CN103849931B - 一种底部补偿硼元素的多晶硅铸锭工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种底部补偿硼元素的多晶硅铸锭工艺，属于多晶硅生产领域。一种底部补偿硼元素的多晶硅铸锭工艺，所述工艺于铸锭炉中进行，包括原料装料步骤，所述原料装料步骤：在坩埚底部均匀铺设若干块状高硼硅料，铺设面积为坩埚底面积的1/5～1/3，厚度为3～10mm，其上放置普通硅料与硅硼合金原料，且将硅硼合金原料按照自坩埚底部向上含量依次减少的分布规律置于坩埚中。本发明提供的多晶硅铸锭工艺可以实现硼元素在铸锭内的均匀分布、特别是补偿铸锭底部的低硼元素含量区，硅锭的出成率可以提高5%；均匀的硼元素分布、低的位错密度使得硅锭的效率提高0.1～0.2%。
Description
技术领域
本发明涉及一种底部补偿硼元素的多晶硅铸锭工艺，属于多晶硅生产领域。
背景技术
晶硅是单质硅的一种形态，熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，这些晶粒接合起来便形成多晶硅。在太阳能光伏工业中生产太阳能光伏产品的工艺包括多晶硅铸锭、切割成片、制成电池片和封装为太阳能组件，可见多晶硅铸锭是太阳能光伏工业的重要组成部分，是生产太阳能光伏产品的首个环节。其中多晶硅铸锭工艺是采用多晶硅铸锭炉完成的，其包括步骤：1）对单质硅进行加热，直至单质硅熔化；2）冷却使熔融的单质硅凝固，进行长晶；3）退火处理，并冷却。
现有的铸锭工艺主要是通过定向凝固的方法来实现的，这种方法也有助于分凝系数小于1的杂质元素（包括硼0.8）实现定向提纯。然而，对于P型半导体而言，我们需要的是硼元素在硅单质中均匀分布，而不是自下而上的定向分布（浓度增加），特别是对于铸锭底部而言，其中硼元素的含量过低影响了铸锭的转换效率。
因此，我们将通过改变铸锭工艺过程来实现硼元素在整个硅锭中的均匀分布，特别是在铸锭底部的分布。
发明内容
本发明的及一种底部补偿硼元素的多晶硅铸锭工艺，该工艺通过改变铸锭工艺过程来实现硼元素在整个硅锭中的均匀分布，特别是在铸锭底部的分布。
一种底部补偿硼元素的多晶硅铸锭工艺，所述工艺于铸锭炉中进行，包括原料装料步骤，
所述原料装料步骤：在坩埚底部均匀铺设若干块状高硼硅料，铺设面积为坩埚底面积的1/5～1/3，厚度为3～10mm，其上放置普通硅料与硅硼合金原料，且硅硼合金原料按照自坩埚底部向上含量依次减少的分布规律置于坩埚中。
本发明所述坩埚为用于铸锭炉的平底坩埚，其底面积的计算为本领域的现有技术。
本发明所述“高硼硅料”可商业购得，优选为硼元素含量为1～3ppm的硅料。
本发明所述“普通硅料”为原生硅料和/或铸锭回收边皮料。
本发明所述多晶硅生产原料包括高硼硅料、普通硅料和硅硼合金原料，其中普通硅料为原生硅料和/或铸锭回收边皮料。进一步优选原料按质量百分比由下述组分组成：高硼硅料：0.5～1%，原生硅料：65%～70%，铸锭回收边皮料：30%～35%，硅硼合金：0.018%～0.022%，上述各个组分质量百分比之和为100%。
本发明所述多晶硅铸锭工艺中“硅硼合金原料按照自坩埚底部向上含量依次减少的分布规律置于坩埚中”优选按下述方法实现：将硅硼合金原料按重量分为1/2、1/3、1/6三个部分。首先在坩埚底部铺设普通硅料，底部铺普通硅料至其高度为2～3cm后将1/2的硅硼合金均匀放置于普通硅料之上，继续铺设普通硅料；铺料至坩埚中心高度时均匀铺设1/3硅硼合金，再继续铺料；当铺料距坩埚顶部1～2cm时将1/6硅硼合金均匀铺在普通硅料之上。
本发明所述多晶硅铸锭工艺优选所述工艺包括原料熔化步骤：向铸锭炉中通入氩气，炉内气体压强为40～60kPa；于2h～3h内使炉内温度升至1550～1560℃，并在1550～1560℃保温10～12h，直到硅料熔化至坩埚底部剩余固体原料的高度为1～2cm，且在上述过程中保持坩埚底部温度为1370℃～1390℃。
本发明所述多晶硅铸锭工艺优选所述工艺包括铸锭预加热步骤：将装有原料的坩埚放入所用铸锭炉后，抽真空至0.5～1Pa，加热使坩埚内温度在4～6h内升温至1175℃。
