一种多晶硅二次加料装置及方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种多晶硅二次加料装置及方法。

背景技术：

半导体行业生产过程中，多晶硅铸锭是多晶硅片生产的必不可少的重要生产环节，在设备允许的情况下提高单炉次的装料量是降低生产成本的重要途径。由于加料时石英坩埚中的多晶硅之间存在空隙并且硅熔体的密度大于固体硅的密度，造成多晶硅熔化后体积收缩。为了降低硅单晶生长成本，多晶硅熔化后均需要进行二次加料操作。

现有技术中的多晶硅二次加料装置如图1所示，其二次加料装置1下部石英锥11为三角石英锥，置于石英管20的下端开口，在加料过程中三角石英锥11边缘部分易被多晶硅料打碎，并易进入熔融熔体中影响单晶生长；而且连接石英锥11的是一条吊丝31，吊丝31为钼丝，在加料时由于吊丝31与多晶硅的接触造成硅料污染，造成晶体品质下降。

其次，现有技术中，二次加料工艺有两种：一是均加小粒度的多晶硅原料，如图2所示，但是这使得前期准备的制造成本大大增加。二是小粒度与大粒度分层加料，如图3所示，但是这使得大粒度多晶硅之间间隙增大，减小了二次投料量。

因此，需要设计一种防污染，减小多晶硅之间间隙而增加二次加料量的多晶硅二次加料装置及方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多晶硅二次加料装置及方法，以解决现有的多晶硅二次加料污染和加料量小的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多晶硅二次加料装置，所述多晶硅二次加料装置包括石英管、石英半球及石英柱，其中：

所述石英管为上下开口的圆管；

所述石英半球位于所述石英管下方，所述石英半球的直径大于所述石英管直径；

所述石英柱位于所述石英管内部，所述石英柱下端与所述石英半球连接。

可选的，在所述的多晶硅二次加料装置中，所述石英半球的球面正对所述石英管下方开口。

可选的，在所述的多晶硅二次加料装置中，所述石英柱上端露出所述石英管上方开口。

可选的，在所述的多晶硅二次加料装置中，所述石英柱上端连接吊丝。

本发明还提供一种多晶硅二次加料方法，所述多晶硅二次加料方法的步骤如下：

加料：向多晶硅二次加料装置中加入小粒度的多晶硅与中粒度的多晶硅混合组成的多晶硅，或中粒度的多晶硅与大粒度的多晶硅混合组成的多晶硅；

放料：打开石英半球，向石英坩埚中放入所述加料步骤中加入的多晶硅。

可选的，在所述的多晶硅二次加料方法中，所述加料次数为1或2次。

可选的，在所述的多晶硅二次加料方法中，所述加料次数为2次时，先加入小粒度的多晶硅与中粒度的多晶硅混合组成的多晶硅，再加入中粒度的多晶硅与大粒度的多晶硅混合组成的多晶硅。

可选的，在所述的多晶硅二次加料方法中，所述加料前，向多晶硅二次加料装置中加入小粒度多晶硅。

可选的，在所述的多晶硅二次加料方法中，所述小粒度多晶硅的粒度小于等于3mm。。

可选的，在所述的多晶硅二次加料方法中，所述中粒度多晶硅的粒度范围为3mm～45mm。

可选的，在所述的多晶硅二次加料方法中，所述大粒度多晶硅的粒度范围为45mm～90mm。

可选的，在所述的多晶硅二次加料方法中，所述放料次数为1～3次。

可选的，在所述的多晶硅二次加料方法中，所述放料步骤中，每次放入石英坩埚中的多晶硅的平均粒度不变。

本发明提供的一种多晶硅二次加料装置中，通过把多晶硅二次加料装置下部的三角石英锥替换为石英半球，增加了石英半球边缘的厚度，防止石英半球在加料时边缘破碎，而且石英半球的坡度变得更大，多晶硅料下降更加顺畅。将吊丝置换成石英柱，防止了吊丝对多晶硅料的污染。

本发明提供的一种多晶硅二次加料方法中，采用梯度混合加料方法，减小多晶硅之间的间隙大小及数目，增大二次加料量；且无需对多晶硅进行过多前期加工，降低成本。另外，多次加料时首先加入小粒度多晶硅再加入大粒度多晶硅，因为小粒度多晶硅投放入石英坩埚中时，由于本身质量轻，不易引起石英坩埚中熔融的硅料的飞溅，而且将其加入后小粒度多晶硅会浮在熔体表面上，大大减少后续投放的大粒度多晶硅与熔体接触所产生的飞溅情况；进一步的，因为不同层硅料粒度不一样，采用依次开口的方式，可以通过下端开口即石英半球开口的大小进行控制，分多次投放多晶硅，降低石英坩埚中熔融硅料的飞溅。

