CN103014836A - N型直拉单晶硅的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种N型直拉单晶硅的制备方法，等径过程包括等径初期采用的工艺条件包括，在所述等径初期的平均拉速为1.2~1.6mm/min。这样，当投料量增加时，有效降低了单晶硅棒等径部分头部的氧含量，提高了少子寿命，从而提高了单晶硅棒的利用率，降低了成本。

Description

N型直拉单晶硅的制备方法

技术领域

本发明涉及单晶硅的制造技术，尤其涉及一种N型直拉单晶硅的制备方法。

背景技术

目前，制作单晶硅的最主要的方法为直拉法（CZ法），直拉单晶硅生产过程主要包括投料、抽空、熔料、稳定化、引晶、放肩、等径、收尾、冷却。单晶硅棒是直拉单晶硅方法形成的终端产品。单晶硅棒如图1所示，包括肩部01、等径部分02、尾部03，其中，等径部分头部021紧挨肩部01，约肩部01以下200mm之内。单晶棒的肩部01和尾部03在使用时将其切除，能够使用的单晶硅棒的部分为等径部分02。

目前，依据石英坩埚尺寸的不同，生产8寸N型直拉单晶硅的投料量一般为120kg或150kg。采用常规投料量时，等径部分02重量占总投料量的比例一般为90%~92%，所占的重量比较低。单位重量硅棒成本较高。且常规投料量较小，限制了单晶炉的产能，在总产能要求一定的前提下，将需要购置更多的单晶炉，导致设备成本增加。为了降低单晶硅生产成本，增加投料量是最重要的方法之一。使用相同数量的石英坩埚，投料量越大，单位重量的硅单晶成本越低。

然而，如果在现有的直拉法制备硅单晶的方法的条件下，增加投料量（一般情况下，增加的投料量在常规投料量的基础上不大于50kg），坩埚内的熔体高度会增加，制备出的硅单晶棒的等径部分头部021存在较多的晶体缺陷，如漩涡缺陷、氧化诱生层错等。这是由于石英坩埚内熔体高度较高，熔体的热对流较强（热对流通常与熔体高度3次方成正比），较强的热对流会增加熔体对氧的输送能力且造成长晶界面（固液交界面）的温度稳定性变差，进而导致单晶硅棒等径部分头部021的氧含量增加、少子寿命降低。单晶硅棒中少子寿命不满足要求的部分如等径部分头部021将被去除，因而，在现有工艺条件下，增加投料量不但没有降低成本，反而造成极大的浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种N型直拉单晶硅的工艺方法，以解决现有技术中增加投料量后导致等径部分头部氧含量增加、少子寿命缩短的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种N型直拉单晶硅的制备方法，等径过程包括等径初期，采用的工艺条件包括，在所述等径初期的平均拉速为1.2~1.6mm/min。

进一步地，采用的工艺条件还包括，所述等径过程中的晶转为8~12rpm。

进一步地，采用的工艺条件还包括，所述等径过程中的埚转为5~8rpm。

进一步地，采用的工艺条件还包括，所述等径过程中的氩气流量为40~70L/min。

进一步地，采用的工艺条件还包括，所述等径过程中的氩气的压力为15~20torr。

与现有技术相比，本发明提供的N型直拉单晶硅的工艺方法，将单晶硅棒等径初期的平均拉速提高到1.2~1.6mm/min，这样，当投料量增加时，有效降低了单晶硅棒等径部分头部的氧含量，提高了少子寿命，从而提高了单晶硅棒的利用率，降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为直拉单晶硅工艺生长的单晶硅棒的示意图；

图2是本发明实施例中等径初期拉速对氧含量影响示意图；

图3是本发明实施例中等径初期拉速对少子寿命影响示意图；

图4是本发明实施例中等径初期拉速对低效片影响示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

相关术语解释：

直拉单晶硅：一种生长单晶硅的生长技术，不同的导电类型单晶硅需掺入不同元素，例如，掺入硼（B）为P型单晶硅，掺入磷（P）为N型单晶硅。

投料：是指将多晶硅料投入石英坩埚的过程，可以一次完成也可以通过特定设备分几次完成。（太阳能级石英坩埚外径通常为22寸或24寸，投料量一般为120kg或150kg）

氧含量/少子寿命：表征单晶硅内在品质的技术参数（在光伏领域，通常氧含量越低越好，少子寿命越高越好）。

在光伏行业中，光伏电池是基于硅材料制作的发电系统的基本单元。目前，N型单晶硅是光伏电池一种重要的基材，直拉法是目前制备单晶硅的最重要的方法。目前，N型太阳能级单晶硅成本偏高，阻碍了它的大规模应用。为此，进一步降低N型单晶硅生产成本是下一步发展必然趋势，正如背景技术中的描述，加大投料量是降低成本的重要手段。

而在现有的直拉法制备硅单晶的工艺方法的条件下，直接增加投料量，会引起单晶硅棒的等径部分头部021的内在品质下降，如氧含量增加，少子寿命降低，如果采用该单晶硅棒作为制作太阳能电池的基材，降低后续太阳能电池效率。而且，当投料量增加后，坩埚内的熔体高度会进一步增加，低少子寿命的单晶硅棒的部分也会进一步扩大，单晶硅棒少子寿命不满足要求的部分将被去除，因而，在现有工艺条件下，增加投料量不但没有降低成本，反而造成极大的浪费。

