單晶爐內一種控氧生長的裝置的製作方法

2023-10-18 09:19:09 1

專利名稱：單晶爐內一種控氧生長的裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體分離技術領域，特別是涉及一種生產、分離單晶矽時的一種控 氧生長的裝置。
背景技術：
目前，我國半導體單晶矽棒(碇)的生產廠家在生產半導體矽材料時，大多採用單 晶爐直拉式來生產單晶矽棒(碇)的，這些單晶矽棒(碇)大多用於製造單晶矽太陽能電 池；科學研究發現P型(摻硼)單晶矽太陽能電池出現初始光致衰減現象與矽片中的硼氧 濃度有關，當光照或電流注入時將導致矽片中的硼和氧形成硼氧複合體，從而使少子壽命 降低，B+20-(光照或電流注入)BO2.根據有關文獻記載，矽片中的硼、氧含量越大，光照 或電流注入條件下產生的硼氧複合體越多，少數載流子壽命降低幅度就越大；而在低氧的 矽片中，少子壽命隨光照時間的衰減幅度極小，所以降低單晶矽中的氧含量，就可以減少太 陽能單晶矽電池功率的衰減，而對於傳統的半導體單晶矽棒(碇)的生產來說，控制單晶矽 棒(碇)中的氧含量一般來說是難以做到的。傳統生產是用單晶爐直拉式來生產單晶矽棒 (碇)的，在晶體生長過程中氧主要是由石英坩堝受熱產生，氧來源於熔解的石英坩堝，並 通過熔體熱對流不斷向晶體和熔體自由表面輸運而進入單晶晶體的拉伸生長整個過程中 的；氧的生成原理和輸運機理為高溫的熔體(1420°C )氧和石英坩堝反應，反應方程式如 下Si+Si02 — 2Si0生成的SiO進入到矽熔體中，在單晶的拉制過程中，晶轉和堝轉會對熔體的對流 產生很大影響，再加上熔體本身的熱對流，因此，進入矽熔體中的SiO會被輸送到熔體的表 面。此時大部分的Si0(99%)會在熔體表面揮發，然後被過程中加入的氬氣(Ar)帶走，剩 餘的SiO(1% )會在矽熔體中分解，如下所示SiO — Si+0分解後所產生的氧在隨後的生長拉伸過程中進入矽單晶，並在最後以間隙態存在 於矽晶體中，所以，為了使單晶矽太陽能電池的光電轉換率得到提高，降低光衰減率，就要 從生產過程著手來降低單晶矽棒(碇)拉伸過程中的氧含量而現有的單晶爐它存在著以 下缺陷加熱器的葉片高度太高，這樣使坩堝底部的熱源面積大，因此石英坩堝受熱就大， 石英坩堝底部的矽和氧的反應就劇烈，同時單晶爐內縱向溫度梯度大，熱對流強，氧含量、 氧濃度相對就高，另外冷卻導流裝置的導流機構不很理想，所以就不能快速把氧從矽液面 帶走，從而增加氧和單晶的接觸時間和機會，因此氧在單晶生長拉伸過程中進入矽單晶內 就增多。

發明內容
本發明的目的是要解決、改革現有單晶爐結構中存在的缺陷，提供單晶爐內的一 種控氧生長的裝置。這種裝置它能有效的降低單晶生長拉伸過程中進入矽單晶內氧的含
3量。本發明提出的目的是這樣實現的在設計改造該爐內結構時，我們針對原來爐內 結構上存在的坩堝底部的熱源面積較大，即石英坩堝底部受熱較多，促使石英坩堝底部的 矽和氧的反應很劇烈，所以在生產過程中產生的氧就較多的缺陷；採取把原加熱器葉片其 底部，即在下保溫筒的這部分加熱器葉片減短了、在上蓋板上新增加了一個加密式導流筒、 把用作下保溫筒保溫的保溫層碳氈增加了層數。加熱器葉片其底部，即在下保溫筒的這部分加熱器葉片減短了 100mm，也就是把 加熱器除去了圍繞堝底部一圈的葉片使之減短了 100mm;除此以外，其加熱器葉片的結構、 材質、安裝、連接方法都和原來的一樣；在上蓋板上再增加一個加密式導流筒，這加密式導 流筒就是兩頭通的石墨園筒子，它擱置在上蓋板上，位於爐蓋和上蓋板之間，與爐蓋、上蓋 板活動連接；再就是提高了下保溫筒的保溫效果，把用作下保溫筒保溫的保溫層碳氈層數 增加到10-12層，其安裝方法與原來一樣，加強了下保溫筒的保溫效果；改革後的導流裝置 能加速冷卻速度，降低了縱向溫度梯度，減小熱對流，這樣可從晶體和熔體界面帶走更多的 氧，從而降低了氧含量，使熔/堝邊界層厚度增大，氧含量亦會下降，來減少產生的硼氧復 合體，從而提高了單晶矽太陽能電池的光電轉換率；同時，在具體操作時把拉晶功率控制到 45KW以下；雖然它們看起來是獨立的部件，但具有較強的耦合作用，從而達到發明的目的。本發明由於改進了單晶爐中的加熱器、增加一個加密式導流筒、加強了下保溫筒 的保溫效果，這樣能有效的減少生產過程中氧的產生、滯留；該裝置結構簡單、造價低廉、安 裝方便、使用操作與原來一樣方便、能有效控制氧的生成、輸送及減少了氧進入單晶的過程 和數量等優點。