附图说明

图1是现有的多晶硅二次加料装置剖面示意图；

图2是现有的多晶硅二次加料方法示意图；

图3是现有的多晶硅二次加料方法示意图；

图4是本发明实施例一多晶硅二次加料装置剖面示意图；

图5是本发明实施例二多晶硅二次加料装置剖面示意图；

图6是发明实施例三多晶硅二次加料方法示意图；

图7是发明实施例三多晶硅二次加料方法示意图；

图8是发明实施例四多晶硅二次加料方法示意图；

图9是发明实施例五多晶硅二次加料方法示意图；

图中所示：1-多晶硅二次加料装置；10-石英半球；11-石英锥；20-石英管；30-石英柱；31-吊丝。

具体实施方式

以下结合附图4～9和五个具体实施例对本发明提出的多晶硅二次加料装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种防止石英锥在加料时边缘破碎和使用钼制作的吊丝对多晶硅料的污染多晶硅二次加料装置，以及一种减小多晶硅之间的间隙大小及数目，增大二次加料量，不易引起石英坩埚中熔融的硅料的飞溅的多晶硅二次加料方法。

为实现上述思想，本发明提供了一种多晶硅二次加料装置，包括石英管、石英半球及石英柱，所述石英管为上下开口的圆管，所述石英半球位于所述石英管下方，所述石英半球的直径大于所述石英管直径；所述石英柱位于所述石英管内部，所述石英柱下端与所述石英半球连接。多晶硅二次加料方法：向多晶硅二次加料装置中加入小粒度的多晶硅与中粒度的多晶硅混合组成的多晶硅，或中粒度的多晶硅与大粒度的多晶硅混合组成的多晶硅；打开石英半球，向石英坩埚中放入多晶硅。

<实施例一>

如图4所示，图4是本发明实施例一多晶硅二次加料装置剖面示意图；本专利采用分段式设计，如图中所示，多晶硅二次加料装置1包括石英半球10、石英管20及石英柱30，其中：所述石英管20为上下开口的圆管；所述石英半球10位于所述石英管20下方，所述石英半球10的直径大于所述石英管20直径；所述石英柱30位于所述石英管020内部，所述石英柱30下端与所述石英半球10连接。所述石英半球10的球面正对所述石英管20下方开口。所述石英柱30上端露出所述石英管20上方开口。

多晶硅二次加料装置1通过把多晶硅二次加料装置1下部的三角石英锥11替换为石英半球10，增加了石英半球10边缘的厚度，防止石英半球10在加料时边缘破碎，而且石英半球10的坡度变得更大，多晶硅料下降更加顺畅。将石英柱30替换吊丝31，防止原有吊丝31对多晶硅的污染。

<实施例二>

如图5所示，图5是本发明实施例二多晶硅二次加料装置剖面示意图；与实施例一的区别在于：本实施例的所述石英柱30上端连接吊丝31，本实施例中的吊丝31的作用为拉伸石英柱30上下移动，控制石英半球10对石英管20的开启和关闭。

吊丝31为符合强度要求和温度要求的金属丝，可以不选择成本昂贵的钼丝，而是选择更多低成本种类的金属丝。

综上，上述实施例对多晶硅二次加料装置1的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

<实施例三>

如图6～7所示，图6与图7是发明实施例三多晶硅二次加料方法示意图；本发明中多晶硅二次加料方法的步骤如下：加料：向多晶硅二次加料装置中加入小粒度的多晶硅与中粒度的多晶硅混合组成的多晶硅，或中粒度的多晶硅与大粒度的多晶硅混合组成的多晶硅；放料：打开石英半球，向石英坩埚中放入所述加料步骤中加入的多晶硅。

在图6中，本实施例中采用小粒度的多晶硅与中粒度的多晶硅混合组成的多晶硅加料。

在图7中，本实施例中采用中粒度的多晶硅与大粒度的多晶硅混合组成的多晶硅加料。

本实施例中，所述加料次数为1次。所述小粒度多晶硅的粒度小于等于3mm；所述中粒度多晶硅的粒度范围为3mm～45mm；所述大粒度多晶硅的粒度范围为45mm～90mm。优选地，在选择不同粒度多晶硅时，各个不同粒度的多晶硅的粒度大小的相差较大，使不同粒度的多晶硅实现充分混合。

进一步的，本实施例的放料次数为2到3次，优选的为2次，首先降下石英柱30或吊丝31，使石英半球10打开石英管20下方的开口，开口缝隙的宽度使多晶硅刚好可以通过，然后第一次放入一部分多晶硅，然后拉起石英柱30或吊丝31，使石英半球10关闭石英管20下方的开口，等石英坩埚中的熔融的多晶硅料平静后，再次降下石英柱30或吊丝31，使石英半球10打开石英管20下方的开口，然后第二次放入剩余的多晶硅。分2次放料可以避免一次全部放入大量的多晶硅料，投入石英坩埚时，造成熔融的多晶硅料四处飞溅，石英坩埚中熔融硅料飞溅的熔体进入炉体，会对炉体产生污染，并影响所拉制的晶棒的质量；其次由于为石英坩埚加热的加热器是石墨材料，飞溅的熔体溅到加热器上后，在高温下硅与石墨会发生反应，这会大大降低加热器的使用寿命，进而增加生产成本；另外，熔体的飞溅引起安全问题，造成人身伤害或导致炉子发生打火。

