CN113122913B - 一种籽晶的铺设方法、单晶硅锭的铸造方法和单晶硅片 - Google Patents

一种籽晶的铺设方法、单晶硅锭的铸造方法和单晶硅片 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种籽晶的铺设方法，包括：提供坩埚、多个第一籽晶和多个第二籽晶，所述第一籽晶和所述第二籽晶的生长面为同一晶向族，均为<100>；在所述坩埚底部交替拼接铺设所述第一籽晶和所述第二籽晶，形成籽晶层，其中，所述籽晶层包括至少一个2×2矩阵单元，在同一矩阵单元的对角线方向上的两个第一籽晶的生长面晶向相反，在同一矩阵单元的对角线方向上的两个第二籽晶的生长面的晶向相反，所述第一籽晶和所述第二籽晶的侧面晶向具有夹角。通过本申请提供的籽晶铺设方法，使得籽晶与其周围籽晶之间侧面晶向均存在夹角，在制备单晶硅过程中可以形成晶界，减少缺陷的发生和引晶时的位错源，降低位错密度，提高硅锭的质量。

Description

一种籽晶的铺设方法、单晶硅锭的铸造方法和单晶硅片
技术领域
本发明涉及光伏或半导体技术领域，特别涉及一种籽晶的铺设方法、单晶硅锭的铸造方法和单晶硅片。
背景技术
目前，单晶硅锭的制备方法主要为无籽晶引晶法和有籽晶引晶法。有籽晶引晶法是先将单晶硅籽晶铺设在石英坩埚底部，在单晶硅籽晶上进行引晶生长从而得到单晶硅锭。相关技术中，多个籽晶铺设在坩埚底部，相同晶向的籽晶之间不可避免的存在局部拼接，该局部拼接的区域在铸锭过程中会产生大量位错，在长晶时位错繁殖，引起类单晶硅片的性能下降。因此，减少位错产生、提高硅片质量成为铸锭单晶硅领域急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种籽晶的铺设方法，通过将第一籽晶和第二籽晶交替拼接铺设在坩埚底部，第一籽晶和第二籽晶拼接面晶向具有夹角，在铸锭过程中拼接面之间形成晶界，有利于降低位错；同时，矩阵单元中的两个第一籽晶以及两个第二籽晶表面的晶向相反，使得相同籽晶在拼接时，拼接面之间也存在夹角，在铸锭过程中可以形成晶界，进一步减少引晶时的位错源，降低位错密度，提高硅锭质量。
第一方面，本申请提供了一种籽晶的铺设方法，包括：
提供坩埚、多个第一籽晶和多个第二籽晶，所述第一籽晶和所述第二籽晶的生长面为同一晶向族，均为<100>；
在所述坩埚底部交替拼接铺设所述第一籽晶和所述第二籽晶，形成籽晶层，其中，所述籽晶层包括至少一个2×2矩阵单元，在同一矩阵单元的对角线方向上的两个第一籽晶的生长面晶向相反，在同一矩阵单元的对角线方向上的两个第二籽晶的生长面的晶向相反，所述第一籽晶和所述第二籽晶的侧面晶向具有夹角。
可选的，所述矩阵单元的对角线方向上的两个所述第一籽晶的拼接面长度小于或等于10mm，两个所述第二籽晶的拼接面长度小于或等于10mm。
可选的，沿所述坩埚底部长度方向上的所述第一籽晶和所述第二籽晶的侧面晶向具有第一夹角，沿所述坩埚底部宽度方向上的所述第一籽晶和所述第二籽晶的侧面晶向具有第二夹角，所述第一夹角和所述第二夹角不同。进一步的，所述第一夹角为5°-45°，所述第二夹角为5°-45°。更进一步的，所述第一夹角为10°-30°，所述第二夹角为10°-30°。
可选的，所述第一籽晶的长度为100mm-300mm，宽度为100mm-300mm，厚度为5mm-30mm；所述第二籽晶的长度为100mm-300mm，宽度为100mm-300mm，厚度为5mm-30mm。进一步的，所述第一籽晶的长度为120mm-250mm，宽度为120mm-250mm，厚度为5mm-25mm；所述第二籽晶的长度为120mm-250mm，宽度为120mm-250mm，厚度为5mm-25mm。
可选的，所述第一籽晶和所述第二籽晶的尺寸相等。
可选的，所述籽晶层的厚度为10mm-30mm。
本申请第一方面提供了一种籽晶的铺设方法，使得同种籽晶和不同种籽晶之间的拼接面均存在晶向差，以使得在铸锭过程中产生晶界，进而抑制缺陷产生，减少引晶时的位错源，降低位错密度，提高少子寿命，有利于制得具有高质量、高成品率的硅锭。