本发明所述多晶硅铸锭工艺优选所述工艺包括多晶硅生长步骤：将炉内温度从1550～1560℃经1～2h降低到1425～1430℃开始长晶，在长晶的过程中温度在22～24h内会由1425～1430℃降低到1410～1415℃，完成长晶过程；整个长晶过程炉内气体压强为50～70kPa。
本发明所述多晶硅铸锭工艺优选所述工艺包括退火步骤：将多晶硅生长步骤所得晶锭于气体压强为50～70KPa、温度为1330～1380℃下保温3～4h。
上述退火步骤可使晶锭快速实现温度均匀，从而减小热应力来减少位错，同时，也有助于硼元素由高浓度（特别是底部未熔的高硼硅料）向低浓度扩散，实现硼元素的均匀分布。
本发明所述多晶硅铸锭工艺优选所述工艺包括冷却步骤：将退火步骤所得晶锭于气体压强为90～100KPa，自然冷却至300～400℃。
特别地，上述冷却步骤进一步优选自然冷却10～12h。
上述原料熔化、多晶硅生长、退火、冷却步骤中，气体压强通过向炉内通入氩气气体保持。
本发明一个优选的技术方案为：
（1）原料装料步骤：在坩埚底部均匀铺设若干块状高硼硅料，铺设面积为坩埚底面积的1/5～1/3，厚度为3～10mm，其上放置普通硅料与硅硼合金原料，且硅硼合金原料按照自坩埚底部向上含量依次减少的分布规律置于坩埚中。
（2）预加热步骤：将装有原料的坩埚放入所用铸锭炉后，抽真空至0.5～1Pa，加热使坩埚内温度在4～6h内升温至1175℃。
（3）原料熔化步骤：向铸锭炉中通入氩气，炉内气体压强为40～60kPa；于2h～3h内使炉内温度升至1550～1560℃，并在1550～1560℃保温10～12h，直到硅料熔化至坩埚底部剩余固体原料的高度为1～2cm，且在上述过程中保持坩埚底部温度为1370℃～1390℃。
（4）多晶硅生长步骤：将炉内温度从1550～1560℃经1～2h降低到1425～1430℃开始长晶，在长晶的过程中温度在22～24h内会由1425～1430℃降低到1410～1415℃，完成长晶过程；整个长晶过程炉内气体压强为50～70kPa。
（5）退火步骤：将多晶硅生长步骤所得晶锭于气体压强为50～70KPa、温度为1330～1380℃下保温3～4h。
（6）冷却步骤：将退火步骤所得晶锭于气体压强为90～100KPa，自然冷却至300～400℃。
本发明的有益效果是：本发明提供的多晶硅铸锭工艺可以实现硼元素在铸锭内的均匀分布、特别是补偿铸锭底部的低硼元素含量区，硅锭的出成率可以提高5%；均匀的硼元素分布、低的位错密度使得硅锭的效率提高0.1～0.2%。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下述实施例所用铸锭炉为美国GT-Solar公司的DSS450HPTM；所述原料按质量比由下述组分组成：
实施例1以高硼硅料、原生硅料和硅硼合金为原料，其中，原生硅料占原料总重量的99%，硅硼合金占原料总重量的0.041%，高硼硅料占原料总重量的0.959%；
实施例2以高硼硅料、原生硅料、来自实施例1的铸锭回收边皮料和硅硼合金为原料，原生硅料占原料总重量的64%，铸锭回收边皮料占原料总重量的34.982%，硅硼合金占原料总重量的0.018%，高硼硅料占原料总重量的1%。
实施例1
（1）原料装料步骤：在坩埚底部均匀铺设若干块状硅硼合金，铺设面积为坩埚底面积的1/5，厚度为5mm，将硅硼合金原料按质量分为1/2、1/3、1/6三部分，首先在坩埚底部铺设原生硅料，底部铺原生硅料至其高度为3cm后将1/2的硅硼合金均匀放置于原生硅料之上，继续铺设原生硅料；铺料至坩埚中心高度时均匀铺设1/3硅硼合金，再继续铺料；当铺料距坩埚顶部2cm时将1/6硅硼合金均匀铺在原生硅料之上。
（2）预加热步骤：将装有原料的坩埚放入所用铸锭炉后，抽真空至1Pa，加热使坩埚内温度在5h内升温至1175℃。
（3）原料熔化步骤：向铸锭炉中通入氩气，炉内气体压强为50kPa；于2h内使炉内温度升至1550℃，并在1550℃保温12h，直到硅料熔化至坩埚底部剩余固体原料的高度为1.9cm，且在上述过程中保持坩埚底部温度为1380℃。
（4）多晶硅生长步骤：将炉内温度从1550℃经1.5h降低到1430℃开始长晶，在长晶的过程中温度在22h内会由1430℃降低到1415℃，完成长晶过程；整个长晶过程炉内气体压强为50kPa。
（5）退火步骤：将多晶硅生长步骤所得晶锭于气体压强为50KPa、温度为1350℃下保温4h。
