專利名稱：薄形硅晶片的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體生長(zhǎng)特別是一種薄形硅晶片的制備方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)晶體生長(zhǎng)工藝生長(zhǎng)出的硅晶體呈棒狀，通過(guò)鑄錠工藝生長(zhǎng)出的多晶硅晶體通常呈塊狀，這種形狀和尺寸的原料需要經(jīng)過(guò)切割、打磨和清洗等工藝后，加工為棒狀、塊狀或片狀才能加以應(yīng)用。在加工工序中，材料碎裂時(shí)有發(fā)生，切割時(shí)的材料損耗，即鋸末，不可避免，通過(guò)大量提純和生長(zhǎng)工藝獲得的高純硅晶體進(jìn)入使用仍然至少需要損耗刀口厚度。煤和石油等化石能源的不可再生性使得其稀缺性不斷增加，隨之而來(lái)的是傳統(tǒng)能源價(jià)格不斷提高。人類社會(huì)的發(fā)展和運(yùn)行以大量的能源消耗為基礎(chǔ)，因此發(fā)展基于傳統(tǒng)能源的高碳經(jīng)濟(jì)的成本將不斷提高。歷次石油價(jià)格大幅波動(dòng)均帶來(lái)全球經(jīng)濟(jì)的大幅震蕩，不利于人類社會(huì)的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。世界范圍內(nèi)分布最為廣泛、可利用量最大的清潔能源是太陽(yáng)能。硅基光伏產(chǎn)品目前占據(jù)主要市場(chǎng)份額，化合物半導(dǎo)體光伏技術(shù)以及其他光伏技術(shù)也有一定發(fā)展?jié)摿?。主流光伏技術(shù)的基礎(chǔ)主要是各種半導(dǎo)體材料，主要包括高純硅片和高純砷化鎵晶片等。光伏發(fā)電代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源的主要阻力來(lái)自其較高的發(fā)電成本，技術(shù)進(jìn)步和傳統(tǒng)能源價(jià)格提升將逐步縮小光伏發(fā)電與化石能源發(fā)電之間的成本差異，并推進(jìn)新能源的利用。降低光伏發(fā)電成本的重要途徑之一是盡量減少高純?cè)系臒o(wú)效消耗及原材料轉(zhuǎn)化為光伏器件過(guò)程中的能耗， 但目前主流的材料轉(zhuǎn)化工序(原材料一單晶棒/多晶錠一晶片)存在如上文所述的難以逾越的材料消耗極限，且加工過(guò)程中的能源利用效率也不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種薄形硅晶片的制備方法，該方法從晶體生長(zhǎng)過(guò)程就控制硅晶體形狀和尺寸，以盡量減少晶體利用加工時(shí)的物料浪費(fèi)和能耗。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種薄形硅晶片的制備方法，特點(diǎn)在于包括以下步驟①制備籽晶按照所需生長(zhǎng)薄形硅晶片橫斷面的形狀并按晶體生長(zhǎng)的取向?qū)⒐鑶尉w或多晶硅錠加工成具有所需生長(zhǎng)薄形硅晶片橫截面的形狀的籽晶；②安裝籽晶將所述的籽晶按晶體生長(zhǎng)方向朝下固定在生長(zhǎng)裝置的籽晶架上；③配料將高純多晶硅粉料或塊料以及達(dá)到所需電阻率對(duì)應(yīng)濃度的摻雜元素的高純?cè)现糜谑③釄逯?，再將該石英坩堝置于所述的生長(zhǎng)裝置的密閉容器的石墨發(fā)熱體中；④化料將所述的密閉容器內(nèi)抽真空，真空度范圍為10_8 10_3乇，將氬氣充入密閉容器至0. 5 3個(gè)大氣壓，起保護(hù)作用，所述的石墨發(fā)熱體通電加熱，將所述的石英坩堝內(nèi)的溫度升至石英坩堝內(nèi)原料的熔點(diǎn)以上，并保持0. 2 2個(gè)小時(shí)，使原料充分融化，形成熔體；
