CN115522258A - 异形硅单晶棒及其拉制所用石英坩埚以及生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及硅单晶制备及光伏技术领域，提供了异形硅横截面单晶棒及其拉制所用石英坩埚、以及生长方法。石英坩埚的内壁具有3～8条埚内凸起，和/或3～4条埚内凹槽；每条埚内凸起呈长条形，其延伸方向与石英坩埚壁的高度攀升方向一致，每条埚内凹槽呈长条形，其延伸方向与石英坩埚壁的高度攀升方向一致。异形硅单晶棒的生长方法，包括采用上述石英坩埚拉制单晶硅棒。异形硅单晶棒，采用上述生长方法制得。本发明提供的技术方案，通过石英坩埚的特殊设计，使得石英坩埚内能形成适合异形硅单晶棒生长的热场，用于制备异形横截面硅单晶棒。

Description

异形硅单晶棒及其拉制所用石英坩埚以及生长方法

技术领域

本发明涉及硅单晶制备及光伏技术领域，具体而言，涉及异形硅单晶棒及其拉制所用石英坩埚以及生长方法。

背景技术

使用大尺寸硅单晶片、制备更大直径硅单晶，是降低单晶硅光伏电池制造成本的重要措施之一，用直拉法制备硅单晶棒又是制备大直径硅单晶棒的主要方法。然而，随着拉制硅单晶直径的增加，由于热量的导入面积—固液界面面积的增加速率(与硅单晶棒的半径呈平方关系)大大高于硅单晶棒圆柱侧面面积的增加速率(与硅单晶棒的半径呈线性关系)，因此用直拉法拉制大直径圆柱形硅单晶棒时，遇到了散热条件差、硅单晶棒表面和体内温差大、热应力大的困难，使得不能继续通过增加硅单晶截面积的途径提高生产率、降低生产成本；另一方面，单晶硅光伏电池需要矩形截面的硅单晶棒，将圆形截面的硅单晶加工成矩形截面，会产生大量“边皮”，降低硅单晶的利用率。

鉴于此，特提出本申请。

发明内容

名词和术语：

为了叙述方便，本申请文件定义如下名词和术语：

1)矩形

正方形和长方形的统称。

2)矩体

以矩形为底的直四棱柱体。以正方形为底的矩体又称正方柱体；以长方形为底的矩体又称长方柱体。

3)三矩形、四矩形、旋转矩形

以矩形的一条边的中点为旋转中心，令所述矩形以120°分度复制旋转一周，其图形轮廓线所围成的九边形，为三旋转矩形(简称三矩形，又可称为Y字形)；以90°分度旋转一周，其图形轮廓线所围成的十二边形，为四旋转矩形(简称四矩形，又可称为十字形)。三矩形和四矩形统称旋转矩形。

4)旋转矩体、三矩体、四矩体

以旋转矩形(包括三矩形、四矩形)为底形成的直多棱柱体，分别称为旋转矩体、三矩体、四矩体，本申请文件中用于描述硅单晶棒的形状。

5)类*形状(如：类圆形、类矩形、类旋转矩形等)

用于描述硅石英坩埚的截面形状。在圆形、矩形、旋转矩形的边、顶点处添加凸起或凹槽代替部分原有线段后所围成的、具有2条以上对称轴的平面图形，包括过渡线。忽略可接受的形状和尺寸公差。

6)准*形状(如准圆形、准矩形、准三矩形、准旋转矩体等)

用于描述硅单晶棒的截面形状和柱体形状。指可以按照本发明的预期目的加工相应硅单晶片的、不够规则的硅单晶棒横截面形状和柱体形状。如：准矩形、准旋转矩形、准矩体、准旋转矩体，以及现有技术的准圆形、准圆柱体等等。

7)侧翼

指形成硅单晶棒旋转矩体中任一矩体的不与其它矩体交叠的部分。

8)参考凸角(参考凹角)

由矩形蜕变为类矩形或由旋转矩形蜕变为类旋转矩形时丢失的原多边形的顶角。丢失的多边形凸角定义为参考凸角；丢失的多边形凹角定义为参考凹角。

9)最小(最大)半横径

本发明中指从石英坩埚横截面的几何中心(两对称轴的交点)到石英坩埚内壁的最小(最大)距离。

本发明的目的在于提供一种异形硅单晶棒及其拉制所用石英坩埚以及生长方法，旨在改善背景技术提到的至少一种问题。

针对背景技术中提到的一系列问题，发明人认为：拉制非圆形的异形横截面的硅单晶棒，通过增加硅单晶棒柱面的散热面积，一方面能够达到进一步增加硅单晶棒的横截面面积，进一步提高硅单晶棒的产能的目的；另一方面，异形硅单晶棒加工成特定形状的硅单晶片又可以提高硅单晶棒的利用率，从而达到降低硅单晶片生产成本的目的。

然而，拉制异形横截面的硅单晶棒对热场分布有特殊要求，针对此特殊要求，本申请提出采用具有特殊结构的石英坩埚来解决此问题。借助于本申请提供的这种具有特殊结构的石英坩埚，配合相应的生产设备和工艺，可以拉制出异形横截面的硅单晶棒。

因此，本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种拉制异形硅单晶棒的石英坩埚，其内壁具有3～4条埚内凸起，和/或3～4条埚内凹槽；

