一種定向凝固法準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)爐及準(zhǔn)單晶硅的生長(zhǎng)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種定向凝固法準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)爐及準(zhǔn)單晶硅的生長(zhǎng)方法，包括石英坩堝、石墨坩堝、DS塊和氬氣冷卻進(jìn)口管，石英坩堝內(nèi)底部開若干籽晶凹槽，在DS塊上開氬氣冷卻孔和氬氣流道，該流道最終使氬氣沿DS塊的四周流入爐體，底部氬氣冷卻進(jìn)口管構(gòu)成底部氬氣強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)時(shí)，針對(duì)熔料、生長(zhǎng)和收尾的不同階段，控制底部氬氣冷卻進(jìn)口管的氬氣流量，從而控制籽晶的熔接、固液界面保持水平并略凸以及晶體硅和熔體硅的軸向溫度梯度。與現(xiàn)有準(zhǔn)單晶生長(zhǎng)方法中籽晶鋪滿石英坩堝底部相比，籽晶用量大大減少，節(jié)約成本，準(zhǔn)單晶硅的單晶率可達(dá)95%以上，大大提高了太陽(yáng)光伏電池的效率。
【專利說(shuō)明】一種定向凝固法準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)爐及準(zhǔn)單晶硅的生長(zhǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于制造太陽(yáng)能級(jí)準(zhǔn)單晶硅鑄錠的準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)爐及準(zhǔn)單晶硅的生長(zhǎng)方法，尤其涉及一種定向凝固法準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)爐及準(zhǔn)單晶硅的生長(zhǎng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光伏電池可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，而它的最重要特征之一是其轉(zhuǎn)化效率。雖然很多半導(dǎo)體材料可以用于生產(chǎn)光伏電池，但硅材料由于其適中的成本、合適的電學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于光伏電池的制造。由于鑄造多晶硅的制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本遠(yuǎn)低于單晶硅，目前已經(jīng)成為太陽(yáng)光伏電池的主流產(chǎn)品。但相對(duì)于直拉單晶硅而言，鑄造多晶硅有較高的雜質(zhì)、缺陷和晶界，使得多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率比單晶硅低1-2% (絕對(duì)效率)，可見(jiàn)硅錠質(zhì)量對(duì)電池效率有著直接影響，這也限制了鑄造多晶硅的進(jìn)一步發(fā)展。
[0003]目前太陽(yáng)光伏行業(yè)廣泛使用的多晶硅鑄錠技術(shù)是定向凝固法(DSS)。該方法是坩堝上方和側(cè)面裝有加熱器，坩堝底部是安裝散熱部件，硅料在平底石英坩堝中融化后打開側(cè)壁隔熱籠進(jìn)行原位定向凝固。熔融硅首先在石英坩堝底部異質(zhì)形核，形成很多具有不同晶向的單晶硅晶粒，通過(guò)控制軸向和徑向溫度梯度，盡量控制固液界面水平并略凸，利用不同晶向晶粒的生長(zhǎng)速率差異，擇優(yōu)生長(zhǎng)出大晶粒鑄錠多晶硅。因?yàn)槌跏汲珊耸前l(fā)生在石英坩堝底部的無(wú)籽晶隨機(jī)過(guò)程，因此晶粒大小和晶向均無(wú)法人為控制，多晶硅柱狀晶粒的大小和分布完全決定于初始形核。這使得“類單晶”或“準(zhǔn)單晶”生長(zhǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
