CN102758247A - 二氧化硅玻璃坩埚和用二氧化硅玻璃坩埚提拉单晶硅的方法 - Google Patents

二氧化硅玻璃坩埚和用二氧化硅玻璃坩埚提拉单晶硅的方法 Download PDF

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Abstract

在用于提拉硅晶体的二氧化硅玻璃坩埚中，在所述坩埚的完整圆周上在同一高度位置处所测量的气泡含量和壁厚度中每一者的圆周最大容差不大于6%。

Description

二氧化硅玻璃坩埚和用二氧化硅玻璃坩埚提拉单晶硅的方法
本发明是2009年6月30日申请的中国专利申请CN200910139507.4的分案申请。
所属技术领域
本发明涉及一种用于提拉作为半导体材料的单晶硅、作为太阳能电池(solarbattery)材料的硅晶体等的二氧化硅(silica)玻璃坩埚，尤其涉及一种允许提拉具有高结晶速率(crystallization rate)的单晶硅的二氧化硅玻璃坩埚和一种用所述二氧化硅玻璃坩埚提拉单晶硅的方法。
背景技术
二氧化硅玻璃坩埚是用于提拉作为半导体材料的单晶硅、作为太阳能电池材料的硅晶体等。举例来说，单晶硅主要是通过如下方法来制造：通过加热使装入二氧化硅玻璃坩埚中的多晶硅块(polycrystalline silicon lump)熔化形成硅熔体，且将晶种浸入所述硅熔体中并由其提拉。虽然作为太阳能电池材料的硅晶体与单晶硅相比单晶度(single-crystallinity)较低，但其可以通过相同提拉方法来制造。
硅晶体的提拉是通过均匀地加热硅熔体，同时旋转二氧化硅玻璃坩埚来进行。在这种情况下，如果坩埚圆周方向上的气泡含量(bubble content)和透射率不均一，那么坩埚内表面中所产生的棕色环(brown ring)会变得不均匀分布。而且，当坩埚的厚度也不均一时，坩埚形状变得不合格。
在硅晶体的提拉中，当在较高温度下使坩埚内表面与硅熔体接触一段延长的时间时，坩埚内的浅表层(shallow surface layer)部分地结晶产生环形棕色方英石(棕色环)。当棕色环的不均匀分布或不合格坩埚形状变得明显时，坩埚内表面的剥落部分增加且剥落的碎片并入硅熔体中，从而降低硅晶体的结晶度。
当在较高温度下使坩埚内表面与硅熔体接触一段延长的时间时，通过坩埚内表面与硅熔体之间的反应产生SiO气体，由此使硅熔体波动，从而降低硅晶体的结晶度。
在JP-A-2005-320241中提出一种通过将棕色环的数目限制在某一范围内来稳定提拉硅晶体的方法。在JP-A-2002-154894中提出通过使用控制所产生的SiO气体的量不超过某一水平的二氧化硅玻璃坩埚来防止硅熔体的液面波动。
发明内容
因此，本发明的目的在于解决上述由于硅晶体提拉中所产生的棕色环或SiO气体而引起结晶度降低的问题。根据本发明，提供在二氧化硅玻璃坩埚的圆周上在其特定高度位置处所测量的气泡含量和壁厚度的标准值以获得高于特定值的硅晶体结晶度，特别提供其在二氧化硅玻璃坩埚中的可接受范围以获得结晶度例如不小于80%的硅晶体。
本发明涉及一种具有以下结构的二氧化硅玻璃坩埚：
(1)用于提拉硅晶体的二氧化硅玻璃坩埚，其特征在于在所述坩埚的完整圆周上在同一高度位置处所测量的气泡含量和壁厚度中每一者的圆周最大容差(circumferential maximum tolerance)不大于6%。
(2)根据条目(1)的二氧化硅玻璃坩埚，其中气泡含量和壁厚度中每一者的圆周最大容差不大于3%。
(3)根据条目(1)的二氧化硅玻璃坩埚，其中气泡含量和壁厚度中每一者的圆周最大容差不大于1.5%。
(4)一种提拉单晶硅的方法，其包括使用如条目(1)到(3)中任一条目所述的二氧化硅玻璃坩埚。
根据本发明的二氧化硅玻璃坩埚是一种用于提拉硅晶体的二氧化硅玻璃坩埚，其中在坩埚的完整圆周上在同一高度位置处所测量的气泡含量和壁厚度中每一者的圆周最大容差不大于6%，以致可以获得较高结晶度而不会在提拉硅晶体期间实质上引起硅熔体的液面波动和坩埚内表面的剥落。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是二氧化硅玻璃坩埚的纵剖面图。
10：玻璃坩埚
H：高度位置
具体实施方式
根据本发明的二氧化硅玻璃坩埚是一种用于提拉硅晶体的二氧化硅玻璃坩埚。在图1中绘示根据本发明的二氧化硅玻璃坩埚的示意性纵剖面图。在根据本发明的二氧化硅玻璃坩埚10中，在同一坩埚高度位置H处气泡含量、壁厚度和透射率中每一者的圆周最大容差不大于6%，优选不大于3%，更优选不大于1.5%。