每条埚内凸起呈长条形，其延伸方向与石英坩埚壁的高度攀升方向一致，每条埚内凹槽呈长条形，其延伸方向与石英坩埚壁的高度攀升方向一致。

在采用提拉法生长硅单晶棒时，加热方式采用设置在坩埚外部的辐射加热器进行加热，由于硅的折射率高于石英的折射率，石英的折射率高于炉内气体的折射率，因此，红外辐射在炉气与石英坩埚界面、石英坩埚与融硅界面处发生折射，本申请实施例石英坩埚由于埚内凸起的设置，可达到驱离多余红外辐射的效果，由于埚内凹槽的设置，可达到汇聚红外辐射于对应位置的效果。故本申请提供的石英坩埚由于其特殊的形状设计，能形成适合异形单晶硅生长的热场。

采用本申请实施例提供的石英坩埚，使用时，采用对应结构的石英坩埚，若要提拉生长具有矩形横截面的硅单晶棒时，在生长过程中保持每条硅棒棱边与石英坩埚的一条埚内凸起相对；若要提拉生长具有旋转矩形横截面的硅单晶棒时，在生长过程中保持硅单晶棒的硅棒凹槽位置与石英坩埚的一条埚内凹槽相对，亦可同时保持每条硅棒侧翼与石英坩埚的一条埚内凸起相对，或者，保持每条硅棒侧翼的每条棱边分别与石英坩埚的一条埚内凸起相对。以获得目标横截面形状(例如矩形、旋转矩形)的硅单晶棒。

在可选的实施方式中，石英坩埚横截面的形状为类圆形，石英坩埚的内壁具有4条埚内凸起，4条埚内凸起在同一横截面圆周上均匀分布；

或者，石英坩埚横截面的形状为类正方形，石英坩埚的内壁具有4条埚内凸起，4条埚内凸起分别设置于与所述类正方形的4个参考凸角相对的位置。

上述结构的石英坩埚用于提拉生长横截面为准正方形的硅单晶棒，提拉生长过程中，使硅单晶棒侧壁的4条硅棒棱边保持与4条埚内凸起一一相对。

在可选的实施方式中，石英坩埚横截面的形状为类长方形，石英坩埚的内壁具有4条埚内凸起，4条埚内凸起分别设置于与所述类长方形的4个参考凸角相对的位置。

上述结构的石英坩埚用于提拉生长横截面为准长方形的硅单晶棒，提拉生长过程中，使硅单晶棒侧壁的4条硅棒棱边保持与4条埚内凸起一一相对。

在可选的实施方式中，石英坩埚的横截面的形状为类四矩形，其具有与所述类四矩形的4个端部对应的4个埚内凹壁，所述石英坩埚的内壁具有4条所述埚内凸起，4条所述埚内凸起分别一一对应设置于所述4个埚内凹壁上。

上述结构的石英坩埚用于提拉生长横截面为准四矩形的硅单晶棒，提拉生长过程中，使硅单晶棒的4条侧翼保持与4条埚内凸起一一相对。

优选地，为保证热场呈对称分布，每一条所述埚内凸起均位于对应的所述埚内凹壁的中部。

在可选的实施方式中，所述石英坩埚的横截面的形状为类四矩形，所述石英坩埚的内壁具有8条埚内凸起，8条所述埚内凸起分别设置于与所述类四矩形的8个参考凸角对应的位置。

上述结构的石英坩埚用于提拉生长横截面为准四矩形的硅单晶棒，提拉生长过程中，使硅单晶棒的4条侧翼的每一棱边保持与埚内凸起一一相对。

在可选的实施方式中，石英坩埚横截面的形状呈类四矩形，石英坩埚的内壁具有4条埚内凹槽，4条埚内凹槽分别设置于与类四矩形的4个参考凹角一一对应的位置。

上述结构的石英坩埚用于提拉生长横截面为准四矩形的硅单晶棒，提拉生长过程中，使硅单晶棒的4条硅棒凹槽保持与4条埚内凹槽一一相对。

在可选的实施方式中，其具有与所述类三矩形的3个端部对应的3个埚内凹壁，所述石英坩埚的内壁具有3条所述埚内凸起，3条所述埚内凸起分别一一对应设置于所述3个埚内凹壁对应的位置。

上述结构的石英坩埚用于提拉生长横截面呈准三矩形的硅单晶棒，提拉生长过程中，使硅单晶棒的3条侧翼保持与3条埚内凸起一一相对。

优选地，为保证热场呈对称分布，每一条所述埚内凸起均位于对应的所述埚内凹壁的中部。

在可选的实施方式中，所述石英坩埚横截面的形状为类三矩形，所述石英坩埚的内壁具有6条所述埚内凸起，6条所述埚内凸起分别设置于与所述类三矩形的6个参考凸角对应的位置。

上述结构的石英坩埚用于提拉生长横截面为准三矩形的硅单晶棒，提拉生长过程中，使硅单晶棒的3条侧翼的每一棱边保持与埚内凸起一一相对。

在可选的实施方式中，石英坩埚的横截面形状呈类三矩形，石英坩埚的内壁具有3条埚内凹槽，3条埚内凹槽分别一一对应设置于与3个参考凹角对应的位置。

上述结构的石英坩埚用于提拉生长横截面为准三矩形的硅单晶棒，提拉生长过程中，使硅单晶棒的3条硅棒凹槽保持与3条埚内凹槽一一相对。

为保证热场分布更有利于异形硅单晶棒的生长，石英坩埚还具有如下特征：

在可选的实施方式中，每条埚内凸起的横向宽度与其凸起高度之比为(1.7～5):1，例如1.7:1、2:1、3:1、4:1、5:1，或前述比值范围的任一值。

在可选的实施方式中，每条埚内凸起的横向宽度与所处竖直高度处石英坩埚的最小半横径(指以石英坩埚的中轴线为中心到石英坩埚的内壁的最短距离)之比为1:(1.5～3.5)，例如1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5，或前述比值范围的任一值；

