TWI651443B - 一種多晶矽二次加料裝置及方法 - Google Patents

一種多晶矽二次加料裝置及方法 Download PDF

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Abstract

本發明係提供一種多晶矽二次加料裝置及方法，所述多裝置包括：石英管，為上下開口的圓管；石英半球，位於所述石英管下方，且其直徑大於所述石英管直徑；及石英柱，位於所述石英管內部且下端與所述石英半球連接。所述方法包括：多次向所述多晶矽二次加料裝置中加入小細微性多晶矽、或大細微性多晶矽與小細微性多晶矽所組成的料；多次打開石英半球，每次放入部分料。本發明藉由設置石英半球及石英柱，可防止石英半球破碎及多晶矽料的污染，並以梯度混合加料方法，降低多晶矽之間的間隙大小及數目，增大二次加料量。

Description

一種多晶矽二次加料裝置及方法
本發明係關於半導體技術領域，尤其係關於一種多晶矽二次加料裝置及方法。
半導體行業的生產過程中，多晶矽鑄錠是多晶矽片生產不可或缺的重要生產環節，在設備允許的情況下提高單爐次的裝料量是降低生產成本的重要途徑。由於加料時石英坩堝中的多晶矽之間存在空隙，且矽熔體的密度大於固體矽的密度，造成多晶矽熔化後體積收縮。為了降低單晶矽生長成本，多晶矽熔化後均需要進行二次加料操作。
現有技術中的多晶矽二次加料裝置係如第1圖所示，其二次加料裝置1的下部的石英錐11為三角石英錐，置於石英管20的下端開口。在加料過程中，所述三角石英錐11的邊緣部分容易被多晶矽料打碎，並容易進入熔融熔體中影響單晶生長；又，連接所述石英錐11的是一條吊絲31，所述吊絲31為鉬絲，在加料時，由於吊絲31與多晶矽接觸係造成矽料污染，而造成晶體品質下降。
其次，現有技術中，二次加料方式有兩種：一種是添加小粒度的多晶矽原料，如第2圖所示，但會使前期準備的製造成本大幅增加。二 是小細微性與大細微性分層加料，如第3圖所示，但會使大細微性多晶矽之間的間隙增大，降低了二次投料量。
因此，需要設計一種防污染、降低多晶矽之間間隙而增加二次加料量的多晶矽二次加料裝置及方法。
本發明的目的在於提供一種多晶矽二次加料裝置及方法，以解決現有多晶矽二次加料污染和加料量小的問題。
為解決上述技術問題，本發明提供一種多晶矽二次加料裝置，所述多晶矽二次加料裝置包括石英管、石英半球及石英柱，其中：所述石英管為上下開口的圓管；所述石英半球位於所述石英管下方，所述石英半球的直徑大於所述石英管直徑；且所述石英柱位於所述石英管內部，所述石英柱下端與所述石英半球連接。
於一些實施例中，在所述的多晶矽二次加料裝置中，所述石英半球的球面正對所述石英管下方開口。
於一些實施例中，在所述的多晶矽二次加料裝置中，所述石英柱上端露出所述石英管上方開口。
於一些實施例中，在所述的多晶矽二次加料裝置中，所述石英柱上端連接吊絲。
本發明還提供一種多晶矽二次加料方法，所述多晶矽二次加料方法的步驟如下：加料：向多晶矽二次加料裝置中加入小細微性(granularity)的多晶矽與中細微性的多晶矽混合組成的多晶矽，或中細微性的多晶矽與大細微性的多 晶矽混合組成的多晶矽；及放料：打開石英半球，向石英坩堝中放入所述加料步驟中加入的多晶矽。
於一些實施例中，在所述的多晶矽二次加料方法中，所述加料次數為1或2次。
