CN110863242A - 一种提高单晶少子寿命的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高单晶少子寿命的工艺方法，在直拉单晶时，在装料的过程中，添加一定量的氢氧化铝，促使石英坩埚向α‑方石英结构转变；在直拉单晶的取段复投过程中，添加一定量的氢氧化铝；随着拉制单晶颗数的增加，进行氢氧化铝的补掺，进行已经脱落的析晶层补充，促使石英坩埚向稳定的α‑方石英结构转变。本发明的有益效果是在直拉单晶过程中，添加氢氧化铝，加快石英坩埚向稳定的α‑方石英结构转变，补充已经脱落的析晶层，减少硅溶液对石英坩埚腐蚀，提高石英坩埚使用寿命，做到降本增效。
Description
技术领域
本发明属于光伏技术领域，尤其是涉及一种提高单晶少子寿命的工艺方法。
背景技术
现有的硅单晶用石英坩埚普遍只能拉制2-3颗单晶，不能满足继续使用拉制单晶要求。由于硅在熔融状态下具有高度的化学活泼性，它会与石英坩埚发生反应，即SiO2+Si→2SiO，会对石英坩埚透明层造成不可逆的损坏，影响石英坩埚使用寿命。现有技术采用在坩埚内壁喷涂碳酸钡水溶液以加快坩埚析晶，此方法运行后期坩埚析晶严重，内壁方石英会脱落，导致硅单晶成晶困难，无法进行多颗单晶拉制，同时，而钡离子的引入，是导致硅单晶少子寿命降低的主要原因之一。
发明内容
鉴于上述问题，本发明要解决的问题是提供一种提高单晶少子寿命的工艺方法，应用于直拉单晶过程中，添加氢氧化铝，加快石英坩埚向稳定的α -方石英结构转变，补充已经脱落的析晶层，减少硅溶液对石英坩埚腐蚀，提高石英坩埚使用寿命，做到降本增效。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种提高单晶少子寿命的工艺方法，在直拉单晶过程中，在装料时，添加一定量的氢氧化铝，促使石英坩埚向α-方石英结构转变；
在直拉单晶的取段复投过程中，添加一定量的氢氧化铝；
随着拉制单晶颗数的增加，进行氢氧化铝的补掺，进行已经脱落的析晶层补充，促使石英坩埚向稳定的α-方石英结构转变。
进一步的，氢氧化铝的用量为0.1-1g。
进一步的，氢氧化铝的用量的计算，包括以下步骤：
确定三氧化二铝的摩尔分数；
计算硅原子的个数；
计算硅原子的摩尔数；
计算氢氧化铝的摩尔质量；
计算氢氧化铝的质量。
进一步的，确定三氧化二铝的摩尔分数根据三氧化二铝系统液相不相混溶性玻璃分相确定，三氧化二铝的摩尔分数为15％。
进一步的，计算硅原子的个数为根据α-方石英的厚度乘以单位纳米面积原子个数。
进一步的，α-方石英的厚度为30-200nm。
进一步的，计算硅原子的摩尔数中，设定硅原子的摩尔数为na，则
其中，n为阿伏伽德罗常数，n＝6.02×1023。
进一步的，计算氢氧化铝的摩尔质量中，设定氢氧化铝的摩尔质量为 nb，则根据
计算氢氧化铝的摩尔质量。
进一步的，计算氢氧化铝的质量为氢氧化铝的摩尔质量乘以氢氧化铝的相对分子质量。
一种提高单晶少子寿命的石英坩埚，石英坩埚包括石英坩埚主体和α- 方石英层，α-方石英层设于石英坩埚主体的内壁上，α-方石英层为α-方石英。
由于采用上述技术方案，在取段复投过程中，在复投硅料中添加氢氧化铝粉末，高温下生成的三氧化二铝可作为成核剂，加快石英坩埚向稳定的α -方石英结构转变，补充已经脱落的析晶层，最终使石英坩埚满足拉制多颗单晶的要求，能够加快石英坩埚析晶速率，减少硅溶液对石英坩埚腐蚀，提高石英坩埚使用寿命，防止石英坩埚腐蚀后影响单晶拉制，提高石英坩埚单炉拉制硅单晶的颗数，做到降本增效；
装料过程加入一定量的使用氢氧化铝，氢氧化铝高温下可以分解为三氧化二铝，以此做为成核剂，可起到与碳酸钡涂层相同的效果，铝离子对硅单晶的寿命影响，要小于钡离子；
