CN103526278A - 一种铸造单晶硅锭的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铸造单晶硅锭的方法，还公开了一种铸造单晶硅锭的装置。本发明采用局部凝固方法得到初始晶核，采用诱导生长和转向生长和熔化初始晶核的方法得到籽晶，通过逐步扩大凝固区域，使籽晶长大并覆盖坩埚底部，最后让籽晶生长转变为定向凝固，从而制备出错位密度较低的单晶硅锭。本发明不需要使用长晶棒，便于控制铸造过程，也不需要籽晶，或仅需要少量籽晶，降低了成本。

Description

一种铸造单晶硅锭的方法与装置

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体而言，涉及一种铸造单晶硅锭的方法与装置。

背景技术

多晶硅材料具有较低的制造成本，已广泛用于制作太阳能电池，由于它有较多的晶界，致使电池效率低于单晶硅电池的效率，因此消除或减缓晶界的影响，提高电池光电转换效率，是光伏行业亟待解决的重要问题之一。

采用类单晶技术制备硅锭，需要在石英坩埚底部铺垫一层约25mm厚的纯单晶作为籽晶，熔化过程中还需采用长晶棒进行测量，生产成本较高且熔化工艺的控制难度较大。

高效多晶技术是在石英陶瓷坩埚底部铺垫一层小碎片料，利用长晶棒测量熔化高度，利用坩埚底部部分未熔化的碎片作为籽晶，生长出晶粒分布均匀的高效多晶硅锭。高效多晶技术比类单晶技术的生产成本有所降低，但仍需用长晶棒进行测量，控制难度大。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种不需要长晶棒即可铸造单晶硅锭的方法，以解决上述控制难度大和需要较多籽晶的问题。

采用的技术方案为：一种铸造单晶硅锭的方法，包括以下步骤，

（1）设置初始晶核：在坩埚底部设置初始晶核；

（2）诱导生长：让初始晶核生长并覆盖坩埚底部中心；

（3）熔化初始晶核：将初始晶核熔化，并保持坩埚底部中心处的晶核不熔化；该不熔化的晶核即为籽晶；

（4）籽晶生长：让坩埚底部中心处的没有熔化的晶核向四周生长，逐渐铺满坩埚底部；

（5）定向生长：让铺满坩埚底部的籽晶由下向上生长，得到单晶硅锭。

采用局部凝固方法得到初始晶核，采用诱导生长和转向生长方法得到籽晶，通过逐步扩大凝固区域，使籽晶长大并覆盖坩埚底部，最后让籽晶生长转变为定向凝固，从而制备出单晶硅锭。这种方法不需要使用长晶棒，便于控制铸造过程。

作为优选的技术方案：所述初始晶核为多晶，所述多晶设置于偏离坩埚底部中心处。

这种方法不需要预置籽晶，降低了成本。

作为优选的技术方案：所述初始晶核为单晶，所述单晶设置于偏离坩埚底部中心处。

这种方法仅需要少量单晶作为籽晶，成本也有所降低。

作为优选的技术方案：所述初始晶核为单晶，所述单晶设置于坩埚底部中心处。

这种方法仅需要少量单晶作为籽晶，生长时间较短，成本也有所降低。

作为进一步优选的技术方案：步骤2时，让单晶晶核向坩埚中心生长，并覆盖坩埚底部中心，或让多晶向偏离坩埚中心的方向生长后再向坩埚中心生长，并覆盖坩埚底部中心，后者可以避免使用昂贵的单晶作为籽晶。

本发明的目的之二，是提供一种用于上述方法的装置：包括坩埚、可控导热底座、真空系统、冷却系统、加热系统、温度控制系统和运动控制系统，其中，所述可控导热底座包括支撑所述坩埚的隔热支座和导热装置，所述导热装置一端为低温端，所述低温端与所述冷却系统连接，所述导热装置的另一端与所述坩埚的底部接触或不接触，所述温度控制系统用于控制所述加热系统和所述冷却系统的加热和冷却过程，所述运动控制系统含有至少两套运动机构，分别用于控制所述可控导热底座、所述导热装置的上下运动。