[0004]利用 現(xiàn)有多晶硅鑄錠爐生長(zhǎng)準(zhǔn)單晶或大晶粒硅錠已有很多種嘗試，大多是通過(guò)在石英坩堝底部鋪上多塊單晶籽晶來(lái)生長(zhǎng)“類單晶”或“準(zhǔn)單晶”，而籽晶通常是將6寸或8寸的單晶硅棒橫向或縱向截?cái)嘈纬傻暮駷?-5 cm的硅塊。眾多科研機(jī)構(gòu)和廠家已經(jīng)在類單晶鑄造方面進(jìn)行了深入研究，并申請(qǐng)了相關(guān)專利，如BP Solar，浙江大學(xué)硅材料實(shí)驗(yàn)室，晶澳，煜輝，LDK等。各個(gè)廠家對(duì)此技術(shù)的稱謂不同，有“準(zhǔn)單晶”、“類單晶”、“近單晶”等。此技術(shù)在光伏行業(yè)前景光明，已進(jìn)入批量中試階段。
[0005]中國(guó)專利(專利號(hào)201110300537.6)公開了一種單晶鑄錠用大面積籽晶的制備方法和設(shè)備，該發(fā)明雖然解決了鑄造單晶所必需的大面積籽晶的難題，但該方法需要利用切割的單晶硅塊作為籽晶，并利用水平定向凝固法生長(zhǎng)出大面積單晶硅平板，增加了生產(chǎn)成本的同時(shí)，也受制于水平定向凝固技術(shù)。中國(guó)專利(專利號(hào)201210058375.4)公開了一種用多晶鑄錠爐生產(chǎn)類單晶硅錠的方法，該發(fā)明利用單晶硅切方錠過(guò)程中切除的邊角料作為籽晶，鋪設(shè)于石英坩堝底部，利用定向凝固爐生長(zhǎng)準(zhǔn)單晶鑄錠。此設(shè)計(jì)雖然實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)，但坩堝底部散熱無(wú)法實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制，影響功耗的同時(shí)，準(zhǔn)單晶質(zhì)量也無(wú)法保證。美國(guó)專利(專利號(hào)US2013/0213297A1)公開了一種利用籽晶生長(zhǎng)鑄錠硅的爐體和生長(zhǎng)方法，該發(fā)明在石英坩堝底部中心區(qū)鋪設(shè)籽晶，并在底部散熱塊中心區(qū)域留有凹槽，以加強(qiáng)該區(qū)域散熱，達(dá)到保護(hù)籽晶不被熔融、并使籽晶處優(yōu)先生長(zhǎng)的目的。但底部散熱塊的設(shè)計(jì)是被動(dòng)散熱，很難主動(dòng)控制該區(qū)域散熱，容易造成籽晶全部熔化，后期生長(zhǎng)過(guò)程也難于控制。中國(guó)專利(專利號(hào)201210583938.1)公開了一種制備準(zhǔn)單晶硅的鑄錠爐及制備準(zhǔn)單晶硅的方法，該發(fā)明雖然通過(guò)使用特殊的熱交換裝置，用氣體換熱的方式替代傳統(tǒng)的隔熱籠換熱方式，控制籽晶溫度，但熱交換裝置的流道設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣體的均勻分配，容易造成坩堝底部散熱不均，固液界面形狀過(guò)凸等問(wèn)題。中國(guó)專利(專利號(hào)201120040603.6)和中國(guó)專利(專利號(hào)201120379783.0)公開了一種用于多晶鑄錠爐的氣體冷卻裝置，該發(fā)明通過(guò)在熱場(chǎng)底部增加一個(gè)主動(dòng)散熱的氣體冷卻裝置，并通過(guò)調(diào)節(jié)通入裝置內(nèi)的氣體流量控制主動(dòng)散熱幅度，但氣體流道設(shè)計(jì)同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)坩堝底部的均勻冷卻，氣體進(jìn)口處冷卻量過(guò)大，而遠(yuǎn)離進(jìn)口處又得不到有效冷卻，造成固液界面形狀不規(guī)則，不利于準(zhǔn)單晶硅的生長(zhǎng)。美國(guó)專利(專利號(hào)US2013/0193559A1)公開了一種定向凝固法生長(zhǎng)鑄錠硅的設(shè)備和方法，該發(fā)明將多塊方形單晶硅籽晶鋪設(shè)于石英坩堝底部，從而利用定向凝固法生長(zhǎng)準(zhǔn)單晶，但該方法容易造成籽晶在熔料過(guò)程中熔融，并且浪費(fèi)大量單晶硅籽晶，大大增加了生產(chǎn)成本。中國(guó)專利(專利號(hào)201110083260.6)公開了一種單晶硅鑄錠的生產(chǎn)方法，該方法利用底部為圓錐形的石英坩堝，將籽晶按照相同晶向放置于坩堝底部的籽晶槽中，采用坩堝下降法促使硅熔體由底部向上定向凝固，由未熔化的籽晶誘導(dǎo)準(zhǔn)單晶的生長(zhǎng)，最終形成單晶硅鑄錠。該方法僅適用于小型鑄錠硅的生長(zhǎng)，對(duì)于大型鑄錠硅，該方法很難控制籽晶不被熔融，并且軸向和徑向的溫度梯度也難于控制。