CN110004489A - 一种制备多晶硅锭的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备多晶硅锭的工艺。该制备多晶硅锭的工艺包括：步骤一、在带有底板的隔热笼内，利用顶部加热器和侧部加热器，对装有硅料的坩埚进行加热，使坩埚内的硅料熔融而形成硅熔体；步骤二、打开隔热笼的底板，使所述硅熔体自下而上生长多晶硅晶体而形成多晶硅锭；步骤三、快速降低侧部加热器的功率和顶部加热器的功率，使多晶硅锭的中部和多晶硅锭的顶部降温；步骤四、在多晶硅锭的顶部的温度与多晶硅锭的底部的温度之差小于或等于50℃时，关闭顶部加热器和侧部加热器，并且关闭隔热笼的底板，然后使多晶硅锭在隔热笼内冷却至室温。该制备多晶硅锭的工艺通过减小退火时的热冲击产生的热应力，抑制位错增殖。

Description

一种制备多晶硅锭的工艺

技术领域

本发明涉及一种制备多晶硅锭的工艺。

背景技术

在多晶硅铸锭的制造过程中，由于铸锭需要较高的温度，因此，刚完成长晶的多晶硅锭需要进行退火和冷却。现有技术中，多晶硅铸锭完成之后按照常规冷却工艺进行退火和冷却，即，通过关闭隔热笼的底板，使隔热笼成为密闭空间，此时隔热笼开度降为0(即隔热笼与底板之间的距离为0)，达到快速关闭隔热笼并退火的目的。一般而言，长晶结束时，多晶硅锭的顶部和底部存在温差，顶部通常为1420℃左右，底部通常为1000℃左右；在长晶完成后，降低加热器功率，同时完全闭合隔热笼进行整体恒温退火，则退火温度低于顶部温度，高于底部温度。在这种情况下，多晶硅锭顶部温度高，退火时降温，受到的热冲击小；多晶硅锭底部由于关闭隔热笼后散热受阻，存在升温的现象，会受到较大热冲击，热应力的增加会使晶体位错增殖。

并且，在退火时，由于坩埚埚体内部的氧浓度远大于多晶硅锭内部，坩埚和多晶硅锭之间存在氧施主的固相扩散(在分子热运动下，氧由高浓度向低浓度扩散)，因此如果多晶硅锭的底部温度升高，则底部坩埚里的氧杂质向中部的固相扩散加剧，多晶硅锭底部的氧含量增加，氧会形成热施主、新施主、氧沉淀以及诱生其他的晶体缺陷,还会吸引铁等金属元素，从而产生电活性，进而显著降低多晶硅锭的少子寿命值，最终会增大底部的寿命不良区域长度；而且温度越高，固相扩散越严重，底部的寿命不良区域的长度越长，多晶硅锭的品质越差。

综合而言，在现有工艺中，在多晶硅锭长晶完成后合上隔热笼的底板而进行加热退火，多晶硅锭顶部降温少，受到的热冲击小；多晶硅锭底部升温大，受到较大热冲击，会产生位错增殖。而且，退火时，底部的氧在高温作用下向中部固相扩散，会增大底部的寿命不良区域长度；温度越高，固相扩散越严重，硅锭底部的寿命不良区域长度越长，硅锭品质越差。

在专利文献CN104695014A中公开了一种铸造多晶硅的退火工艺，在长晶程序结束后进行退火程序。在退火阶段第一步，设置温度控制模式，使用90分钟将坩埚内温度从1410℃降至1250℃，同时将隔热笼从20cm位置移动至8cm位置。退火第一步完成后，坩埚内温度达到1250℃，坩埚底部温度达到1000℃。在退火阶段第二步，设置温度控制模式，使用20分钟将坩埚内温度从1250℃降至1200℃，同时将隔热笼从8cm位置移动至0cm位置。退火第二步完成后，坩埚内温度达到1200℃，坩埚底部温度达到1020℃。在退火阶段第三步，设置温度控制模式，使用80分钟将坩埚内温度从1200℃降至1000℃，同时将隔热笼从0cm位置移动至10cm位置。退火第三步完成后，坩埚内温度达到1050℃，坩埚底部温度达到1030℃，进入冷却程序。