在可选的实施方式中，每条埚内凹槽的横向宽度与其凹进深度之比为(6～12):1，例如6:1、7:1、9:1、10:1、12:1，或前述比值范围的任一值；

在可选的实施方式中，每条埚内凹槽的横向宽度与所处竖直高度处石英坩埚的最小半横径之比为1:(1.5～3.5)，例如1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5，或前述比值范围的任一值。

在可选的实施方式中，每条埚内凸起和/或每条埚内凹槽的横截面轮廓是由曲线、直线或者曲线和直线的组合线段构成。

在可选的实施方式中，为保证石英坩埚内具有更好的热场分布，石英坩埚具有厚度均匀的侧壁。需要说明的是，由于石英坩埚壁较薄，所以实现汇聚或驱散红外辐射与石英坩埚的壁厚相关性较弱，与石英坩埚的内壁是否具有埚内凸起、埚内凸起或埚内凹槽相关性较强，因此在许多情况下可以忽略石英坩埚的壁厚的影响。

第二方面，本发明提供一种异形硅单晶棒的生长方法，包括采用如前述实施方式任一项的石英坩埚，用以提拉法生长异形硅单晶棒；

所述异形硅单晶棒的主体是准三矩体或准四矩体，具有3或4条沿其长度方向延伸的硅棒侧翼，所述石英坩埚的内壁具有所述埚内凸起，所述埚内凸起的数量与所述异形硅单晶棒的所述硅棒侧翼的数量相同，在进行提拉生长过程中，所述异形硅单晶棒的每条所述硅棒侧翼对应朝向所述石英坩埚的一条所述埚内凸起；

或者，所述异形硅单晶棒的主体是准三矩体或准四矩体，具有3或4条沿其长度方向延伸的硅棒侧翼，所述石英坩埚的内壁具有所述埚内凸起，所述埚内凸起的数量与所述异形硅单晶棒的所述硅棒侧翼棱边数量相等，在进行提拉生长过程中，所述异形硅单晶棒的每条所述硅棒侧翼的每条棱边对应朝向所述石英坩埚的一条所述埚内凸起；

或者，所述异形硅单晶棒的主体部分是准三矩体或准四矩体，具有3或4条沿其长度方向延伸的硅棒凹槽，所述石英坩埚的内壁具有所述埚内凹槽，所述埚内凹槽的数量与所述异形硅单晶棒的所述硅棒凹槽的数量相同，在进行提拉生长过程中，所述异形硅单晶棒的每条所述硅棒凹槽对应朝向所述石英坩埚的一条所述埚内凹槽；

或者，所述异形硅单晶棒的横截面呈准矩形，侧壁上具有4条沿其长度方向延伸的硅棒棱边，所述石英坩埚的所述埚内凸起的数量与异形硅单晶棒的所述硅棒棱边的数量相同，在进行提拉生长过程中，所述异形硅单晶棒的每条所述硅棒棱边对应朝向所述石英坩埚的一条所述埚内凸起。

本申请实施例提供的异形硅单晶棒的生长方法，由于采用本申请实施例提供的石英坩埚来提拉生长单晶硅，因此该方法便于生长异形的硅单晶棒。

在可选的实施方式中，异形硅单晶棒为横截面呈准正方形，石英坩埚的横截面的形状呈类圆形或类正方形，用于生长轴向晶向为〈100〉的硅单晶棒。

在可选的实施方式中，异形硅单晶棒为横截面呈准长方形或准四矩形，石英坩埚的横截面的形状呈类长方形或类四矩形，用于生长轴向晶向为〈100〉的硅单晶棒。

在可选的实施方式中，异形硅单晶棒为横截面呈准三矩形，石英坩埚的横截面的形状呈类三矩形，用于生长轴向晶向为〈111〉的硅单晶棒。

第三方面，本发明提供一种异形硅单晶棒，采用如前述实施方式的生长方法制得。

本发明实施例的有益效果包括，例如：

在采用提拉法生长硅单晶棒时，加热方式采用设置在坩埚外部的辐射加热器进行加热，由于通常硅的折射率高于石英的折射率，石英的折射率高于炉内气体的折射率，因此，红外辐射在炉气与石英坩埚界面、石英坩埚与融硅界面处发生折射，本申请实施例石英坩埚的内壁由于埚内凸起的设置，可达到驱离多余红外辐射的效果，由于埚内凹槽的设置，可达到汇聚红外辐射于对应区域的效果。故本申请提供的石英坩埚由于其特殊的形状设计，能形成适合异形单晶硅生长的热场。

采用本申请实施例提供的石英坩埚，使用时，根据不同目标横截面形状的硅单晶棒使用不同结构的石英坩埚，若要提拉生长准旋转矩形或准矩形的硅单晶棒时，在生长过程中可保持硅单晶棒的每条侧翼位置与埚内凸起对应或每条侧翼的棱边位置与一条埚内凸起相对应；若要提拉生长准旋转矩形这种侧壁具有硅棒凹槽的硅单晶棒时，在生长过程中保持每条硅棒凹槽的位置与一条埚内凹槽相对应。以获得目标横截面形状(例如矩形、翼形)的硅单晶棒。

