一种平拉晶片生产设备及平拉晶片生产方法与流程

1.本发明涉及半导体及光伏晶片领域，具体是指一种平拉晶片生产设备及平拉晶片生产方法。


背景技术：

2.现有的单晶硅生产采用引晶直拉法、铸锭多晶法、定义直拉法及定义一种法，与本技术的平拉晶片法相比，区别如下表所示：
[0003][0004]
引晶法受π限制，随机产生三、四、六条不均匀晶线，按π产生的晶面晶向七种，本是缺陷和不可控，没有其他工艺可解决；引晶直拉法密封熔化和倒悬棒结壳上升，锅反转，氩气冷量排除加热过程产生的熔态潜热，真空防氧化、氮化；铸锭多晶法是密封熔化过程，上加热下水冷排除熔态潜热使用氩气达到逐层凝固，真空防氧化、氮化均是工艺方法造成；沉集面平拉法从工艺方法上保证了常规熔炼和精炼方法使用液态阻止型腔空气使结晶无空气介入，故不需真空环境。所控熔体只有几十克，结晶潜热很小，固体传热更快，故需反向加温延长结晶过程。为解决上述问题，亟需一种新的晶片生产方法。


技术实现要素：

[0005]
本发明要解决的技术问题是克服上述技术的缺陷，提供一种平拉晶片生产设备及平拉晶片生产方法。
[0006]
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为一种平拉晶片生产设备，包括上型腔、下型腔及熔料室，所述上型腔与下型腔之间所围区域为型腔，所述型腔上壁设置用于控制温度的沉集面，所述熔料室顶部与沉集面联通，所述熔料室外部设有工频加热线圈，所述熔料室内部设有可沿熔料室内壁滑动的活塞，所述熔料室侧壁靠近底部位置设有进料口，所述活塞底部与压杆连接；
[0007]
所述上型腔上部安装设有拉力拉速机构，所述拉力拉速机构两端分别与钼丝两端连接，所述钼丝由型腔内部两侧穿过；
[0008]
所述上型腔位于沉集面上方腔体设有振动源。
[0009]
作为改进，所述钼丝根据生产晶片的宽度规格设置为多根。
[0010]
作为改进，所述沉集面安装设有钨片。
[0011]
作为改进，所述沉集面下部安装设有用于控制长晶控晶过程温度的加热控温装置。
[0012]
作为改进，所述沉集面的平通型腔角度在x、y、z轴内设置，用于生产不同晶面晶向的晶片。
[0013]
作为改进，所述拉力拉速机构两侧分别设有用于导向钼丝的滑轮组。
[0014]
一种平拉晶片生产方法，生产过程如下所述：单晶硅料由进料口进入熔料室内部，工频加热线圈加热熔料室，单晶硅料熔化为单晶硅溶液，压杆驱动活塞压头平稳向上挤出单晶硅溶液，使单晶硅溶液通过成型口进入型腔，安装在成型口两侧的两根钼丝环绕出型口部的拉力拉速机构控制，钼丝与单晶硅溶液在型腔内部热结合为一体，产生钼丝带动溶液进入型腔平面，并且通过沉集面控制温度，温度保持在℃-℃，钼丝在移动过程中完成长晶成晶，成晶后的晶片进入半固状态，继续冷却形成固态，固定晶片通过出型口导出后，钼丝与晶片两侧分离，晶片呈带状流水输出并按所需要的尺寸切割，获得所需晶片。
[0015]
本发明的有益效果
[0016]
1、从熔液到固态晶片出型前均处于内封密状态，生产技术难度降低；
[0017]
2、晶片一次冶金成型使晶片成本大降；
[0018]
3、晶片厚度可薄至0.1mm，可更多层垒叠芯片；
[0019]
4、可双面刻录，因晶面晶向100，正反面同位同点；
[0020]
5、晶片外形可x、y轴定位，因有可靠的x、y基准面；
[0021]
6、激光刻录成为可能，因没有不同晶面晶向；
[0022]
7、晶片质量目测监别项目增多；
[0023]
8、单晶硅加入锗、硼等材料更简单易实现；
