一种使用区域连续铸造法制备区熔硅料的方法

本发明涉及晶体生长领域 

区熔(FZ)法指晶体生长的一种方法，又称悬浮区熔法，用来获取半导体如硅锗，砷化镓等的单晶。区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。 

同其他晶体生长方法相比，区熔生长仅能使用西门子还原炉经过特殊工艺生产的柱状原料多晶硅，以使外形尺寸，内部应力都满足区熔生长的要求。一般来说，即使采用特殊工艺，从西门子还原炉直接产出的区熔多晶硅棒也还须经圆周磨床滚圆以满足几何尺寸要求。该种西门子还原工艺极大地牺牲多晶硅料还原生长的速度，从而导致区熔工艺的成本远高于其他晶体生长方法。全球仅有有限的工厂提供极少产量的该种区熔多晶硅料，使得区熔方法未能如其他硅晶体生长方法一样得到普及。但是区熔法相较于其他晶体生长方法可以提供极低污染的硅单晶，在晶体质量上的优势无可比拟。 

本方法旨在通过一种低成本，无污染的连续局部铸造方法；对西门子工艺生产的普通柱状多晶硅原料进行区熔生长前的预加工，使得多晶硅外形尺寸，内部应力满足区熔生长的要求。从而使得半导体和太阳能工业获得大量高质量低成本的硅单晶。该方法使用所谓冷坩埚(即坩埚并不对硅棒传导或者辐射热量，坩埚温度相对硅棒较低，处在所谓冷态。从而避免从高温下，坩埚内的杂质导入硅棒形成污染)对硅棒进行局部熔融加热，从而铸造出区熔工艺可以接受的区熔原料硅棒。 

图1同图2 

1原生还原炉产出的棒状多晶硅 

2熔融硅 

3铸造后的硅棒 

4水冷坩埚及加热器 

5硅棒上平台 

6硅棒下平台 

如图1所示设备。从还原炉取下的普通原生还原硅棒(推荐对硅棒在使用前退火，以消除内应力)截去两端头部后，夹持在(5)硅棒上平台(6)硅棒下平台之间。(4)为铜钼等金属或者陶瓷制作的坩埚，内置水冷回路通过感应线圈对熔融硅进行加热。 

铸造晶体时，(2)熔融硅的熔区可以从硅棒的顶部自上而下，也可以由底部自下而上铸造。 

铸造晶体时，(4)水冷坩埚及加热器可以固定不动，硅棒上下运动进行铸造。也可以硅棒相对固定，移动(4)水冷坩埚及加热器进行铸造。无论采用哪种物理运动方式，由于原生还原炉的硅棒直径变化比较大，其铸造后长度的硅棒将短于原生硅棒的长度，所以(5)硅棒上平台(6)硅棒下平台，必须具有进行一定程度相对运动的行程。 

为了便于控制晶体铸造速度等工艺参数，可以在(4)水冷坩埚及加热器内设计温度及视像传感器进行闭环控制。同时在(5)硅棒上平台(6)硅棒下平台上分别设置称重传感器也可以提供铸造工艺所需要的控制参数。 

在(4)水冷坩埚及加热器设置导入通道，可以在铸造时对硅棒进预掺杂。掺杂方式可以是气，液，固三 相中的任意一种。 

在图2中，提供了一种类似铸造方法，其电耗更低。在原生还原硅料棒外径上下偏差和内应力满足一定要求情况下，将原料棒夹持在(5)硅棒上平台(6)硅棒下平台之间。坩埚保持对硅棒的无物理接触，进行铸造。同图1所示方法铸造的熔融硅由坩埚进行约束不同，图2方法中，熔融硅通过液体硅的表面张力维持。在该方法下，掺杂仅可通过气相方式进行。 

图2方法，由于坩埚同硅棒无物理接触，铸造过程可能带入的杂质数量得到进一步的减少。