其中，坩埚用于盛装多晶硅原料和硅熔体；

可控导热底座用于支撑坩埚和控制传热；

冷却系统用于冷却真空腔室和导热装置的低温端；

加热系统用于在坩埚侧壁和顶部加热，使多晶硅原料熔化；

真空系统用于提供铸造硅锭所需要的真空环境；

温度控制系统，用于控制加热系统和冷却系统的温度，以得到合适的温度场；

运动控制系统，用于控制可控导热底座、导热装置的运动。

优选导热装置的低温端具有弯曲的结构，便于与冷却系统连接。

作为优选的技术方案：所述导热装置为导热棒或热管。

作为进一步优选的技术方案：所述导热棒或热管的柱状表面涂覆有隔热涂层，以减缓导热装置之间的换热。

采用局部凝固方法得到初始晶核，采用诱导生长和转向生长方法得到籽晶，通过逐步扩大凝固区域，使籽晶长大并覆盖坩埚底部，最后让籽晶生长转变为定向凝固，从而制备出单晶硅锭。由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：这种方法不需要使用长晶棒，便于控制铸造过程。另外，这种方法可以消除铸锭中的晶界得到单晶硅锭，或准单晶硅锭。而且，得到的晶锭中的位错密度较低。同时，本方法不需要籽晶，或仅需要少量单晶作为籽晶，降低了成本。

附图说明

图1为本发明实施例1、2、3所用的铸造单晶硅锭的装置的结构示意图；

图2为图1中可控导热底座的俯视图；

图3为图1中可控导热底座的左视图。

具体实施方式

实施例1

如图1-3所示，一种铸造单晶硅锭的方法，

本实施例的方法是在坩埚底部偏离中心处形成多晶，进而铸造单晶硅锭，具体的，依次包括以下步骤，

将装满多晶硅原料的坩埚底部置于可控导热底座的隔热支座2上，让所有导热棒下降到最低位置，不与坩埚底部接触；

加热，使多晶硅熔化；

使可控导热底座中偏离中心的导热棒，如图2中的导热棒a上升，并与坩埚底部接触；降低导热棒a的低温端温度，则与导热棒a接触处的坩埚底部温度会降低到硅的熔点以下，从而形成多晶；

继续降低导热棒a的温度，促使多晶长大；当多晶覆盖相邻的导热棒b后，保持导热棒a的温度不变，升高导热棒b并与坩埚底部接触，降低导热棒b的低温端温度，使与导热棒b接触处的坩埚底部温度降低，促使晶核继续生长；如此循环，直至升高导热棒e，并让晶核覆盖导热棒f为止；

升高导热棒g并与坩埚底部接触，降低导热棒g的温度，促使晶核向坩埚中心继续生长，直至升高导热棒0并与坩埚底部接触，让晶核覆盖导热棒A、B、C为止；

保持导热棒0的温度不变，降低导热棒a、b、c、d、e、f、g的位置，让覆盖在这些位置的晶核熔化。

降低导热棒0的温度，使晶核长大并覆盖导热棒A、B、C和g；升高导热棒A、B、C和g使其与坩埚接触，降低导热棒A、B、C和g的温度，促使晶核继续长大，并覆盖导热棒D、E、F和G；升高导热棒D、E、F和G，使其与坩埚接触并降温。如此循环，直至晶核完全覆盖坩埚底部；

继续逐渐降低所有导热棒的温度，并逐渐降低可控导热底座的位置，便可实现定向生长，最终得到单晶硅锭。在降温过程中，保持中心导热棒0的温度最低，使离中心越远的导热棒温度越高，以得到凸向熔体的生长界面，从而降低晶锭的位错密度。

该实施例中得到的单晶中的位错密度为(8-30)×10³cm^-2。

实施例2

一种铸造单晶硅锭的方法，

本实施例的方法是在坩埚底部偏离中心处预置籽晶，进而铸造单晶硅锭，具体的，依次包括以下步骤：

在坩埚底部偏离中心处，如图2中与导热棒h对应的位置预置籽晶，将装满多晶硅原料的坩埚置于可控导热底座的隔热支座2上，让导热棒h升高与坩埚接触，让其余的导热棒下降到最低位置，不与坩埚接触；

加热，使多晶硅原料熔化，同时保持导热棒h的温度低于硅的熔点，确保预置的籽晶不熔化；

降低导热棒h的温度，促使籽晶长大；当籽晶覆盖相邻的导热棒d后，保持导热棒h的温度不变，升高导热棒d并与坩埚接触，降低导热棒d的温度，促使籽晶继续生长；如此循环，直至升高导热棒0，并让籽晶覆盖导热棒A、B、C为止；

保持导热棒0的温度不变，降低导热棒h、d、g的位置，让覆盖在这些位置的籽晶熔化；

降低导热棒0的温度，使籽晶长大并覆盖导热棒A、B、C和g；升高导热棒A、B、C和g使其与坩埚接触，降低导热棒A、B、C和g的温度，促使籽晶继续长大，并覆盖导热棒D、E、F和G；升高导热棒D、E、F和G，使其与坩埚接触并降温，如此循环，直至籽晶完全覆盖坩埚底部；

