CN109385665A - 一种适合铸造单晶使用的坩埚制备方法 - Google Patents

一种适合铸造单晶使用的坩埚制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适合铸造单晶使用的坩埚制备方法，流程包括母体制造‑底部打磨‑高纯涂层制备和高纯氮化硅脱模层制备，该制备方法简单易行，优化坩埚尺寸，提升坩埚下底部平整度降低了位错产生和增殖几率，对坩埚底部和侧壁制造高纯涂层减低了坩埚母体对硅锭的杂质扩散，提升了硅锭品质。

Description

一种适合铸造单晶使用的坩埚制备方法
技术领域
本发明涉及一种适合铸造单晶使用的坩埚制备方法，属于多晶硅铸锭领域。
背景技术
目前，多晶硅锭的制备方法主要是利用GT Solar提供的定向凝固系统进行制备，该方法通常包括加热、熔化、长晶、退火和冷却等步骤，在凝固长晶过程中，通过对顶部温度和侧边保温罩开度进行控制，使得熔融硅液在坩埚底部获得足够的过冷度凝固结晶；由于常规多晶铸锭，底部形核为随机自发形核，无法得到有效控制，针对常规铸锭方式产生的多晶硅锭存在形核无法控制、硅锭内部错密度高、晶界多且无规则分布的问题，多晶技术人员基于控制形核的考虑推出了三种不同类型的多晶铸锭方式：其中一种为利用单晶引晶生长的原理、在坩埚底部铺设单晶板或块作为生长籽晶，控制形核形成类单晶硅片，其代表厂家如协鑫、凤凰光伏和昱辉等；第二种方式为在坩埚底部铺设碎硅料作为生长用籽晶，控制形核形成表面具有细小晶粒结构的高效多晶硅片，其典型产品如台湾中美矽晶的A4+硅片、赛维的M3硅片、协鑫的S2、S3硅片等；第三种方式与第二种方式相似，但底部不是用碎硅料作为形核源，而是利用底部铺设石英砂配合合适的喷涂铸锭工艺，最终形成进行细小颗粒，达到降低 位错，提升效率的目标，典型代表如环太的H3+，荣德的R3硅片。
目前随着对于高效率硅片需求的不断提升，单晶制造成本的快速降低对多晶硅片制造提出了较大的挑战，而铸造单晶由于合理的制造成本和较高的光电转换效率，成为了目前研究的热点，但同时也存在如下一些问题：
1）现有坩埚尺寸偏小（外径1060左右），开方 6*6规格晶砖后，由于边皮去除量较少，由于坩埚侧壁形核形成的花片比例较高，如开方5*5规格，成本较高；
2）坩埚底部平整度不足，导致籽晶拼合度不足，位错形成和增殖严重；
3）由于坩埚母体杂质含量高，导致侧壁和底部杂质扩散严重，杂质含量高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有技术存在的缺点，提出一种适合铸造单晶使用的坩埚制备方法，该制备方法简单易行，优化坩埚尺寸，提升坩埚下底部平整度降低了位错产生和增殖几率，对坩埚底部和侧壁制造高纯涂层减低了坩埚母体对硅锭的杂质扩散，提升了硅锭品质。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：
一种适合铸造单晶使用的坩埚制备方法，流程包括母体制造-底部打磨-高纯涂层制备和高纯氮化硅脱模层制备，其中：
1）母体制造中控制坩埚外径尺寸在1100±5mm，下底径≥1050mm，坩埚壁厚在21~23mm，底厚在20~22mm；
2）坩埚母体制造烧结完成后，进行底部打磨工序，采用200目的砂轮进行平整度调整，坩埚底部的厚度落差控制在0.5-1mm；
3）坩埚底部、侧壁高纯涂层制作，具体为：
金属含量在2ppm以内的高纯结晶砂与金属含量在5ppm以内的熔融石英砂混配，按照质量比高纯结晶砂：熔融石英砂=3:7-5:5，随后球磨到粒径5-10um的高纯石英浆溶液，所得的高纯石英浆溶液固相比例在30%-40%；
将获得的高纯石英浆利用刷涂的方法刷涂在坩埚上，随后放入隧道窑中烘干，烘干温度为 50-60℃，烘干时间为1-2h，后取出放置至室温；
4）高纯氮化硅脱模层制备，具体为：
将金属含量控制在5ppm以内的高纯氮化硅搭配高纯水，利用滚涂的方法涂覆在坩埚底部和侧壁；
5）步骤四中高纯氮化硅脱模层制作后，将坩埚放在室温条件下静置24h使得涂层干燥，随后利用砂纸对坩埚底部进行修整，使得底部平整度控制在0.5-1mm。
本发明进一步限定的技术方案为：
