一種硅太陽能低氧、低光衰單晶熱場的制作方法

本發明屬于硅太陽能拉晶技術，具體涉及一種硅太陽能低氧、低光衰單晶熱場。

背景技術：

拉晶是熔融的單質硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結合起來便結晶成單晶硅。

硅太陽能拉晶行業一般采用直拉法進行拉晶，直拉法需要通過石墨加熱器產生熱量，通過熱量輻射將爐內石英堝承載的硅料加熱達到1420℃熔化成液體，然后再在一定狀態下，利用直拉法生產出單晶。

在采用直拉法生長硅單晶的過程中，硅單晶生長的成功與否以及質量的高低是由熱場的溫度分布決定的。溫度分布合適的熱場，不僅硅單晶生長順利，而且品質較高；如果熱場的溫度分布不合理，生長硅單晶的過程中容易產生各種缺陷，影響質量，情況嚴重的會出現變晶現象而生長不出來單晶。因此，對單晶爐熱場進行系統的分析，有助于優化晶體生長的工藝流程，提高晶體的成品質量。

單晶爐常規熱場的化學反應式如下：

石英堝在高溫下SiO₂不斷反應產生O₂，硅棒中99％的氧含量主要受此影響，但是，經研究分析表明，這樣會導致常規熱場生產的硅棒頭部氧含量超標，高出標準的硅棒頭部不能作為合格成品，只能切掉，切掉的當料重復利用，造成了非硅成本的浪費。

目前，從市場硅片發展的趨勢來看，客戶要求硅片在衰減、氧含量指標方面進行降低，以提高硅片的內在品質。然而，由于單晶爐常規熱場存在以上問題，使得生產出的硅片無法滿足客戶的需求。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種可以提高硅片品質、降低人工成本的硅太陽能低氧、低光衰單晶熱場。

本發明的目的通過以下的技術措施來實現：一種硅太陽能低氧、低光衰單晶熱場，包括拉晶爐的工作腔和設于工作腔內的石墨加熱器，石墨加熱器的瓣沿著工作腔的內部圓周設置而圍括住用于盛放硅料的坩堝，其特征在于：所述石墨加熱器采用對應于坩堝中上部的主加熱器和對應于坩堝下部的副加熱器，所述主加熱器和副加熱器分別由兩個電源獨立控制，所述副加熱器位于主加熱器的正下方，所述主加熱器的瓣和副加熱器的瓣所分別圍括成的筒體同軸等徑，且所述主加熱器和副加熱器的瓣之間具有間隙，在化料階段，所述主加熱器和副加熱器同時開啟工作，主加熱器和副加熱器的功率之比為2：1～3：1，在拉晶階段，降低主加熱器和副加熱器的功率，且主加熱器的功率大于副加熱器的功率，使硅料處于結晶點，由主加熱器主要控制整個拉晶時熱場溫度，從而使熱對流強度減弱，以減緩石英堝的反應速度，降低由于石英堝與硅進行化學反應所產生的氧及雜質。

本發明在與常規熱場相同的空間內采用由兩個電源獨立控制的兩個石墨加熱器，在化料階段，分別按照工藝設定的功率同時進行加熱，產生熱量輻射，將石英堝內的硅料熔化成液體，而在引晶、等徑等拉晶階段，由于工藝所需要的功率大幅度下降，因此降低主加熱器的功率和副加熱器的功率，使熱場梯度發生變化(即熱對流強度減弱)，降低熱場內部溫度，以減緩石英堝的反應速度，降低由于石英堝與硅反應所產生的氧及雜質，減少石英堝反應產生的金屬雜質熔入到硅液中，從而降低硅棒氧含量、降低氧施主硅片產出比例，提高硅棒少子壽命，使電池片環節的LID衰減降低。另外，本發明硅棒的氧含量全部達標，避免了硅棒頭部氧含量偏高反切造成的非硅成本的浪費。

本發明的熱場總功率按照工藝推算的熱點位置比例分配主副加熱器所需要的各自功率，熱場中的熱點位置是虛擬的，本發明熱場中的熱點位置實際上偏離了常規熱場的熱點位置，為了盡可能與之保持一致，需要比例分配主副加熱器所需的各自功率。

