一種定向凝固生長多晶矽錠工藝的製作方法

2023-04-26 04:58:16

專利名稱：一種定向凝固生長多晶矽錠工藝的製作方法
一種定向凝固生長多晶矽錠工藝 本發明屬於半導體材料矽晶體的製備。 在已有技術中，製備太陽能電池所需的半導體材料多晶矽錠的操作工藝，可分為 二大類澆鑄法和定向凝固法。以澆鑄法生產矽晶體，由於要在熔鑄爐內設置翻轉機構以及 它所用的急冷卻方式，一般難以得到較大的呈柱狀的晶粒。採用定向凝固法，則可避免上述 缺點。然而在定向凝固工藝操作中，模具的使用次數以及如何得到無氣孔、無裂縫、高純度 的矽錠則為最需解決的問題，使用特殊的石英材料製作圓形模具，其重複使用次數不過幾 次；如果用塗有氮化矽的石英坩堝，使用次數可達到十二次。此外，也有用石墨坩堝、塗有氮 化矽的石墨坩堝以及燒結的氮化矽坩堝為模具，由於成本高或產物質量差，也不令人滿意。 為獲得呈柱狀的大晶粒，國外曾採用大流量的氬氣為冷卻源，或者以下移模具產生模具中 自下而上的溫度梯度，或者採用熱交換裝置等手段來實現此目的。由於這些手段雖各有所 長，但或成本高，或操作不便，均有其不可避免的缺點。 本發明的目的是找出一種操作方便，設備簡單、投資少、能耗省的矽晶體生長工 藝，以滿足日益增長的太陽能電池應用的需要。 用價格較低的高純度、高強度、高細密性的石英做模具，以生長方形的多晶矽錠，
是本發明的一種嘗試。
附

