專利名稱：提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置及其處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于單晶硅生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置及其處理工藝。
背景技術(shù)：
單晶娃，又稱硅單晶，是一種半導(dǎo)體材料。近幾年來，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，單晶硅又被用來制作太陽能電池，呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的局面。隨著高科技的發(fā)展，生產(chǎn)近乎完美的高質(zhì)量單晶硅，是每一個(gè)材料廠家、器件廠家的共同愿望，這種單晶硅具有良好的斷面電阻率均勻性、高壽命、含碳量少、微缺陷密度小、含氧量可以控制的特點(diǎn)。目前，生產(chǎn)單晶硅的方法有直拉法、區(qū)熔法、基座法、片狀生長法、氣相生長法、外延法等，其中基座法、片狀生長法、氣相生長法和外延法都因各自的不足未能被普遍推廣； 而直拉法和區(qū)熔法比較，以直拉法為主要加工方法，它的投料量多、生產(chǎn)的單晶直徑大，設(shè)備自動(dòng)化程度高，工藝比較簡單，生產(chǎn)效率高。直拉法生產(chǎn)的單晶硅，占世界單晶硅總量的 70%以上。直拉法又稱為切克勞斯基法，簡稱CZ法。CZ法的特點(diǎn)是在一個(gè)直筒型的熱系統(tǒng)中，用石墨電阻加熱，將裝在高純石英坩堝中的多晶硅熔化，然后將籽晶插入熔體表面進(jìn)行熔接，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)籽晶，再反向轉(zhuǎn)動(dòng)坩堝，籽晶緩慢向上提升，經(jīng)過引晶、放大、轉(zhuǎn)肩、等徑生長、收尾過程，一支硅單晶就生長出了。單晶爐是一種在惰性氣體環(huán)境中，用石墨加熱器將多晶硅等多晶材料熔化，并用直拉法生長無錯(cuò)位硅單晶的設(shè)備。采用單晶爐生產(chǎn)硅單晶過程中，為拉制一定型號(hào)和電阻率的硅單晶，便要選用適當(dāng)?shù)膿诫s劑。五族元素常用作單晶硅的N型摻雜劑，主要有磷、砷、 銻等。三族元素常用作單晶硅的P型摻雜劑，主要有硼、鋁、鎵等。一般來說，拉制低電阻率單晶(電阻率小于10_2Ω · cm)，一般選用純?cè)負(fù)诫s劑。拉制較高電阻率的單晶(電阻率大于ΚΓΩ · cm)，一般選用母合金做摻雜劑。所謂“母合金”就是雜質(zhì)元素與硅的合金。常用的母合金有硅磷和硅硼兩種，采用母合金做摻雜劑是為了使摻雜量更容易控制、更準(zhǔn)確。但是實(shí)際采用單晶爐生產(chǎn)硅單晶過程中，由于上述摻雜劑的摻雜元素在硅單晶內(nèi)生長界面處固液兩相中的擴(kuò)散速度不同，從而導(dǎo)致拉制成型硅單晶晶體的縱向電阻率不一致，即拉制成型硅單晶晶體的電阻率由頭部至尾部逐漸降低。尤其是對(duì)于N型硅單晶來說， 其硅單晶晶體頭尾之間的電阻率相差特別大。例如，目前所生產(chǎn)半導(dǎo)體級(jí)單晶硅的電阻率由頭部至尾部衰減較為嚴(yán)重，半導(dǎo)體級(jí)單晶硅頭部的電阻率約38 Ω · cm，半導(dǎo)體級(jí)單晶硅中部的電阻率約32 Ω · cm，而其尾部的電阻率約20 Ω · cm。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理、對(duì)現(xiàn)有單晶爐的改進(jìn)部分小、投入成本低且使用效果好的提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置，包括單晶爐，所述單晶爐包括單晶爐爐體和布設(shè)在單晶爐爐體外側(cè)的功率柜， 所述單晶爐爐體包括主爐室和位于主爐室正上方的副爐室，所述主爐室內(nèi)設(shè)置有石英坩堝、布設(shè)在石英坩堝正上方的導(dǎo)流筒、套裝在石英坩堝外側(cè)的石墨坩堝和布設(shè)在石墨坩堝正下方的石墨熱場系統(tǒng)，所述石墨熱場系統(tǒng)與功率柜上所設(shè)置的接線端相接，其特征在于 還包括水平放置在石英坩堝內(nèi)側(cè)中部的石英筒，所述石英筒為上下均開口的圓柱狀筒體且所述圓柱狀筒體的壁厚為3mm 10mm，所述石英筒的外徑為其所處石英坩堝內(nèi)徑的1/2 1/3 ；所述石英筒與石英坩堝呈同軸布設(shè)，且石英筒的頂部高度不高于石英坩堝的頂部高度；所述石英筒底部沿圓周方向開有用于將石英坩堝內(nèi)腔與石英筒內(nèi)腔連通的多個(gè)通孔， 多個(gè)所述通孔的結(jié)構(gòu)和尺寸均相同且多個(gè)所述通孔呈均勻布設(shè)。上述提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置，其特征在于所述石英筒的頂部與石英坩堝的頂部相平齊，或者石英筒的頂部高度比石英坩堝的頂部高度低2cm 3cm。