專利名稱：浮法硅晶片的制作工藝和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬晶體生長，具體涉及一種硅晶片的制作工藝和設備。
技術背景硅屬于非金屬，原子序數(shù)為14，原子量28.0855 g.mo廣1，硅材料廣泛應用 于半導體、太陽能電池等工業(yè)領域。生產(chǎn)半導體級別的硅片或制造太陽能電池 硅片多采用的直拉單晶制造法(Czochralski， CZ法)或區(qū)熔法。半導體用的硅 材料多使用單晶硅，太陽能電池有使用單晶硅或者是多晶硅。公知技術中，多晶硅的制備方法很多，主要有以四氯化硅為原料的還原法、 以三氯化硅為原料氫還原和熱分解法，以及以硅垸熱分解法等。單晶硅制作工 藝主要采用用直拉單晶制造法(Czochralski, CZ法)和浮動區(qū)熔法(FZ法)。 拉晶法，例如US3679370號專利(CRYSTAL GROWER WITH EXPANDABLE CHAMBER)、 CN1150355號專利(結(jié)晶的連續(xù)提拉方法和裝置)，基本采用將 原料多硅晶塊放入石英坩堝中，在單晶爐中加熱熔化，再將一根直徑只有10mm 的棒狀晶種(稱籽晶)浸入熔液中。在合適的溫度下，熔液中的硅原子會順著 晶種的硅原子排列結(jié)構(gòu)在固液交界面上形成規(guī)則的結(jié)晶，成為單晶體。把晶種 微微的旋轉(zhuǎn)向上提升，熔液中的硅原子會在前面形成的單晶體上繼續(xù)結(jié)晶，并 延續(xù)其規(guī)則的原子排列結(jié)構(gòu)。若整個結(jié)晶環(huán)境穩(wěn)定，就可以周而復始的形成結(jié) 晶，最后形成一根圓柱形的原子排列整齊的硅單晶晶體，即硅單晶錠。當結(jié)晶 加快時，晶體直徑會變粗，提高升速可以使直徑變細，增加溫度能抑制結(jié)晶速 度。反之，若結(jié)晶變慢，直徑變細，則通過降低拉速和降溫去控制。經(jīng)引晶、 拉晶開始，先引出一定長度，直徑為3 5mm的細頸，以消除結(jié)晶位錯，這個 過程叫做引晶。然后放大單晶體直徑至工藝要求，進入等徑生長階段，直至大 部分硅熔液都結(jié)晶成單晶錠，再經(jīng)收尾，只剩下少量剩料。浮動區(qū)熔法(FZ法)， 例如類似于CN1139678號專利(單晶生長的方法)，是將預先處理好的多晶硅 棒和籽晶一起豎直固定在區(qū)熔爐中，以高頻感應對多晶硅棒從頭至尾定向移動 加熱，形成熔融區(qū)結(jié)晶，反復多次使硅棒提純。CN1095505號專利(生產(chǎn)單晶
硅的直拉區(qū)熔法)公開的技術方案將上述兩種方法結(jié)合使用。上述技術方案都是非連續(xù)性生產(chǎn)，效率低，設備投資較大，耗時長。且制 成單晶棒后還需切片、打磨和拋光，增加工序，加大損耗。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是為了提高硅片生產(chǎn)率,降低生產(chǎn)成本，提供一種連續(xù)性、大規(guī)模和 低成本生產(chǎn)硅片的設備和工藝。本發(fā)明采取的技術方案如下一種浮法硅晶片的制作工藝，其采取融熔、結(jié)晶成型、打磨切割連續(xù)工藝 制取A:融熔硅原料，將硅原料通過加料裝置加入到坩鍋中，坩鍋內(nèi)的溫度設在 高于硅熔點1421。C以上，固態(tài)的硅原料在1421。C以上熔化成液態(tài)硅，液態(tài)硅 上方經(jīng)加料口連續(xù)排除氬氣或其他惰性氣體；B-結(jié)晶成型，結(jié)晶區(qū)料槽與坩鍋排液口相連通，槽內(nèi)充滿液態(tài)的錫金屬或 其他熔點低于硅熔點的合金為載體，靠近出料口溫度高于硅的熔點1421。C，另 一端的溫度介于142rC到400。C，當液態(tài)硅移至浮法成型區(qū)末端時，液態(tài)硅會 凝固成固態(tài)，結(jié)晶區(qū)相應硅表面上層相對靠近坩鍋排液口設置的擋板調(diào)節(jié)控制 晶片的厚度，其溫度設定在使料槽底部盛放的熔點低于硅熔點溫度的金屬液呈 熔融態(tài)，結(jié)晶區(qū)相應硅表面上層相對靠近坩鍋排液口設置的擋板調(diào)節(jié)控制晶片 的厚度；C:成型結(jié)晶硅片經(jīng)冷卻段冷卻、打磨拋光后，根據(jù)需要在切割晶片區(qū)切割 晶片。結(jié)晶區(qū)料槽底部盛放的熔點低于硅熔點溫度的金屬為錫金屬。 