[发明专利]横截面呈十字形的硅单晶棒及其生长装置和生长方法

说明书

本发明涉及半导体及光伏领域，公开了横截面呈十字形的硅单晶棒及其生长装置和生长方法。硅单晶棒生长装置，包括：炉体，由外至内设置在炉体内的隔热组件、分区加热机构、支撑坩埚和石英坩埚，以及从炉体的顶部伸入炉体内且与坩埚的轴线对应的提拉机构，提拉机构伸入炉体内的端部用于连接籽晶；分区加热机构以及支撑坩埚和石英坩埚的横截面呈十字形，三者同轴设置；炉体上设置有可从炉体的外部监测到其内部晶体生长信息的监测窗。硅单晶棒生长方法，包括采用上述装置实施硅单晶棒的生长。硅单晶棒，采用上述方法生长得到，该硅单晶棒的横截面呈十字形，其具有生产效率高、成本低，热应力小、产品质量高，利用率高的特点。

技术领域

本发明涉及半导体及光伏技术领域，具体而言，涉及横截面呈十字形的硅单晶棒及其生长装置和生长方法。

背景技术

使用大尺寸硅单晶片、拉制大直径硅单晶，是降低光伏电池制造成本的重要措施之一。然而，用直拉法能拉制的硅单晶直径是有上限的，目前拉制直径超过400mm硅单晶的技术瓶颈主要在于传热学的限制。晶体生长的动力是温度梯度，温度梯度依赖于晶体表面的散热。在晶体生长一定长度后，晶体顶端表面的散热可以忽略，主要考虑晶体侧面的散热。晶体的热端是固液界面，冷端是晶体的侧表面。

一方面，冷-热端的面积比：

也就是说，硅晶体冷-热端的面积比R₁与硅单晶棒的半径r成反比。较小的R₁不利于硅单晶棒散热。

另一方面，较小直径的硅单晶传热路径较短，晶体侧面温度较高，而辐射传热的效率与物体表面温度的4次方成正比。

综合起来看，随着硅单晶直径的增大，硅单晶棒的散热条件越来越差，特别是晶体硅棒的中心，散热条件更差。为了维持晶体生长所需的晶体固-液表面必要的温度梯度，只能设法降低晶体的表面温度，但是此举将使晶体的径向温差变大，增加晶体的热应力，严重时，甚至导致晶体炸裂。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供横截面呈十字形的硅单晶棒及其生长装置和生长方法。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供一种横截面呈十字形的硅单晶棒生长装置，包括：炉体，由外至内设置在炉体内的隔热组件、分区加热机构、支撑坩埚和石英坩埚，以及从炉体的顶部伸入炉体内且与石英坩埚的轴线对应的提拉机构，提拉机构伸入炉体内的端部用于连接籽晶；

石英坩埚、支撑坩埚的横截面呈十字形，分区加热机构围护在支撑坩埚的周边，三者同轴设置；

炉体上设置有可从炉体的外部监测到其内部晶体生长状况的监测窗。

在可选的实施方式中，硅单晶棒生长装置还包括控制系统以及一个或多个光学探测器，一个或多个光学探测器设置在炉体之外，用于透过监测窗观察炉体内部晶体生长状况，每个光学探测器与控制系统通信连接，用于将探测到的晶体生长信息发送至控制系统，控制系统与分区加热机构通信连接，控制系统根据晶体生长信息判断并执行是否向分区加热机构下发指令对不同区域的加热功率和时间进行调整。

在可选的实施方式中，光学探测器的设置数量为至少4个。

在可选的实施方式中，硅单晶棒生长装置还包括坩埚升降机构，坩埚升降机构的一端位于炉体内，用于承托支撑坩埚和石英坩埚的底部。

在可选的实施方式中，硅单晶棒生长装置还包括水平位置控制机构，水平位置控制机构与提拉机构和/或坩埚升降机构连接，控制系统与水平位置控制机构通信连接；

水平位置控制机构用于通过控制提拉机构调控籽晶的方位角度和水平位置，和/或用于通过控制坩埚升降机构调控石英坩埚的方位角度和水平位置。