CN103088406B - 一种籽晶的制备方法及类单晶硅锭的铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种籽晶的制备方法，该方法包括如下步骤：S1：提供收容有原生多晶硅和电性掺杂剂的坩埚；S2：将所述坩埚放置于直拉单晶炉内进行拉制以获得直径为223-225mm的单晶圆棒；S3：将所述单晶圆棒经过截断、剖方、以获得单晶方棒，对所述单晶方棒进行切片制得单晶硅块，所述单晶硅块为长方体并作为籽晶用于类单晶硅锭的铸造。与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过本发明所提供的籽晶制备方法制备的籽晶为长方体并不具有倒角，避免了多个籽晶拼接处产生晶体分裂，在采用该籽晶铸造类单晶硅锭时可大幅提升类单晶硅锭的质量。

Description

一种籽晶的制备方法及类单晶硅锭的铸造方法

技术领域

本发明涉及一种籽晶的制备方法，以及一种利用籽晶制造类单晶硅锭的铸造方法。

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。

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。而多晶硅的制备则是利用铸造技术，制造成本低，但制备的太阳能电池效率相对较低。为了结合单晶硅制备和多晶硅制备的优点，目前业界推出了一种介于单晶硅和多晶硅之间的类单晶，即利用多晶硅的铸造技术制备出效率接近单晶硅的类单晶硅，具体来说，是利用定向凝固技术制备类单晶硅块，其中多采用单晶硅块作为籽晶放置于坩埚的底部，多晶硅锭置于单晶硅锭上部，然后按照多晶铸锭的方式进行加热熔化，并且保证籽晶不被完全熔化掉，确认籽晶达到所要求高度后，进入长晶阶段，通过调节温度和隔热系统的升降速率，建立合适的温度梯度，并保持固液界面微凸，确保熔硅在未熔的籽晶上开始生长。对于类单晶铸锭，籽晶的质量是决定类单晶硅锭质量的关键因素，目前行业内广泛采用的籽晶不是标准的正方形，而是存在较大的倒角，在类单晶硅锭晶体生长过程中，硅锭容易在籽晶拼接处产生晶体分裂，从而降低了类单晶硅锭的质量。

因此，有必要提出一种新的籽晶制备方法及一种利用上述籽晶铸造类单晶硅锭的方法来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种籽晶制备方法及类单晶硅锭的铸造方法可以解决因籽晶存在倒角，造成多个籽晶拼接处产生晶体分裂从而降低制备的类单晶硅锭的质量问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种籽晶的制备方法，该方法包括如下步骤：

S1：提供收容有原生多晶硅和电性掺杂剂的坩埚；

S2：将所述坩埚放置于直拉单晶炉内进行拉制以获得直径为223-225mm的单晶圆棒；其中，前述拉制包括如下步骤：提供适配的籽晶接触加热后的熔硅液面，然后慢慢向上提拉，使液体硅在籽晶下端部逐渐形成结晶；所述结晶晶体进入等直径生长阶段时，每隔一段时间停止坩埚转动，或每隔一段时间停止结晶晶体转动，或每隔一段时间逆向缓慢转动结晶晶体，直至等直径生长阶段完毕；最后，逐渐提高籽晶拉速，使结晶晶体直径逐渐收细，最终得到所述单晶圆棒；

S3：将所述单晶圆棒经过截断、剖方、以获得单晶方棒，对所述单晶方棒进行切片制得单晶硅块，所述单晶硅块为长方体并作为籽晶用于类单晶硅锭的铸造。

为解决上述技术问题，本发明还提供如下技术方案：一种类单晶硅锭的铸造方法，该方法包括如下步骤：

S11：提供坩埚、收容于所述坩埚内部的硅块，所述硅块包括位于坩埚底部的单晶硅块、铺设于所述单晶硅块上表面的多晶硅块和放置于多晶硅块上方的原生多晶硅，所述单晶硅块为长方体并作为籽晶用于类单晶硅锭的铸造，所述多晶硅块的边长与单晶硅块的边长相同，并且所述多晶硅块与单晶硅块一一对应设置；