需要注意的是，不能一边加料一边放料，因为加料是必须要在高真空环境下做的，边加料边放料会氧化并污染硅料，所以必须在加料步骤全部结束后再进行放料步骤，而在放料步骤结束之前，不能再进行加料步骤。

与现有技术中的均加小粒度的多晶硅原料和小粒度与大粒度分层(第一层只加细硅料，第二层只加中等硅料，第三层堆粒度更大块的硅料)加料不同，本实施例的梯度混合加料将不同粒度的多晶硅料混合，形成小粒度的多晶硅与中粒度的多晶硅混合组成的多晶硅料和中粒度的多晶硅与大粒度的多晶硅混合组成的多晶硅料。本实施例采用梯度混合加料方法，减小多晶硅之间的间隙大小及数目，增大二次加料量；且无需对多晶硅进行过多前期加工，降低成本。

<实施例四>

如图8所示，图8是发明实施例四多晶硅二次加料方法示意图；与实施例三的不同在于，本实施例中，所述加料次数为2次，第一次加料，先加入小粒度的多晶硅与中粒度的多晶硅混合组成的多晶硅，然后第二次加料，加入中粒度的多晶硅与大粒度的多晶硅混合组成的多晶硅。本实施例采用梯度混合加料方式：图中所示，根据粒度的不同，多晶硅料明显分为2层，下层为中粒度多晶硅和小粒度多晶硅混合构成的多晶硅，上层为中粒度多晶硅和大粒度多晶硅混合构成的多晶硅。对应的，本实施例中可以分2次进行放料，每次放料时，每次放入石英坩埚中的多晶硅的平均粒度不变，即首先，降下石英柱30或吊丝31，使石英半球10打开石英管20下方的开口，开口缝隙的宽度等于或稍大于中粒度多晶硅的粒度，且小于大粒度多晶硅的粒度，使小粒度多晶硅和中粒度多晶硅刚好可以通过，而大粒度多晶硅不能通过，然后第一次放入下层的中粒度多晶硅和小粒度多晶硅混合构成的多晶硅，然后拉起石英柱30或吊丝31，使石英半球10关闭石英管20下方的开口，等石英坩埚中的熔融的多晶硅料平静后，再次降下石英柱30或吊丝31，使石英半球10打开石英管20下方的开口，开口缝隙的宽度等于或稍大于大粒度多晶硅的粒度，然后第二次放入上层的中粒度多晶硅和大粒度多晶硅混合构成的多晶硅。

分两次加料，可以分别加入不同粒度的多晶硅，并且使较小粒度的多晶硅料位于下层，较大粒度的多晶硅料位于上层，采用依次开口的方式，可以通过下端开口即石英半球10开口的大小进行控制，分2次投放多晶硅，可以降低石英坩埚中熔融硅料的飞溅。

<实施例五>

如图9所示，图9是发明实施例五多晶硅二次加料方法示意图；与实施例三及实施例四的不同在于，本实施例在所述加料前，即在加入中粒度多晶硅和小粒度多晶硅混合构成的多晶硅和中粒度多晶硅和大粒度多晶硅混合构成的多晶硅之前，首先向多晶硅二次加料装置中加入小粒度多晶硅。

本实施例采用梯度混合加料方式：图中所示，根据粒度的不同，多晶硅料明显分为3层，最下层为小粒度多晶硅，中间层为中粒度多晶硅和小粒度多晶硅混合构成的多晶硅，而最上层为中粒度多晶硅和大粒度多晶硅混合构成的多晶硅。

进一步的，本实施例中放料次数为3次，即首先，降下石英柱30或吊丝31，使石英半球10打开石英管20下方的开口，开口缝隙的宽度等于或稍大于小粒度多晶硅的粒度，且小于中粒度多晶硅的粒度，使小粒度多晶硅刚好可以通过，而中粒度多晶硅和大粒度多晶硅不能通过，然后第一次放入最下层的小粒度多晶硅，然后拉起石英柱30或吊丝31，使石英半球10关闭石英管20下方的开口，等石英坩埚中的熔融的多晶硅料平静后，第二次降下石英柱30或吊丝31，使石英半球10打开石英管20下方的开口，开口缝隙的宽度等于或稍大于中粒度多晶硅的粒度，然后第二次放入中间层的小粒度多晶硅和中粒度多晶硅混合构成的多晶硅，然后拉起石英柱30或吊丝31，使石英半球10关闭石英管20下方的开口，等石英坩埚中的熔融的多晶硅料平静后，第三次降下石英柱30或吊丝31，使石英半球10打开石英管20下方的开口，开口缝隙的宽度等于或稍大于大粒度多晶硅的粒度，最后放入最上层的中粒度多晶硅和大粒度多晶硅混合构成的多晶硅。

由于小粒度多晶硅投放入石英坩埚中时，由于本身质量轻，不易引起石英坩埚中熔融的硅料的飞溅，而且将其加入后小粒度多晶硅会浮在熔体表面上，大大减少后续投放的中粒度多晶硅和大粒度多晶硅与熔体接触所产生的飞溅情况。并且本实施例依然可以采用依次开口的方式，可以通过下端开口即石英半球10开口的大小进行控制，分多次投放多晶硅，降低石英坩埚中熔融硅料的飞溅。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。