於一些實施例中，在所述的多晶矽二次加料方法中，所述加料次數為2次時，先加入小細微性的多晶矽與中細微性的多晶矽混合組成的多晶矽，再加入中細微性的多晶矽與大細微性的多晶矽混合組成的多晶矽。
於一些實施例中，在所述的多晶矽二次加料方法中，所述加料前，向多晶矽二次加料裝置中加入小細微性多晶矽。
於一些實施例中，在所述的多晶矽二次加料方法中，所述小細微性多晶矽的細微性小於或等於3mm。。
於一些實施例中，在所述的多晶矽二次加料方法中，所述中細微性多晶矽的細微性範圍為3mm~45mm。
於一些實施例中，在所述的多晶矽二次加料方法中，所述大細微性多晶矽的細微性範圍為45mm~90mm。
於一些實施例中，在所述的多晶矽二次加料方法中，所述放料次數為1~3次。
於一些實施例中，在所述的多晶矽二次加料方法中，所述放料步驟中，每次放入石英坩堝中的多晶矽的平均細微性不變。
本發明提供的一種多晶矽二次加料裝置中，藉由將習知多晶矽二次加料裝置下部的三角石英錐替換為石英半球，增加了石英半球邊緣的厚度，防止石英半球在加料時邊緣破碎，而且石英半球的坡度變得更大， 多晶矽料下降更加順暢。又，將吊絲置換成石英柱，防止了吊絲對多晶矽料的污染。
本發明提供的一種多晶矽二次加料方法中，採用梯度混合加料方法，降低多晶矽之間的間隙大小及數目，增大二次加料量；且無需對多晶矽進行過多的前期加工，降低成本。另外，於多次加料時，首先加入小細微性多晶矽，再加入大細微性多晶矽，因為小細微性多晶矽投放入石英坩堝中時，由於本身重量較輕，不易引起石英坩堝中熔融矽料的飛濺；且於加入後，小細微性多晶矽會浮在熔體表面上，大幅減少後續投放的大細微性多晶矽與熔體接觸所產生的飛濺情況。進一步的，因為不同層的矽料細微性不同，採用依次開口的方式，可以通過下端開口(即石英半球開口)的大小進行控制，分多次投放多晶矽，降低石英坩堝中熔融矽料的飛濺。
1‧‧‧多晶矽二次加料裝置
10‧‧‧石英半球
11‧‧‧石英錐
20‧‧‧石英管
30‧‧‧石英柱
21、31‧‧‧吊絲
第1圖係習知多晶矽二次加料裝置的剖面示意圖。
第2圖係習知多晶矽二次加料方法的示意圖。
第3圖係習知多晶矽二次加料方法的示意圖。
第4至5圖係，依據本發明不同實施例，多晶矽二次加料裝置的剖面示意圖。
第6至9圖係，依據本發明不同實施例，多晶矽二次加料方法的示意圖。
以下結合圖式和具體實施例對本發明進一步詳細說明。根據本案說明書及申請專利範圍，本發明的優點及特徵將更清楚。需說明的是，圖式均採用非常簡化的形式，且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
本發明的核心思想在於提供一種防止石英錐在加料時邊緣破碎和使用鉬製作的吊絲對多晶矽料的污染多晶矽二次加料裝置，以及一種減小多晶矽之間的間隙大小及數目，增大二次加料量，不易引起石英坩堝中熔融的矽料的飛濺的多晶矽二次加料方法。
為實現上述思想，本發明提供了一種多晶矽二次加料裝置，包括石英管、石英半球及石英柱，所述石英管為上下開口的圓管，所述石英半球位於所述石英管下方，所述石英半球的直徑大於所述石英管直徑；所述石英柱位於所述石英管內部，所述石英柱下端與所述石英半球連接。多晶矽二次加料方法：向多晶矽二次加料裝置中加入小細微性的多晶矽與中細微性的多晶矽混合組成的多晶矽，或中細微性的多晶矽與大細微性的多晶矽混合組成的多晶矽；打開石英半球，向石英坩堝中放入多晶矽。
<實施例一>