中國(guó)專利(專利號(hào)201120254245.9)公開了一種坩堝，該發(fā)明在傳統(tǒng)定向凝固法石英坩堝底部中心處開有倒圓錐形的槽口，以提高該位置的熱導(dǎo)率，使該位置形成適宜的過(guò)冷度而生成硅孿晶結(jié)構(gòu)，并且以此孿晶結(jié)構(gòu)作為籽晶來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)硅熔體的定向凝固，得到高質(zhì)量的多晶硅錠。但該方法只有石英坩堝中間一小塊區(qū)域，即使實(shí)現(xiàn)了增加該區(qū)域過(guò)冷度的目的，對(duì)于大尺寸鑄錠來(lái)說(shuō)，也很難擴(kuò)展到整個(gè)坩堝底部。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種定向凝固法準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)系統(tǒng)，能夠低成本的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)，有效控制固液界面形狀，同時(shí)方便地控制晶體硅和熔體硅的軸向溫度梯度。
[0007]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:一種定向凝固法準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)爐，包括石英坩堝、石墨坩堝和DS塊，其特征在于，所述DS塊與所述石墨坩堝底面貼合，所述DS塊上開有若干氬氣冷卻通孔，所述DS塊與所述石·墨坩堝貼合的一面上開有若干凹槽，所述凹槽將各個(gè)氬氣冷卻通孔連通起來(lái)構(gòu)成氬氣流道，所述DS塊的另一面上安裝有氬氣冷卻進(jìn)口管，所述氬氣冷卻進(jìn)口管與所述氬氣冷卻通孔配合連接；所述石英坩堝底部開有若干籽晶凹槽，所述籽晶凹槽的中心軸線與所述氬氣冷卻通孔的中心軸線共線。
[0008]上述方案中，所述石墨坩堝的開口邊緣開有若干凹槽，所述碳碳復(fù)合材料頂部蓋板和所述凹槽共同構(gòu)成石墨坩堝頂部側(cè)排氣口。
[0009]上述方案中，所述籽晶凹槽沿所述石英坩堝的中心軸線對(duì)稱分布在所述石英坩堝底部。
[0010]上述方案中，所述氬氣冷卻通孔(12)的形狀、大小與所述石英坩堝(4)底部的籽晶凹槽(11)保持一致。
[0011]上述方案中，所述籽晶凹槽的形狀為圓形或三角形或多邊形。
[0012]上述方案中，所述DS塊與所述石墨坩堝貼合的一面上開設(shè)的凹槽的橫截面形狀為三角形或多邊形或弧形。
[0013]一種利用定向凝固法準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)爐進(jìn)行準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)的方法，包括如下步驟:A在多晶硅熔料階段，底部氬氣冷卻進(jìn)口管通入氬氣，氬氣流量為20-100 slm，通過(guò)DS塊氬氣冷卻通孔對(duì)籽晶凹槽內(nèi)的籽晶進(jìn)行冷卻，將籽晶頂部熔融，并避免將籽晶全部熔掉。
[0014]B在晶體硅生長(zhǎng)初期，繼續(xù)向底部氬氣冷卻進(jìn)口管通入氬氣，氬氣流量為20-100slm，提升側(cè)壁隔熱籠進(jìn)行降溫的同時(shí)，降低加熱器功率，各個(gè)籽晶會(huì)慢慢長(zhǎng)大并最終熔合為一個(gè)單晶硅，此階段控制各個(gè)底部氬氣冷卻進(jìn)口管的氬氣流量，氬氣流量為20-100 slm,使固液界面盡量保持水平并略凸。
[0015]C在晶體硅生長(zhǎng)和收尾階段，通過(guò)控制各個(gè)底部氬氣冷卻進(jìn)口管的氬氣流量，氬氣流量為20-100 slm，使固液界面盡量保持水平并略凸，最終使晶體中心部位先透頂，邊緣最后結(jié)晶。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為:(1)籽晶軸對(duì)稱分布在石英坩堝底部籽晶槽內(nèi)，與現(xiàn)有準(zhǔn)單晶生長(zhǎng)方法中籽晶鋪滿石英坩堝底部相比，籽晶用量大大減少，節(jié)約成本；(2)籽晶熔接過(guò)程和晶體生長(zhǎng)階段采用DS塊氬氣強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，通過(guò)控制各個(gè)底部氬氣冷卻進(jìn)口管的氬氣流量，有利于精確控制籽晶溫度和固液界面形狀；(3) DS塊氬氣冷卻系統(tǒng)直接將氬氣排進(jìn)爐體，無(wú)泄漏問(wèn)題；(4)準(zhǔn)單晶硅的單晶率可達(dá)95%以上，大大提高了太陽(yáng)光伏電池的效率。 【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0018]圖1是一種定向凝固法準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)爐安裝示意圖。
