一種籽晶的製備方法及類單晶矽錠的鑄造方法
2023-06-04 12:53:51
專利名稱：一種籽晶的製備方法及類單晶矽錠的鑄造方法
技術領域：
本發明涉及一種籽晶的製備方法，以及一種利用籽晶製造類單晶矽錠的鑄造方法。
背景技術：
能源和環境是當今世界廣泛關注的兩大問題，太陽能作為一種可再生的綠色能源自然成為人們開發和研究的焦點。自1954年美國貝爾實驗室成功研製出第一塊單晶矽太陽能電池以來，經過全球科技和產業界的不懈努力，太陽能電池技術和產業得到了巨大發展。而太陽能電池的發展主要是建立在半導體矽材料的基礎上。一般情況下，單晶矽的製備是利用直拉技術或區熔技術而獲得的，可以用在電子工業和太陽能光伏工業，它製備的太陽電池效率高，但是晶體製備成本高、能耗高。而多晶矽的製備則是利用鑄造技術，製造成本低，但製備的太陽能電池效率相對較低。為了結合單晶矽製備和多晶矽製備的優點，目前業界推出了一種介於單晶矽和多晶矽之間的類單晶，即利用多晶矽的鑄造技術製備出效率接近單晶矽的類單晶矽，具體來說，是利用定向凝固技術製備類單晶矽塊，其中多採用單晶矽塊作為籽晶放置於坩堝的底部，多晶矽錠置於單晶矽錠上部，然後按照多晶鑄錠的方式進行加熱熔化，並且保證籽晶不被完全熔化掉，確認籽晶達到所要求高度後，進入長晶階段，通過調節溫度和隔熱系統的升降速率，建立合適的溫度梯度，並保持固液界面微凸，確保熔矽在未熔的籽晶上開始生長。對於類單晶鑄錠，籽晶的質量是決定類單晶矽錠質量 的關鍵因素，目前行業內廣泛採用的籽晶不是標準的正方形，而是存在較大的倒角，在類單晶矽錠晶體生長過程中，矽錠容易在籽晶拼接處產生晶體分裂，從而降低了類單晶矽錠的質量。因此，有必要提出一種新的籽晶製備方法及一種利用上述籽晶鑄造類單晶矽錠的方法來解決上述問題。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於提供一種籽晶製備方法及類單晶矽錠的鑄造方法可以解決因籽晶存在倒角，造成多個籽晶拼接處產生晶體分裂從而降低製備的類單晶矽錠的質量問題。為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案:一種籽晶的製備方法，該方法包括如下步驟:
S1:提供收容有原生多晶矽和電性摻雜劑的坩堝；
S2:將所述坩堝放置於直拉單晶爐內進行拉制以獲得直徑為223-225mm的單晶圓棒；S3:將所述單晶圓棒經過截斷、剖方、以獲得單晶方棒，對所述單晶方棒進行切片製得單晶矽塊，所述單晶矽塊為長方體並作為籽晶用於類單晶矽錠的鑄造。為解決上述技術問題，本發明還提供如下技術方案:一種類單晶矽錠的鑄造方法，該方法包括如下步驟:511:提供坩堝、和收容於所述坩堝內部的矽塊，所述矽塊包括位於坩堝底部的單晶矽塊、和位於所述單晶矽塊上表面的多晶矽塊，所述單晶矽塊為長方體並作為籽晶用於類單晶娃澱的鑄造；
512:提供位於所述坩堝周側的加熱器以加熱該坩堝內部的矽塊；
513:提供位於所述加熱器周側的隔熱器以隔絕該加熱器對所述坩堝內部加熱作用； S14:定義垂直於所述坩堝底部向上為第一方向，調節所述加熱器的溫度、和控制所述
加熱器與隔熱器的相對位置使得坩堝內部形成第一方向上的溫度梯度，所述溫度梯度使得矽塊部分熔化並形成固-液交界面，所述未熔化矽塊只包括單晶矽塊；
