[实用新型]细小柱状晶硅靶材基体的铸锭制备设备

说明书

细小柱状晶硅靶材基体的铸锭制备设备，所述铸锭设备为多晶铸锭炉，包括上炉体、下炉体、隔热笼、石英陶瓷坩埚、顶加热器件、四周侧加热器件、碳/碳复合保温方框、石墨热交换台和非接触硅液电磁搅拌装置。通过优化多晶铸锭炉热场，增设非接触硅液电磁搅拌装置，并配合调整的多晶铸锭工艺配方参数，从而得到均匀、细小柱状晶铸锭方锭，大幅度提高大尺寸多晶结构硅靶材内在质量。

技术领域

本实用新型属于机械加工设备技术领域，具体涉及一种细小柱状晶硅靶材基体的铸锭制备设备。

背景技术

目前，硅靶材领域背景技术状况为：硅靶材是一种重要的溅射靶源，采用磁控溅射镀膜技术制备的薄膜层，可以使元器件具备更佳的光学性、介电性及抗蚀性能等，已经被广泛应用于电子及信息产业，如集成电路、信息存储、高清液晶显示屏、触摸屏、电子控制器件等产品领域。硅靶材产品从组织结构上可以分为单晶硅靶和多晶硅靶,单晶硅靶通常是经单晶炉提拉法制得单晶圆棒毛坯基体，多晶硅靶则常规通过多晶铸锭炉定向凝固法制得多晶方锭毛坯基体，然后再经过切割、磨削、抛光、清洗等机加工序制成成品靶材。随着磁控溅射镀膜技术快速发展及其应用领域不断拓展，硅靶材向着高纯度、高密度、组织结构一致、成分分布均匀及外形大尺寸化发展。对于硅靶材基体内在质量要求，单晶结构更佳，但目前单晶硅圆棒拉制设备（单晶炉）无法满足基体横截面尺寸大于400mm的要求，且单晶制备能耗高对应的成本也较高，这就对自身具有大尺寸、低能耗优势的多晶方锭定向凝固（多晶铸锭炉）质量提出了更高、更为苛刻的要求——方锭截面上需具有均匀、细小柱状晶粒的理想结构。

这种均匀、细小柱状晶粒的理想结构因其单位体积内有更多数目细小的晶粒，晶界面积大幅度增加，晶界也变得越为纤细曲折，赋予了材料优异的性能：

（1）晶体生长中可吸纳消除更多的热应力，减少晶体裂纹缺陷产生。铸造多晶因体积大、横截面积大，晶体在生长过程中由于局部温差控制不均匀、温度梯度不稳定、长晶速度忽高忽低等都会形成热应力,热应力会直接影响产生大量的晶体缺陷，常规的多晶铸锭工艺虽有退火消除应力工艺步骤，但也时常发生硅锭内部有隐裂，甚至出炉边角直接开裂现象，造成硅锭基体可利用率急剧下降。而均匀、细小的柱状晶粒，因其晶界面积大幅度增加，晶界自由能相对较高、晶界处原子处于不稳定状态，能够吸纳消除更多的热应力，有效避免隐裂过早发生，减少晶体缺陷。

（2）改善材料机械性能，同时提高硅靶材基体的强度和硬度、塑性和韧性，为后序加工成品率提供强有力保障。这是因为，晶体中晶界上原子排列紊乱和晶界两侧晶粒的位向差异对位错滑移有很大阻碍作用，晶粒越小，晶界越多，出现相同位向的可能性就越小，位错滑移被阻滞的地方就越多，阻力就越大，从而使得材料的强度、硬度提高；当基体受到外力发生塑性变形时，在同样变形条件下，晶粒越小，单位体积内数量越多，形变量可以均匀分散在更多的晶粒内进行，晶粒间的相互协调可以缓和晶界处的应力集中,而不至于只集中在少数晶粒上导致裂纹发生，而且纤细曲折晶界的大量存在，可有效阻止裂纹的扩展延伸，从而使基体材料在其断裂前能承受较大的塑性变形，吸收较多的功，表现出较好的塑性和韧性。

（3）使基体成分分布更佳均匀，晶体取向差异更小，也是硅靶材镀膜质量稳定的重要保证。在晶体生长过程中，时刻伴随着偏析分凝效应，即杂质元素并不按照在熔体中的浓度进入固体，分凝系数越小的元素越易富集到最后凝固部分，这对硅晶体调节导电型号（P型或N型）和电阻率的硼、磷、镓、砷等Ⅲ、Ⅴ族掺杂剂元素，以及微量可允许的金属杂质的均匀分布极其不利。但晶界是晶体中“藏污纳垢”的地方，晶界处因原子排列畸变大，存在较多的空穴、高密度位错等缺陷，对杂质具有内吸附作用，杂质在晶体生长中易沉积到晶界处。晶粒越细小，单位体积内晶界面积越大，杂质在晶界上越易分散沉积，可一定程度缓解杂质偏析效应，致使硅锭成分相对更加均匀。细化的柱状晶粒沿着硅锭底部垂向上生长完成，后序机械加工硅靶材是横向硅锭截面切割，数百上千根细长条状的晶粒被“拦腰”切分，细小晶粒使得硅靶材较大面积的溅射侧晶体取向差异变得更小。成分分布均匀和晶体取向差异小，这些都对硅靶材的应用是非常有益的，会使溅射薄膜的厚度分布均匀，溅射功率小、成膜速率高。