[0019]圖2是底部氬氣強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)裝配示意圖。
[0020]圖3是帶氬氣冷卻的DS塊示意圖。
[0021]圖4是底部帶籽晶凹槽的石英坩堝和籽晶裝配示意圖。
[0022]圖中，1.氬氣冷卻進(jìn)口管2.DS塊3.石墨坩堝4.石英坩堝5.熔體硅6.碳碳復(fù)合材料頂部蓋板7.頂部氬氣進(jìn)口管8.蓋板中心孔9.石墨坩堝頂部側(cè)排氣口
10.籽晶11.籽晶凹槽12.氬氣冷卻通孔13.氬氣流道。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖f圖4所示，在碳碳復(fù)合材料頂部蓋板6的中心開蓋板中心孔8，所述頂部氬氣進(jìn)口管7穿過(guò)所述蓋板中心孔8將氬氣導(dǎo)入所述石墨坩堝3內(nèi)。所述石墨坩堝3的開口邊緣開有若干凹槽，所述碳碳復(fù)合材料頂部蓋板6和所述凹槽共同構(gòu)成石墨坩堝頂部側(cè)排氣口 9。所述石英坩堝4的底部開若干不穿透的籽晶凹槽11，所述每個(gè)籽晶凹槽11優(yōu)選為沿所述石英坩堝4的中心軸對(duì)稱分布；每個(gè)籽晶凹槽11的形狀與所述籽晶10的形狀保持一致，所述籽晶10安裝在所述籽晶凹槽11內(nèi)，籽晶凹槽11深度略小于籽晶10的高度，石墨坩堝3的內(nèi)邊邊長(zhǎng)與石英坩堝4的外邊邊長(zhǎng)相等，石英坩堝4安裝在石墨坩堝3內(nèi)，所述石英坩堝4的外壁面與所述石墨坩堝3的內(nèi)壁面重合。將熔體硅5放入石英坩堝4中。將碳碳復(fù)合材料頂部蓋板6蓋在石墨坩堝3上，并使碳碳復(fù)合材料頂部蓋板6的四邊與石墨坩堝3的四邊重合。所述DS塊2上開有若干氬氣冷卻通孔12，所述氬氣冷卻通孔12的形狀、大小以及安裝位置與石英坩堝4底部的籽晶凹槽11保持一致，DS塊2上表面開凹槽，用以連接各個(gè)DS塊氬氣冷卻通孔12，構(gòu)成DS塊氬氣流道13，該流道最終使氬氣沿DS塊2的四周流入生長(zhǎng)爐的外爐體內(nèi)。所述底部氬氣冷卻進(jìn)口管I的直徑略大于DS塊氬氣冷卻通孔12的直徑，且同軸安裝，以便于底部氬氣冷卻進(jìn)口管I對(duì)DS塊2進(jìn)行有效支撐，同時(shí)構(gòu)成底部氬氣強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)。
[0024] 實(shí)際應(yīng)用中，在整個(gè)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，從頂部氬氣進(jìn)口管7通入氬氣，氬氣進(jìn)入石墨坩堝3中后，氬氣攜帶雜質(zhì)從石墨坩堝頂部側(cè)排氣口 9排出石英坩堝4。在多晶硅熔料階段，打開石墨加熱器使多晶硅熔融變?yōu)槿垠w硅5，底部氬氣冷卻進(jìn)口管I通入氬氣，氬氣流量為20-100 slm,通過(guò)DS塊氬氣冷卻通孔12對(duì)籽晶凹槽11內(nèi)的籽晶10進(jìn)行冷卻，避免將籽晶10全部熔掉，但需要將籽晶10頂部熔融一部分，使籽晶10進(jìn)行熔接。在晶體硅生長(zhǎng)初期，繼續(xù)向底部氬氣冷卻進(jìn)口管I通入氬氣，氬氣流量為20-100 slm，提升傳統(tǒng)多晶硅爐的側(cè)壁隔熱籠進(jìn)行降溫的同時(shí)，降低加熱器功率，各個(gè)籽晶10會(huì)慢慢長(zhǎng)大并最終熔合為一個(gè)單晶硅，此階段控制各個(gè)底部氬氣冷卻進(jìn)口管I的氬氣流量，氬氣流量為20-100 slm,使固液界面盡量保持水平并略凸。在晶體硅生長(zhǎng)和收尾階段，通過(guò)控制各個(gè)底部氬氣冷卻進(jìn)口管I的氬氣流量，氬氣流量為20-100 slm，使固液界面盡量保持水平并略凸，最終使晶體中心部位先透頂，邊緣最后結(jié)晶，從而完成準(zhǔn)單晶硅的生長(zhǎng)過(guò)程。準(zhǔn)單晶硅的單晶率可達(dá)95%以上，大大提高了太陽(yáng)光伏電池的效率。本發(fā)明不僅限于多晶硅的生長(zhǎng)，同樣適用于利用布里奇曼法生長(zhǎng)的Al20 3、GaAs等其它光學(xué)晶體的生長(zhǎng)。
