保不漏料，化料功率开25KW，本实施例的加热器化料最大功率75KW，化料结束，关闭底部加热器，除了拉晶参数调整以外，拉晶过程与实施例1相同，拉晶工艺条件为，炉压为15Torr，氩气流量为100slpm，籽晶的转速为25rpm，坩埚的转速为8rpm，生长液面位置离加热器上沿90mm。

取4根样品检测，4根单晶头部氧含量分别为：13.5，13.7，13.3，13.1ppma，尾部氧含量分别为：11.5，10.8，11.1，12.7ppma，高温热氧化试验，未发现热氧化漩涡缺陷和OISF环。

实施例3

本实施例的加热器应用在22寸石英坩埚，22寸石英坩埚高度420mm，投料量200KG，拉制P型，<100>晶向，电阻率1～3Ω·cm，直径8英寸的太阳能硅单晶。

如图1所示，加热器任一一对相邻的加热条组成一U型加热条，其中具有上开槽的为上U型加热条4，具有下开槽的为下U型加热条5，从加热器的电极脚算起，按顺时针或逆时针方向开始对下U型加热条计数，与电极脚2间隔相隔的为奇序数下U型加热条51，其余为偶序数下U型加热条52。

本实施例的加热器，如图6所示，图中L偶＝280mm，L奇＝420mm，H偶＝2H奇＝2L，L为加热条宽带，上述结构使加热本体1的上部的发热量大于下部的发热量，结合上部散热快的情况，从而使坩埚内的熔体上下温差小，使温度梯度保持在很小。

本实施例的改善直拉法生长单晶硅质量的方法，除了使用本实施例的加热器以外，还在增加底部加热器以确保不漏料，化料功率开25KW，本实施例的加热器化料最大功率80KW，化料结束即关闭底部加热器，除了拉晶参数调整以外，拉晶过程与实施例1相同，炉压为13Torr，氩气流量为90slpm，籽晶的转速为10rpm，坩埚的转速为7rpm，等径生长液面位置离加热器上沿90mm。

拉晶结果为引放1次，成晶率89.5％，取头、中、尾样品检测，氧含量分别为13.1，8.5，10.7ppma，体寿命检测分别为690，390，86us,PL检测未发现同心圆环或同心圆，PL检测图如图7所示，高温热氧化试验，未发现漩涡缺陷和OISF环，加工成电池后，其电池转换效率为19.786％，整根单晶未发现黑心低效片。

将现有技术的加热器，如图1的加热器应用在22寸石英坩埚，石英坩埚高度420mm，投料量200KG，拉制P型，<100>晶向，电阻率1～3Ω·cm，直径8英寸的太阳能硅单晶。

如图1所示，加热器任一一对相邻的加热条组成一U型加热条，其中具有上开槽的为上U型加热条4，具有下开槽的为下U型加热条5，从加热器的电极脚算起，按顺时针或逆时针方向开始对下U型加热条计数，与电极脚2间隔相隔的为奇序数下U型加热条51，其余为偶序数下U型加热条52。

对比例的加热器，图中L偶＝L奇＝420mm，H偶＝H奇＝L，L为加热条宽带，上述结构使加热本体1的上下部的发热量均匀，坩埚内的熔体温度梯度比较大，如图2中的温度曲线a所示。

对比例中，拉晶参数与实施例3相同，炉压为13Torr，氩气流量为90slpm，籽晶的转速为10rpm，坩埚的转速为7rpm，等径生长液面位置离加热器上沿90mm。

拉晶结果为引放2次，成晶率85.6％，取头、中、尾样品检测，氧含量分别为19.8，13.5，15.7ppma，体寿命检测分别为590，190，36us,取头部样品，加工成电池后，其电池转换效率为17.956％，PL检测图如图8所示，很明显使用现有技术的加热器生产的单晶硅中发现同心圆环，头部有黑心低效片。

综上所述，使用本实施例的加热器制备直拉法生长单晶硅，实现低缺陷、超低氧、高少子寿命的单晶硅的制造，容易实现且成本较低。

Claims (9)

1.一种改善直拉法生长单晶硅质量的加热器，包括筒状的发热本体和固定在发热本体上的电极脚，所述发热本体上开设有沿周向交替布置的上开槽和下开槽，所述上开槽和下开槽将发热本体分成多根依次串联的加热条，其特征在于，所述加热条位于所述发热本体上部产生的热量大于位于下部产生的热量。

2.如权利要求1所述的改善直拉法生长单晶硅质量的加热器，其特征在于，所述上开槽和下开槽的开度自下而上逐渐加宽。

3.如权利要求1或2所述的改善直拉法生长单晶硅质量的加热器，其特征在于，所述发热本体的壁厚自上而下逐渐变大。

4.如权利要求1或2所述的改善直拉法生长单晶硅质量的加热器，其特征在于，各上开槽的槽底距离发热本体的顶沿的距离小于各下开槽的槽底距离发热本体的底沿的距离。

5.如权利要求1或2所述的改善直拉法生长单晶硅质量的加热器，其特征在于，任一一对相邻的加热条组成一U型加热条，其中具有上开槽的为上U型加热条，具有下开槽的为下U型加热条，从加热器的电极脚算起，按顺时针或逆时针方向开始对下U型加热条计数，与电极脚间隔相隔的为奇序数下U型加热条，其余为偶序数下U型加热条，所述偶序数下U型加热条的底沿高于奇序数下U型加热条的底沿。

6.如权利要求5所述的改善直拉法生长单晶硅质量的加热器，其特征在于，偶序数下U型加热条的底部高度不低于奇序数下U型加热条的底部高度。

7.如权利要求1所述的改善直拉法生长单晶硅质量的加热器，其特征在于，所述的加热条由上部和下部拼接而成，上部的电阻率大于下部的电阻率。

8.如权利要求1所述的改善直拉法生长单晶硅质量的加热器，其特征在于，设置在加热本体外侧的保温桶的上部保温层厚度大于下部保温层厚度。

9.如权利要求8所述的改善直拉法生长单晶硅质量的加热器，其特征在于，所述的上部保温层采用的保温材料传热系数小于所述的下部保温层采用的保温材料传热系数。