上述提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置，其特征在于所述通孔的橫截面面積為6mm2 40mm2，且所述通孔的橫截面面積越大，所開通孔的數(shù)量越少。上述提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置，其特征在于所述通孔的數(shù)量為6 個(gè) 2個(gè)。上述提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置，其特征在于所述通孔為開在石英筒底部邊沿上的凹槽。上述提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置，其特征在于所述凹槽的數(shù)量為3個(gè)， 且所述凹槽為直徑為2mm 5mm的半圓形槽。上述提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置，其特征是所述圓柱狀筒體的壁厚為 5mm IOmm0同時(shí)，本發(fā)明還提供了一種操作步驟簡單、實(shí)現(xiàn)方便且處理效果好的提高單晶硅縱向電阻率一致性的處理工藝，其特征在于該工藝包括以下步驟步驟一、硅原料制備及清潔處理按照單晶爐用硅原料的常規(guī)制備方法，制備出生長直拉單晶硅用的硅原料；同時(shí)按照單晶爐用硅原料的常規(guī)清潔處理方法，對(duì)制備出的硅原料進(jìn)行清潔處理；步驟二、裝爐，其裝爐過程如下201、石英坩堝裝入按照單晶爐內(nèi)坩堝的常規(guī)裝爐方法，將外側(cè)套裝有石墨坩堝的石英坩堝裝入主爐室內(nèi)；202、石英筒裝入將石英筒水平放置在已裝入主爐室的石英坩堝內(nèi)，并使得石英筒位于石英坩堝的內(nèi)側(cè)中部；步驟三、裝料，其裝料過程如下301、石英筒固定先自步驟一中清潔處理后的硅原料中取出IOOOg 2000g硅原料平鋪在石英筒的內(nèi)側(cè)底部，并相應(yīng)獲得一層厚度為Cl1的硅原料鋪層；之后，用步驟一中清潔處理后的硅原料，對(duì)石英筒與石英坩堝之間的環(huán)形區(qū)域進(jìn)行填充并形成硅料填充層，且所述硅料填充層的層厚為ZdiiO. 5屯；302、硅原料及摻雜劑裝入將步驟一中清潔處理后的硅原料，分別裝入石英筒和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)；且向石英筒內(nèi)裝入硅原料過程中，對(duì)石英筒內(nèi)所裝硅原料的料面高度進(jìn)行同步觀測，當(dāng)石英筒內(nèi)所裝硅原料的料面高度升至高度Ii1時(shí)，將事先準(zhǔn)備好的生長直拉單晶硅用的摻雜劑全部裝入石英筒內(nèi)；之后，將步驟一中清潔處理后的硅原料全部裝入石英筒和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)，便完成裝料過程；裝料結(jié)束后，石英筒內(nèi)和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)所裝硅原料的料面高度相平齊，且石英筒內(nèi)所裝硅原料的料面高度為Iitl ；其中，Ill = 0. 7h0 士 0. 5h0 ；步驟四、后續(xù)處理步驟三中裝料完成后，采用所述單晶爐且按直拉法的常規(guī)處理工藝，依次完成合爐、抽真空、熔料、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑、收尾和停爐工序后，便獲得拉制成型的硅單晶。上述提高單晶硅縱向電阻率一致性的處理工藝，其特征是步驟301中所述硅原料鋪層的厚度Cl1 = 3cm 5cm，且所述硅料填充層的層厚為2屯。上述提高單晶硅縱向電阻率一致性的處理工藝，其特征是步驟302中所述的高度 Ii1 = 0. 7h0。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、所采用提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理且投入成本低。2、僅需將現(xiàn)有單晶爐的石英坩堝調(diào)換成雙層堝即可，因而本發(fā)明其實(shí)是將石英坩堝調(diào)換成雙層堝的新型單晶爐，其無需對(duì)單晶爐的其它部分結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系和工作原理進(jìn)行任何改進(jìn)或調(diào)整。3、使用操作方便，與現(xiàn)有單晶爐的操作工藝大致相同，區(qū)別之處僅在于將石英坩堝裝爐后，還需在安裝到位的石英坩堝內(nèi)部放置石英筒，并確保石英筒平穩(wěn)在放置于石英坩堝內(nèi)側(cè)中部。4、處理工藝步驟簡單且實(shí)現(xiàn)方便，易于掌握，裝爐之前的準(zhǔn)備工序和裝料之后的后續(xù)處理工序均與現(xiàn)有單晶爐的直拉單晶方法相同，僅是對(duì)裝爐工序和裝料工序進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。