本發明的工作原理是：在正常工藝情況下氧可以與空位結合，形成微缺陷；也可以團聚形成氧團簇，具有電學性能；還可以形成氧沉淀，引入誘生缺陷。這些都可能對單晶硅的性能產生影響。而本發明通過熱場變動使晶體在生長過程中，氧進入晶體內部減少，產出的硅棒可以全部在標準范圍內，同時可以提高單晶硅的性能。

本發明在化料階段，主加熱器的功率是85±8KW，副加熱器的功率是35±8KW，主加熱器和副加熱器的加熱時間為5±2小時；在拉晶階段，主加熱器的功率是55±15KW，副加熱器的功率是0～35KW，主加熱器和副加熱器的加熱時間為5±2小時。

作為本發明的一種實施方式，在拉晶階段，降低副加熱器的功率至零，即關閉副加熱器，此時，由主加熱器完全控制整個拉晶時熱場溫度。

作為本發明的一種優選實施方式，所述主加熱器的瓣為長短間隔設置，即長瓣和短瓣間隔設置，所述長瓣和短瓣分別為數對，每對中的兩個長瓣相對設置，每對中的兩個短瓣也相對設置。本發明主加熱器的瓣設置為長短瓣間隔設置，可以改變熱場梯度。

作為本發明的一種優選實施方式，所述主加熱器的長瓣和短瓣的長度之比是大于1：1且小于或等于1.9：1。

作為本發明的一種優選實施方式，所述副加熱器的瓣的長度相同。

作為本發明的一種優選實施方式，所述主加熱器的短瓣的長度大于所述副加熱器的瓣的長度。

為了避免成本浪費，作為本發明的一種改進，用于控制副加熱器的電源還控制處于其它拉晶爐工作腔內的副加熱器。

與現有技術相比，本發明具有如下顯著的效果：

⑴本發明可以減緩石英堝的反應速度，降低由于石英堝與硅反應所產生的氧及雜質，減少石英堝反應產生的金屬雜質熔入到硅液中，從而降低硅棒氧含量、降低氧施主硅片產出比例，提高硅棒少子壽命，使電池片環節的LID衰減降低，提高市場認可度。

⑵本發明的熱場工藝降低了坩堝底部溫度，可減緩內部石英器件反應產生的氧的量，使硅棒頭部氧含量全部達到標準8.8×10E17atoms/cm³以下，最低可做到6.0×10E17atoms/cm³左右，相對降幅在28％左右；B-O復合的減少，使頭部硅棒在電池環節的LID可以降低0.64％左右。

⑶本發明硅棒的氧含量全部達標，避免了硅棒頭部氧含量偏高反切造成的非硅成本的浪費。

⑷本發明氧含量的降低可以減少氧與空位結合形成微缺陷，減少氧沉淀引入誘生缺陷等問題，提高單晶硅性能。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。

