一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置和工艺方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及单晶硅制备技术领域，具体地说，涉及一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置和工艺方法。包括炉室、承载硅溶体的石英内坩埚、承载石英内坩埚的支撑外坩埚、坩埚加热器、隔热装置、单晶硅提拉装置、坩埚升降装置及真空和惰性气体保证系统。本发明专利技术设计的装置可以采用直拉法直接拉制出准矩形截面的单晶硅棒，具有节能、生产效率高、有害杂质和氧污染低的优点；其工艺方法流程简单、操作方便、简化，可以快速、准确地拉制高质量的准矩形单晶硅棒，有助于降低光伏电池成本、提高光伏电池光电转换效率。光电转换效率。光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置和工艺方法


[0001]本专利技术涉及单晶硅制备
，具体地说，涉及一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置和工艺方法。

技术介绍

[0002]用于制作光伏电池的单晶硅片基本是矩形或准矩形的，现有技术中一般采用先拉制圆柱状单晶硅棒，再将圆柱状单晶硅棒加工成矩形或准矩形的单晶硅棒，然后切制矩形单晶硅片的工艺方法。该直拉(CZ)法是一种应用了几十年的成熟的生长硅单晶的技术方法，因为其可以生长大尺寸高质量单晶硅，非常有利于降低生产制造成本，因此在光伏制造领域，几乎是唯一的高质量单晶硅材料的制备方法。
[0003]现有直拉法制备单晶硅的单晶炉中，其石英内坩埚和起支撑、均热作用的石墨外坩埚的横截面都是圆形的，圆形的坩埚应力比较均匀、比较节省材料、还可以通过控制晶体和坩埚的旋转方向和转数，可以使得晶体生长前沿温度更均衡、温度梯度更对称。
[0004]然而，现有的直拉法制备单晶硅的设备和工艺只能拉制横截面为准圆形的单晶硅棒，将圆形的单晶硅棒加工成矩形的单晶硅棒会切除掉较多的边皮。
[0005]虽然这些边皮可以作为原料重新熔融回炉，但势必提高了过程的能源消耗，降低了设备利用率和生产效率；
[0006]多次回融增加了对多晶硅原料的污染；
[0007]大直径单晶硅晶体径向热传导路径长、热阻大，散热条件差，因晶体径向内外温差大导致晶体内部热应力大；
[0008]同时热阻大，散热条件差，使的晶体轴向温度梯度较小，限制了拉晶速度；
[0009]另外坩埚和晶体的旋转会使更多氧原子进入石英坩埚中的晶体，导致晶体含氧量高。
[0010]目前还没有以直拉法直接拉制准矩形柱状单晶硅棒的装置，也没有相应可解决上述问题的工艺方法。鉴于此，我们提出了一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置和工艺方法。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的在于提供一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置和工艺方法，以解决上述
技术介绍
中存在的问题。
[0012]为实现上述技术问题的解决，本专利技术的目的之一在于，提供了
[0013]一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置，其特征在于：包括从内至外依次设置内腔具有准矩形横截面的石英内坩埚和承载石英内坩埚的支撑外坩埚，所述支撑外坩埚外侧设有坩埚加热器，所述坩埚加热器沿支撑外坩埚周边布置、对称分布，安装在加热器底盘上，所述坩埚加热器外侧设有隔热装置，所述石英内坩埚的正上方设有单晶硅提拉装置，所述单晶硅提拉装置从所述石英内坩埚提拉出准矩形柱体单晶硅棒，所述支撑外坩埚底端
设有坩埚升降装置，所述石英内坩埚、所述支撑外坩埚、所述坩埚加热器及所述隔热装置均安装于炉室内，所述石英内坩埚的上方处规则布设有至少两个结晶前沿位置光学探测器。
[0014]作为优选，所述加热器底盘的下部或炉室的上方还配套设有x0y平面位移/旋角控制器该装置包括但不限于两种结构，具体为：第一种结构，所述x0y平面位移/旋角控制器位于设备机架与所述加热器底盘之间，既可以在炉室内，也可以部分在炉室内，部分在炉室外；第二种结构，所述x0y平面位移/旋角控制器位于设备机架与所述单晶硅提拉装置之间，既可以位于炉室内，也可以位于炉室外；既可以处于所述单晶硅提拉装置的下端，也可以处于所述单晶硅提拉装置的上端，此为第一种设置。