前述适合铸造单晶使用的坩埚制备方法中，步骤（4）中高纯氮化硅脱模层由氮化硅、纯水和硅溶胶组成，按质量比计氮化硅：纯水：硅溶胶=1:2.5:0.5-1:3.5:0.5。
前述适合铸造单晶使用的坩埚制备方法中，硅溶胶中Fe含量≤1ppm，硅溶胶固相含量30%。
前述适合铸造单晶使用的坩埚制备方法中，采用1100*1100*540mm的G6坩埚时，步骤（4）高纯氮化硅脱模层中氮化硅用量控制在900-950g。
前述适合铸造单晶使用的坩埚制备方法中，步骤（5）中砂纸采用500~800目的砂纸。
本发明的有益效果是：
1）对现有的坩埚尺寸进行优化，结合炉体结构特点，扩大坩埚外径到1100mm±5mm，利用1100规格坩埚取代原1060规格坩埚，减少了侧壁形核造成的花片比例，同时适合6*6规格开方，实现了利用率和外观的平衡；
2）对于坩埚底部平整度不足问题，采用打磨的方法使得坩埚下底部平整度进行提升，利用底部平整度控制在1mm以内，实现了籽晶的完美拼接，降低了位错产生和增殖几率；
3）对坩埚底部和侧壁制造高纯涂层，并在涂层表面预滚涂高纯氮化硅涂层，利用高纯涂层+高纯氮化硅脱模层技术，减低了坩埚母体对硅锭的杂质扩散，提升了硅锭品质。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种适合铸造单晶使用的坩埚制备方法，流程包括母体制造-底部打磨-高纯涂层制备和高纯氮化硅脱模层制备，其中：
1）母体的制备过程与传统的注浆坩埚制备方法一致，主要差异点在于坩埚外径尺寸在1105mm，下底径≥1050mm，坩埚壁厚在23mm，底厚在22mm；
2）坩埚母体制造烧结完成后，进行底部打磨工序，采用200目的砂轮进行平整度调整，坩埚底部的厚度落差控制在1mm；
3）坩埚底部、侧壁高纯涂层制作，具体为：
金属含量在2ppm以内的高纯结晶砂与金属含量在5ppm以内的熔融石英砂混配，按照质量比高纯结晶砂：熔融石英砂=1:1，随后球磨到粒径10um的高纯石英浆溶液，所得的高纯石英浆溶液固相比例在40%；
将获得的高纯石英浆利用刷涂的方法刷涂在坩埚上，每只坩埚高纯实验浆用量在1500g，随后放入隧道窑中烘干，烘干温度为 60℃，烘干时间为2h，后取出放置至室温；
4）高纯氮化硅脱模层制备，具体为：
将金属含量控制在5ppm以内的高纯氮化硅搭配高纯水，利用滚涂的方法涂覆在坩埚底部和侧壁；
高纯氮化硅脱模层由氮化硅、纯水和硅溶胶组成，按质量比计氮化硅：纯水：硅溶胶=1:3.5:0.5；
硅溶胶中Fe含量≤1ppm，硅溶胶固相含量30%；
5）步骤四中高纯氮化硅脱模层制作后，将坩埚放在室温条件下静置24h使得涂层干燥，随后利用800目的砂纸对坩埚底部进行修整，使得底部平整度控制在1mm。
在本实施例中，采用1100*1100*540mm的G6坩埚时，步骤（4）高纯氮化硅脱模层中氮化硅用量控制在950g。
实施例2
本实施例提供一种适合铸造单晶使用的坩埚制备方法，流程包括母体制造-底部打磨-高纯涂层制备和高纯氮化硅脱模层制备，其中：
1）母体的制备过程与传统的注浆坩埚制备方法一致，主要差异点在于坩埚外径尺寸在1100mm，下底径≥1050mm，坩埚壁厚在22mm，底厚在21mm；
2）坩埚母体制造烧结完成后，进行底部打磨工序，采用200目的砂轮进行平整度调整，坩埚底部的厚度落差控制在0.8mm；
3）坩埚底部、侧壁高纯涂层制作，具体为：
金属含量在2ppm以内的高纯结晶砂与金属含量在5ppm以内的熔融石英砂混配，按照质量比高纯结晶砂：熔融石英砂=5:7，随后球磨到粒径8um的高纯石英浆溶液，所得的高纯石英浆溶液固相比例在30%-40%；
将获得的高纯石英浆利用刷涂的方法刷涂在坩埚上，每只坩埚高纯实验浆用量在1250g，随后放入隧道窑中烘干，烘干温度为 55℃，烘干时间为1.5h，后取出放置至室温；
4）高纯氮化硅脱模层制备，具体为：
将金属含量控制在5ppm以内的高纯氮化硅搭配高纯水，利用滚涂的方法涂覆在坩埚底部和侧壁；
高纯氮化硅脱模层由氮化硅、纯水和硅溶胶组成，按质量比计氮化硅：纯水：硅溶胶=1:3:0.5；
硅溶胶中Fe含量≤1ppm，硅溶胶固相含量30%；
