CN102041549A

CN102041549A - 一种单晶硅结晶生长装置

Info

Publication number: CN102041549A
Application number: CN2009101849594A
Authority: CN
Inventors: 马四海; 张笑天
Original assignee: WUHU SUN PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUHU SUN PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2011-05-04

Abstract

本发明公开了一种单晶硅结晶生长装置，包括保温系统、加热系统、导流系统及支撑装置，所述的导流系统采用双向气流结构，所述的双向气流结构包括热屏(3)、上部排气套筒(1)和下部氩气出口(2)。采用上述技术方案，迅速带走硅液表面的有害气体，加速SiO及氧碳化合物的蒸发，使得进入固液界面的氧的含量大大降低；双向气流的采用，改变了普通热场的气体流向，可以降低热场内部有害气体对石墨件的腐蚀，减少了氧与石墨的接触面积及时间，使得硅液表面的氧碳化合物及有害气体在下部气体的流向带动下迅速带离热系统，有效控制了晶体中的碳含量；降低了杂质粒子进入固液界面的几率，从而大大提升了晶体的成晶率。

Description

一种单晶硅结晶生长装置

技术领域

本发明属于太阳能光伏材料的技术领域，涉及单晶硅的生产工艺设备，更具体地说，本发明涉及一种单晶硅结晶生长装置。

背景技术

近年来，随着可再生能源技术的不断进步及世界能源危机的爆发，促进太阳能电池行业的快速发展。硅基材料太阳能电池约占整个太阳能电池85％以上的市场份额，专家预计在可以预见的未来十年内，晶体硅太阳能电池依然是主流技术。

其中，单晶硅太阳能电池是开发和应用最早、技术最成熟的太阳能电池技术。单晶硅太阳能电池实验室效率为23％，规模生产效率为16％左右。单晶硅太阳能电池市场份额目前约占太阳能光伏产业的33％。2004年世界太阳能电池生产企业总产能达到1000MW以上，同比增长35％。中国作为世界能源消耗第二大的国家也不例外，2006年底国内太阳能电池生产能力已达200MW以上，2007年国内太阳能电池产量在300～350MW之间。专家预测今后10年光伏组件的生产将以30％甚至更高的递增速度发展。到2010年光伏发电的总产量将达到5GW，到2030年将达到30GW，成为人类的基础能源之一。

随着太阳能光伏产业的飞速发展，对提高光电转换效率、降低成本的呼声越来越高。提高太阳能硅单晶的成品率，降低硅片成本成为降低太阳电池的重要环节，而降低单晶氧碳含量是提高光电转换效率的关键。

通常，CZ直拉法所成长的硅单晶中约含10¹⁸atom/cm³浓度的氧，以及10¹⁶atom/cm³以下的碳。如图1所示的传统热场的气流方式，会造气流的紊流区，不能迅速带走有害气体。硅晶体的生长过程中，氧与碳的析出物会形成缺陷核，严重影响晶体的有序生长及晶体的品质。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种单晶硅结晶生长装置，其目的是降低硅单晶内部杂质含量，提高单晶制品的品质。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明所提供的单晶硅结晶生长装置，包括保温系统、加热系统、导流系统及支撑装置，所述的导流系统采用双向气流结构，所述的双向气流结构包括热屏、上部排气套筒和下部氩气出口。

所述的上部排气套筒设在上保温筒位置，从炉体内通向炉体外；在炉体设有炉体罩壳，所述的炉体与炉体罩壳之间的间隙构成气流从炉体罩壳的下方排出的通道。

所述的炉体的下部为密封的结构。

所述的热屏为锥度结构，其上口大于下口。

所述的热屏为复合式热屏，所述的复合式热屏采用双层结构，即外导流筒和内导流筒，所述的外导流筒与内导流筒之间设有间隙。

在所述的外导流筒和内导流筒之间，填充石墨碳毡。

本发明采用上述技术方案，利用复合式热屏结构特点，随着保护气体——氩气的流入，迅速带走硅液表面的有害气体，从而加速了SiO及氧碳化合物的蒸发，使得进入固液界面的氧的含量大大降低；双向气流的采用，改变了普通热场的气体流向，可以降低热场内部有害气体对石墨件的腐蚀，减少了氧与石墨的接触面积及时间，使得硅液表面的氧碳化合物及有害气体在下部气体的流向带动下迅速带离热系统，有效控制了晶体中的碳含量；降低了杂质粒子进入固液界面的几率，从而大大提升了晶体的成晶率。

附图说明

下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本说明书背景技术涉及的热场的气流示意图；

图2为CZ法硅单晶氧的流向示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明中的气体流向示意图。

图中标记为：

1、上部排气套筒，2、下部氩气出口，3、热屏，4、上保温筒，5、炉体，6、外导流筒，7、内导流筒，8、石墨碳毡，9、坩埚，10、炉体罩壳。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图3所表达的本发明的结构，为一种单晶硅结晶生长装置，包括保温系统、加热系统、导流系统及支撑装置。是进行硅多晶体熔融、结晶生长成单晶体(切克劳斯基法CZ直拉单晶法)的热系统。

为了解决在本说明书背景技术中所述的现有技术中存在的问题，实现降低硅单晶内部杂质含量，提高单晶制品的品质的发明目的，本发明提出了如下的技术措施：

本发明所提供的单晶硅结晶生长装置，所述的导流系统采用双向气流结构，所述的双向气流结构包括热屏3、上部排气套筒1和下部氩气出口2。

本发明所述的上部排气套筒1设在上保温筒4位置，从炉体5内通向炉体5外；在炉体5设有炉体罩壳10，所述的炉体5与炉体罩壳10之间的间隙构成气流从炉体罩壳10的下方排出的通道。

