CN102732943A - 单晶硅铸锭的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单晶硅铸锭的生产方法，其步骤包括：(1)将籽晶按照相同晶向放置于坩埚底部的籽晶槽中，向坩埚中加入硅料和掺杂剂；(2)熔化籽晶上方的硅料及掺杂剂，并将籽晶部分熔化；(3)采用坩埚下降法促使硅熔体由底部向上定向凝固，由未熔化的籽晶诱导准单晶的生长，最终形成单晶硅铸锭。本发明得到的单晶硅具有位错密度少、氧致堆垛层错少、晶向一致性佳的特点，可以满足单晶硅太阳能电池的制绒制程，将单晶硅片沿<100>晶向腐蚀成金字塔状的绒面，增加电池对光的吸收率。

Description

单晶硅铸锭的生产方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能级单晶硅的制作方法，特别涉及一种集成了直拉法单晶硅和铸锭多晶硅优点的单晶硅铸锭的生产方法。

背景技术

目前太阳能级单晶硅主要是用直拉法(CZ法)或区熔法(FZ法)生产的。直拉法通过籽晶引晶缩颈等步骤从熔融硅池中缓慢拉出。对于FZ法，固体材料进料通过熔融区并在熔融区的另一侧重新固化。按这些方式制造的单晶硅包含径向分布的杂质和缺陷，例如线缺陷、氧致堆垛层错环和间隙的“漩涡”缺陷或空位簇。CZ法被用作主要的单晶硅生长方式，因为其可以用来制作高效的太阳能电池。但是在成本上，CZ法太过昂贵。

对于铸造多晶硅而言，熔融硅容纳在石英陶瓷坩埚中，并通过控制的方式冷却，从而使其中的硅结晶。这种方式生产的多晶硅为晶粒的团聚，在由此制成的晶片之内，晶粒彼此间的取向实际上是随机的。

常规的多晶硅中的晶粒的随机取向使得难以对所得到的晶片表面进行纹饰。纹饰是用于通过减少光反射和提高透过电池表面光能的吸收来提高电池的效率。此外，多晶硅晶粒之间的晶界上形成“扭折”倾向于以簇或位错线形式成为结构缺陷的核。这些位错和它们的吸杂效应引起多晶硅制成的电池中载流子的快速复合，造成电池效率的降低。鉴于多晶硅的成本较低，以及电池加工中有效地缺陷钝化消除电池片表面的悬挂键，多晶硅普遍用于太阳能电池。

底部籽晶法是坩埚下降法和助熔剂法的结合，一般用于生产非一致熔融化合物单晶。通过对其与铸锭炉的结构与原理分析，提出了新的类似多晶硅铸造法生长单晶硅的方式：底部籽晶法生长单晶硅。此方法解决了使用平底坩埚熔化硅料时可能产生的籽晶熔化控制及漂浮难题。

发明内容

本发明的目的，就是为了提供一种单晶硅铸锭的生产方法，以制备出具有大晶粒、晶粒的晶向一致的太阳能级单晶硅。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种单晶硅铸锭的生产方法，包括以下步骤：

A、将籽晶按照相同晶向放置于坩埚底部的籽晶槽中，然后向坩埚中加入多晶硅料和掺杂剂将籽晶覆盖；

B、将坩埚置于铸锭炉中，抽真空后通入氩气，在氩气保护下加热熔化籽晶上方的多晶硅料和掺杂剂，并使靠近多晶硅料和掺杂剂的部分籽晶熔化，形成硅熔体；

C、采用坩埚下降法促使硅熔体由底部向上定向凝固，由未熔化的籽晶诱导准单晶的生长，最终形成单晶硅铸锭；

D、冷却，取锭。

所述的籽晶的晶向为<100>。

所述的籽晶槽从坩埚底部向下方伸出，放置于籽晶槽中的籽晶的高度高于籽晶槽的高度。

所述的籽晶槽的形状为立方体形或圆柱体形，相应的籽晶的形状为立方体形或圆柱体形。

所述的坩埚是具有氮化硅涂层的石英陶瓷坩埚。

所述的掺杂剂为硼、磷或者镓。

步骤B中所述的抽真空的真空度控制在5Pa以下，加热温度为加热到1550℃。

步骤C中所述的坩埚下降法定向凝固时，坩埚下降的速度控制在5-15mm/h，并在坩埚底部采用循环水冷却。

所述的籽晶的高度比籽晶槽的高度高出8-10mm。

所述的坩埚为立方体形或圆柱体形，其底部设有向下凹进的漏斗形结构；所述的籽晶槽连接在该漏斗形结构的斗底。

本发明由于采用了以上技术方案，使其与现有技术相比，具有以下的优点和特点：

1、使用底部籽晶法生长单晶硅，相比铸造多晶硅具有更小的晶界密度，更大的晶粒，更一致的晶粒取向；

2、相比直拉法单晶硅，具有更低的能耗，能大的产量；

3、由于没有使用石英坩埚，氧含量比直拉单晶硅少，降低了光衰减；

4、晶界密度的降低使碱醇混合腐蚀液可以对硅片进行各向异性的腐蚀，使硅片表面具有绒面结构(陷光结构)，可有效增强硅片对入射太阳光的吸收，从而提高光生电流。

附图说明

图1为本发明中采用的坩埚及放置于坩埚中的籽晶和多晶硅料的示意图。

具体实施方式

下面结合附图1和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

1)将无位错的原料单晶硅块作为籽晶3放入坩埚1的籽晶槽2内，坩埚选用氮化硅涂层的方形石英陶瓷坩埚，坩埚主体为450Kg级840mm*840mm*400mm，确定籽晶<100>晶向竖直向上；再将450Kg多晶硅4置于原料单晶硅块3之上，并加入P型掺杂剂硼，使掺杂后的晶体电阻率保持在1.5-2Ω·cm。