5）步骤四中高纯氮化硅脱模层制作后，将坩埚放在室温条件下静置24h使得涂层干燥，随后利用600目的砂纸对坩埚底部进行修整，使得底部平整度控制在0.8mm。
在本实施例中，采用1100*1100*540mm的G6坩埚时，步骤（4）高纯氮化硅脱模层中氮化硅用量控制在930g。
实施例3
本实施例提供一种适合铸造单晶使用的坩埚制备方法，流程包括母体制造-底部打磨-高纯涂层制备和高纯氮化硅脱模层制备，其中：
1）母体的制备过程与传统的注浆坩埚制备方法一致，主要差异点在于坩埚外径尺寸在1095mm，下底径≥1050mm，坩埚壁厚在21mm，底厚在20mm；
2）坩埚母体制造烧结完成后，进行底部打磨工序，采用200目的砂轮进行平整度调整，坩埚底部的厚度落差控制在0.6mm以内；
3）坩埚底部、侧壁高纯涂层制作，具体为：
金属含量在2ppm以内的高纯结晶砂与金属含量在5ppm以内的熔融石英砂混配，按照质量比高纯结晶砂：熔融石英砂=3:7，随后球磨到粒径5um的高纯石英浆溶液，所得的高纯石英浆溶液固相比例在30%；
将获得的高纯石英浆利用刷涂的方法刷涂在坩埚上，每只坩埚高纯实验浆用量在1000g，随后放入隧道窑中烘干，烘干温度为 50℃，烘干时间为1h，后取出放置至室温；
4）高纯氮化硅脱模层制备，具体为：
将金属含量控制在5ppm以内的高纯氮化硅搭配高纯水，利用滚涂的方法涂覆在坩埚底部和侧壁；
高纯氮化硅脱模层由氮化硅、纯水和硅溶胶组成，按质量比计氮化硅：纯水：硅溶胶=1:2.5:0.5；
硅溶胶中Fe含量≤1ppm，硅溶胶固相含量30%；
5）步骤四中高纯氮化硅脱模层制作后，将坩埚放在室温条件下静置24h使得涂层干燥，随后利用700目的砂纸对坩埚底部进行修整，使得底部平整度控制在小于0.6mm。
在本实施例中，采用1100*1100*540mm的G6坩埚时，步骤（4）高纯氮化硅脱模层中氮化硅用量控制在900g。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种适合铸造单晶使用的坩埚制备方法，其特征在于，流程包括母体制造-底部打磨-高纯涂层制备和高纯氮化硅脱模层制备，其中：
1）母体制造中控制坩埚外径尺寸在1100±5mm，下底径≥1050mm，坩埚壁厚在21~23mm，底厚在20~22mm；
2）坩埚母体制造烧结完成后，进行底部打磨工序，采用200目的砂轮进行平整度调整，坩埚底部的厚度落差控制在0.5-1mm；
3）坩埚底部、侧壁高纯涂层制作，具体为：
金属含量在2ppm以内的高纯结晶砂与金属含量在5ppm以内的熔融石英砂混配，按照质量比高纯结晶砂：熔融石英砂=3:7-5:5，随后球磨到粒径5-10um的高纯石英浆溶液，所得的高纯石英浆溶液固相比例在30%-40%；
将获得的高纯石英浆利用刷涂的方法刷涂在坩埚上，随后放入隧道窑中烘干，烘干温度为 50-60℃，烘干时间为1-2h，后取出放置至室温；
4）高纯氮化硅脱模层制备，具体为：
将金属含量控制在5ppm以内的高纯氮化硅搭配高纯水，利用滚涂的方法涂覆在坩埚底部和侧壁；
5）步骤四中高纯氮化硅脱模层制作后，将坩埚放在室温条件下静置24h使得涂层干燥，随后利用砂纸对坩埚底部进行修整，使得底部平整度控制在0.5-1mm。
2.根据权利要求1所述的适合铸造单晶使用的坩埚制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述的高纯氮化硅脱模层由氮化硅、纯水和硅溶胶组成，按质量比计氮化硅：纯水：硅溶胶=1:2.5:0.5-1:3.5:0.5。
3.根据权利要求2所述的适合铸造单晶使用的坩埚制备方法，其特征在于：所述硅溶胶中Fe含量≤1ppm，硅溶胶固相含量30%。
4.根据权利要求2所述的适合铸造单晶使用的坩埚制备方法，其特征在于：采用1100*1100*540mm的G6坩埚时，步骤（4）高纯氮化硅脱模层中氮化硅用量控制在900-950g。
5.根据权利要求1所述的适合铸造单晶使用的坩埚制备方法，其特征在于：步骤（5）中所述的砂纸采用500-800目的砂纸。
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