專利名稱：利用含雜質硅材料制備高純度單晶硅棒的設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種單晶晶體硅棒的制備設備，尤其是一種利用含雜 質硅材料制備高純度單晶硅棒的設備，這種單晶晶體硅棒主要被運用于太 陽能電池的生產。
背景技術：
隨著全球環境變暖和能源枯竭問題的日益突出，可再生的綠色能源受 到社會越來越多的關注。其中，可以將太陽光直接轉化為電能的太陽能電 池生產技術倍受重視。近年來，全球的太陽能生產規模不斷擴大，已經造 成硅材料的極端短缺。另外，太陽能技術的推廣應用的一大障礙就是成本 過高，而硅料成本過高是太陽能電池的成本過高的主要原因之一。因此， 利用含有雜質且成本相對較低的硅材料制備太陽能電池硅片成為必然趨
勢。這些含有雜質的硅材料，通常可能是直拉法即CZ (Czochralski)法單 晶拉制剩余的鍋底料、邊皮料和報廢料；可能是多晶鑄錠法剩余的頂邊、 邊皮料和報廢料；可能是西門子法或其它化學方法制備多晶硅時剩余的不 合格炭芯料等等其它各種雜質硅料。
含雜質硅料中所含的雜質一般是SiN， SiC， Si02等，這些雜質的形成 可能是硅料制備過程中的C還原Si02工藝，或西門子法制備多晶硅時的石 墨炭心，或直拉法單晶制備時單晶爐上部的隔絕輻射導流筒等石墨件的表 層老化剝落，或鑄錠多晶時坩堝噴涂材料中的SiN和SiC和粘結的有機物 高溫下分解形成的C基，或硅料化學處理過程中的雜質的混入。 近年來，對于利用低純度硅料，尤其是含有多種雜質成分的硅料來拉制高純度太陽能用單晶硅棒方面在現有技術中也有所報到。中國專利申請
200610155648 "直拉法生長硅單晶產生的鍋底料的除雜方法"公開了鍋底 料的除雜處理工藝，首先將硅料打碎到3-12mm碎粒狀，然后放入調配好的 除雜溶液的耐酸槽中。除雜溶液的配方為氟化氫、硝酸、醋酸溶液按1:3: 7 9的比例混合。硅粒在耐酸槽的除雜溶液中浸泡1 2小時以達到除去雜 質的目的。中國專利申請200680024565 "硅的再利用方法及利用該方法制 造的硅和硅錠"中描述了利用SiN和SiC比較輕的原理，首先粉碎頂料和 邊料，然后在頂料和邊料的定向凝固時，設計一個裝置在坩堝底部的硅液 中吹氣，將SiN等雜質帶到硅液表面，然后再使用定向凝固的辦法進行硅 錠提純。這些方法都是具有代表性的處理方法。雖然這些方法能夠大幅度 減少硅材料中的雜質成分，但是，這些提純方法很難完全去除硅材料內部 的雜質。所以，在太陽能晶體硅棒的實際生產實踐中，即使是使用這些經 過一次除雜處理過的硅料，還是常遇到由于雜質帶來硅液面抖動、硅液面 浮渣、單晶拉制長時間不能成晶，這樣就產生了浪費大量的生產產能和能 源的種種問題。同時，即使能夠成晶，成晶以后也常遇到分段和晶體質量 不合格的問題。在后續的切片工序中，可能造成由于雜質造成的硬點，而 導致硅片線切割時的斷線問題，以及晶體內雜質位錯造成的晶體內部高應 力，使得切片后硅片翹曲和易碎。
中國專利申請200620148936. x的"一種具有保護氣控制裝置的直拉單 晶爐"，公開了一種典型的現有技術的單晶爐體結構，這種爐體只有生長單 晶硅棒的功能，而沒有除雜功能，如果使用的硅材料具有稍多一些雜質， 這種爐子就只能作為先期的提純爐子來使用，這樣就既占用了寶貴的機器 生產時間，同時也消耗能源并造成機器和昂貴石墨件的折舊。所以生產企業迫切需要一種更為實際有效的適用方法和設備。
為了便于對本專利申請的理解，下面再介紹一下單晶硅生長中的直拉 法，直拉法的過程是這樣的將高純度的多晶硅原料裝進石英坩堝，然后 在低真空有流動惰性氣體保護下加熱溶化，熔化后將溫度降至硅結晶點 1420攝氏度左右，把一只有著生長方向的單晶硅(俗稱晶種)與硅溶液接 觸，然后再調整硅溶液溫度和晶種上升速度，使之緩慢結晶形成1根直徑 3-6毫米左右的細頸使硅原子按照晶種的排列方向排列，當細頸有一定長度 后，調整硅溶液溫度和晶種上升的速度使之緩慢長大，等長大接近所需直 徑時，提升晶種上升速度，使硅單晶等直徑生長，在硅單晶生長接近結束 時，提升晶種上升速度和調整溶液溫度，將硅單晶的直徑慢慢縮小成一個