采用浮法硅晶片的制作工藝的設備，坩鍋為長方形，加料口向鍋內(nèi)方向設 置氣體噴嘴，連續(xù)排出氬氣或其他惰性氣體，結(jié)晶區(qū)料槽與坩鍋排液口連接為 一體，結(jié)晶區(qū)相應硅表面上層相對靠近坩鍋排液口設置擋板。坩鍋排液口設置 為U型，排液口低于浮法結(jié)晶區(qū)內(nèi)液態(tài)錫等載體的液面。本發(fā)明采取連續(xù)工藝制取多晶體或單晶體，特別是結(jié)晶成型工藝采取了與 硅熔點差別較大的錫金屬，使發(fā)明取得了料想不到的效果。錫的熔點為292'C，沸點為2270°C,使用錫不但可使硅浮于錫液表層凝固成型，還可使硅單晶的有 害重金屬雜質(zhì)通過擴散到達硅單晶表面，最后進入到熔錫中。


附圖為浮法硅晶片制作工藝的設備原理中，l-加料裝置，2-柑鍋，3-坩鍋排液口， 4-結(jié)晶區(qū)料槽，5-擋板，6-冷 卻段，7-打磨拋光段，8-切割晶片區(qū)。
具體實施方式
以下為本發(fā)明的具體實施例。實施例是用來說明本發(fā)明的，而不是對本發(fā) 明作任何限制。將硅原料通過加料裝置加入到坩鍋2中，坩鍋內(nèi)的溫度設在高于硅熔點1421 。C以上，固態(tài)的硅原料在1421°C以上熔化成液態(tài)硅。為防止硅和空氣中的氧 氣和氮氣反應，坩鍋的設計和普通坩鍋有所不同，加料裝置1附近可裝有氣體 噴嘴，會連續(xù)排除氬氣或其他惰性氣體，避免于空氣接觸。坩鍋的形狀為長方 形， 一端為加料裝置1，另一端為坩鍋排液口 3，坩鍋排液口 3設計在坩鍋的底 部。這樣的坩鍋設計可以實現(xiàn)連續(xù)加料，連續(xù)熔煉生成液態(tài)硅。和現(xiàn)有的直拉 單晶法和鑄造法不同，二者只能是斷續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)率低，成本高。柑鍋排液口 3設置為U型，出料口低于浮法結(jié)晶區(qū)內(nèi)液態(tài)錫等載體的液面， 由于液體硅的密度小于液態(tài)載體的密度，液態(tài)硅會自動上浮，這樣可以減少液 體排出時所產(chǎn)生的噴濺現(xiàn)象。與坩鍋排液口 3銜接的是浮法結(jié)晶區(qū)，結(jié)晶區(qū)內(nèi)是充滿液態(tài)的錫金屬或其 他的熔點的金屬作為載體，由于液態(tài)硅的浮力小于載體，液態(tài)硅就會浮在上面， 靠近出料口的載體溫度高于硅的熔點。液態(tài)硅會隨著重力的因素繼續(xù)沿著結(jié)晶 區(qū)向前移動，經(jīng)過耐高溫的擋板5時，會因為擋板5與載體的空隙使流到此處 的液態(tài)硅形成一定的厚度，擋板5可通過高精密度的步進電機與電腦控制，可 以將擋板與載體的空隙控制到微米級別的精度，使凝固后的硅片厚度控制到 1000微米。在擋板的另一端10厘米，載體溫度會降至1300°C-1400°C。這時液
態(tài)硅就會結(jié)晶變成固態(tài)硅，形成一定厚度的固體硅板。如果要制作單晶硅片， 需要使用平板狀的單晶體晶種(籽晶)浸入到熔液中，在合適的溫度下，熔液中的 硅原子會順著晶種的硅原子排列結(jié)構(gòu)在固液交界面上形成規(guī)則的結(jié)晶，成為單 晶體。把晶種微微的旋轉(zhuǎn)并向前拉伸，熔液中的硅原子會在前面形成的單晶體 上繼續(xù)結(jié)晶，并延續(xù)其規(guī)則的原子排列結(jié)構(gòu)。若整個結(jié)晶環(huán)境穩(wěn)定，就可以周而復始的形成結(jié)晶,形成單晶體的硅片。這個方法基本上和cz直拉單晶法類似，對原材料的純度要求高，通常對雜質(zhì)含量要少過ppb。但是此發(fā)明因為是連續(xù) 結(jié)晶，只需要使用一次晶種。如果要制作多晶體的硅片，則不需要晶種就可將 液態(tài)硅凝固。控制好適當?shù)臏囟忍荻?，就會得到更加細化的晶粒。這種方法會 比鑄造法優(yōu)異，避免在鑄模周圍形成枝狀晶。在此區(qū)域，會有惰性氣體將硅材 料與空氣隔絕，避免形成氧化硅和氮化硅等不良雜質(zhì)。凝結(jié)的硅板會通過機械方式傳送到冷卻段6，在此區(qū)域里，高溫凝固的硅板 會繼續(xù)冷卻，直到室溫。在這個區(qū)域里，冷卻方式有傳導式的熱板冷卻，也可 以設計成氣流冷卻的對流式。冷卻方式會影響到硅板中晶粒的形狀和大小。經(jīng)過降溫，硅板繼續(xù)前進到打磨及拋光段7，在這里整塊的硅板會經(jīng)過打磨 及拋光，這里的工藝是連續(xù)不間斷的進行。研磨片是安裝在上方，在水平方向 做往復性移動。