5、使用效果好且所拉制成型的硅單晶縱向電阻率一致性好，采用本發(fā)明所拉制硅單晶頭部與尾部的電阻率基本保持一致，大大提高了硅單晶的縱向電阻率一致性。綜上所述，本發(fā)明設(shè)計(jì)合理、使用操作簡便、實(shí)現(xiàn)方便且使用效果好，所拉制硅單晶頭部與尾部的電阻率基本保持一致，大大提高了硅單晶的縱向電阻率一致性。下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的右視圖。圖3為本發(fā)明主爐室內(nèi)所采用雙層堝的安裝位置示意圖。圖4為本發(fā)明所采用石英筒的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明所采用提高單晶硅縱向電阻率一致性的處理工藝流程框圖。附圖標(biāo)記說明1 一籽晶旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu) 4一副爐室； 7—石墨電極； 10—功率拒； 13—冷卻系統(tǒng)；
2—籽晶夾頭； 5—隔離閥； 8—機(jī)架； 11 一電氣控制箱 14 一真空系統(tǒng)；
3—爐體升降開啟機(jī)構(gòu) 6—主爐室； 9 一坩堝驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)； 12—?dú)鍤夤┙o裝置； 15—控制拒；
16—主爐體升降機(jī)構(gòu)； 17-1—石英坩堝； 17-2—石墨坩堝;
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2、圖3及圖4所示，本發(fā)明所述的提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置，包括單晶爐，所述單晶爐包括單晶爐爐體和布設(shè)在單晶爐爐體外側(cè)的功率柜10，所述單晶爐爐體包括主爐室6和位于主爐室6正上方的副爐室4，所述主爐室6內(nèi)設(shè)置有石英坩堝 17-1、布設(shè)在石英坩堝17-1正上方的導(dǎo)流筒、套裝在石英坩堝17-1外側(cè)的石墨坩堝17-2 和布設(shè)在石墨坩堝17-2正下方的石墨熱場系統(tǒng)，所述石墨熱場系統(tǒng)與功率柜10上所設(shè)置的接線端相接。同時(shí)，本發(fā)明還包括水平放置在石英坩堝17-1內(nèi)側(cè)中部的石英筒17-3，所述石英筒17-3為上下均開口的圓柱狀筒體且所述圓柱狀筒體的壁厚為3mm 10mm，所述石英筒17-3的外徑為其所處石英坩堝17-1內(nèi)徑的1/2 1/3。所述石英筒17_3與石英坩堝 17-1呈同軸布設(shè)，且石英筒17-3的頂部高度不高于石英坩堝17-1的頂部高度。所述石英筒17-3底部沿圓周方向開有用于將石英坩堝17-1內(nèi)腔與石英筒17-3內(nèi)腔連通的多個(gè)通孔，多個(gè)所述通孔的結(jié)構(gòu)和尺寸均相同且多個(gè)所述通孔呈均勻布設(shè)。所述石英坩堝17-1和位于石英坩堝17-1內(nèi)的石英筒17-3組成雙層堝。實(shí)際加工制作及安裝時(shí)時(shí)，所述石英筒17-3的頂部與石英坩堝17-1的頂部相平齊，或者石英筒17-3的頂部高度比石英坩堝17-1的頂部高度低2cm 3cm?？筛鶕?jù)實(shí)際具體需要，對(duì)石英筒17-3的高度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使得石英筒17-3水平放入石英筒17-3內(nèi)部后，所述石英筒17-3的頂部高度與石英坩堝17-1的頂部高度相同，或者石英筒17-3的頂部高度比石英坩堝17-1的頂部高度低2cm 3cm。本實(shí)施例中，所述石英筒17_3的頂部高度比石英坩堝17-1的頂部高度低2cm。實(shí)際對(duì)所述通孔進(jìn)行加工時(shí)，所述通孔的橫截面面積為6mm2 40mm2，且所述通孔的橫截面面積越大，所開通孔的數(shù)量越少。因而加工過程中，可根據(jù)所加工通孔的數(shù)量，對(duì)所開通孔的橫截面面積進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。實(shí)際加工時(shí)，所述通孔的數(shù)量為6個(gè) 2個(gè)。為開孔方便，本實(shí)施例中，所述通孔為開在石英筒17-3底部邊沿上的凹槽。所述凹槽的形狀不限，可以為矩形槽、三角形槽、半圓形槽20、半橢圓形槽或其它正多變形槽等。 實(shí)際加工時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需要，選擇所述凹槽的槽形。本實(shí)施例中，所述凹槽的數(shù)量為3個(gè)，且所述凹槽為直徑為2mm 5mm的半圓形槽
17-3 —石英筒
20—半圓形槽
；體
托熱
聞一倚
I I 8 1 1 2
19 一托桿；
