本發(fā)明涉及硅材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種硅片水平生長設(shè)備和方法。

背景技術(shù)：

硅作為非金屬在半導(dǎo)體領(lǐng)域以及光伏領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用直拉法(cz法)或區(qū)熔法(hz法)生產(chǎn)單晶硅錠，利用鑄造技術(shù)生產(chǎn)多晶硅錠。

現(xiàn)有技術(shù)是通過線切割、打磨拋光等技術(shù)來獲得一定厚度的硅片，在后處理的過程中大量的原料被浪費，從而導(dǎo)致硅片生產(chǎn)成本大幅度增加。為了減少材料的損耗，人們開發(fā)了多種硅片直接制造方法，如導(dǎo)模法(efg)、線拉帶硅法(sr)，但是至今未能實現(xiàn)批量生產(chǎn)。1950年，人們提出了另一種硅片直接生長方法即水平生長條帶狀硅(hrg)的方法?；谠摲椒ǎ?960年設(shè)計了實驗制備裝置，但是無法實現(xiàn)硅帶的水平生長。2016年克拉克森大學(xué)提出了一種利用水平浮硅法生長硅片的方法，并進行了數(shù)值模擬和實驗，記載于非專利文獻1中。但是利用水平浮硅法生長出的硅片外形有很明顯的形狀缺陷，并且厚度較大，需要進行后續(xù)的切割加工。

非專利文獻1

helenbrookbt,kellermanp,carlsonf,etal.experimentalandnumericalinvestigationofthehorizontalribbongrowthprocess[j].journalofcrystalgrowth,2016,453:163-172.

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有水平生長硅片領(lǐng)域所存在的諸如生長不穩(wěn)定、形狀缺陷較大、厚度過厚等問題，本發(fā)明公開一種厚度可控的硅片水平連續(xù)生長設(shè)備和方法。利用上下輻射加熱、射流冷卻方式實現(xiàn)溫度場和流場的調(diào)控，從而控制硅片的厚度；利用多段熔融區(qū)域和兩段溢流面，并利用外抽氣體使溫度場平順的設(shè)計，從而保證硅片厚度均勻、上下表面平整。

本發(fā)明的硅片水平生長設(shè)備包括：外殼，形成腔體；坩堝，位于所述腔體中，具有熔料區(qū)、溢流口、第一溢流面和第二溢流面；入料組件，向所述熔料區(qū)加入硅原料，且加料速率可調(diào)；加熱組件，包括兩個可移動的加熱器，該兩個可移動的加熱器以一定間距配置于所述坩堝的上下兩側(cè)；保溫組件，對所述腔體的溫度進行保持；氣體流通組件，包括射流器、導(dǎo)氣石墨件、石英抽氣管和石英冷卻管，其中，所述射流器位于所述第二溢流面上方，所述導(dǎo)氣石墨件裝配于所述坩堝的底部，所述石英冷卻管嵌套在所述石英抽氣管外，所述石英抽氣管與所述導(dǎo)氣石墨件相連；以及隔熱擋板，位于所述第二溢流面上方，將所述加熱組件和所述射流器相隔離，使所述腔體分為冷熱兩個溫度區(qū)域。

優(yōu)選為，還包括承接坩堝，位于所述坩堝第二溢流面的邊緣的下方。

優(yōu)選為，所述加熱器與所述坩堝間設(shè)置有導(dǎo)熱石墨板。

優(yōu)選為，所述加熱器與所述坩堝間的距離在1～5mm之間。

優(yōu)選為，所述射流器與所述第二溢流面的距離大于7mm。

優(yōu)選為，所述隔熱擋板的厚度在1～3cm之間。

優(yōu)選為，所述隔熱擋板距所述第二溢流面的距離在2～6mm之間。

優(yōu)選為，所述射流器包括氣體入射管、射流管和支撐管，其中所述射流管的兩端分別通過連接件與所述入射管和所述支撐管相連接，所述射流管為雙層結(jié)構(gòu)，外層采用等靜壓石墨材料，內(nèi)層采用陶瓷或高密度石墨材料，所述射流管設(shè)有排孔或狹縫。

