專利名稱：直拉硅單晶爐裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種制備單晶硅的裝置，具體地，涉及一種直拉硅單晶爐裝置。
背景技術：
21世紀，世界能源危機促進了光伏市場的發展，晶體硅太陽能電池是光伏行業的 主導產品，占市場份額的90%。在國際市場的拉動下，我國太陽能光伏發電產業發展迅速， 我國太陽能電池年產量由原來占世界份額的發展到世界份額的10%以上。與其他晶體 硅太陽能電池相比，單晶硅太陽能電池的轉化率較高，但其生產成本也高。隨著世界各國對 太陽能光伏產業的進一步重視，特別是發達國家制定了一系列的扶持政策，鼓勵開發利用 太陽能，另外，隨著硅太陽能電池應用面的不斷擴大，太陽能電池的需求量越來越大，硅單 晶材料的需求量同比擴大。單晶硅生長技術有兩種，區熔法(FZ)和直拉法(CZ)，其中直拉法應用最廣泛。直 拉法單晶硅的生長過程是將多晶硅放入單晶生長爐中加熱熔融，在熔融的多晶硅中插入 一個籽晶，調整熔融硅液面的溫度，使其接近熔點溫度，然后驅動籽晶自上而下伸入熔融硅 并旋轉，然后緩緩上提籽晶，則單晶硅體進入錐體部分的生長，當錐體直徑接近所需的目標 直徑時，提高籽晶的提升速度，則單晶硅體直徑不再增大而進入晶體的中部生長階段；生長 接近尾期時，再提高籽晶的提升速度，單晶硅體逐漸脫離熔融硅，形成下錐體而結束生長。 用這種方法生長出來的單晶硅，其形狀為兩端呈錐形的圓柱體，將該圓柱體切片即得到單 晶硅半導體原料，這種圓形單晶硅片適于做集成電路材料。單晶硅是微電子技術的材料基石，對單晶硅質量的要求越來越高，這對晶體生長 技術也提出了更加嚴格的要求。直拉單晶硅在單晶爐內生長過程中處于低真空狀態，且不 斷向單晶爐內充入惰性保護氣體以帶走由于單晶硅從熔體中結晶時散發的結晶潛熱和硅 熔體揮發的一氧化硅顆粒，然后從單晶爐抽氣口中排出，圖1是該裝置的保護氣體的流動 示意圖。專利申請號為200620148936. X中公開了一種具有保護氣控制裝置的直拉單晶爐， 其排氣口設置在石墨保溫套筒上部。但是無論排氣口設置在何處，保護氣體均不能很好地 將單晶爐中的雜質脫離生長中的單晶硅表面，從而污染物的濃度增加，使得單晶硅的純度 不能達到要求。綜上所述，目前使用的直拉單晶爐所拉制的單晶硅，其純度不高，其整個單 晶硅不同部位的純度偏差較大，鑒于現有技術的上述缺陷，提出了本實用新型的直拉單晶
直o
發明內容本實用新型的一個目的是提供一種直拉硅單晶爐裝置，該單晶硅裝置拉制的單晶 硅的純度高。本實用新型的另一個目的是提供一種提高單晶硅純度的直拉單晶方法，利用該方 法能夠使單晶硅在生長過程中，周圍環境中完全處于惰性氣體的保護下，從而使的拉制出 的單晶硅的純度提高。[0007]為實現本實用新型第一個目的，提供一種直拉硅單晶爐裝置，其包括副室、爐腔、 熱屏支撐板、熱屏、保溫層、石英坩堝、石墨坩堝、加熱器，其中，在爐腔中硅熔體的上方設置 一個兩端開口的罩體，所述罩體沿著單晶硅生長的方向、且罩體的開口正對著單晶硅的方 向設置，罩體與硅熔體液面接近的一端與硅熔體液面具有一間距。所述罩體與爐腔或/和副室相連接，其優選罩體的上端與爐腔或副室相連接，更 優選罩體的上端與副室相連接。本實用新型所述的罩體與爐腔或/和副室的連接方式可以有多種，只要能夠將罩 體固定于爐腔內，沿著單晶硅生長的方向、且罩體的開口正對著單晶硅的方向即可。例如， 所述的罩體的上端設置為向外的凸緣，該凸緣搭接在副室或爐腔的托臺，將罩體固定；或者 在罩體上均勻的設置幾個孔，同時在副室的壁上與罩體的孔相對應的位置設置凹槽，利用 銷釘將罩體固定在爐腔內；或者通過一個固定圈將罩體固定在爐腔內，還有多種途徑可以 實現上述連接，只要能將本實用新型的罩體固定于爐腔適當的位置即可。本實用新型的罩體與硅熔體液面接近的一端與硅熔體液面具有一間距，該間距只 要能將外界雜質與單晶隔開即可。其中優選罩體與硅熔體液面接近的一端與硅熔體液面的 距離為大于0、且小于100mm。所述的罩體的形狀為長筒形。