（6）冷却步骤：将退火步骤所得晶锭于气体压强为95KPa，自然冷却至300℃。
通过以上步骤得到的硅锭的转换效率由以往的17.4%提高到17.6%，出成率可以达到75%。
实施例2
（1）原料装料步骤：在坩埚底部均匀铺设若干块状硅硼合金，铺设面积为坩埚底面积的1/3，厚度为3mm，将硅硼合金原料按质量分为1/2、1/3、1/6三部分，首先在坩埚底部铺设原生硅料和铸锭回收边皮料，底部铺料至其高度为2.5cm后将1/2的硅硼合金均匀放置于原生硅料和铸锭回收边皮料之上，继续铺设原生硅料和铸锭回收边皮料；铺料至坩埚中心高度时均匀铺设1/3硅硼合金，再继续铺料；当铺料距坩埚顶部1cm时将1/6硅硼合金均匀铺在原生硅料和铸锭回收边皮料之上。
（2）预加热步骤：将装有原料的坩埚放入所用铸锭炉后，抽真空至0.8Pa，加热使坩埚内温度在4h内升温至1175℃。
（3）原料熔化步骤：向铸锭炉中通入氩气，炉内气体压强为60kPa；于3h内使炉内温度升至1550℃，并在1550℃保温10h，直到硅料熔化至坩埚底部剩余固体原料的高度为1.7cm，且在上述过程中保持坩埚底部温度为1370℃。
（4）多晶硅生长步骤：将炉内温度从1550℃经2h降低到1425℃开始长晶，在长晶的过程中温度在24h内会由1425℃降低到1410℃，完成长晶过程；整个长晶过程炉内气体压强为60kPa。
（5）退火步骤：将多晶硅生长步骤所得晶锭于气体压强为60KPa、温度为1340℃下保温4h。
（6）冷却步骤：将退火步骤所得晶锭于气体压强为90KPa，自然冷却至400℃。
通过以上步骤得到的硅锭的转换效率由以往的17.4%提高到17.6%，出成率可以达到75%。
Claims (6)
1.一种底部补偿硼元素的多晶硅铸锭工艺，所述工艺于铸锭炉中进行，包括原料装料步骤，其特征在于：
所述原料装料步骤：在坩埚底部均匀铺设若干块状高硼硅料，铺设面积为坩埚底面积的1/5～1/3，厚度为3～10mm，其上放置普通硅料与硅硼合金原料，且将硅硼合金原料按照自坩埚底部向上含量依次减少的分布规律置于坩埚中；
所述自坩埚底部向上含量依次减少的分布规律是将硅硼合金原料按重量分为1/2、1/3、1/6三个部分，首先在坩埚底部铺设普通硅料，底部铺普通硅料至其高度为2～3cm后将1/2的硅硼合金均匀放置于普通硅料之上，继续铺设普通硅料；铺料至坩埚中心高度时均匀铺设1/3硅硼合金，再继续铺料；当铺料距坩埚顶部1～2cm时将1/6硅硼合金均匀铺在普通硅料之上。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述工艺包括原料熔化步骤：向铸锭炉中通入氩气，炉内气体压强为40～60kPa；于2h～3h内使坩埚内温度升至1550～1560℃，并在1550～1560℃保温10～12h，直到硅料熔化至坩埚底部剩余固体原料的高度为1～2cm，且在上述过程中保持坩埚底部温度为1370℃～1390℃。
3.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于：所述工艺包括铸锭预加热步骤：将装有原料的坩埚放入所用铸锭炉后，抽真空至0.5～1Pa，加热使坩埚内温度在4～6h内升温至1175℃。
4.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于：所述工艺包括多晶硅生长步骤：将坩埚内温度从1550～1560℃经1～2h降低到1425～1430℃开始长晶，在长晶的过程中温度在22～24h内会由1425～1430℃降低到1410～1415℃，完成长晶过程；整个长晶过程炉内气体压强为50～70kPa。
5.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于：所述工艺包括退火步骤：将多晶硅生长步骤所得晶锭于气体压强为50～70KPa、温度为1330～1380℃下保温3～4h。
6.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于：所述工艺包括冷却步骤：将退火步骤所得晶锭于气体压强为90～100KPa，自然冷却至300～400℃。
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