第二方面，本申请提供了一种单晶硅锭的铸造方法，包括：
在坩埚底部按如第一方面所述的方法铺设籽晶层；
在所述籽晶层上填装硅料和掺杂剂，加热使所述坩埚内硅料熔化形成硅熔体，调节所述坩埚内的热场形成过冷状态，使得所述硅熔体在所述籽晶层基础上开始长晶，待全部硅熔体结晶完后，经退火冷却得到单晶硅锭。
可选的，所述调节热场形成过冷状态之前，所述籽晶层部分熔化。进一步的，所述籽晶层熔化的高度为5mm-15mm。
本申请第二方面提供的单晶硅锭的铸造方法简单，操作方便，制得的单晶硅锭位错密度低，少子寿命高。
第三方面，本申请提供了一种单晶硅片，通过第二方面所述的铸造方法制得的单晶硅锭为原料经开方-切片-清洗制备得到。
本申请第三方面提供的单晶硅片位错密度低，少子寿命高，可以应用于太阳能电池中，提高电池转化效率。
本申请的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本申请实施方式的实施而获知。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
图1为本申请一实施方式提供的一种籽晶的铺设方法流程图。
图2为本申请一实施方式提供的单晶圆棒开方的截面示意图，其中图2中(a)为第一单晶圆棒开方的截面示意图，图2中(b)为第二单晶圆棒开方的截面示意图。
图3为本申请一实施方式提供的一种籽晶铺设方式的俯视图。
图4为本申请实施例1制得单晶硅锭的少子寿命图。
图5为本申请实施例2制得单晶硅锭的少子寿命图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，为本申请一实施方式提供的一种籽晶的铺设方法流程图，包括：
S101：提供坩埚、多个第一籽晶和多个第二籽晶，第一籽晶和第二籽晶的生长面为同一晶向族，均为<100>。
在S101中，坩埚包括底座和由底座向上延伸的侧壁，底座和侧壁围成一收容空间。可以理解的，坩埚底部指的是底座朝向收容空间开口一侧的表面，也就是指底座的上表面。生长面为远离坩埚底部的表面，即铸锭过程中的引晶面。第一籽晶和第二籽晶的生长面晶向可以但不限于为[100][010]
Figure BDA0002362961040000041
[001]或
Figure BDA0002362961040000042
Figure BDA0002362961040000043
S102：在坩埚底部交替拼接铺设第一籽晶和第二籽晶，形成籽晶层，其中，籽晶层包括至少一个2×2矩阵单元，在同一矩阵单元的对角线方向上的两个第一籽晶的生长面晶向相反，在同一矩阵单元的对角线方向上的两个第二籽晶的生长面的晶向相反，第一籽晶和第二籽晶的侧面晶向具有夹角。
在S102中，在坩埚底部交替拼接铺设第一籽晶和第二籽晶，形成籽晶层，即形成M×N的排列，M和N均为大于或等于2的整数，也可以表示为，在坩埚底部的长度方向上第一籽晶和第二籽晶交替排布，在宽度方向上第一籽晶和第二籽晶交替排布。因此，籽晶层可以具有至少一个2×2矩阵单元，该矩阵单元仅表示横向具有两个籽晶，纵向具有两个籽晶，并不限定四块籽晶形成的形状。由于本申请是采用交替拼接铺设第一籽晶和第二籽晶，那么在一个2×2矩阵单元中就会含有两个第一籽晶和两个第二籽晶，且两个第一籽晶在对角位置，两个第二籽晶在对角位置，第一籽晶和第二籽晶相邻。
在本申请中，第一籽晶和第二籽晶的生长面为同一晶向族，同时其侧面晶向具有夹角，也就是说，第一籽晶和第二籽晶的侧面晶向具有非零夹角。将第一籽晶和第二籽晶交替拼接铺设在坩埚底部后，铸锭过程中，第一籽晶和第二籽晶的侧面之间产生了晶界，进而有利于抑制铸锭过程中缺陷的产生，降低位错密度。在本申请中，拼接面为两个籽晶之间在铺设后在长度或宽度方向上形成的交错面。与此同时，在交替铺设过程中，位于矩阵单元对角线上的同种籽晶存在细小的拼接面。若铺设后对角线上拼接的同种籽晶的生长面晶向相同，则表示它们的拼接面不存在晶向差，在铸锭时也无法产生晶界，因此也不能抑制缺陷的产生，更不能降低位错密度。因此，本申请还将可能具有拼接面的同种籽晶的生长面晶向设置为相反，使得拼接面之间产生晶向差，进而可以在铸锭时产生晶界，减小位错密度，提高硅锭质量。