此外，石英坩埚的埚内凸起或埚内凹槽的设计，可以增加石英坩埚的机械强度。

而利用本申请提供的石英坩埚提拉生长得到的异形硅单晶棒，例如横截面形状为准矩形、准旋转矩形的单晶硅棒，其相对于现有技术的准圆形单晶硅棒，可以获得更高的周长面积比，散热更均匀、晶体热应力小，可以拉制更大横截面积的硅单晶棒、可提高设备产能，降低产品成本，且硅棒的截面形状，更有助于提高硅单晶棒后续切片的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例1提供的石英坩埚的横截面图；

图2为本申请实施例2提供的石英坩埚的横截面图；

图3为本申请实施例3提供的石英坩埚的横截面图；

图4为本申请实施例3提供的石英坩埚的横截面图；

图5为本申请实施例3提供的石英坩埚的主视图；

图6为与本申请实施例3拉制相同形状的硅单晶棒所用到的另一种结构的石英坩埚的结构示意图；

图7为本申请实施例4提供的石英坩埚的横截面图；

图8为本申请提供的石英坩埚生长矩形或旋转矩形的硅单晶棒时，其埚内凸起处的光路模拟图之一；

图9为本申请提供的石英坩埚生长矩形或旋转矩形的硅单晶棒时，其埚内凸起处的光路模拟图之二；

图10为本申请提供的石英坩埚生长旋转矩形的硅单晶棒时，其埚内凹槽处的光路模拟图。

图标：100-石英坩埚；101-参考凸角；102-参考凹角；110-埚内凸起；120-埚内凹槽；130-埚内凹壁；10-硅单晶棒；11-硅棒棱边；12-硅棒凹槽；13-侧翼；20-辐射加热器；21-红外辐射；30-融硅。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

实施例1

参考图1和图8，本实施例提供一种具有特殊结构的用于拉制准正方形横截面硅单晶棒10的石英坩埚100，其具有厚度均匀的侧壁。

横截面为准正方形的硅单晶棒10即硅单晶棒10主体的形状为准正方柱体，其具有硅棒棱边11，硅棒棱边11即为正方柱体棱的位置。

石英坩埚100横截面的形状是类圆形，其最大半横径R＝290mm；最小半横径r＝240mm，在石英坩埚100的内壁上沿其高度方向设置有4条埚内凸起110，4条埚内凸起110在石英坩埚100的内壁圆周上均匀分布，每条埚内凸起110的横向宽度L为100mm，横向宽度L与凸棱高度H之比的标称值为2:1；埚内凸起110的横向宽度L与所处竖直高度处石英坩埚100内部最小半横径r之比为1:2.4；埚内凸起110的轮廓对称设计，由两段直线段和过渡线段组合构成。

石英坩埚100用于拉制220mm×220mm准正方形横截面的硅单晶棒10，硅单晶棒10的轴向晶向为〈100〉，用于加工210mm×210mm{100}晶面正方形单晶硅片。在拉制过程中，石英坩埚100的埚内凸起110的方位与正方形横截面的硅棒棱边11相对应。

本实施例的技术原理是，在拉制硅单晶棒10时，辐射加热器20的辐射热场位于石英坩埚100的周边，融硅30置于石英坩埚100中，石英坩埚100内壁侧的埚内凸起110与拉制的准正方形横截面硅棒的硅棒棱边11相对应。由于硅的折射率高于石英的折射率，石英的折射率高于炉内气体的折射率，因此，红外辐射21在炉气与石英坩埚100界面、石英坩埚100与融硅30界面处发生折射，其结果是将过量的红外热辐射驱离横截面呈正方形的硅棒的硅棒棱边11，促进硅晶体在该部位的扩展，有利于形成横截面呈正方形的硅棒的硅棒棱边11。

配合辐射加热器20不同方位加热功率的精细控制和硅单晶棒10与石英坩埚100、辐射加热器20的相对位置的精细控制，可以获得所期望准正方形横截面的硅单晶棒10。

横截面220mm×220mm的硅单晶棒10的横截面积为484平方厘米，与直径248mm的圆柱硅单晶棒相当；相同截面积下，本实施例硅单晶棒10的截面周长是圆柱硅单晶棒截面周长的1.13倍。

与现有技术相比，本实施例的有益效果在于：

首先，由于本发明在石英坩埚100内壁的埚内凸起110与所拉制的横截面呈准正方形的硅单晶棒10的硅棒棱边11相对应，埚内凸起110驱离硅棒的硅棒棱边11处多余的红外辐射21，促进该部位晶体尺寸的扩展。本方案有利于在石英坩埚100内形成一个有利于正方形横截面硅单晶棒10生长的热场，结合控制系统对辐射加热器20各方位加热功率、频率、和加热时间的控制，可以更精准、有效地控制硅单晶棒10的形状。

本实施例中，生长中的横截面为准正方形的硅单晶棒10，其固液生长界面任一点距硅单晶棒10柱体表面的距离，均不大于110mm，而同样截面积的圆硅单晶棒10，其结晶前沿距硅棒表面的距离，最大可达124mm，所以，本实施例硅单晶棒10散热均匀、热应力低；同时本实施例的硅单晶棒10的周长是相同截面积圆形硅棒周长的1.13倍，有利于硅单晶棒10的散热，提高拉晶速率。

