CN101935869A - 一种用于生长铸造单晶硅的坩埚及衬底片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于生长铸造单晶硅的坩埚及衬底片，能够有效减少铸造单晶硅时籽晶的用量，结构简单，成本低廉。所述坩埚的底部设有若干个连续的斗冠形结构、若干个连续的胞形结构或若干个连续的半球形结构。所述衬底片的外壁为方形结构，内壁为若干个连续的斗冠形结构、若干个连续的胞形结构或若干个连续的半球形结构。
Description
技术领域
本发明属于半导体晶体硅的制造领域，具体涉及一种用于生长铸造单晶硅的坩埚及衬底片。
背景技术
能源和环境是当今世界广泛关注的两大问题，太阳能作为一种可再生的绿色能源自然成为人们开发和研究的焦点。自1954年美国贝尔实验室成功研制出第一块单晶硅太阳能电池以来，经过全球科技和产业界的不懈努力，太阳能电池技术和产业得到了巨大发展。而太阳能电池的发展主要是建立在半导体硅材料的基础上的。
一般情况下，单晶硅的制备是利用直拉技术或区熔技术而获得的，可以用在电子工业和太阳能光伏工业，它制备的太阳电池效率高，但是晶体制备成本高、能耗高。而利用定向铸造技术，可以制备铸造多晶硅，能用在太阳能光伏行业，虽然成本相对比较低，但是由于它是多晶，不是单晶，所以其制备的太阳能电池效率低，限制了其在太阳能电池的广泛应用。
现有技术中，有采取铸造法制造单晶硅。市场主流的太阳能铸锭坩埚为方形，铸造单晶硅时需要将单晶硅块铺满整个坩埚底部，单晶硅块用量大，生产成本高。
发明内容
本发明提供了一种用于生长铸造单晶硅的坩埚或衬底片，能够有效减少铸造单晶硅时籽晶的用量，结构简单，成本低廉。
一种用于生长铸造单晶硅的坩埚，所述坩埚的底部设有若干个连续的斗冠形结构、若干个连续的胞形结构或若干个连续的半球形结构。
本发明的坩埚中，所述每个斗冠形结构的锥角为90°-150°，底部尺寸为0-10cm，底部高度为0-10cm，相邻斗冠形结构的距离为0-10cm。
本发明的坩埚中，所述每个胞形或半球结构的底部宽度为0-10cm，底部高度为0-10cm，相邻胞形或半球结构的距离为0-10cm。
本发明的坩埚中，所述斗冠形结构、所述胞形结构或所述半球形结构的材料为石英或石墨。
本发明的坩埚中，可以是将所述坩埚的底部本身设为所述若干个连续的斗冠形结构、所述若干个连续的胞形结构或所述若干个连续的半球形结构。这样，所述坩埚生长铸造单晶硅时，只需要将少量籽晶放置在坩埚底部空隙处，化料时控制籽晶部分熔解。定向凝固结晶时，由于最底部籽晶的热导率高于坩埚底部外壁槽口处气体的热导率，有利于籽晶横向扩展生长，最后所有籽晶在整个坩埚底部扩展生长。
本发明的坩埚中，还可以是采取将所述坩埚的底部的内壁设为所述若干个连续的斗冠形结构、所述若干个连续的胞形结构或所述若干个连续的半球形结构，所述坩埚的底部的外壁为方形结构。这样，所述坩埚生长铸造单晶硅时，只需要将少量籽晶放置在坩埚底部空隙处，化料时控制籽晶部分熔解。定向凝固结晶时，由于籽晶的热导率高于籽晶周围坩埚(石英或石墨)的热导率，有利于籽晶横向扩展生长，最后所有籽晶在整个坩埚底部扩展生长。
因此，使用本发明的坩埚生长铸造单晶硅，可以减少铸造单晶硅时籽晶的用量，大大降低了生产成本；同时操作过程简单，可在不改变目前普通坩埚铸造单晶硅生产工艺的条件下生长铸造单晶硅。
一种用于生长铸造单晶硅的衬底片，所述衬底片的外壁为方形结构，内壁为若干个连续的斗冠形结构、若干个连续的胞形结构或若干个连续的半球形结构。
本发明的衬底片中，所述每个斗冠形结构的锥角为90°-150°，底部尺寸为0-10cm，底部高度为0-10cm，相邻斗冠形结构的距离为0-10cm。