本發(fā)明的硅片水平生長方法，包括以下步驟：熔融硅原料步驟，通過入料組件向所述坩堝的熔料區(qū)加入硅原料，通過石英冷卻管向腔體內(nèi)通入還原性氣體，使腔體處于還原氣氛中，然后通過加熱器進行加熱，當(dāng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度且硅料完全熔化后開始自入料口緩慢加入新的硅料，使熔融態(tài)的硅料從溢流口流入第一溢流面，當(dāng)硅料逐漸增加，熔融態(tài)的硅隨之逐漸增多，硅料以平緩的狀態(tài)向第二溢流面溢出；以及水平拉制硅片步驟，當(dāng)硅料即將到達(dá)冷熱區(qū)的邊界時，將籽晶板伸入腔體中，同時減緩加料的速率，使熔體以薄層形式緩慢向籽晶板流去，當(dāng)熔體與籽晶塊接觸時，反向拉動籽晶板，同時打開射流器和抽氣泵，通過石英抽氣管向外抽氣，石英冷卻管始終保持通氣狀態(tài)。

優(yōu)選為，所述熱區(qū)的平均溫度為1500～1600℃，所述冷區(qū)的平均溫度為800～1000℃。

附圖說明

圖1是硅片水平生長設(shè)備的功能框圖。

圖2是硅片水平生長設(shè)備的主視圖。

圖3是硅片水平生長設(shè)備的斜二軸測圖。

圖4是硅片水平生長設(shè)備的坩堝、導(dǎo)氣石墨件裝配圖的斜二軸測圖。

圖5是硅片水平生長設(shè)備的射流器裝配圖的斜二軸測圖。

圖6是硅片水平生長方法的流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語"上"、"下"、“底部”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“裝配”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

此外，本發(fā)明提供了各種特定的工藝和材料的例子，但是正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細(xì)節(jié)來實現(xiàn)本發(fā)明。除非在下文中特別指出，器件的各部分均可采用本領(lǐng)域公知的工藝和材料實現(xiàn)。

圖1是本發(fā)明硅片水平生長設(shè)備的功能框圖。以下結(jié)合圖1針對本發(fā)明的硅片水平生長設(shè)備的基本原理進行說明。如圖1所示，本發(fā)明的硅片水平生長設(shè)備的坩堝10具有熔料區(qū)1、溢流口2、第一溢流面3和第二溢流面4。這樣具有多段熔融區(qū)域和兩段溢流面的設(shè)計，保證了硅片厚度均勻和上下表面平整。腔體被隔熱擋板17分割為了熱區(qū)8和冷區(qū)9兩個溫度區(qū)域，在熱區(qū)8的坩堝10的上下方配置上加熱器11和下加熱器12，在冷區(qū)的坩堝10的第二溢流面4的上方設(shè)置有射流口35。采用這種上下輻射加熱、射流冷卻的方式實現(xiàn)了溫度場和流場的調(diào)控，從而控制硅片的厚度。此外，設(shè)置抽氣口40、41保證了由于射流而產(chǎn)生的大量氣體不會對腔體內(nèi)的壓強造成太大的影響。

圖2是本發(fā)明的硅片水平生長設(shè)備的主視圖，圖3是硅片水平生長設(shè)備的斜二軸測圖，圖4是硅片水平生長設(shè)備的坩堝、導(dǎo)氣石墨件裝配圖的斜二軸測圖。以下結(jié)合圖2～4針對本發(fā)明的硅片水平生長設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)進行詳細(xì)說明。如圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明的硅片水平生長設(shè)備包括鋁制外殼(圖中未示出)、外殼冷卻用水冷裝置(圖中未示出)、坩堝10、上加熱器11、下加熱器12、石墨加熱器導(dǎo)軌18,19,20,21、石墨電極22,23,24,25、石英抽氣管13、石英冷卻管14、射流器15、導(dǎo)氣石墨元件16、隔熱擋板17、入料石墨組件27以及保溫組件。其中，石墨電極22,23,24,25與外部工作電路相連接，通過特定的連接裝置與通入電流所用導(dǎo)線相連。保溫組件包括底部保溫件32、右內(nèi)側(cè)保溫件30和右外側(cè)保溫件29。保溫組件由隔熱石墨氈制成，用來隔絕熱場部分熱量從底部外殼和拉晶口向外散失。