具有准正方形截面形状的硅单晶棒10的横截面积可以超过现有技术拉制的圆形硅单晶横截面面积的上限、提高设备产能、降低单晶炉设备的高度，降低厂房的高度，同时，准正方形截面形状的硅单晶棒10切制正方形硅单晶片可以得到更高的出材率，所有这些，最终降低了单晶硅光伏电池产品的成本。

附图8是本实施例的光学模拟，可以看到多余的红外辐射21被有效地驱离硅棒的硅棒棱边11。需要说明的是，由于石英坩埚100壁存在“雾度”，因此红外线的“驱离”是一个统计分布的结果，并且，对于不同尺寸、不同雾度的石英坩埚100和不同截面尺寸的硅单晶棒10，其辐射加热器20、埚内凸起110等需要单独设计，然而对于大批量生产的光伏行业而言，一个设计，批量应用，其经济效益还是十分明显的。

其次，本实施例的又一个有益效果在于：由于石英坩埚100壁上埚内凸起110的存在，可以提高石英坩埚100的机械强度，缓解石英坩埚100的热变形，有利于采用“多次加料”技术，拉制较大的硅单晶棒10。

实施例2

参考图2和图8，本实施例提供一种具有特殊结构的用于拉制准长方形横截面硅单晶棒10的石英坩埚100，其具有厚度均匀的侧壁。

横截面为准长方形的硅单晶棒10即硅单晶棒10主体的形状为准长方柱体，其具有硅棒棱边11，硅棒棱边11即为准长方柱体的棱所在位置。

石英坩埚100横截面是呈770mm×550mm的类长方形，参考凸角101。

在石英坩埚100的内壁上，沿其高度攀升方向具有4条埚内凸起110，4条埚内凸起110的设置位置与参考凸角101一一相对。

埚内凸起110的横向宽度L为135mm，横向宽度L与凸棱高度之比的标称值为2:1；埚内凸起110的横向宽度L与所处竖直高度处石英坩埚100内部最小半横径r之比为1:2.1；埚内凸起110的轮廓对称设计，由两段直线段和过渡线段组合构成。

本实施例石英坩埚100用于拉制横截面544mm×220mm的准长方直柱体硅单晶棒10，工程中用以分切成5条横截面210mm×105mm的单晶硅锭，准长方形横截面硅单晶棒10的轴向晶向为〈100〉，在拉制过程中，石英坩埚100内侧壁的埚内凸起110的方位与准长方形横截面硅棒的硅棒棱边11相对应。

横截面544mm×220mm的硅单晶棒10的横截面积为1194平方厘米，与直径390mm的圆柱硅单晶棒10相当；相同截面积下，本实施例硅单晶棒10的截面周长是圆柱硅单晶棒截面周长的1.25倍。

本实施例的技术原理与实施例1相同，不再赘述。

配合辐射加热器20不同方位加热功率的精细控制和硅单晶棒10与石英坩埚100、辐射加热器20的相对位置的精细控制，可以获得所期望的准长方形横截面形状的硅单晶棒10。

与现有技术相比，本实施例的有益效果在于：

首先，由于本方案在石英坩埚100内壁的埚内凸起110与所拉制的准长方形横截面硅棒10的硅棒棱边11相对应，埚内凸起110驱离硅棒棱边11处多余的红外辐射21，促进该部位晶体尺寸的扩展。本方案有利于在石英坩埚100内形成一个有利于准长方形横截面硅单晶棒10生长的热场，结合控制系统对各方位辐射加热器20的加热功率、频率、和加热时间的控制，可以更精准、有效地控制准长方形硅单晶棒10的形状。

本实施例中，生长中的长方形横截面形状的硅单晶棒10，其固液生长界面任一点距硅单晶棒10柱体表面的距离，均不大于110mm，而同样截面积的圆硅单晶棒10，其结晶前沿距硅棒表面的距离，最大可达180mm，所以，本实施例硅单晶棒10散热均匀、热应力低；同时本实施例的硅单晶棒10的周长是相同截面积圆形硅棒周长的1.25倍，有利于硅单晶棒10的散热。

进一步地，由于本实施例在硅单晶棒10结晶前沿可以获得较高的温度梯度，因此与现有技术相比，可以拉制更大横截面积的硅单晶棒10，或者在同样横截面积的前提下，提高硅单晶的拉速，从而提高设备产能，降低消耗；

进一步的，准长方形截面形状的硅单晶棒10切制矩形硅单晶片可以得到更高的出材率，所有这些，最终降低了单晶硅光伏电池产品的成本。

同实施例1，附图8是本实施例的光学模拟，可以看到多余的红外辐射21被有效地驱离硅棒的硅棒棱边11。需要说明的是，由于石英坩埚100壁存在“雾度”，因此红外线的“驱离”是一个统计分布的结果，并且，对于不同尺寸、不同雾度的石英坩埚100和不同截面尺寸的硅单晶棒10，其辐射加热器20、埚内凸起110等需要单独设计，然而对于大批量生产的光伏行业而言，一个设计，批量应用，其经济效益还是十分明显的。

实施例3

如图3、4、6、9和10所示，本实施例提供一种用于生长准四矩体硅单晶棒10的石英坩埚100，其具有厚度均匀的侧壁，用于拉制准四矩形横截面硅单晶棒10。进一步切制边长210mm的方形硅单晶片。