继续逐渐降低所有导热棒的温度，并逐渐降低可控导热底座的位置，便可实现定向生长，最终得到单晶锭。在降温过程中，保持中心导热棒0的温度最低，使离中心越远的导热棒温度越高，以得到凸向熔体的生长界面，从而降低晶锭的位错密度。

该实施例中得到的单晶中的位错密度为(3-9)×10³cm^-2。

该实施例中，控制预置籽晶的取向，可以获得具有特定取向的单晶硅锭。

实施例3

一种铸造单晶硅锭的方法，

本实施例的方法是在坩埚底部中心处预置籽晶，进而铸造单晶硅锭，具体的，依次包括以下步骤：

在坩埚底部中心处，如图2中与导热棒0对应的位置预置籽晶，将装满多晶硅原料的坩埚置于可控导热底座的隔热支座上，让导热棒0升高与坩埚接触，让其余的导热棒下降到最低位置，不与坩埚接触；

加热，使多晶硅熔化，同时保持导热棒0的温度低于硅的熔点，确保预置的籽晶不熔化；

降低导热棒0的温度，使籽晶长大并覆盖导热棒A、B、C和g；升高导热棒A、B、C和g使其与坩埚接触，降低导热棒A、B、C和g的温度，促使籽晶继续长大，并覆盖导热棒D、E、F和G；升高导热棒D、E、F和G，使其与坩埚接触并降温；如此循环，直至籽晶完全覆盖坩埚底部；

继续逐渐降低所有导热棒的温度，并逐渐降低可控导热底座的位置，便可实现定向生长，最终得到单晶锭。在降温过程中，保持中心导热棒0的温度最低，使离中心越远的导热棒温度越高，以得到凸向熔体的生长界面，从而降低晶锭的位错密度。

该实施例中得到的单晶中的位错密度为(6-10)×10³cm^-2。

该实施例中，控制预置籽晶的取向，可以获得具有特定取向的单晶硅锭。

在中心预置籽晶可以提高生长效率，但籽晶与坩埚底部接触不良，影响传热，不便于得到凸向熔体的生长界面。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种铸造单晶硅锭的方法，其特征在于：包括以下步骤，

（1）设置初始晶核：在坩埚底部设置初始晶核；

（2）诱导生长：让初始晶核生长并覆盖坩埚底部中心；

（3）熔化初始晶核：将初始晶核熔化，并保持坩埚底部中心处的晶核不熔化；

（4）籽晶生长：让坩埚底部中心处的没有熔化的晶核向四周生长，逐渐铺满坩埚底部；

（5）定向生长：让铺满坩埚底部的籽晶由下向上生长，得到单晶硅锭。

2.根据权利要求1所述的一种铸造单晶硅锭的方法，其特征在于：所述初始晶核为多晶，所述多晶设置于偏离所述坩埚底部中心处。

3.根据权利要求1所述的一种铸造单晶硅锭的方法，其特征在于：所述初始晶核为单晶，所述单晶设置于偏离所述坩埚底部中心处。

4.根据权利要求1所述的一种铸造单晶硅锭的方法，其特征在于：所述初始晶核为单晶，所述单晶设置于坩埚底部中心处。

5.根据权利要求2所述的一种铸造单晶硅锭的方法，其特征在于：步骤（2）时，让所述多晶向偏离坩埚中心的方向生长后再向所述坩埚中心生长，并覆盖坩埚底部中心。

6.根据权利要求3所述的一种铸造单晶硅锭的方法，其特征在于：步骤（2）时，让单晶向坩埚中心生长，并覆盖坩埚底部中心。

7.一种权利要求1-6任意一项所述的铸造单晶硅锭的方法所使用的装置，其特征在于：包括，坩埚、可控导热底座、真空系统、冷却系统、加热系统、温度控制系统和运动控制系统；

其中，所述可控导热底座包括支撑所述坩埚的隔热支座和导热装置，所述导热装置的一端为低温端，所述低温端与所述冷却系统连接，所述导热装置的另一端与所述坩埚底部接触或不接触；

所述温度控制系统与所述加热系统和所述冷却系统连接；所述运动控制系统含有至少两套运动机构，分别与所述可控导热底座、所述导热装置连接。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述导热装置为导热棒或热管。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述导热棒或热管的柱状表面涂覆有隔热涂层。

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