一种用于连续单晶硅生长的带有孔的容器的制作方法

2021-01-31 03:01:21|

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本实用新型涉及连续直拉单晶技术领域，具体而言是一种用于连续单晶硅生长的带有孔的容器。

背景技术：

连续直拉单晶(ccz)工艺技术的明显特点是一边长晶一边化料，从而可以节约普通直拉单晶所需要的化料时间。但同时，在化料过程中，可能会有一些未能充分融化的杂质点，进入熔体中，并随熔体流动带到晶体的长晶界面，并造成单晶体的晶体结构破坏。

ccz技术中，晶体生长时熔体一般分为3个区域：化料区、缓冲区以及晶体生长区域。为了实现单晶的无位错生长，需要保障杂质颗粒从化料区进入长晶区的时间内能够融化。

已有技术阐明了熔体中杂质点从融化到碰触晶体所需的时间必须要足够长，已使得该颗粒点能够在熔体中融化，如增加一些堰、环形、缓冲区等。如：专利us2018/012320和专利us2011002835a1等。

但现有技术中采用增加一些堰、环形、缓冲区等结构对现有容器的修改较大，生产成本较高。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种用于连续单晶硅生长的带有孔的容器及孔的设计方法。

本实用新型采用的技术手段如下：

一种用于连续单晶硅生长的带有孔的容器，包括设置在总熔体空间内的器壁，所述器壁所围成的空间形成晶体生长区，所述晶体生长区与所述总熔体空间同轴；

所述器壁上加工有至少一个通孔；

所述通孔用于所述总熔体空间内的熔体进入所述晶体生长区内；

本实用新型中的器壁将总熔体空间进行分隔，器壁所围成的空间内成为了晶体生长区，器壁外的空间形成了化料区和缓冲区，通过器壁设置使得其外部未熔化的杂质点不能进入坩埚内，而已经熔化的熔体通过通孔进入晶体生长区内，补充单晶体生长所需的原料。

颗粒在熔体中的运动主要有：熔体流动带来的定向移动以及颗粒受热分子碰撞影响的布朗运动。

由于熔体必须穿过孔洞才能进入长晶区域，在晶体生长速度一定的前提下，从质量守恒定律可知：v＝k/(s*ρ)，熔体流动带来的定向移动速度反比于通孔的截面积。假定生长速度k＝9kg/h，通孔横截面积s＝1cm²，硅熔体密度ρ＝2.5g/cm³，速度v＝1cm/s；如孔的横截面积为0.2cm²，v＝5cm/s熔体流动速度指向晶体生长区域，因此，孔洞越小，杂质颗粒向晶体移动速度越快，达到晶体的时间越短，造成晶体结构破坏的可能性越高。

而依据布朗运动的爱因斯坦公式，时间t内位移：

其中，λx是x方向的平均位移，r是气体常数，n是熔体分子密度(原子数/克)，t是绝对温度，t是时间，p是微粒半径，k是微粒在液体中移动的摩擦系数；

布朗运动速度的大小不受孔洞大小的影响。由于布朗运动方向是随机的，因此孔洞面积增加会增加杂质颗粒游离进入长晶区域的概率。

因此，孔洞的大小对晶体生长的影响需要综合考虑，并非简单的越大或越小越好。从我们的实验研究表明，当晶体生长速度较高，此时熔体对流对颗粒点的移动影响较明显，此时可以考虑增加开孔面积；而熔体中杂质颗粒浓度较高(硅料或器壁品质较差的情况下)，布朗运动带来的影响更明显，缩小开孔面积带来的好处更明显。

当只具有一个所述通孔时，所述通孔的横截面积0.1mm²≤s≤5024mm²；

当具有多个所述通孔时，所有所述通孔的横截面积之和0.1mm²≤s总≤5024mm²。

进步一地，所述通孔与所述晶体生长区内的熔体液面之间的距离h≧10mm。

我们更进一步的实验发现，当形成熔体的硅料纯度≧99.99999％，且晶体生长区内熔体形成的单晶硅的生长速度k≧5kg/h时，若只有一个所述通孔，则所述通孔的横截面积s≧1mm²，若具有多个所述通孔时，所有所述通孔的横截面积之和s总≧1mm²；

当形成熔体的硅料纯度≤99.999％，且晶体生长区内熔体形成的单晶硅的生长速度k≤2kg/h时，若只有一个所述通孔，则所述通孔的横截面积s≤2mm²，若具有多个所述通孔时，所有所述通孔的横截面积之和s总≤2mm²。

所述通孔位于所述晶体生长区内的熔体液面以下；我们发现，孔洞相对液面的位置对晶体生长同样有明显影响，孔洞在液面以下更深的位置，会增加杂质颗粒到达晶体区域的时间，从而有益于晶体生长。具体在液面以下的位置依据熔体量不同而不同，一般要求通孔的上沿至少在液面以下1cm外的范围。

本实用新型中提到的器壁可以是石英坩埚等装置，坩埚内为晶体生长区。

较现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型通过在器壁上开设通孔实现了晶体生长区的分隔，得其外部未熔化的杂质点不能进入坩埚内。

2、本实用新型通过在器壁上设置通孔实现熔体的补充。

3、本实用新型通过设置通孔的尺寸实现更好的提高单晶体的生长良率。

基于上述理由本实用新型可在连续直拉单晶技术领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型具体实施方式中一种用于连续单晶硅生长的带有孔的容器结构示意图。

