一种用于连续直拉单晶的熔融硅加料器制造技术

本发明专利技术的实施例提供一种用于连续直拉单晶的熔融硅加料器，包括：开放式坩埚，所述开放式坩埚具有位于顶部的顶部开口和位于下部的注入口，所述开放式坩埚接收并容纳固态硅原料；加热器，所述加热器对开放式坩埚进行加热，使得其中的固态硅熔融，并且通过开放式坩埚的底部的注入口注入下方；外壳，所述外壳对熔融硅加料器的整体结构进行包围和真空密封。

【技术实现步骤摘要】
一种用于连续直拉单晶的熔融硅加料器
本专利技术总的来说涉及单晶硅直拉
具体而言，本专利技术涉及一种用于连续直拉单晶的熔融硅加料器。
技术介绍
直拉法是一种用来获取半导体、金属、盐和合成宝石等单晶材料的晶体生长方法。最原始的直拉法为单次直拉法，其中采用一个坩埚拉制一根晶棒，在拉制完以后坩埚会因冷却破裂而无法重复使用。目前单晶硅的工业生产多采用复投多次直拉法，是在单次直拉法的基础上给设备增加加料装置改进而来的。在复投多次直拉法中，每次拉制完硅晶棒后使坩埚保持高温，并且通过重复加料装置将多晶硅颗粒原料(或者西门子法的破碎料)批次加入到坩埚内剩余的硅熔液中熔化，用于下一次的硅晶棒拉制。复投多次直拉法不会像单次直拉法那样因冷却坩埚而导致坩埚破裂，使得坩埚在寿命内可以多次完全利用。目前，复投多次直拉法是工业界的应用主流，而基于复投多次直拉法做出改进，在拉晶过程中持续加入多晶硅原料的方法为连续直拉法。连续直拉法产出的硅晶棒品质更佳，电阻率更加均匀、分布更窄，更加适用于P型PERC等高效电池工艺及更加高效的N型电池工艺，从而更有利于高功率组件产出。基于效率、品质、成本等多重因素考量，连续直拉法将逐渐替代现有的复投多次直拉法。同时，在直拉单晶的过程中，石英坩埚中的氧(氧原子是石英的组分)和其他杂质在高温熔融硅的冲刷下进入熔体。在P型太阳能电池中，作为掺杂的硼和氧原子构成硼氧复合体造成电池效率的衰退。在电子级单晶硅片中，氧沉淀是造成COP的主要因素。在集成电路工业中主要使用磁场MCZ(磁场直拉)来改善COP。在磁场中高温的熔融硅作为导体切割磁力线，产生的洛伦茨力会阻碍熔体的对流以减少进入晶体的氧原子，从而减少氧沉淀，最终抑制COP的产生。磁场MCZ虽然有着不错的效果，但价格和成本极为惊人，除磁场耗电之外，超导线圈还需要低温励磁，价格也非常昂贵。连续直拉法产出的晶棒品质更佳，电阻率更加均匀、分布更窄。上述有益效果对在太阳能电池和电子级芯片的应用有着重大的意义。但是，其最大的效果在于，连续直拉法拉晶过程中使用浅坩埚，所述浅坩埚的对流抑制效应显著，对于COP(crystaloriginatedparticle)原生缺陷的抑制效应显著。因此，可以制造出品质极高的12英寸集成电路大硅片。目前工业界主要的连续直拉法分别由Solaicx公司和ConfluenceSolar公司开发。前者被MEMC公司收购，后者成为GTAT公司的一部分。图9示出现有技术的一种连续直拉单晶炉的截面示意图。图10示出现有技术的另一种连续直拉单晶炉的截面示意图。如图9和图10所示，单晶炉由外壳包围，外壳内为真空状态，固体硅原料通过传送装置从外部不断添加到单晶炉的坩埚内。然而，上述连续直拉法均为向拉晶坩埚内连续投入固体多晶硅料，所述连续投入固体多晶硅料都建立在固体多晶硅料满足一定的粒径最大尺寸要求乃至流动性要求的基础上，才可以通过振动或者翻板装置控制加料。例如GTAT公司提供了一种连续直拉法设备的振动输送装置，如图11所示，其中输送的固体多晶硅料的物理尺寸必须满足输运通道的关键尺寸要求，以免被堵塞或者卡死。一般来说，工业中可以获得的流动性能好，可以连续加料的颗粒硅质量较差，产能小，加料不能超过总投料量的20％。工业生产中主流的西门子法产生的多晶硅为棒状，破碎后的形状为为不规则的大块块状夹杂部分细碎颗粒。如果块状多晶硅尺寸过大，则需要进一步破碎后才能获得小颗粒的多晶硅，以通过传统机械加料装置进行连续加料控制，其中传统加料装置包括震动料斗和翻板阀口。而多晶硅的硬度很大，破碎过程会损失所产生的细小颗粒，如果为了流动性粉碎出大量符合流动性要求的颗粒，则损失的粉末更多，损失量从1％到5％不等。破碎过程扩大了比表面积(表面积同体积的比值)还会带来各种潜在表面污染，常见的湿法化学清洗可以去除表面污染，但是使用的化学物质不仅带来环境污染同样也会因为腐蚀作用损失一定比例的硅。因此有能力使用接近原始尺寸的西门子多晶硅棒或者块是连续直拉单晶方法的一种需求，从而使用熔融硅进行加料成为一种选择。然而，目前的流体控制(阀门，管道)技术无法满足高温熔融硅条件下高纯的要求。