如圖2所示，硅料從入料石墨組件27的入料口5進入，從硅片成型后出口37拉出。上加熱器11與下加熱器12由石墨加熱器導(dǎo)軌18,19,20,21支撐，兩個加熱器可以在導(dǎo)軌上進行移動。這種設(shè)計可以使上下兩個加熱器組成不同工藝所需要的熱場環(huán)境。此外，如圖2所示，也可以在石英抽氣管13的外部嵌套石英冷卻管14。石英冷卻管14在對腔體內(nèi)通入還原性氣體的同時，也對石英抽氣管13進行冷卻，從而保證在制備過程中石英管不會因為高溫導(dǎo)致變形。

如圖3所示，坩堝10被隔熱件支承，不與上加熱器11、下加熱器12直接接觸。但是為了保證加熱效率，加熱器應(yīng)與上加熱區(qū)、下加熱區(qū)邊界盡可能靠近，可以將該間距控制在1～5毫米的范圍。射流器15距第二溢流面4(即工作面)的高度通常大于7mm，以減小射流對表面平整度的影響。射流器的流速可調(diào)，通過不同的流速讓熱區(qū)8和冷區(qū)9之間形成不同的溫度梯度，可以在拉速一定的情況下，制備不同厚度的硅體。另外，射流器15被隔熱擋板17以及兩側(cè)隔熱部件半包裹，隔熱擋板17下端離第二溢流面4的距離為2～6mm，這樣設(shè)計可以在保證熔體順利流過的同時減少由于射流器15的強對流引起的流場變化影響到熱區(qū)8而導(dǎo)致熱區(qū)8的熱場不均勻。隔熱擋板17厚度在1～3cm之間，足夠的厚度保證熱區(qū)8和冷區(qū)9之間不會形成過大的溫度梯度。這樣的設(shè)計可以有效的提高熱區(qū)8的熱場穩(wěn)定性，從而更容易獲得外形平整的硅片。

進一步地，本發(fā)明的硅片水平生長設(shè)備還可以包括導(dǎo)熱石墨板26。如圖3所示，上加熱器11、下加熱器12都為蜿蜒型石墨加熱器，采用g430等靜壓石墨制成。由于加熱器為蜿蜒型，會造成輻射不均勻問題，所以在上加熱器11與坩堝10表面之間加入一塊高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱石墨板26，通過導(dǎo)熱石墨對熔體表面進行加熱，這樣可以有效的解決由于輻射不均勻而導(dǎo)致的熱場不均勻問題。

進一步地，本發(fā)明的硅片水平生長設(shè)備還包括承接坩堝28。如圖3所示，制備過程中由于上加熱器11、下加熱器12的存在，提供的熱量讓坩堝10處于“過熱”的狀態(tài)，在形成的硅片與第二溢流面4之間，會存在一層薄液膜，所以在坩堝邊緣31的下方放置承接坩堝28防止流出的溶液污染隔熱層。在坩堝邊緣31處，將邊緣加工出斜角，角度為20°～90°，這樣的設(shè)計可以使硅液流出時，在邊緣處形成穩(wěn)定的彎月面。

如圖4所示，導(dǎo)氣石墨件16裝配于坩堝10的底部。坩堝10包括熔料區(qū)1、溢流口2、第一溢流面3和第二溢流面4。導(dǎo)氣石墨件16設(shè)有石英抽氣管連接口33,34、導(dǎo)氣槽38,39和進氣口40,41。石英抽氣管連接口33,34連接石英抽氣管13。在熔料區(qū)1熔化后的硅料從溢流口2流出，經(jīng)過第一溢流面的緩沖，減弱由于入料導(dǎo)致的液面波動后，流入第二溢流面4與籽晶接觸后開始芯片的拉制過程。拉制過程中紅外測溫儀分別檢測熱區(qū)測溫點6和冷區(qū)測溫點7(如圖3所示)并對系統(tǒng)進行反饋。同時，從射流器15中射流的氣體通過進氣口40,41被吸入，經(jīng)由導(dǎo)氣槽38,39的引導(dǎo)從連接口33,34流出，在拉制過程中，石英抽氣管13持續(xù)向外抽氣，保證由于射流而產(chǎn)生的大量氣體不會對爐體內(nèi)的壓強造成太大的影響。此過程中，由于抽氣而形成的張力會讓導(dǎo)氣石墨件16和坩堝10的連接更加緊密，同時會讓第二溢流面4的熱場更加平順，這樣的設(shè)計可以讓硅片在拉制過程中以一種穩(wěn)定的狀態(tài)生長，從而形成表面形貌平整的硅片。

