CN102534749A

CN102534749A - 用直拉区熔法制备6英寸n型太阳能硅单晶的方法

Info

Publication number: CN102534749A
Application number: CN2012100325610A
Authority: CN
Inventors: 王彦君; 张雪囡; 王岩; 徐强; 高树良; 沈浩平
Original assignee: Tianjin Huanou Semiconductor Material Technology Co Ltd
Current assignee: Tianjin Huanou Semiconductor Material Technology Co Ltd
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明涉及硅单晶的制备工艺，特别涉及一种用直拉区熔法制备6英寸N型太阳能硅单晶的方法。其特征在于，首先用直拉法进行硅多晶料的拉制；然后进行锭形加工、清洗腐蚀，再用区熔气掺的方法继续拉制掺杂的硅单晶，本发明的有益效果是：运用气相掺杂区熔硅单晶方法结合直拉硅单晶生产方法，通过控制抽空充气，掺杂气体浓度，掺杂气通入量，拉晶工艺参数范围，使工艺方法满足了生产6英寸N型太阳能硅单晶的要求。

Description

用直拉区熔法制备6英寸N型太阳能硅单晶的方法

技术领域

　　本发明涉及硅单晶的制备工艺，特别涉及一种用直拉区熔法制备6英寸N型太阳能硅单晶的方法。

背景技术

目前，用于硅太阳能电池的主体功能材料主要由区熔单晶硅、直拉单晶硅、直拉多晶硅、浇铸多晶硅进行不同级别（光电转换效率）的硅太阳能电池生产。未来，全球硅太阳能电池的发展和产品构成将趋于考虑成本和效率两方面的因素，由于用传统的制备方法生产的硅单晶具有氧、碳含量高等缺点，硅单晶普遍出现非平衡少数载流子寿命低，最终使太阳能电池的成本/输出瓦特比值较大，市场优势不明显。

专利号为ZL00105518.6的中国专利公开了一种生产硅单晶的直拉区熔法，即CFZ硅单晶法。硅单晶在直拉过程中可引入高氧含量达10¹⁸atm/cm³，经过区熔一次成晶后，硅单晶氧含量降为10¹⁶atm/cm³，硅单晶完全达到了国家标准。直拉区熔的同时可以经过直拉多晶棒料预掺杂N型或者P型杂质，极大的提高了区熔炉的产能，降低了区熔硅单晶的生产周期和生产成本。但是硅单晶电阻率分布难以准确控制，合格率较低。

专利号为CN1333114C，名称为《气相掺杂区熔硅单晶的生产方法》的专利文件公开了气相掺杂区熔硅单晶的生产方法，产品氧、碳含量较低，所以其捕获中心较少，制作的太阳能电池转化效率也较高。但是唯一的缺点是成本太高，只能用于军用或航天等特殊领域，难以大规模生产。

上述两种方法单独应用时均不能达到生低成本、高合格率太阳能硅单晶的要求，因此，为改变上述工艺的不足，申请号为的201110306525.4的《用直拉区熔法制备6英寸P型太阳能硅单晶的方法》专利有效解决了上述问题，但该技术只适用于P型太阳能电池用硅单晶的生产，而不能解决N型太阳能电池用硅单晶的生产。这是因为其所采用的掺杂剂为硼烷，其热分解温度为300℃，在硅中的分凝系数为0.8。而N型太阳能电池生产中，所用掺杂剂为磷烷，热分解温度为375℃，所以导致气掺过程中掺杂剂的掺杂性能完全改变，需要重新进行试验探索；而且磷在硅中的分凝系数为0.5，所制造的硅单晶电阻率均匀性较差。需要开发新的工艺来解决N型太阳能用硅单晶的生产问题。

发明内容

本发明的目的就是为克服现有技术的不足，针对特殊电阻率要求的N型太阳能硅单晶的制备要求，提供一种用直拉区熔法制备6英寸N型太阳能硅单晶的方法，运用气相掺杂区熔硅单晶方法结合直拉硅单晶生产方法，通过控制拉晶工艺参数范围，抽空充气，掺杂气体浓度，掺杂气通入流量，使工艺方法满足生产6英寸N型太阳能硅单晶的要求。