S15:調節所述加熱器的溫度、和隔熱器沿著第一方向的移動速度以控制該固-液交界面沿著第一方向移動速度，以實現熔化的矽塊在未熔化的單晶矽塊上沿第一方向定向凝固，定向凝固生成的矽塊經過退火、和冷卻以得到類單晶矽錠。作為本發明的進一步改進，所述S14步驟包括所述S14步驟包括加熱所述坩堝內部至第一溫度區間、及較第一溫度區間更高的第二溫度區間。作為本發明的進一步改進，所述S14步驟包括加熱坩堝內部至第一溫度區間後調節所述隔熱器至第一位置，進而控制所述加熱器對坩堝內部加熱至第二溫度區間，以使得坩堝內矽塊沿第一方向開始熔化。作為本發明的進一步改進，所述S14步驟中第一溫度區間為1180-1220°c、第二溫度區間為1500-1550°C。
作為本發明的進一步改進，所述S15步驟中包括多晶矽塊開始熔化時保持坩堝內
溫度在第三溫度區間。作為本發明的進一步改進，所述S15步驟中包括保持坩堝內溫度在第三溫度區間時，調節所述加熱器至第二位置，以使得坩堝內矽塊達到穩定長晶。作為本發明的進一步改進，所述S15步驟中第三溫度區間為1420_1460°C。作為本發明的進一步改進，所述S15步驟中調節所述加熱器至第二位置包括以速率為0.5-0.7cm/h打開所述隔熱器。作為本發明的進一步改進，所述S15步驟包括對定向凝固生成的類單晶矽錠的剖方、切片以製得太陽電池用類單晶矽片。與現有技術相比，本發明的有益效果是:通過本發明所提供的籽晶製備方法製備的籽晶為長方體並不具有倒角，避免了多個籽晶拼接處產生晶體分裂，在採用該籽晶鑄造類單晶矽錠時可大幅提升類單晶矽錠的質量。
圖1為本發明的優選實施方式中籽晶的製備方法的流程 圖2為本發明的優選實施方式中類單晶矽錠的鑄造方法的流程 圖3為本發明的優選實施方式中類單晶矽錠的鑄造方法中坩堝裝料示意 圖4為圖3所示的類單晶矽錠的鑄造方法中坩堝裝料後另一角度的示意圖。
具體實施例方式以下將結合附圖所示的各實施例對本發明進行詳細描述。但這些實施例並不限制本發明，本領域的普通技術人員根據這些實施例所做出的結構、方法、或功能上的變換均包含在本發明的保護範圍內。本發明提供了一種籽晶製備方法。如圖1所示，本發明一實施例中，該方法包括如下步驟:
S1:提供收容有原生多晶矽和電性摻雜劑的坩堝I。優選的，採用太陽能二級品以上的原生多晶矽作為原料放置入18寸的石英坩堝以保證本發明所製備的籽晶的質量。而在矽原料中添加所述電性摻雜劑可以改變本發明所製得籽晶的電阻率以適應不同的電性需求，常見電性摻雜劑有硼、鎵、砷、磷等特殊II1、V族元素，同時增加電性摻雜劑還可以提升矽塊的金屬性能。S2:將所述坩堝I 放置於直拉單晶爐內進行拉制以獲得直徑為223-225mm的單晶圓棒。其中，採用拉提法製備單晶圓棒包括:提供適配的籽晶接觸加熱後的熔矽液面，然後慢慢向上提拉，液體矽在籽晶下端部逐漸形成結晶；進而所述結晶晶體進入等直徑生長階段，每隔一段時間停止坩堝I轉動，或每隔一段時間停止結晶晶體轉動，或每隔一段時間逆向緩慢轉動結晶晶體，直至等直徑生長階段完畢；最後，逐漸提高籽晶拉速，使結晶晶體直徑逐漸收細，最終得到需求的單晶圓棒。本發明的實施例中，製備直徑為223-225mm的9寸單晶圓棒以滿足後續製備籽晶的需求。S3:將所述單晶圓棒經過截斷、剖方、以獲得單晶方棒，對所述單晶方棒進行切片製得單晶矽塊2以作為籽晶用於類單晶矽錠的鑄造，所述單晶矽塊2為長方體。本發明的實施例中，以直徑為223-225_的9寸單晶圓棒製備單晶方棒，保證對於單晶圓棒的最大利用率，所述單晶方棒截面為邊長156mm的正方形。優選的，對單晶方棒進行切片處理製作出3cm厚的單晶矽塊2，並且所述單晶矽塊2為標準長方體，即不具有倒角，因倒角的存在會造成多個單晶矽塊2拼接處結合不夠緊密，由此在後述的類單晶矽錠製備過程中，此拼接處容易產生晶體分裂，從而影響類單晶矽錠的質量，本發明所製備的籽晶可以有效的保證後續製備類單晶矽錠的質量。本發明還提供了一種類單晶矽錠的鑄造方法。如圖2所示，本發明一實施例中，該方法包括如下步驟:
Sll:提供坩堝1、和收容於所述坩堝I內部的矽塊，所述矽塊包括位於坩堝I底部的單晶矽塊2、和位於所述單晶矽塊2上表面的多晶矽塊3，其中，採用石英坩堝I收容所述矽塊。本發明的實施例中，作為籽晶的單晶矽塊2為(100)晶面的、無位錯的單晶矽塊，通過剖方、截斷直徑為223-225mm的9寸單晶圓棒製得。同時在坩堝I中收容多個單晶矽塊2時，各個單晶矽塊2若不為標準長方體，即具有倒角，因倒角的存在會造成多個單晶矽塊2拼接處結合不夠緊密，由此在後述的類單晶矽錠製備過程中，此拼接處容易產生晶體分裂，從而降低類單晶矽錠的質量，由此所述單晶矽塊2為長方體，即採用前述的籽晶製備方法獲得的單晶矽塊2可符合此類單晶矽錠鑄造方法中原材料單晶矽塊2的需求。參考前述籽晶製備方法的描述，所述單晶矽塊2上表面為正方形面，在多個單晶矽塊2鋪設於坩堝I底部時，可以更方便的組成方陣，便於規模化生成。同時所述多晶矽塊3由多晶矽棒頂部或底部的少子壽命小於2us區域的矽塊製成，本發明的其他實施例中，所述多晶矽塊3還包括其餘的矽料形式。所述坩堝I在收容矽料的同時還收容有電性摻加劑以改變本發明所製得類單晶矽錠的電阻率以適應不同的電性需求，常見電性摻雜劑有硼、鎵、砷、磷等特殊II1、V族元素，同時增加電性摻雜劑還可以提升類單晶矽錠的金屬性能。參圖3與圖4所示，本發明的實施例中，所述Sll步驟中選擇內部尺寸為840x840x420mm的石英i甘禍I來收容娃塊，選擇上表面及下表面為邊長156mm的正方形面、厚度即垂直於上下表面的稜長為30mm的單晶矽塊2共25塊，按照5x5的排列方式平鋪於坩堝I底部，並與坩堝I側壁保持相同間隙。再於所述作為籽晶的單晶矽塊2上表面放置多晶娃塊3,所述多晶娃塊3為上表面及下表面為邊長156mm的正方形面、厚度即垂直於上下表面的稜長為25mm的長方體,所述多晶娃塊3對應的鋪設於所述單晶娃塊2上方並對應，保證拼接處不產生晶體分裂的同時，也最大化的利用了石英坩堝的內部空間。然後於所述多晶矽塊3上方放置原生多晶塊、和其他形式矽料、和電性摻雜劑，優選的採用硼作為摻雜劑以使得摻雜後製備的類單晶矽錠電阻為1.8-2 Ω.cm。S12:提供位於所述坩堝I周側的加熱器以加熱該坩堝I內部的矽塊，所述S12步驟還包括對坩堝I內部加熱之前的抽真空處理。本發明的實施例中，將收容有所述矽塊的坩堝I放置於定向凝固爐中進行抽真空並加熱，採用定向凝固爐中的熱電偶作為加熱器，在提供所述加熱器的同時，也使得本發明所提供的類單晶矽錠鑄造方法可以在現有的定向凝固爐內進行，更易形成規模化生產。S13:提供位於所述加熱器周側的隔熱器以隔絕該加熱器對坩堝I內部加熱作用，使得坩堝I內部的不同區域可以具有不同的溫度範圍，從而可以使得坩堝I內部的矽料熔融狀態可控制。本發明的實施例中，將收容有所述矽塊的坩堝I放置於定向凝固爐中，優選的，採用定向凝固爐中的位於坩堝I側部的隔熱籠作為所述隔熱器，在提供所述隔熱器的同時，也使得本發明所提供的類單晶矽錠鑄造方法可以在現有的定向凝固爐內進行，更易形成規模化生產。