在本申请一实施方式中，提供第一籽晶和第二籽晶包括：
提供端面晶向均为<100>的第一单晶圆棒和第二单晶圆棒，第一单晶圆棒和第二单晶圆棒的外周壁沿长度方向上分别具有四条棱线，棱线在端面上形成基准点，四个基准点顺次连接形成标准开方图案；
将第一单晶圆棒沿轴线顺时针或逆时针旋转第一角度后开方，经切片得到多个第一籽晶；
将第二单晶圆棒沿轴线旋转第二角度后开方，经切片得到多个第二籽晶，其中，第二单晶圆棒旋转前端面的标准开方图案的位置，与第一单晶圆棒旋转前端面的标准开方图案位置相同，第二单晶圆棒的旋转方向与第一单晶圆棒的旋转方向一致，第二角度与第一角度不同。
通过上述第一籽晶和第二籽晶的制备方法，制得的第一籽晶和第二籽晶的生长面为同一晶向族，且均为<100>，并且第一籽晶和第二籽晶的晶向不同。上述制备第一籽晶和第二籽晶的制备方法仅为示例性方法，并不限定其他方式制得的第一籽晶和第二籽晶。
请参阅图2，为本申请一实施方式提供的单晶圆棒开方的截面示意图，其中图2中(a)为第一单晶圆棒开方的截面示意图，图2中(b)为第二单晶圆棒开方的截面示意图，方形虚线标准开方图案，方形实线为实际的开方图案。在一些实施方式中，第一单晶圆棒顺时针旋转的角度为α，第二单晶圆棒顺时针旋转的角度为β，α大于β。因此，当相邻铺设的第一籽晶与第二籽晶的生长面为同一晶向时，两者侧面晶向夹角为β-α；当相邻铺设的第一籽晶与第二籽晶的生长面为相反的晶向时，两者侧面晶向夹角为α+β；处于矩阵单元对角线方向上的两个第一籽晶生长面晶向相反，侧面晶向夹角为2α；处于矩阵单元对角线方向上的两个第二籽晶生长面晶向相反，侧面晶向夹角为2β。在一实施方式中，经过开方、切片后，第一籽晶和第二籽晶可以为具有六个面的长方体或正方体籽晶，分别具有四个侧面、上表面和下表面，为了方便描述，将远离坩埚底部的表面称之为上表面，也就是生长面，靠近坩埚底部的表面为下表面。请参阅图3，为本申请一实施方式提供的一种籽晶铺设方式的俯视图。其中，A和
Figure BDA0002362961040000051
表示第一籽晶，且A和
Figure BDA0002362961040000052
表面的晶向相反，例如A表面晶向为[001]，A表面晶向为
Figure BDA0002362961040000061
B和
Figure BDA0002362961040000062
表示第二籽晶，且B和
Figure BDA0002362961040000063
表面的晶向相反，例如B表面晶向为[001]，B表面晶向为
Figure BDA0002362961040000064
当第一籽晶和第二籽晶通过上述制备方法制得时，若A和B侧面晶向夹角为β-α，则A和
Figure BDA0002362961040000065
或
Figure BDA0002362961040000066
和B侧面晶向夹角为α+β，
Figure BDA0002362961040000067
和
Figure BDA0002362961040000068
侧面晶向夹角为β-α，A和
Figure BDA0002362961040000069
侧面晶向夹角为2α，B和
Figure BDA00023629610400000610
侧面晶向夹角为2β。因此，在铸锭过程中，每个籽晶与其周边相邻的籽晶之间均存在晶向差，形成晶界，减小位错密度。在本申请一实施方式中，沿坩埚底部长度方向上的第一籽晶和第二籽晶的侧面晶向具有第一夹角，沿坩埚底部宽度方向上的第一籽晶和第二籽晶的侧面晶向具有第二夹角，第一夹角和第二夹角不同。具体的，可以但不限于为，第一夹角为β-α，第二夹角α+β。进一步的，第一夹角为5°-45°，第二夹角为5°-45°，在此范围内可以减小位错密度，提高产品质量。更进一步的，第一夹角为10°-30°，第二夹角为10°-30°，进一步降低位错的产生，提高品质。在本申请另一实施方式中，在同一矩阵单元的对角线方向上的两个第一籽晶的侧面晶向具有第三夹角，在同一矩阵单元的对角线方向上的两个第二籽晶的侧面晶向具有第四夹角。进一步的，第三夹角为5°-45°，第四夹角为5°-45°。更进一步的，第三夹角为10°-30°，第四夹角为10°-30°。
