一种可以控制单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉及方法技术

本发明专利技术涉及单晶硅直拉技术领域提出一种控制单晶硅内氧含量的连续直拉单晶炉，包括坩埚和坩埚内坝和加料器，加料器含熔融硅加料器，所述熔融硅加料器安装于所述坩埚的上方，并且根据预定的速度向坩埚提供液态硅；以及密封外壳，对连续直拉单晶炉的整体结构进行包围和真空密封。其中，所述坩埚中液态熔融硅的液位的深度小于1/2的坩埚直径，所述坩埚中最大熔融硅量小于单次拉晶2/3的总熔融硅需求量。本发明专利技术还提出一种控制氧含量和/或抑制单晶硅COP的连续直拉单晶方法。本发明专利技术可以抑制坝内外的氧原子的交换，减少氧原子等杂质以抑制单晶硅COP，该方法有效并且简便。

【技术实现步骤摘要】
一种可以控制单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉及方法
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可以控制单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉及方法。
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，提供一种按照需求调节单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉，其特征在于，包括：坩埚；对坩埚进行升降旋转的装置；密封外壳，对连续直拉单晶炉的整体结构进行包围和真空密封；以及内坝，所述内坝设置在所述坩埚内，所述内坝中下部有开孔或者上沿有溢流缺口，使得坝内外对流既互相隔离，又液面相通，所述内坝将坩埚隔离为：内坝外的高氧挥发区和内坝单晶生长区，所述内坝的材质为非氧化硅的耐熔融硅侵蚀的高纯材料，或者所述内坝具有非氧化硅耐熔融硅侵蚀高纯涂层的材料。在本专利技术的一个实施例中，所述内坝的形状包括设有开孔和/或垛口的筒型或U型。在本专利技术的一个实施例中，所述内坝的材料是氮化硅。在本专利技术的一个实施例中，按照需求调节单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉，还包括以下装置中的一个或多个：设置在坩埚外侧和底部的坩埚托；设置在坩埚外侧和底部的一个或多个第一加热器；磁场施加装置，所述磁场施加装置向坩埚施加磁场MCZ，所述磁场包括勾型、水平或垂直的磁场。在本专利技术的一个实施例中，按照需求调节单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉还包括：硅加料器，所述硅加料器安装于所述坩埚的上方，并且根据预定的速度向坩埚提供液态硅或者固态多晶硅；其中，所述坩埚中液态熔融硅的液位的深度小于1/2的坩埚直径，所述坩埚中最大熔融硅量小于单次拉晶2/3的总熔融硅需求。在本专利技术的一个实施例中，所述硅加料器是并行设置的两个或多个硅加料器，并且对同一个坩埚轮流或同时进行加注，其中所述硅加料器包括：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底部的注入口，所述开放式坩埚接收并容纳固态硅原料。在本专利技术的一个实施例中，所述硅加料器包括：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，所述料斗的材料是石英或高纯陶瓷，或者所述料斗的内表面具有高纯涂层，所述料斗还包括：设置在料斗底部开口上的硅材料塞子，所述硅材料塞子包括所述硅材料塞子包括与料斗相同直径的硅片、硅块、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，按照需求调节单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉还包括：隔离装置，所述隔离装置设置在料斗与开放式坩埚的连接位置处，当所述隔离装置关闭时将外壳的内部隔离成两个气密空间，使料斗与其它装置气密隔离，当所述隔离装本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种按照需求调节单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉，其特征在于，包括：/n坩埚；/n对坩埚进行升降旋转的装置；/n密封外壳，对连续直拉单晶炉的整体结构进行包围和真空密封；以及/n内坝，所述内坝设置在所述坩埚内，所述内坝中下部有开孔或者上沿有溢流缺口，使得坝内外对流既互相隔离，又液面相通，/n所述内坝将坩埚隔离为：内坝外的高氧挥发区和内坝单晶生长区，所述内坝的材质为非氧化硅的耐熔融硅侵蚀的高纯材料，或者所述内坝具有非氧化硅耐熔融硅侵蚀高纯涂层的材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种按照需求调节单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉，其特征在于，包括：
坩埚；
对坩埚进行升降旋转的装置；
密封外壳，对连续直拉单晶炉的整体结构进行包围和真空密封；以及
内坝，所述内坝设置在所述坩埚内，所述内坝中下部有开孔或者上沿有溢流缺口，使得坝内外对流既互相隔离，又液面相通，
所述内坝将坩埚隔离为：内坝外的高氧挥发区和内坝单晶生长区，所述内坝的材质为非氧化硅的耐熔融硅侵蚀的高纯材料，或者所述内坝具有非氧化硅耐熔融硅侵蚀高纯涂层的材料。


2.根据权利要求1所述的按照需求调节单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉，其特征在于，所述内坝的形状包括设有开孔和/或垛口的筒型或U型。


3.根据权利要求1所述的按照需求调节单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉，其特征在于，所述内坝的材料是氮化硅。


4.根据权利要求1所述的按照需求调节单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉，其特征在于，还包括以下装置中的一个或多个：
设置在坩埚外侧和底部的坩埚托；
设置在坩埚外侧和底部的一个或多个第一加热器；
磁场施加装置，所述磁场施加装置向坩埚施加磁场MCZ，所述磁场包括勾型、水平或垂直的磁场。


5.根据权利要求1所述的按照需求调节单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉，其特征在于，还包括：
硅加料器，所述硅加料器安装于所述坩埚的上方，并且根据预定的速度向坩埚提供液态硅或者固态多晶硅；
其中，所述坩埚中液态熔融硅的液位的深度小于1/2的坩埚直径，所述坩埚中最大熔融硅量小于单次拉晶2/3的总熔融硅需求。


6.根据权利要求5所述的按照需求调节单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉，其特征在于，所述硅加料器是并行设置的两个或多个硅加料器，并且对同一个坩埚轮流或同时进行加注，
其中所述硅加料器包括：
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底部的注入口，所述开放式坩埚接收并容纳固态硅原料。


7.根据权利要求6所述的按照需求调节单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉，其特征在于，其中所述硅加料器包括：
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，所述料斗的材料是石英或高纯陶瓷，或者所述料斗的内表面具有高纯涂层，所述料斗还包括：
设置在料斗底部开口上的硅材料塞子，所述硅材料塞子包括所述硅材料塞子包括与料斗相同直径的硅片、硅块、凸起的键、销子、齿或榫卯结构。


8.根据权利要求7所述的按照需求调节单晶硅氧含量的连续直拉单晶炉，其特征在于，还包括：隔离装置，所述隔离装置设置在料斗与开放式坩埚的连接位置处，当所述隔离装置关闭时将外壳的内部隔离成两个气密空间，使料斗与其它装置气密隔离，当所述隔离装置打开时，两个气密空间连通，料斗的底部开口与开放式坩埚的顶部开口对接，所述隔离装置包括体法兰或隔离阀。

【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