S14:定義垂直於所述坩堝I底部向上為第一方向，調節所述加熱器的溫度、和控制所述加熱器與隔熱器的相對位置使得坩堝I內部形成第一方向上的溫度梯度，所述溫度梯度使得矽塊部分熔化並形成固-液交界面，所述未熔化矽塊只包括單晶矽塊2，具體的，使得單晶矽塊2位於坩堝I底部的部分並無熔化，而所述溫度梯度將坩堝I內部分為高溫區、位於高溫區下方的低溫區以及位於高溫區與低溫區之間的生長區，所述固-液交界面位於所述生長區。S15:調節所述加熱器的溫度、和隔熱器沿著第一方向的移動速度使得坩堝I內部的高溫區、低溫區的區域發生改變，進而影響位於高溫區與低溫區之間的生長區，由此控制位於所述生長區的固-液交界面沿著第一方向移動速度，以實現熔化的矽塊在未熔化的單晶矽塊2上沿第一方向定向凝固，本發明的實施例中，所述隔熱器沿第一方向移動的速度為0.5cm/h。最後，定向凝固生成的矽塊經過退火、和冷卻以得到所需類單晶矽錠。所述S15步驟還包括對定向凝固生成的類單晶矽錠的剖方、切片以製得太陽電池用類單晶矽片，已獲得更多樣性的產品滿足市場需求。本發明的實施例中，所述S11-S15步驟中採用GT-450型凝固爐對裝有所述矽料的坩堝I進行抽真空並加熱，控制作為加熱器的熱電偶先對坩堝I內部進行加熱至第一溫度區間，本實施例中第一溫度區間為1180-1220°c (優選1200°C)，再於此時打開作為散熱器的隔熱籠至第一位置，本實施例中第一位置為2-3cm (優選2cm)，然後繼續加熱至坩堝I內部第二溫度區間，本實施例中第二溫度區間為1500-1550°C (優選1530°C)，則坩堝I內的矽塊開始自上而下熔化，通過插入石英棒控制作為籽晶的單晶矽塊2的熔化，同時保持熱電偶溫度為1380-1430°C (優選1400°C )，待確認熔化至籽晶上部多晶矽塊3後，結束熔化步驟，跳轉至長晶階段，此時，保持坩堝I內溫度第三溫度區間，本實施例中第三溫度區間為1420-1460°C (優選1440°C)，然後設定側部的隔熱籠以打開速率為0.5-0.7cm/h打開至第二位置，本實施例中第二位置為16cm。達到穩定長晶，長晶結束後，經過退火和冷卻，出爐後得到所需求類單晶矽錠。通過本發明方案製備的籽晶為相同單晶方棒製得，消除了由於籽晶不同引起的製得的類單晶矽錠的質量差異，並且籽晶為長方體不具有倒角，避免了多個籽晶拼接處產生晶體分裂以提升類單晶矽錠的質量。同時本發明可以在現有的定向凝固爐內進行，工藝簡單，操作方便，較易實現規模化生產。另外，本發明所述的無倒角的籽晶可應用於任何類單晶鑄錠的鑄造工藝，而不局限於上述所提的鑄造工藝，在此不再贅述。應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施方式中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發明的可行性實施方式的具體說明，它們並非用以限制本發明的保護範圍，凡未脫離本發明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應包含在本發明的保護範圍 之內。
權利要求
1.一種籽晶的製備方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟: S1:提供收容有原生多晶矽和電性摻雜劑的坩堝； 52:將所述坩堝放置於直拉單晶爐內進行拉制以獲得直徑為223-225mm的單晶圓棒； 53:將所述單晶圓棒經過截斷、剖方、以獲得單晶方棒，對所述單晶方棒進行切片製得單晶矽塊，所述單晶矽塊為長方體並作為籽晶用於類單晶矽錠的鑄造。