本發明的具體結構由以下的實施例及其附圖給出。圖1是根據本發明提出的單晶爐內一種控氧生長的裝置其結構的正視剖視示意 圖。下面結合圖1，詳細說明依據本發明提出的具體裝置的結構細節及工作情況。圖1中1、爐頸；2、爐蓋；3、氬氣吹入方向；4、加密式導流筒；5、快速冷卻導流筒； 6、上蓋板[石墨保溫蓋]；7、上保溫筒；8、上保溫罩；9、中保溫罩；10、石英坩堝；11、石墨坩 堝；12、中保溫筒；13、加熱器；14、爐內間隙；15、加熱器連接石墨電極的腳；16、下保溫筒； 17、下保溫罩；18、石墨電極；19、爐筒；20、爐抽氣孔；21、氣流方向；22、爐腔；23、堝轉軸； 24、石墨託碗。
具體實施例方式如圖1所示，本發明提供的直拉法生長矽單晶控氧生長裝置的操作步驟主要包 括熱場安裝、裝料、加熱、拉晶、冷卻等；熱場安裝安裝爐內的各部件(均為石墨件)，要 從下往上安裝(就是先拆的石墨件後裝，後拆的石墨件先裝)；關鍵是在裝加熱器(13)時， 電極和電極螺絲一定要擰緊，確保加熱器(13)無晃動，各部件安裝要儘量對中，加強下保 溫筒(16)的保溫效果，碳氈層數增加到10-12層，中保溫筒(12)、上保溫筒(7)，上的碳氈 層數為6-8層，把保溫罩裝好後，安裝上蓋板[石墨保溫蓋](6)，使上蓋板[石墨保溫蓋](6)和石墨託碗(24)對中，各熱場部件儘量保持在一個同心圓的狀態。具體安裝順序如下 石墨件安裝前用吸塵器再吸一遍；加熱器(13)通過加熱器連接石墨電極的腳(15)和石墨 電極(18)用石墨螺絲緊固相接後擰緊到金屬電極螺絲上確保加熱器(13)無晃動；放入準 備好的碳氈，一般為6層，然後蓋上上蓋板[石墨保溫蓋](6)；依次放下保溫罩(17)，中保 溫罩(9)和上保溫罩(8)等三個保溫罩，注意放的時候不要碰到加熱器(13)；安裝堝轉軸
(23)並用金屬螺絲緊固，從控制柜上打開堝轉電源，看轉動有無異常，接著裝上石墨託碗
(24)和石墨坩堝(11)；然後，用酒精擦拭爐筒密封圈並蓋上爐筒(19)。裝料，更換裝料用 的手套和裝料服；裝石英坩堝(10)，先把石英坩堝(10)對著光檢查有無異常，然後用酒精 擦拭石英坩堝(10)內壁並放入石墨坩堝(11)內；在石英坩堝(10)底部放入矽小料使之鋪 上一小層，放入母合金，再用小料蓋上，再放入大小不一的矽料，大料放中間，中型料放在大 料四周，撒上小塊矽料使其進入縫隙中，如此反覆，裝料50-55kg;裝料完成後將堝轉給定 到2rpm，確認有無磨擦碰撞，並將堝位快速降至0. 5英寸處；堝位降到位後停堝轉，裝好上 蓋板[石墨保溫蓋](6)，快速冷卻導流筒(5)，再放上加密式導流筒(4)；檢查上蓋板[石墨 保溫蓋](6)，快速冷卻導流筒(5)和加密式導流筒⑷的密封性，不可以出現較大縫隙；合 上爐蓋(2)；接著檢查爐體真空狀況打開真空泵電源，1分鐘後打開抽氣閥；抽氣到IOpa 左右再打開氬氣吹氣2分鐘，如此反覆進行三次；待爐內真空抽至5pa以下後，關閉抽氣閥， 檢查爐體漏率，小於0. 67pa/3min方為合格。加熱熔料打開抽氣閥和氬氣流量開關；在控 制柜上打開加熱開關；根據下表逐步增加電壓 熔料時，[堝位要比加熱器改革前高些]應先把堝位放到+0. 5英寸至+1. 0英寸 之間，根據熔料情況逐步下降堝位。料化到三分之一時，見明顯蹋下以後，把堝位降至0位。 但不能再低於O位。