專利名稱：多晶硅晶棒的制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型有關(guān)一種硅晶體制造裝置，旨在提供一種可以較低的 成本以及較少的條件限制，制造可供制作太陽(yáng)能晶片原料的多晶硅晶 棒的相關(guān)裝置。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能光電池屬半導(dǎo)體的一種，故又稱為太陽(yáng)能晶片，硅(silicon) 為目前通用的太陽(yáng)能電池的原料代表，其發(fā)電原理為利用太陽(yáng)光能轉(zhuǎn) 換成電能。太陽(yáng)能光電基板(Solar PV Cell)的晶片材質(zhì)有很多種，大 致上可分為單晶硅(Monociystalline Silicon)、 多晶硅 (Polycrystalline/Multicrystalline Silicon)、 非晶珪(Amorphous Silicon), 以及其它非硅材料，其中以單晶硅及多晶硅兩類最為常見(jiàn)。
其中，單晶硅的組成原子均按照一定的規(guī)則，因此產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率 較高，單晶硅的制作方法是4巴純度為99.999999999%的石圭金屬熔融于 石英坩堝中，然后把方向?yàn)椤?0O的單晶硅硅晶種(seed)插入硅融漿的 液面，以每分鐘轉(zhuǎn)2 20圈的速率旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以每分鐘0.3 10毫米(mm) 的速度緩慢的往上拉引，經(jīng)過(guò)頸部成長(zhǎng)(旨在消除晶種內(nèi)排差)、晶 冠成長(zhǎng)(旨在使直徑增加至所需的晶棒大小)、晶體成長(zhǎng)以及尾部成 長(zhǎng)(旨在避免造成排差與滑移面現(xiàn)象)的拉晶程序之后，即可形成一 直徑4 8 單晶硅碇(ingot)，此制作方法稱為柴氏長(zhǎng)晶法(Czochralski Method)。
雖然，早期市場(chǎng)的產(chǎn)品仍以單晶硅為主，但由于單晶硅的生產(chǎn)成 本較高，加上近年來(lái)多晶硅的技術(shù)進(jìn)展很快，使得多晶硅的轉(zhuǎn)換效率 大幅的提高，在低成本的優(yōu)勢(shì)下，多晶硅已有取代單晶硅產(chǎn)品的趨勢(shì)
實(shí)用新型內(nèi)容
有鑒于此，本實(shí)用新型所解決的技術(shù)問(wèn)題即在提供一種可以較低 的成本以及較少的條件限制，制造可供制作太陽(yáng)能晶片原料的多晶硅 晶棒的相關(guān)裝置，主要將多晶形式的硅晶種浸入硅融湯當(dāng)中，以析出 多晶硅的結(jié)晶，并且結(jié)晶逐漸被析出的過(guò)程中，以既定的速度將硅晶 種上拉，使硅晶種的下端結(jié)晶依序以頸部成長(zhǎng)、晶冠成長(zhǎng)、晶體成長(zhǎng)
以^c部成長(zhǎng)的拉晶程序，而長(zhǎng)成可供制作太陽(yáng)能晶片原料的多晶硅晶棒。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案為 一種多晶硅晶棒的制造裝置，其至少 包含有石英坩鍋，該石英坩鍋中容置有硅融漿；加熱器，該加熱器 設(shè)于該石英坩鍋的外圍；旋轉(zhuǎn)提拉件，該旋轉(zhuǎn)提拉件設(shè)于該石英坩鍋 上方；多晶形式的硅晶種，該多晶形式的硅晶種浸入石英坩鍋的硅融 漿當(dāng)中，以析出多晶硅的結(jié)晶，并且結(jié)晶逐漸被析的過(guò)程中，該旋轉(zhuǎn) 提拉件以既定的速度將硅晶種上拉，使硅晶種的下端結(jié)晶依序以晶冠
以及晶體構(gòu)成的多晶硅晶棒。
該多晶形式的硅晶種為單一多晶硅。
該多晶形式的硅晶種由多個(gè)單晶硅所構(gòu)成。
該硅融湯將置放于石英坩鍋內(nèi)的塊狀多晶硅加熱至攝氏
1410 1420度融化而成。
該晶冠之前先形成頸部。 該晶體部之后形成尾部。
該晶冠之前先形成頸部，而該晶體之后形成尾部。 該制造裝置進(jìn)一步設(shè)有絕熱層，該絕熱層系設(shè)于該坩鍋外圍。 該制造裝置進(jìn)一步設(shè)有斷熱保溫層，該斷熱保溫層設(shè)于該加熱器 以及坩鍋的外圍。