2.一種類單晶矽錠的鑄造方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟: 511:提供坩堝、和收容於所述坩堝內部的矽塊，所述矽塊包括位於坩堝底部的單晶矽塊、和位於所述單晶矽塊上表面的多晶矽塊，所述單晶矽塊為長方體並作為籽晶用於類單晶娃澱的鑄造； 512:提供位於所述坩堝周側的加熱器以加熱該坩堝內部的矽塊； 513:提供位於所述加熱器周側的隔熱器以隔絕該加熱器對所述坩堝內部加熱作用； S14:定義垂直於所述坩堝底部向上為第一方向，調節所述加熱器的溫度、和控制所述加熱器與隔熱器的相對位置使得坩堝內部形成第一方向上的溫度梯度，所述溫度梯度使得矽塊部分熔化並形成固-液交界面，所述未熔化矽塊只包括單晶矽塊； S15:調節所述加熱器的溫度、和隔熱器沿著第一方向的移動速度以控制該固-液交界面沿著第一方向移動速度，以實現熔化的矽塊在未熔化的單晶矽塊上沿第一方向定向凝固，定向凝固生成的矽塊經過退火、和冷卻以得到類單晶矽錠。
3.根據權利要求2所述的類單晶矽錠的鑄造方法，其特徵在於，所述S14步驟包括加熱所述坩堝內部至第一溫度區間、及較第一溫度區間更高的第二溫度區間。
4.根據權利要求3所述的類單晶矽錠的鑄造方法，其特徵在於，所述S14步驟包括加熱坩堝內部至第一溫度區間後調節所述隔熱器至第一位置，進而控制所述加熱器對坩堝內部加熱至第二溫度區間，以使得坩堝內矽塊沿第一方向開始熔化。
5.根據權利要求3或4所述的類單晶矽錠的鑄造方法，其特徵在於，所述S14步驟中第一溫度區間為1180-1220°C、第二溫度區間為1500-1550°C。
6.根據權利要求2所述的類單晶矽錠的鑄造方法，其特徵在於，所述S15步驟中包括多晶矽塊開始熔化時保持坩堝內溫度在第三溫度區間。
7.根據權利要求6所述的類單晶矽錠的鑄造方法，其特徵在於，所述S15步驟中包括保持坩堝內溫度在第三溫度區間時，調節所述加熱器至第二位置，以使得坩堝內矽塊達到穩定長晶。
8.根據權利要求6或7所述的類單晶矽錠的鑄造方法，其特徵在於，所述S15步驟中第三溫度區間為1420-1460°C。
9.根據權利要求7所述的類單晶矽錠的鑄造方法，其特徵在於，所述S15步驟中調節所述加熱器至第二位置包括以速率為0.5-0.7cm/h打開所述隔熱器。
10.根據權利要求2所述的類單晶矽錠的鑄造方法，其特徵在於， 所述S15步驟包括對定向凝固生成的類單晶矽錠的剖方、切片以製得太陽電池用類單晶矽片。
全文摘要
本發明公開了一種籽晶的製備方法，該方法包括如下步驟S1提供收容有原生多晶矽和電性摻雜劑的坩堝；S2將所述坩堝放置於直拉單晶爐內進行拉制以獲得直徑為223-225mm的單晶圓棒；S3將所述單晶圓棒經過截斷、剖方、以獲得單晶方棒，對所述單晶方棒進行切片製得單晶矽塊，所述單晶矽塊為長方體並作為籽晶用於類單晶矽錠的鑄造。與現有技術相比，本發明的有益效果是通過本發明所提供的籽晶製備方法製備的籽晶為長方體並不具有倒角，避免了多個籽晶拼接處產生晶體分裂，在採用該籽晶鑄造類單晶矽錠時可大幅提升類單晶矽錠的質量。
文檔編號C30B29/06GK103088406SQ201110339300
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月1日 優先權日2011年11月1日
發明者許濤, 李飛龍 申請人:阿特斯(中國)投資有限公司, 阿特斯光伏電力(洛陽)有限公司