[發(fā)明專利]橫截面呈十字形的硅單晶棒及其生長裝置和生長方法

有效

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• 申請日: 2022-08-24
• 公開（公告）號: CN115354388B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發(fā)明（設計）人: 許堃;李濤勇;吳超慧
• 申請（專利權）人: 宇澤半導體（云南）有限公司
• 主分類號: C30B15/00
• 分類號: C30B15/00;C30B29/06
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 任燕妮

本發(fā)明涉及半導體及光伏領域，公開了橫截面呈十字形的硅單晶棒及其生長裝置和生長方法。硅單晶棒生長裝置，包括：爐體，由外至內設置在爐體內的隔熱組件、分區(qū)加熱機構、支撐坩堝和石英坩堝，以及從爐體的頂部伸入爐體內且與坩堝的軸線對應的提拉機構，提拉機構伸入爐體內的端部用于連接籽晶；分區(qū)加熱機構以及支撐坩堝和石英坩堝的橫截面呈十字形，三者同軸設置；爐體上設置有可從爐體的外部監(jiān)測到其內部晶體生長信息的監(jiān)測窗。硅單晶棒生長方法，包括采用上述裝置實施硅單晶棒的生長。硅單晶棒，采用上述方法生長得到，該硅單晶棒的橫截面呈十字形，其具有生產效率高、成本低，熱應力小、產品質量高，利用率高的特點。

技術領域

本發(fā)明涉及半導體及光伏技術領域，具體而言，涉及橫截面呈十字形的硅單晶棒及其生長裝置和生長方法。

背景技術

使用大尺寸硅單晶片、拉制大直徑硅單晶，是降低光伏電池制造成本的重要措施之一。然而，用直拉法能拉制的硅單晶直徑是有上限的，目前拉制直徑超過400mm硅單晶的技術瓶頸主要在于傳熱學的限制。晶體生長的動力是溫度梯度，溫度梯度依賴于晶體表面的散熱。在晶體生長一定長度后，晶體頂端表面的散熱可以忽略，主要考慮晶體側面的散熱。晶體的熱端是固液界面，冷端是晶體的側表面。

一方面，冷-熱端的面積比：

也就是說，硅晶體冷-熱端的面積比R₁與硅單晶棒的半徑r成反比。較小的R₁不利于硅單晶棒散熱。

另一方面，較小直徑的硅單晶傳熱路徑較短，晶體側面溫度較高，而輻射傳熱的效率與物體表面溫度的4次方成正比。

綜合起來看，隨著硅單晶直徑的增大，硅單晶棒的散熱條件越來越差，特別是晶體硅棒的中心，散熱條件更差。為了維持晶體生長所需的晶體固-液表面必要的溫度梯度，只能設法降低晶體的表面溫度，但是此舉將使晶體的徑向溫差變大，增加晶體的熱應力，嚴重時，甚至導致晶體炸裂。

鑒于此，特提出本發(fā)明。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供橫截面呈十字形的硅單晶棒及其生長裝置和生長方法。

本發(fā)明是這樣實現的：

第一方面，本發(fā)明實施例提供一種橫截面呈十字形的硅單晶棒生長裝置，包括：爐體，由外至內設置在爐體內的隔熱組件、分區(qū)加熱機構、支撐坩堝和石英坩堝，以及從爐體的頂部伸入爐體內且與石英坩堝的軸線對應的提拉機構，提拉機構伸入爐體內的端部用于連接籽晶；

石英坩堝、支撐坩堝的橫截面呈十字形，分區(qū)加熱機構圍護在支撐坩堝的周邊，三者同軸設置；

爐體上設置有可從爐體的外部監(jiān)測到其內部晶體生長狀況的監(jiān)測窗。

在可選的實施方式中，硅單晶棒生長裝置還包括控制系統(tǒng)以及一個或多個光學探測器，一個或多個光學探測器設置在爐體之外，用于透過監(jiān)測窗觀察爐體內部晶體生長狀況，每個光學探測器與控制系統(tǒng)通信連接，用于將探測到的晶體生長信息發(fā)送至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與分區(qū)加熱機構通信連接，控制系統(tǒng)根據晶體生長信息判斷并執(zhí)行是否向分區(qū)加熱機構下發(fā)指令對不同區(qū)域的加熱功率和時間進行調整。

在可選的實施方式中，光學探測器的設置數量為至少4個。

在可選的實施方式中，硅單晶棒生長裝置還包括坩堝升降機構，坩堝升降機構的一端位于爐體內，用于承托支撐坩堝和石英坩堝的底部。

在可選的實施方式中，硅單晶棒生長裝置還包括水平位置控制機構，水平位置控制機構與提拉機構和/或坩堝升降機構連接，控制系統(tǒng)與水平位置控制機構通信連接；

水平位置控制機構用于通過控制提拉機構調控籽晶的方位角度和水平位置，和/或用于通過控制坩堝升降機構調控石英坩堝的方位角度和水平位置。