2)将铸锭炉炉室抽成真空后直接通入氩气。调整坩埚的位置，使得掺杂剂、多晶硅和靠近多晶硅的部分籽晶受热；逐渐加热到1412℃以上使得多晶硅开始融化，并保持温度在1412℃以上一段时间，使得掺杂剂、多晶硅和靠近多晶硅的部分原料单晶硅块融化成液体以形成硅熔体，而坩埚底部籽晶槽内的籽晶不融化。每隔一小时用石英棒测量长晶情况。

3)用循环冷却水冷却坩埚底部，使得硅熔体的热交换主要发生在坩埚底部，同时以5-15mm/h的速度下降坩埚，炉温由1550℃降至1450℃，使得硅熔体从底部向上逐渐定向凝固，由于坩埚底部保留有未融化的部分单晶硅，在此作为籽晶诱导生长，从而生长出单晶硅铸锭。

4)冷却，取锭。晶体生长结束后进行1100℃退火，逐渐降低加热功率，700℃后停止加热，晶锭自然冷却。

实施例2

1)将无位错的原料单晶硅块作为籽晶3放入坩埚1的籽晶槽2内，坩埚选用氮化硅涂层的圆形石英陶瓷坩埚，坩埚主体为60Kg级18英寸坩埚，高度为450mm，确定籽晶<100>晶向竖直向上；再将50Kg多晶硅4置于原料单晶硅3块之上，并加入P型掺杂剂硼，使掺杂后的晶体电阻率保持在1.5-2Ω·cm。

2)将铸锭炉炉室抽成真空后直接通入氩气。调整炉内坩埚的位置，使得掺杂剂、多晶硅和靠近多晶硅的部分籽晶受热；逐渐加热到1412℃以上使得多晶硅开始融化，并保持温度在1412℃以上一段时间，使得掺杂剂、多晶硅和靠近多晶硅的部分原料单晶硅块融化成液体以形成硅熔体，而坩埚底部籽晶槽内籽晶不融化。每隔一小时用石英棒测量长晶情况。

3)用循环冷却水冷却坩埚底部，使得硅熔体的热交换主要发生在坩埚底部，同时以5-15mm/h的速度下降坩埚，炉温由1550℃降至1450℃，使得硅熔体从底部向上逐渐定向凝固，由于坩埚底部保留有未融化的部分单晶硅，在此作为籽晶诱导生长，从而生长出铸造单晶硅。

4)冷却，取锭。晶体生长结束后进行1100℃退火，逐渐降低加热功率，700℃后停止加热，晶锭自然冷却。

单晶硅锭取出后经过开方、检测、去头尾，制成小方锭。通过切方可以看到由底部籽晶法生长的单晶硅晶界密度小，晶粒沿竖直方向生长，其方锭表面的晶粒面积花纹面积集中在60-80mm²区间内的占90％。对用本发明生产的单晶硅片进行少子寿命检测，寿命集中在3-7μs范围内，平均寿命为4μs。

Claims (10)

1.一种单晶硅铸锭的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、将籽晶按照相同晶向放置于坩埚底部的籽晶槽中，然后向坩埚中加入多晶硅料和掺杂剂将籽晶覆盖；

B、将坩埚置于铸锭炉中，抽真空后通入氩气，在氩气保护下加热熔化籽晶上方的多晶硅料和掺杂剂，并使靠近多晶硅料和掺杂剂的部分籽晶熔化，形成硅熔体；

C、采用坩埚下降法促使硅熔体由底部向上定向凝固，由未熔化的籽晶诱导准单晶的生长，最终形成单晶硅铸锭；

D、冷却，取锭。

2.根据权利要求1所述的单晶硅铸锭的生产方法，其特征在于：所述的籽晶的晶向为<100>。

3.根据权利要求1所述的单晶硅铸锭的生产方法，其特征在于：所述的籽晶槽从坩埚底部向下方伸出，放置于籽晶槽中的籽晶的高度高于籽晶槽的高度。

4.根据权利要求1所述的单晶硅铸锭的生产方法，其特征在于：所述的籽晶槽的形状为立方体形或圆柱体形，相应的籽晶的形状为立方体形或圆柱体形。

5.根据权利要求1所述的单晶硅铸锭的生产方法，其特征在于：所述的坩埚是具有氮化硅涂层的石英陶瓷坩埚。

6.根据权利要求1所述的单晶硅铸锭的生产方法，其特征在于：所述的掺杂剂为硼、磷或者镓。

7.根据权利要求1所述的单晶硅铸锭的生产方法，其特征在于：步骤B中所述的抽真空的真空度控制在5Pa以下，加热温度为加热到1550℃。

8.根据权利要求1所述的单晶硅铸锭的生产方法，其特征在于：步骤C中所述的坩埚下降法定向凝固时，坩埚下降的速度控制在5-15mm/h，并在坩埚底部采用循环水冷却。

9.根据权利要求3所述的单晶硅铸锭的生产方法，其特征在于：所述的籽晶的高度比籽晶槽的高度高出8-10mm。

10.根据权利要求1所述的单晶硅铸锭的生产方法，其特征在于：所述的坩埚为立方体形或圆柱体形，其底部设有向下凹进的漏斗形结构；所述的籽晶槽连接在该漏斗形结构的斗底。

Images