圖5是硅片水平生長設(shè)備的射流器裝配圖的斜二軸測圖。以下結(jié)合圖5對射流器的具體結(jié)構(gòu)進行說明。如圖5所示，射流器15包括一個氣體入射管151、一個射流管152、一個支撐管153以及兩個連接件154。射流器15整體材料均為等靜壓石墨。支撐管153的存在保證了射流器在大流量氣體射流過程中不會由于震動而造成損壞，可以有效提高射流器的壽命。射流冷卻所需的高溫氣體自氣體入射管151的射流氣體導(dǎo)入口36導(dǎo)入。射流器15的射流管152采用雙層結(jié)構(gòu)，外部為等靜壓石墨，內(nèi)部嵌套陶瓷管或者高密度石墨，采用嵌套的結(jié)構(gòu)防止由于射流氣體通過時所形成的大溫度梯度造成的熱應(yīng)力破壞石墨件結(jié)構(gòu)。射流口35可以采用排孔或者狹縫結(jié)構(gòu)，圖5所示的射流器15采用狹縫射流方式的射流口。采用這種射流口的設(shè)計方式，可以在保證換熱量的同時，不會使所拉制的硅片出現(xiàn)明顯的形貌缺陷。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還公開一種硅片水平生長方法。以下結(jié)合圖6進行具體說明。圖6是硅片水平生長方法的流程圖。首先，在熔融硅原料步驟s1中，先在溶料區(qū)1中填入粉末狀硅料，硅料加入量在100～180g之間；裝配完成后，由石英冷卻管14持續(xù)通入還原性氣體例如氦氣或者氬氣等，使?fàn)t內(nèi)處于還原性氣氛中；在通氣5～10min之后開啟石墨電阻加熱系統(tǒng)，熱場設(shè)定溫度設(shè)定為1500～1600℃，通過上加熱器11、下加熱器12對整體熱場以及硅原料進行加熱，為熱場提供足夠的熱量以使加入硅料快速熔化；當(dāng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度且硅料完全熔化后開始從入料口5緩慢加入新的硅料，使熔融態(tài)的硅料從溢流口2流入到第一溢流面3；隨著硅料的逐漸增加，熔融態(tài)的硅逐漸增多，硅料從斜坡向第二溢流面4溢出，此時的硅經(jīng)過第一個溢流面的緩沖，將會以一種相對平緩的狀態(tài)流入長晶區(qū)域。

接下來，在水平拉制硅片步驟s2中，由于在射流器15和加熱區(qū)域之間放置有隔熱擋板17，從而將整個熱場分為熱區(qū)8和冷區(qū)9，熱區(qū)8平均溫度為1500～1600℃，冷區(qū)9平均溫度為800～1000℃。當(dāng)硅料即將到達(dá)冷區(qū)(即熱區(qū)邊界)時，將籽晶板伸入爐體中(根據(jù)加料速度的不同，到達(dá)時間需要調(diào)整)，同時減緩加料的速率，保證熔體以薄層形式緩慢向籽晶流去；當(dāng)熔體與籽晶塊接觸時，反向拉動籽晶，同時打開射流器15，射流器15的流速例如設(shè)定為0～3m³/min，射流的氣體為600～1000℃的純凈惰性氣體或者兩種惰性氣體按比例的混合氣體，在開啟射流器15同時開啟抽氣泵，通過石英抽氣管13向外吸氣，以保證內(nèi)部壓強不會過大，氣體不會過多，石英冷卻管14始終保持通氣狀態(tài)，連續(xù)水平拉制硅片。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。