S12：提供位于所述坩埚周侧的加热器以加热该坩埚内部的硅块；

S13：提供位于所述加热器周侧的隔热器以隔绝该加热器对所述坩埚内部加热作用；

S14：定义垂直于所述坩埚底部向上为第一方向，调节所述加热器的温度、和控制所述加热器与隔热器的相对位置使得坩埚内部形成第一方向上的温度梯度，所述温度梯度使得硅块部分熔化并形成固-液交界面，在前述熔化过程中，待确认熔化至籽晶上部多晶硅块后，结束熔化步骤，跳转长晶阶段；未熔化硅块只包括单晶硅块；

S15：调节所述加热器的温度、和隔热器沿着第一方向的移动速度以控制该固-液交界面沿着第一方向移动速度，以实现熔化的硅块在未熔化的单晶硅块上沿第一方向定向凝固，定向凝固生成的硅块经过退火、和冷却以得到类单晶硅锭。

作为本发明的进一步改进，所述S14步骤包括所述S14步骤包括加热所述坩埚内部至第一温度区间、及较第一温度区间更高的第二温度区间。

作为本发明的进一步改进，所述S14步骤包括加热坩埚内部至第一温度区间后调节所述隔热器至第一位置，进而控制所述加热器对坩埚内部加热至第二温度区间，以使得坩埚内硅块沿第一方向开始熔化。

作为本发明的进一步改进，所述S14步骤中第一温度区间为1180-1220℃、第二温度区间为1500-1550℃。

作为本发明的进一步改进，所述S15步骤中包括多晶硅块开始熔化时保持坩埚内温度在第三温度区间。

作为本发明的进一步改进，所述S15步骤中包括保持坩埚内温度在第三温度区间时，调节所述加热器至第二位置，以使得坩埚内硅块达到稳定长晶。

作为本发明的进一步改进，所述S15步骤中第三温度区间为1420-1460℃。

作为本发明的进一步改进，所述S15步骤中调节所述加热器至第二位置包括以速率为0.5-0.7cm/h打开所述隔热器。

作为本发明的进一步改进，所述S15步骤包括对定向凝固生成的类单晶硅锭的剖方、切片以制得太阳电池用类单晶硅片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过本发明所提供的籽晶制备方法制备的籽晶为长方体并不具有倒角，避免了多个籽晶拼接处产生晶体分裂，在采用该籽晶铸造类单晶硅锭时可大幅提升类单晶硅锭的质量。

附图说明

图1为本发明的优选实施方式中籽晶的制备方法的流程图；

图2为本发明的优选实施方式中类单晶硅锭的铸造方法的流程图；

图3为本发明的优选实施方式中类单晶硅锭的铸造方法中坩埚装料示意图；

图4为图3所示的类单晶硅锭的铸造方法中坩埚装料后另一角度的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施例对本发明进行详细描述。但这些实施例并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施例所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本发明提供了一种籽晶制备方法。如图1所示，本发明一实施例中，该方法包括如下步骤：

S1：提供收容有原生多晶硅和电性掺杂剂的坩埚1。优选的，采用太阳能二级品以上的原生多晶硅作为原料放置入18寸的石英坩埚以保证本发明所制备的籽晶的质量。而在硅原料中添加所述电性掺杂剂可以改变本发明所制得籽晶的电阻率以适应不同的电性需求，常见电性掺杂剂有硼、镓、砷、磷等特殊III、V族元素，同时增加电性掺杂剂还可以提升硅块的金属性能。

S2：将所述坩埚1放置于直拉单晶炉内进行拉制以获得直径为223-225mm的单晶圆棒。其中，采用拉提法制备单晶圆棒包括：提供适配的籽晶接触加热后的熔硅液面，然后慢慢向上提拉，液体硅在籽晶下端部逐渐形成结晶；进而所述结晶晶体进入等直径生长阶段，每隔一段时间停止坩埚1转动，或每隔一段时间停止结晶晶体转动，或每隔一段时间逆向缓慢转动结晶晶体，直至等直径生长阶段完毕；最后，逐渐提高籽晶拉速，使结晶晶体直径逐渐收细，最终得到需求的单晶圆棒。本发明的实施例中，制备直径为223-225mm的9寸单晶圆棒以满足后续制备籽晶的需求。