22—隔熱體保溫氈。20。實(shí)際加工時(shí)，根據(jù)所述石英筒17-3的直徑大小對(duì)所開半圓形槽20的直徑進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，所述石英筒17-3的直徑越大，所開半圓形槽20的直徑越大。本實(shí)施例中，所述圓柱狀筒體的壁厚為5mm 10mm。實(shí)際加工時(shí)，根據(jù)所述石英筒17-3的直徑大小對(duì)其壁厚進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，所述石英筒17-3的直徑越大，石英筒17-3的
壁厚越大。綜上，本發(fā)明僅對(duì)現(xiàn)有單晶爐的坩堝部分進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，具體是在石英坩堝17-1 內(nèi)放入一個(gè)石英筒17-3，這樣便形成一個(gè)由石英坩堝17-1和石英筒17-3組成的雙層堝。 而本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有單晶爐的其它部分結(jié)構(gòu)均未作改變，結(jié)合圖1和圖2，所述單晶爐爐體外側(cè)還設(shè)置有電氣控制箱11和控制柜15，所述單晶爐爐體安裝在機(jī)架8上。所述副爐室4上部裝有對(duì)籽晶進(jìn)行旋轉(zhuǎn)與提拉的籽晶旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)1，且在拉晶過程中，所述籽晶旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)1的主要作用是提供晶升與晶轉(zhuǎn)速度，通過PCC控制模塊的開關(guān)量變化來控制所拉制硅單晶的晶體直徑。所述籽晶旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)1通過拉繩與重錘相接，對(duì)籽晶進(jìn)行夾持的籽晶夾頭2固定在所述重錘正下方；同時(shí)，所述副爐室4側(cè)部安裝有爐體升降開啟機(jī)構(gòu)3，所述爐體升降開啟機(jī)構(gòu)3的作用是對(duì)副爐室4進(jìn)行升降及開啟的機(jī)構(gòu)。所述副爐室4與主爐室 6之間設(shè)置有隔離閥5。所述石墨熱場系統(tǒng)包括布設(shè)在主爐室6內(nèi)的主保溫筒、布設(shè)在石墨坩堝17-2下方的加熱器、與加熱器進(jìn)行電連接的石墨電極7和布設(shè)在石英坩堝17-1正上方且口徑由上至下逐漸縮小的導(dǎo)流筒。所述導(dǎo)流筒包括外導(dǎo)流筒和套裝在外導(dǎo)流筒內(nèi)的內(nèi)導(dǎo)流筒，所述主保溫筒的上部設(shè)置有上保溫筒且其下部設(shè)置有下保溫筒；所述石墨電極7 布設(shè)在下保溫筒內(nèi)且底部自主爐室6底部伸出，所述外導(dǎo)流筒和內(nèi)導(dǎo)流筒布設(shè)在上保溫筒內(nèi)。對(duì)于硅單晶生長而言，合理的熱場分布應(yīng)該是首先，結(jié)晶界面處的縱向溫度梯度盡可能大些，這樣才能使硅單晶生長有足夠的動(dòng)力；但不能過大，硅單晶既能良好生長，又不能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷和發(fā)生晶變；并應(yīng)盡量是縱向溫度梯度變化平滑，沒有溫度突變區(qū)域，不使硅單晶生長受較大的熱沖擊；同時(shí)，生長界面處的徑向溫度梯度盡量接近于零，以保證結(jié)晶界面平坦。同時(shí)，實(shí)際進(jìn)行安裝時(shí)，所述石墨坩堝17-2底部安裝有鍋托18，且鍋托18的正下方安裝有托桿19，所述石英坩堝17-1布設(shè)在所述主保溫筒內(nèi)。另外，所述主爐室6下方還設(shè)置有對(duì)石英坩堝17-1連同其內(nèi)部所放置石英筒17-3(即所述雙層堝)進(jìn)行升降驅(qū)動(dòng)的坩堝驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)9，所述坩堝驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)9與托桿19進(jìn)行傳動(dòng)連接。所述電氣控制箱11分別與所述單晶爐中需進(jìn)行電氣控制的用電組件相接，并用電組件進(jìn)行相應(yīng)控制。所述單晶爐還包括氬氣供給裝置12、冷卻系統(tǒng)13和對(duì)單晶爐爐體內(nèi)進(jìn)行抽真空處理的真空系統(tǒng)14，與氬氣供給裝置12相接的氬氣充入管路深入至副爐室4內(nèi)。另外，所述主爐室6外側(cè)還設(shè)置有對(duì)主爐室6進(jìn)行升降的主爐體升降機(jī)構(gòu)16。所述氬氣供給裝置12所提供的氬氣在直拉硅單晶工藝中，具有重要的作用一方面，它作為一種保護(hù)氣氛包圍在硅單晶晶體和坩堝內(nèi)熔硅液面周圍，并不斷帶走硅溶液中的揮發(fā)物，以及高溫下其它部位的揮發(fā)物，并由機(jī)械泵排除，保護(hù)了硅單晶的正常生長；另一方面，它由上而下形成均勻的層流從硅單晶晶體表面掠過，帶走結(jié)晶潛熱，也有利于硅單晶生長。