參照第4圖，係本發明實施例一之多晶矽二次加料裝置的剖面示意圖。本發明採用分段式設計，如圖中所示，所述多晶矽二次加料裝置1包括石英半球10、石英管20及石英柱30，其中，所述石英管20為上下開口的圓管；所述石英半球10位於所述石英管20下方，所述石英半球10的直徑大於所述石英管20直徑；所述石英柱30位於所述石英管020內部，所述石英柱30下端與所述石英半球10連接。所述石英半球10的球面 正對所述石英管20下方開口。所述石英柱30上端露出所述石英管20上方開口。
所述多晶矽二次加料裝置1藉由將習知三角石英錐11替換為石英半球10，增加了石英半球10邊緣的厚度，防止石英半球10在加料時邊緣破碎，而且石英半球10的坡度變得更大，多晶矽料下降更加順暢。另外，以石英柱30替換習知吊絲31，防止所述吊絲31對多晶矽的污染。
<實施例二>
參照第5圖，係本發明實施例二之多晶矽二次加料裝置的剖面示意圖。與實施例一的區別在於：本實施例的所述石英柱30上端連接吊絲31，所述吊絲31的作用為拉伸石英柱30上下移動，控制石英半球10對石英管20的開啟和關閉。
吊絲31可為符合強度要求和溫度要求的金屬絲，可以不選擇成本昂貴的鉬絲，而是選擇其他低成本的金屬絲。
<實施例三>
參照第6及7圖，係本發明實施例三之多晶矽二次加料方法的示意圖。本發明中，多晶矽二次加料方法的步驟如下：加料：向多晶矽二次加料裝置中加入小細微性的多晶矽與中細微性的多晶矽混合組成的多晶矽，或中細微性的多晶矽與大細微性的多晶矽混合組成的多晶矽；放料：打開石英半球，向石英坩堝中放入所述加料步驟中加入的多晶矽。
在第6圖中，本實施例中採用小細微性的多晶矽與中細微性的多晶矽混合組成的多晶矽加料。
在第7圖中，本實施例中採用中細微性的多晶矽與大細微性的多晶矽混合組成的多晶矽加料。
本實施例中，所述加料次數為1次。所述小細微性多晶矽的細微性小於或等於3mm；所述中細微性多晶矽的細微性範圍為3mm~45mm；所述大細微性多晶矽的細微性範圍為45mm~90mm。較佳地，在選擇不同細微性多晶矽時，各個不同細微性的多晶矽的細微性尺寸差異較大，使不同細微性的多晶矽實現充分混合。
進一步的，本實施例的放料次數為2到3次，較佳為2次。首先降下石英柱30或吊絲31，使石英半球10打開石英管20下方的開口，開口縫隙的寬度使多晶矽剛好可以通過，然後第一次放入一部分多晶矽，然後拉起石英柱30或吊絲31，使石英半球10關閉石英管20下方的開口，等石英坩堝中的熔融的多晶矽料平靜後，再次降下石英柱30或吊絲31，使石英半球10打開石英管20下方的開口，然後第二次放入剩餘的多晶矽。分2次放料可以避免一次全部放入大量的多晶矽料，投入石英坩堝時，造成熔融的多晶矽料四處飛濺，石英坩堝中熔融矽料飛濺的熔體進入爐體，會對爐體產生污染，並影響所拉製的晶棒的品質。其次，由於為石英坩堝加熱的加熱器是石墨材料，飛濺的熔體濺到加熱器後，在高溫下矽與石墨會發生反應，這會大幅降低加熱器的使用壽命，進而增加生產成本。另外，熔體的飛濺會引起安全問題，造成人身傷害或導致爐子發生打火。
需要注意的是，不能一邊加料一邊放料，因為加料是必須要在高真空環境下進行，同時加料及放料會氧化並污染矽料，所以必須在加 料步驟全部結束後再進行放料步驟，而在放料步驟結束之前，不能再進行加料步驟。
