专利名称：单晶炉内一种控氧生长的装置的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体分离技术领域，特别是涉及一种生产、分离单晶硅时的一种控 氧生长的装置。
背景技术：
目前，我国半导体单晶硅棒(碇)的生产厂家在生产半导体硅材料时，大多采用单 晶炉直拉式来生产单晶硅棒(碇)的，这些单晶硅棒(碇)大多用于制造单晶硅太阳能电 池；科学研究发现P型(掺硼)单晶硅太阳能电池出现初始光致衰减现象与硅片中的硼氧 浓度有关，当光照或电流注入时将导致硅片中的硼和氧形成硼氧复合体，从而使少子寿命 降低，B+20-(光照或电流注入)BO2.根据有关文献记载，硅片中的硼、氧含量越大，光照 或电流注入条件下产生的硼氧复合体越多，少数载流子寿命降低幅度就越大；而在低氧的 硅片中，少子寿命随光照时间的衰减幅度极小，所以降低单晶硅中的氧含量，就可以减少太 阳能单晶硅电池功率的衰减，而对于传统的半导体单晶硅棒(碇)的生产来说，控制单晶硅 棒(碇)中的氧含量一般来说是难以做到的。传统生产是用单晶炉直拉式来生产单晶硅棒 (碇)的，在晶体生长过程中氧主要是由石英坩埚受热产生，氧来源于熔解的石英坩埚，并 通过熔体热对流不断向晶体和熔体自由表面输运而进入单晶晶体的拉伸生长整个过程中 的；氧的生成原理和输运机理为高温的熔体(1420°C )氧和石英坩埚反应，反应方程式如 下Si+Si02 — 2Si0生成的SiO进入到硅熔体中，在单晶的拉制过程中，晶转和埚转会对熔体的对流 产生很大影响，再加上熔体本身的热对流，因此，进入硅熔体中的SiO会被输送到熔体的表 面。此时大部分的Si0(99%)会在熔体表面挥发，然后被过程中加入的氩气(Ar)带走，剩 余的SiO(1% )会在硅熔体中分解，如下所示SiO — Si+0分解后所产生的氧在随后的生长拉伸过程中进入硅单晶，并在最后以间隙态存在 于硅晶体中，所以，为了使单晶硅太阳能电池的光电转换率得到提高，降低光衰减率，就要 从生产过程着手来降低单晶硅棒(碇)拉伸过程中的氧含量而现有的单晶炉它存在着以 下缺陷加热器的叶片高度太高，这样使坩埚底部的热源面积大，因此石英坩埚受热就大， 石英坩埚底部的硅和氧的反应就剧烈，同时单晶炉内纵向温度梯度大，热对流强，氧含量、 氧浓度相对就高，另外冷却导流装置的导流机构不很理想，所以就不能快速把氧从硅液面 带走，从而增加氧和单晶的接触时间和机会，因此氧在单晶生长拉伸过程中进入硅单晶内 就增多。
发明内容
本发明的目的是要解决、改革现有单晶炉结构中存在的缺陷，提供单晶炉内的一 种控氧生长的装置。这种装置它能有效的降低单晶生长拉伸过程中进入硅单晶内氧的含
3量。本发明提出的目的是这样实现的在设计改造该炉内结构时，我们针对原来炉内 结构上存在的坩埚底部的热源面积较大，即石英坩埚底部受热较多，促使石英坩埚底部的 硅和氧的反应很剧烈，所以在生产过程中产生的氧就较多的缺陷；采取把原加热器叶片其 底部，即在下保温筒的这部分加热器叶片减短了、在上盖板上新增加了一个加密式导流筒、 把用作下保温筒保温的保温层碳毡增加了层数。加热器叶片其底部，即在下保温筒的这部分加热器叶片减短了 100mm，也就是把 加热器除去了围绕埚底部一圈的叶片使之减短了 100mm;除此以外，其加热器叶片的结构、 材质、安装、连接方法都和原来的一样；在上盖板上再增加一个加密式导流筒，这加密式导 流筒就是两头通的石墨园筒子，它搁置在上盖板上，位于炉盖和上盖板之间，与炉盖、上盖 板活动连接；再就是提高了下保温筒的保温效果，把用作下保温筒保温的保温层碳毡层数 增加到10-12层，其安装方法与原来一样，加强了下保温筒的保温效果；改革后的导流装置 能加速冷却速度，降低了纵向温度梯度，减小热对流，这样可从晶体和熔体界面带走更多的 氧，从而降低了氧含量，使熔/埚边界层厚度增大，氧含量亦会下降，来减少产生的硼氧复 合体，从而提高了单晶硅太阳能电池的光电转换率；同时，在具体操作时把拉晶功率控制到 45KW以下；虽然它们看起来是独立的部件，但具有较强的耦合作用，从而达到发明的目的。本发明由于改进了单晶炉中的加热器、增加一个加密式导流筒、加强了下保温筒 的保温效果，这样能有效的减少生产过程中氧的产生、滞留；该装置结构简单、造价低廉、安 装方便、使用操作与原来一样方便、能有效控制氧的生成、输送及减少了氧进入单晶的过程 和数量等优点。