发明内容

然而，在专利文献CN104695014A的退火工艺中，其虽然控制坩埚内温度从1410℃开始下降，但是在最终的多晶硅锭的晶体位错仍然可以进一步降低。

因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种可以进一步降低多晶硅锭底部和/或中部位错的制备多晶硅锭的工艺。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种制备多晶硅锭的工艺，包括：

步骤一、在带有底板的隔热笼内，利用顶部加热器和侧部加热器，对装有硅料的坩埚进行加热，使坩埚内的硅料熔融而形成硅熔体；

步骤二、打开隔热笼的底板，使所述硅熔体自下而上生长多晶硅晶体而形成多晶硅锭；

步骤三、以第一速度降低顶部加热器的功率，以第二速度降低侧部加热器的功率，且第一速度小于第二速度，使多晶硅锭的中部和多晶硅锭的顶部降温；

步骤四、在多晶硅锭的顶部的温度与多晶硅锭的底部的温度之差小于或等于50℃、优选小于或等于40℃、更优选小于或等于30℃、进一步优选小于或等于15℃时，关闭顶部加热器和侧部加热器，并且关闭隔热笼的底板，然后使多晶硅锭在隔热笼内冷却至室温。

在本发明的制备多晶硅锭的工艺中，通过以第一速度降低顶部加热器的功率，以第二速度降低侧部加热器的功率，且第一速度小于第二速度，也就是说使侧部加热器的功率相较于顶部加热器的功率以更快的速率下降，则可以使得多晶硅锭的中部的降温速率比多晶硅锭的底部的降温速率快，提升退火效率，而且由于多晶硅锭的中部的温度仍然高于多晶硅锭的底部的温度，所以其不会产生位错增殖；而且也可以避免或降低坩埚内的氧向多晶硅锭的扩散。然而在专利文献CN104695014A中的退火工艺中，由于其并未区分控制多晶硅锭的顶部和多晶硅锭的底部的温度降低方式，从而使得多晶硅锭的中部与多晶硅锭的底部的温差较大，较高的多晶硅锭的中部的温度容易对多晶硅锭的底部产生热冲击，从而增加晶体位错。

另外，由于本发明的工艺中，多晶硅锭底部温度没有大幅升温，未对多晶硅锭底部形成较大的热冲击，大幅缩减了由于底部升温导致的位错滑移增殖，因此能够降低多晶硅铸锭底部的位错缺陷水平，有效提升多晶硅铸锭的品质。

附图说明

图1是一种多晶硅铸锭装置的结构示意图；

图2为本发明的一个实施方案中，步骤一中对硅料加热之前的多晶硅铸锭装置的状态示意图。

图3为本发明的一个实施方案中，步骤一中对硅料加热之后的多晶硅铸锭装置的状态示意图。

图4为本发明的一个实施方案中，步骤二中完成多晶生长之后的多晶硅铸锭装置的状态示意图。

图5为实施例1所制备的多晶硅锭的光致发光照片。

图中的附图标记分别表示：

1 为第一温度传感器；

2 为第二温度传感器；

3 为顶部加热器；

4 为侧部加热器；

5 为隔热笼；

6 为隔热笼的底板；

7 为坩埚。

具体实施方式

首先说明本发明中使用的一种多晶硅铸锭装置。如图1所示，图1为一种多晶硅铸锭装置的结构示意图。该多晶硅锭铸锭装置包括可上下移动的隔热笼5，在所述隔热笼5顶部设置有顶部加热器3，在所述隔热笼5的侧部设置有侧部加热器4，所述隔热笼5的下部具有可以打开/关闭的底板6，在隔热笼5的内部设置有坩埚7，坩埚7用于盛放多晶硅锭(或多晶硅料、硅熔体)。另外，在隔热笼5的顶部设置有用于检测多晶硅锭的顶部的温度的第一温度传感器1，在隔热笼5的底板6的附近设置有用于检测多晶硅锭的底部的温度的第二温度传感器2。在一种变形方式中，底板6可以为固定的，只有隔热笼5可以上下移动。在另一种变形方式中，底板6可以是移动的，隔热笼5是固定的。不论何种变形方式，只要能够使隔热笼5与底板6进行分离而形成一定的开度即可。