S3：将所述单晶圆棒经过截断、剖方、以获得单晶方棒，对所述单晶方棒进行切片制得单晶硅块2以作为籽晶用于类单晶硅锭的铸造，所述单晶硅块2为长方体。本发明的实施例中，以直径为223-225mm的9寸单晶圆棒制备单晶方棒，保证对于单晶圆棒的最大利用率，所述单晶方棒截面为边长156mm的正方形。优选的，对单晶方棒进行切片处理制作出3cm厚的单晶硅块2，并且所述单晶硅块2为标准长方体，即不具有倒角，因倒角的存在会造成多个单晶硅块2拼接处结合不够紧密，由此在后述的类单晶硅锭制备过程中，此拼接处容易产生晶体分裂，从而影响类单晶硅锭的质量，本发明所制备的籽晶可以有效的保证后续制备类单晶硅锭的质量。

本发明还提供了一种类单晶硅锭的铸造方法。如图2所示，本发明一实施例中，该方法包括如下步骤：

S11：提供坩埚1、和收容于所述坩埚1内部的硅块，所述硅块包括位于坩埚1底部的单晶硅块2、和位于所述单晶硅块2上表面的多晶硅块3，其中，采用石英坩埚1收容所述硅块。本发明的实施例中，作为籽晶的单晶硅块2为（100）晶面的、无位错的单晶硅块，通过剖方、截断直径为223-225mm的9寸单晶圆棒制得。同时在坩埚1中收容多个单晶硅块2时，各个单晶硅块2若不为标准长方体，即具有倒角，因倒角的存在会造成多个单晶硅块2拼接处结合不够紧密，由此在后述的类单晶硅锭制备过程中，此拼接处容易产生晶体分裂，从而降低类单晶硅锭的质量，由此所述单晶硅块2为长方体，即采用前述的籽晶制备方法获得的单晶硅块2可符合此类单晶硅锭铸造方法中原材料单晶硅块2的需求。参考前述籽晶制备方法的描述，所述单晶硅块2上表面为正方形面，在多个单晶硅块2铺设于坩埚1底部时，可以更方便的组成方阵，便于规模化生成。同时所述多晶硅块3由多晶硅棒顶部或底部的少子寿命小于2us区域的硅块制成，本发明的其他实施例中，所述多晶硅块3还包括其余的硅料形式。所述坩埚1在收容硅料的同时还收容有电性掺加剂以改变本发明所制得类单晶硅锭的电阻率以适应不同的电性需求，常见电性掺杂剂有硼、镓、砷、磷等特殊III、V族元素，同时增加电性掺杂剂还可以提升类单晶硅锭的金属性能。

参图3与图4所示，本发明的实施例中，所述S11步骤中选择内部尺寸为840x840x420mm的石英坩埚1来收容硅块，选择上表面及下表面为边长156mm的正方形面、厚度即垂直于上下表面的棱长为30mm的单晶硅块2共25块，按照5x5的排列方式平铺于坩埚1底部，并与坩埚1侧壁保持相同间隙。再于所述作为籽晶的单晶硅块2上表面放置多晶硅块3，所述多晶硅块3为上表面及下表面为边长156mm的正方形面、厚度即垂直于上下表面的棱长为25mm的长方体，所述多晶硅块3对应的铺设于所述单晶硅块2上方并一一对应，保证拼接处不产生晶体分裂的同时，也最大化的利用了石英坩埚的内部空间。然后于所述多晶硅块3上方放置原生多晶块、和其他形式硅料、和电性掺杂剂，优选的采用硼作为掺杂剂以使得掺杂后制备的类单晶硅锭电阻为1.8-2Ω.cm。