本发明的具体结构由以下的实施例及其附图给出。图1是根据本发明提出的单晶炉内一种控氧生长的装置其结构的正视剖视示意 图。下面结合图1，详细说明依据本发明提出的具体装置的结构细节及工作情况。图1中1、炉颈；2、炉盖；3、氩气吹入方向；4、加密式导流筒；5、快速冷却导流筒； 6、上盖板[石墨保温盖]；7、上保温筒；8、上保温罩；9、中保温罩；10、石英坩埚；11、石墨坩 埚；12、中保温筒；13、加热器；14、炉内间隙；15、加热器连接石墨电极的脚；16、下保温筒； 17、下保温罩；18、石墨电极；19、炉筒；20、炉抽气孔；21、气流方向；22、炉腔；23、埚转轴； 24、石墨托碗。
具体实施例方式如图1所示，本发明提供的直拉法生长硅单晶控氧生长装置的操作步骤主要包 括热场安装、装料、加热、拉晶、冷却等；热场安装安装炉内的各部件(均为石墨件)，要 从下往上安装(就是先拆的石墨件后装，后拆的石墨件先装)；关键是在装加热器(13)时， 电极和电极螺丝一定要拧紧，确保加热器(13)无晃动，各部件安装要尽量对中，加强下保 温筒(16)的保温效果，碳毡层数增加到10-12层，中保温筒(12)、上保温筒(7)，上的碳毡 层数为6-8层，把保温罩装好后，安装上盖板[石墨保温盖](6)，使上盖板[石墨保温盖](6)和石墨托碗(24)对中，各热场部件尽量保持在一个同心圆的状态。具体安装顺序如下 石墨件安装前用吸尘器再吸一遍；加热器(13)通过加热器连接石墨电极的脚(15)和石墨 电极(18)用石墨螺丝紧固相接后拧紧到金属电极螺丝上确保加热器(13)无晃动；放入准 备好的碳毡，一般为6层，然后盖上上盖板[石墨保温盖](6)；依次放下保温罩(17)，中保 温罩(9)和上保温罩(8)等三个保温罩，注意放的时候不要碰到加热器(13)；安装埚转轴
(23)并用金属螺丝紧固，从控制柜上打开埚转电源，看转动有无异常，接着装上石墨托碗
(24)和石墨坩埚(11)；然后，用酒精擦拭炉筒密封圈并盖上炉筒(19)。装料，更换装料用 的手套和装料服；装石英坩埚(10)，先把石英坩埚(10)对着光检查有无异常，然后用酒精 擦拭石英坩埚(10)内壁并放入石墨坩埚(11)内；在石英坩埚(10)底部放入硅小料使之铺 上一小层，放入母合金，再用小料盖上，再放入大小不一的硅料，大料放中间，中型料放在大 料四周，撒上小块硅料使其进入缝隙中，如此反复，装料50-55kg;装料完成后将埚转给定 到2rpm，确认有无磨擦碰撞，并将埚位快速降至0. 5英寸处；埚位降到位后停埚转，装好上 盖板[石墨保温盖](6)，快速冷却导流筒(5)，再放上加密式导流筒(4)；检查上盖板[石墨 保温盖](6)，快速冷却导流筒(5)和加密式导流筒⑷的密封性，不可以出现较大缝隙；合 上炉盖(2)；接着检查炉体真空状况打开真空泵电源，1分钟后打开抽气阀；抽气到IOpa 左右再打开氩气吹气2分钟，如此反复进行三次；待炉内真空抽至5pa以下后，关闭抽气阀， 检查炉体漏率，小于0. 67pa/3min方为合格。加热熔料打开抽气阀和氩气流量开关；在控 制柜上打开加热开关；根据下表逐步增加电压 熔料时，[埚位要比加热器改革前高些]应先把埚位放到+0. 5英寸至+1. 0英寸 之间，根据熔料情况逐步下降埚位。料化到三分之一时，见明显蹋下以后，把埚位降至0位。 但不能再低于O位。