本發(fā)明涉及一種硅片提拉裝置及其控制方法。

背景技術：

硅是一種非金屬，原子序數14，相對原子質量28.0855g/mol，在半導體領域以及光伏領域有廣泛的應用?，F有成熟技術中，通常使用直拉法(CZ法)以及區(qū)熔法(HZ法)生產單晶硅。在半導體領域內多使用單晶硅，光伏產業(yè)中單晶硅以及多晶硅都有應用。

在傳統(tǒng)垂直提拉法生長單晶硅工藝中，由于需要獲得超薄的硅片，需要進行大量后處理(線切割、打磨拋光等)，在后處理的過程中大量的原料被浪費，從而導致生產成本的大大增加，為了減少材料的損耗，開發(fā)了多種直接硅片制造工藝，如導模法(EFG)、線拉帶硅法(SR)【Mackintosh B,Seidl A,Ouellette M,et al.Large silicon crystal hollow-tube growth by the edge-defined film-fed growth(EFG)method[J].Journal of Crystal Growth,2006,287(2):428-432.；Shin C.State-of-the-art silicon device miniaturization technology and its challenges[J].Ieice Electronics Express,2014,11(10):20142005-20142005.】。雖然這兩種方法已經開始商業(yè)化，但是仍舊存在提拉速度慢，晶片質量不高等缺點以至于無法得以量產。1950年由shockley

提出了水平生長條帶狀硅的方法，1960年首個HRG法被提出，但是無法實現，經過多年的發(fā)展，水平法的理論基礎已相對完備，基于這些理論研究，提出了這種新的水平提拉硅晶片的方法。

技術實現要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種硅片提拉裝置及其控制方法。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種硅片提拉裝置，包括加熱爐以及控制系統(tǒng)，所述加熱爐內設置有鉗鍋，所述鉗鍋內設置有隔板，該隔板將鉗鍋內腔分隔為熔化區(qū)和主區(qū)，所述隔板上開設有流通間隙用于使熔化區(qū)和主區(qū)連通，熔化區(qū)上方固定設置加熱器，所述加熱爐的左側設置有用于插入鉗鍋的熔化區(qū)進料管以及用于向鉗鍋內通入惰性氣體的進氣嘴，進料管連通原料罐和熔化區(qū)，進料管上設置有用于控制進料量的料泵，主區(qū)上方固定設置有用于控制硅片生長時溫度梯度的換熱器；

所述加熱爐的右側開設艙門，艙門外設置有可經艙門自由伸入鉗鍋主區(qū)的籽晶棒，所述籽晶棒與艙門外設置的提拉機構連接；

所述加熱爐上還設置有第一高溫計和第二高溫計，所述第一高溫計用于探測主區(qū)內左側溶液溫度，所述第二高溫計用于探測主區(qū)內右側籽晶提拉時的溫度梯度；

所述控制系統(tǒng)分別與料泵、加熱器、換熱器的電磁閥、提拉機構、第一高溫計和第二高溫計連接。

進一步的，所述加熱爐上傾斜設置有第一激光發(fā)射裝置和第二激光發(fā)射裝置，所述加熱爐上設置有用于接收兩束激光的CCD圖像傳感器，所述第一激光發(fā)射裝置的激光照射主區(qū)內溶液部分反射至CCD圖像傳感器，所述第二激光發(fā)射裝置的激光照射主區(qū)內結晶部分反射至CCD圖像傳感器。