S12：提供位于所述坩埚1周侧的加热器以加热该坩埚1内部的硅块，所述S12步骤还包括对坩埚1内部加热之前的抽真空处理。本发明的实施例中，将收容有所述硅块的坩埚1放置于定向凝固炉中进行抽真空并加热，采用定向凝固炉中的热电偶作为加热器，在提供所述加热器的同时，也使得本发明所提供的类单晶硅锭铸造方法可以在现有的定向凝固炉内进行，更易形成规模化生产。

S13：提供位于所述加热器周侧的隔热器以隔绝该加热器对坩埚1内部加热作用，使得坩埚1内部的不同区域可以具有不同的温度范围，从而可以使得坩埚1内部的硅料熔融状态可控制。本发明的实施例中，将收容有所述硅块的坩埚1放置于定向凝固炉中，优选的，采用定向凝固炉中的位于坩埚1侧部的隔热笼作为所述隔热器，在提供所述隔热器的同时，也使得本发明所提供的类单晶硅锭铸造方法可以在现有的定向凝固炉内进行，更易形成规模化生产。

S14：定义垂直于所述坩埚1底部向上为第一方向，调节所述加热器的温度、和控制所述加热器与隔热器的相对位置使得坩埚1内部形成第一方向上的温度梯度，所述温度梯度使得硅块部分熔化并形成固-液交界面，所述未熔化硅块只包括单晶硅块2，具体的，使得单晶硅块2位于坩埚1底部的部分并无熔化，而所述温度梯度将坩埚1内部分为高温区、位于高温区下方的低温区以及位于高温区与低温区之间的生长区，所述固-液交界面位于所述生长区。

S15：调节所述加热器的温度、和隔热器沿着第一方向的移动速度使得坩埚1内部的高温区、低温区的区域发生改变，进而影响位于高温区与低温区之间的生长区，由此控制位于所述生长区的固-液交界面沿着第一方向移动速度，以实现熔化的硅块在未熔化的单晶硅块2上沿第一方向定向凝固，本发明的实施例中，所述隔热器沿第一方向移动的速度为0.5cm/h。最后，定向凝固生成的硅块经过退火、和冷却以得到所需类单晶硅锭。所述S15步骤还包括对定向凝固生成的类单晶硅锭的剖方、切片以制得太阳电池用类单晶硅片，已获得更多样性的产品满足市场需求。

本发明的实施例中，所述S11-S15步骤中采用GT-450型凝固炉对装有所述硅料的坩埚1进行抽真空并加热，控制作为加热器的热电偶先对坩埚1内部进行加热至第一温度区间，本实施例中第一温度区间为1180-1220℃（优选1200℃），再于此时打开作为散热器的隔热笼至第一位置，本实施例中第一位置为2-3cm（优选2cm），然后继续加热至坩埚1内部第二温度区间，本实施例中第二温度区间为1500-1550℃（优选1530℃），则坩埚1内的硅块开始自上而下熔化，通过插入石英棒控制作为籽晶的单晶硅块2的熔化，同时保持热电偶温度为1380-1430℃（优选1400℃），待确认熔化至籽晶上部多晶硅块3后，结束熔化步骤，跳转至长晶阶段，此时，保持坩埚1内温度第三温度区间，本实施例中第三温度区间为1420-1460℃（优选1440℃），然后设定侧部的隔热笼以打开速率为0.5-0.7cm/h打开至第二位置，本实施例中第二位置为16cm。达到稳定长晶，长晶结束后，经过退火和冷却，出炉后得到所需求类单晶硅锭。

通过本发明方案制备的籽晶为相同单晶方棒制得，消除了由于籽晶不同引起的制得的类单晶硅锭的质量差异，并且籽晶为长方体不具有倒角，避免了多个籽晶拼接处产生晶体分裂以提升类单晶硅锭的质量。同时本发明可以在现有的定向凝固炉内进行，工艺简单，操作方便，较易实现规模化生产。

另外，本发明所述的无倒角的籽晶可应用于任何类单晶铸锭的铸造工艺，而不局限于上述所提的铸造工艺，在此不再赘述。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种籽晶的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1：提供收容有原生多晶硅和电性掺杂剂的坩埚；

