[发明专利]18英寸热场生长Φ8″太阳能级直拉硅单晶工艺

说明书

技术领域

本发明涉及直接硅单晶的工艺技术领域，具体涉及一种18英寸热场生长Φ8″太阳能级直拉硅单晶工艺。 

背景技术

目前，国际上直拉单晶硅主流产品是8英寸，逐渐向12英寸过渡，研制水平达到16～18英寸。据统计，8英寸硅片的全球用量占60％左右，6英寸占20％左右，其余占20％左右。 

中国直拉单晶硅产品的总体水平仍然较低，产品结构以4英寸、5英寸、6英寸硅单晶片为主流，市场对6英寸和8英寸硅片的需求增长非常强劲，太阳能硅片市场增长是主要动力来源。而更大尺寸的单晶硅技术国内很少，中国与世界水平有较大差距。 

单晶硅材料的支撑体系薄弱，所需的关键设备和检测仪器主要依赖进口，形成了产品更新一代就必须从国外引进新一代设备的局面，这就客观上加大了产业发展的投入，在一定程度上制约了国内半导体材料企业的发展。 

当前世界光伏产业方兴未艾，发展势头猛进，尤其是当前世界对新能源，以及绿色太阳能产业的推崇，使得光伏产业发展受到国际性的欢迎。单晶硅产业作为光伏产业的一个主要原料的上游产业，使得单晶硅产业也受到了很大的推动作用。 

现有技术中的Φ18″敞开式热场Φ8″硅单晶生长工艺，一般采用具有敞开式热场和上轴磁流体密封装置的TDR-80、JRDL-800型CZ单晶炉。CZ单晶炉的组成可分为四个部分： 

1)炉体：炉体结构采用水冷式不锈钢炉壁。利用隔离阀将其分为上炉室和下炉室。上炉室(副室)为晶体停留冷却的地方；下炉室(主室)包含石英坩锅，石墨坩锅，加热及绝热元件。在炉体内部这些影响热传导及温度分布的元件，一般统称热场(配置)。 

2)晶棒/坩锅提升旋转机构：包括籽晶夹头、吊线及提升旋转机构。 

3)压力控制：包括Ar气流量控制、真空系统及压力控制阀 

4)控制系统：包括侦测感应器及电脑控制系统等。 

下炉室采用18寸敞开式热场，装有单晶硅棒和籽晶的热场结构如图1所示，主要包括石墨毡1、石墨压片2、排气口3、下石墨保温筒4、下石墨支撑环5、中轴加长6、石墨保温筒7、加热器8、上支撑环9、中轴护套10、电极护套11、电极石英护套12、石墨中轴13、埚托14、石墨坩埚15、石英坩埚16、上部保温盖板17、熔硅18、单晶硅棒19、籽晶20。 

18寸敞开式热场的缺陷：热场保温差，造成能耗较高；气体流向不顺畅，不利于挥发物排走，成晶不稳定，成品率较低；单晶头部尾部的纵向温度梯度变化大，拉速下降大，整体拉速较低，生产效率较低；由于使用功率高，热场内石墨件使用寿命低，增加了生产成本。 

此外，目前常用的TDR-80，JRDL-800型直拉单晶炉上轴密封都使用如图2所示的磁流体密封装置(磁性液体旋转轴动密封)。磁性液体旋转轴动密封是一种非接触式密封，其工作原理是：由环状永磁体，倒磁极靴和倒磁转轴构成闭合磁路利用永磁体的磁能，在转轴与极靴的间隙中产生强弱相间的非均匀磁场，将磁性液体紧紧吸住，形成多圈磁性液体“O”型密封圈，达到密封的目的，它的特点是无摩擦，真空度高，泄漏率低，低转速和高转速都能满足设备真空要求。 

上述磁流体密封装置存在的问题：由于磁流体密封的工作环境和使用条件有一定限制，超出范围就会影响其使用寿命，在使用过程中经常出现磁流体密封漏气掉渣而影响直拉单晶生长的情况，其主要原因是磁流体密封工作环境温度过高，磁流体的工作温度一般不应高于105℃；而现在所有TDR-80，JRDL-800型都使用Φ18″热场，炉内热场温度能达到1700℃以上，辐射热使磁流体密封处在高温的环境中，温度升高会导致磁铁退磁和磁流体的蒸发。磁流体载液的蒸发是决定密封性能和使用寿命的主要原因，另外，载液蒸发后磁性微粒会掉入坩埚直接影响单晶的生长。并且，磁流体密封装置下端的波纹管(如图3所示)没有挡渣装置，不能防止掉渣造成晶体断棱古掉等现象。