在本申请一实施方式中，矩阵单元的对角线方向上的两个第一籽晶的拼接面长度为小于或等于10mm。进一步的，矩阵单元的对角线方向上的两个第一籽晶的拼接面长度为0.1mm-5mm。在本申请另一实施方式中，矩阵单元的对角线方向上的两个第二籽晶的拼接面长度小于或等于10mm。进一步的，矩阵单元的对角线方向上的两个第二籽晶的拼接面长度为0.1mm-5mm。在本申请中，第一籽晶和第二籽晶在铺设过程后，对角线方向上的同种籽晶之间可能会有存在拼接面，或在长晶过程中可能会有接触，同时，拼接面长度过大或过小均会影响铸锭过程中缺陷的产生和位错密度，因此，控制拼接面长度在合适范围内，有助于在铸锭过程中形成晶界，减小位错。
在本申请中，第一籽晶和第二籽晶可以但不限于为正方体的籽晶片、长方体的籽晶片等。在本申请一实施方式中，第一籽晶的长度为100mm-300mm，宽度为100mm-300mm，厚度为5mm-30mm。进一步的，第一籽晶的长度为120mm-250mm，宽度为120mm-250mm，厚度为5mm-25mm。
在本申请一实施方式中，第二籽晶的长度为100mm-300mm，宽度为100mm-300mm，厚度为5mm-30mm。进一步的，第二籽晶的长度为120mm-250mm，宽度为120mm-250mm，厚度为5mm-25mm。
在本申请一实施方式中，第一籽晶和第二籽晶的尺寸相等。在一实施例中，第一籽晶和第二籽晶的长度、宽度和厚度均相等，使得铸锭过程生长高度均匀，更有利于抑制缺陷的产生，减小位错。
在本申请一实施方式中，籽晶层的厚度为10mm-30mm。进一步的，籽晶层的厚度为15mm-28mm。
在本申请中，籽晶之间可以紧密拼接，即为接触，也可以具有空隙(拼接缝)，均称之为拼接。在一实施方式中，籽晶之间紧密接触。在另一实施方式中，籽晶之间存在空隙，间距小于1mm。
本申请提供了一种籽晶的铺设方法，使得同种籽晶和不同种籽晶之间的拼接面均存在晶向差，以使得在铸锭过程中产生晶界，进而抑制缺陷产生，降低位错密度，提高少子寿命，有利于制得具有高质量、高成品率的硅锭。
本申请还提供的一种单晶硅锭的铸造方法，包括：
在坩埚底部按如第一方面的方法铺设籽晶层；
在籽晶层上填装硅料和掺杂剂，加热使坩埚内硅料熔化形成硅熔体，调节坩埚内的热场形成过冷状态，使得硅熔体在籽晶层基础上开始长晶，待全部硅熔体结晶完后，经退火冷却得到单晶硅锭。
在本申请一实施方式中，调节热场形成过冷状态之前，籽晶层部分熔化。在一实施方式中，籽晶层熔化的高度为5mm-15mm。
在本申请一实施方式中，制得的单晶硅锭的少子寿命不小于8μs，位错密度小于2×103/cm2。
本申请提供的单晶硅锭的铸造方法简单，操作方便，制得的单晶硅锭位错密度低，少子寿命高。
本申请还提供了一种单晶硅片，通过第二方面的铸造方法制得的单晶硅锭为原料经开方-切片-清洗制备得到。
本申请提供的单晶硅片位错密度低，少子寿命高，可以应用于太阳能电池中，提高电池转化效率。
实施例1
一种单晶硅锭的铸造方法，包括：
提供两个8.5寸直径的直拉单晶圆棒，以标准开方图案为基准，一个顺时针旋转15°，另一个顺时针旋转40°后进行开方，得到端面为137mm×137mm的第一方棒和第二方棒，然后将第一方棒和第二方棒放入切片机中切割，形成多个25mm×137mm×137mm的第一籽晶和第二籽晶。
将多个第一籽晶和多个第二籽晶交替铺设在坩埚底部，同时使在同一矩阵单元中的对角线上的同种籽晶的生长面晶向相反，且同一矩阵单元中同种籽晶的拼接缝宽度约为0.5-1mm，形成籽晶层。