[0024]
9、沉集面在x、y、z轴的角度改变，可获得不同晶面晶向；
[0025]
10、平拉晶片法使用改变了晶片产业，走入普及阶段，攻克国家晶片难关；
[0026]
11、晶片型腔形体与硅四方体相同，长晶完整；
[0027]
12、型腔沉集面成结晶过程比直拉法引晶、更可靠稳定；
[0028]
13、温控沉集面长晶并能可控可观使结晶更准确调控；
[0029]
14、单晶硅熔液与钼丝热结合为一体，在平通型腔内使硅不具有的流动性，热膨胀力，与型腔产生的阻力等得到简单实用平稳平拉出型；
[0030]
15、晶片宽厚比大，晶粒排列100结构最可靠；
[0031]
16、型腔内熔体在外加振动力下产生镜面，是单晶硅片的第一特征，需按产品效果而选定。
附图说明
[0032]
图1是平拉晶片生产设备结构示意图。
[0033]
如图所示：1、钼丝，2、沉集面，3、晶片，4、上型腔，5、下型腔，6、单晶硅溶液，7、工频加热线圈，8、熔料室，9、进料口，10、活塞压头下压头，11、推杆压杆，12、底座，13、拉力拉速机构，14、振动源。
具体实施方式
[0034]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0035]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“右”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0036]
此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0037]
在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少4个。
[0038]
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0039]
下面结合附图对本发明一种平拉晶片生产设备及平拉晶片生产方法做进一步的详细说明。
[0040]
结合附图1，一种平拉晶片生产设备及平拉晶片生产方法，包括上型腔4、下型腔5及熔料室8，所述上型腔4与下型腔5之间所围区域为型腔，所述型腔下部设置用于控制温度的沉集面2，所述熔料室8顶部与沉集面2联通，所述熔料室8外部设有工频加热线圈7，所述熔料室8内部设有可沿熔料室8内壁滑动的活塞10，所述熔料室8侧壁靠近底部位置设有进料口9，所述活塞10底部与压杆11连接；
[0041]
所述上型腔4上部安装设有拉力拉速机构13，所述拉力拉速机构13两端分别与钼丝1两端连接，所述钼丝1由型腔内部两侧穿过；
[0042]
所述上型腔4位于沉集面2上方腔体设有振动源14。
[0043]
作为改进，所述钼丝根据生产晶片的宽度规格设置为多根。
[0044]
作为本实施例较佳实施方案的是，所述沉集面2安装设有钨片。
[0045]
作为本实施例较佳实施方案的是，所述沉集面2下部安装设有用于控制长晶控晶过程温度的加热控温装置。
[0046]
作为本实施例较佳实施方案的是，所述沉集面2的平通型腔角度在x、y、z轴内设置，用于生产不同晶面晶向的晶片。
[0047]
作为本实施例较佳实施方案的是，所述拉力拉速机构13两侧分别设有用于导向钼丝1的滑轮组。
[0048]