⑤生長(zhǎng)晶體調(diào)整生長(zhǎng)裝置中的溫場(chǎng)，達(dá)到所述的硅晶體的生長(zhǎng)溫度，通過(guò)籽晶架的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將所述的籽晶下降，使部分籽晶浸入所述的熔體中，同時(shí)調(diào)整籽晶的提拉速度， 采用直拉法從熔體中生長(zhǎng)出的帶狀的單晶或多晶硅晶體，該單晶或多晶硅晶體的橫截面形狀與所述的籽晶橫截面的形狀相似；⑥對(duì)所述的帶狀的硅晶體進(jìn)行加工，得到所需要的薄形硅晶片。所述的籽晶形狀為片狀、棒狀、瓦片狀或筒狀。所述的籽晶架具有一個(gè)以上的籽晶夾，每個(gè)籽晶夾夾設(shè)一塊籽晶。所述的籽晶架上的籽晶夾的排列方法包括橫向排列、縱向排列或縱橫組合排列。本發(fā)明的技術(shù)效果1、采用本發(fā)明中的方法，能夠控制所生長(zhǎng)出的硅單晶或多晶硅晶體的形狀和尺寸，得到晶體硅片，可以減少材料轉(zhuǎn)化過(guò)程中的能耗。2、可選用適當(dāng)工藝參數(shù)，降低硅片厚度，調(diào)整硅片形狀，使得生長(zhǎng)出的晶體只需要經(jīng)過(guò)少量加工即可用于半導(dǎo)體產(chǎn)品生產(chǎn)加工，避免了將單晶棒滾磨為圓柱體、再將其切割為四方晶體柱、最后將其切割為硅片或?qū)⒍嗑Ч桢V多次切割為硅片等傳統(tǒng)加工工序，減少了傳統(tǒng)工藝中的大量高純?cè)蠐p耗以及相應(yīng)過(guò)程中的能耗。


圖1為本發(fā)明實(shí)例中所用薄片狀籽晶的示意2為本發(fā)明實(shí)例中瓦片狀籽晶的示意3為本發(fā)明實(shí)例中圓形石英坩堝生長(zhǎng)裝置的部分示意4為本發(fā)明實(shí)例中方形石英坩堝生長(zhǎng)裝置的部分示意中1-薄片籽晶厚度；2—薄片籽晶高度；3-薄片籽晶寬度；4-瓦片形籽晶厚度；5-瓦片形籽晶高度；6-瓦片形籽晶寬度；7-瓦片形籽晶的曲率半徑；8-密閉容器；9-籽晶架； 10"籽晶；11-帶狀晶體；12-帶狀晶體厚度；13-帶狀晶體高度；14-帶狀晶體寬度；15-石墨發(fā)熱體；16-熔體；17-石英坩堝；18-縱向籽晶排列；19-橫向籽晶排列。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。用于本發(fā)明薄形硅晶片的制備的籽晶可以具有多種形狀，包括且不局限于片狀、 棒狀、瓦片狀或筒狀，圖1為本發(fā)明實(shí)例中所用薄片狀籽晶的示意圖，圖2為本發(fā)明實(shí)例中瓦片狀籽晶的示意圖，用于本發(fā)明薄形硅晶片的制備的石英坩堝也可為多種形狀，包括圓形坩堝和長(zhǎng)方形坩堝，如圖3圖4所示。圖中省略了晶體生長(zhǎng)常用的提拉裝置、真空裝置、保溫裝置以及電路控制裝置，所生長(zhǎng)晶體的厚度、高度和寬度的維度定義如圖所示。圖4省略了晶體生長(zhǎng)常用的提拉裝置、真空裝置、保溫裝置以及電路控制裝置，所生長(zhǎng)晶體的厚度、 高度和寬度的維度定義如圖所示，多個(gè)籽晶的橫向及縱向排列定義如圖所示。