即使本實(shí)用新型的工作溫度范圍與制程有部分與習(xí)知的柴氏單 晶硅制程有部分重疊，但兩者的本質(zhì)差異卻極大，原因在于柴氏單晶 硅制程所使用的硅晶種必須為特定方向的單晶硅硅晶種，例如<100> 或<111〉，而且在晶體頸部成長(zhǎng)的拉晶過(guò)程中必須謹(jǐn)慎控制頸部直徑 以及長(zhǎng)度控制在到一定尺寸，方能夠消除晶體內(nèi)的排差；反觀，本實(shí)用新型旨在制造多晶硅晶棒，因此并不需顧慮傳統(tǒng)柴氏法單晶制程中 必須控制及克服排差的問(wèn)題，故亦可忽略前述頸部成長(zhǎng)以及尾部成長(zhǎng) 的步驟，以大大提升生產(chǎn)速度，而且整個(gè)拉晶流程當(dāng)中的相關(guān)條件限 制較低，可以大幅降低多晶硅晶棒的制造成本，以及有效提升多晶硅 晶棒的產(chǎn)能。


圖1為本實(shí)用新型中硅融漿的示意圖； 圖2為本實(shí)用新型中頸部成長(zhǎng)結(jié)構(gòu)示意圖 圖3為本實(shí)用新型中晶冠成長(zhǎng)結(jié)構(gòu)示意圖 圖4為本實(shí)用新型中晶體成長(zhǎng)結(jié)構(gòu)示意圖 圖5為本實(shí)用新型中尾部成長(zhǎng)結(jié)構(gòu)示意圖 圖6為本實(shí)用新型中晶體成長(zhǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖號(hào)"i兌明
IO多晶石圭晶棒 ll硅融湯 12硅晶種 121頸部 122晶冠 123尾部 21石英坩鍋 2U絕熱層 22加熱器 23斷熱保溫層
具體實(shí)施方式
為能使貴審查員清楚本實(shí)用新型的主要技術(shù)內(nèi)容，以及實(shí)施方 式，茲配合圖式說(shuō)明如下
本實(shí)用新型多晶硅晶棒的制造裝置，主要將多晶形式的硅晶種浸 入硅融湯當(dāng)中，以析出多晶硅的結(jié)晶，并且結(jié)晶逐漸被析的過(guò)程中， 以既定的速度將硅晶種上拉，使硅晶種的下端結(jié)晶依序以頸部成長(zhǎng) 部、晶冠成長(zhǎng)部、晶體成長(zhǎng)部以及尾部成長(zhǎng)部的拉晶程序，而長(zhǎng)成可 供制作太陽(yáng)能晶片原料的多晶硅晶棒。于實(shí)施時(shí)，如圖1所示，該多晶硅晶棒的制造裝置至少包含有 坩鍋21，其外圍設(shè)有提供對(duì)內(nèi)部原料保溫效果的絕熱層211，以及坩 堝21的外圍設(shè)有對(duì)坩堝21內(nèi)部的硅融湯11進(jìn)行加熱的加熱器22,另外 在加熱器22以及坩堝21的外圍設(shè)有斷熱保溫層23，并且于該石英坩鍋 21上方設(shè)有旋轉(zhuǎn)提拉件24。
先將置放于石英坩鍋21內(nèi)的塊狀復(fù)晶硅加熱至攝氏1410 1420 度，使復(fù)晶硅塊融化成為如圖所示的硅融湯ll;待硅融湯的溫度穩(wěn)定 之后，如圖2所示，將多晶形式的硅晶種12浸入硅融湯11當(dāng)中，以析 出多晶硅的結(jié)晶，由于結(jié)晶析出時(shí)硅融湯ll多在過(guò)飽和狀態(tài)，因此當(dāng) 硅融湯ll已達(dá)飽和而結(jié)晶還未形成時(shí)，浸入珪融湯11的珪晶種12可以 使得結(jié)晶立即析出，也可以藉此控制晶型等特性。
在結(jié)晶逐漸被析出的過(guò)程中，由該旋轉(zhuǎn)提拉件24以既定的速度將 硅晶種上拉，首先使硅晶種下端結(jié)晶長(zhǎng)成如圖所示的直徑較小的頸部 121,此過(guò)程稱為頸部成長(zhǎng)(NeckGrowth),在> 圭晶種11下端的結(jié)晶 長(zhǎng)完頸部121后，慢慢地降低拉速與溫度，使頸部121的直徑逐漸增加 到所需多晶硅晶棒直徑大小的晶冠122 (如圖3所示)，此過(guò)程晶冠成 長(zhǎng)(Crown Growth)，持續(xù)利用拉速與溫度變化的調(diào)整，配合坩鍋不 斷的上升來(lái)維持固定的液面高度，如圖4所示，使硅晶種ll下端所長(zhǎng) 成的結(jié)晶維持與晶冠122相同的直徑，此過(guò)程稱為晶體成長(zhǎng)(Body Growth),在此過(guò)程當(dāng)中，由于熱環(huán)境的改變，為了使晶棒直徑固定， 可經(jīng)由拉速與加熱料大小來(lái)調(diào)整控制。