錐狀體，當錐體的直徑接近10-15毫米左右時，將晶體與溶液脫離，這樣
晶體生長周期就完成了。流動排出的惰性氣體可帶走硅單晶溶液結晶時散
發的結晶潛熱和硅溶液揮發的一氧化硅顆粒。
實用新型內容
本實用新型要解決的技術問題是提供一種利用含有雜質的硅材料 制備生產高純度單晶硅棒的設備，克服現有設備對含雜硅材料除雜不 完全，而且將除雜和拉制分步進行帶來生產資源的極大浪費和產品質 量不穩定的缺陷。
本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是 一種利用含雜質硅 材料制備高純度單晶硅棒的設備，功能是使用直拉法在拉制單晶硅棒的 前期和/或同時還具有使用輔助提雜裝置對含雜硅溶液表面進行提取 雜質的功能。所述前期的提取雜質過程是指對含雜硅溶液拉制前先對 表面進行雜質提取；同時的提取雜質過程是指提取雜質和硅棒拉制同時進行或交替進行、也可以是這兩種形式的混合。
該設備具有爐體、爐體爐腔內的石墨坩堝、石墨坩堝下部的坩堝托 盤、石墨加熱器和石墨坩堝上部的保溫上蓋，所述保溫上蓋中部具有便于 硅棒拉出的通孔，在所述石墨坩堝的上部還設置有至少一個向下伸向石墨 坩堝堝內的雜質提取棒。
為了達到更好的提高雜質提取的效果，所述的雜質提取棒為兩個以 上，并且所述的兩個以上的雜質提取棒成環形等分設置。
這種雜質提取棒一種設置的方式是所述的雜質提取棒固定在保溫上 蓋上，這種方式的結構簡單，缺點是目標晶棒的拉制和輔助雜質提取過程 同時進行，無法保證輔助提雜不會影響目標晶棒的拉制。
另一種設置方式是，所述的雜質提取棒可上下移動并繞軸線旋轉式設 置于爐體的上部爐壁，雜質提取棒在爐體外具有伸出端，可以利用該伸出 端借助于人工或自動控制裝置對提雜過程進行控制，這樣可以更好的使提 雜過程不影響拉制過程，還可以從時間上相互錯開。
具體的說，為了有利于雜質的附著，所述的雜質提取棒為單晶硅
棒、多晶硅棒、石墨棒、覆蓋了硅材料的石墨棒、SiC棒或AU)3棒。
本實用新型的有益效果是，本實用新型的設備由于使用了輔助提雜 裝置，在晶棒拉制時同時進行雜質的提取，顯著提高單晶晶體硅棒的產 出率，減少后續硅片在制造工序中出現硬點和斷線的概率，提高了晶棒的 質量，降低太陽能級硅錠的制造成本。以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
圖1是本實用新型的可選實施例的結構示意圖；圖2是本實用新型的優選實施例的結構示意圖。
圖中1.爐體，2.石墨坩堝，3.坩堝托盤，4.保溫上蓋，5.硅棒， 6.雜質提取棒，7.硅溶液。
具體實施方式
下面再介紹兩種運用上述工藝方法的利用含雜質硅材料制備高純 度單晶硅棒的設備，具有爐體1、爐體1爐腔內的石墨坩堝2、石墨坩堝 2下部的坩堝托盤3、石墨加熱器4和石墨坩堝2上部的保溫上蓋4，保溫 上蓋4中部具有便于硅棒5拉出的通孔，在石墨坩堝2的上部還設置有向 下伸向石墨坩堝堝2內的雜質提取棒6。
附圖1為本實用新型的一種具體的結構示意圖，拉伸爐的進一步的 結構是這樣的，石墨保溫套筒與爐體1爐壁之間有可排廢氣的空隙通道， 在石墨保溫套筒上部開有排氣口，空隙通道的上接口與石墨保溫套筒上部 的排氣口相連通，空隙通道的下接口與爐爐體1爐壁下部的抽氣口連通。 石墨加熱器安置在石墨保溫套筒內，石墨坩堝2放置在坩堝托盤3上，石 英坩堝放置在石墨坩堝2內，保溫上蓋4放置在石墨保溫套筒上。在單晶 目標硅棒拉制裝置在運行時，能使單晶生長時保護氣體從單晶爐上部流下 來，從石墨保溫套筒上部的排氣口流出，順著爐體l爐壁和石墨保溫套筒 之間的空隙通道流到單晶爐底部，然后從單晶爐排氣口由真空泵排出。
引導裝置雜質提取棒6的上端被固定安裝在通孔縮小改造的保溫上蓋 4上，雜質提取棒6下端接觸熔化的硅熔液7液面。當目標硅棒5生長提升 時，坩堝內的硅熔液7液面自動下降，雜質提取棒6將可以自動提取拉高 硅料中的雜質物料到硅熔液7液面之外。為了得到優化的輔助提拉速度， 可以采用幾個雜質提取棒6 —起配合使用，顯然多個雜質提取棒6使用時宜將它們環形等分設置為好。