本发明的衬底片中，所述每个胞形或半球结构的底部宽度为0-10cm，底部高度为0-10cm，相邻胞形或半球结构的距离为0-10cm。
本发明的衬底片中，所述衬底片的材料为高纯石英或高纯石墨，这样的衬底片污染少。
使用本发明的衬底片生长铸造单晶硅时，将这种特定形状的衬底片放入方形坩埚内，再将单晶硅块放入衬底片中的空隙处，衬底片的特定形状有利于单晶硅块生长时的横向扩展生长，最后在整个坩埚底部横向扩展生长。本发明的衬底片大大减少了铸造单晶硅时籽晶的用量，降低了生产成本，对于铸造单晶硅技术产业化的推动具有很重要的意义。
附图说明
图1是目前市场上太阳能铸锭的坩埚剖面图；
图2是本发明中若干个连续的斗冠形结构的俯视图；
图3是底部内壁为若干个连续的斗冠形结构的坩埚剖面图；
图4是底部为若干个连续的斗冠形结构的坩埚剖面图；
图5是内壁为若干个连续的斗冠形结构的衬底片剖面图；
图6是本发明中若干个连续的胞形结构的俯视图；
图7是底部内壁为若干个连续的胞形结构的坩埚剖面图；
图8是底部为若干个连续的胞形结构的坩埚剖面图；
图9是内壁为若干个连续的胞形结构的衬底片剖面图；
图10是本发明中若干个连续的半球形结构的俯视图；
图11是底部内壁为若干个连续的半球形结构的坩埚剖面图；
图12是底部为若干个连续的半球形结构的坩埚剖面图；
图13是内壁为若干个连续的半球形结构的衬底片剖面图；
上述图中：坩埚1、坩埚内壁2、坩埚外壁3、衬底片内壁4、衬底片外壁5。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
如图1所示，为普通铸锭坩埚1′，其中，坩埚内壁2′和坩埚外壁3′均为方形。
实施例1
如图3所示的一种坩埚1，坩埚1的底部的内壁2设为若干个连续的斗冠形结构，坩埚1的底部的外壁3为方形结构。若干个连续的斗冠形结构的俯视图如图2所示，其中，每个斗冠形结构的锥角α为90°-150°，底部尺寸L为0-10cm，底部高度H为0-10cm，相邻斗冠形结构的距离K为0-10cm。
如图3所示的坩埚1生长铸造单晶硅时，只需要将少量单晶硅块作为籽晶放置在坩埚底部空隙处，再放入多晶硅原料和掺杂元素，加热使多晶硅原料和掺杂元素完全熔化、单晶硅块部分熔化，提升保温罩或在坩埚底部通冷却水进行热交换，单晶硅块作为籽晶诱导结晶生长，定向凝固结晶时，由于籽晶的热导率高于籽晶周围坩埚(石英或石墨)的热导率，有利于籽晶横向扩展生长，最后所有籽晶在整个坩埚底部扩展生长铸造单晶硅。使用上述坩埚时操作要求与使用普通坩埚时完全一样。
实施例2
如图7所示的一种坩埚1，坩埚1的底部的内壁2设为若干个连续的胞形结构，坩埚1的底部的外壁3为方形结构。若干个连续的胞形结构的俯视图如图6所示，其中，每个胞形结构的底部尺寸L为0-10cm，底部高度H为0-10cm，相邻胞形结构的距离K为0-10cm。
如图7所示的坩埚1生长铸造单晶硅时，只需要将少量单晶硅块作为籽晶放置在坩埚底部空隙处，再放入多晶硅原料和掺杂元素，加热使多晶硅原料和掺杂元素完全熔化、单晶硅块部分熔化，提升保温罩或在坩埚底部通冷却水进行热交换，单晶硅块作为籽晶诱导结晶生长，定向凝固结晶时，由于籽晶的热导率高于籽晶周围坩埚(石英或石墨)的热导率，有利于籽晶横向扩展生长，最后所有籽晶在整个坩埚底部扩展生长铸造单晶硅。使用上述坩埚时操作要求与使用普通坩埚时完全一样。
实施例3
如图11所示的一种坩埚1，坩埚1的底部的内壁2设为若干个连续的半球形结构，坩埚1的底部的外壁3为方形结构。若干个连续的半球形结构的俯视图如图10所示，其中，每个半球形结构的底部尺寸L为0-10cm，底部高度H为0-10cm。
