用于边缘限定硅膜生长法生产带状多晶硅的装置

摘要

本发明公开了一种用于边缘限定硅膜生长法生产带状多晶硅的装置，包括有中央套管的锥形导向器和支撑在锥形导向器顶面的上层结构，所述的上层结构包括与中央套管同轴设置的内套筒组，同轴设置在内套筒组外围的外套筒组和用于密封内套筒组及外套筒组顶部的顶板，内套筒组底沿带有若干个支脚，通过支脚支撑在锥形导向器的顶面，相邻支脚之间形成排料通道。本发明的装置主要是针对现有技术对上层结构进行改造，将起热屏作用的外套筒垂直放置，径向温度梯度较高，能形成有利于晶体生长的热场；内套筒和排料通道的设计可以起到减速和导向的作用，使得硅粒落入硅液中时能减少硅液溅起，解决了蘑菇状料团中断带状硅生长的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生产多晶硅的装置，具体涉及一种用于边缘限定硅膜生长法生产带状多晶硅的装置。

背景技术

硅晶体是半导体行业和太阳能行业最常使用的材料。带状多晶硅是形状成薄片状的一种多晶硅原料，因为其在加工成硅片时，刀损(kerf loss)很少，因此在最大程度上提高了材料的利用率。

边缘限定硅膜生长法(EFG法)作为一种带状硅的生长方法是众所周知的。例如，在中国发明专利91104726.3中描述了边缘限定硅膜生长法的设备及设备所用的湿尖导模。在中国发明专利90109365.3、91101558.2和90104389.3中描述了边缘限定硅膜生长法的控制方式和硅原料的补给方式。在硅原料的补给过程中，颗粒状的多晶硅(直径在2mm以下)从低部向上通过弹射和/或气体输送的方式通过中央套管送到坩埚中。由于多晶硅颗粒向上冲射的速度不容易控制，因此硅料下落时会溅起硅液，导致热场的某些部件如锥形导向器被溅起的硅熔液粘附，并凝结在上面。过多的硅凝结在这些热场部件上之后会形成蘑菇状料团，该料团会妨碍继续加料的过程，并导致热场内的温度分布不均匀，使带状硅的生长中断。另外如果蘑菇状料团的碎片因温度波动而熔化落入硅液中，又将使硅液过满而从坩埚中溢出。

为了解决上述带状硅生产中存在的问题，中国发明专利01823121.7公开了一种热场的布置方式。如图1和图2所示，在该方式中存在一种机械装置，可以阻截注入的硅粒，并将其引导使之落入坩埚选定区域内的熔体中，而其注入速度能减少硅熔液溅起，从而能减少由于在锥形导向器与相邻部件上形成硅固体团而中止带状硅生长过程的可能性。在该布置方式中，主要特点是采用环形的排料通道引导和减缓硅粒的下落速度和方向。

在中国发明专利01823121.7中，公开的环形排料通道的上层结构采用伞状底架和多层水平平板热屏。由于只靠细小的销钉支撑其重量，因而容易形成上层结构的水平度偏差，使得在环形通道的气流分布不均，并使得整个热场的温度分布不均。本领域技术人员均知，热场温度分布的细小不均匀度都将导致带状硅生长的不稳定，甚至中断。另外由于通道的上层结构由多层水平平板热屏组成，使得径向的温度梯度偏小，不利于热场中央保持一个较低的温度。而通常较高的径向温度梯度更有利于带状多晶硅的生长。另外该解决方法中，环形排料通道的结构复杂，特别是通道的上层结构中的伞状底架，因为壁薄并且形状复杂，制造中需要很高的加工精度和高质量的耐高温石墨件，增加了生产难度，提高了成本。

发明内容

本发明提供一种使用方便、结构简单的用于边缘限定硅膜生长法生产带状多晶硅的装置，能在硅料于重力作用下从中央套管运动到坩埚时控制硅料的路径，使硅料在落入硅熔液时的动量达到最小。

一种用于边缘限定硅膜生长法生产带状多晶硅的装置，包括带有中央套管的锥形导向器和支撑在锥形导向器顶面的上层结构，所述的上层结构包括罩于中央套管顶部开口的内套筒组，同轴设置在内套筒组外围的外套筒组和用于密封内套筒组及外套筒组顶部的顶板，内套筒组底沿带有若干个支脚，通过支脚支撑在锥形导向器的顶面，相邻支脚之间形成排料通道。

所述的内套筒组由若干个同轴布置、相互嵌套的内套筒构成，所有内套筒底沿均带有若干个支脚，内套筒一般选用圆柱形套筒。

所述的锥形导向器顶面带有用于容纳支脚的支口，支口形状与支脚截面形状相配合，这样使内套筒组更加稳定，不易晃动。

所述的支脚均匀分布在内套筒底沿，支脚的截面形状为能减缓硅粒滑落速度但又不会妨碍硅粒滑落进入坩埚的形状，可选用三角形或梯形，三角形一顶点或梯形上底朝向内套筒轴心，以使相邻支脚之间形成收缩型的排料通道。