在本发明的一个具体实施方案中，提供一种制备多晶硅锭的工艺，包括以下步骤：

步骤一、在带有底板6的隔热笼5内，利用顶部加热器3和侧部加热器4，对装有硅料的坩埚7进行加热，使坩埚7内的硅料熔融而形成硅熔体；如图2和图3所示，图2为加热之前的多晶硅铸锭装置的状态示意图，图3为加热之后的多晶硅铸锭装置的状态示意图，从图2和图3的对比可以看出，坩埚7中多晶硅的状态由固态硅料转变为液态硅熔体；

步骤二、打开隔热笼5的底板6，使所述硅熔体自下而上生长多晶硅晶体而形成多晶硅锭；如图4所示，图4为完成多晶生长之后的多晶硅铸锭装置的状态示意图，从图4可以看出，坩埚7中的多晶硅的状态由液态硅熔体转变为固态多晶硅；

步骤三、以第一速度降低顶部加热器3的功率，以第二速度降低侧部加热器4的功率，且第一速度小于第二速度，使多晶硅锭的中部和多晶硅锭的顶部降温；

步骤四、在多晶硅锭的顶部的温度与多晶硅锭的底部的温度之差(例如由第一温度传感器1测定的温度与由第二温度传感器2测定的温度)小于或等于50℃、优选小于或等于40℃、更优选小于或等于30℃、进一步优选小于或等于15℃、甚至所述温度之差基本为0时，关闭顶部加热器3和侧部加热器4，并且关闭隔热笼5的底板6，即恢复至图1所示的状态，然后使多晶硅锭在隔热笼5内冷却至室温。

在本实施方案中，通过以第一速度降低顶部加热器3的功率，以第二速度降低侧部加热器4的功率，且第一速度小于第二速度，可以使得多晶硅锭的中部的降温速率比多晶硅锭的底部的降温速率快，提升退火效率，而且由于多晶硅锭的中部的温度仍然高于多晶硅锭的底部的温度，所以其不会产生位错增殖。

在上述具体实施方案中，所述多晶硅锭可以为长方体形或正方体形。一般而言，对于多晶硅锭的形状并无限制，不过在铸锭领域，通常为规则的形状。

在上述具体实施方案中，在步骤三中，使多晶硅锭的顶部的温度可以降低至900～1100℃，通常降低至1000℃左右。更具体而言，在一个实施方案中，在步骤三中，首先用0.5～2小时使多晶硅锭的顶部的温度降低至1250～1430℃，然后用0.5～2小时使多晶硅锭的顶部的温度降低至1100～1350℃，然后用0.5～2小时使多晶硅锭的顶部的温度降低至900～1050℃。

下面以具体的实施例进行说明：

实施例1

本实施例提供一种铸造多晶硅锭的工艺，在该工艺中使用图1所示的多晶硅铸锭装置。本实施例的工艺包括以下步骤：

步骤一、在带有底板6的隔热笼5内，利用顶部加热器3和侧部加热器4，对装有硅料的坩埚7进行加热，加热至1540℃以上，使坩埚7内的硅料熔融而形成硅熔体；如图2和图3所示，图2为加热之前的多晶硅铸锭装置的状态示意图，图3为加热之后的多晶硅铸锭装置的状态示意图，从图2和图3的对比可以看出，坩埚7中多晶硅的状态由固态硅料转变为液态硅熔体；

步骤二、打开隔热笼5的底板6，由于坩埚7的底部与外部接触(有时也会附加其他其他冷却方式)，由于坩埚7的底部温度较低，使所述硅熔体自下而上生长多晶硅晶体而形成多晶硅锭；如图4所示，图4为完成多晶生长之后的多晶硅铸锭装置的状态示意图，从图4可以看出，坩埚7中的多晶硅的状态由液态硅熔体转变为固态多晶硅；此时由第一温度传感器1测定的多晶硅锭的顶部的温度为1400℃，由第二温度传感器2测定的多晶硅锭的底部的温度为1000℃；