降溫穩定料化完後打開堝轉晶轉電源，給定堝轉2轉晶轉8轉，維持 高溫半小時；分三次將功率降至[上次引晶功率]45kw，穩定維持1個小時；單晶拉制引 晶，等液面溫度不波動時，緩慢下降上軸，使籽晶剛剛接觸到液面。如發現溫度偏高或偏低， 應即時調整功率。如溫度在1416度時，等光圈包圓後，打開晶升電源開關，緩慢提拉籽晶， 當拉出的細頸出現四條稜(晶體)，說明引晶成功，否則應重新熔接籽晶；縮頸，用籽 晶引出單晶後，開始縮細頸，縮細頸是為了排除引出單晶中的位錯。細頸的直徑一般控制在 3-5mm,細頸的長度約為細頸直徑的6_8倍。縮細頸的拉速可快可慢，一般為3-6mm/min 』放 肩，縮細頸完成後，拉速降至0. 4mm/min左右，並且適當降溫，使晶體長粗。放肩的角度一般 控制為150度左右。轉肩，等放肩的直徑長大到目標直徑的75-80%時，緩慢提高拉速，若發 現晶體生長過快或提拉速超過0. 6mm/min時要適當升溫，開始轉肩，使晶體平滑地達到目 標直徑。轉肩快完成時，逐漸地把拉速調整到拉制等徑的拉速，打開堝升電源，並且給上坩 堝隨動。等徑，轉肩後在晶體直徑合適時，調整直徑控制的鏡頭，壓好光圈約1/3，投入自動 控制拉制單晶，同時控制爐室壓力，晶體的拉速，氬氣流速和晶轉、堝轉，給定適當的堝比， 使堝位保持在快速導流筒(4)下沿與液面之間的距離保持在10-20mm。根據改革後的加熱器(13)的加溫特點，溫校補償要稍大些。收尾，當石英坩堝⑶中熔矽剩料彡10%時，開始 收尾。退出直徑控制，逐漸升溫，必要時也可適當提高一些拉速，使晶體收細，收尾一半時， 可停止坩堝隨動，尾部最好收成圓錐形。收尾完後，提升晶體或降低堝位，使晶體脫開液面 30-40毫米，防止石英坩堝中熔矽結晶膨脹碰著晶體。停爐，晶體拉完並脫離開液面後，停止 坩堝旋轉，關閉上軸提拉，把上軸轉速調慢直至為零，拉速給定2mm/min退出溫度自控，一 定要使用保溫工藝，先降功率到25kw保持15分鐘，共半小時內功率降至0，關閉加熱電源， 這期間還要合理降堝位，堝底料液面結晶後5分鐘內降堝位20mm，切勿降得過低。停止加熱 一小時後關閉氬氣，待真空抽到極限，先關閉抽空管道閥門，再停真空泵；停止加熱4. 5-5 小時以後可拆爐取晶體。
權利要求
單晶爐內一種控氧生長的裝置，其特徵是該控氧生長的裝置是把原加熱器葉片其底部，即在下保溫筒的這部分加熱器葉片減短了，在上蓋板上新增加了一個加密式導流筒，把用作下保溫筒保溫的保溫層碳氈增加了層數。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵是所說的加熱器葉片減短了100mm，其加熱器葉 片的結構、材質、安裝、連接方法都和原來一樣；所說的加密式導流筒就是兩頭通的石墨園 筒子，它擱置在上蓋板上，位於爐蓋和上蓋板之間，與爐蓋、上蓋板活動連接；所說的用作下 保溫筒保溫的保溫層碳氈層數增加到10-12層，其安裝方法與原來一樣。
全文摘要
本發明屬於半導體分離技術領域，特別是涉及一種生產、分離單晶矽時的一種控氧生長的裝置。該裝置是在單晶爐中對加熱器、導流筒、下保溫系統作改革；降低了加熱器的葉片高度，使坩堝底部的熱源面積減少，使石英坩堝底部受熱少，在生產過程中產生的氧比較少；對密封導流系統進行了改革，在上蓋板上再增加一個加密式導流筒，新的導流裝置能加速冷卻速度，對爐內下保溫系統進行改革，加強了下保溫筒的保溫效果，可從晶體和熔體界面，帶走更多的氧，降低氧含量，減少產生的硼氧複合體，本發明能有效的減少生產過程中氧的產生、滯留，它結構簡單、造價低廉、安裝、使用操作方便、能有效控制氧的生成、輸送，減少了氧進入單晶的過程和數量。
文檔編號C30B29/06GK101922040SQ200910099710
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月10日 優先權日2009年6月10日
發明者江國慶 申請人:江國慶