圖1模具組裝圖 附圖2上頂板透視圖 附圖3石英陶瓷坩堝方模具橫截面 生長方錠所用的組合式模具由二塊石英陶瓷組建和石英陶瓷螺栓組成，其中有上 頂板7、石英陶瓷坩堝8各一件。石英陶瓷坩堝8底部的背面中心有凸出的圓柱筒9供插 入爐子的下轉軸街頭10之用，以使模具支撐在下轉軸12上，上頂板7呈外圓內方的環狀， 環中央的方孔為模具的上口 ，上頂板7的背面也有與石英陶瓷坩堝8相應大小的井字形溝 槽，供嵌入之用。井字形溝槽的邊與方孔的邊平行。石英陶瓷坩堝與上頂板7用石英陶瓷 螺栓6相連接。此外，上頂板7的背面在正方孔的四條邊的中點各有一段走向與方孔的邊 相垂直的小槽12，供嵌入由爐子的上轉軸帶動的提拉杆1的橫梁4用。模具的大小尺寸應 與爐膛大小相匹配。使用石英製成的組合式模具，可以便於取出矽錠。
本發明還研製了一種提純的氮化矽塗料，它由高純度的氮化矽粉料和調料去離子 水或經陽離子交換樹脂柱反覆提純的聚乙烯醇的水溶液組成。高純度的矽塊在研磨成粉的 過程中不可避免地會引入不需要的雜誌。因此，製作高純度的氮化矽可將矽粉在鹽酸、硝酸 和水組成的混合酸的水溶液中浸泡，過濾再洗滌到中性，烘乾後研磨到100-400目，加入少 許99. 99%高純度氮化矽為催化劑，在1250至140(TC高溫下將矽粉進行氮化處理，所得氮 化矽用硬質合金鋼磨樣機磨碎，再經混合酸的水溶液浸泡、過濾、洗滌、烘乾及研磨，可得純 度為99. 95 %至99. 99%的氮化矽粉料。 為了在模具內壁塗上一層厚度為0. 1至2mm的氮化矽塗層作為脫模劑，可用去離 子水或經陽離子交換樹脂提純的聚乙烯醇的水溶液為調料，提純的聚乙烯醇水溶液中含聚 乙烯醇的量可在重量百分比0. 05%至5%之間。
使用氮化矽為脫模劑的工藝中，應提高其耐高溫性能方能有效地起到脫模作用， 為此，本發明在工藝操作過程中除通入氬氣建立靜態保護氣氛外，再充入一定分壓的高純 氮氣，使矽錠與塗有氮化矽塗層的模具絲毫不沾，脫模相當順利，有效地提高了矽錠的質量 和模具的重複使用次數。 為了生長出大尺寸的且呈柱狀的晶體，熱場是個關鍵，熱場除靠功率的調節外，冷 卻速度的改變也是一種重要的手段。矽料溶化時，冷卻速度要求極小；凝固時冷卻速度要逐 漸增大；即將全部凝固時要以相當大的冷卻速度從錠底導走凝固時放出的凝固熱。本發明 採用了水冷卻方法。在爐子的下轉軸11內通入冷卻水，由下轉軸11通過下轉軸的接頭10 從模具下底板9導走熱能，由於溶化階段不希望模具體系的熱能損失，因此在此階段中模 具由上轉軸通過它帶動的提拉杆1靠橫梁4懸掛著受熱；溶化完畢後，再將下轉軸11上升， 使下轉軸接頭10插入模具的底板9背面的圓柱形筒10內支撐模具，隨後撤去橫梁4，逐漸 增大冷卻水流速，同時由下轉軸11帶動模具按一定速度下降，上述二者(冷卻水流速的增 大及模具的下降)並用達到了定向凝固所需的熱場。 本發明的具體實施過程為在石英陶瓷坩堝內壁塗上厚度為0. 1至2mm的氮化矽 塗層，烘乾；塗有氮化矽脫模劑並裝有1. 05公斤矽料(多晶或單晶廢料)及摻雜劑的模具 置於C為380mm高為800mm的熔鑄爐膛內通過提拉杆1懸掛在橫梁4上，並使橫梁4嵌入 模具中上頂板7背面的溝槽中；下降上轉軸時模具處在爐內一合適位置；調節熔鑄爐的下 轉軸11使其接頭10上升到插入8下底背面的圓柱形筒9內離下底板約有10mm為止；關閉 爐門；抽真空，在500至140(TC烘烤下真空度達10—4乇時切斷真空系統；充入氬氣到壓力為 100至760乇止；繼續升溫熔化模具內矽料；充入高純氮氣到總壓為1. 1至5公斤；待矽料 全部熔化及摻雜劑分布均勻時調節下轉軸11內冷卻水的流速為1. 9公斤/分，逐漸上升下 轉軸11使其接頭10與模具8底板9完全接觸；稍後，加大冷卻水流速到2. 3公斤/分；將 上轉軸下降3mm再旋轉45°角，提出橫梁4 ;以適合速度下降模具，同時逐漸增大冷卻水流 速，至下降的行程為預計錠長的一半時，冷卻水的流速達4. 6公斤/分；繼續下降模具到行 程大於預計錠長止；開動降溫控制系統，控制在1小時內使熔鑄爐爐溫降到900°C ;切斷電 源，使其自然冷卻。按此過程可得80 X 80 X 80mm的方錠，方錠內無氣孔、無裂縫，晶體呈柱 狀，切片後可見晶粒尺寸平均在毫米級，最大為5mm，其電阻率易控制，少子擴散長度為60 至80微米，錠的可利用率可達80 % ，切出的20 X 20mm2或50 X 50mm2的晶片所製造的電池 性能良好，其電池全面積轉換率最佳可達ll. 3%。由於石英陶瓷坩堝模具的成本低，冷卻費 用少和能耗的節省，因此運用本發明能取得較大的經濟效益。
權利要求
一種使用塗有脫模劑的石英陶瓷坩堝以定向凝固法生長用於太陽能電池的多晶矽錠的工藝，其特徵在於採用塗有高純度的氮化矽脫模劑的石英陶瓷坩堝，在多晶矽錠的耐高溫性能，在下移磨具的同時以水冷卻方式調節多晶矽錠生長所需的熱場，得到無氣孔、無裂縫、高純度的完整的多晶矽錠。
2. 根據權利要求1所述的多晶矽錠生長工藝，其特徵在於所說的脫模劑氮化矽是將矽 粉經混合酸的水溶液浸泡，在氮化矽籽粉催化下高溫淡化、研細、混合酸的水溶液的再浸泡 後得到的高純度的氮化矽。
3. 根據權利要求2所述的多晶矽錠生長工藝，其特徵在於所說的混合酸水溶液由鹽 酸、硝酸和水組成。
4. 根據權利要求2或3所述的多晶矽錠生長工藝，其特徵在於所說的氮化矽塗料由高 純度氮化矽粉料和調料去離子或含重量百分比為0. 05%至5%的經陽離子交換樹脂提純 的聚乙烯醇的水溶液調製而成。
5. 根據權利要求1所述的多晶矽錠生長工藝，其特徵在於所說的提高氮化矽耐高溫性 能是充入了 0. 1至4公斤的分壓的高純氨氣而實現的。
6. 根據權利要求5所述的多晶矽錠生長工藝，其特徵在於溶化時模具懸掛，凝固時模 具支撐在水冷卻的下轉軸上，所需熱場的調節由下移模具和同時調節冷卻水流速的方式達 到。
7. —種用於權利要求1所述的多晶矽錠生長工藝的石英陶瓷坩堝模具，其特徵在於模 具由高純度、高強度、高細密性的石英燒制而成，其形狀可為方柱筒形，模具尺寸應與熔鑄 爐爐膛相匹配。
8. 根據權利要求7所述的石英陶瓷坩堝模具，其特徵在於所說的方柱筒形模具由上頂 板7、石英陶瓷坩堝二塊石英陶瓷組件和石英陶瓷螺栓組成。
9. 根據權利要求8所述的組合式石英陶瓷坩堝模具，其特徵在於所說的上頂板7與石 英陶瓷坩堝的聯接由溝槽嵌合和石英陶瓷螺栓固定。
全文摘要
一種定向凝固生長多晶矽錠工藝，本發明屬於半導體材料矽晶體的製備。以高性能的石英坩堝模具，用去離子水等作調料，將經處理的氮化矽粉料調成糊狀，作脫模劑，用氬氣和氮氣為氣氛，熔化時模具懸掛，凝固時模具支撐在水冷卻的下轉軸上，在下降模具的同時增大冷卻水流速，使熔矽從模具底開始定向凝固。使用本發明可得無氣孔、無裂縫的完整方錠，晶粒呈柱狀，晶寬達毫米級，摻雜可控，製作的太陽能電池性能良好，全面積轉換效率最佳值達11.3％。
文檔編號C30B28/06GK101768775SQ20081024333
公開日2010年7月7日 申請日期2008年12月26日 優先權日2008年12月26日
發明者譚文運 申請人:譚文運