專利名稱：一種單晶硅結晶生長裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于太陽能光伏材料的技術領域，涉及單晶硅的生產工藝設備，更具體地 說，本發明涉及一種單晶硅結晶生長裝置。
背景技術：
近年來，隨著可再生能源技術的不斷進步及世界能源危機的爆發，促進太陽能電 池行業的快速發展。硅基材料太陽能電池約占整個太陽能電池85%以上的市場份額，專家 預計在可以預見的未來十年內，晶體硅太陽能電池依然是主流技術。其中，單晶硅太陽能電池是開發和應用最早、技術最成熟的太陽能電池技術。單晶 硅太陽能電池實驗室效率為23%，規模生產效率為16%左右。單晶硅太陽能電池市場份額 目前約占太陽能光伏產業的33%。2004年世界太陽能電池生產企業總產能達到1000MW以 上，同比增長35%。中國作為世界能源消耗第二大的國家也不例外，2006年底國內太陽能 電池生產能力已達200麗以上，2007年國內太陽能電池產量在300 350麗之間。專家預 測今后10年光伏組件的生產將以30%甚至更高的遞增速度發展。到2010年光伏發電的總 產量將達到5GW，到2030年將達到30GW，成為人類的基礎能源之一。隨著太陽能光伏產業的飛速發展，對提高光電轉換效率、降低成本的呼聲越來越 高。提高太陽能硅單晶的成品率，降低硅片成本成為降低太陽電池的重要環節，而降低單晶 氧碳含量是提高光電轉換效率的關鍵。通常，CZ直拉法所成長的硅單晶中約含1018atOm/Cm3濃度的氧，以及1016atOm/cm3 以下的碳。如圖1所示的傳統熱場的氣流方式，會造氣流的紊流區，不能迅速帶走有害氣 體。硅晶體的生長過程中，氧與碳的析出物會形成缺陷核，嚴重影響晶體的有序生長及晶體 的品質。
發明內容
本發明所要解決的問題是提供一種單晶硅結晶生長裝置，其目的是降低硅單晶內 部雜質含量，提高單晶制品的品質。為了實現上述目的，本發明采取的技術方案為本發明所提供的單晶硅結晶生長裝置，包括保溫系統、加熱系統、導流系統及支撐 裝置，所述的導流系統采用雙向氣流結構，所述的雙向氣流結構包括熱屏、上部排氣套筒和 下部氬氣出口。所述的上部排氣套筒設在上保溫筒位置，從爐體內通向爐體外；在爐體設有爐體 罩殼，所述的爐體與爐體罩殼之間的間隙構成氣流從爐體罩殼的下方排出的通道。所述的爐體的下部為密封的結構。
所述的熱屏為錐度結構，其上口大于下口。 所述的熱屏為復合式熱屏，所述的復合式熱屏采用雙層結構，S卩外導流筒和內導 流筒，所述的外導流筒與內導流筒之間設有間隙。
在所述的外導流筒和內導流筒之間，填充石墨碳氈。本發明采用上述技術方案，利用復合式熱屏結構特點，隨著保護氣體——氬氣的 流入，迅速帶走硅液表面的有害氣體，從而加速了 SiO及氧碳化合物的蒸發，使得進入固液 界面的氧的含量大大降低；雙向氣流的采用，改變了普通熱場的氣體流向，可以降低熱場內 部有害氣體對石墨件的腐蝕，減少了氧與石墨的接觸面積及時間，使得硅液表面的氧碳化 合物及有害氣體在下部氣體的流向帶動下迅速帶離熱系統，有效控制了晶體中的碳含量； 降低了雜質粒子進入固液界面的幾率，從而大大提升了晶體的成晶率。
下面對本說明書各幅附圖所表達的內容及圖中的標記作簡要說明圖1為本說明書背景技術涉及的熱場的氣流示意圖；圖2為CZ法硅單晶氧的流向示意圖；圖3為本發明的結構示意圖；圖4為本發明中的氣體流向示意圖。圖中標記為1、上部排氣套筒，2、下部氬氣出口，3、熱屏，4、上保溫筒，5、爐體，6、外導流筒，7、 內導流筒，8、石墨碳氈，9、坩堝，10、爐體罩殼。