使用如图11所示的坩埚1时，只需要将少量单晶硅块作为籽晶放置在坩埚底部空隙处，再放入多晶硅原料和掺杂元素，加热使多晶硅原料和掺杂元素完全熔化、单晶硅块部分熔化，提升保温罩或在坩埚底部通冷却水进行热交换，单晶硅块作为籽晶诱导结晶生长，定向凝固结晶时，由于籽晶的热导率高于籽晶周围坩埚(石英或石墨)的热导率，有利于籽晶横向扩展生长，最后所有籽晶在整个坩埚底部扩展生长铸造单晶硅。使用上述坩埚时操作要求与使用普通坩埚时完全一样。
实施例4
如图4所示的一种坩埚1，坩埚1的底部6设为若干个连续的斗冠形结构。若干个连续的斗冠形结构的俯视图如图2所示，其中，每个斗冠形结构的锥角α为90°-150°，底部尺寸L为0-10cm，底部高度H为0-10cm，相邻斗冠形结构的距离K为0-10cm。
如图4所示的坩埚1生长铸造单晶硅时，只需要将少量单晶硅块作为籽晶放置在坩埚底部空隙处，再放入多晶硅原料和掺杂元素，加热使多晶硅原料和掺杂元素完全熔化、单晶硅块部分熔化，提升保温罩或在坩埚底部通冷却水进行热交换，单晶硅块作为籽晶诱导结晶生长，定向凝固结晶时，由于最底部籽晶的热导率高于坩埚底部外壁槽口处气体的热导率，有利于籽晶横向扩展生长，最后所有籽晶在整个坩埚底部扩展生长铸造单晶硅。使用上述坩埚时操作要求与使用普通坩埚时完全一样。
实施例5
如图8所示的一种坩埚1，坩埚1的底部6设为若干个连续的胞形结构。若干个连续的胞形结构的俯视图如图6所示，其中，每个胞形结构的底部宽度L为0-10cm，底部高度H为0-10cm，相邻胞形结构的距离K为0-10cm。
如图8所示的坩埚1生长铸造单晶硅时，只需要将少量单晶硅块作为籽晶放置在坩埚底部空隙处，再放入多晶硅原料和掺杂元素，加热使多晶硅原料和掺杂元素完全熔化、单晶硅块部分熔化，提升保温罩或在坩埚底部通冷却水进行热交换，单晶硅块作为籽晶诱导结晶生长，定向凝固结晶时，由于最底部籽晶的热导率高于坩埚底部外壁槽口处气体的热导率，有利于籽晶横向扩展生长，最后所有籽晶在整个坩埚底部扩展生长铸造单晶硅。使用上述坩埚时操作要求与使用普通坩埚时完全一样。
实施例6
如图12所示的一种坩埚1，坩埚1的底部6设为若干个连续的半球形结构。若干个连续的半球形的俯视图如图10所示，其中，每个半球形结构的底部尺寸L为0-10cm，底部高度H为0-10cm。
如图12所示的坩埚1生长铸造单晶硅时，只需要将少量单晶硅块作为籽晶放置在坩埚底部空隙处，再放入多晶硅原料和掺杂元素，加热使多晶硅原料和掺杂元素完全熔化、单晶硅块部分熔化，提升保温罩或在坩埚底部通冷却水进行热交换，单晶硅块作为籽晶诱导结晶生长，定向凝固结晶时，由于最底部籽晶的热导率高于坩埚底部外壁槽口处气体的热导率，有利于籽晶横向扩展生长，最后所有籽晶在整个坩埚底部扩展生长铸造单晶硅。使用上述坩埚时操作要求与使用普通坩埚时完全一样。
实施例7
如图5所示的一种衬底片，衬底片的内壁4设为若干个连续的斗冠形结构，衬底片的的外壁5为方形结构。若干个连续的斗冠形结构的俯视图如图2所示，其中，每个斗冠形结构的锥角α为90°-150°，底部尺寸L为0-10cm，底部高度H为0-10cm，相邻斗冠形结构的距离K为0-10cm。
使用如图5所示的衬底片生长铸造单晶硅时，先将上述衬底片放入图1所示的方形坩埚1′底部，衬底片外壁5紧贴坩埚内壁2′，再将单晶硅块放入衬底片内壁4空隙处，依次放入多晶硅原料和掺杂元素，加热使多晶硅原料和掺杂元素完全熔化、单晶硅块部分熔化，提升保温罩或在坩埚底部通冷却水进行热交换，单晶硅块作为籽晶诱导结晶生长。由于衬底片的特定形状有利于单晶硅块生长时的横向扩展生长，最后在整个坩埚底部横向扩展生长单晶硅。
