本發(fā)明涉及多晶硅靶材技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生長多晶硅靶材的方法。

背景技術(shù)：

靶材是磁控濺射工藝制備功能薄膜過程中的基本耗材。靶材質(zhì)量對薄膜的性能起著至關(guān)重要的作用。硅靶材是一種單質(zhì)的濺射靶源，主要用于磁控濺射制備硅以及二氧化硅等薄膜，在信息存儲、low-e玻璃、lcd平板顯示、太陽能電池等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。

硅靶產(chǎn)品分為單晶硅靶和多晶硅靶，較單晶硅靶而言，多晶硅靶便于激發(fā)、成本較低且產(chǎn)量大。進(jìn)一步提高多晶硅靶材的質(zhì)量是現(xiàn)階段的主要目標(biāo)?，F(xiàn)有的多晶硅生長方法采用定向凝固法(梅向陽,馬文會,魏奎先,等.多晶硅定向生長的實驗研究[j].鑄造技術(shù),2010,31(6):702-705.)，該方法的生長過程是熔體由下至上凝固，得到的多晶硅的成品如圖4所示，圖4中箭頭方向是多晶硅成品中大尺寸晶粒的取向，虛箭頭是從側(cè)面開始凝固生長的晶粒，實箭頭是從底部開始凝固生長的晶粒，晶粒尺寸比較大，且不均勻，結(jié)晶取向不一致，濺射速率不穩(wěn)定，影響多晶硅靶材通過濺射在基底上生長薄膜厚度的均勻性。

現(xiàn)有定向凝固技術(shù)存在的問題主要是：

一是晶粒取向不一致。首先是由于凝固過程中熔體底部和側(cè)面都與坩堝接觸，致使凝固從側(cè)面底部都有發(fā)生(圖4中虛線和實線)。其次凝固開始缺乏誘導(dǎo)，凝固開始時晶粒取向就不同。

二是晶粒較大且不均勻。首先是凝固過程中固液界面凸出太多(從成品晶體頂部形狀就可以近似反映)、各部分所處的環(huán)境(如溫度、壓力等)差異較大，產(chǎn)品尺寸過大，對晶體各部分生產(chǎn)速率缺乏調(diào)控手段，工藝的控制影響效果不及時也不明顯。

為了提高濺射效率(濺射效率的影響因素主要就是晶界和均勻度)，制備高性能薄膜，本發(fā)明提出一種新的多晶硅靶材制備方法，致力于制備出高純度、高密度、高晶粒均勻性和高結(jié)晶取向的高性能多晶硅靶材。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供了一種生長多晶硅靶材的方法。該方法通過引入頂部籽晶來控制結(jié)晶取向，通過對晶體生長速率和生長界面形狀的控制實現(xiàn)對多晶硅晶粒尺寸和均勻性的控制，該方法制得的成品均勻性好、具有高結(jié)晶取向，顯著提高多晶硅薄膜的性能。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，提供一種生長多晶硅靶材的方法，包括裝爐、化料、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑和收尾過程，具體步驟是：

第一步，裝爐：

將具有產(chǎn)品要求晶向的籽晶固定在提拉裝置上的籽晶夾頭內(nèi)；將拉晶爐的生長部分進(jìn)行清爐處理，并確認(rèn)安全無誤后，開爐、裝多晶硅原料并抽真空；

第二步，化料：

以20～150l/h的流速向拉晶爐中充氬氣，至爐壓為2500～4000pa，然后設(shè)置加熱功率為150～180kw，對拉晶爐中的多晶硅原料進(jìn)行化料，得到熔體硅；

第三步，引晶：

多晶硅原料化料完成后，將加熱功率降至引晶所需大小，降溫至使熔體硅的液面具有過冷度，降低提拉裝置上的籽晶桿，使籽晶底面接觸熔體硅，待觀測到籽晶與熔體硅接觸位置的光圈穩(wěn)定時，以3～7mm/min的拉晶速率向上拉籽晶，晶體在籽晶和熔體硅的接觸面隨籽晶的提高而生長即凝固，當(dāng)?shù)玫降木w尺寸維持在直徑為3～5mm、長度為160～190mm時，得到細(xì)晶，進(jìn)而降低拉晶速率進(jìn)入放肩階段；

第四步，放肩：

拉晶速率降低至0.4～0.8mm/min，同時以15～25℃/hr的降溫速率進(jìn)行線性降溫，使晶體放肩，晶體直徑逐漸增大，直至晶體直徑為小于產(chǎn)品所需直徑5-7mm的大小時，停止線性降溫，完成放肩階段；