在籽晶层上填装硅料和掺杂剂，加热使坩埚内硅料熔化形成硅熔体。通过石英棒对籽晶进行探测，使单晶籽晶部分熔化后调节坩埚内的热场形成过冷状态，使得硅熔体在籽晶层基础上开始长晶，待全部硅熔体结晶完后，经退火冷却得到单晶硅锭。
将制得的单晶硅锭进行开方后检测少子寿命，结果如图4所示，为开方后选取的多个位置的检测结构，可以看出，低少子寿命的面积较少，有利于其应用。通过将硅块进行切片后，将硅片应用于单晶电池中，检测制得的电池的转化效果达到20％以上，具有优异的性能。
实施例2
一种单晶硅锭的铸造方法，包括：
提供两个8.5寸直径的直拉单晶圆棒，以标准开方图案为基准，一个顺时针旋转20°，另一个顺时针旋转35°后进行开方，得到端面为158mm×158mm的第一方棒和第二方棒，然后将第一方棒和第二方棒放入切片机中切割，形成多个25mm×158mm×158mm的第一籽晶和第二籽晶。
将多个第一籽晶和多个第二籽晶交替铺设在坩埚底部，同时使在同一矩阵单元中的对角线上的同种籽晶的生长面晶向相反，且同一矩阵单元中同种籽晶的拼接缝宽度约为1-2mm，形成籽晶层。
在籽晶层上填装硅料和掺杂剂，加热使坩埚内硅料熔化形成硅熔体。通过石英棒对籽晶进行探测，使单晶籽晶部分熔化后调节坩埚内的热场形成过冷状态，使得硅熔体在籽晶层基础上开始长晶，待全部硅熔体结晶完后，经退火冷却得到单晶硅锭。
将制得的单晶硅锭进行开方后检测少子寿命，结果如图5所示，为开方后选取的多个位置的检测结构，可以看出，低少子寿命的面积较少，有利于其应用。通过将硅块进行切片后，将硅片应用于单晶电池中，检测制得的电池的转化效果达到20.2％以上，具有优异的性能。
以上所述是本申请的优选实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种籽晶的铺设方法，其特征在于，包括：
提供坩埚、多个第一籽晶和多个第二籽晶，所述第一籽晶和所述第二籽晶的生长面为同一晶向族，均为<100>；
在所述坩埚底部交替拼接铺设所述第一籽晶和所述第二籽晶，形成籽晶层，其中，所述籽晶层包括至少一个2×2矩阵单元，在同一矩阵单元的对角线方向上的两个第一籽晶的生长面晶向相反，在同一矩阵单元的对角线方向上的两个第二籽晶的生长面的晶向相反，在同一矩阵单元的对角线方向上的两个所述第一籽晶之间或两个所述第二籽晶之间存在拼接面，所述第一籽晶和所述第二籽晶的侧面晶向具有夹角。
2.如权利要求1所述的籽晶的铺设方法，其特征在于，所述矩阵单元的对角线方向上的两个所述第一籽晶的拼接面长度小于或等于10mm，两个所述第二籽晶的拼接面长度小于或等于10mm。
3.如权利要求1所述的籽晶的铺设方法，其特征在于，沿所述坩埚底部长度方向上的所述第一籽晶和所述第二籽晶的侧面晶向具有第一夹角，沿所述坩埚底部宽度方向上的所述第一籽晶和所述第二籽晶的侧面晶向具有第二夹角，所述第一夹角和所述第二夹角不同。
4.如权利要求3所述的籽晶的铺设方法，其特征在于，所述第一夹角为5°-45°，所述第二夹角为5°-45°。
5.如权利要求4所述的籽晶的铺设方法，其特征在于，所述第一夹角为10°-30°，所述第二夹角为10°-30°。
6.如权利要求1所述的籽晶的铺设方法，其特征在于，所述第一籽晶的长度为100mm-300mm，宽度为100mm-300mm，厚度为5mm-30mm；所述第二籽晶的长度为100mm-300mm，宽度为100mm-300mm，厚度为5mm-30mm。
7.如权利要求6所述的籽晶的铺设方法，其特征在于，所述第一籽晶和所述第二籽晶的尺寸相等。
8.一种单晶硅锭的铸造方法，其特征在于，包括：
在坩埚底部按如权利要求1-7任一项所述的方法铺设籽晶层；
在所述籽晶层上填装硅料和掺杂剂，加热使所述坩埚内硅料熔化形成硅熔体，调节所述坩埚内的热场形成过冷状态，使得所述硅熔体在所述籽晶层基础上开始长晶，待全部硅熔体结晶完后，经退火冷却得到单晶硅锭。
9.如权利要求8所述的铸造方法，其特征在于，所述调节热场形成过冷状态之前，所述籽晶层部分熔化。
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