S2：将所述坩埚放置于直拉单晶炉内进行拉制以获得直径为223-225mm的单晶圆棒；其中，前述拉制包括如下步骤：提供适配的籽晶接触加热后的熔硅液面，然后慢慢向上提拉，使液体硅在籽晶下端部逐渐形成结晶；所述结晶晶体进入等直径生长阶段时，每隔一段时间停止坩埚转动，或每隔一段时间停止结晶晶体转动，或每隔一段时间逆向缓慢转动结晶晶体，直至等直径生长阶段完毕；最后，逐渐提高籽晶拉速，使结晶晶体直径逐渐收细，最终得到所述单晶圆棒；

S3：将所述单晶圆棒经过截断、剖方、以获得单晶方棒，对所述单晶方棒进行切片制得单晶硅块，所述单晶硅块为长方体并作为籽晶用于类单晶硅锭的铸造。

2.一种类单晶硅锭的铸造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S11：提供坩埚、收容于所述坩埚内部的硅块，所述硅块包括位于坩埚底部的单晶硅块、铺设于所述单晶硅块上表面的多晶硅块和放置于多晶硅块上方的原生多晶硅，所述单晶硅块为长方体并作为籽晶用于类单晶硅锭的铸造，所述多晶硅块的边长与单晶硅块的边长相同，并且所述多晶硅块与单晶硅块一一对应设置；

S12：提供位于所述坩埚周侧的加热器以加热该坩埚内部的硅块；

S13：提供位于所述加热器周侧的隔热器以隔绝该加热器对所述坩埚内部加热作用；

S14：定义垂直于所述坩埚底部向上为第一方向，调节所述加热器的温度、和控制所述加热器与隔热器的相对位置使得坩埚内部形成第一方向上的温度梯度，所述温度梯度使得硅块部分熔化并形成固-液交界面，在前述熔化过程中，待确认熔化至籽晶上部多晶硅块后，结束熔化步骤，跳转长晶阶段；未熔化硅块只包括单晶硅块；

S15：调节所述加热器的温度、和隔热器沿着第一方向的移动速度以控制该固-液交界面沿着第一方向移动速度，以实现熔化的硅块在未熔化的单晶硅块上沿第一方向定向凝固，定向凝固生成的硅块经过退火、和冷却以得到类单晶硅锭。

3.根据权利要求2所述的类单晶硅锭的铸造方法，其特征在于，所述S14步骤包括加热所述坩埚内部至第一温度区间、及较第一温度区间更高的第二温度区间。

4.根据权利要求3所述的类单晶硅锭的铸造方法，其特征在于，所述S14步骤包括加热坩埚内部至第一温度区间后调节所述隔热器至第一位置，进而控制所述加热器对坩埚内部加热至第二温度区间，以使得坩埚内硅块沿第一方向开始熔化。

5.根据权利要求3或4所述的类单晶硅锭的铸造方法，其特征在于，所述S14步骤中第一温度区间为1180-1220℃、第二温度区间为1500-1550℃。

6.根据权利要求2所述的类单晶硅锭的铸造方法，其特征在于，所述S15步骤中包括多晶硅块开始熔化时保持坩埚内温度在第三温度区间。

7.根据权利要求6所述的类单晶硅锭的铸造方法，其特征在于，所述S15步骤中包括保持坩埚内温度在第三温度区间时，调节所述加热器至第二位置，以使得坩埚内硅块达到稳定长晶。

8.根据权利要求6或7所述的类单晶硅锭的铸造方法，其特征在于，所述S15步骤中第三温度区间为1420-1460℃。

9.根据权利要求7所述的类单晶硅锭的铸造方法，其特征在于，所述S15步骤中调节所述加热器至第二位置包括以速率为0.5-0.7cm/h打开所述隔热器。

10.根据权利要求2所述的类单晶硅锭的铸造方法，其特征在于，所述S15步骤包括对定向凝固生成的类单晶硅锭的剖方、切片以制得太阳电池用类单晶硅片。