第五步，轉(zhuǎn)肩：

放肩完成后，緩慢升溫，并提升拉晶速率至1.2～3mm/min，使晶體直徑生長至產(chǎn)品所需直徑，同時使放肩階段產(chǎn)生的棱線消失，至此完成轉(zhuǎn)肩過程；

第六步，等徑：

轉(zhuǎn)肩后，待晶體直徑穩(wěn)定在產(chǎn)品所需直徑后，打開自動等徑控制程序，進(jìn)入自動等徑控制階段；

第七步，收尾：

晶體達(dá)到要求長度尺寸后，進(jìn)行調(diào)節(jié)、收尾、冷卻和后期處理，經(jīng)過后期處理使柱狀的硅錠切成片狀的多晶硅靶材。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過引入提拉籽晶、可控的生長速率和生長界面形狀得到晶粒尺寸合適、分布均勻且結(jié)晶取向一致的多晶硅，通過控制加熱功率來改變生長前沿的過冷度促使晶體生長為多晶硅，從而使靶材具有較高的表面能，從而克服了定向凝固法制備多晶硅時出現(xiàn)的晶粒尺寸大、均勻性差、取向不一致的問題。

針對取向不一致問題，首先應(yīng)用jrdl-900拉晶爐把凝固改為自上而下(即從引晶開始，籽晶接觸熔體頂部，從接觸位置開始自上而下凝固，之后的生長步驟也都是自上而下進(jìn)行的)進(jìn)行，晶體側(cè)面與保護(hù)氣體接觸且不與坩堝接觸，從而避免了兩側(cè)凝固的影響。其次加入引晶放肩階段，引晶所采用的籽晶是單晶硅(是一個晶粒只有一個取向)。在放肩階段結(jié)束之前都維持在單晶狀態(tài)。在等經(jīng)階段開始前通過調(diào)整工藝參數(shù)使多晶(多個晶粒每一個都有自身的取向)在單晶面上生長，這樣的多晶會受單晶的誘導(dǎo)繼承單晶的取向從而增加多晶的取向一致性。

針對缺乏調(diào)控手段方面，應(yīng)用本申請生長方法固液界面較小且較平坦，便于統(tǒng)一環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)控，晶體的生長速率也便于控制，工藝參數(shù)對晶粒大小和均勻性的影響效果及時明顯，從而能明顯改善晶粒大小和均勻性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明生長多晶硅靶材的方法所使用的拉晶爐的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明生長多晶硅靶材的方法中晶體的生長過程示意圖；

圖3為本發(fā)明方法得到的多晶硅成品的照片；

圖4為現(xiàn)有方法得到的多晶硅成品的照片；

圖中，1.晶體上升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、2.導(dǎo)流筒、3.多晶硅、4.石英坩堝、5.石墨坩堝、6.加熱器、7.熔體硅、8.保溫材料。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖進(jìn)一步介紹本發(fā)明，但并不以此作為對本申請權(quán)利要求保護(hù)范圍的限定。

本發(fā)明生長多晶硅靶材的方法(簡稱方法)包括裝爐、化料、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑和收尾過程，具體步驟是：

第一步，裝爐：

將具有產(chǎn)品要求晶向的籽晶固定在提拉裝置上的籽晶夾頭內(nèi)；將拉晶爐的生長部分進(jìn)行清爐處理，并確認(rèn)安全無誤后，開爐、裝多晶硅原料并抽真空；

第二步，化料：

以20～150l/h的流速向拉晶爐中充氬氣，至爐壓為2500～4000pa，然后設(shè)置加熱功率為150～180kw，對拉晶爐中的多晶硅原料進(jìn)行化料，得到熔體硅7；

第三步，引晶：

多晶硅原料化料完成后，將加熱功率降至引晶所需大小，降溫至使熔體硅7的液面具有過冷度，降低提拉裝置上的籽晶桿，使籽晶底面接觸熔體硅7，待觀測到籽晶與熔體硅接觸位置的光圈穩(wěn)定(光圈變大溫度過低，光圈變小溫度過高)時，以3～7mm/min的拉晶速率向上拉籽晶，晶體在籽晶和熔體硅的接觸面隨籽晶的提高而生長即凝固，當(dāng)?shù)玫降木w尺寸維持在直徑為3～5mm、長度為160～190mm時，得到細(xì)晶，進(jìn)而降低拉晶速率進(jìn)入放肩階段；

第四步，放肩：

拉晶速率降低至0.4～0.8mm/min，同時以15～25℃/hr的降溫速率進(jìn)行線性降溫，使晶體放肩，晶體直徑逐漸增大，直至晶體直徑為小于產(chǎn)品所需直徑5～7mm的大小時，停止線性降溫，完成放肩階段；