本發(fā)明薄形硅晶片的制備方法，包括以下步驟①制備籽晶按照所需生長(zhǎng)薄形硅晶片橫斷面的形狀并按晶體生長(zhǎng)的取向?qū)⒐鑶尉w或多晶硅錠加工成具有所需生長(zhǎng)薄形硅晶片橫截面的形狀的籽晶10 ；②將所述的籽晶10按晶體生長(zhǎng)方向朝下固定在生長(zhǎng)裝置的籽晶架9上；③將高純多晶硅粉料或塊料以及達(dá)到所需電阻率對(duì)應(yīng)濃度的摻雜元素的高純?cè)现糜谑③釄?7中，再將該石英坩堝置于所述的生長(zhǎng)裝置的密閉容器8的石墨發(fā)熱體15 中；④將所述的密閉容器8內(nèi)抽真空，真空度范圍為10_8 10_3乇，將氬氣充入密閉容器至0. 5 3個(gè)大氣壓，起保護(hù)作用，所述的石墨發(fā)熱體15通電加熱，將所述的石英坩堝17 內(nèi)的溫度升至石英坩堝內(nèi)原料的熔點(diǎn)以上，并保持0. 2 2個(gè)小時(shí)，使原料充分融化，形成熔體16 ；⑤調(diào)整生長(zhǎng)裝置中的溫場(chǎng)，達(dá)到所述的硅晶體的生長(zhǎng)溫度，通過(guò)籽晶架9的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將所述的籽晶10下降，使部分籽晶浸入熔體16中，同時(shí)調(diào)整籽晶的提拉速度，采用直拉法從熔體中生長(zhǎng)出的帶狀的單晶或多晶硅晶體11，該單晶或多晶硅晶體的橫截面形狀與所述的籽晶橫截面的形狀相似；⑥對(duì)所述的帶狀硅晶體進(jìn)行加工，得到所需要的薄形硅晶片。下面是幾個(gè)具體實(shí)施例實(shí)施例1將單晶硅片切割為寬120毫米、高30毫米、厚200微米的硅薄片，將其固定在不銹鋼籽晶架9中，將純度為99. 9999%的多晶硅粉料置入直徑為200毫米的石英坩堝17內(nèi)， 將石英坩堝置入生長(zhǎng)裝置中的石墨發(fā)熱體15中，先用真空泵將密閉容器8內(nèi)抽真空達(dá)10_8 乇，再向生長(zhǎng)裝置中逐漸通入氬氣至0.2個(gè)大氣壓，開(kāi)啟并逐步加大通過(guò)裝置內(nèi)石墨發(fā)熱體的電流，將石英坩堝17內(nèi)溫度升高至1430攝氏度，并在該溫度保持0.2小時(shí)，待多晶硅粉料充分熔化后，將熔體溫度降低至1414攝氏度，通過(guò)籽晶架9的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將所述的籽晶 10下降，將硅薄片籽晶10的寬邊3接觸并浸入熔體中5毫米，保持溫場(chǎng)穩(wěn)定，開(kāi)始以5毫米/分鐘的速度將籽晶10向上提拉，之后在0. 8小時(shí)內(nèi)線性提高提拉速度至15毫米/分鐘，隨后保持該速度提拉1小時(shí)，得到厚120微米、寬119毫米、高90厘米的平整的帶狀晶體硅。實(shí)施例2將單晶硅棒加工為寬100毫米、高30毫米、弧形內(nèi)半徑為100毫米、厚300微米的弧形硅片作籽晶10，將其固定在不銹鋼籽晶架9上，將純度為99. 999%的多晶硅粉料置入長(zhǎng)200毫米、寬300毫米的方形石英坩堝17內(nèi)，將石英坩堝置入生長(zhǎng)裝置中，先用真空泵將密閉容器8內(nèi)抽置10_3乇，再向生長(zhǎng)裝置中逐漸通入氬氣至3個(gè)大氣壓，開(kāi)啟并逐步加大通過(guò)裝置內(nèi)石墨發(fā)熱體15的電流，將石英坩堝內(nèi)溫度線性升高至1430攝氏度，并在該溫度保持2小時(shí)，待多晶硅粉料充分熔化后，將熔體溫度降低至1408攝氏度，通過(guò)籽晶架9的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將所述的籽晶10下降，將弧形硅片籽晶的寬邊接觸熔體16，保持溫場(chǎng)穩(wěn)定，開(kāi)始以4毫米/分鐘的速度將籽晶10向上提拉，之后在1. 5小時(shí)內(nèi)線性提高提拉速度至10毫米/分鐘，隨后保持該速度提拉0. 