铝是可以在二氧化硅系统中分相的物质，由于铝的能级离禁带中心较钡远，对少子寿命影响小，可以极大地提升单晶少子寿命，提高硅单晶成品在市场的竞争力。
附图说明
图1是本发明的一实施例的石英坩埚的结构示意图。
图2是本发明的一实施例的双曲余弦函数y＝coushx曲线形状示意图。
图中：
1、石英坩埚主体 2、α-方石英层
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
本实施例涉及一种提高单晶少子寿命的工艺方法，应用于直拉单晶过程中，在直拉单晶的过程中，添加氢氧化铝，根据氢氧化铝高温下可以分解为三氧化二铝的特性，制作成成核剂，在成核剂的作用下，补充石英坩埚在直拉单晶过程中内壁脱离的α-方石英，增加石英坩埚内壁与硅溶液接触部分的致密度，提高坩埚耐腐蚀性，进而增加石英坩埚单炉拉制单晶的颗数，提高石英坩埚的使用寿命，提高硅单晶少子寿命。
一种提高单晶少子寿命的工艺方法，在直拉单晶时，在装料的过程中，添加一定量的氢氧化铝，促使石英坩埚向α-方石英结构转变，即，在直拉单晶装料的初始，将一定量的氢氧化铝随着硅原料装入石英坩埚内，该氢氧化铝是一种白色非晶形的粉末，难溶于水，加热可以分解，反应如下：
由上述反应可以知道，氢氧化铝在140℃条件下，生成的γ-Al2O3；
γ-Al2O3在高温1200℃左右，可以形成α-Al2O3，反应过程如下：
因此可以得出，可以利用γ-Al2O3在高温下的晶向转变过程形成α-Al2O3，α-Al2O3促使石英坩埚析晶，促使石英坩埚向稳定的α-方石英结构转变，填补脱落的α-方石英，α-方石英致密，耐腐蚀性强，减少硅溶液对石英坩埚的内壁接触，提高石英坩埚的使用寿命。
由此可以知道，与现有的在石英坩埚的内壁涂覆碳酸钡涂层的作用相同，但是，铝与钡对单晶品质的影响是不同的，从杂质能级分布情况进行对比，铝在硅中的能级，存在一个0.069ev的浅受主能级和一个0.17ev的施主能级，钡的能级为0.5eV。
根据非平衡载流子复合速率：
其中：Et是符合中心能级，Ei是禁带中心能级，n、p分别是点子、空穴浓度，ni是本征载流子浓度，
ch(x)是双曲余弦函数，曲线形状如图2所示：
当Et≈Ei时，U取趋向于无极大，因此，位于禁带中心的能级是最有效的复合中心，在单晶硅中
而钡的能级为0.50eV，较铝的能级更靠近禁带中心，复合速率U亦较铝大，因此在同等浓度下，钡较铝对少子寿命影响较大，同时，铝是可以在二氧化硅系统中分相的物质，由于铝的能级离禁带中心较钡远，对少子寿命影响小，可以极大地提升单晶少子寿命。
上述的氢氧化铝的用量为0.1-1g，根据实际计算结果进行选择。
该氢氧化铝的用量的计算，包括以下步骤：
确定三氧化二铝的摩尔分数：
三氧化二铝的摩尔分数根据三氧化二铝系统液相不相混溶性玻璃分相来确定，根据三氧化二铝系统液相不相混溶性玻璃分相可以知道，三氧化二铝的摩尔分数为15％。
计算硅原子的个数：
硅原子的个数在计算时，根据α-方石英的厚度乘以单位纳米面积原子个数，α-方石英的厚度为30-200nm，根据实际需求进行选择，这里不做具体要求。例如：
设定α-方石英的厚度为h，单位纳米面积原子个数为n单位纳米原子个数，则硅原子个数
n硅原子个数＝h×n单位纳米原子个数
其中，n单位纳米原子个数＝7.79×1019，h为α-方石英的厚度，为30-200nm，根据实际需求进行选择。
计算硅原子的摩尔数：
在计算硅原子的摩尔数(硅原子的物质的量)时，设定硅原子的摩尔数为na，则
其中，n为阿伏伽德罗常数，n＝6.02×1023。
计算氢氧化铝的摩尔质量：
在计算氢氧化铝的摩尔质量时，设定氢氧化铝的摩尔质量为nb，则根据
计算氢氧化铝的摩尔质量，则氢氧化铝的摩尔质量为
计算氢氧化铝的质量：
计算氢氧化铝的质量为氢氧化铝的摩尔质量乘以氢氧化铝的相对分子质量，也就是，设定氢氧化铝的质量为m，则m＝nb×M。