石英坩埚100横截面呈类四矩形(又可认为近似于十字形，其横截面的形状与拉制的硅单晶棒的横截面形状对应)，内壁截面的最大半横径R为592mm，最小半横径r为424mm，在石英坩埚100的内壁上沿其高度方向设置有4条埚内凸起110，4条埚内凸起110的设置位置与类四矩形的4个埚内凹壁130一一对应，且每一条埚内凸起110均对应埚内凹壁130的中部。

埚内凸起110的横向宽度L为200mm，埚内凸起110的横向宽度L与凸棱高度H之比为3.3:1；埚内凸起110的横向宽度与所处竖直高度处石英坩埚100内部最小半横径r之比为1:2.1；埚内凸起110的横截面的轮廓为对称图形，由弧线和过渡曲线构成。

进一步地，本实施例在石英坩埚100的内壁上沿其高度方向设置有4条埚内凹槽120，4条埚内凹槽120的设置位置与类四矩形石英坩埚100的4个参考凹角102一一对应。

需要说明的是，如图5所示，在本申请其他拉制准四矩形横截面硅单晶棒的实施例中，所使用的石英坩埚的结构还可以是：石英坩埚的内壁上沿其高度方向设置有8条埚内凸起110，8条埚内凸起的设置位置与类四矩形石英坩埚的8个参考凸角101一一对应，在进行拉制生长过程中，硅单晶棒侧翼的每一条棱对应石英坩埚上一条埚内凸起110。

横截面为准四矩形的硅单晶棒10的主体为准四矩形直柱体，其具有4个侧翼13，4个硅棒凹槽12。在硅单晶棒10拉制过程中，4个侧翼13对应石英坩埚100的4个埚内凸起110；4个硅棒凹槽12对应石英坩埚100的4个埚内凹槽120。

本实施例中，埚内凹槽120的横截面的横向宽度l与埚内凹槽120的深度h之比为8:1，埚内凹槽120的横截面的横向宽度l与所处竖直高度处石英坩埚100内部最小半横径r之比为1:2.7，埚内凹槽120的横截面轮廓由圆弧段和过渡弧组合构成。

石英坩埚100的横截面呈类四矩形，用于拉制准四矩形横截面的硅单晶棒10，准四矩形横截面硅单晶棒10的轴向晶向为〈100〉，在拉制过程中石英坩埚100的埚内凹槽120方位与准四矩形横截面硅单晶棒凹角12相对应。

本方案的技术原理是，在拉制准四矩形横截面硅单晶棒10时，辐射加热器20位于石英坩埚100的周边，融硅30置于石英坩埚100中，石英坩埚100的埚内凸起110与拉制的四矩形横截面硅单晶棒10的侧翼13相对应。由于硅的折射率高于石英的折射率，石英的折射率高于炉气的折射率，因此，红外辐射21在炉气与石英坩埚100、石英坩埚100与融硅30的界面发生折射，其结果是将过量的红外热辐射驱离矩形硅棒的侧翼13，促进硅晶体在该部位的扩展，有利于四矩形横截面硅单晶棒10的侧翼13的扩展生长。

同理，红外辐射21在石英坩埚100的埚内凹槽120与融硅30界面处发生折射，红外线又能够在硅中传输较远的距离，其结果是将更多的红外热辐射汇聚于四矩形横截面硅单晶棒凹角12处，抑制硅晶体在该部位的扩展，有利于四矩形横截面硅单晶棒凹角12的形成。

配合辐射加热器20不同方位加热功率的精细控制和硅单晶棒10与石英坩埚100、辐射加热器20的相对位置的精细控制，可以获得四矩形横截面的硅单晶棒10。

本实施例的有益效果：

首先，本实施例在石英坩埚100埚内凸起110与所拉制的准四矩体硅单晶棒10的侧翼13相对应，埚内凸起110驱离多余的红外辐射21，促进相应部位晶体尺寸的扩展；又由于本实施例在石英坩埚100埚内凹槽120与所拉制的准四矩体硅单晶棒凹角12相对应，该埚内凹槽120汇聚更多的红外辐射21，限制相应部位晶体的扩展，一张一弛，则本实施例有利于在石英坩埚100内形成一个有利于准四矩体硅单晶棒10生长的热场，结合控制系统对辐射加热器20各方位加热功率、频率、和加热时间的控制，可以更精准、有效地控制硅单晶棒10的形状。

本实施例中石英坩埚100拉制的准四矩体硅单晶棒10横截面为2000平方厘米，相当于现有技术直径508mm的圆柱形硅单晶棒的横截面积，横截面周长是现有技术的1.8倍；本实施例结晶平面中心处距离准四矩体硅单晶棒10柱面表面的距离为141mm，远小于现有技术，直径508mm的圆柱形硅单晶棒轴心到表面的距离254mm。其拉晶的速度、稳定性、和硅棒热应力本实施例均远优于现有技术。

本实施例的又一个有益效果在于：具有四矩形截面的石英坩埚100可以得到较高的机械强度，有较强的抵御石英坩埚100变形的能力，有利于拉制大尺寸硅单晶棒10和多次加料拉制硅单晶棒10。

实施例4

如图7、图8和图10所示，本实施例提供一种用于生长准三矩体硅单晶棒10的石英坩埚100，其具有厚度均匀的侧壁，用于拉制准三矩体硅单晶棒10。进一步切制边长182mm的方形硅单晶片。