所述的長筒形的罩體的橫截面為棱形、圓柱形或橢圓的柱體等，其優選圓柱形。所述的罩體是由一段、或兩段以上的罩體組合而成。所述的罩體的材質為所有耐高溫的材料，本實用新型優選石英。石英材質的熔點可達到1730°C，在單晶爐中長時間的高溫下，其不會熔融，同時， 便于觀察單晶硅的生長情況。所述罩體也可以由其他耐高溫、透明的材質制成。本實用新型的另一個目的一種直拉硅單晶的方法，包括以下步驟在惰性氣體環 境下熔融硅晶體、單晶硅生長，其中，在單晶硅生長過程中，在爐腔中惰性氣體的流向是逆 著單晶硅的生長方向圍繞著單晶硅形成氣柱，然后惰性氣體從距硅熔體較近的罩體底端流 向爐腔，最終經排氣口排出。在單晶硅生長過程中，所述的單晶硅是在罩體內沿著罩體向上生長；所述的惰性 氣體是通過副室流向罩體，再沿著罩體流向硅熔體液面，最終經排氣口排出。通過在生長的單晶硅外部加一個罩體，在硅原料熔化、單晶硅放肩和生長過程中， 單晶爐內有很多雜質，當單晶硅外設置一個罩體，其惰性氣體從副室流下經過罩體，可以避 免上述雜質對單晶硅造成污染，提高了單晶硅的純度；同時，該氣體能將硅單晶更好的散發 結晶時產生的潛熱，以便結晶速度更快，提高了單晶硅的生產速度。罩體內通過氣體的流速對單晶硅純度的提高沒有顯著效果。在惰性氣體流速相同的情況下，圖1所示單晶爐裝置與圖2所示單晶爐裝置各所 拉制的單晶硅，其由圖2所示裝置拉制的單晶硅棒的純度均高于同等條件下由圖1所示裝 置拉制的單晶硅棒的純度，并且圖2所示裝置拉制的單晶硅棒橫向、縱向的純度偏差很小。本實用新型的直拉單晶方法及其裝置，由于單晶硅生長的過程中，受到罩體的保 護，單晶爐內的雜質僅有少量可以進入罩體，同時，罩體內有從副室通入的惰性氣體，能夠 迅速、及時的將少量的雜質帶到罩體外，隨之從排氣口排出，所以拉制的單晶硅比現有技術 的單晶硅的純度提高了 10倍以上，其單晶硅的性能更能很好的滿足市場需要；該裝置在現
4有技術的基礎上，安裝很簡單，成本低，拉制的整個單晶硅棒的純度均很高，均能滿足要求。
圖1是現有技術直拉法拉制單晶硅的單晶爐結構示意圖；圖2是本實用新型實施例1-4直拉法拉制單晶硅的單晶爐結構示意圖；圖3是本實用新型實施例1-4罩體結構示意圖。
具體實施方式
以下用非限定性實施例對本實用新型作進一步的說明，會有助于對本實用新型及 優點、效果的更好的理解。1、副室；2、吊環；3、托臺；4、凸緣；5、罩體；6、熱屏支撐板；7、熱屏；8、籽晶；9、硅 晶棒；10、石英坩堝；11、石墨坩堝；12、排氣口 ；13、加熱器；14、硅熔體；15、保溫層；16、爐 腔；18、石英筒。實施例1如圖2所示，直拉單晶爐包括副室1 (未全部畫出)和爐腔16，在副室1上設置有 托臺3，其中托臺3用以支撐罩體5，圖3為罩體的示意圖，所述罩體5的上端為凸緣4，凸 緣4搭接在托臺3上，將罩體5固定，所述的罩體5的凸緣上還設置了吊環2，其在安裝罩體 時使用，罩體5也可以通過其他連接方式固定于爐腔16內，只要能將本實用新型的罩體固 定于爐腔適當的位置即可。所述的罩體5由石英制成，其他耐高溫且透明的材料也可以制 成罩體5 ；在爐腔16中設置有支撐熱屏7的熱屏支撐板6、保溫層15、加熱器13、石英坩堝 10、石墨坩堝11以及排氣口 12等。在單晶硅拉制過程中，惰性氣體如氬氣從副室1流經罩體5，最終夾帶著罩體內的 雜質從排氣口 12排出爐腔16，由于罩體5的存在，在熔融或拉制單晶過程中產生的雜質，大 部分雜質被罩體5分隔與罩體外部，只有極小量進入罩體內，同時，隨著惰性氣流直接流向 罩體5，使之很快夾帶著雜質從罩體5下端流出，然后經排氣口 12排出爐腔，而從使得拉制 的單晶硅的純度提高。在該實施例中所用的罩體5的下端距硅熔體液面的距離為20mm，罩體的長度可根 據實際需要進行調整，該實施例的罩體的長度為所拉單晶硅棒總長度的80%，罩體的形狀 為圓柱形，是由一段石英管構成。上述方法拉制的單晶硅與使用本領域所屬技術人員公知的拉制單晶硅的拉制方 法拉制出的單晶硅棒相比，其純度高于現有技術的拉制單晶硅純度的12倍。實施例2其他操作方法和罩體完全同實施例1，不同的是，罩體的形狀為圓柱形，罩體5下 端距硅熔體液面的距離為40mm，罩體的長度為所拉單晶硅棒總長度的100%。上述方法拉制的單晶硅與使用本領域所屬技術人員公知的拉制單晶硅的拉制方 法拉制出的單晶硅棒相比，其純度高于現有技術的拉制單晶硅純度的10倍。實施例3其他操作方法和罩體完全同實施例1，不同的是，罩體的形狀為圓柱形，罩體5的 下端距硅熔體液面的距離為60mm，罩體5的長度為所拉單晶硅棒總長度的70%。