進一步的，所述的加熱器為石墨蛇形加熱器，所述石墨蛇形加熱器設置在鉗鍋頂部并覆蓋隔熱屏進行保溫。

進一步的，所述的換熱器為液態(tài)金屬換熱器。

一種采用上述硅片提拉裝置的控制方法，包括以下步驟：

a、通過進料管向鉗鍋的溶化區(qū)中加入預定量的硅料，然后經進氣嘴通入惰性氣體并保持3-5min，保持進氣速度，開啟加熱器對熔化區(qū)內的硅料進行加熱融化，加熱的同時料泵保持原料輸送，保持進料速度直到熔體液面達到制定高度；

b、熔液面達到指定高度后，打開爐體右側艙門，提拉機構控制籽晶棒以一定速度將籽晶片送入腔體內，當籽晶進入腔體后，減慢傳送速度，使籽晶緩慢深入，直到接觸熔體，提拉機構的電機停止，保持3-5min，然后開啟換熱器，使接觸部分形成溫度梯度，并反轉電機，使籽晶棒以5-10cm/min的移動速度向外移動；提拉過程中同時開啟進料器，保持一定的進料速度使熔體的液面高度穩(wěn)定；

c、當提拉機構觸發(fā)限位開關后，提拉機構向上運動截斷硅片。

進一步的，在步驟b中，初始提拉速度的確定根據設定的預期厚度進行計算，計算模型為：其中T_w為獲得的薄片厚度，L_x為冷卻區(qū)域長度，H_heat為融化潛熱，q_i為熔體的計算熱散失量。

進一步的，所述L_x＝4mm。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的提拉裝置，能對溶料速度、主區(qū)內液位、提拉時的溫度梯度以及晶片的厚度進行有效控制，提升超薄硅片的加工效果以及質量。

采用此方法獲得的硅片由于結晶時不會被坩堝污染，所以雜質含量少，同時直接生產出的超薄的的硅片，在后續(xù)加工過程中，可以減少切割次數，通過適當的切割以及打磨就能獲得太陽能級超薄硅片，材料損耗預期減少50％。

附圖說明

下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明。

圖1是提拉裝置的示意圖；

圖2是CCD圖像傳感器接受來自溶液部分和結晶部分激光的示意圖；

其中，1、加熱爐，2、鉗鍋，3、隔板，4、進料管，5、加熱器，6、籽晶棒，7、第一高溫計，8、第二高溫計，10、CCD圖像傳感器。

具體實施方式

現在結合具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。這些附圖均為簡化的示意圖僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結構，因此其僅顯示與本發(fā)明有關的構成。

如圖1圖2所示，一種硅片提拉裝置，包括加熱爐1以及控制系統(tǒng)，加熱爐1內設置有鉗鍋2，鉗鍋2內設置有隔板3，隔板3的存在可以防止在交流過程中，硅料進入熔體而造成的熔體波動；該隔板3將鉗鍋2內腔分隔為熔化區(qū)和主區(qū)，隔板3上開設有流通間隙用于使熔化區(qū)和主區(qū)連通，熔化區(qū)上方固定設置加熱器5，加熱爐1的左側設置有用于插入鉗鍋2的熔化區(qū)進料管4以及用于向鉗鍋2內通入惰性氣體的進氣嘴，進料管4連通原料罐和熔化區(qū)，進料管4以120度傾斜插入，進料管4上設置有用于控制進料量的料泵，主區(qū)上方固定設置有用于控制硅片生長時溫度梯度的換熱器；換熱器為液態(tài)金屬換熱器。加熱爐1的右側開設艙門，艙門外設置有可經艙門自由伸入鉗鍋2主區(qū)的籽晶棒6，籽晶棒6與艙門外設置的提拉機構連接。

加熱爐1上還設置有第一高溫計7和第二高溫計8，第一高溫計7用于探測主區(qū)內左側溶液溫度，第二高溫計8用于探測主區(qū)內右側籽晶提拉時的溫度梯度；控制系統(tǒng)分別與料泵、加熱器5、換熱器的電磁閥、提拉機構、第一高溫計7和第二高溫計8連接。