石英坩埚100横截面呈类三矩形(又可认为近似于Y字形，其横截面的形状与拉制的硅单晶棒的横截面形状对应)，内壁截面的最大半横径R为598mm，最小半横径r为306mm，在石英坩埚100的内壁上沿其高度方向设置有3条埚内凹槽120，3条埚内凹槽120的设置位置与类三矩形石英坩埚100的3个参考凹角102一一对应。

本实施例中，埚内凹槽120的横向宽度l与其深度h之比为8:1，埚内凹槽120的横向宽度l与所处竖直高度处石英坩埚100内部最小半横径r之比为1:1.6，埚内凹槽120的轮廓由圆弧段和过渡弧组合构成。

进一步地，本实施例在石英坩埚100的内壁上沿其高度方向设置有6条埚内凸起110，6条埚内凸起110的设置位置与类三矩形石英坩埚100的6个参考凸角101一一对应。

每条埚内凸起110的横向宽度L为90mm，横向宽度L与凸棱高度H之比的标称值为2:1；埚内凸起110的横向宽度L与所处竖直高度处石英坩埚100内部最小半横径r之比为1:3.7；埚内凸起110的轮廓对称设计，由两段直线段和过渡线段组合构成。

准三矩形直柱体的硅单晶棒10具有3个侧翼13，共6条硅棒棱边11和3个硅棒凹槽12。在硅单晶棒10拉制过程中，6条硅棒棱边11对应石英坩埚100的6条埚内凸起110；3个硅棒凹槽12对应石英坩埚100的3个埚内凹槽120。

本实施例的石英坩埚100用于拉制准三矩体的硅单晶棒10，准三矩体的硅单晶棒10的轴向晶向为〈111〉，在拉制过程中石英坩埚100内壁的6条埚内凸起110的方位，与准三矩体的硅单晶棒10的6条硅棒棱边11相对应；3条埚内凹槽120的方位，与准三矩体的硅单晶棒10的3条硅棒凹槽12相对应。

本发明的技术原理与前述3个实施例相同，不再赘述。

本实施例的有益效果：

由于本发明在石英坩埚100内壁的埚内凸起110与所拉制的横截面呈准三矩形的硅单晶棒10的硅棒棱边11相对应，埚内凸起110驱离硅棒棱边11处多余的红外辐射21，促进该部位晶体尺寸的扩展；

第二，本实施例中石英坩埚100侧壁的埚内凹槽120与所拉制的准三矩体硅单晶棒凹角12相对应，埚内凹槽120汇聚更多的红外辐射21，限制相应部位晶体的扩展；

一推一拉，使之在石英坩埚100内形成一个有利于三矩形横截面硅单晶棒10生长的热场，结合控制系统对辐射加热器20各方位加热功率、频率、和加热时间的控制，可以更精准、有效地控制硅单晶棒10的横截面形状。

本实施例中石英坩埚100拉制的三矩体横截面的硅单晶棒10横截面积为2130平方厘米，相当于直径520mm的圆柱形硅单晶棒的横截面积，在相同横截面积的前提下，本实施例横截面周长是现有技术的1.7倍；硅单晶棒10结晶平面中心处距离硅单晶棒10柱面表面的最短距离为同样截面积圆柱形硅单晶棒的40％。因此，其拉晶的速度、稳定性、和硅棒热应力本实施例均远优于现有技术。

与实施例3类似，本实施例石英坩埚100亦可以获得较高的机械强度。

综上，本申请提供的异形硅单晶棒及其拉制所用石英坩埚以及生长方法具有以下优点：

1、本发明提供的石英坩埚100由于其特殊的形状设计，能形成适合异形单晶硅生长的热场；

2、本发明可以获得目标截面形状(例如准矩形、准旋转矩形)的硅单晶棒10；

3、石英坩埚100的埚内凸凸起110或埚内凹槽120的设计，可以增加石英坩埚100的机械强度。

4、利用本发明提供的石英坩埚100提拉生长得到的异形硅单晶棒10，例如横截面形状为矩形、旋转矩形的硅单晶硅10，其相对于圆形截面的硅单晶棒具有更大的横截面周长面积比。

由此，可以降低硅单晶棒热应力，提高产品质量；

提高设备产能、降低产品成本，有助于提高硅单晶棒后续切片的利用率。

5、增加硅棒横截面积，降低单晶炉高度，降低厂房造价和能源消耗。

此外，需要说明的是，由于坩埚壁存在一定“雾度”，因此红外线“汇聚”和“驱离”是一个统计分布的结果。并且，对于不同尺寸、不同雾度的坩埚和不同截面尺寸的硅单晶棒，虽然其坩埚和融硅系统的埚内凸起、或埚内凹槽需要单独设计，然而对于大批量生产的光伏行业而言，一个设计批量应用，其经济效应也还是十分明显的。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种拉制异形硅单晶棒的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚的内壁具有3～8条埚内凸起，和/或3～4条埚内凹槽；

每条所述埚内凸起呈长条形，其延伸方向与所述石英坩埚壁的高度攀升方向一致，每条所述埚内凹槽呈长条形，其延伸方向与所述石英坩埚壁的高度攀升方向一致。

2.根据权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚横截面的形状为类圆形，所述石英坩埚的内壁具有4条所述埚内凸起，4条所述埚内凸起在同一横截面圆周上均匀分布；