技术实现思路
针对上述现有技术中颗粒硅和西门子多晶硅或者无法满足质量要求，或者无法满足连续加料所需要的流动性问题，而流体控制技术无法满足高温熔融硅条件下高纯的要求的问题，本专利技术给出了一种不通过传统阀门技术，通过化料坩埚加热器控制融硅输送速度的方法。并且进一步结合坩埚设计控制单晶氧原子含量。根据本专利技术的一个实施例，提供一种用于连续直拉单晶的熔融硅加料器，包括：开放式坩埚，所述开放式坩埚具有位于顶部的顶部开口和位于下部的注入口，所述开放式坩埚接收并容纳固态硅原料；加热器，所述加热器对开放式坩埚进行加热，使得其中的固态硅熔融，并且通过开放式坩埚的底部的注入口注入下方；外壳，所述外壳对熔融硅加料器的整体结构进行包围和真空密封。在本专利技术的一个实施例中，用于连续直拉单晶的熔融硅加料器还包括加料口，用于通过振动、翻板料斗进行加料输运。在本专利技术的一个实施例中，用于连续直拉单晶的熔融硅加料器还包括：料斗，所述料斗为用于容纳固态多晶硅原料的容器，所述料斗底部具有底部开口，料斗的底部开口与开放式坩埚的顶部开口对接。在本专利技术的一个实施例中，所述料斗的材料是石英或耐熔融硅侵蚀的高纯材料，或者所述料斗内表面具有耐熔融硅侵蚀的高纯材料涂层。在本专利技术的一个实施例中，所述料斗还包括：料斗上方的推杆，用于将料斗内的固态硅推送到开放式坩埚或者指示固体硅的高度。在本专利技术的一个实施例中，用于连续直拉单晶的熔融硅加料器还包括设置在料斗底部开口上的硅材料塞子，使得搬运所述料斗时，固体硅料不会从料斗底板开口落下，所述硅材料塞子包括与料斗开口契合的硅片、硅块、含凸起的键、销子、齿或榫卯结构。在本专利技术的一个实施例中，所述硅材料包括晶态硅、硅合金或者锗、锗合金、三五族掺杂材料的母合金。在本专利技术的一个实施例中，所述加热器设置在开放式坩埚外围，所述加热器包括多个独立控制的加热器，所述加热器为感应线圈加热器或耐高温材料的电阻式加热器。在本专利技术的一个实施例中，由所述加热器控制固体硅的熔融速度，以控制熔融硅液面的位置和压强以及注入口的出口压强，其中根据熔融硅液面的位置和压强以及注入口的出口压强控制熔融硅注入坩埚的速度，表示为下式：其中，g表示重力加速度，ρ表示熔融的多晶硅的密度，z1表示熔融硅液面位置的高度，u1表示熔融硅液面位置的流速，p1表示熔融硅液面位置的压强，z2表示注入口出口的高度，u2表示所述注入速度，p2表示注入口出口的压强，we表示注入过程中所述熔融硅加料器的外功，wf表示流阻的损耗。在本专利技术的一个实施例中，用于连续直拉单晶的熔融硅加料器还包括：水冷装置，所述水冷装置设置在与加热器相邻的外壳上。在本专利技术的一个实施例中，用于连续直拉单晶的熔融硅加料器还包括：隔离装置，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于连续直拉单晶的熔融硅加料器，包括：/n开放式坩埚，所述开放式坩埚具有位于顶部的顶部开口和位于下部的注入口，所述开放式坩埚接收并容纳固态硅原料；/n加热器，所述加热器对开放式坩埚进行加热，使得其中的固态硅熔融，并且通过开放式坩埚的底部的注入口注入下方；/n外壳，所述外壳对熔融硅加料器的整体结构进行包围和真空密封。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于连续直拉单晶的熔融硅加料器，包括：
开放式坩埚，所述开放式坩埚具有位于顶部的顶部开口和位于下部的注入口，所述开放式坩埚接收并容纳固态硅原料；
加热器，所述加热器对开放式坩埚进行加热，使得其中的固态硅熔融，并且通过开放式坩埚的底部的注入口注入下方；
外壳，所述外壳对熔融硅加料器的整体结构进行包围和真空密封。