以α-方石英的厚度为100nm为例进行说明。
确定三氧化二铝的摩尔分数：
三氧化二铝的摩尔分数根据三氧化二铝系统液相不相混溶性玻璃分相来确定，根据三氧化二铝系统液相不相混溶性玻璃分相可以知道，三氧化二铝的摩尔分数为15％。
计算硅原子的个数：
硅原子的个数在计算时，根据α-方石英的厚度乘以单位纳米面积原子个数，α-方石英的厚度为100nm，设定α-方石英的厚度为h，单位纳米面积原子个数为n单位纳米原子个数，则硅原子个数
n硅原子个数＝h×n单位纳米原子个数
其中，n单位纳米原子个数＝7.79×1019，h＝100，则
n硅原子个数＝h×n单位纳米原子个数＝7.79×1019×100＝7.79×1021个
也就是，当α-方石英的厚度为100nm时，硅原子的个数为7.79x1021个。
计算硅原子的摩尔数：
在计算硅原子的摩尔数时，设定硅原子的摩尔数为na，则
其中，n为阿伏伽德罗常数，n＝6.02×1023。
由上一步可以得出，硅原子个数为7.79x1021个，则硅原子的摩尔数(即硅原子的物质的量)为
计算氢氧化铝的摩尔质量：
在计算氢氧化铝的摩尔质量时，设定氢氧化铝的摩尔质量为nb，则根据
计算氢氧化铝的摩尔质量，氢氧化铝的摩尔质量为
则，
也就是，氢氧化铝的摩尔质量为2.27x10-3。
计算氢氧化铝的质量：
计算氢氧化铝的质量为氢氧化铝的摩尔质量乘以氢氧化铝的相对分子质量，也就是，设定氢氧化铝的质量为m，则m＝nb×M，根据上一步骤可以知道氢氧化铝的摩尔质量，进行氢氧化铝的质量的计算：
m＝nb×M＝1.76×10-3×78＝0.14g
在直拉单晶的取段复投过程中，添加一定量的氢氧化铝，将氢氧化铝放置于复投筒中间位置，使得氢氧化铝随着复投料一起投入单晶炉内的石英坩埚中，使得在直拉单晶的过程中，进行氢氧化铝的添加，高温下的氢氧化铝进行如下反应：
生成的γ-Al2O3在高温1200℃左右，可以形成α-Al2O3，反应过程如下：
由上述内容可以知道，利用γ-Al2O3在高温下的晶向转变过程形成α-Al2O3，α-Al2O3促使石英坩埚析晶，补充在直拉单晶过程中石英坩埚脱落的α-方石英，且在取段复投过程中添加氢氧化铝，使得在直拉单晶的过程中持续产生α-Al2O3，使得石英坩埚持续析出α-方石英，减少硅溶液对石英坩埚的内壁的腐蚀，提高石英坩埚的耐腐蚀性，增加石英坩埚内壁与硅溶液接触部分的致密度，增加石英坩埚的使用寿命，保护石英坩埚运行后期不受硅溶液影响，进而增加石英坩埚单炉拉制单晶的颗数。
同时，随着拉制单晶颗数的增加，进行氢氧化铝的补掺，进行已经脱落的析晶层补充，促使石英坩埚向稳定的α-方石英结构转变，即，在多次取段复投时，加入一定量的氢氧化铝，进行氢氧化铝的补掺，该氢氧化铝的重量与第一次取段复投时的氢氧化铝的重量相同。
该氢氧化铝的用量为0.1-1g，根据实际计算进行选择。该氢氧化铝的计算方法与上述装料时氢氧化铝的用量的计算方法相同，这里不再赘述。
在拉制单晶过程进行补掺时，进行氢氧化铝的补掺，将氢氧化铝与补掺的合金放置于一起，进行补掺，进行已经脱落的析晶层补充，促使石英坩埚向稳定的α-方石英结构转变。在进行补掺时，使得氢氧化铝随着补掺合金一起投入单晶炉内的石英坩埚中，使得在直拉单晶的过程中，进行氢氧化铝的添加，高温下的氢氧化铝进行如下反应：
生成的γ-Al2O3在高温1200℃左右，可以形成α-Al2O3，反应过程如下：
由上述内容可以知道，利用γ-Al2O3在高温下的晶向转变过程形成α-Al2O3，α-Al2O3促使石英坩埚析晶，补充在直拉单晶过程中石英坩埚脱落的α-方石英，且在取段复投过程中添加氢氧化铝，使得在直拉单晶的过程中持续产生α-Al2O3，使得石英坩埚持续析出α-方石英，减少硅溶液对石英坩埚的内壁的腐蚀，提高石英坩埚的耐腐蚀性，增加石英坩埚内壁与硅溶液接触部分的致密度，增加石英坩埚的使用寿命，保护石英坩埚运行后期不受硅溶液影响，进而增加石英坩埚单炉拉制单晶的颗数。