一种平拉晶片生产方法，生产过程如下所述：单晶硅料由进料口9进入熔料室9内部，工频加热线圈8加热熔料室9，单晶硅料熔化为单晶硅溶液6，压杆11驱动活塞压头10平稳向上挤出单晶硅溶液6，使单晶硅溶液6通过成型口进入型腔，安装在成型口两侧的两根钼丝1环绕出型口部的拉力拉速机构控制，钼丝与单晶硅溶液在型腔内部热结合为一体，产生钼丝带动溶液进入型腔平面，并且通过沉集面2控制温度，温度保持在900℃-1200℃，钼丝在移动过程中完成长晶成晶，成晶后的晶片进入半固状态，继续冷却形成固态，固定晶片通过出型口导出后，钼丝与晶片两侧分离，晶片呈带状流水输出并按所需要的尺寸切割，获得所需晶片。
[0049]
本发明在具体实施时，压杆驱动下压头平稳向上挤出单晶硅熔液，使单晶硅熔液进入成型口，装在成型口两侧边的两根钼公环绕出型口外的受拉力拉速机构控制，钼丝与单晶硅熔液在型腔内热结合为一体，产生钼丝带动熔液进入型腔平面沉集面控温，此区是保温在900c-1200c区间，供熔液长晶成晶过程。由于钼丝移动完成长晶成晶后的晶片进入半固态，再进入固态，出型口两侧的倒角10x15使丝脱离晶片两侧边后钼丝继续使用。晶片呈带状流水输出按所需尺寸切割，获得所需晶片。
[0050]
实现本发明平拉晶片法按摘要附图过程设计要点是:1、熔料室需耐高温高强度材料，一般选热模钢，本法在此的特点是受高温环境1420c在上端，下端温度一般在1000c以下，装入容量在3-5kg，受热部在上部，溶液在3kg左右，尺寸选择一般在外径中120x内径中80x长250或中100x60x200。下端固定底座一般用嵌法兰结构固定即可，因所受温度一般300c左右，局部500c左右。上部高温1420c，上型腔出型口下半部联接必须采用锁扣、锁卡耐高温联接，材料是热模钢红硬强度高。而以上材料料室最好用钨合金料室，造价高、需定制，并需注意高温脆性设计使用。
[0051]
2、下压头因只有顶端处于1200c高温，压头体处于800c以下，但与熔料室高温滑动配合热膨胀系数不同，使用热模钢为宜，最好使用钨合金，但制造有难度造价高，配合间隙均需重视，以防高温抱裂。
[0052]
3、加热源采用工频感应加热，厂家采购技术较成熟但铜管加热圈数加热位置均需按实际情况而定，或争取生产厂家参与配合。
[0053]
4、出型口，出型口是沿型腔下平面分开，上型腔见图一，所需晶片高度槽的型腔，在出口端倒角10x15
°
，用于所装钼丝在晶片出型前钼丝与晶片分离。在进熔液端与熔料室接口焊接焊固,长度在300mm左右宽度在晶片宽度加30mm左右，高度在20mm左右，在进料口嵌入两钼丝进入孔座见图一d，用材料均为热模钢；
[0054]
另可设计一型腔见说明书附图图一上型腔反向嵌入透明耐高温较厚的石英玻璃@
直接观察，单晶硅在型腔内长晶、成晶......固化全过程；
[0055]
分为下型面的下型腔是一平面尺寸与上面相同但与熔料室口的联接用卡槽联接，以承受高温和受力。在入型口的平面内有60-80mm长单晶硅熔液沉集面，用于晶核的生成、形核、长晶、成晶、晶粒成型排列的过程，其沉集面下侧型体内排列中10加热棒4-6根，用于硅熔液入型后过冷度高，结晶需反向抵消过冷度实现在沉集面控温，控晶全过程，下型腔中的沉集面d加热棒孔；
[0056]
最好在下型面嵌入一块钨钢板使沉集面耐高温、耐磨保证结晶面镜面，要定制、成本高。
[0057]
5、底座设计，一般说保持一定强度，操作方便适应高温度熔炼环境应注意的方面即可，但最好设计出能使出型体水平，土5
°
斜面调节更好，因为士5
·
调节对成型过程，物性变化量很大。
[0058]
