CN104726932B - 采用籽晶引导的硅片制作设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用籽晶引导的硅片制作设备及其控制方法，所述硅片制作设备包括炉体，所述炉体内设有用于盛放熔融硅液的石英坩埚，所述石英坩埚的外侧周围设有加热器，其中，所述石英坩埚的上方设有相变蓄热块，所述相变蓄热块的两侧对称设有片状矩形籽晶和籽晶夹板，所述片状矩形籽晶固定在与升降机构相连的籽晶夹持器上。本发明提供的采用籽晶引导的硅片制作设备及其控制方法，通过采用相变蓄热块吸收硅液面热量，硅片直接形成于硅液表面，由籽晶夹板挤压硅片脱离籽晶，安全可靠，温度恒定，生长硅片的晶向可控，位错少，籽晶引导生长速率块，能够极大的节省硅材料并降低单个硅片的能耗。

Description

采用籽晶引导的硅片制作设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种直接从硅溶液形成硅片的制作设备及其控制方法，尤其涉及一种采用籽晶引导的硅片制作设备及其控制方法。

背景技术

太阳能电池用硅材料称为太阳能级多晶硅，太阳能级多晶硅的纯度范围为硅含量大于99.9999％，相比半导体级多晶硅来说，纯度要求大大降低。从而硅材料提纯方式、硅棒拉制及铸造方式和硅片技术等方面可使用的方法也增加。太阳能电池用硅片需求占据太阳能电池市场超过90％，同时硅片在制作的过程中经过开方及切片环节后，材料浪费率达60％以上。

因此，采用一种能够减少硅材料的浪费，减少硅片制作能耗的技术，能够极大的降低硅片成本。从硅熔液中直接获得硅片或硅带是一种亟待发展，能够走向产业化的技术。从熔融硅液中直接生长的带硅方向与籽晶方向相同，垂直于硅液面生长，生长速率较慢，未能实现规模的产业化生产。其他从熔融硅液中形成硅片的技术仍处于实验室研发阶段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用籽晶引导的硅片制作设备及其控制方法，安全可靠，温度恒定，生长硅片的晶向可控，位错少，籽晶引导生长速率块，能够极大的节省硅材料并降低单个硅片的能耗。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种采用籽晶引导的硅片制作设备，包括炉体，所述炉体内设有用于盛放熔融硅液的石英坩埚，所述石英坩埚的外侧周围设有加热器，其中，所述石英坩埚的上方设有相变蓄热块，所述相变蓄热块的两侧对称设有片状矩形籽晶和籽晶夹板，所述片状矩形籽晶固定在与升降机构相连的籽晶夹持器上。

上述的采用籽晶引导的硅片制作设备，其中，所述升降机构为一对平行设置的动力丝杆，所述动力丝杆设于相变蓄热块的顶部，所述籽晶夹板通过夹板固定螺杆固定在相变蓄热块的两侧。

上述的采用籽晶引导的硅片制作设备，其中，所述相变蓄热块的数目为多个，所述多个相变蓄热块一字排列并通过整体吊装丝杆固定在炉体上。

上述的采用籽晶引导的硅片制作设备，其中，所述相变蓄热块为密封腔体，所述密封腔体内装填有相变储能材料和导热油。

本发明为解决上述技术问题还提供一种上述采用籽晶引导的硅片制作设备的控制方法，包括如下步骤：a)利用加热器将石英坩埚中的硅加热熔化，在相变蓄热块中装填相变储能材料和导热油；b)控制片状矩形籽晶下端伸出籽晶夹板和相变蓄热块外，将相变蓄热块与片状矩形籽晶一起下降，使得片状矩形籽晶接触硅液面，并控制相变蓄热块和熔融硅液的距离为1～10cm；c)硅液面由两侧片状矩形籽晶开始向中间凝固，形成硅片；d)将相变蓄热块与片状矩形籽晶一起提升至硅片脱离熔融硅液；e)控制片状矩形籽晶下端缩入籽晶夹板内，籽晶夹板下端挤压硅片并与片状矩形籽晶分离，使用承接板将挤压分离后的硅片转运至炉体外。