所述鍋托18的底部墊裝有隔熱體21，且所述隔熱體21的中上部設(shè)置有隔熱體保溫氈22。如圖5所示的一種提高單晶硅縱向電阻率一致性的處理工藝，包括以下步驟步驟一、硅原料制備及清潔處理按照單晶爐用硅原料的常規(guī)制備方法，制備出生長直拉單晶硅用的硅原料；同時(shí)按照單晶爐用硅原料的常規(guī)清潔處理方法，對(duì)制備出的硅原料進(jìn)行清潔處理。本實(shí)施例中，與常規(guī)準(zhǔn)備生長直拉單晶硅用硅原料的方法相同，先根據(jù)需制作硅單晶的規(guī)格和尺寸，以及所采用單晶爐的型號(hào)及相應(yīng)性能參數(shù)，確定制作硅單晶時(shí)需用硅原料的量。所制備出的硅原料指的是準(zhǔn)備裝入石英坩堝17-2中進(jìn)行單晶拉制的原料，包括還原法生產(chǎn)的多晶硅、硅烷法生產(chǎn)的多晶硅、區(qū)熔單晶頭尾料、邊皮料、堝底料、硅片回收料等。其中，還原法生產(chǎn)的多晶硅為以工業(yè)硅為原料且經(jīng)加工制備得到的原料，純度可達(dá)九個(gè)“9”以上，又稱為高純度多晶硅，其磷含量< 1.5X IO13個(gè)原子/cm3(對(duì)應(yīng)N型電阻率 ^ 300 Ω . cm)；硼含量彡4. 5 X IO12個(gè)原子/cm3 (對(duì)應(yīng)P型電阻率彡3000 Ω .cm)。同時(shí)，當(dāng)一般金屬材料含有少量的雜質(zhì)時(shí)，電阻率變化不大，但純凈的半導(dǎo)體材料摻入少量雜質(zhì)后，電阻率變化巨大，這是半導(dǎo)體材料的一個(gè)基本特征。因此為保證所生產(chǎn)硅單晶的質(zhì)量，拉制硅單晶所用的多晶硅料必須進(jìn)行清潔處理。其中，多晶硅、母合金(即摻雜劑)和籽晶一般用硝酸和氫氟酸混合酸腐蝕，也可以用堿腐蝕。但無論用酸腐蝕或堿腐蝕，酸和堿的純度要高，需采用分析純以上等級(jí)的酸或堿進(jìn)行腐蝕。在準(zhǔn)備生長直拉單晶硅用硅原料的同時(shí)，還需對(duì)生長直拉單晶硅用的摻雜劑進(jìn)行準(zhǔn)備。本實(shí)施例中，采用母合金作為摻雜劑。實(shí)際準(zhǔn)備摻雜劑時(shí)，先根據(jù)需制作硅單晶的型號(hào)和電阻率，且按照常規(guī)方法確定需添加摻雜劑的種類和摻雜量。步驟二、裝爐，其裝爐過程如下201、石英坩堝裝入按照單晶爐內(nèi)坩堝的常規(guī)裝爐方法，將外側(cè)套裝有石墨坩堝 17-2的石英坩堝17-1裝入主爐室6內(nèi)。202、石英筒裝入將石英筒17-3水平放置在已裝入主爐室(6)的石英坩堝17_1 內(nèi)，并使得石英筒17-3位于石英坩堝17-1的內(nèi)側(cè)中部。也就是說，裝入石英坩堝17-1內(nèi)的石英筒17-3的中心軸線與石英坩堝17-1的中心軸線位于同一直線上。步驟三、裝料，其裝料過程如下301、石英筒固定先自步驟一中清潔處理后的硅原料中取出IOOOg 2000g硅原料平鋪在石英筒17-3的內(nèi)側(cè)底部，并相應(yīng)獲得一層厚度為Cl1的硅原料鋪層；之后，用步驟一中清潔處理后的硅原料，對(duì)石英筒17-3與石英坩堝17-1之間的環(huán)形區(qū)域進(jìn)行填充并形成硅料填充層，且所述硅料填充層的層厚為ZdiiO. 5屯。本實(shí)施例中，步驟301中所述硅原料鋪層的厚度Cl1 = 3cm 5cm，且所述硅料填充層的層厚為2屯。實(shí)際處理過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際具體需要，對(duì)硅原料鋪層的厚度和硅料填充層的層厚進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。302、硅原料及摻雜劑裝入將步驟一中清潔處理后的硅原料，分別裝入石英筒 17-3和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)；且向石英筒17-3內(nèi)裝入硅原料過程中，對(duì)石英筒17-3內(nèi)所裝硅原料的料面高度進(jìn)行同步觀測，當(dāng)石英筒17-3內(nèi)所裝硅原料的料面高度升至高度Ii1時(shí)，將事先準(zhǔn)備好的生長直拉單晶硅用的摻雜劑全部裝入石英筒17-3內(nèi)；之后，將步驟一中清潔處理后的硅原料全部裝入石英筒17-3和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)，便完成裝料過程；裝料結(jié)束后， 石英筒17-3內(nèi)和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)所裝硅原料的料面高度相平齊，且石英筒17-3內(nèi)所裝硅原料的料面高度為h0 ；其中，Ii1 = 0. 7h0士0. 5h0。本實(shí)施例中，步驟302中所述的高度Ii1 = 0. 7h0O實(shí)際處理過程中，可根據(jù)實(shí)際具體需要，對(duì)高度Ii1進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。