具體實施例方式下面對照附圖，通過對實施例的描述，對本發明的具體實施方式
如所涉及的各構 件的形狀、構造、各部分之間的相互位置及連接關系、各部分的作用及工作原理、制造工藝 及操作使用方法等，作進一步詳細的說明，以幫助本領域的技術人員對本發明的發明構思、 技術方案有更完整、準確和深入的理解。如圖3所表達的本發明的結構，為一種單晶硅結晶生長裝置，包括保溫系統、加熱 系統、導流系統及支撐裝置。是進行硅多晶體熔融、結晶生長成單晶體(切克勞斯基法CZ 直拉單晶法)的熱系統。為了解決在本說明書背景技術中所述的現有技術中存在的問題，實現降低硅單晶 內部雜質含量，提高單晶制品的品質的發明目的，本發明提出了如下的技術措施本發明所提供的單晶硅結晶生長裝置，所述的導流系統采用雙向氣流結構，所述 的雙向氣流結構包括熱屏3、上部排氣套筒1和下部氬氣出口 2。本發明所述的上部排氣套筒1設在上保溫筒4位置，從爐體5內通向爐體5外；在 爐體5設有爐體罩殼10，所述的爐體5與爐體罩殼10之間的間隙構成氣流從爐體罩殼10 的下方排出的通道。以上所述的爐體5的下部為密封的結構。圖4是采用本發明后的氣流流向示意圖。在單晶硅的生產中，CZ直拉法所成長的硅單晶中約含1018atOm/Cm3濃度的氧，以 及1016atOm/Cm3以下的碳。硅晶體的生長過程中，氧與碳的析出物會形成缺陷核嚴重影響 晶體的有序生長及品質，所以控制晶體內的氧、碳含量是CZ法硅單晶控制其品質的主要手 段。但要控制熱系統內晶體的氧、碳含量，必須要知道氧、碳的來源。
以下是CZ直拉法硅單晶生產方法中，氧、碳的來源的分析一、氧的來源CZ法生長的硅單晶，其氧的來源主要是石英坩堝，而其路徑有四個 方面1、硅與石英坩堝接觸而產生— Si+20 ；2、因溶液中溫度與濃度的分布，由硅液自然對流和強迫對流而產生的氧的移動；3、溶液表面蒸發的氧Si+Ο — SiO ；4、從成長界面的溶液擴散層，往結晶中的偏析而決定CZ法硅單晶中的氧含量。如 圖2所示，X = Y+Z，其中，X為進入硅溶液內的氧；Y為硅液表面蒸發至固液表面外的氧；Z 為融入固液界面中進入到晶體內的氧。從石英坩堝進入硅溶液內的氧大部分(99%以上)從硅液表面蒸發至固液表面 外，只有極小部分融入固液界面中進入到晶體內，所以降低晶體內氧的含量的最有效手段， 就是抑制熱系統內氧的蒸發和輸送。二、碳的來源CZ法硅單晶中碳含量的來源主要有以下幾個方面1、大量的硅多晶溶液表面與氣體接觸；2、大量石墨部品的應用及高溫下碳的釋放；3、保溫場及氣體流暢的設計對CO的排放效率；4、硅多晶本身的碳含量。CZ法硅晶體的成長中，由于溶液不斷的固化，液體表面的自由境界層不斷的由結 晶所吸收，加上溶液面積的不斷減少，及部分蒸發的效果，使得結晶中碳含量只剩硅溶液本 身與石英坩堝釋放出氧的反應殘余進入晶體中而降低，但主要來源反而是加熱系統與保溫 系統及氧的反應產生的CO及C02成為主要污染源。四、綜上所述，要控制晶體內碳的含量主要從以下幾個方面控制1、抑制CO從石墨部品的析出，及控制石墨部品的表面積；2、改善氣流場及改善抽氣系統，使CO順利的排除；3、多晶溶解后到晶棒成長時間的縮短，抑制CO與氧氣的反應；4、控制溶液的流動，促進CO的蒸發。五、本發明的效果本發明引入雙向導流熱場，如圖3所示，恰恰解決上述問題。首先利用復合式熱屏 結構特點，隨著保護氣體一氬氣的流入迅速帶走硅液表面的有害氣體，從而加速了 SiO及 氧碳化合物的蒸發使得進入固液界面的氧的含量大大降低。六、硅單晶生長裝置的結構特點及優點本雙向氣流硅晶體生長裝置有以下特點1、采用與傳統氣流方式不同，采用上部排氣系統，避免紊流區；2、采用上下雙重氣流保護硅單晶成長。硅單晶生長裝置的優點1、雙向氣流的采用改變了普通熱場的氣體流向，可以降低熱場內部有害氣體對石 墨件的腐蝕，減少了氧與石墨的接觸面積及時間，使得硅液表面的氧、碳化合物及有害氣體 在下部氣體的流向帶動下迅速帶離熱系統，有效控制了晶體中的碳含量。2、減少降低了雜質粒子進入固液界面的幾率，從而大大提升了晶體的成晶率。5