在常规的8英寸的N型直拉单晶硅的工艺中，一般地，等径初期的拉速通常为1.0mm/min，该拉速能够满足常规投料量（太阳能级石英坩埚外径通常为22寸或24寸，投料量一般为120kg或150kg）时单晶硅棒品质的要求，但是在大投料量（指在常规投料量基础上增加投料量不大于50kg，即最大投料量为170kg或200kg）时，该拉速对等径部分头部氧含量和晶体缺陷均不能起到很好的抑制作用。

鉴于此，本发明实施例的N型直拉单晶硅的工艺中，在大投料量下，且依据不同的投料量，将等径初期的拉速提高到1.2~1.6mm/min。本实施例中，所述等径初期是指等径刚开始的部分，通常为等径开始至200mm的区域。根据生成的单晶硅棒的部分来说，如图1所示，一般在肩部01以下200mm以内的部分等径部分头部021区域。在生成等径部分头部021时，拉速比常规工艺下的拉速高，这样能够有效地抑制等径部分头部021的氧含量和晶体缺陷，能够提高少子寿命。

在常规工艺条件下，增加投料量造成氧含量增加、少子寿命缩短的不良结果，最终表现为低效片范围的增加。在采用本发明实施例的等径初期的高拉速的情况下，能够减少低效片的范围。所述低效片定义为太阳能电池效率小于17.5%的单晶硅片。

在本实施例中，等径过程（包括等径初期）中，其它工艺条件如晶转、埚转和氩气流量和氩气压力可以采用常规工艺条件下的工艺参数。本实施例中的晶转优选为8~12rpm，实验证明，晶转在该范围可以保证电阻率均匀性（电阻率变化率在10%之内），能够满足后续电池生产要求，也可配合高拉速需要。如果晶转过高，将导致生长界面应力过大，破坏单晶生长。如果晶转过低，将导致电阻率均匀性下降，无法满足后续电池生产要求。

进一步地，本实施例中的埚转优选为5~8rpm。常规埚转通常为10rpm，低埚转可以更好的抑制等径部分头部氧含量，埚转从10rpm降为7rpm，等径部分头部氧含量大约可以下降3ppma。

进一步地，本实施例中的氩气流量优选为40~70L/min，压力15~20torr。常规投料量下，氩气流量通常在40L/min以下，压力在20torr。大投料量时由于熔体增加，与石英坩埚反应更加剧烈，造成更多的杂质如SiO_x挥发。如果杂质不能及时带走，不仅会增加单晶硅棒氧含量，还可能造成杂质冷却后重新掉落至生长界面，破坏单晶生长。使用更高的氩气流量和更低的压力，有利于杂质及时带走，避免上述情况的发生。

以上对本发明N型直拉单晶硅的工艺方法进行了详细的描述，通过控制该工艺等径初期过程中的埚转，有效地降低了在大投料量时，单晶硅棒等径部分头部的氧含量，提高了少子寿命，从而提高了单晶硅棒的利用率，降低了成本。

为了更好地理解本发明以及其有益效果，以下对本发明实施例及优选实施例的实验数据及效果进行详细的描述。

本实施例中采用22寸的石英坩埚，投料量为140kg，N型单晶硅直径为8寸。采用的主要工艺参数参考表一。

表一为在相同晶转、埚转和氩气压力和流量的工艺条件下，等径初期不同拉速分别对单晶硅棒头部的氧含量、少子寿命、低效片的影响实验数据。

结合表1和图2可以看出，拉速从1.0mm/min逐渐提升到1.6mm/min，随着拉速的增加，氧含量逐渐减少。

结合表1和图3可以看出，拉速从1.0mm/min逐渐提升到1.6mm/min，随着拉速的增加，少子寿命逐渐提高。

结合表1和图4可以看出，拉速从1.0mm/min逐渐提升到1.6mm/min，随着拉速的增加，等径部分头部低效片的范围逐渐变小。

综上，在等径初期将拉速提高到1.2~1.6mm/min，能够提高大投料量时单晶硅棒的质量。

在增加投料量的情况下，采用本发明实施例提供的N型直拉单晶硅的工艺方法能够保证单晶硅棒的整个等径部分的质量均能满足制作太阳能电池的要求。

计算等径部分重量占总投料量的比例的方法为：等径部分重量/总投料量*100%=（总投料量-肩部重量-尾部重量-坩埚剩余重量）/总投料量*100%，其中肩部+尾部+坩埚剩余=12kg。所以，投料量越大，等径部分重量比例越大。等径部分重量比例越大，相当于硅棒的利用率越高，使得单位重量硅棒的成本越低。相较于常规投料量采用常规工艺制作N型单晶硅的方法，提高了等径部分重量占总投料量的比例，降低了单位重量硅棒的成本。

此外，在相同数量的单晶炉的条件下，投料量越大，等径部分重量比例越大，单晶炉的产能越高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质上对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种N型直拉单晶硅的制备方法，等径过程包括等径初期，其特征在于，采用的工艺条件包括，在所述等径初期的平均拉速为1.2~1.6mm/min。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用的工艺条件还包括，所述等径过程中的晶转为8~12rpm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用的工艺条件还包括，所述等径过程中的埚转为5~8rpm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用的工艺条件还包括，所述等径过程中的氩气流量为40~70L/min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用的工艺条件还包括，所述等径过程中的氩气的压力为15~20torr。

Images