步驟四、后續(xù)處理步驟三中裝料完成后，采用所述單晶爐且按直拉法的常規(guī)處理工藝，依次完成合爐、抽真空、熔料、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑、收尾和停爐工序后，便獲得拉制成型的硅單晶。實(shí)際生產(chǎn)過程中，在步驟二中進(jìn)行裝料之前，還需先拆爐，拆爐的目的是為了取出之前已拉制成型的硅單晶晶體，清理爐膛內(nèi)的揮發(fā)物，清除石墨電極7、加熱器、保溫蓋等石墨件上的附著物、適應(yīng)碎片、石墨顆粒、石墨碳?xì)謮m埃等雜物。拆爐過程中要注意補(bǔ)得帶入新的雜物。拆爐之前先進(jìn)行充氣，具體是先記下拆爐前的爐內(nèi)真空度，之后打開副爐室4內(nèi)的氬氣充氣管路，并充氣到爐內(nèi)壓力為大氣壓力時(shí)關(guān)閉。實(shí)際進(jìn)行取晶時(shí)，先通過爐體升降開啟機(jī)構(gòu)3將副爐室4 (或者將副爐室4連同爐蓋一道)升到上限位置后，緩慢旋轉(zhuǎn)副爐室 4直至能取出硅單晶晶體為止，之后再進(jìn)行取晶。實(shí)際對(duì)主爐室6進(jìn)行拆爐時(shí)，由上至下依次取出導(dǎo)流筒、石英坩堝17-1及石墨坩堝17-2與石英筒17-3、鍋托、托桿以及熱場加熱系統(tǒng)；并對(duì)拆出的上述內(nèi)件進(jìn)行清掃，清掃的目的是將拉晶或煅燒過程中產(chǎn)生的揮發(fā)物和粉塵用打磨、擦拭或吸除等方法清掃干凈。清掃完后，再對(duì)拆出的各內(nèi)件一一進(jìn)行組裝。本實(shí)施例中，步驟四中進(jìn)行后續(xù)處理時(shí)，需按常規(guī)直拉法處理工藝進(jìn)行處理。首先，熔料之前，先關(guān)好爐門對(duì)爐膛內(nèi)進(jìn)行抽真空，直至抽到壓強(qiáng)降至3Pa以下，就可以檢漏， 且確認(rèn)壓升率符合要求便可以啟動(dòng)功率柜10進(jìn)行加熱。啟動(dòng)功率柜10進(jìn)行加熱之前，先充入壓氣至1300 并保持爐壓。之后，開始加熱，分3 4次加熱到高溫且每次加熱時(shí)間約1. 5小時(shí)，加熱功率為70KW 80KW，整個(gè)熔化時(shí)間大約4 5小時(shí)，熔化過程中多晶塊如果附在石墨坩堝17-2與石英筒17-3邊上時(shí)應(yīng)及時(shí)處理，當(dāng)剩有20%左右的多晶塊還未熔化時(shí)就應(yīng)逐漸降溫，并通過坩堝驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)9逐漸升高雙層堝的位置。隨后，利用石墨熱場系統(tǒng)的熱慣量使剩下的多晶塊料繼續(xù)熔化，待多晶熔化完后剛好降到引晶溫度。硅料熔化完后，將雙層堝升高至引晶位置，通過籽晶旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)1轉(zhuǎn)動(dòng)籽晶軸并調(diào)整至引晶溫度，開始引晶。引晶前要確認(rèn)晶轉(zhuǎn)、堝轉(zhuǎn)和引晶堝位，待溫度適宜時(shí)開始引晶。引晶時(shí)首先要判定合適的引晶溫度，當(dāng)籽晶與雙層堝內(nèi)的硅熔液面接觸時(shí)，觀察籽晶和硅熔液面接觸后的光圈情況引晶溫度偏高時(shí)，籽晶一接觸熔硅液面，馬上出現(xiàn)光圈，很亮、很黑且很刺眼，籽晶棱邊處尖角，關(guān)圈發(fā)生抖動(dòng)，甚至熔斷，無法提高拉速縮頸；引晶溫度偏低時(shí)，籽晶和硅熔液面接觸后，不出現(xiàn)光圈，籽晶未被熔接，反而出現(xiàn)結(jié)晶向外長大的現(xiàn)象；只有當(dāng)引晶溫度合適時(shí)，籽晶和熔硅液面接觸后，慢慢出現(xiàn)光圈，但無尖角，光圈柔和圓潤，既不會(huì)長大，也不會(huì)縮小而熔斷。熔接好以后，稍降溫就可以開始進(jìn)行縮頸了，縮頸的目的是為了消除位錯(cuò)。 引晶完成后，將拉速降至0. 4mm/min,開始放大，同時(shí)降低功率，降幅的大小可根據(jù)縮頸時(shí)的拉速大小，縮細(xì)的快慢來決定，實(shí)時(shí)調(diào)整功率。引晶完成后，便進(jìn)行放肩，且放肩過程中可通過觀察放肩時(shí)的現(xiàn)象來判斷放肩質(zhì)量。當(dāng)放肩質(zhì)量好時(shí)，會(huì)出現(xiàn)肩部棱線對(duì)稱、清楚、挺拔且連續(xù)；出現(xiàn)的平面對(duì)稱平坦、光亮，沒有切痕；放肩角合適，表面平滑、圓潤，沒有切痕。而當(dāng)放肩質(zhì)量差時(shí)肩部棱線不挺、 斷斷續(xù)續(xù)，有切痕，說明有位錯(cuò)產(chǎn)生；平面的平坦度差，不夠光亮，時(shí)有切痕，說明有位錯(cuò)產(chǎn)生；放肩角太大，超過了 180°。另外，放肩直徑要及時(shí)測量，以免誤時(shí)來不及轉(zhuǎn)肩而使晶體直徑偏大。放肩過程中，由于放大速度很快，必須及時(shí)監(jiān)測放肩直徑的大小，當(dāng)直徑約差I(lǐng)Omm接近目標(biāo)值時(shí)，即可提高拉速到2. 