與現有技術中的均加小粒度的多晶矽原料、和小細微性與大細微性分層(第一層只加細矽料，第二層只加中等矽料，第三層為細微性更大塊的矽料)加料不同，本實施例的梯度混合加料係將不同細微性的多晶矽料混合，形成小細微性的多晶矽與中細微性的多晶矽混合組成的多晶矽料、和中細微性的多晶矽與大細微性的多晶矽混合組成的多晶矽料。本實施例採用梯度混合加料方法，降低多晶矽之間的間隙大小及數目，增大二次加料量；且無需對多晶矽進行過多前期加工，降低成本。
<實施例四>
參照第8圖，係本發明實施例四之多晶矽二次加料方法的示意圖。與實施例三的不同在於，本實施例中，所述加料次數為2次。第一次加料，先加入小細微性的多晶矽與中細微性的多晶矽混合組成的多晶矽，然後第二次加料，加入中細微性的多晶矽與大細微性的多晶矽混合組成的多晶矽。本實施例採用梯度混合加料方式，如第8圖所示，根據細微性的不同，多晶矽料明顯分為2層，下層為中細微性多晶矽和小細微性多晶矽混合構成的多晶矽，上層為中細微性多晶矽和大細微性多晶矽混合構成的多晶矽。對應的，本實施例中可以分2次進行放料，每次放料時，每次放入石英坩堝中的多晶矽的平均細微性不變，即首先，降下石英柱30或吊絲31，使石英半球10打開石英管20下方的開口，開口縫隙的寬度等於或稍大於中細微性多晶矽的細微性，且小於大細微性多晶矽的細微性，使小細微性多晶矽和中細微性多晶矽剛好可以通過，而大細微性多晶矽不能 通過，然後第一次放入下層的中細微性多晶矽和小細微性多晶矽混合構成的多晶矽，然後拉起石英柱30或吊絲31，使石英半球10關閉石英管20下方的開口，等石英坩堝中的熔融的多晶矽料平靜後，再次降下石英柱30或吊絲31，使石英半球10打開石英管20下方的開口，開口縫隙的寬度等於或稍大於大細微性多晶矽的細微性，然後第二次放入上層的中細微性多晶矽和大細微性多晶矽混合構成的多晶矽。
分兩次加料，可以分別加入不同細微性的多晶矽，並且使較小細微性的多晶矽料位於下層，較大細微性的多晶矽料位於上層，採用依次開口的方式，可以藉由下端開口(即石英半球10開口)的大小進行控制，分2次投放多晶矽，可以降低石英坩堝中熔融矽料的飛濺。
<實施例五>
參照第9圖，係本發明實施例五之多晶矽二次加料方法的示意圖。與實施例三及實施例四的不同在於，本實施例在所述加料前，即，在加入中細微性多晶矽和小細微性多晶矽混合構成的多晶矽、和中細微性多晶矽和大細微性多晶矽混合構成的多晶矽之前，首先於所述多晶矽二次加料裝置中加入小細微性多晶矽。
本實施例採用梯度混合加料方式。如第9圖所示，根據細微性的不同，多晶矽料明顯分為3層，最下層為小細微性多晶矽，中間層為中細微性多晶矽和小細微性多晶矽混合構成的多晶矽，而最上層為中細微性多晶矽和大細微性多晶矽混合構成的多晶矽。
進一步的，本實施例中放料次數為3次，即首先，降下石英柱30或吊絲31，使石英半球10打開石英管20下方的開口，開口縫隙的寬 度等於或稍大於小細微性多晶矽的細微性，且小於中細微性多晶矽的細微性，使小細微性多晶矽剛好可以通過，而中細微性多晶矽和大細微性多晶矽不能通過，然後第一次放入最下層的小細微性多晶矽，然後拉起石英柱30或吊絲31，使石英半球10關閉石英管20下方的開口。等石英坩堝中的熔融的多晶矽料平靜後，第二次降下石英柱30或吊絲31，使石英半球10打開石英管20下方的開口，開口縫隙的寬度等於或稍大於中細微性多晶矽的細微性，然後第二次放入中間層的小細微性多晶矽和中細微性多晶矽混合構成的多晶矽，然後拉起石英柱30或吊絲31，使石英半球10關閉石英管20下方的開口。等石英坩堝中的熔融的多晶矽料平靜後，第三次降下石英柱30或吊絲31，使石英半球10打開石英管20下方的開口，開口縫隙的寬度等於或稍大於大細微性多晶矽的細微性，最後放入最上層的中細微性多晶矽和大細微性多晶矽混合構成的多晶矽。