降温稳定料化完后打开埚转晶转电源，给定埚转2转晶转8转，维持 高温半小时；分三次将功率降至[上次引晶功率]45kw，稳定维持1个小时；单晶拉制引 晶，等液面温度不波动时，缓慢下降上轴，使籽晶刚刚接触到液面。如发现温度偏高或偏低， 应即时调整功率。如温度在1416度时，等光圈包圆后，打开晶升电源开关，缓慢提拉籽晶， 当拉出的细颈出现四条棱(<100>晶体)，说明引晶成功，否则应重新熔接籽晶；缩颈，用籽 晶引出单晶后，开始缩细颈，缩细颈是为了排除引出单晶中的位错。细颈的直径一般控制在 3-5mm,细颈的长度约为细颈直径的6_8倍。缩细颈的拉速可快可慢，一般为3-6mm/min ’放 肩，缩细颈完成后，拉速降至0. 4mm/min左右，并且适当降温，使晶体长粗。放肩的角度一般 控制为150度左右。转肩，等放肩的直径长大到目标直径的75-80%时，缓慢提高拉速，若发 现晶体生长过快或提拉速超过0. 6mm/min时要适当升温，开始转肩，使晶体平滑地达到目 标直径。转肩快完成时，逐渐地把拉速调整到拉制等径的拉速，打开埚升电源，并且给上坩 埚随动。等径，转肩后在晶体直径合适时，调整直径控制的镜头，压好光圈约1/3，投入自动 控制拉制单晶，同时控制炉室压力，晶体的拉速，氩气流速和晶转、堝转，给定适当的埚比， 使堝位保持在快速导流筒(4)下沿与液面之间的距离保持在10-20mm。根据改革后的加热器(13)的加温特点，温校补偿要稍大些。收尾，当石英坩埚⑶中熔硅剩料彡10%时，开始 收尾。退出直径控制，逐渐升温，必要时也可适当提高一些拉速，使晶体收细，收尾一半时， 可停止坩埚随动，尾部最好收成圆锥形。收尾完后，提升晶体或降低埚位，使晶体脱开液面 30-40毫米，防止石英坩埚中熔硅结晶膨胀碰着晶体。停炉，晶体拉完并脱离开液面后，停止 坩埚旋转，关闭上轴提拉，把上轴转速调慢直至为零，拉速给定2mm/min退出温度自控，一 定要使用保温工艺，先降功率到25kw保持15分钟，共半小时内功率降至0，关闭加热电源， 这期间还要合理降埚位，埚底料液面结晶后5分钟内降埚位20mm，切勿降得过低。停止加热 一小时后关闭氩气，待真空抽到极限，先关闭抽空管道阀门，再停真空泵；停止加热4. 5-5 小时以后可拆炉取晶体。
权利要求
单晶炉内一种控氧生长的装置，其特征是该控氧生长的装置是把原加热器叶片其底部，即在下保温筒的这部分加热器叶片减短了，在上盖板上新增加了一个加密式导流筒，把用作下保温筒保温的保温层碳毡增加了层数。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是所说的加热器叶片减短了100mm，其加热器叶 片的结构、材质、安装、连接方法都和原来一样；所说的加密式导流筒就是两头通的石墨园 筒子，它搁置在上盖板上，位于炉盖和上盖板之间，与炉盖、上盖板活动连接；所说的用作下 保温筒保温的保温层碳毡层数增加到10-12层，其安装方法与原来一样。
全文摘要
本发明属于半导体分离技术领域，特别是涉及一种生产、分离单晶硅时的一种控氧生长的装置。该装置是在单晶炉中对加热器、导流筒、下保温系统作改革；降低了加热器的叶片高度，使坩埚底部的热源面积减少，使石英坩埚底部受热少，在生产过程中产生的氧比较少；对密封导流系统进行了改革，在上盖板上再增加一个加密式导流筒，新的导流装置能加速冷却速度，对炉内下保温系统进行改革，加强了下保温筒的保温效果，可从晶体和熔体界面，带走更多的氧，降低氧含量，减少产生的硼氧复合体，本发明能有效的减少生产过程中氧的产生、滞留，它结构简单、造价低廉、安装、使用操作方便、能有效控制氧的生成、输送，减少了氧进入单晶的过程和数量。
文档编号C30B29/06GK101922040SQ200910099710
公开日2010年12月22日 申请日期2009年6月10日 优先权日2009年6月10日
发明者江国庆 申请人:江国庆