5mm/min 4mm/min，進(jìn)入轉(zhuǎn)肩工序，此時(shí)會(huì)看到原來位于肩部后方的光圈較快地向前方包圍，最后閉合，為了轉(zhuǎn)肩后晶體直徑不會(huì)縮小，可以預(yù)先降點(diǎn)溫，等轉(zhuǎn)肩完，溫度差不多反應(yīng)過來，直徑就不會(huì)縮小了。光圈由開到閉合的過程就是轉(zhuǎn)肩過程，在這個(gè)過程中，硅單晶晶體仍然在長大，只是速度越來越慢了，最后不再長大，轉(zhuǎn)肩就完成了。如果這個(gè)轉(zhuǎn)肩速度控制量恰到好處，就可以讓轉(zhuǎn)肩后的直徑正好符合要求，這時(shí)，降下拉速到設(shè)定拉速，并按比例跟上堝升，投入自動(dòng)控徑狀態(tài)，即進(jìn)行等徑工序。如果設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，設(shè)定的參數(shù)合理，人機(jī)交接時(shí)配合很好，晶體的等徑生長時(shí)可以正常進(jìn)行到尾部的。待硅單晶晶體等徑生長到尾部，剩料不多的情況下就要進(jìn)行收尾工作，一般收尾長度等于所拉制硅單晶晶體的直徑。收尾完成后，馬上停止堝轉(zhuǎn)、晶轉(zhuǎn)，停止坩堝軸、籽晶軸上下運(yùn)動(dòng)，并加熱功率降到零，冷卻4 5小時(shí)后，。整個(gè)拉晶生產(chǎn)流程結(jié)束。綜上，本發(fā)明所述提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置為對(duì)現(xiàn)有單晶爐的坩堝進(jìn)行改進(jìn)后的新型單晶爐，且其裝爐之前的準(zhǔn)備工序和裝爐結(jié)束后的后續(xù)處理工藝均與現(xiàn)有單晶爐的處理工藝相同。采用本發(fā)明拉制硅單晶時(shí)，通過用底端開有通孔的石英筒17-3將石英坩堝17-1內(nèi)的液相熔硅分隔成兩部分，且實(shí)際摻雜時(shí)只對(duì)石英筒17-3內(nèi)的液相熔硅進(jìn)行摻雜，這樣硅單晶晶體只在石英筒17-3內(nèi)進(jìn)行生長，且隨著硅單晶晶體的生長，石英筒17-3外側(cè)未經(jīng)摻雜的液相熔硅不斷通過石英筒17-3底部所開的通孔進(jìn)入石英筒17-3 內(nèi)，并不斷稀釋石英筒17-3內(nèi)已摻雜的液相熔硅，使石英筒17-3內(nèi)的液相熔硅雜質(zhì)濃度一直穩(wěn)定在預(yù)摻目標(biāo)電阻率對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)濃度值。因而，采用本發(fā)明拉制出的硅單晶頭部與尾部的電阻率基本保持一致，大大提高了硅單晶的縱向電阻率一致性。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置，包括單晶爐，所述單晶爐包括單晶爐爐體和布設(shè)在單晶爐爐體外側(cè)的功率柜(10)，所述單晶爐爐體包括主爐室(6)和位于主爐室(6)正上方的副爐室G)，所述主爐室(6)內(nèi)設(shè)置有石英坩堝(17-1)、布設(shè)在石英坩堝 (17-1)正上方的導(dǎo)流筒、套裝在石英坩堝(17-1)外側(cè)的石墨坩堝(17-2)和布設(shè)在石墨坩堝(17-2)正下方的石墨熱場系統(tǒng)，所述石墨熱場系統(tǒng)與功率柜(10)上所設(shè)置的接線端相接，其特征在于還包括水平放置在石英坩堝(17-1)內(nèi)側(cè)中部的石英筒(17-3)，所述石英筒(17- 為上下均開口的圓柱狀筒體且所述圓柱狀筒體的壁厚為3mm 10mm，所述石英筒 (17-3)的外徑為其所處石英坩堝(17-1)內(nèi)徑的1/2 1/3 ；所述石英筒(17- 與石英坩堝(17-1)呈同軸布設(shè)，且石英筒(17- 的頂部高度不高于石英坩堝(17-1)的頂部高度； 所述石英筒(17-3)底部沿圓周方向開有用于將石英坩堝(17-1)內(nèi)腔與石英筒(17-3)內(nèi)腔連通的多個(gè)通孔，多個(gè)所述通孔的結(jié)構(gòu)和尺寸均相同且多個(gè)所述通孔呈均勻布設(shè)。
2.按照權(quán)利要求1所述的提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置，其特征在于所述石英筒(17- 的頂部與石英坩堝(17-1)的頂部相平齊，或者石英筒(17- 的頂部高度比石英坩堝(17-1)的頂部高度低2cm 3cm。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置，其特征在于所述通孔的橫截面面積為6mm2 40mm2，且所述通孔的橫截面面積越大，所開通孔的數(shù)量越少。
4.按照權(quán)利要求3所述的提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置，其特征在于所述通孔的數(shù)量為6個(gè) 2個(gè)。