[0015]作为优选，所述x0y平面位移/旋角控制器包含有位移控制器，借助于位移控制器，在拉晶过程中，根据需要可在水平面x0y内调节所提拉准矩形柱体单晶硅棒重心垂直线与所述坩埚加热器横截面几何中心的相对位置。
[0016]作为优选，所述x0y平面位移/旋角控制器还包含有旋角控制器，借助于旋角控制器，在拉晶过程中，根据需要可在水平面x0y内调节所提拉准矩形柱体单晶硅棒横截面对角线与所述坩埚加热器横截面特定直线的相对夹角。
[0017]作为优选，所述x0y平面位移/旋角控制器中的平移控制器和旋角控制器既可以组合在一起，也可以单独设置，且可以安装在不同部位。
[0018]作为替代，一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置，还包括第二种设置：其包括从内至外依次设置内腔具有准矩形横截面的石英内坩埚和内腔具有准矩形横截面的支撑外坩埚，所述支撑外坩埚外侧设有坩埚加热器，所述坩埚加热器设有若干纵向分区，若干纵向分区坩埚加热器沿所述支撑外坩埚周边布置且对称分布，安装在所述加热器底盘上，此为第二种设置，所述坩埚加热器外侧和下方设有隔热装置，所述石英内坩埚的正上方设有单晶硅提拉装置，所述单晶硅提拉装置从所述石英内坩埚提拉出准矩形柱体单晶硅棒，所述支撑外坩埚底端设有坩埚升降装置，所述石英内坩埚、所述支撑外坩埚、所述坩埚加热器及所述隔热装置均安装于炉室内，所述石英内坩埚的上方规则布设有至少两个结晶前沿位置光学探测器。
[0019]作为优选，所述坩埚加热器是石墨电阻加热器，各所述纵向分区坩埚加热器分别与各自分区加热电源V相并联，组成分区加热系统，各所述纵向分区坩埚加热器可以单独控制其加热功率；各纵向分区加热系统串联，布置在所述支撑外坩埚的外侧，组成整体坩埚加热器。
[0020]作为优选，所述纵向分区坩埚加热器的数量至少为四个，与所述石英内坩埚各边缘平面部位相对应的纵向分区坩埚加热器至少为一个，每个所述纵向分区坩埚加热器均对应着一个所述结晶前沿位置光学探测器。
[0021]特别指出，第一种设置和第二种设置的结构可以单独或组合设置。
[0022]特别指出，本文件中所谓“准矩形柱体单晶硅”的“准矩形”定义为：
[0023][0024]本文件中所谓“坩埚的准矩形横截面”的“准矩形”定义为：
[0025][0026]特别指出，为了保证所提拉准矩形柱体单晶硅平面位移和转角的稳定性，本专利技术的提拉装置优先采用可以限制所述准矩形柱体单晶硅棒平面位移和转角的硬提拉轴。
[0027]本专利技术的目的之二在于，提供了一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的工艺方法，包括上述所述的用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置，选用不同结构的装置(第一种设置、第二种设置或第一种设置、第二种设置的组合设置)时，可以采用不同的工艺方案：
[0028]S1、选用第一种设置的结构，按常规流程进行提拉生长，根据目测或各结晶前沿位置光学探测器的信号，分别调整准矩形柱体单晶硅棒的重心垂直线与坩埚加热器横截面中心的相对位置、调整准矩形柱体单晶硅棒横截面对角线与石英内坩埚横截面特定直线间的夹角、调整整体坩埚加热器系统的功率及拉速，所述石英内坩埚有效容积部位的横截面积与所述准矩形柱体单晶硅棒有效部位横截面积之比为2～13；
[0029]S2、选用第二种设置的结构，按常规流程进行提拉生长，根据目测或各结晶前沿位置光学探测器的信号，分别调整各分区坩埚加热器的功率、整体坩埚加热器系统的功率及拉速，所述石英内坩埚有效容积部位的横截面积与所述准矩形柱体单晶硅棒有效部位横截面积之比为2～13；
