CN201962402U - 一种多晶硅铸锭用石英坩埚 - Google Patents
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Abstract
目前，在多晶硅定向凝固生长***中晶核的形成就是在坩埚底部不均匀处随机生长一层无规则杂乱分布的晶核，晶核在生长成晶粒的过程中往往会受到周围其他相似晶粒的束缚，而没有充分自由生长的空间，使得晶粒的生长受到限制，最终得到的晶粒尺寸较小。本实用新型提供了一种多晶硅铸锭用石英坩埚，包括本体，其特征在于所述本体内壁的底部设有多个圆锥形凹坑。本实用新型避免了晶粒生长过程中的拥挤现象，有利于晶粒最大程度的利用周围空间生长，形成粗大、均一的晶粒，进而提高了多晶硅电池片的光电转换效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及多晶硅生产领域，具体地说一种多晶硅铸锭用石英坩埚。
背景技术
多晶硅的晶粒大小及形态与电池性能有着密切联系，大晶粒、均一的硅片有助于提高电池转化效率。要得到粗大、均一的晶粒，在晶体的生长过程中，初始的成核控制尤为重要。多晶硅理想的铸锭工艺就是在长晶过程中能控制晶核的生长，晶核以少、优为好，这样才能长出高质量的晶体。
石英坩埚作为盛装熔硅的容器被广泛的应用于多晶硅铸造领域。在多晶硅定向凝固生长***中，石英坩埚壁作为唯一存在的不均匀部位，对晶粒的非均匀成核及生长产生直接的影响，其生长过程如下所示。
假设硅固态晶核S同石英坩埚平面C接触（这里C为构成不均匀性的外来物）；令σSL代表晶核（S）同液态（L）间的单位表面能或称表面张力；σLC代表液态（L）同平面（C）间的单位表面能；σSC代表晶核（S）同平面（C）间的单位表面能。平衡时，设晶核（S）同液态（L）间的界面呈球状，晶核同面（C）间的接触角为θ，据热力学计算：△GS=△GH*（2-3cosθ+ cos3θ）/4=△GH f(θ)。
△GS表示形成晶核S后的自由能改变量。△GH表示均匀成核时，晶核半径为r的自由能改变量。从上式可看出，当0≤θ≤π，0≤f(θ)≤1，△GS<△GH，这表明坩埚壁的存在，有效的降低了临界晶核形成能，使晶核优先在这些不均匀部位形成。
目前，在多晶硅定向凝固生长***中晶核的形成就是在坩埚底部不均匀处随机生长一层无规则杂乱分布的晶核，正是由于这种杂乱分布使得晶核在生长成晶粒的过程中往往会受到周围其他相似晶粒的束缚，而没有充分自由生长的空间，使得晶粒的生长受到限制，最终得到的晶粒尺寸较小。
实用新型内容
为了克服现有石英坩埚底部成核的杂乱无章，不利于大尺寸、单一取向晶粒生长的不足，本实用新型提供一种对结构作了改进的多晶硅铸锭用石英坩埚，通过对石英坩埚底部的处理，使其不仅能满足正常的多晶硅铸锭需要，而且能控制坩埚底部硅熔体中晶核产生的位置及数量，促使其定点快速优先成核，使其能够按照一定的规律均匀分布，从而有利于晶粒生长空间的充分合理利用，易于形成粗大、均一的晶粒。
为此，本实用新型采用的技术方案如下：一种多晶硅铸锭用石英坩埚，包括本体，其特征在于所述本体内壁的底部设有多个圆锥形凹坑，圆锥形凹坑的圆锥角范围在90-120度，圆锥形凹坑尖端距本体外壁底部的距离为5-30mm，相邻圆锥形凹坑的中心距范围为10-600mm。