加熱爐1上傾斜設置有第一激光發(fā)射裝置和第二激光發(fā)射裝置，加熱爐1上設置有用于接收兩束激光的CCD圖像傳感器10，第一激光發(fā)射裝置的激光照射主區(qū)內溶液部分反射至CCD圖像傳感器10，第二激光發(fā)射裝置的激光照射主區(qū)內結晶部分反射至CCD圖像傳感器10。如圖2所示，利用2束激光分別射向熔融部分以及結晶部分，根據反射光線在CCD上的不同位置獲得當前的液面高度以及結晶部分高度，根據兩種高度的差值，可以獲得當前拉晶厚度。

加熱器5為石墨蛇形加熱器5，石墨蛇形加熱器5設置在鉗鍋2頂部并覆蓋隔熱屏進行保溫。

一種采用上述硅片提拉裝置的控制方法，包括以下步驟：

a、控制系統(tǒng)控制料泵進料，通過進料管4向鉗鍋2的溶化區(qū)中加入預定量的硅料，然后經進氣嘴通入惰性氣體并保持3-5min，惰性氣體為氮氣及氬氣的混合惰性氣體，保持進氣速度，開啟加熱器5對熔化區(qū)內的硅料進行加熱融化，加熱的同時料泵保持原料輸送，保持進料速度直到熔體液面達到制定高度；

具體的，設定爐體溫度1500℃，通過第一高溫計7的反饋至進行調節(jié)，目的是為了保證溶料速度。爐體開始加熱時，先將爐體加熱到500～800℃，控制一定的升溫速度防止爐體內石墨元件因為快速升溫導致?lián)p壞。當溫度達到后，采用模糊PID自適應控制器對爐內溫度進行控制。當硅料熔化后通過坩堝內擋板的空隙流入坩堝主區(qū)域，此時坩堝內熔體并不會達到指定高度，持續(xù)加料，第一激光發(fā)射裝置的激光照射主區(qū)內溶液部分反射至CCD圖像傳感器10，從而得知主區(qū)內的溶液高度，當達到指定液位后，停止加料。

b、熔液面達到指定高度后，打開爐體右側艙門，提拉機構控制籽晶棒6以一定速度將籽晶片送入腔體內，當籽晶進入腔體后，減慢傳送速度，使籽晶緩慢深入，直到接觸熔體，提拉機構的電機停止，保持3-5min，然后開啟換熱器，使接觸部分形成溫度梯度，并反轉電機，使籽晶棒6以5-10cm/min的移動速度向外移動；拉動過程中，可以調節(jié)拉速，來獲得不同厚度的硅片；提拉過程中同時開啟進料器，保持一定的進料速度使熔體的液面高度穩(wěn)定。

c、當提拉機構觸發(fā)限位開關后，提拉機構向上運動截斷硅片。此時，更換籽晶后可以進行連續(xù)的提拉生產；

在步驟b中，初始提拉速度的確定根據設定的預期厚度進行計算，計算模型為：其中T_w為獲得的薄片厚度，L_x為冷卻區(qū)域長度，H_heat為融化潛熱，q_i為熔體的計算熱散失量。作為優(yōu)選，L_x＝4mm。

對于薄片厚度的掌握，利用2束激光分別射向熔融部分以及結晶部分，根據反射光線在CCD上的不同位置獲得當前的液面高度以及結晶部分高度，根據兩種高度的差值，可以獲得當前拉晶厚度。

當提拉開始后，修正進料速度，即控制料泵，保證坩堝內熔體液面的不會過低。當籽晶棒6到達最大位置后，將爐體以每分鐘1℃的速度進行降溫。當爐體溫度降低至室溫后，可以獲得一塊條帶狀超薄硅片。

采用此方法獲得的硅片由于結晶時不會被坩堝污染，所以雜質含量少，同時直接生產出的超薄的的硅片，在后續(xù)加工過程中，可以減少切割次數，通過適當的切割以及打磨就能獲得太陽能級超薄硅片，材料損耗預期減少50％。

以上述依據本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術思想的范圍內，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術性范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據權利要求范圍來確定其技術性范圍。