【權(quán)利要求】
1.一種定向凝固法準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)爐，包括石英坩堝(4)、石墨坩堝(3)、碳碳復(fù)合材料頂部蓋板(6)和DS塊(2)，其特征在于，所述DS塊(2)與所述石墨坩堝(3)底面貼合，所述DS塊(2)上開有若干氬氣冷卻通孔(12)，所述DS塊(2)與所述石墨坩堝(3)貼合的一面上開有氬氣流道(13)，所述氬氣流道(13)與所述各個(gè)氬氣冷卻通孔(12)連通，所述DS塊(2 )的另一面上安裝有氬氣冷卻進(jìn)口管(I)，所述氬氣冷卻進(jìn)口管(I)與所述氬氣冷卻通孔(12)配合連接；所述石英坩堝(4)底部開有若干籽晶凹槽(11)，所述籽晶凹槽(11)的中心軸線與所述氬氣冷卻通孔(12)的中心軸線共線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種定向凝固法準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)爐，其特征在于，所述籽晶凹槽(11)沿所述石英坩堝(4)的中心軸線對(duì)稱分布在所述石英坩堝(4)底部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種定向凝固法準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)爐，其特征在于，所述氬氣冷卻通孔(12)的形狀、大小與所述石英坩堝(4)底部的籽晶凹槽(11)保持一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種定向凝固法準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)爐，其特征在于，所述石墨坩堝(3)的開口邊緣開有若干凹槽，所述碳碳復(fù)合材料頂部蓋板(6)和所述凹槽共同構(gòu)成石墨坩堝頂部側(cè)排氣口(9) 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種定向凝固法準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)爐，其特征在于，所述籽晶凹槽(11)的形狀為圓形或三角形或多邊形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種定向凝固法準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)爐，其特征在于，所述DS塊(2)與所述石墨坩堝( 3)貼合的一面上開設(shè)的氬氣流道(13)的橫截面形狀為三角形或多邊形或弧形。
6.一種利用定向凝固法準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)爐進(jìn)行準(zhǔn)單晶硅生長(zhǎng)的方法，包括如下步驟: A在多晶硅熔料階段，氬氣冷卻進(jìn)口管(I)通入氬氣，氬氣流量為20-100 slm，通過(guò)DS塊氬氣冷卻通孔(12)對(duì)籽晶凹槽(11)內(nèi)的籽晶(10)進(jìn)行冷卻，將籽晶(10)頂部熔融，并避免將籽晶(10)全部熔掉； B在晶體硅生長(zhǎng)初期，繼續(xù)向底部氬氣冷卻進(jìn)口管(I)通入氬氣，氬氣流量為20-100slm，提升側(cè)壁隔熱籠進(jìn)行降溫的同時(shí)，降低加熱器功率，各個(gè)籽晶(10)會(huì)慢慢長(zhǎng)大并最終熔合為一個(gè)單晶硅，此階段控制各個(gè)底部氬氣冷卻進(jìn)口管(I)的氬氣流量，氬氣流量為20-100 slm，使固液界面盡量保持水平并略凸； C在晶體硅生長(zhǎng)和收尾階段，通過(guò)控制各個(gè)底部氬氣冷卻進(jìn)口管(I)的氬氣流量，氬氣流量為20-100 slm，使固液界面盡量保持水平并略凸，最終使晶體中心部位先透頂，邊緣最后結(jié)晶。
【文檔編號(hào)】C30B11/00GK103628127SQ201310605437
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】蘇文佳, 左然 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)