相比于P型太阳能用硅单晶，拉制N型太阳能用硅单晶时，掺杂气磷烷热分解温度较高，会有更高比例的掺杂剂进入硅单晶中，所以，需要降低其通入流量；同时由于磷在硅中偏析系数较大，需要在气掺过程中，需要相对更剧烈地降低掺杂气的通入量以保证电阻率的一致性。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种用直拉区熔法制备6英寸N型太阳能硅单晶的方法，其特征在于，首先用直拉法进行硅多晶料的拉制；然后进行锭形加工、清洗腐蚀，再用区熔气掺的方法继续拉制掺杂的硅单晶，所述方法包括如下步骤：

步骤1、清理炉膛，将块状硅多晶料装入直拉炉中的石英坩埚内，然后抽真空、充氩气，经30～60分钟抽真空到压力≤100毫乇，漏率＜50时充氩气至真空压力≤ 14乇；

步骤2、启动加热，将块状硅多晶全部熔化后，下降籽晶将籽晶与硅熔体相熔接；

步骤3、液面稳定后进行拉细颈；用籽晶从熔融状的多晶料中拉出一段直径为2～5mm，长度为80～120mm的细颈；

步骤4、下降籽晶升速，设定晶升速度为0.3～0.6mm/min进行放肩，用40～70分钟时间，将拉晶直径从细颈的2～5mm扩大到140mm～150mm；

步骤5、降低晶升速度进行转肩，之后控制拉晶速度进行等径拉晶；

步骤6、降低晶体拉速进行收尾；收尾过程时间为1.5～2.5小时；

步骤7、提高晶体离开液面，之后进行停炉操作，待冷却3～5小时后，将多晶棒料出炉；

步骤8、将出炉后的多晶棒进行锭形加工，即对用直拉法拉制的多晶料进行滚磨、刻槽、磨头加工，使其符合区熔用料要求，清洗腐蚀后装入区熔炉内晶体夹持器上，将籽晶装入籽晶固定夹头上，

步骤9、进行掺杂气通入量设定，磷烷气体会在流量计控制下按照通入量设定值进入炉室，关闭炉门抽真空充氩气，充氩气完毕后，对多晶棒进行预热；

步骤10、预热结束后，进行化料，多晶料熔化后，将籽晶与熔硅进行熔接，熔接后对熔区进行整形，引晶；

步骤11、引晶结束后，进行细颈的生长，细颈直接在2～6mm，长度在30～60mm；之后开始扩肩并通入掺杂气；

步骤12、扩肩到要求的直径后转肩，之后单晶保持，开始等径生长；

步骤13、单晶拉制尾部，开始进行收尾，单晶收尾后停止磷烷掺杂气体的充入，当收尾到单晶的直径达到需要值时，将熔区拉开，这时使设备中拉着单晶的下轴继续向下运动，而带着多晶料的上轴改向上运动，并关闭氩气；

步骤14、10～40分钟后，晶体尾部由红色逐渐变黑色后，进行拆清炉；

所述掺杂气通入量设定为，掺杂气流量在0.08～0.02slpm范围内逐渐降低，气源的浓度为140～230ppm。

本发明的有益效果是：运用气相掺杂区熔硅单晶方法结合直拉硅单晶生产方法，通过控制抽空充气，掺杂气体浓度，掺杂气通入量，拉晶工艺参数范围，使工艺方法满足了生产6英寸N型太阳能硅单晶的要求。

附图说明

图1为本发明工艺流程图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，结合附图和实施例详细描述本发明：

如图1所示，一种用直拉区熔法制备6英寸N型太阳能硅单晶的方法，包括用直拉的方法清理直拉炉膛、装料、抽真空、充氩气、加热化料、熔接、拉细颈、放肩、转肩、等径、收尾、提离停炉、出炉；然后进行锭形加工、清洗腐蚀，符合区熔用料标准后，用区熔的方法继续拉制气掺单晶，包括设置掺杂气体量、抽空、充气、预热、化料、引晶、细颈生长、扩肩并打开掺杂气、转肩、保持、收尾、停掺杂气、停炉。

