一種在鑄錠石英陶瓷坩堝底部布局引晶材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多晶硅鑄錠提高品質(zhì)的方法，其具體涉及一種在鑄錠石英陶瓷坩禍底部布局引晶材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽(yáng)能電力是深受民眾普遍歡迎的一種潔凈新能源。在太陽(yáng)能電池品種中有單晶娃和多晶娃電池兩個(gè)品種，目前市場(chǎng)上用量最大的是多晶娃電池。所以，多晶娃電池片發(fā)電效率以及其品質(zhì)如何，備受關(guān)注。
[0003]多晶硅片作為制備電池的基礎(chǔ)材料，其硅片生產(chǎn)過(guò)程需經(jīng)過(guò)(坩禍)裝料、加熱、熔化、長(zhǎng)晶、退火和冷卻等六個(gè)主要工藝步驟；當(dāng)完成鑄錠后，經(jīng)多線(xiàn)切割機(jī)切割加工，才能制備出多晶硅片。
[0004]多晶硅片質(zhì)量與其電阻率、位錯(cuò)、少子壽命以及晶相結(jié)構(gòu)有關(guān)。高效多晶硅片因?yàn)槠涔杵Я＞鶆颉⑽诲e(cuò)密度低、少數(shù)載流子壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，以其制備的電池轉(zhuǎn)換效率高，因而受到市場(chǎng)歡迎。
[0005]目前制備高效多晶硅片，相關(guān)企業(yè)各顯神通，方法多樣，但其共同點(diǎn)是借鑒單晶硅棒拉制技術(shù)，設(shè)置不同的“引晶”材料，實(shí)現(xiàn)不同的布局。由于鑄錠過(guò)程起“引晶”作用的材料融化情況，難以用儀器觀測(cè)，所以保證起“引晶”作用的“仔晶”安全(即不能被全部熔解)，最重要的就是“仔晶”的處理、布局與精確控溫。
[0006]眾所周知，目前的太陽(yáng)能電池用多晶硅大多數(shù)是由改良西門(mén)子法制備而成，其純度較高，在99.9999%即6N的純度范圍。作為其容器的石英陶瓷坩禍以及引晶材料，其基本要求是不能對(duì)多晶硅原料造成污染。所以，制造坩禍與選擇“引晶”的材料，都選擇高純的硅基材料。
[0007]鑄錠過(guò)程中，硅錠是以高純多晶硅為原料，加上極少量的母合金制備而成。生產(chǎn)高效硅錠技術(shù)，除了精密的溫度控制外，大家都把研宄的重點(diǎn)放在坩禍的處理上。目前，選做“仔晶”的原料大都是二氧化硅物質(zhì)，但其形態(tài)與性能不同、在坩禍底部布局也不同。有的廠家選擇娃粉、娃粒、碎娃片；也有選擇高純石英砂、特種玻璃；還有選擇氮化娃，等。
[0008]這些“仔晶”材料布局在坩禍底部后，會(huì)在某些位置形成凸點(diǎn)，而沒(méi)有布局“仔晶”材料的位置就似凹點(diǎn)，凹凸不平的層面，看起來(lái)就是一個(gè)“粗糙面”，成為晶體生長(zhǎng)的“成核中心

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了引導(dǎo)晶體按期望的晶粒大小和晶向可控的方式生長(zhǎng)，我們從生產(chǎn)高效多晶硅片需要出發(fā)，在坩禍底部按設(shè)計(jì)要求布局“仔晶”點(diǎn)，形成有規(guī)則的“粗糙面”與“成核中心”，引導(dǎo)晶體豎直生長(zhǎng)。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述目的而采取的技術(shù)方案，包括以下幾個(gè)步驟:
1.首先對(duì)坩禍表面進(jìn)行凈化與加溫處理，使其整體體溫保持在正常室溫，讓其內(nèi)表面保持清潔干爽狀態(tài)；
2.選擇“硅烷流化床還原法”生產(chǎn)制造的硅圓粒料，放在球磨罐中球磨后，顆粒度減小，再經(jīng)過(guò)250-300目篩分，使其直徑大小能滿(mǎn)足要求；