所述的相邻支脚之间的排料通道的宽度为补充硅粒时从中央套筒进入内套筒中的的硅粒直径的1.5倍以上。支脚置入支口后，锥形导向器顶面以上的排料通道的高度为从中央套筒进入内套筒中的硅粒直径的1.5～4倍。

所述的外套筒组由若干个同轴布置、相互嵌套的外套筒构成，外套筒悬挂在顶板底面。外套筒组起到了保温的作用，相邻的外套筒之间可以放置保温材料。

根据所生长的带状多晶硅的形状的不同，外套筒和顶板的截面形状也作相应的改变。外套筒与带状多晶硅的形状应保持一致，顶板的形状根据带状多晶硅的截面形状作相应的改变。例如当生长圆柱状的带硅时，外套筒为圆柱状，而顶部结构件为圆形。当生长八边形筒状的带硅时，外套筒也为八边形筒状，而顶部结构件为八边形平板。

本发明的生产带状多晶硅的装置主要是针对现有技术对支撑在锥形导向器顶面的上层结构的构造进行了改进，将起主要热屏作用的外套筒垂直放置，使径向温度梯度较高，形成有利于晶体生长的热场；另外，与中央套管同轴设置内套筒以及收缩型排料通道的设计均可以对从中央套筒进入的硅粒起到减速和导向的作用，使得硅粒落入硅液中时动能达到最小化，减少硅液的溅起量，解决了蘑菇状料团中断带状硅生长的问题。

附图说明

图1是现有技术中用于边缘限定硅膜生长法生产带状多晶硅的装置的剖面结构示意图；

图2是现有技术中用于边缘限定硅膜生长法生产带状多晶硅的装置的另一种形式的剖面结构示意图；

图3是本发明用于边缘限定硅膜生长法生产带状多晶硅的装置的剖面结构示意图；

图4是本发明用于边缘限定硅膜生长法生产带状多晶硅的装置中内套筒组(内套筒组由两个同轴布置、相互嵌套的内套筒构成)仰视结构示意图；

图5是图4中A-A剖面图。

具体实施方式

参见图3，本发明用于边缘限定硅膜生长法生产带状多晶硅的装置，包括带有中央套管8的锥形导向器9和支撑在锥形导向器9顶面的上层结构11。

上层结构11包括与中央套管8同轴设置的内套筒组，同轴设置在内套筒组外围的外套筒组和用于密封内套筒组及外套筒组顶部的顶板1。

内套筒组由两个同轴布置、相互嵌套的内套筒12a和内套筒12b构成，内套筒12a和内套筒12b均圆柱形套筒，底沿均带有若干个支脚15，锥形导向器9顶面带有用于容纳支脚15的支口，支口截面形状与支脚15截面形状相配合。

外套筒组由两个同轴布置、相互嵌套的外套筒13a和外套筒13b构成，外套筒13a和外套筒13b悬挂在顶板1的底面。

参见图4，图5，支脚15均匀分布在内套筒12a和内套筒12b底沿，相邻支脚15之间形成排料通道16。支脚15的截面形状为三角形，三角形一顶点朝向内套筒轴心。

本发明用于边缘限定硅膜生长法生产带状多晶硅的装置的工作过程如下：

参见图3，当带状多晶硅炉处于预热状态时，该装置的温度升高，坩埚6里的硅料逐渐熔化成硅液7。锥形导向器9、支撑在锥形导向器9顶面的上层结构11中的内套筒组和外套筒组起到热屏的作用，防止热量过多的损失。其中，外套筒组的热屏作用比较明显。由于外套筒组是垂直放置，径向温度梯度较高，有利于带状多晶硅的生长。当坩埚内的硅料全部熔化成硅液7时，适当控制温度就可以从湿尖导模5处进行带状多晶硅的生长了。

带状多晶硅处于生长阶段时，多晶硅颗粒通过中央套管8以弹射或气力输送的方式导入多晶硅颗粒以补充坩埚6内的硅液7的数量。多晶硅颗粒大小一般在2mm以下。

参见图5，相邻支脚15之间的排料通道16的宽度为从中央套筒进入的硅粒直径的1.5倍以上。支脚15置入支口后，锥形导向器9顶面以上的排料通道16的高度为从中央套筒进入的硅粒直径的1.5～4倍。

当硅粒从中央套管8出来之后，在内套筒12a中硅粒经过多次在内套筒12a内壁面的碰撞和反弹之后会失去一部分动量，落在锥形导向器9的上表面。当硅粒被导入内套筒12a底沿的排料通道时，支脚对通过的硅粒起到减速和导向的作用，使得只有将动量和速度降低到可控范围内的硅粒才能从内套筒12a底沿的排料通道进入内套筒12a和内套筒12b的间隙，再经碰撞和反弹之后，从内套筒12b底沿的排料通道进入内套筒组和外套筒组的间隙，直至落入坩埚6的硅液7中，实现对硅液7的补充。

由于硅粒经过多次减能，确保从锥形导向器9落入硅液7的硅粒溅起的硅熔液量达到最小化，从最大程度上解决溅起的硅熔液形成的蘑菇状料团中断带状硅生长的问题。