專利名稱：用直拉區熔法制備6英寸n型太陽能硅單晶的方法
技術領域：
本發明涉及硅單晶的制備工藝，特別涉及一種用直拉區熔法制備6英寸N型太陽能硅單晶的方法。
背景技術：
目前，用于硅太陽能電池的主體功能材料主要由區熔單晶硅、直拉單晶硅、直拉多晶硅、澆鑄多晶硅進行不同級別(光電轉換效率)的硅太陽能電池生產。未來，全球硅太陽能電池的發展和產品構成將趨于考慮成本和效率兩方面的因素，由于用傳統的制備方法生產的硅單晶具有氧、碳含量高等缺點，硅單晶普遍出現非平衡少數載流子壽命低，最終使太陽能電池的成本/輸出瓦特比值較大，市場優勢不明顯。專利號為ZL00105518. 6的中國專利公開了一種生產硅單晶的直拉區熔法，即CFZ 硅單晶法。硅單晶在直拉過程中可引入高氧含量達1018atm/cm3，經過區熔一次成晶后，硅單晶氧含量降為1016atm/cm3，硅單晶完全達到了國家標準。直拉區熔的同時可以經過直拉多晶棒料預摻雜N型或者P型雜質，極大的提高了區熔爐的產能，降低了區熔硅單晶的生產周期和生產成本。但是硅單晶電阻率分布難以準確控制，合格率較低。專利號為CN1333114C，名稱為《氣相摻雜區熔硅單晶的生產方法》的專利文件公開了氣相摻雜區熔硅單晶的生產方法，產品氧、碳含量較低，所以其捕獲中心較少，制作的太陽能電池轉化效率也較高。但是唯一的缺點是成本太高，只能用于軍用或航天等特殊領域， 難以大規模生產。上述兩種方法單獨應用時均不能達到生低成本、高合格率太陽能硅單晶的要求， 因此，為改變上述工藝的不足，申請號為的201110306525. 4的《用直拉區熔法制備6英寸P 型太陽能硅單晶的方法》專利有效解決了上述問題，但該技術只適用于P型太陽能電池用硅單晶的生產，而不能解決N型太陽能電池用硅單晶的生產。這是因為其所采用的摻雜劑為硼烷，其熱分解溫度為300°C，在硅中的分凝系數為0.8。而N型太陽能電池生產中，所用摻雜劑為磷烷，熱分解溫度為375°C，所以導致氣摻過程中摻雜劑的摻雜性能完全改變，需要重新進行試驗探索；而且磷在硅中的分凝系數為0. 5，所制造的硅單晶電阻率均勻性較差。 需要開發新的工藝來解決N型太陽能用硅單晶的生產問題。
發明內容
本發明的目的就是為克服現有技術的不足，針對特殊電阻率要求的N型太陽能硅單晶的制備要求，提供一種用直拉區熔法制備6英寸N型太陽能硅單晶的方法，運用氣相摻雜區熔硅單晶方法結合直拉硅單晶生產方法，通過控制拉晶工藝參數范圍，抽空充氣，摻雜氣體濃度，摻雜氣通入流量，使工藝方法滿足生產6英寸N型太陽能硅單晶的要求。相比于P型太陽能用硅單晶，拉制N型太陽能用硅單晶時，摻雜氣磷烷熱分解溫度較高，會有更高比例的摻雜劑進入硅單晶中，所以，需要降低其通入流量；同時由于磷在硅中偏析系數較大，需要在氣摻過程中，需要相對更劇烈地降低摻雜氣的通入量以保證電阻率的一致性。本發明為實現上述目的，所采用的技術方案是一種用直拉區熔法制備6英寸N 型太陽能硅單晶的方法，其特征在于，首先用直拉法進行硅多晶料的拉制；然后進行錠形加工、清洗腐蝕，再用區熔氣摻的方法繼續拉制摻雜的硅單晶，所述方法包括如下步驟