图2为本实用新型具体实施方式中器壁上通孔设置图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

如图1～2所示，一种用于连续单晶硅生长的带有孔的容器，包括设置在总熔体空间1内的器壁2，所述器壁2所围成的空间形成晶体生长区3，所述晶体生长区3与所述总熔体空间1同轴；

所述器壁2上加工有至少一个通孔4；

所述通孔4用于所述总熔体空间1内的熔体进入所述晶体生长区3内；

所述通孔4位于所述晶体生长区3内的熔体液面5以下；

晶体生长区3内的熔体生长成为单晶体，单晶体有提拉系统6(如缆线)从熔体中拉出，拉出速度为生长速度。

所述通孔的上沿与所述晶体生长区内的熔体液面之间的距离h≧10mm。

当形成熔体的硅料纯度≧99.99999％，且晶体生长区内熔体形成的单晶硅的生长速度k≧5kg/h时，若只有一个所述通孔，则所述通孔的横截面积s≧1mm²，若具有多个所述通孔时，所有所述通孔的横截面积之和s总≧1mm²；

结合下面实施例来详细说明通孔的设置位置及尺寸，本实施例中为了方便说明通孔采用的是圆孔，但不仅限于圆孔，只需保证其位置和横截面积即可。下面所有实施例中均采用一个通孔。

本实施方式中容器为坩埚，坩埚壁为器壁，坩埚用99.995％纯度的高纯石英砂，电弧法熔融石英坩埚。

通孔的开孔的方式可用金刚钻机械打孔，激光打孔或电化学打孔等。

坩埚直径20英寸～30英寸，高度10cm～60cm，坩埚壁厚5mm～30mm。

实施例1

当所述硅料纯度≧99.9999999％，所述生长速度k＝8kg/h，时所述通孔4的横截面积为20mm²(直径为5mm)，所述通孔4的上沿位于所述坩埚内的熔体液面以下50mm处，晶体生长良率达93％。

实施例2

当所述硅料纯度≧99.9999999％，所述生长速度k＝8kg/h，时所述通孔4的横截面积为5024mm²(直径为80mm)(见附图2，其余实施例中通孔4尺寸略)，所述通孔4的上沿位于所述坩埚内的熔体液面以下50mm处，晶体生长良率达15％。

实施例3

当所述硅料纯度≧99.9999996％，所述生长速度k＝9kg/h，时所述通孔4的横截面积为0.1mm²(直径为0.35mm)，所述通孔4的上沿位于所述坩埚内的熔体液面以下50mm处，晶体生长良率达28％。

实施例4

当所述硅料纯度≧99.99999998％，所述生长速度k＝10kg/h，时所述通孔4的横截面积为113mm²(直径为12mm)，所述通孔4的上沿位于所述坩埚内的熔体液面以下40mm处，晶体生长良率达92％。

实施例5

当所述硅料纯度≧99.99999999％，所述生长速度k＝9kg/h，时所述通孔4的横截面积为38mm²(直径为7mm)，所述通孔4的上沿位于所述坩埚内的熔体液面以下70mm处，晶体生长良率达95％。

实施例6

当所述硅料纯度≧99.99999999％，所述生长速度k＝14kg/h，时所述通孔4的横截面积为154mm²(直径为14mm)，所述通孔4的上沿位于所述坩埚内的熔体液面以下30mm处，晶体生长良率达94％。

实施例7

当所述硅料纯度≧99.99999％，所述生长速度k＝4kg/h，时所述通孔4的横截面积为7mm²(直径为3mm)，所述通孔4的上沿位于所述坩埚内的熔体液面以下50mm处，晶体生长良率达88％。

实施例8

当所述硅料纯度≧99.99999％，所述生长速度k＝5kg/h，时所述通孔4的横截面积为3mm²(直径为2mm)，所述通孔4的上沿位于所述坩埚内的熔体液面以下80mm处，晶体生长良率达92％。

实施例9

当所述硅料纯度≧99.999999％，所述生长速度k＝10kg/h，时所述通孔4的横截面积为113mm²(直径为12mm)，所述通孔4的上沿位于所述坩埚内的熔体液面5以下20mm处，晶体生长良率达92％。

实施例10

当所述硅料纯度≤99.99％，所述生长速度k＝1.7kg/h，时所述通孔4的横截面积为1mm²(直径为0.6mm)，所述通孔4的上沿位于所述坩埚内的熔体液面5以下20mm处，晶体生长良率达88％。

实施例11

当所述硅料纯度≤99.998％，所述生长速度k＝1.5kg/h，时所述通孔4的横截面积为1.5mm²(直径为0.7mm)，所述通孔4的上沿位于所述坩埚内的熔体液面5以下20mm处，晶体生长良率达91％。

实施例12

当所述硅料纯度≤99.9％，所述生长速度k＝1kg/h，时所述通孔4的横截面积为0.5mm²(直径为0.45mm)，所述通孔4的上沿位于所述坩埚内的熔体液面5以下20mm处，晶体生长良率达89％。

实施例13

当所述硅料纯度≤99.999％，所述生长速度k＝2kg/h，时所述通孔4的横截面积为2mm²(直径为1.6mm)，所述通孔4的上沿位于所述坩埚内的熔体液面5以下20mm处，晶体生长良率达29％。

实施例14

当所述硅料纯度≤99.99％，所述生长速度k＝1kg/h，时所述通孔4的横截面积为2mm²(直径为1.6mm)，所述通孔4的上沿位于所述坩埚内的熔体液面5以下20mm处，晶体生长良率达24％。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

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