5.按照權(quán)利要求4所述的提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置，其特征在于所述通孔為開在石英筒(17- 底部邊沿上的凹槽。
6.按照權(quán)利要求5所述的提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置，其特征在于所述凹槽的數(shù)量為3個(gè)，且所述凹槽為直徑為2mm 5mm的半圓形槽Q0)。
7.按照權(quán)利要求1或2所述的提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置，其特征在于所述圓柱狀筒體的壁厚為5mm 10mm。
8.一種利用如權(quán)利要求1所述裝置提高單晶硅縱向電阻率一致性的處理工藝，其特征在于該工藝包括以下步驟步驟一、硅原料制備及清潔處理按照單晶爐用硅原料的常規(guī)制備方法，制備出生長直拉單晶硅用的硅原料；同時(shí)按照單晶爐用硅原料的常規(guī)清潔處理方法，對(duì)制備出的硅原料進(jìn)行清潔處理；步驟二、裝爐，其裝爐過程如下.201、石英坩堝裝入按照單晶爐內(nèi)坩堝的常規(guī)裝爐方法，將外側(cè)套裝有石墨坩堝 (17-2)的石英坩堝(17-1)裝入主爐室(6)內(nèi)；.202、石英筒裝入將石英筒(17- 水平放置在已裝入主爐室(6)的石英坩堝(17-1) 內(nèi)，并使得石英筒(17-3)位于石英坩堝(17-1)的內(nèi)側(cè)中部；步驟三、裝料，其裝料過程如下.301、石英筒固定先自步驟一中清潔處理后的硅原料中取出IOOOg 2000g硅原料平鋪在石英筒(17- 的內(nèi)側(cè)底部，并相應(yīng)獲得一層厚度為Cl1的硅原料鋪層；之后，用步驟一中清潔處理后的硅原料，對(duì)石英筒(17-3)與石英坩堝(17-1)之間的環(huán)形區(qū)域進(jìn)行填充并形成硅料填充層，且所述硅料填充層的層厚為ZdiiO. 5屯；302、硅原料及摻雜劑裝入將步驟一中清潔處理后的硅原料，分別裝入石英筒(17-3) 和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)；且向石英筒(17- 內(nèi)裝入硅原料過程中，對(duì)石英筒(17- 內(nèi)所裝硅原料的料面高度進(jìn)行同步觀測，當(dāng)石英筒(17- 內(nèi)所裝硅原料的料面高度升至高度Ii1時(shí)，將事先準(zhǔn)備好的生長直拉單晶硅用的摻雜劑全部裝入石英筒(17- 內(nèi)；之后，將步驟一中清潔處理后的硅原料全部裝入石英筒(17- 和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)，便完成裝料過程；裝料結(jié)束后，石英筒(17- 內(nèi)和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)所裝硅原料的料面高度相平齊，且石英筒(17-3)內(nèi)所裝硅原料的料面高度為h0 ；其中，Ill = 0. 7h0士0. 5h0 ；步驟四、后續(xù)處理步驟三中裝料完成后，采用所述單晶爐且按直拉法的常規(guī)處理工藝，依次完成合爐、抽真空、熔料、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑、收尾和停爐工序后，便獲得拉制成型的硅單晶。
9.按照權(quán)利要求8所述的提高單晶硅縱向電阻率一致性的處理工藝，其特征在于步驟301中所述硅原料鋪層的厚度Cl1 = 3cm 5cm，且所述硅料填充層的層厚為2屯。
10.按照權(quán)利要求8或9所述的提高單晶硅縱向電阻率一致性的處理工藝，其特征在于步驟302中所述的高度Ii1 = 0. 7h0O
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高單晶硅縱向電阻率一致性的裝置及其處理工藝，其裝置包括單晶爐，單晶爐主爐室內(nèi)設(shè)置有石英坩堝、導(dǎo)流筒、石墨坩堝和石墨熱場系統(tǒng)，還包括水平放置在石英坩堝內(nèi)側(cè)中部的石英筒，石英筒底部沿圓周方向開有用于將石英坩堝內(nèi)腔與石英筒內(nèi)腔連通的多個(gè)通孔；其處理工藝包括步驟一、硅原料制備及清潔處理；二、石英坩堝與石英筒組成的雙層堝裝爐；三、裝料；四、后續(xù)處理按常規(guī)直拉法的處理工藝，依次完成合爐、抽真空、熔料、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑、收尾和停爐工序。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理、使用操作簡便、實(shí)現(xiàn)方便且使用效果好，所拉制硅單晶頭尾的電阻率基本保持一致，大大提高了硅單晶的縱向電阻率一致性。
文檔編號(hào)C30B15/14GK102260900SQ20111019764
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
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