3.將硅溶膠用純凈水稀釋后，均勻的與氮化硅粉調(diào)成溶液；將該溶液噴涂在篩分后的硅圓粒料上，使高熔點(diǎn)的氮化硅粉均勻的將(相對(duì)低熔點(diǎn)的)圓硅粒包裹，形成對(duì)硅粒的保護(hù)涂層；
4.在坩禍底部放置有規(guī)則洞孔的塑料模板，硅溶膠粘附劑噴涂在孔洞中，然后將(有包裹層的)圓硅粒布置在有粘結(jié)劑的孔洞中，撤去模板則完成第一層引晶材料的布局；
5.將無(wú)水氫氧化鋇用純凈水溶解，均勻噴涂在樹(shù)禍底部，然后加溫至200-300°C，再讓其慢慢冷卻至室溫；
之所以，坩禍的底部第二層選擇該鋇層的理由是:
使用飽和狀的氫氧化鋇水溶液，這層氫氧化鋇會(huì)與空氣中的二氧化碳反應(yīng)形成碳酸鋇。而當(dāng)石英坩禍在窯爐內(nèi)被加熱時(shí)，碳酸鋇會(huì)分解形成氧化鋇，隨著氧化鋇與石英坩禍反應(yīng)形成硅酸鋇。由于硅酸鋇的存在，使得石英坩禍壁上形成一層致密微小的方石英結(jié)晶。這種微小的方石英結(jié)晶很難被溶液滲入而剝落，即使剝落也很快被溶液溶解掉，因此可以大幅度的改善石英坩禍的使用性能及長(zhǎng)晶良率。另外在石英坩禍壁上形成一層方石英結(jié)晶的好處，是它可以增加石英坩禍的強(qiáng)度，減少高溫軟化現(xiàn)象。
[0011]由于鋇在硅中的平衡偏析系數(shù)非常小，使得它在硅晶棒中的濃度小于2.5X10C-9)/cm3，因而不會(huì)影響到晶棒的品質(zhì)。
[0012]本發(fā)明布局該鋇層目的:使其在坩禍底部形成一個(gè)完整的方石英結(jié)晶層，保護(hù)第一層的引晶材料；在布有圓硅粒之處就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)微小的凸點(diǎn)，整個(gè)底面形成一個(gè)凹凸有致、高低不平的“粗糙面”即“引晶中心”，硅錠晶體會(huì)隨著“引晶中心”指引生長(zhǎng)出合格的晶體。
[0013]6.在坩禍底部的第三層，采用免燒結(jié)技術(shù)配料:先將粘結(jié)劑與純凈水在一定溫度下溶解，將合格并過(guò)篩的氮化硅粉體與之混合后，用噴涂機(jī)均勻噴在內(nèi)底與內(nèi)壁四周，低溫烘烤干燥后待用。
[0014]石英陶瓷坩禍經(jīng)過(guò)以上三層處理，對(duì)于制備高效多晶硅片能起關(guān)鍵作用。其中底層起“引晶”材料作用；第二層起保護(hù)第一層引晶材料作用；第三層起阻隔坩禍雜質(zhì)向硅液滲透作用，由于氮化硅材料熔點(diǎn)比較高，其同時(shí)也起保護(hù)“引晶”材料與鋇層作用，使“引晶”材料不會(huì)全部被熔去。
[0015]該多種手段的應(yīng)用目的，就是使硅錠的晶粒沿著“引晶”材料指示的形核中心豎直且均勻地生長(zhǎng)，得到高品質(zhì)的多晶硅錠。
[0016]在坩禍底部完成上述布局后，需同時(shí)控制好鑄錠工藝參數(shù)與流程。在工藝控制環(huán)節(jié)上，要特別注意硅原料在融化和后續(xù)晶體生長(zhǎng)過(guò)程。另外，其固液界面盡可能與水平面保持平行，此種(平面固液界面)定向凝固制備出的多晶硅錠，其晶粒均勻、晶體缺陷少，后續(xù)制備出的電池轉(zhuǎn)換效率就高。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于，
目前在坩禍底部布局引晶材料，相關(guān)企業(yè)基本上對(duì)仔晶材料布置的各點(diǎn)距離與點(diǎn)的大小、點(diǎn)的形狀屬隨機(jī)性，不可控；本發(fā)明中各點(diǎn)距離，通過(guò)模板解決(模板是規(guī)則性的，大小孔洞是固定，可控的)；點(diǎn)的大小，通過(guò)篩孔大小決定；點(diǎn)的形狀，選擇圓形；
在石英坩禍上使用飽和狀的氫氧化鋇水溶液、形成該鋇層，是單晶硅棒拉制工藝常用的方法。本發(fā)明借用該方法，將其移至多晶硅鑄錠坩禍領(lǐng)域，是首次；使其在坩禍底部形成一個(gè)完整的方石英結(jié)晶層，既保護(hù)坩禍又保護(hù)第一層的引晶材料。
[0018]氮