或者，所述石英坩埚横截面的形状为类正方形，所述石英坩埚的内壁具有4条所述埚内凸起，4条所述埚内凸起分别设置于与所述类正方形的4个参考凸角对应的位置；

或者，所述石英坩埚的横截面形状为类长方形，所述石英坩埚的内壁具有4条所述埚内凸起，4条所述埚内凸起分别设置于与所述类长方形的4个参考凸角对应的位置。

3.根据权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚的横截面的形状为类四矩形，其具有与所述类四矩形的4个端部对应的4个埚内凹壁，所述石英坩埚的内壁具有4条所述埚内凸起，4条所述埚内凸起分别一一对应设置于所述4个埚内凹壁上；

优选地，每一条所述埚内凸起均位于对应的所述埚内凹壁的中部。

4.根据权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚的横截面的形状为类四矩形，所述石英坩埚的内壁具有8条埚内凸起，8条所述埚内凸其分别设置于与所述类四矩形的8个参考凸角对应的位置。

5.根据权利要求1或4所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚横截面的形状为类四矩形，所述石英坩埚的内壁具有4条所述埚内凹槽，4条所述埚内凹槽分别设置于与所述类四矩形的4个参考凹角一一对应的位置。

6.根据权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚横截面的形状为类三矩形，其具有与所述类三矩形的3个端部对应的3个埚内凹壁，所述石英坩埚的内壁具有3条所述埚内凸起，3条所述埚内凸起分别一一对应设置于所述3个埚内凹壁对应的位置；

优选地，每一条所述埚内凸起均位于对应的所述埚内凹壁的中部。

7.根据权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚横截面的形状为类三矩形，所述石英坩埚的内壁具有6条所述埚内凸起，6条所述埚内凸起分别设置于与所述类三矩形的6个参考凸角对应的位置；

优选地，所述石英坩埚横截面的形状为类三矩形，所述石英坩埚的内壁具有3个所述埚内凹槽，3个所述埚内凹槽分别一一对应设置于与所述类三矩形的3个参考凹角对应的位置。

8.根据权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，每条所述埚内凸起的横向宽度与其凸起高度之比为(1.5～10):1；

优选地，每条所述埚内凸起的横向宽度与所处竖直高度处所述石英坩埚的最小半横径之比为1:(1.2～3.5)；

优选地，每条所述埚内凸起的横截面轮廓是由曲线、直线或者曲线和直线的组合线段构成；

优选地，所述石英坩埚具有厚度均匀的侧壁；

优选地，每条所述埚内凹槽的横向宽度与其凹进深度之比为(4～16):1；

优选地，每条所述埚内凹槽的横向宽度与所处竖直高度处所述石英坩埚的最小半横径之比为1:(1.5～3.5)；

优选地，每条所述埚内凹槽的横截面轮廓是由曲线、直线或者曲线和直线的组合线段构成。

9.一种异形硅单晶棒的生长方法，其特征在于，包括采用如权利要求1～8任一项所述的石英坩埚，利用提拉法生长异形硅单晶棒；

所述异形硅单晶棒的主体是准三矩体或准四矩体，具有3或4条沿其长度方向延伸的硅棒侧翼，所述石英坩埚的内壁具有所述埚内凸起，所述埚内凸起的数量与所述异形硅单晶棒的所述硅棒侧翼的数量相同，在进行提拉生长过程中，所述异形硅单晶棒的每条所述硅棒侧翼对应朝向所述石英坩埚的一条所述埚内凸起；

或者，所述异形硅单晶棒的主体是准三矩体或准四矩体，具有3或4条沿其长度方向延伸的硅棒侧翼，所述石英坩埚的内壁具有所述埚内凸起，所述埚内凸起的数量与所述异形硅单晶棒的所述硅棒侧翼棱边数量相等，在进行提拉生长过程中，所述异形硅单晶棒的每条所述硅棒侧翼的每条棱边对应朝向所述石英坩埚的一条所述埚内凸起；

或者，所述异形硅单晶棒的主体部分是准三矩体或准四矩体，具有3或4条沿其长度方向延伸的硅棒凹槽，所述石英坩埚的内壁具有所述埚内凹槽，所述埚内凹槽的数量与所述异形硅单晶棒的所述硅棒凹槽的数量相同，在进行提拉生长过程中，所述异形硅单晶棒的每条所述硅棒凹槽对应朝向所述石英坩埚的一条所述埚内凹槽；

或者，所述异形硅单晶棒的主体部分是准矩体，侧壁上具有4条棱边，所述石英坩埚具有4条所述埚内凸起，在进行提拉生长过程中，所述异形硅单晶棒的每条所述棱边对应朝向所述石英坩埚的一条所述埚内凸起；

优选地，所述异形硅单晶棒横截面呈准正方形，所述石英坩埚横截面的形状为类圆形或类正方形，生长轴向晶向为〈100〉的硅单晶棒；

优选地，所述异形硅单晶棒横截面呈准长方形或准四矩形，所述石英坩埚横截面的形状为类长方形或类四矩形，生长轴向晶向为〈100〉的硅单晶棒；

优选地，所述异形硅单晶棒横截面呈准三矩形，所述石英坩埚横截面的形状为类三矩形，用于生长轴向晶向为〈111〉的硅单晶棒。

10.一种异形硅单晶棒，其特征在于，采用如权利要求9所述的生长方法制得。

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