本文中所使用的术语“圆周最大容差”是通过将在坩埚的完整圆周上在同一高度位置处所测量的气泡含量、壁厚度和透射率中每一者的平均值从最偏离其的值中减去所获得的值的百分数。举例来说，当所述平均值是A且所述最偏离平均值的值是B时，圆周最大容差X(%)由以下方程式[1]给出：
圆周最大容差X(%)=(B-A)的绝对值/A×100…[1]。
当坩埚是用由天然二氧化硅玻璃制成的外层和由合成二氧化硅玻璃制成的内层的双层结构构成时，气泡含量的意思是内层的气泡含量，具体来说是形成坩埚内层的透明玻璃层的气泡含量。一般地，在二氧化硅玻璃坩埚的直径为32英寸的情况下，作为坩埚内层的所述透明玻璃层对应于具有距离坩埚内表面约0.5毫米到10毫米的厚度的层部分。
所述壁厚度是从坩埚内表面到外表面的剖面部分的最短距离。
所述透射率是从坩埚外表面到内表面的剖面部分的透射率。
此外，坩埚的同一高度位置H可具有测量气泡含量、壁厚度和透射率所需的某一宽度。
可以在硅晶体提拉中通过控制二氧化硅玻璃坩埚的圆周均一性以致在坩埚的同一高度位置处气泡含量、壁厚度和透射率中每一者的圆周最大容差不大于6%而获得不小于80%的结晶度。
另一方面，如果二氧化硅玻璃坩埚的气泡含量、壁厚度和透射率中任一者的圆周最大容差超过6%，那么结晶度显著降低。顺便提及，当气泡含量和壁厚度的圆周最大容差超过6%时，易于在坩埚内表面上产生剥落，而当透射率的圆周最大容差超过6%时，易于引起硅熔体的液面波动。在任何情况下，结晶度都显著降低。
本发明的二氧化硅玻璃坩埚可以通过经由将二氧化硅粉或石英粉沉积于旋转坩埚样模具的内表面上且在较高温度下加热二氧化硅粉层或石英粉层以使其在所述模具的旋转下玻璃化来制造坩埚的方法来制造，在所述方法中将测微仪放到模具内表面上且控制所述内表面的横向波动水平不大于模具内径的0.1%。
本发明将参考实例和比较实例具体地加以描述。此外，通过以下方法来测量气泡含量、壁厚度和透射率。另外，通过提拉晶锭的平底部分(straight baseportion)的重量与所装入的起始材料的重量的比率来测定结晶度。
欲测量的坩埚的高度位置H是设定为当坩埚的开口在向上方向上时，在坩埚的底部位置与坩埚侧壁部分的上端位置之间的中间位置处的高度(在例如28英寸坩埚的情况下，高度位置H是距离坩埚的底部位置250毫米)。
气泡含量是通过作为坩埚内层的透明层(具有距离坩埚内表面1毫米的厚度的一部分)中每单位面积所占据的气泡面积来进行测定。
壁厚度是通过测量在测量高度位置处从坩埚外表面到内表面的壁厚度且计算其平均值来进行测定。
透射率是通过以下方程式来计算：
透射率(%)=W1/W0×100，
其中在红外线辐射装置与红外线测量仪器之间放置有坩埚的情况下，红外线数量是W1；且在红外线辐射装置与红外线测量仪器之间并未放置坩埚的情况下，红外线数量是W0。
实例1到3
根据表1中所示的条件来制造根据本发明的二氧化硅玻璃坩埚(内径：32英寸)，且接着提拉硅晶体。结果展示于表1中。
比较实例1到4
根据表1中所示的条件来制造二氧化硅玻璃坩埚(内径：32英寸)，且接着提拉硅晶体。结果展示于表1中。
表1
Figure BDA00001808972000061
从表1可见，在所有实例1到3中都获得不小于80%的结晶度而未引起硅熔体的液面波动和埚内表面的剥落。此外，在实例3中结晶度是80%，其中气泡含量、壁厚度和透射率中每一者的圆周最大容差大于3%但不大于6%，而在实例2中结晶度高达82%，其中圆周最大容差大于1.5%但不大于3%，以及在实例1中结晶度是最高84%，其中圆周最大容差不大于1.5%。另一方面，在比较实例1到3中的任一者中结晶度都不大于41%，这显著低于实例1到3的结晶度。尤其在气泡含量、壁厚度和透射率中每一者的圆周最大容差超过6%的比较实例4中，产生硅熔体的液面波动和坩埚内表面的剥落且结晶度是最低30%。

Claims (4)

1.一种用于提拉硅晶体的二氧化硅玻璃坩埚，其特征在于在所述坩埚的完整圆周上在同一高度位置处所测量的气泡含量和壁厚度中每一者的圆周最大容差不大于6%。
2.根据权利要求1所述的二氧化硅玻璃坩埚，其中所述气泡含量和所述壁厚度中每一者的圆周最大容差不大于3%。
3.根据权利要求1所述的二氧化硅玻璃坩埚，其中所述气泡含量和所述壁厚度中每一者的圆周最大容差不大于1.5%。
4.一种提拉单晶硅的方法，其包括使用根据权利要求1到3中任一权利要求所述的二氧化硅玻璃坩埚。
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