上述的采用籽晶引导的硅片制作设备的控制方法，其中，所述步骤a)中控制硅加热熔化后表面温度高于相变温度1～10℃。

上述的采用籽晶引导的硅片制作设备的控制方法，其中，所述步骤c)中控制硅片的厚度为100～1000μm。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的采用籽晶引导的硅片制作设备及其控制方法，通过采用相变蓄热块吸收硅液面热量，硅片形成于硅液表面，由籽晶夹板挤压硅片脱离籽晶，安全可靠，温度恒定，生长硅片的晶向可控，位错少，籽晶引导生长速率块，能够极大的节省硅材料并降低单个硅片的能耗。

附图说明

图1为本发明的采用籽晶引导的硅片制作设备结构示意图；

图2为本发明的硅片制作设备中夹板挤压硅片与籽晶脱离示意图；

图3为本发明的硅片制作设备中的多个相变蓄热块分布安装示意图。

图中：

1片状矩形籽晶 2籽晶夹板 3夹板固定螺杆

4相变蓄热块 5加热器 6保温层

7硅片 8熔融硅液 9炉体

10籽晶夹持器 11动力丝杆 12整体吊装丝杆

13石英坩埚 14相变蓄热块外侧夹板

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1为本发明的采用籽晶引导的硅片制作设备结构示意图。

请参见图1，本发明提供的采用籽晶引导的硅片制作设备，包括炉体9，所述炉体9内设有用于盛放熔融硅液8的石英坩埚13，所述石英坩埚13的外侧周围设有加热器5，加热器5和炉体9之间可设置保温层6，其中，所述石英坩埚13的上方设有相变蓄热块4，所述相变蓄热块4的两侧对称设有片状矩形籽晶1和籽晶夹板2，所述片状矩形籽晶1固定在与升降机构相连的籽晶夹持器10上。

本发明提供的采用籽晶引导的硅片制作设备，其中，所述升降机构为一对平行设置的动力丝杆11，所述动力丝杆11设于相变蓄热块4的顶部，所述籽晶夹板2通过夹板固定螺杆3固定在相变蓄热块4的两侧，从而可由动力丝杆11推拉片状矩形籽晶1伸出或缩入籽晶夹板2内，如图2所示。

本发明提供的采用籽晶引导的硅片制作设备，其中，所述相变蓄热块4的数目为多个，所述多个相变蓄热块4一字排列并通过整体吊装丝杆12固定在炉体9上，相变蓄热块4的两侧可设置相变蓄热块外侧夹板14进行固定，如图3所示。

本发明提供的采用籽晶引导的硅片制作设备，采用相变蓄热块4吸收硅液面热量，相变蓄热块4为密封腔体，里面装填相变储能材料和导热油，安全可靠，温度恒定，同时蓄热块的能量可重复利用；利用籽晶夹板2配合片状矩形籽晶1的伸缩巧妙控制硅片与籽晶的脱离，采用本发明提供的设备及方法，生长硅片的晶向可控，位错少，籽晶引导生长速率块。具体控制过程如下：

采用稳定的熔硅热场，硅液表面温度高于相变温度10℃以下，如在石英坩埚13内填充块状多晶硅料50kg，并加入适量的硼母合金作为p型掺杂剂，使得制作的硅片的电阻率稳定在1～3Ω·cm；稳定加热器功率，硅液面温度稳定在1425±2℃；

采用装有相变储能材料的蓄热块，相变蓄热块4内同时有高导热率的导热油，用于保证良好的热交换；蓄热块内含有的相变蓄热材料可以保证相变蓄热块在完全相变发生前，温度稳定在600℃，相变蓄热块4的蓄热能力较强，可保证完成1000片以上的硅片制作；