实施例的具体步骤如下：

A. 将45公斤腐蚀、清洗干净的块状硅多晶料装入直拉炉中的石英埚内，关闭炉门，进行抽空检漏，经30～60分钟抽真空到压力≤100毫乇，漏率＜50时充氩气至真空压力≤14乇左右。

B. 加热前确保通冷却水，启动加热按钮，约需3.5小时加热至1500℃～1600℃使块状多晶料全部熔化成熔融状态后开动籽晶旋转机构，下降籽晶，熔接籽晶。

C. 进行液面稳定化，经过30分钟时间用籽晶从熔融状的多晶料中拉出一段直径约为3mm，长度约为120mm的细颈。

D. 下降籽晶升速，开启晶升转换按钮，用直径控制器控制拉速，60分钟左右将拉晶直径从细颈的3mm左右扩大到140mm～150mm，本实施例为150mm，即放肩。

E. 控制拉晶速度进行转肩，之后进行20小时的等径生长过程。

F. 降低拉速，经2.5小时左右收尾。

G. 提高晶体离开液面，点停炉按钮进行停炉操作，待功率表回零后，切断电源，2小时后停止主真空泵抽空，将多晶棒料出炉。

H. 将出炉的多晶棒料进行锭形加工，即对用直拉法拉制的多晶料进行滚磨、刻槽、磨头加工，使其符合区熔用料要求，清洗腐蚀后，装入区熔炉内晶体夹持器上，并将籽晶装入籽晶固定夹上。

I. 设定磷烷的掺杂设置值。关闭炉门，启动自动抽空至自动抽空结束并冲入Ar气。加热前通冷却水，打开发生器电源，调节电压设定值到15～25%对硅棒进行预热；待硅棒微红，调节电压设定值到30～50%，启动上转为3～4rpm化料；掺杂气流量在0.08～0.02slpm范围内逐渐降低，气源的浓度为140～230ppm。

J. 将发生器转换为电压控制，缓慢增加发生器设定点至40～60%，直至开始熔化，当多晶料尖端接近完全熔化时，将籽晶向上移动，和熔区接触；当籽晶与熔区接触约1～2mm后，迅速降低发生器设定值，控制熔区高度为8～12mm，经过不断调整发生器的设定点，使籽晶熔化2～3mm，并使籽晶熔接良好。引晶结束后，停止上速及下速，再次确认籽晶熔接良好，然后慢速下降下轴，同时上轴慢速下降，随着多晶料头部整形部分直径增加，逐渐增加下速，确保拉细颈长度在32～52mm左右，排除引晶时产生的位错，保证晶体的无位错生长。

K. 之后开始扩肩，并打开触摸屏上的掺杂开关，掺杂气体磷烷按设定流量充入到区熔炉内。

L. 扩肩开始阶段，此时掺杂气通入流量为0.08slpm，当肩部直径达到Φ10～15mm时，开始缓慢增加功率。随着扩肩直径的不断增大，功率及上速要不断增加，上转、下转要较早的达到工艺要求值，下速也要根据工艺要求逐渐达到工艺要求值。

M. 在扩肩直径接近Φ153mm时，扩肩的速度要放慢一些，直至达到所需直径Φ153mm时，开始保持。当单晶的肩部即将接触第一道销子时，可考虑释放夹持器，内轴和外轴同步向下运动，夹持器销子也缓慢释放，直至夹上单晶。

N. 当上限位报警时，开始缓慢的降低上速，保持单晶的生长到最后拉断。拉断晶体时逐渐降低上轴速度和功率，使单晶直径减小至20mm，拉断晶体，此时掺杂气通入量为0.03slpm。在触摸屏上关闭掺杂开关，并关闭掺杂气体控制装置。熔区拉断后，进行慢速降温过程。当观察到晶体变黑时，停止加热。当晶体冷却后，打开炉门和下部炉室，取出单晶。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims

1.一种用直拉区熔法制备6英寸N型太阳能硅单晶的方法，其特征在于，首先用直拉法进行硅多晶料的拉制；然后进行锭形加工、清洗腐蚀，再用区熔气掺的方法继续拉制掺杂的硅单晶，所述方法包括如下步骤：

步骤14、10～40分钟后，晶体尾部由红色逐渐变黑色后，进行拆清炉。

2.根据权利要求1所述的用直拉区熔法制备6英寸N型太阳能硅单晶的方法，其特征在于，所述掺杂气通入量设定为，掺杂气流量在0.08～0.02slpm范围内逐渐降低，气源的浓度为140～230ppm。