圖1是設置本發明的拉晶爐的結構示意圖；

圖2是本發明主加熱器和副加熱器的軸向剖視圖；

圖3是本發明實施例1生產的摻硼硅棒測試單根氧含量趨勢圖；

圖4是常規熱場生產的摻硼硅棒測試單根氧含量趨勢圖；

圖5是本發明實施例1和常規熱場電池環節電池測試衰減對比圖；

圖6是本發明實施例1和常規熱場電池環節電池測試效率對比圖；

圖7是本發明實施例2生產的摻稼料硅棒測試單根氧含量趨勢圖；

圖8是常規熱場生產的摻稼料硅棒測試單根氧含量趨勢圖。

具體實施方式

實施例1

如圖1、2所示，本發明一種硅太陽能低氧、低光衰單晶熱場，包括拉晶爐1的工作腔2和設于工作腔2內的石墨加熱器，石墨加熱器的瓣沿著工作腔2的內部圓周設置而圍括住用于盛放硅料的坩堝，石墨加熱器采用對應于坩堝中上部的主加熱器3和對應于坩堝下部的副加熱器4，主加熱器3和副加熱器4分別由兩個電源獨立控制，用于控制副加熱器4的電源還控制處于其它拉晶爐工作腔內的副加熱器。副加熱器4位于主加熱器3的正下方，主加熱器3的瓣和副加熱器4的瓣6所分別圍括成的筒體同軸等徑，且主加熱器3和副加熱器4的瓣和瓣6之間具有間隙7，在化料階段，主加熱器3和副加熱器4同時開啟工作，主加熱器3和副加熱器4的功率之比為2：1，在本實施例中，主加熱器3的功率是86KW，副加熱器4的功率是43KW，加熱時間為5小時，在拉晶階段，降低主加熱器3和副加熱器4的功率，且主加熱器3的功率大于副加熱器4的功率，在本實施例中，降低副加熱器4的功率至零，即關閉副加熱器4，主加熱器3的功率是55KW，加熱時間是5小時，使硅料處于結晶點，此時，由主加熱器3完全控制整個拉晶時熱場溫度，從而使熱對流強度減弱，以減緩石英堝的反應速度，降低由于石英堝與硅進行化學反應所產生的氧及雜質。

在本實施例中，主加熱器3的瓣為長短間隔設置，即長瓣31和短瓣32間隔設置，長瓣31和短瓣32分別為數對，每對中的兩個長瓣31相對設置，每對中的兩個短瓣32也相對設置。本發明主加熱器的瓣設置為長短瓣間隔設置，可以改變熱場梯度。主加熱器3的長瓣31和短瓣32的長度之比是1.5：1，副加熱器4的瓣6的長度相同，主加熱器3的短瓣32的長度大于副加熱器4的瓣6的長度

將本發明熱場生產的三根摻硼硅棒和由常規熱場生產的三根摻硼硅棒進行比較，按每個硅棒長度位置進行取樣片進行氧含量測試，同時選擇一臺對比爐子(常規熱場)按相同方式取樣并進行對比。

如圖3、圖4所示，三條不同線型分別代表三根硅棒，圖3中，分別是160#01(用圓點構成的虛線表示)、160#04(用實線表示)和160#05(用線段構成的虛線表示)，圖4中，分別是150#12(用實線表示)、150#14(用線段構成的虛線表示)和150#01(用圓點構成的虛線表示)，橫軸表示硅棒的長度，單位是mm，縱軸表示硅棒的氧含量，單位是atoms/cm³。可以看出，由常規熱場制作的硅棒氧含量頭高尾低，由本發明熱場制作的硅棒頭部氧含量和尾部氧含量持平或略低。由常規熱場制作的硅棒頭部氧含量為9.22×10E17atoms/cm³，通過使用本發明熱場，可以使硅棒頭部氧含量降至6.43×10E17atoms/cm³，降幅為30％左右。

上述試驗結果表明由本發明低氧、低光衰單晶熱場制作的摻硼硅棒頭部氧含量降幅明顯，全部在拉晶行業規定的氧含量8.8×10E17atoms/cm³以下。

將由本發明熱場生產的三根摻硼硅棒隨機選擇1根，分頭、中、尾，常規熱場按相同方式取樣，然后切片在電池端進行嚴格實驗，并按照要求測試衰減情況，具體步驟如下：

1、按照頭、中、尾嚴格區分硅片，將實驗片(由本發明熱場制作的硅棒切片)和對比片(由常規熱場制作的硅棒切片)同時在電池環節進行生產，將其全部做成成品電池片。

2、按照電池測試衰減要求，分頭、中、尾進行測試衰減。

測試結果如圖5所示，實線表示由本發明熱場生產的摻硼硅棒，切片在電池端測試的衰減數據；虛線表示由常規熱場生產的摻硼硅棒，切片在電池端測試的衰減數據；橫軸表示硅棒的頭、中及尾部位置，縱軸表示衰減幅度。從圖中可以看出，由本發明熱場生產的摻硼硅棒頭部衰減下降最大。