6、进料口本方案是用备好液态料从进液态料口加入并需下压头处于进料口下侧，有一定工艺难度，但实用的方法是出型口上方型体拆掉热固定卡扣打开，就是熔料室上端口可直接注入溶料或加入硅料熔化，并可观察熔化和清除杂质，理论上硅熔体与空气接触会产生氧化氮化，但并不激烈，而熔料室接触空气面积小，小量的硫磺粉或覆盖剂散入表面并清除，其产生的熔膜即可保证数分种不产生熔料与空气反应。按装上型腔即有足够时间，即使超时产生的少量反应在晶片上产生的几片反应，作为废次品处理就算了。
[0059]
7、下压头上升驱动，下压头上升量与产出量是同步的.产出量粗算约在50-200mm/min，下压头上升1mm的挤出量与晶片产出量之比为1/10，算出上升量为5mm产出50mm晶片产出200mm晶片，下压头上升20mm,采用2mm罗距丝杆传动带降速箱的电机，输出转数每分钟2.5转至10转，功率约500w
[0060]
8、拉力拉速机构对钼丝牵引力，速度设计，产出速度即钼丝牵引(或平拉速度)速度50-200mm，选用牵引轮外径受力，以此为依据，选用带降速箱的电机输出速度为牵引轮。
[0061]
直径的周长与速度之比，牵引力因硅熔液表面张力低、粘度系数小，液态体积大于固态体积，牵引力与出型力取20kg-50kg，所需功率100w-200w足以。因晶片大小厚度不同，再经实践比较和遇到的实际变化即可较完善的更准确确定，上下型腔开式设计对结晶中阻片、停电、生产中断，薄片成型难等是最佳的处理方法。
[0062]
本发明平拉晶片法最好的实现方案是:
[0063]
例1:集中供单晶硅熔液，以平拉法型腔一体为一台，围熔炉呈园周型或平行排列为多台的实现方法，熔液进入各型腔口，按平拉晶片法型腔多台生产，统一管理，各种数据采集处理工艺设定，成倍增加产量。
[0064]
例1-1平拉晶片法型腔可用钨钢片或不锈钢板组合焊接或拼接、衔接等而成，晶片长晶、成晶、晶列、半固化固化过程是过冷度择放过程的控制调节在各阶段采用统一方法，如长晶沉集面的统一加温控温，长晶、成晶和晶列后的固态导热、半固态的增大散热面，固态的同冷，甚或用冷气或水冷，以适应各种工艺参数。
[0065]
例1-2晶片从性能来说有芯片用单晶硅片，太阳能用单晶硅片，大型整流硅片等等，从规格尺寸来说就有近百种，各工艺参数不同，平拉晶片法将产生一个行业，就像直拉晶棒法行业，而平拉晶片法能远超直拉晶棒行业，平拉晶片法型腔制造最好的实现方式是专业化、标准化。
[0066]
例1-3平拉晶片法钼丝、钨丝，它们是成熟技术的采用，但可用圈丝形环多根，使涨拉力可靠节约更换方便，增大晶片宽度
[0067]
例1-4牵引电机，采用同步电机或伺服电机用小功率带降速机构使牵引力增大，是最好的实现方式例1-5钼丝拉力拉速机构
[0068]
例钼丝拉力拉速机构分为主动轮、被动轮、轮轴、张紧移动部位2根钼丝平衡部分，多根钼丝平衡部份，各尺寸晶片尺寸不同，这些都是工作环境高温，易损零件，最好采用行业标准、专业化。
[0069]
例1-6型腔沉集面角度不同在x、y、z轴不同角度产生不同晶面和晶向，与之相应的生产出不同的物理性能晶片，最好的方法是专台角度化。
[0070]
例1-7单晶硅熔液加入不同的元素产生的物性不同由于用本法实现容易。
[0071]
例1-8本发明平拉晶片法技术实施方案中熔料杯、下压头、感应加热源、单晶硅熔液、加入口、压杆均为多余，而是为实施例。最好的实现方法是:由上、下型腔，平拉钼丝晶片拉力拉速机构为一体的平拉晶片部分再加入底座称为一头或一台，集中供熔液多头集中生产
[0072]