第五步，轉(zhuǎn)肩：

放肩完成后，緩慢升溫，并提升拉晶速率至1.2～3mm/min，使晶體直徑生長至產(chǎn)品所需直徑，同時使放肩階段產(chǎn)生的棱線消失，至此完成轉(zhuǎn)肩過程；

放肩階段有對稱的棱線，不同晶向棱線數(shù)量不同，如<100>有四條，<111>有三條，轉(zhuǎn)肩使棱線消失；晶體之前是單晶的，從棱線消失之后(即轉(zhuǎn)肩后)再生長的就是多晶；放肩階段棱線的有無是辨別單晶和多晶的區(qū)別，轉(zhuǎn)肩之后就是利用之前生長的單晶誘導(dǎo)多晶具有較好取向一致性地生長；

第六步，等徑：

轉(zhuǎn)肩后，待晶體直徑穩(wěn)定在產(chǎn)品所需直徑后，打開自動等徑控制程序，進(jìn)入自動等徑控制階段；

第七步，收尾：

晶體達(dá)到要求長度尺寸后，進(jìn)行調(diào)節(jié)、收尾、冷卻和后期處理，經(jīng)過后期處理使柱狀的硅錠切成片狀的多晶硅靶材。

本發(fā)明所述自動等徑控制程序中拉晶速率及溫度的設(shè)置根據(jù)所選擇多晶硅原料的不同而不同，具體設(shè)置方式依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)。所述的調(diào)節(jié)、收尾、冷卻和后期處理方式也依據(jù)常規(guī)方法實現(xiàn)。

實施例1

本實施例生長多晶硅靶材的方法中所用的拉晶爐是型號為jrdl-900的拉晶爐；該拉晶爐包括提拉裝置和生長爐部分，提拉裝置中包括晶體上升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1，晶體上升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1通過籽晶桿連接籽晶夾頭，晶體上升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于提拉多晶硅3；生長爐部分的爐腔內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流筒2、石英坩堝4、石墨坩堝5和加熱器6，石英坩堝4置于石墨坩堝5過中，通過加熱器6進(jìn)行加熱，石英坩堝內(nèi)放置多晶硅原料，加熱后得到熔體硅7；在爐腔的外設(shè)置有保溫材料8，進(jìn)行保溫；導(dǎo)流筒用于改善爐內(nèi)溫場和流場

本實施例方法設(shè)計的產(chǎn)品所需直徑為300mm，得到生產(chǎn)達(dá)到產(chǎn)品規(guī)格的最大尺寸多晶硅靶材，每片多晶硅靶材寬度為150mm、高度為300mm、厚度為3～12mm，寬度為設(shè)計的產(chǎn)品所需直徑的一半，長度在允許范圍內(nèi)可通過加減多晶硅原料而調(diào)整，厚度與具體的后期處理工藝有關(guān)。本實施例所用籽晶的晶向為<111>，所選用的多晶硅原料為塊狀、片狀和粉末狀混合的硅原料，其純度為5n，即硅的濃度大于99.999％。

本實施例生長多晶硅靶材的方法(簡稱方法)包括裝爐、化料、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑和收尾過程，具體步驟是：

第一步，裝爐：

將具有產(chǎn)品要求晶向的籽晶固定在提拉裝置上的籽晶夾頭內(nèi)；將拉晶爐的生長部分進(jìn)行清爐處理，并確認(rèn)安全無誤后，開爐、裝入60公斤多晶硅原料，并抽真空；

裝多晶硅原料時，要按照先塊狀、后片狀、再粉末的方式進(jìn)行裝料；

第二步，化料：

以50l/h的流速向拉晶爐中充氬氣，至爐壓為2900pa，然后設(shè)置加熱功率為160kw，對拉晶爐中的多晶硅原料進(jìn)行化料，化料完畢后熔硅溫度為1500℃，得到熔體硅7；

第三步，引晶：

多晶硅原料化料完成后，加熱功率電控控制器調(diào)整為自動，將加熱功率降至引晶所需大小，降溫至使熔體硅7的液面表面具有過冷度，即熔體硅的溫度穩(wěn)定30min后，降低提拉裝置上的籽晶桿，使籽晶底面接觸熔體硅7，待觀測到籽晶與熔體硅接觸位置的光圈穩(wěn)定(一般來說，光圈變大表明溫度過低，光圈變小表明溫度過高)時，以4mm/min的拉晶速率向上拉籽晶，晶體在籽晶和熔體硅的接觸面隨籽晶的提高而生長即凝固，當(dāng)?shù)玫降木w尺寸維持在直徑為3mm、長度為170mm時，得到細(xì)晶，進(jìn)而降低拉晶速率進(jìn)入放肩階段；

