CN214327963U - 一种用于铸锭单晶硅的籽晶坩埚结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于铸锭单晶硅的籽晶坩埚结构。它包括籽晶和坩埚，所述籽晶的横截面形状呈正方形，所述坩埚的横截面形状呈U型，所述坩埚的底部中央设有凹槽，所述凹槽的尺寸与籽晶的尺寸相一致，所述的籽晶置于凹槽内且与凹槽无缝接触。本实用新型的有益效果是：能够提高保证在用铸锭法进行单晶生长时，结合上述坩埚结构，不会产生多晶形核，从源头上消除了铸锭单晶的多晶形核的可能性；同时，结合籽晶与坩埚之间的结构设计，还能够消除籽晶中50%以上的位错，而且在整个单晶的生长过程中，能够使位错的产生几率降到最低。

Description

一种用于铸锭单晶硅的籽晶坩埚结构

技术领域

本实用新型涉及硅晶体生长相关技术领域，尤其是指一种用于铸锭单晶硅的籽晶坩埚结构。

背景技术

现有的单晶硅晶体生长主要采用CZ法直拉单晶生长方式。系采用石英玻璃坩埚承载多晶硅，在炉内熔化后，用籽晶从上方缓慢吊入硅液，经过缩颈、放肩工序后进行等径生长。籽晶通常是直径10毫米左右，长度约50~100毫米的单晶棒，用金属丝牵引从上至下放置到硅液中。

此外，今年也有不少原来从事多晶硅铸锭的厂家尝试用铸锭方式进行单晶硅的生长。这些厂家在进行铸锭单晶生长时，是将多块籽晶平铺在坩埚底部的，籽晶的大小与铸锭后所切割的小硅方的平面尺寸相同，厚度在20毫米到50毫米之间；籽晶铺设的数量与坩埚的规格对应，比如G6坩埚铺设36块，G7坩埚铺49块，G8坩埚铺设64块；籽晶铺好后，上面放入多晶硅料，加热熔化（熔化是要保证所有籽晶的上部都熔化，但同时不得发生籽晶熔穿的情形）；然后通过底部冷却，晶体从底部的籽晶开始向上生长。

现在几乎所有的铸锭单晶硅的厂家在采取这种方式，在籽晶制作时，对于籽晶的加工，只有尺寸的要求，没有的其它要求。

这种籽晶铺设方式在晶体生长时，籽晶与籽晶之间、籽晶与坩埚壁、籽晶与坩埚底部之间有缝隙，因而不可避免会产生多晶形核，也非常容易导致籽晶的顶部未熔而产生多晶在籽晶的顶部形核，或者籽晶熔穿而在坩埚底部形成多晶形核。这些原因导致铸造单晶含有大量的多晶，同时也在晶体内部产生大量的位错，因此，这种籽晶铺设方式是导致传统的铸锭单晶中有大量的多晶存在，而被称为“类单晶”或“准单晶”的主要原因。多晶的存在必然导致晶体的转换效率无法提高，同时，这种方式由于对于籽晶原生的位错无法削减，同时由于温度控制主要用来确保籽晶的上部熔化而底部不能全部融化，因此，根本无法顾及位错的形核与产生与否，而且大量多晶的形成也会产生应力而导致在单晶内部产生大量的位错（位错密度高达10⁵/cm²以上），导致“类单晶”的单晶部分的质量也无法满足光伏电池的要求，因而无法进行大规模生产。

实用新型内容

本实用新型是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种减少位错产生的用于铸锭单晶硅的籽晶坩埚结构。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种用于铸锭单晶硅的籽晶坩埚结构，包括籽晶和坩埚，所述籽晶的横截面形状呈正方形，所述坩埚的横截面形状呈U型，所述坩埚的底部中央设有凹槽，所述凹槽的尺寸与籽晶的尺寸相一致，所述的籽晶置于凹槽内且与凹槽无缝接触。

由于籽晶四周的四个侧面是正面籽晶主生长方向的等同晶向所对应的晶面，因而位错滑移面与生长方向有一个夹角；由于位错滑移面有八个等同晶面，在晶体向四周生长时，由四个向上延伸，四个向下延伸，其中四个向下延伸的位错滑移面将会延伸到坩埚底部而终止。这样，当从籽晶生长出的单晶向四面生长长满坩埚底部后，调整温度场使晶体开始向上垂直生长时，底部单晶的位错已经减少了一半。这样设计能够提高保证在用铸锭法进行单晶生长时，结合上述坩埚结构，不会产生多晶形核，从源头上消除了铸锭单晶的多晶形核的可能性；同时，结合籽晶与坩埚之间的结构设计，还能够消除籽晶中50%的位错，而且在整个单晶的生长过程中，能够使位错的产生几率降到最低。

作为优选，所述坩埚的底部厚度从凹槽的外边缘到坩埚底部边缘处逐渐增加。由于本申请中所采用的坩埚底部并不是水平的，而是向外有一定的向上斜度，被终止掉的位错应当超过50%。