根據該測試結果并結合圖3所示的實驗結果，表明由本發明熱場制作的硅棒氧含量的降低，可以使電池片的LID明顯降低，跟硅棒氧含量降幅趨勢相同，主要是硅棒頭部衰減降幅為0.64％。

將本發明熱場生產的摻硼硅棒隨機選擇1根，分頭、中、尾，常規熱場爐按相同方式取樣，然后切片在電池端進行嚴格對比效率。

具體步驟如下：

1、按照頭、中、尾嚴格區分硅片，將實驗片(由本發明熱場生產的硅棒切片)和對比片(由常規熱場生產的硅棒切片)同時在電池環節進行生產，將其全部做成成品電池片。

2、其中，實驗片中的頭、中、尾都是獨立區分，分別統計電性。

如圖6所示，虛線表示由本發明熱場生產的摻硼硅棒，切片在電池端測試的效率數據；實線表示由常規熱場生產的摻硼硅棒，切片在電池端測試的效率數據；橫軸表示硅棒的頭、中及尾部位置，縱軸表示效率幅度。根據該組測試結果并結合的圖3所示的實驗結果，硅棒頭部氧含量降低幅度越大帶來的電性越有優勢。其中，硅棒頭部具有提高0.15％效率的優勢。

實施例2

本實施例與實施例1的不同之處在于：將本發明熱場由摻硼切換成摻稼料，其余參數不變，每爐生產的硅棒按硅棒長度位置進行取樣片進行氧含量測試；同時選擇一臺對比爐子(采用常規熱場的拉晶爐)按相同方式取樣并進行對比。

如圖7和圖8所示，采用兩條不同線型分別代表兩根硅棒，圖7中，分別是160#01(用實線表示)和160#03(用線段構成的虛線表示)，圖8中，分別是150#08(用實線表示)和158#03(用線段構成的虛線表示)，橫軸表示硅棒的長度，單位是mm，縱軸表示硅棒的氧含量，單位是atoms/cm³。可以看出由常規熱場生產的硅棒氧含量頭高尾低，而由本發明熱場生產的硅棒頭部氧含量和尾部氧含量持平或略低。由常規熱場制作的硅棒頭部氧含量為8.77×10E17atoms/cm³，通過使用本發明的熱場，可以使硅棒頭部氧含量降至6.90×10E17atoms/cm³，降幅為21％左右。

上述試驗結果表明，本發明低氧、低光衰單晶熱場摻稼硅棒頭部氧含量同樣降幅明顯。

再將本發明熱場生產的摻稼硅棒隨機選擇1，分頭、中、尾，常規熱場爐按相同方式取樣，然后切片在電池端進行嚴格實驗，并按照要求測試衰減情況，具體步驟和實施例1相同。測試結果顯示，硅棒頭部衰減下降最大。

按照該測試結果并結合圖7所示的實驗結果，表明本發明熱場制造的硅棒氧含量的降低，可以使電池片的LID明顯降低。跟硅棒氧含量降幅趨勢相同。主要是頭部降幅0.64％。

再將本發明熱場生產的摻硼硅棒隨機選擇1根，分頭、中、尾，常規熱場爐按相同方式取樣，然后切片在電池端進行嚴格對比效率。具體步驟和實施例1相同。

根據該組測試結果并結合的圖7所示的實驗結果，硅棒頭部氧含量降低幅度越大帶來的電性越有優勢。其中，硅棒頭部可以提高0.15％效率的優勢。

本發明的實施方式不限于此，根據本發明的上述內容，按照本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本發明上述基本技術思想前提下，本發明在化料階段，主加熱器和副加熱器的功率之比為2：1～3：1，主加熱器的功率是85±8KW，副加熱器的功率是35±8KW；在拉晶階段，主加熱器的功率是55±15KW，副加熱器的功率是0～35KW；在化料階段，主加熱器和副加熱器的加熱時間為5±2小時，在拉晶階段，主加熱器和副加熱器的加熱時間為5±2小時。主加熱器的長瓣和短瓣的長度之比是大于1：1且小于或等于1.9：1。因此，本發明還可以做出其它多種形式的修改、替換或變更，均落在本發明權利保護范圍之內。