步驟1、清理爐膛，將塊狀硅多晶料裝入直拉爐中的石英坩堝內，然后抽真空、充氬氣， 經30 60分鐘抽真空到壓力< 100毫乇，漏率< 50時充氬氣至真空壓力< 14乇； 步驟2、啟動加熱，將塊狀硅多晶全部熔化后，下降籽晶將籽晶與硅熔體相熔接； 步驟3、液面穩定后進行拉細頸；用籽晶從熔融狀的多晶料中拉出一段直徑為2 5mm， 長度為80 120mm的細頸；
步驟4、下降籽晶升速，設定晶升速度為0. 3 0. 6mm/min進行放肩，用40 70分鐘時間，將拉晶直徑從細頸的2 5mm擴大到140mm 150mm ；
步驟5、降低晶升速度進行轉肩，之后控制拉晶速度進行等徑拉晶； 步驟6、降低晶體拉速進行收尾；收尾過程時間為1. 5 2. 5小時； 步驟7、提高晶體離開液面，之后進行停爐操作，待冷卻3 5小時后，將多晶棒料出
爐；
步驟8、將出爐后的多晶棒進行錠形加工，即對用直拉法拉制的多晶料進行滾磨、刻槽、 磨頭加工，使其符合區熔用料要求，清洗腐蝕后裝入區熔爐內晶體夾持器上，將籽晶裝入籽晶固定夾頭上，
步驟9、進行摻雜氣通入量設定，磷烷氣體會在流量計控制下按照通入量設定值進入爐室，關閉爐門抽真空充氬氣，充氬氣完畢后，對多晶棒進行預熱；
步驟10、預熱結束后，進行化料，多晶料熔化后，將籽晶與熔硅進行熔接，熔接后對熔區進行整形，引晶；
步驟11、引晶結束后，進行細頸的生長，細頸直接在2 6mm，長度在30 60mm ；之后開始擴肩并通入摻雜氣；
步驟12、擴肩到要求的直徑后轉肩，之后單晶保持，開始等徑生長； 步驟13、單晶拉制尾部，開始進行收尾，單晶收尾后停止磷烷摻雜氣體的充入，當收尾到單晶的直徑達到需要值時，將熔區拉開，這時使設備中拉著單晶的下軸繼續向下運動，而帶著多晶料的上軸改向上運動，并關閉氬氣；
步驟14、10 40分鐘后，晶體尾部由紅色逐漸變黑色后，進行拆清爐； 所述摻雜氣通入量設定為，摻雜氣流量在0. 08 0. 02slpm范圍內逐漸降低，氣源的濃度為140 MOppm。本發明的有益效果是運用氣相摻雜區熔硅單晶方法結合直拉硅單晶生產方法， 通過控制抽空充氣，摻雜氣體濃度，摻雜氣通入量，拉晶工藝參數范圍，使工藝方法滿足了生產6英寸N型太陽能硅單晶的要求。
圖1為本發明工藝流程圖。
具體實施方式
為了更清楚的理解本發明，結合附圖和實施例詳細描述本發明
如圖1所示，一種用直拉區熔法制備6英寸N型太陽能硅單晶的方法，包括用直拉的方法清理直拉爐膛、裝料、抽真空、充氬氣、加熱化料、熔接、拉細頸、放肩、轉肩、等徑、收尾、提離停爐、出爐；然后進行錠形加工、清洗腐蝕，符合區熔用料標準后，用區熔的方法繼續拉制氣摻單晶，包括設置摻雜氣體量、抽空、充氣、預熱、化料、引晶、細頸生長、擴肩并打開摻雜氣、轉肩、保持、收尾、停摻雜氣、停爐。實施例的具體步驟如下