作为优选，所述的籽晶由籽晶棒切割而成，所述的籽晶棒为单晶棒切割成截面为正方形的棒料。这样设计使得籽晶无论是内部还是表面，位错和晶体缺陷都较少。

作为优选，所述单晶棒的位错密度小于3000/cm²。这样设计能够更进一步的降低位错几率。

作为优选，所述籽晶的厚度为10-50mm。这样设计一方面方便籽晶在坩埚内铺设，另一方面能够降低籽晶生长时的位错几率。

作为优选，所述籽晶的相邻两个侧面连接处设有倒角。通过倒角的设计，能够提高了籽晶的牢固程度，防止籽晶的损坏。

本实用新型的有益效果是：能够提高保证在用铸锭法进行单晶生长时，结合上述坩埚结构，不会产生多晶形核，从源头上消除了铸锭单晶的多晶形核的可能性；同时，结合籽晶与坩埚之间的结构设计，还能够消除籽晶中50%以上的位错，而且在整个单晶的生长过程中，能够使位错的产生几率降到最低。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是籽晶在沿坩埚底部横向生长时生长方向与位错面的关系图；

图3是单晶棒切割面的晶向横截面示意图。

图中：1. 坩埚，2. 籽晶，3. 凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的描述。

如图1、图3所述的实施例中，一种用于铸锭单晶硅的籽晶坩埚结构，包括籽晶2和坩埚1，籽晶2的横截面形状呈正方形，坩埚1的横截面形状呈U型，坩埚1的底部中央设有凹槽3，凹槽3的尺寸与籽晶2的尺寸相一致，籽晶2置于凹槽3内且与凹槽3无缝接触。坩埚1的底部厚度从凹槽3的外边缘到坩埚1底部边缘处逐渐增加。籽晶2由籽晶2棒切割而成，籽晶2棒为单晶棒切割成截面为正方形的棒料。单晶棒的位错密度小于3000/cm²。籽晶2的厚度为10-50mm。籽晶2的相邻两个侧面连接处设有倒角。

具体操作方式为：将单晶棒的头尾切除，测试单晶棒的四周，确定{001}、{001 ̅}、{010}、{01 ̅0} 四个晶面的方向，在单晶棒的截面上画出一个内接正方形（见图3），然后沿着正方形的四个边将圆的单晶棒切割成截面为正方形的籽晶2棒。沿籽晶2棒方向每间隔一端距离（通常为10~50mm）沿垂直于籽晶2棒生长方向将硅棒切割为硅块，即为籽晶2。对籽晶2坯料的四个侧面（长方形面）的四个短边进行倒角，然后对各个面进行研磨（底面可不研磨）。对研磨后的籽晶2进行碱洗，去除因机械加工导致的籽晶2表面的损伤层。

在使用上述籽晶2进行铸锭单晶的生产时，首先由于是单籽晶2生产，采用如图1所示的底部中央带有凹槽3的坩埚1，在铸锭单晶生长时采用单籽晶2方式，而不是“类单晶”或“准单晶”所采用埚底铺满多籽晶2的方式，这就消除了多晶形核的可能；其次，上述籽晶2无论是内部还是表面，位错和晶体缺陷都较少；第三，在配合上述的坩埚1和温度场进行生长时，先控制晶体从籽晶2开始沿四周进行横向水平生长；这时，由于籽晶2四周的四个侧面是正面籽晶2主生长方向的等同晶向所对应的晶面，因而位错滑移面（如{111}）与生长方向有一个夹角（对硅单晶来说这个夹角约为35°，见图2）；由于{111}面有八个等同晶面，在晶体向四周生长时，由四个向上延伸，四个向下延伸，其中四个向下延伸的位错滑移面将会延伸到坩埚1底部而终止。这样，当从籽晶2生长出的单晶向四面生长长满坩埚1底部后，调整温度场使晶体开始向上垂直生长时，底部单晶的位错已经减少了一半以上。

Claims (4)

1.一种用于铸锭单晶硅的籽晶坩埚结构，其特征是，包括籽晶（2）和坩埚（1），所述籽晶（2）的横截面形状呈正方形，所述坩埚（1）的横截面形状呈U型，所述坩埚（1）的底部中央设有凹槽（3），所述凹槽（3）的尺寸与籽晶（2）的尺寸相一致，所述的籽晶（2）置于凹槽（3）内且与凹槽（3）无缝接触，所述坩埚（1）的底部厚度从凹槽（3）的外边缘到坩埚（1）底部边缘处逐渐增加，所述籽晶（2）的相邻两个侧面连接处设有倒角。

2.根据权利要求1所述的一种用于铸锭单晶硅的籽晶坩埚结构，其特征是，所述的籽晶（2）由籽晶（2）棒切割而成，所述的籽晶（2）棒为单晶棒切割成截面为正方形的棒料。

3.根据权利要求2所述的一种用于铸锭单晶硅的籽晶坩埚结构，其特征是，所述单晶棒的位错密度小于3000/cm²。

4.根据权利要求1所述的一种用于铸锭单晶硅的籽晶坩埚结构，其特征是，所述籽晶（2）的厚度为10-50mm。

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