[0030]特别指出，本文件中，所谓石英内坩埚有效容积部位指本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置，其特征在于：包括从内至外依次设置内腔具有准矩形横截面的石英内坩埚(1)和承载石英内坩埚的支撑外坩埚(2)，所述支撑外坩埚(2)外侧设有坩埚加热器(3)，所述坩埚加热器(3)沿支撑外坩埚周边布置、对称分布，安装在加热器底盘(31)上，所述坩埚加热器(3)外侧设有隔热装置(4)，所述石英内坩埚(1)的正上方设有单晶硅提拉装置(5)，所述单晶硅提拉装置(5)从所述石英内坩埚(1)提拉出准矩形柱体单晶硅棒(11)，所述支撑外坩埚(2)底端设有坩埚升降装置(6)，所述石英内坩埚(1)、所述支撑外坩埚(2)、所述坩埚加热器(3)及所述隔热装置(4)均安装于炉室(7)内，所述石英内坩埚(1)的上方处规则布设有至少两个结晶前沿位置光学探测器(8)。2.根据权利要求1所述的用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置，其特征在于：所述加热器底盘(31)的下部或炉室(7)的上方还配套设有x0y平面位移/旋角控制器(9)该装置包括但不限于两种结构，具体为：第一种结构，所述x0y平面位移/旋角控制器(9)位于设备机架与所述加热器底盘(31)之间，既可以在炉室(7)内，也可以部分在炉室(7)内，部分在炉室(7)外；第二种结构，所述x0y平面位移/旋角控制器(9)位于设备机架与所述单晶硅提拉装置(5)之间，既可以位于炉室(7)内，也可以位于炉室(7)外；既可以处于所述单晶硅提拉装置(5)的下端，也可以处于所述单晶硅提拉装置(5)的上端，此为第一种设置。3.根据权利要求2所述的用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置，其特征在于：所述x0y平面位移/旋角控制器(9)包含有位移控制器、旋角控制器中的至少一个；其中，所述x0y平面位移/旋角控制器(9)包含有位移控制器时，借助于位移控制器，在拉晶过程中，根据需要可在水平面x0y内调节所提拉准矩形柱体单晶硅棒(11)重心垂直线与所述坩埚加热器(3)横截面几何中心的相对位置；所述x0y平面位移/旋角控制器(9)包含有旋角控制器时，借助于旋角控制器，在拉晶过程中，根据需要可在水平面x0y内调节所提拉准矩形柱体单晶硅棒(11)横截面对角线与所述坩埚加热器(3)横截面特定直线的相对夹角。4.根据权利要求1所述的用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置，其特征在于：所述坩埚加热器(3)设有若干纵向分区(3
‑
x)，若干纵向分区坩埚加热器(3
‑
x)沿所述支撑外坩埚(2)周边布置且对称分布，安装在所述加热器底盘(31)上，此为第二种设置。5.根据权利要求4所述的用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置，其特征在于：所述坩埚加热器(3)是石墨电阻加热器，各所述纵向分区坩埚加热器(3
‑
x)分别与各自分区加热电源V(3
‑
x)相并联，组成分区加热系统，各所述纵向分区坩埚加热器(3
‑
x)可以单独控制其加热功率；各纵向分区加热系统串联，布置在所述支撑外坩埚(2)的外侧，组成整体坩埚加热器(3)；所述纵向分区坩埚加热器(3
‑
x)的数量至少为四个，与所述石英内坩埚(1)各边缘平面部位相对应的纵向分区坩埚加热器(3
‑
x)至少为一个，每个所述纵向分区坩埚加热器(3
‑
x)均对应着一个所述结晶前沿位置光学探测器(8)。6.根据权利要求2或4所述的用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置，其特征在于：所述单晶硅提拉装置(5)采用可以限制准矩形柱体单晶硅棒(11)横向或转动运动的硬提拉轴(12)。7.一种用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的工艺方法，包括权利要求1～6任一项所述的用直拉法生长准矩形柱体单晶硅的装置，其特征在于：选用不同结构的装置(第一种设置结构、第二种设置结构或第一种设置、第二种设置的组合结构)时，可以采用不同的工艺方案，包括如下步骤：
S1、选用第一种设置结构的装置，按常规流程进行提拉生长，根据各结晶前沿位置光学探测器(8)的信号，分别调整准矩形柱体单晶硅棒(11)的重心垂直线与坩埚加热器(3)横截面中心的相对位置、准矩形柱体单晶硅棒(11)横截面对角线与石英内坩埚(1)横截面特定直线间的夹角、整体坩...

【专利技术属性】
技术研发人员：王培业，吴超慧，
申请(专利权)人：宇泽半导体云南有限公司，
类型：发明
国别省市：