5小時(shí)，得到厚度為150微米、寬99毫米、高30厘米的弧形帶狀硅晶體。實(shí)施例3將單晶硅片切割為長(zhǎng)200毫米、寬40毫米、厚180微米的硅薄片籽晶10，將該籽晶10固定在不銹鋼籽晶架9中，將純度為99. 99999%的多晶硅粉料以及濃度達(dá)3X102°個(gè)原子/立方厘米所對(duì)應(yīng)量的純度為99. 9999%的硼粉料(硼摻雜得P型硅晶體，對(duì)應(yīng)電阻率為0. 0005歐姆 厘米)置入直徑為300毫米的石英坩堝17內(nèi)，將石英坩堝置入生長(zhǎng)裝置中，先用真空泵將密閉容器8內(nèi)抽置10_7乇，再向生長(zhǎng)裝置中逐漸通入氬氣至1. 1個(gè)大氣壓，開(kāi)啟并逐步加大通過(guò)裝置內(nèi)石墨發(fā)熱體的電流，將石英坩堝內(nèi)溫度線性升高至1450攝氏度，并在該溫度保持1. 5小時(shí)，待石英坩堝內(nèi)原料充分熔化和混合均勻后，將熔體溫度降低至1410攝氏度，通過(guò)籽晶架9的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將所述的籽晶10下降，將硅薄片籽晶的長(zhǎng)邊接觸并浸入熔體中4毫米，保持溫場(chǎng)穩(wěn)定，開(kāi)始以6毫米每分鐘的速度將籽晶向上提拉，之后在1小時(shí)內(nèi)線性提高提拉速度至16毫米每分鐘，隨后保持該速度提拉0. 8小時(shí)，得到厚度為100微米、寬199毫米、高76. 8厘米的平整晶體硅帶。實(shí)施例4將單晶硅片切割為長(zhǎng)200毫米、寬60毫米、厚200微米的硅薄片，將6個(gè)硅薄片固定在不銹鋼籽晶架的6個(gè)籽晶夾中(參見(jiàn)圖4)，并組成3縱向X2橫向陣列，將純度為 99. 99999%的多晶硅粉料置入尺寸為長(zhǎng)500毫米、寬400、深400毫米的長(zhǎng)方形的石英坩堝 17內(nèi)，將石英坩堝置入石墨發(fā)熱體15環(huán)繞中，先用真空泵將密閉容器內(nèi)抽置10_6乇，再向生長(zhǎng)裝置中逐漸通入氬氣至1.5個(gè)大氣壓，開(kāi)啟并逐步加大通過(guò)裝置內(nèi)石墨發(fā)熱體的電流， 將石英坩堝內(nèi)溫度線性升高至1440攝氏度，并在該溫度保持1小時(shí)，待多晶硅粉料充分熔化后，將熔體溫度降低至1405攝氏度，通過(guò)籽晶架9的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將所述的籽晶10下降，將硅薄片籽晶的長(zhǎng)邊接觸并浸入熔體中5毫米，保持溫場(chǎng)穩(wěn)定，開(kāi)始以4毫米每分鐘的速度將籽晶向上提拉，之后在0. 7小時(shí)內(nèi)線性提高提拉速度至12毫米每分鐘，隨后保持該速度提拉1. 5小時(shí)，得到厚度為180微米、寬199毫米、高108厘米的平整帶狀晶體硅。實(shí)施例5將單晶硅片切割為長(zhǎng)160毫米、寬60毫米、厚220微米的硅薄片，將6個(gè)硅薄片固定在不銹鋼籽晶架9的6個(gè)籽晶夾中，并組成3縱向X2橫向陣列(如附圖4所示)，將純度為99. 99999%的多晶硅粉料以及濃度達(dá)2. 8 X IO19個(gè)原子/立方厘米所對(duì)應(yīng)量的純度為 99. 9999%的磷粉料(磷摻雜得N型硅晶體，對(duì)應(yīng)電阻率為0.0025歐姆 厘米)置入尺寸為長(zhǎng)700毫米、寬450毫米、深300毫米的石英坩堝17內(nèi)，將石英坩堝置入石墨發(fā)熱體15 環(huán)繞中，先用真空泵將密閉容器8內(nèi)抽置10_7乇，再向生長(zhǎng)裝置中逐漸通入氬氣至1. 