由於小細微性多晶矽投放入石英坩堝中時，由於本身重量輕，不易引起石英坩堝中熔融的矽料的飛濺，且於加入後，所述小細微性多晶矽會浮在熔體表面上，大幅減少後續投放的中細微性多晶矽和大細微性多晶矽與熔體接觸所產生的飛濺情況。並且本實施例依然可以採用依次開口的方式，可藉由下端開口(即石英半球10開口)的大小進行控制，分多次投放多晶矽，降低石英坩堝中熔融矽料的飛濺。
上述特定實施例之內容係為了詳細說明本發明，然而，該等實施例係僅用於說明，並非意欲限制本發明。熟習本領域之技藝者可理解，在不悖離後附申請專利範圍所界定之範疇下針對本發明所進行之各種變化或修改係落入本發明之一部分。

Claims (12)

  1. 一種多晶矽二次加料裝置，其特徵在於，所述多晶矽二次加料裝置包括石英管、石英半球及石英柱，其中，所述石英管為上下開口的圓管；所述石英半球位於所述石英管下方，所述石英半球的直徑大於所述石英管直徑，所述石英半球的球面正對所述石英管下方開口；及所述石英柱位於所述石英管內部，所述石英柱下端與所述石英半球連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的多晶矽二次加料裝置，其特徵在於，所述石英柱上端露出所述石英管上方開口。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的多晶矽二次加料裝置，其特徵在於，所述石英柱上端連接吊絲。
  4. 一種多晶矽二次加料方法，其特徵在於，所述多晶矽二次加料方法的步驟如下：加料：向多晶矽二次加料裝置中加入小細微性的多晶矽與中細微性的多晶矽混合組成的多晶矽，或中細微性的多晶矽與大細微性的多晶矽混合組成的多晶矽；及放料：打開石英半球，向石英坩堝中放入所述加料步驟中加入的多晶矽。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的多晶矽二次加料方法，其特徵在於，所述加料次數為1或2次。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的多晶矽二次加料方法，其特徵在於，所述加料次數為2次時，先加入小細微性的多晶矽與中細微性的多晶矽混合組成的多晶矽，再加入中細微性的多晶矽與大細微性的多晶矽混合組成的多晶矽。
  7. 如申請專利範圍第項4所述的多晶矽二次加料方法，其特徵在於，所述加料前，向多晶矽二次加料裝置中加入小細微性多晶矽。
  8. 如申請專利範圍第項4或7所述的多晶矽二次加料方法，其特徵在於，所述小細微性多晶矽的細微性小於或等於3mm。
  9. 如申請專利範圍第項4所述的多晶矽二次加料方法，其特徵在於，所述中細微性多晶矽的細微性範圍為3mm~45mm。
  10. 如申請專利範圍第項4所述的多晶矽二次加料方法，其特徵在於，所述大細微性多晶矽的細微性範圍為45mm~90mm。
  11. 如申請專利範圍第項4所述的多晶矽二次加料方法，其特徵在於，所述放料次數為2或3次。
  12. 如申請專利範圍第項11所述的多晶矽二次加料方法，其特徵在於，所述放料步驟中，每次放入石英坩堝中的多晶矽的平均細微性不變。
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