将片状矩形籽晶1由动力丝杆11推动，籽晶下端伸出籽晶夹板2和相变蓄热块4外；

下降片状矩形籽晶1至接触硅液面，相变蓄热块4接近硅液面，硅液面的热量由蓄热块吸收；控制相变蓄热块4与熔融硅液8的距离为1～10cm；

硅液面由两侧籽晶开始向中间凝固，形成一薄层硅片7，硅片7厚度范围为100～1000μm；相变蓄热块4在相变完全发生前，蓄热块温度恒定，蓄热块到硅液面的距离恒定，所以在固定时间内由硅液面辐射到蓄热块的热量恒定；

待硅片7形成后，将相变蓄热块4与片状矩形籽晶1整体提升至硅片7脱离硅液；由动力丝杆11推动籽晶完全缩回籽晶夹板2内，夹板下端挤压硅片7，使得硅片7与籽晶分离，使用承接板将加压分离后的硅片转运至炉外，即可进行硅片预处理。

本发明提供的采用籽晶引导的硅片制作设备及其控制方法，包含稳定的熔硅热场、片状矩形籽晶、相变蓄热块及籽晶夹板，籽晶垂直于硅液面，由恒温的相变蓄热块吸收硅液面热量，硅片形成于硅液表面，由籽晶夹板挤压硅片脱离籽晶；因此晶粒均匀，晶体平均粒度小于5mm；所述相变蓄热块完全相变前温度恒定，放热后可重复使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种采用籽晶引导的硅片制作设备，包括炉体(9)，所述炉体(9)内设有用于盛放熔融硅液(8)的石英坩埚(13)，所述石英坩埚(13)的外侧周围设有加热器(5)，其特征在于，所述石英坩埚(13)的上方设有相变蓄热块(4)，所述相变蓄热块(4)的两侧对称设有片状矩形籽晶(1)和籽晶夹板(2)，所述片状矩形籽晶(1)固定在与升降机构相连的籽晶夹持器(10)上；所述升降机构为一对平行设置的动力丝杆(11)，所述动力丝杆(11)设于相变蓄热块(4)的顶部，所述籽晶夹板(2)通过夹板固定螺杆(3)固定在相变蓄热块(4)的两侧。

2.如权利要求1所述的采用籽晶引导的硅片制作设备，其特征在于，所述相变蓄热块(4)的数目为多个，所述多个相变蓄热块(4)一字排列并通过整体吊装丝杆(12)固定在炉体(9)上。

3.如权利要求1所述的采用籽晶引导的硅片制作设备，其特征在于，所述相变蓄热块(4)为密封腔体，所述密封腔体内装填有相变储能材料和导热油。

4.一种如权利要求1所述的采用籽晶引导的硅片制作设备的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)利用加热器(5)将石英坩埚(13)中的硅加热熔化，在相变蓄热块(4)中装填相变储能材料和导热油；

b)控制片状矩形籽晶(1)下端伸出籽晶夹板(2)和相变蓄热块(4)外，将相变蓄热块(4)与片状矩形籽晶(1)一起下降，使得片状矩形籽晶(1)接触硅液面，并控制相变蓄热块(4)和熔融硅液(8)的距离为1～10cm；

c)硅液面由两侧片状矩形籽晶(1)开始向中间凝固，形成硅片(7)；

d)将相变蓄热块(4)与片状矩形籽晶(1)一起提升至硅片(7)脱离熔融硅液(8)；

e)控制片状矩形籽晶(1)下端缩入籽晶夹板(2)内，籽晶夹板(2)下端挤压硅片(7)并与片状矩形籽晶(1)分离，使用承接板将挤压分离后的硅片(7)转运至炉体(15)外。

5.如权利要求4所述的采用籽晶引导的硅片制作设备的控制方法，其特征在于，所述步骤a)中控制硅加热熔化后表面温度高于相变温度1～10℃。

6.如权利要求4所述的采用籽晶引导的硅片制作设备的控制方法，其特征在于，所述步骤c)中控制硅片(7)的厚度为100～1000μm。