3個(gè)大氣壓，開(kāi)啟并逐步加大通過(guò)裝置內(nèi)石墨發(fā)熱體的電流，將石英坩堝內(nèi)溫度線性升高至1470 攝氏度，并在該溫度保持2小時(shí)，待石英坩堝內(nèi)原料充分熔化和混合均勻后，將熔體溫度降低至1405攝氏度，通過(guò)籽晶架9的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將所述的籽晶10下降，將硅薄片籽晶的長(zhǎng)邊接觸并浸入熔體中5毫米，保持溫場(chǎng)穩(wěn)定，開(kāi)始以6毫米每分鐘的速度將籽晶向上提拉，之后在0. 4小時(shí)內(nèi)線性提高提拉速度至17毫米每分鐘，隨后保持該速度提拉1. 2小時(shí)，得到厚度為100微米、寬199毫米、高122厘米的平整晶體硅帶。
權(quán)利要求
1.一種薄形硅晶片的制備方法，特征在于包括以下步驟①制備籽晶按照所需生長(zhǎng)薄形硅晶片橫斷面的形狀并按晶體生長(zhǎng)的取向?qū)⒐鑶尉w或多晶硅錠加工成具有所需生長(zhǎng)薄形硅晶片橫截面的形狀的籽晶；②安裝籽晶將所述的籽晶按晶體生長(zhǎng)方向朝下固定在生長(zhǎng)裝置的籽晶架上；③配料將高純多晶硅粉料或塊料以及達(dá)到所需電阻率對(duì)應(yīng)濃度的摻雜元素的高純?cè)现糜谑③釄逯?，再將該石英坩堝置于所述的生長(zhǎng)裝置的密閉容器的石墨發(fā)熱體中；④化料將所述的密閉容器內(nèi)抽真空，真空度范圍為10_8 10_3乇，將氬氣充入密閉容器至0. 5 3個(gè)大氣壓，起保護(hù)作用，所述的石墨發(fā)熱體通電加熱，將所述的石英坩堝內(nèi)的溫度升至石英坩堝內(nèi)原料的熔點(diǎn)以上，并保持0. 2 2個(gè)小時(shí)，使原料充分融化，形成熔體；⑤生長(zhǎng)晶體調(diào)整生長(zhǎng)裝置中的溫場(chǎng)，達(dá)到所述的硅晶體的生長(zhǎng)溫度，通過(guò)籽晶架的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將所述的籽晶下降，使部分籽晶浸入所述的熔體中，同時(shí)調(diào)整籽晶的提拉速度，采用直拉法從熔體中生長(zhǎng)出的帶狀的單晶或多晶硅晶體，該單晶或多晶硅晶體的橫截面形狀與所述的籽晶橫截面的形狀相似；⑥對(duì)所述的帶狀的硅晶體進(jìn)行加工，得到所需要的薄形硅晶片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的籽晶形狀為片狀、棒狀、瓦片狀或筒狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的籽晶架具有一個(gè)以上的籽晶夾，每個(gè)籽晶夾夾設(shè)一塊籽晶。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述的籽晶架上的籽晶夾的排列方法包括橫向排列、縱向排列或縱橫組合排列。
全文摘要
一種薄形硅晶片的制備方法，包括①制備籽晶、②安裝籽晶、③配料、④化料、⑤生長(zhǎng)晶體和⑥對(duì)所述的帶狀的硅晶體進(jìn)行少量加工等步驟，即可獲得所需要的薄形硅晶片。本發(fā)明從晶體生長(zhǎng)過(guò)程就控制硅晶體形狀和尺寸，減少了晶體加工時(shí)的物料浪費(fèi)和能耗。
文檔編號(hào)C30B15/36GK102234840SQ20101016938
公開(kāi)日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者姚罡, 徐軍, 李紅軍 申請(qǐng)人:姚罡, 徐軍, 李紅軍