七、復合式熱屏的結構本發明所述的熱屏3為錐度結構，其上口大于下口。導流裝置采用斜面反射角度， 使得熱輻射的反射率增加。上述的熱屏3為復合式熱屏，所述的復合式熱屏采用雙層結構，即外導流筒6和內 導流筒7，所述的外導流筒6與內導流筒7之間設有間隙。在所述的外導流筒6和內導流筒7之間，填充石墨碳氈8。增加了熱導流筒內外層 的間隙，在外導流筒6和內導流筒7之間填充石墨碳氈8，改變導流外筒的斜面角度，增加導 流筒的熱輻射反射效果，降低散熱。上面結合附圖對本發明進行了示例性描述，顯然本發明具體實現并不受上述方式 的限制，只要采用了本發明的方法構思和技術方案進行的各種非實質性的改進，或未經改 進將本發明的構思和技術方案直接應用于其它場合的，均在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種單晶硅結晶生長裝置，包括保溫系統、加熱系統、導流系統及支撐裝置，其特征 在于所述的導流系統采用雙向氣流結構，所述的雙向氣流結構包括熱屏(3)、上部排氣套 筒⑴和下部氬氣出口 O)。
2.按照權利要求1所述的單晶硅結晶生長裝置，其特征在于所述的上部排氣套筒(1) 設在上保溫筒(4)位置，從爐體(5)內通向爐體(5)外；在爐體(5)設有爐體罩殼(10)，所 述的爐體(5)與爐體罩殼(10)之間的間隙構成氣流從爐體罩殼(10)的下方排出的通道。
3.按照權利要求2所述的單晶硅結晶生長裝置，其特征在于所述的爐體(5)的下部 為密封的結構。
4.按照權利要求1或2或3所述的單晶硅結晶生長裝置，其特征在于所述的熱屏(3) 為錐度結構，其上口大于下口。
5.按照權利要求4所述的單晶硅結晶生長裝置，其特征在于所述的熱屏(3)為復合 式熱屏，所述的復合式熱屏采用雙層結構，即外導流筒(6)和內導流筒(7)，所述的外導流 筒(6)與內導流筒(7)之間設有間隙。
6.按照權利要求5所述的單晶硅結晶生長裝置，其特征在于在所述的外導流筒(6) 和內導流筒⑵之間，填充石墨碳氈(8)。
全文摘要
本發明公開了一種單晶硅結晶生長裝置，包括保溫系統、加熱系統、導流系統及支撐裝置，所述的導流系統采用雙向氣流結構，所述的雙向氣流結構包括熱屏(3)、上部排氣套筒(1)和下部氬氣出口(2)。采用上述技術方案，迅速帶走硅液表面的有害氣體，加速SiO及氧碳化合物的蒸發，使得進入固液界面的氧的含量大大降低；雙向氣流的采用，改變了普通熱場的氣體流向，可以降低熱場內部有害氣體對石墨件的腐蝕，減少了氧與石墨的接觸面積及時間，使得硅液表面的氧碳化合物及有害氣體在下部氣體的流向帶動下迅速帶離熱系統，有效控制了晶體中的碳含量；降低了雜質粒子進入固液界面的幾率，從而大大提升了晶體的成晶率。
文檔編號C30B15/14GK102041549SQ200910184959
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月22日 優先權日2009年10月22日
發明者張笑天, 馬四海 申請人:蕪湖升陽光電科技有限公司