在晶体生长***中，为了在所希望的地方形成晶核，必须设置合理的驱动力场，即驱动力在空间的合理分布。合理的驱动力场应满足以下条件：只有晶体-流体界面邻近存在生长驱动力（即负驱动力），晶体生长；而同时***的其余各部分的驱动力为正的（即熔化驱动力），不利于成核。在本实用新型中，当***内温度降到多晶硅熔点以下时，坩埚底部圆锥形凹坑尖端处由于壁最薄，散热最好，降温最快，首先达到一定过冷度（负驱动力作用），此处熔体形成少量晶核并长大，此时***中其余各处仍为过热熔体（正驱动力作用），在这样的驱动力场中，就能保证熔体按照预期设计的位置及数量成核；同时生长速率快的晶粒会占有最大发展空间，并限制周围其他晶粒的生长，继而淘汰掉周围其他晶粒，从而避免晶粒生长过程中的拥挤现象，有利于晶粒最大程度的利用周围空间生长，形成粗大，均一的晶粒。
多晶硅晶核长大过程中，***内部同时存在横向及纵向的温度差。调整铸锭工艺使坩埚底部圆锥形凹坑处形成的少数晶核先水平扩张，再垂直生长。在此过程中我们希望得到单一取向的晶核，并在此晶核上生长单一取向的晶体。但实际上往往得不到单一取向的晶核，而是成核的同时存在着多个不同取向的晶核。这可以依靠晶面淘汰规律自然地将不同取向的晶核逐渐减少下来，最终达到一个或少量晶核生长的晶体。由于各种取向的晶面的生长速率不同，快面趋于隐没，慢面趋于显露，即表面能低的晶面吞并掉表面能高的晶面，最终只有少数单位表面能量小的晶面显露在外表，最终形成单一取向粗大晶粒。
（由于石英坩埚是用于盛放熔融多晶硅，无论是固态或是熔化后液态的硅原料，对坩埚底部都有很大的压应力，当多晶硅熔化以后，液态的压力作用在 上述的多晶硅铸锭用石英坩埚，考虑到石英坩埚在盛放多晶硅原料时，）圆锥形凹坑的底部尖角处具有弧度，去除毛刺，减少应力集中；圆锥形凹坑的倾斜处与本体内壁的底部之间的连接处具有弧度，去除毛刺，减少应力集中。
本实用新型的有益效果是：促使多晶硅结晶过程中石英坩埚底部熔硅定点快速优先成核，从而控制了晶核的形成位置及数量，并使其能够按照一定的规律均匀分布，从而避免晶粒生长过程中的拥挤现象，有利于晶粒最大程度的利用周围空间生长，形成粗大、均一的晶粒，进而提高了多晶硅电池片的光电转换效率。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图（局部剖）。
图2为本实用新型的剖面示意图。
具体实施方式
如图1所示的石英坩埚，本体1内壁的底部形成多个圆锥形凹坑2，根据坩埚尺寸的不同，一般加工5-50个。
如图2所示，T为圆锥形凹坑尖端距本体底部的距离，I和J为相邻圆锥形凹坑的中心距。通常工业生产中多晶硅铸锭所使用的本体底部厚度约为10-40mm，根据铸锭过程中热场分布状况，圆锥形凹坑的圆锥角一般选取90-120度，T一般选取5-30mm，I与J范围为10-600mm。在圆锥形凹坑的底部尖角处加工成一定的弧度，圆锥形凹坑的倾斜处与本体内壁的底部之间的连接处也加工成一定的弧度。
Claims (4)
1.一种多晶硅铸锭用石英坩埚，包括本体，其特征在于所述本体内壁的底部设有多个圆锥形凹坑。
2.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭用石英坩埚，其特征在于所述圆锥形凹坑的圆锥角范围在90-120度，圆锥形凹坑尖端距本体外壁底部的距离为5-30mm，相邻圆锥形凹坑的中心距范围为10-600mm。
3.根据权利要求1或2所述的多晶硅铸锭用石英坩埚，其特征在于圆锥形凹坑的
底部尖角处具有弧度。
4.根据权利要求1或2所述的多晶硅铸锭用石英坩埚，其特征在于圆锥形凹坑的倾斜处与本体内壁的底部之间的连接处具有弧度。
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