例1-9硅熔液可压缩性高，压缩后的晶粒体积比重均产生变化，各种压力下硅原子一种排列变化的结果，均成为研究对象产生更多用途。
[0073]
例1-10当固态高温350℃以下晶片出型，在此温度下值入热滚、印、冲、压、切、嵌等工艺，促进工艺革新进步。
[0074]
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种平拉晶片生产设备，其特征在于：包括上型腔(4)、下型腔(5)及熔料室(8)，所述上型腔(4)与下型腔(5)之间所围区域为型腔，所述型腔下部设置用于控制温度的沉集面(2)，所述熔料室(8)顶部与沉集面(2)联通，所述熔料室(8)外部设有工频加热线圈(7)，所述熔料室(8)内部设有可沿熔料室(8)内壁滑动的活塞(10)，所述熔料室(8)侧壁靠近底部位置设有进料口(9)，所述活塞(10)底部与压杆(11)连接；所述上型腔(4)上部安装设有拉力拉速机构(13)，所述拉力拉速机构(13)两端分别与钼丝(1)两端连接，所述钼丝(1)由型腔内部两侧穿过；所述上型腔(4)位于沉集面(2)上方腔体设有振动源(14)。2.根据权利要求1所述的一种平拉晶片生产设备，其特征在于：所述钼丝根据生产晶片的宽度规格设置为多根。3.根据权利要求1所述的一种平拉晶片生产设备，其特征在于：所述沉集面(2)安装设有钨片。4.根据权利要求1所述的一种平拉晶片生产设备，其特征在于：所述沉集面(2)下部安装设有用于控制长晶控晶过程温度的加热控温装置。5.根据权利要求1所述的一种平拉晶片生产设备，其特征在于：所述沉集面(2)的平通型腔角度在x、y、z轴内设置，用于生产不同晶面晶向的晶片。6.根据权利要求1所述的一种平拉晶片生产设备，其特征在于：所述拉力拉速机构(13)两侧分别设有用于导向钼丝(1)的滑轮组。7.一种平拉晶片生产方法，其特征在于：生产过程如下所述：单晶硅料由进料口(9)进入熔料室(9)内部，工频加热线圈(8)加热熔料室(9)，单晶硅料熔化为单晶硅溶液(6)，压杆(11)驱动活塞压头(10)平稳向上挤出单晶硅溶液(6)，使单晶硅溶液(6)通过成型口进入型腔，安装在成型口两侧的两根钼丝(1)环绕出型口部的拉力拉速机构控制，钼丝与单晶硅溶液在型腔内部热结合为一体，产生钼丝带动溶液进入型腔平面，并且通过沉集面(2)控制温度，温度保持在900℃-1200℃，钼丝在移动过程中完成长晶成晶，成晶后的晶片进入半固状态，继续冷却形成固态，固定晶片通过出型口导出后，钼丝与晶片两侧分离，晶片呈带状流水输出并按所需要的尺寸切割，获得所需晶片。

技术总结
本发明涉及半导体及光伏晶片领域，具体是指一种平拉晶片生产设备及平拉晶片生产方法，平拉晶片生产设备，包括上型腔、下型腔及熔料室，所述上型腔与下型腔之间所围区域为型腔，所述型腔下部设置用于控制温度的沉集面，所述熔料室顶部与沉集面联通，所述熔料室外部设有工频加热线圈，所述熔料室内部设有可沿熔料室内壁滑动的活塞，一种平拉晶片生产方法，生产过程如下所述：单晶硅料由进料口进入熔料室内部，工频加热线圈加热熔料室，单晶硅料熔化为单晶硅溶液，压杆驱动活塞压头平稳向上挤出单晶硅溶液，使单晶硅溶液通过成型口进入型腔，安装在成型口两侧的两根钼丝环绕出型口部的拉力拉速机构控制，钼丝与单晶硅溶液在型腔内部热结合为一体。部热结合为一体。部热结合为一体。


技术研发人员：张志安 张生迪 冯正中 张志斌
受保护的技术使用者：高邮市志安科技实业有限公司
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/9/9