固定雜質提取棒6的保溫上蓋4是一種在高溫下具有一定機械強度的 材料，也可以是精制石英材料、石墨材料或石英石墨多層復合結構材料制
備的平板型或者穹頂型的蓋板，蓋板的中部有合適的孔洞以便于目標硅棒5 向坩堝外不斷拉出。圖1中畫出了平板型保溫上蓋4時的設備的結構示意圖。
這種設計的優點在于其設計實施非常簡單，但是它的局限性在于目標
硅棒5拉制和輔助雜質提取過程同時發生，無法保證輔助雜質提取過程不會 干擾目標硅棒5的拉制。所以它是本實用新型的可選方案，但不是最佳方 案。
附圖2為本實用新型的另一種具體的結構示意圖，單晶目標硅棒5拉 制裝置的運行與以上的實施例基本相同。輔助設置的雜質提純拉料裝置不 同，雜質提取棒6可上下移動并繞軸線旋轉式設置于爐體1的上部爐壁。 雜質提取棒6下端接觸熔化的硅熔液7液面。雜質提取棒6可通過自動化 控制上下活動和轉動，或者通過與外界操作人員的手動控制，靈活控制雜 質提取棒6接觸或者脫離硅熔液7液面。這里被提取的雜質物料的形狀大 小可以由機械控制裝置控制雜質提取棒6的上下運動和旋轉運動來實現。 機械控制裝置可設置在爐體1的外部，該裝置圖中沒有繪出，機械控制裝 置可以是電子自動機械控制，也可以是普通的手工機械控制。根據實際情 況輔助拉料提取雜質的過程要與目標晶棒的拉制過程在時間上錯開，以更 有利于拉制高質量的單晶棒。這種設計是本實用新型的優選方案。
上兩個實施例中的雜質提取棒6為單晶硅棒、多晶硅棒、石墨棒、覆 蓋了硅材料的石墨棒、SiC棒或Al203棒。本實用新型的設備使用直拉法在拉制單晶硅棒的前期和/或同時 還具有使用輔助提雜裝置對含雜硅溶液表面進行提取雜質的過程。前 期的提取雜質過程是指對含雜硅溶液拉制前先對表面進行雜質提取； 同時的提取雜質過程是指提取雜質和硅棒拉制同時進行或交替進行、 也可以是這兩種形式的混合。上述的這種工藝過程的具體運用由技術 操作人員按照具體情況具體運用，在此本申請人無需作具體說明。
本實用新型的主要發明點在于給出了一種在對單晶棒拉制的同時還實 現提純的設備，設備中述及的使用的是一種雜質提取棒，該提取棒應作提 取裝置來理解，而不應局限于一定是一種棒類零件。
權利要求1、一種利用含雜質硅材料制備高純度單晶硅棒的設備，具有爐體(1)、爐體(1)爐腔內的石墨坩堝(2)、石墨坩堝(2)下部的坩堝托盤(3)、石墨加熱器(4)和石墨坩堝(2)上部的保溫上蓋(4)，所述保溫上蓋(4)中部具有便于硅棒(5)拉出的通孔，其特征是在所述石墨坩堝(2)的上部還設置有至少一個向下伸向石墨坩堝堝(2)內的雜質提取棒(6)。
2、 根據權利要求1所述的利用含雜質硅材料制備高純度單晶硅棒的 設備，其特征是所述的雜質提取棒(6)為兩個以上，并且所述的兩 個以上的雜質提取棒(6)成環形等分設置。
3、 根據權利要求1或2所述的利用含雜質硅材料制備高純度單晶硅 棒的設備，其特征是所述的雜質提取棒(6)固定在保溫上蓋(4)上。
4、 根據權利要求1或2所述的利用含雜質硅材料制備高純度單晶硅 棒的設備，其特征是所述的雜質提取棒(6)可上下移動并繞軸線旋轉 式設置于爐體(1)的上部爐壁。
5、 根據權利要求1所述的利用含雜質硅材料制備高純度單晶硅棒的 設備，其特征是所述的雜質提取棒(6)為單晶硅棒、多晶硅棒、石墨 棒、覆蓋了硅材料的石墨棒、SiC棒或Al20s棒。
專利摘要本實用新型涉及一種單晶晶體硅棒的制備設備，尤其是一種利用含雜質硅材料制備高純度單晶硅棒的設備，克服現有設備對含雜硅材料除雜不完全、而且將除雜和拉制分步進行帶來生產資源的極大浪費和產品質量不穩定的缺陷，設備具有的功能是在運用直拉法拉制單晶硅棒的前期和/或同時還使用輔助提雜裝置對含雜硅溶液表面提取雜質，該設備具有爐體、爐體爐腔內的石墨坩堝、石墨坩堝下部的坩堝托盤、石墨加熱器和石墨坩堝上部的保溫上蓋，保溫上蓋中部具有便于硅棒拉出的通孔，在石墨坩堝的上部還設置有至少一個向下伸向石墨坩堝堝內的雜質提取棒。
文檔編號C30B15/00GK201381377SQ20092004147
公開日2010年1月13日 申請日期2009年3月31日 優先權日2009年3月31日
發明者強 黃 申請人:常州天合光能有限公司