沿著硅板前進的方向排列不同級別的研磨片，可以完成從粗磨 到精密拋光。無論是CZ直拉單晶法，還是區(qū)熔法法，都是先做成晶錠，然后切 割成硅片，再做研磨和拋光。由于硅屬于一種脆性材料，切割方式和金屬不同， 再技術上屬于打磨的形式，用切割器將材料斷面擠開。此外在斷面上會形成微 裂紋，需要用研磨的方式去掉一定厚度的材料才可以完全消除微裂紋。在生產(chǎn) 過程中，近一半的材料會被浪費掉。此發(fā)明是預先做成一定厚度，省去了切割， 這樣就可以大大減少材料的成本，約在50%以上。拋光后的晶片會在切割區(qū)(8)被鉆石切割器或激光切割器切割成不同尺寸的 硅片，硅片會轉(zhuǎn)離生產(chǎn)線，進行晶邊的打磨，然后放置到包裝箱內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種浮法硅晶片的制作工藝，其特征是采取融熔、結(jié)晶成型、打磨切割連續(xù)工藝制取A融熔硅原料，將硅原料通過加料裝置(1)加入到坩鍋(2)中，坩鍋內(nèi)的溫度設在高于硅熔點1421℃以上，固態(tài)的硅原料在1421℃以上熔化成液態(tài)硅，液態(tài)硅上方經(jīng)加料口連續(xù)排除氬氣或其他惰性氣體；B結(jié)晶成型，結(jié)晶區(qū)料槽(4)與坩鍋排液口(3)相連通，槽內(nèi)充滿液態(tài)的錫金屬或其他熔點低于硅熔點的合金為載體，靠近出料口溫度高于硅的熔點1421℃，另一端的溫度介于1421℃到400℃，當液態(tài)硅移至浮法成型區(qū)末端(4)時，液態(tài)硅會凝固成固態(tài)，結(jié)晶區(qū)相應硅表面上層相對靠近坩鍋排液口(3)設置的擋板(5)調(diào)節(jié)控制晶片的厚度；C成型結(jié)晶硅片經(jīng)冷卻段(6)冷卻、打磨拋光段(7)后，根據(jù)需要在切割晶片區(qū)(8)切割晶片。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的浮法硅晶片的制作工藝，其特征是結(jié)晶區(qū)料槽(4) 底部盛放的熔點低于硅熔點溫度的金屬為錫金屬。
3、 一種采用浮法硅晶片的制作工藝的設備，其特征是:坩鍋(2)為長方形， 加料口 (1)向鍋內(nèi)方向設置氣體噴嘴，連續(xù)排出氬氣或其他惰性氣體，結(jié)晶區(qū) 料槽(4)與坩鍋排液口 (3)連接為一體，結(jié)晶區(qū)相應硅表面上層相對靠近坩 鍋排液口 (3)設置擋板(5)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的浮法硅晶片制作工藝的設備，其特征是結(jié)晶區(qū)料 槽(4)后端可聯(lián)接冷卻段(6)、打磨拋光段(7)和切割晶片區(qū)(8)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的浮法硅晶片制作工藝的設備，其特征是坩鍋排液 口 (3)設置為U型，坩鍋排液口 (3)低于浮法結(jié)晶區(qū)(4)內(nèi)液態(tài)錫等載體的 液面。
全文摘要
一種浮法硅晶片的制作工藝，采取融熔、結(jié)晶成型、打磨切割連續(xù)工藝制取。將硅原料通過加料裝置(1)加入到坩鍋(2)中，坩鍋內(nèi)的溫度設在高于硅熔點1421℃以上，固態(tài)的硅原料在1421℃以上熔化成液態(tài)硅，液態(tài)硅上方經(jīng)加料口連續(xù)排除氬氣或其他惰性氣體，結(jié)晶區(qū)料槽(4)與坩鍋排液口(3)相連通，槽內(nèi)充滿液態(tài)的錫金屬或其他熔點低于硅熔點的合金為載體，靠近出料口溫度高于硅的熔點1421℃，另一端的溫度介于1421℃到400℃，當液態(tài)硅移至浮法成型區(qū)末端(4)時，液態(tài)硅會凝固成固態(tài)，結(jié)晶區(qū)上層相對靠近坩鍋排液口(3)設置擋板(5)調(diào)節(jié)控制晶片的厚度，成型結(jié)晶硅片經(jīng)冷卻段(6)冷卻、打磨拋光段(7)后，根據(jù)需要在切割晶片區(qū)(8)切割晶片。適用于浮法制取太陽能電池和半導體硅晶片。
文檔編號C30B35/00GK101133194SQ200680001905
公開日2008年2月27日 申請日期2006年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月16日
發(fā)明者靳永鋼 申請人:靳永鋼