當(dāng)硅晶種11下端的晶體成長(zhǎng)到預(yù)期的長(zhǎng)度后，即可制成如圖5所 示的多晶硅晶棒IO，為了避免晶棒脫離液面產(chǎn)生的熱沖擊，會(huì)因熱應(yīng) 力造成排差與滑移面現(xiàn)象必須經(jīng)由控制拉抬的速度使多晶硅晶棒10 下端的直徑逐漸地縮小而形成尾部123 ，直到與硅融湯11的液面完全 分開(kāi)，此流程稱為尾部成長(zhǎng)(Tail Growth)，亦是制造多晶硅晶棒IO 的最后一個(gè)流程。
再者，本實(shí)用新型旨在制造多晶硅晶棒，因此并不需要顧慮傳統(tǒng) 柴氏法單晶制程中必須控制及克服排差的問(wèn)題，故亦可忽略前述頸部成長(zhǎng)以及尾部成長(zhǎng)的步驟，使硅晶種下端結(jié)晶依序以晶冠122成長(zhǎng)及 晶體成長(zhǎng)的拉晶程序，如圖6所示，進(jìn)而長(zhǎng)成多晶硅晶棒。
由于本實(shí)用新型可以制造的多晶硅材料由晶體長(zhǎng)成具有既定直 徑、長(zhǎng)度的多晶硅晶棒形體，與傳統(tǒng)利用熔融的硅鑄造固化制成的多 晶硅材料相較，不但所獲得的多晶硅材料純度較高，而且整個(gè)材料的 外型更有利于后續(xù)制作成為太陽(yáng)能晶片的加工；再者，所使用的多晶 形式的硅晶可以為單一多晶硅，或是多個(gè)單晶硅所構(gòu)成，與習(xí)知柴氏 長(zhǎng)晶法相較，本實(shí)用新型所使用的硅晶種不需要有方向的限制，而且 整個(gè)拉晶流程當(dāng)中的相關(guān)條件限制較低，可以大幅降低多晶硅晶棒的 制造成本，以及有效提升多晶硅晶棒的產(chǎn)能。此外，因?yàn)榫Ы缈梢宰?擋差排的滑動(dòng)進(jìn)而強(qiáng)化晶棒的機(jī)械性質(zhì)。
較佳的實(shí)施例為多枝<110>方向的單晶交互180度方向結(jié)合成的 子晶，因?yàn)榫Ы鐬?lt;111>等電不活性的小角度晶界，生長(zhǎng)依此晶界延 伸，所長(zhǎng)得的晶棒可以具有較佳的電性與機(jī)械強(qiáng)度。
另 一較佳的實(shí)施例為快速鑄造而成的隨意晶向分布的材料為子 晶，藉由拉晶與溫梯控制，在頸部拉晶時(shí)可獲得較多痺好生長(zhǎng)的方向。 此方向所得的晶界可控制晶體的電性與機(jī)械性質(zhì)。
如上所述，本實(shí)用新型提供一種較佳可行的多晶硅晶棒制造裝 置，于是依法提呈新型專利的申請(qǐng)；然而，以上的實(shí)施說(shuō)明及圖式所 示，是本實(shí)用新型較佳實(shí)施例，并非以此局限本實(shí)用新型，是以，舉 凡與本實(shí)用新型的構(gòu)造、裝置、特征等近似、雷同的，均應(yīng)屬本實(shí)用 新型的創(chuàng)設(shè)目的及申請(qǐng)專利范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種多晶硅晶棒的制造裝置，其特征在于，其至少包含有石英坩鍋，該石英坩鍋中容置有硅融漿；加熱器，該加熱器設(shè)于該石英坩鍋的外圍；旋轉(zhuǎn)提拉件，該旋轉(zhuǎn)提拉件設(shè)于該石英坩鍋上方；多晶形式的硅晶種，該多晶形式的硅晶種浸入石英坩鍋的硅融漿當(dāng)中。
2、 如權(quán)利要求l所述多晶硅晶棒的制造裝置，其特征在于，該制 造裝置進(jìn)一步設(shè)有絕熱層，該絕熱層系設(shè)于該坩鍋外圍。
3、 如權(quán)利要求l所述多晶硅晶棒的制造裝置，其特征在于，該制 造裝置進(jìn)一步設(shè)有斷熱保溫層，該斷熱保溫層設(shè)于該加熱器以及坩鍋 的外圍。
專利摘要本實(shí)用新型多晶硅晶棒的制造裝置，其至少包含有石英坩堝，該石英坩堝中容置有硅融漿；加熱器，該加熱器設(shè)于該石英坩堝的外圍；旋轉(zhuǎn)提拉件，該旋轉(zhuǎn)提拉件設(shè)于該石英坩堝上方；多晶形式的硅晶種，該多晶形式的硅晶種浸入石英坩堝的硅融漿當(dāng)中，以析出多晶硅的結(jié)晶，并且結(jié)晶逐漸被析的過(guò)程中，該旋轉(zhuǎn)提拉件以既定的速度將硅晶種上拉，使硅晶種的下端結(jié)晶依序以晶冠以及晶體構(gòu)成的多晶硅晶棒，利用上述裝置可以長(zhǎng)成可供制作太陽(yáng)能晶片原料的多晶硅晶棒。
文檔編號(hào)C30B28/00GK201343583SQ20082018053
公開(kāi)日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日
發(fā)明者何思樺, 徐文慶, 王興邦, 藍(lán)崇文, 謝兆坤 申請(qǐng)人:昆山中辰矽晶有限公司