实施例8
如图9所示的一种衬底片，衬底片的内壁4设为若干个连续的胞形结构，衬底片的的外壁5为方形结构。若干个连续的胞形结构的俯视图如图6所示，其中，每个胞形结构的底部宽度L为0-10cm，底部高度H为0-10cm，相邻胞形结构的距离K为0-10cm。
使用如图9所示的衬底片生长铸造单晶硅时，先将上述衬底片放入图1所示的方形坩埚1′底部，衬底片外壁5紧贴坩埚内壁2′，再将单晶硅块放入衬底片内壁4空隙处，依次放入多晶硅原料和掺杂元素，加热使多晶硅原料和掺杂元素完全熔化、单晶硅块部分熔化，提升保温罩或在坩埚底部通冷却水进行热交换，单晶硅块作为籽晶诱导结晶生长。由于衬底片的特定形状有利于单晶硅块生长时的横向扩展生长，最后在整个坩埚底部横向扩展生长单晶硅。
实施例9
如图13所示的一种衬底片，衬底片的内壁4设为若干个连续的半球形结构，衬底片的的外壁5为方形结构。若干个连续的半球形结构的俯视图如图10所示，其中，每个半球形结构的底部尺寸L为0-10cm，底部高度H为0-10cm。
使用如图13所示的衬底片生长铸造单晶硅时，先将上述衬底片放入图1所示的方形坩埚1′底部，衬底片外壁5紧贴坩埚内壁2′，再将单晶硅块放入衬底片内壁4空隙处，依次放入多晶硅原料和掺杂元素，加热使多晶硅原料和掺杂元素完全熔化、单晶硅块部分熔化，提升保温罩或在坩埚底部通冷却水进行热交换，单晶硅块作为籽晶诱导结晶生长。由于衬底片的特定形状有利于单晶硅块生长时的横向扩展生长，最后在整个坩埚底部横向扩展生长单晶硅。
以上仅是本发明的具体应用案例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变化或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于生长铸造单晶硅的坩埚，其特征在于：所述坩埚的底部设有若干个连续的斗冠形结构、若干个连续的胞形结构或若干个连续的半球形结构。
2.如权利要求1所述的坩埚，其特征在于：所述每个斗冠形结构的锥角为90°-150°，底部尺寸为0-10cm，底部高度为0-10cm，相邻斗冠形结构的距离为0-10cm。
3.如权利要求1所述的坩埚，其特征在于：所述每个胞形或半球结构的底部宽度为0-10cm，底部高度为0-10cm，相邻胞形或半球结构的距离为0-10cm。
4.如权利要求1所述的坩埚，其特征在于：所述斗冠形结构、所述胞形结构或所述半球形结构的材料为石英或石墨。
5.如权利要求1～4任一所述的坩埚，其特征在于：所述坩埚的底部设为所述若干个连续的斗冠形结构、所述若干个连续的胞形结构或所述若干个连续的半球形结构。
6.如权利要求1～4任一所述的坩埚，其特征在于：所述坩埚的底部的内壁设为所述若干个连续的斗冠形结构、所述若干个连续的胞形结构或所述若干个连续的半球形结构，所述坩埚的底部的外壁为方形结构。
7.一种用于生长铸造单晶硅的衬底片，其特征在于：所述衬底片的外壁为方形结构，内壁为若干个连续的斗冠形结构、若干个连续的胞形结构或若干个连续的半球形结构。
8.如权利要求7所述的衬底片，其特征在于：所述每个斗冠形结构的锥角为90°-150°，底部尺寸为0-10cm，底部高度为0-10cm，相邻斗冠形结构的距离为0-10cm。
9.如权利要求7所述的衬底片，其特征在于：所述每个胞形或半球结构的底部宽度为0-10cm，底部高度为0-10cm，相邻胞形或半球结构的距离为0-10cm。
10.如权利要求7～9任一所述的衬底片，其特征在于：所述衬底片的材料为石英或石墨。
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