在直拉单晶的过程中，可以进行一次氢氧化铝的补掺，也可以进行多次氢氧化铝的补掺，根据实际需求进行选择，这里不做具体要求。
该氢氧化铝的用量为0.1-1g，根据实际计算进行选择。该氢氧化铝的计算方法与上述装料时氢氧化铝的用量的计算方法相同，这里不再赘述。
一种提高单晶少子寿命的石英坩埚，石英坩埚为双层结构，该双层结构的石英坩埚为内壁是α-方石英，石英坩埚的主体是γ-方石英。
其中，石英坩埚包括石英坩埚主体和α-方石英层2，α-方石英层2设于石英坩埚主体1的内壁上，α-方石英层2为α-方石英，石英坩埚主体1 为γ-方石英。
由于采用上述技术方案，在取段复投过程中，在复投硅料中添加氢氧化铝粉末，高温下生成的三氧化二铝可作为成核剂，加快石英坩埚向稳定的α -方石英结构转变，补充已经脱落的析晶层，最终使石英坩埚满足拉制多颗单晶的要求，能够加快石英坩埚析晶速率，减少硅溶液对石英坩埚腐蚀，提高石英坩埚使用寿命，防止石英坩埚腐蚀后影响单晶拉制，提高石英坩埚单炉拉制硅单晶的颗数，做到降本增效；
装料过程加入一定量的使用氢氧化铝，氢氧化铝高温下可以分解为三氧化二铝，以此做为成核剂，可起到与碳酸钡涂层相同的效果，铝离子对硅单晶的寿命影响，要小于钡离子；
铝是可以在二氧化硅系统中分相的物质，由于铝的能级离禁带中心较钡远，对少子寿命影响小，可以极大地提升单晶少子寿命，提高硅单晶成品在市场的竞争力。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种提高单晶少子寿命的工艺方法，其特征在于：在直拉单晶的过程中，在装料时，添加一定量的氢氧化铝，促使石英坩埚向α-方石英结构转变；
在直拉单晶的取段复投过程中，添加一定量的所述氢氧化铝；
随着拉制单晶颗数的增加，进行所述氢氧化铝的补掺，进行已经脱落的析晶层补充，促使石英坩埚向稳定的α-方石英结构转变。
2.根据权利要求1所述的提高单晶少子寿命的工艺方法，其特征在于：所述氢氧化铝的用量为0.1-1g。
3.根据权利要求1或2所述的提高单晶少子寿命的工艺方法，其特征在于：所述氢氧化铝的用量的计算，包括以下步骤：
确定三氧化二铝的摩尔分数；
计算硅原子的个数；
计算硅原子的摩尔数；
计算氢氧化铝的摩尔质量；
计算氢氧化铝的质量。
4.根据权利要求3所述的提高单晶少子寿命的工艺方法，其特征在于：所述确定三氧化二铝的摩尔分数根据三氧化二铝系统液相不相混溶性玻璃分相确定，所述三氧化二铝的摩尔分数为15％。
5.根据权利要求4所述的提高单晶少子寿命的工艺方法，其特征在于：所述计算硅原子的个数为根据所述α-方石英的厚度乘以单位纳米面积原子个数。
6.根据权利要求5所述的提高单晶少子寿命的工艺方法，其特征在于：所述α-方石英的厚度为30-200nm。
7.根据权利要求5或6所述的提高单晶少子寿命的工艺方法，其特征在于：所述计算硅原子的摩尔数中，设定硅原子的摩尔数为na，则
其中，n为阿伏伽德罗常数，n＝6.02×1023。
8.根据权利要求7所述的提高单晶少子寿命的工艺方法，其特征在于：所述计算氢氧化铝的摩尔质量中，设定氢氧化铝的摩尔质量为nb，则根据
计算所述氢氧化铝的摩尔质量。
9.根据权利要求8所述的提高单晶少子寿命的工艺方法，其特征在于：所述计算氢氧化铝的质量为所述氢氧化铝的摩尔质量乘以氢氧化铝的相对分子质量。
10.一种提高单晶少子寿命的石英坩埚，其特征在于：所述石英坩埚包括石英坩埚主体和α-方石英层，所述α-方石英层设于所述石英坩埚主体的内壁上，所述α-方石英层为α-方石英。
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