以上所述的炉体5的下部为密封的结构。

图4是采用本发明后的气流流向示意图。

在单晶硅的生产中，CZ直拉法所成长的硅单晶中约含10¹⁸atom/cm³浓度的氧，以及10¹⁶atom/cm³以下的碳。硅晶体的生长过程中，氧与碳的析出物会形成缺陷核严重影响晶体的有序生长及品质，所以控制晶体内的氧、碳含量是CZ法硅单晶控制其品质的主要手段。但要控制热系统内晶体的氧、碳含量，必须要知道氧、碳的来源。

以下是CZ直拉法硅单晶生产方法中，氧、碳的来源的分析：

一、氧的来源：CZ法生长的硅单晶，其氧的来源主要是石英坩埚，而其路径有四个方面：

1、硅与石英坩埚接触而产生：SiO₂→Si+2O；

2、因溶液中温度与浓度的分布，由硅液自然对流和强迫对流而产生的氧的移动；

3、溶液表面蒸发的氧Si+O→SiO；

4、从成长界面的溶液扩散层，往结晶中的偏析而决定CZ法硅单晶中的氧含量。如图2所示，X＝Y+Z，其中，X为进入硅溶液内的氧；Y为硅液表面蒸发至固液表面外的氧；Z为融入固液界面中进入到晶体内的氧。

从石英坩埚进入硅溶液内的氧大部分(99％以上)从硅液表面蒸发至固液表面外，只有极小部分融入固液界面中进入到晶体内，所以降低晶体内氧的含量的最有效手段，就是抑制热系统内氧的蒸发和输送。

二、碳的来源：CZ法硅单晶中碳含量的来源主要有以下几个方面：

1、大量的硅多晶溶液表面与气体接触；

2、大量石墨部品的应用及高温下碳的释放；

3、保温场及气体流畅的设计对CO的排放效率；

4、硅多晶本身的碳含量。

CZ法硅晶体的成长中，由于溶液不断的固化，液体表面的自由境界层不断的由结晶所吸收，加上溶液面积的不断减少，及部分蒸发的效果，使得结晶中碳含量只剩硅溶液本身与石英坩埚释放出氧的反应残余进入晶体中而降低，但主要来源反而是加热系统与保温系统及氧的反应产生的CO及CO2成为主要污染源。

四、综上所述，要控制晶体内碳的含量主要从以下几个方面控制：

1、抑制CO从石墨部品的析出，及控制石墨部品的表面积；

2、改善气流场及改善抽气系统，使CO顺利的排除；

3、多晶溶解后到晶棒成长时间的缩短，抑制CO与氧气的反应；

4、控制溶液的流动，促进CO的蒸发。

五、本发明的效果：

本发明引入双向导流热场，如图3所示，恰恰解决上述问题。首先利用复合式热屏结构特点，随着保护气体——氩气的流入迅速带走硅液表面的有害气体，从而加速了SiO及氧碳化合物的蒸发使得进入固液界面的氧的含量大大降低。

六、硅单晶生长装置的结构特点及优点：

本双向气流硅晶体生长装置有以下特点：

1、采用与传统气流方式不同，采用上部排气系统，避免紊流区；

2、采用上下双重气流保护硅单晶成长。

硅单晶生长装置的优点

1、双向气流的采用改变了普通热场的气体流向，可以降低热场内部有害气体对石墨件的腐蚀，减少了氧与石墨的接触面积及时间，使得硅液表面的氧、碳化合物及有害气体在下部气体的流向带动下迅速带离热系统，有效控制了晶体中的碳含量。

2、减少降低了杂质粒子进入固液界面的几率，从而大大提升了晶体的成晶率。

七、复合式热屏的结构：

本发明所述的热屏3为锥度结构，其上口大于下口。导流装置采用斜面反射角度，使得热辐射的反射率增加。

上述的热屏3为复合式热屏，所述的复合式热屏采用双层结构，即外导流筒6和内导流筒7，所述的外导流筒6与内导流筒7之间设有间隙。

在所述的外导流筒6和内导流筒7之间，填充石墨碳毡8。增加了热导流筒内外层的间隙，在外导流筒6和内导流筒7之间填充石墨碳毡8，改变导流外筒的斜面角度，增加导流筒的热辐射反射效果，降低散热。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种单晶硅结晶生长装置，包括保温系统、加热系统、导流系统及支撑装置，其特征在于：所述的导流系统采用双向气流结构，所述的双向气流结构包括热屏(3)、上部排气套筒(1)和下部氩气出口(2)。

2.按照权利要求1所述的单晶硅结晶生长装置，其特征在于：所述的上部排气套筒(1)设在上保温筒(4)位置，从炉体(5)内通向炉体(5)外；在炉体(5)设有炉体罩壳(10)，所述的炉体(5)与炉体罩壳(10)之间的间隙构成气流从炉体罩壳(10)的下方排出的通道。

3.按照权利要求2所述的单晶硅结晶生长装置，其特征在于：所述的炉体(5)的下部为密封的结构。

4.按照权利要求1或2或3所述的单晶硅结晶生长装置，其特征在于：所述的热屏(3)为锥度结构，其上口大于下口。

5.按照权利要求4所述的单晶硅结晶生长装置，其特征在于：所述的热屏(3)为复合式热屏，所述的复合式热屏采用双层结构，即外导流筒(6)和内导流筒(7)，所述的外导流筒(6)与内导流筒(7)之间设有间隙。

6.按照权利要求5所述的单晶硅结晶生长装置，其特征在于：在所述的外导流筒(6)和内导流筒(7)之间，填充石墨碳毡(8)。