步骤三、在2小时内，以第一速度降低顶部加热器3的功率，以第二速度降低侧部加热器4的功率，且第一速度小于第二速度，在本实施例中顶部加热器3的功率与侧部加热器4的功率之比为3，并且此时隔热笼的开度(即隔热笼5的底板6距离其关闭位置的距离)关闭至130mm，隔热笼5的关闭速率为0.52mm/min，将多晶硅顶部的温度降低至1300℃，多晶硅锭的底部的温度保持在1000℃；

步骤四、在2小时内，将顶部加热器3的功率与侧部加热器4的功率之比降低至1.5，隔热笼5的开度关闭至70mm，隔热笼5的关闭速率为0.5mm/min，降低多晶硅锭顶部温度至1200℃，多晶硅锭的底部的温度保持在1000℃；

步骤五、在2小时内，将顶部加热器3的功率与侧部加热器4的功率之比降低至1，隔热笼5的开度关闭至35mm，隔热笼5的关闭速率为0.29mm/min，降低多晶硅锭顶部温度至1050℃，多晶硅锭的底部的温度保持在1000℃；

步骤六、在1.5小时内，关闭顶部加热器3和侧部加热器4，隔热笼5完全关闭，关闭速率为0.43mm/min，使所述多晶硅锭温度均匀下降，从而降低多晶硅锭底部位错，让多晶硅锭自然冷却，直到到达室温温度。

使用上海欧普泰公司生产的光致发光检测设备，对该多晶硅锭进行位错检测，结果如图5所示。图5为实施例1所制备的多晶硅锭的光致发光照片。从图5可以看出，多晶硅锭的内部位错较小。

Claims (6)

1.一种制备多晶硅锭的工艺，包括：

步骤一、在带有底板的隔热笼内，利用顶部加热器和侧部加热器，对装有硅料的坩埚进行加热，使坩埚内的硅料熔融而形成硅熔体；

步骤二、打开隔热笼的底板，使所述硅熔体自下而上生长多晶硅晶体而形成多晶硅锭；

步骤三、以第一速度降低顶部加热器的功率，以第二速度降低侧部加热器的功率，且第一速度小于第二速度，使多晶硅锭的中部和多晶硅锭的顶部降温；

步骤四、在多晶硅锭的顶部的温度与多晶硅锭的底部的温度之差小于或等于50℃、优选小于或等于40℃、更优选小于或等于30℃、进一步优选小于或等于15℃时，关闭顶部加热器和侧部加热器，并且关闭隔热笼的底板，然后使多晶硅锭在隔热笼内冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述多晶硅锭为长方体形或正方体形。

3.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于，在步骤三中，使多晶硅锭的顶部的温度降低至900～1100℃。

4.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于，在步骤三中，使多晶硅锭的顶部的温度降低至1000℃左右。

5.根据权利要求1～4任一项所述的工艺，其特征在于，在步骤三中，首先用0.5～2小时使多晶硅锭的顶部的温度降低至1250～1430℃，然后用0.5～2小时使多晶硅锭的顶部的温度降低至1100～1350℃，然后用0.5～2小时使多晶硅锭的顶部的温度降低至900～1050℃。

6.一种制备多晶硅锭的工艺，包括：

步骤一、在带有底板的隔热笼内，利用顶部加热器和侧部加热器，对装有硅料的坩埚进行加热，使坩埚内的硅料熔融而形成硅熔体；

步骤二、打开隔热笼的底板，使所述硅熔体自下而上生长多晶硅晶体而形成多晶硅锭；

步骤三、以第一速度降低顶部加热器的功率，以第二速度降低侧部加热器的功率，且第一速度小于第二速度，并且使隔热笼的底板缓慢向上移动，使多晶硅锭的中部和多晶硅锭的顶部降温；

步骤四、在多晶硅锭的顶部的温度与多晶硅锭的底部的温度之差小于或等于50℃、优选小于或等于40℃、更优选小于或等于30℃、进一步优选小于或等于15℃时，关闭顶部加热器和侧部加热器，并且关闭隔热笼的底板，然后使多晶硅锭在隔热笼内冷却至室温。