第四步，放肩：

拉晶速率降低至0.4mm/min，同時以17℃/hr的降溫速率進(jìn)行線性降溫，使晶體放肩，晶體直徑逐漸增大，直至晶體直徑為小于產(chǎn)品所需直徑6mm的大小時，停止線性降溫，完成放肩階段；

第五步，轉(zhuǎn)肩：

放肩完成后，緩慢升溫，根據(jù)晶體直徑的變化改變拉晶速率，緩慢調(diào)節(jié)拉晶速率至1.5mm/min，使晶體直徑生長至產(chǎn)品所需直徑，同時使放肩階段產(chǎn)生的棱線消失，至此完成轉(zhuǎn)肩過程；

放肩階段有對稱的棱線，<111>有三條棱線，轉(zhuǎn)肩使棱線消失；晶體之前是單晶的，從棱線消失之后(即轉(zhuǎn)肩后)再生長的就是多晶；放肩階段棱線的有無是辨別單晶和多晶的區(qū)別，轉(zhuǎn)肩之后就是利用之前生長的單晶誘導(dǎo)多晶具有較好取向一致性地生長；

第六步，等徑：

轉(zhuǎn)肩后，待晶體直徑穩(wěn)定在產(chǎn)品所需直徑后，打開自動等徑控制程序，進(jìn)入自動等徑控制階段；

第七步，收尾：

晶體達(dá)到要求長度尺寸后，進(jìn)行調(diào)節(jié)、收尾、冷卻和后期處理，經(jīng)過后期處理使柱狀的硅錠切成片狀的多晶硅靶材。

本實施例方法所得到的多晶硅靶材產(chǎn)品的規(guī)格如下：

多晶硅靶材純度：>99.999％

導(dǎo)電類型：porn

金屬雜質(zhì)含量：(al/fe/ca/mg/cu/co/ni/cr/mn/ti/na/k//p/w/mo/zn/sn)<2ppm

平整度(tir):<1.2μm

局部平整度(stir):<0.3μm

翹曲度(warp):<30μm。

實施例2

本實施例方法的具體步驟同實施例1，所設(shè)計的產(chǎn)品所需直徑、所用籽晶的晶向為<111>也相同，不同之處在于：

第二步，化料：

以100l/h的流速向拉晶爐中充氬氣，至爐壓為3000pa，然后設(shè)置加熱功率為180kw，對拉晶爐中的多晶硅原料進(jìn)行化料，化料完畢后熔硅溫度為1500℃，得到熔體硅7；

第三步，引晶：

多晶硅原料化料完成后，加熱功率電控控制器調(diào)整為自動，將加熱功率降至引晶所需大小，降溫至使熔體硅7的液面具有過冷度，降低提拉裝置上的籽晶桿，使籽晶底面接觸熔體硅7，待觀測到籽晶與熔體硅接觸位置的光圈穩(wěn)定，以7mm/min的拉晶速率向上拉籽晶，晶體在籽晶和熔體硅的接觸面隨籽晶的提高而生長即凝固，當(dāng)?shù)玫降木w尺寸維持在直徑為5mm、長度為190mm時，得到細(xì)晶，進(jìn)而降低拉晶速率進(jìn)入放肩階段；

第四步，放肩：

拉晶速率降低至0.6mm/min，同時以21℃/hr的降溫速率進(jìn)行線性降溫，使晶體放肩，晶體直徑逐漸增大，直至晶體直徑為小于產(chǎn)品所需直徑7mm的大小時，停止線性降溫，完成放肩階段；

第五步，轉(zhuǎn)肩：

放肩完成后，緩慢升溫，并提升拉晶速率至2.3mm/min，使晶體直徑生長至產(chǎn)品所需直徑，同時使放肩階段產(chǎn)生的棱線消失，至此完成轉(zhuǎn)肩過程。

上述兩個實施例的方法，加入引晶、等徑、放肩和轉(zhuǎn)肩過程后所得靶材不僅去除了傳統(tǒng)定向凝固法兩側(cè)凝固的影響(不用后期處理降低成本減少浪費)，節(jié)約了成本，降低了后期處理難度，還明顯縮小了晶粒尺寸，增強(qiáng)其均勻性和取向一致性，改善了靶材的性能。圖3所示為本發(fā)明方法所得到的產(chǎn)品圖，對比圖3和圖4，可以看出，本發(fā)明方法制得的產(chǎn)品晶粒具有取向性、晶粒大小均勻且尺寸較小，沒有兩側(cè)凝固現(xiàn)象。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。