2.根据权利要求1所述的用于连续直拉单晶的熔融硅加料器，其特征在于，还包括加料口，用于通过振动、翻板料斗进行加料输运。


3.根据权利要求1所述的用于连续直拉单晶的熔融硅加料器，其特征在于，还包括：
料斗，所述料斗为用于容纳固态多晶硅原料的容器，所述料斗底部具有底部开口，料斗的底部开口与开放式坩埚的顶部开口对接。


4.根据权利要求3所述的用于连续直拉单晶的熔融硅加料器，其特征在于，所述料斗的材料是石英或耐熔融硅侵蚀的高纯材料，或者所述料斗内表面具有耐熔融硅侵蚀的高纯材料涂层。


5.根据权利要求3所述的用于连续直拉单晶的熔融硅加料器，其特征在于，所述料斗还包括：
料斗上方的推杆，用于将料斗内的固态硅推送到开放式坩埚或者指示固体硅的高度。


6.根据权利要求3所述的用于连续直拉单晶的熔融硅加料器，其特征在于，还包括设置在料斗底部开口上的硅材料塞子，使得搬运所述料斗时，固体硅料不会从料斗底板开口落下，所述硅材料塞子包括与料斗开口契合的硅片、硅块、含凸起的键、销子、齿或榫卯结构。


7.根据权利要求6所述的用于连续直拉单晶的熔融硅加料器，其特征在于，所述硅材料包括晶态硅、硅合金或者锗、锗合金、三五族掺杂材料的母合金。


8.根据权利要求1所述的用于连续直拉单晶的熔融硅加料器，其特征在于，所述加热器设置在开放式坩埚外围，所述加热器包括多个独立控制的加热器，所述加热器为感应线圈加热器或耐高温材料的电阻式加热器。


9.根据权利要求8所述的用于连续直拉单晶的熔融硅加料器，其特征在于，由所述加热器控制固体硅的熔融速度，以控制熔融硅液面的位置和压强以及注入口的出口压强，
其中根据熔融硅液面的位置和压强以及注入口的出口压强控制熔融硅注入坩埚的速度，表示为下式：



其中，g表示重力加速度，ρ表示熔融的多晶硅的密度，z1表示熔融硅液面位置的高度，u1表示熔融硅液面位置的流速，p1表示熔融硅液面位置的压强，z2表示注入口出口的高度，u2表示所述注入速度，p2表示注入口出口的压强，we表示注入过程中所述熔融硅加料器的外功，wf表示流阻的损耗。


10.根据权利要求8所述的用于连续直拉单晶的熔融硅加料器，其特征在于，还包括：
水冷装置，所述水冷装置设置在与加热器相...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁欣，
申请(专利权)人：上海引万光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31