5[0037]上述方法拉制的單晶硅與使用本領域所屬技術人員公知的拉制單晶硅的拉制方 法拉制出的單晶硅棒相比，其純度高于現有技術的拉制單晶硅純度的11倍。實施例4其他操作方法和罩體完全同實施例1，不同的是，罩體5的下端距硅熔體液面的距 離為30mm，罩體5的長度為所拉單晶硅棒總長度的90%，罩體5的形狀為圓柱形。上述方法拉制的單晶硅與使用本領域所屬技術人員公知的拉制單晶硅的拉制方 法拉制出的單晶硅棒相比，其純度高于現有技術的拉制單晶硅純度的11倍。實施例5本實施例其他操作方法和罩體5完全同實施例1，不同的是，罩體5為由兩段罩體 組合而成的。生產出的單晶硅棒其純度比利用現有技術拉制的單晶硅的純度提高10倍。實施例6本實施例其他操作方法和罩體完全同實施例1，不同的是，罩體5的形狀為四棱 柱，。生產出的單晶硅棒其純度比利用現有技術的純度提高10倍。實施例7本實施例其他操作方法和罩體完全同實施例1，不同的是，罩體5設置在爐腔16 上。生產出的單晶硅棒其純度比利用現有技術拉制的單晶硅的純度提高10倍。上述具體實施例僅僅為了更詳細的說明本實用新型的內容，并不限定其保護范 圍，本領域技術人員僅僅借鑒本實用新型內容做出的改變或替代后的技術方案均沒有脫離 本實用新型的發明本質和保護范圍。
權利要求一種直拉硅單晶爐裝置，其包括副室(1)、爐腔(16)、熱屏支撐板(6)、熱屏(7)、保溫層(15)、石英坩堝(10)、石墨坩堝(11)、加熱器(13)，其特征在于，在爐腔(16)中硅熔體(14)的上方設置一個兩端開口的罩體(5)，所述罩體(5)沿著單晶硅生長的方向、且罩體(5)的開口正對著單晶硅的方向設置，罩體(5)與硅熔體(14)液面接近的一端與硅熔體(14)液面具有一間距。
2.根據權利要求1所述的直拉硅單晶爐裝置，其特征在于，所述罩體(5)與爐腔(16) 或/和副室⑴相連接。
3.根據權利要求2所述的直拉硅單晶爐裝置，其特征在于，所述罩體(5)的上端與爐腔 (16)或副室(1)相連接。
4.根據權利要求2或3所述的直拉硅單晶爐裝置，其特征在于，所述罩體(5)的上端與 副室⑴相連接。
5.根據權利要求1所述的直拉硅單晶爐裝置，其特征在于，所述罩體(5)與硅熔體 (14)液面接近的一端與硅熔體(14)液面的距離為大于0、且小于100mm。
6.根據權利要求1所述的直拉硅單晶爐裝置，其特征在于，所述的罩體(5)的形狀為長筒形。
7.根據權利要求6所述的直拉硅單晶爐裝置，其特征在于，所述的長筒形的罩體(5)的 橫截面為棱形、圓柱形或橢圓的柱體。
8.根據權利要求7所述的直拉硅單晶爐裝置，其特征在于，所述的長筒形的罩體(5)的 橫截面為圓柱形的柱體。
9.根據權利要求1所述的直拉硅單晶爐裝置，其特征在于，所述的罩體(5)是由一段、 或兩段以上的罩體組合而成。
專利摘要本實用新型提供了一種提高單晶硅純度的直拉硅單晶爐裝置，該單晶爐裝置的特征在于，在爐腔(16)中硅熔體(14)的上方設置一個兩端開口長筒形的罩體(5)，所述罩體(5)的上端設置于爐腔的上部，開口正對著副室，或設置于副室(1)內，罩體(5)與硅熔體(14)液面接近的一端與硅熔體(14)液面具有一間距。利用帶有罩體的單晶爐裝置所拉制的單晶硅的純度比現有技術的單晶爐裝置所得單晶的純度提高了10倍以上，并且單晶硅棒各部分的純度偏差也較小。
文檔編號C30B15/00GK201648562SQ20102018293
公開日2010年11月24日 申請日期2010年5月7日 優先權日2010年5月7日
發明者周儉 申請人:內蒙古晟納吉光伏材料有限公司;周儉