A.將45公斤腐蝕、清洗干凈的塊狀硅多晶料裝入直拉爐中的石英堝內，關閉爐門，進行抽空檢漏，經30 60分鐘抽真空到壓力(100毫乇，漏率< 50時充氬氣至真空壓力(14 壬左右。B.加熱前確保通冷卻水，啟動加熱按鈕，約需3. 5小時加熱至1500°C 1600°C使塊狀多晶料全部熔化成熔融狀態后開動籽晶旋轉機構，下降籽晶，熔接籽晶。C.進行液面穩定化，經過30分鐘時間用籽晶從熔融狀的多晶料中拉出一段直徑約為3mm，長度約為120mm的細頸。D.下降籽晶升速，開啟晶升轉換按鈕，用直徑控制器控制拉速，60分鐘左右將拉晶直徑從細頸的3mm左右擴大到140mm 150mm，本實施例為150mm，即放肩。E.控制拉晶速度進行轉肩，之后進行20小時的等徑生長過程。F.降低拉速，經2. 5小時左右收尾。G.提高晶體離開液面，點停爐按鈕進行停爐操作，待功率表回零后，切斷電源，2 小時后停止主真空泵抽空，將多晶棒料出爐。H.將出爐的多晶棒料進行錠形加工，即對用直拉法拉制的多晶料進行滾磨、刻槽、 磨頭加工，使其符合區熔用料要求，清洗腐蝕后，裝入區熔爐內晶體夾持器上，并將籽晶裝入籽晶固定夾上。I.設定磷烷的摻雜設置值。關閉爐門，啟動自動抽空至自動抽空結束并沖入Ar 氣。加熱前通冷卻水，打開發生器電源，調節電壓設定值到15 25%對硅棒進行預熱；待硅棒微紅，調節電壓設定值到30 50%，啟動上轉為3 4rpm化料；摻雜氣流量在0. 08 0. 02slpm范圍內逐漸降低，氣源的濃度為140 230ppm。 J.將發生器轉換為電壓控制，緩慢增加發生器設定點至40 60%，直至開始熔化， 當多晶料尖端接近完全熔化時，將籽晶向上移動，和熔區接觸；當籽晶與熔區接觸約1 2mm后，迅速降低發生器設定值，控制熔區高度為8 12mm，經過不斷調整發生器的設定點， 使籽晶熔化2 3mm，并使籽晶熔接良好。引晶結束后，停止上速及下速，再次確認籽晶熔接良好，然后慢速下降下軸，同時上軸慢速下降，隨著多晶料頭部整形部分直徑增加，逐漸增加下速，確保拉細頸長度在32 52mm左右，排除引晶時產生的位錯，保證晶體的無位錯生長。K.之后開始擴肩，并打開觸摸屏上的摻雜開關，摻雜氣體磷烷按設定流量充入到區熔爐內。L.擴肩開始階段，此時摻雜氣通入流量為0. OSslpm,當肩部直徑達到Φ 10 15mm 時，開始緩慢增加功率。隨著擴肩直徑的不斷增大，功率及上速要不斷增加，上轉、下轉要較早的達到工藝要求值，下速也要根據工藝要求逐漸達到工藝要求值。
M.在擴肩直徑接近Φ153πιπι時，擴肩的速度要放慢一些，直至達到所需直徑 Φ 153mm時，開始保持。當單晶的肩部即將接觸第一道銷子時，可考慮釋放夾持器，內軸和外軸同步向下運動，夾持器銷子也緩慢釋放，直至夾上單晶。N.當上限位報警時，開始緩慢的降低上速，保持單晶的生長到最后拉斷。拉斷晶體時逐漸降低上軸速度和功率，使單晶直徑減小至20mm，拉斷晶體，此時摻雜氣通入量為 0.03slpm。在觸摸屏上關閉摻雜開關，并關閉摻雜氣體控制裝置。熔區拉斷后，進行慢速降溫過程。當觀察到晶體變黑時，停止加熱。當晶體冷卻后，打開爐門和下部爐室，取出單晶。根據上述說明，結合本領域技術可實現本發明的方案。
權利要求
1.一種用直拉區熔法制備6英寸N型太陽能硅單晶的方法，其特征在于，首先用直拉法進行硅多晶料的拉制；然后進行錠形加工、清洗腐蝕，再用區熔氣摻的方法繼續拉制摻雜的硅單晶，所述方法包括如下步驟步驟1、清理爐膛，將塊狀硅多晶料裝入直拉爐中的石英坩堝內，然后抽真空、充氬氣， 經30 60分鐘抽真空到壓力< 100毫乇，漏率< 50時充氬氣至真空壓力< 14乇； 步驟2、啟動加熱，將塊狀硅多晶全部熔化后，下降籽晶將籽晶與硅熔體相熔接； 步驟3、液面穩定后進行拉細頸；用籽晶從熔融狀的多晶料中拉出一段直徑為2 5mm， 長度為80 120mm的細頸；步驟4、下降籽晶升速，設定晶升速度為0. 3 0. 6mm/min進行放肩，用40 70分鐘時間，將拉晶直徑從細頸的2 5mm擴大到140mm 150mm ；步驟5、降低晶升速度進行轉肩，之后控制拉晶速度進行等徑拉晶； 步驟6、降低晶體拉速進行收尾；收尾過程時間為1. 5 2. 5小時； 步驟7、提高晶體離開液面，之后進行停爐操作，待冷卻3 5小時后，將多晶棒料出爐；步驟8、將出爐后的多晶棒進行錠形加工，即對用直拉法拉制的多晶料進行滾磨、刻槽、 磨頭加工，使其符合區熔用料要求，清洗腐蝕后裝入區熔爐內晶體夾持器上，將籽晶裝入籽晶固定夾頭上，步驟9、進行摻雜氣通入量設定，磷烷氣體會在流量計控制下按照通入量設定值進入爐室，關閉爐門抽真空充氬氣，充氬氣完畢后，對多晶棒進行預熱；步驟10、預熱結束后，進行化料，多晶料熔化后，將籽晶與熔硅進行熔接，熔接后對熔區進行整形，引晶；步驟11、引晶結束后，進行細頸的生長，細頸直接在2 6mm，長度在30 60mm ；之后開始擴肩并通入摻雜氣；步驟12、擴肩到要求的直徑后轉肩，之后單晶保持，開始等徑生長； 步驟13、單晶拉制尾部，開始進行收尾，單晶收尾后停止磷烷摻雜氣體的充入，當收尾到單晶的直徑達到需要值時，將熔區拉開，這時使設備中拉著單晶的下軸繼續向下運動，而帶著多晶料的上軸改向上運動，并關閉氬氣；步驟14、10 40分鐘后，晶體尾部由紅色逐漸變黑色后，進行拆清爐。
2.根據權利要求1所述的用直拉區熔法制備6英寸N型太陽能硅單晶的方法，其特征在于，所述摻雜氣通入量設定為，摻雜氣流量在0. 08 0. 02slpm范圍內逐漸降低，氣源的濃度為140 230ppm。
全文摘要
本發明涉及硅單晶的制備工藝，特別涉及一種用直拉區熔法制備6英寸N型太陽能硅單晶的方法。其特征在于，首先用直拉法進行硅多晶料的拉制；然后進行錠形加工、清洗腐蝕，再用區熔氣摻的方法繼續拉制摻雜的硅單晶，本發明的有益效果是運用氣相摻雜區熔硅單晶方法結合直拉硅單晶生產方法，通過控制抽空充氣，摻雜氣體濃度，摻雜氣通入量，拉晶工藝參數范圍，使工藝方法滿足了生產6英寸N型太陽能硅單晶的要求。
文檔編號C30B15/00GK102534749SQ20121003256
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月14日 優先權日2012年2月14日
發明者張雪囡, 徐強, 沈浩平, 王巖, 王彥君, 高樹良 申請人:天津市環歐半導體材料技術有限公司