制備直徑為400mm以上的單晶硅的方法
【專利摘要】一種制備直徑為400mm以上的單晶硅的方法，該方法采用通過直拉法制造單晶硅，該方法包括如下步驟：裝料和熔化；引晶；縮頸；放肩；等徑生長：石英坩堝和晶體相互反方向旋轉，根據熔體和單晶爐的狀況，控制晶體等徑生產所需長度，其中在等徑初期，進口氬氣流速為0.9m/s～1.5m/s，爐壓22Torr，液口距為20mm；收尾；降溫。上述方法能夠降低“W-狀”固液界面的波動幅度，提高硅片徑向氧含量均勻性，使“W-狀”固液界面極大值點向晶體邊緣移動，增大晶體中心均勻區的含量，進而保證大直徑單晶硅的品質。
【專利說明】制備直徑為400mm以上的單晶硅的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及太陽能發電用單晶硅制造【技術領域】，特別涉及一種制備直徑為400mm以上的單晶硅的方法。
【背景技術】
[0002]晶硅類太陽能電池占整個光伏市場的份額達到90%以上。直拉法是制備晶硅類產品的主要生產方法之一，其中，采用直拉法制備單晶硅的過程主要分為化料、引晶、放肩、等徑、收尾和冷卻幾個階段。
[0003]目前為止，通過直拉法制備的單晶硅電池的轉換效率已經可以達到23%以上，但其發電成本仍然高居不下，這極大的限制了該產品的普及推廣。大直徑化是太陽能電池用單晶硅發展的必然趨勢之一，可大大提高單位時間內產品的生產效率，顯著降低單晶硅的生產成本。
[0004]然而，隨著晶硅尺寸的增大，爐體結構隨之增加，與傳統的小直徑單晶硅生產過程相比，爐內的熱場及氣體流場隨之發生變化，這將大大影響晶硅在生長過程中的固液界面形狀及微區內的傳質、傳熱，在晶硅生長的等徑初期，在大直徑單晶硅中形成了典型的“W-狀”固液界面，一方 面，該類型界面加劇了生長過程中的界面波動，從而降低拉晶過程的穩定性，在生長過程中斷晶、位錯等缺陷的出現幾率增加；另一方面，影響了界面附近的雜質傳輸，在徑向上雜質的分布波動較為明顯，降低了晶體的性能(包括氧含量波動)。
【發明內容】
[0005]有鑒于此，有必要提供一種制備直徑為400mm以上的單晶硅的方法，該方法能夠提高在等徑初期大直徑單晶硅徑向性能的均勻性，進而保證大直徑單晶硅的品質。
[0006]一種制備直徑為400mm以上的單晶硅的方法，該方法采用通過直拉法制造單晶硅，該制備直徑為400mm以上的單晶硅的方法包括如下步驟:
裝料和熔化:將高純多晶硅料粉碎，并在硝酸和氫氟酸的混合溶液中清洗外表面，除去可能的金屬雜質；將粉碎后的高純多晶硅料放入高純的石英坩堝內，石英坩堝尺寸^ 800mm ;將石英坩堝放入單晶爐中的石墨坩堝中；將單晶爐抽真空，再充入氬氣，最后加熱升溫以熔化多晶硅料；
引晶:將單晶籽晶固定在籽晶軸上，并和籽晶軸一起旋轉；將籽晶緩緩下降后與將籽晶輕輕浸入熔硅，使頭部首先少量溶解，然后和熔硅形成一個固液界面；將籽晶逐步上升，與籽晶相連并離開固液界面的硅溫度降低，形成單晶硅；
縮頸:快速向上提拉籽晶，以形成晶體；
放肩:將晶體控制到所需的目標直徑；
等徑生長:石英坩堝和晶體相互反方向旋轉，根據熔體和單晶爐的狀況，控制晶體等徑生產所需長度，其中在等徑初期，進口氬氣流速為0.9m/s~1.5m/s,爐壓22Torr，液口距為20mm ；收尾:晶體直徑逐漸縮小，離開熔體；
降溫:降低溫度，逐漸冷卻溫度。
[0007]上述制備直徑為400mm以上的單晶硅的方法，在等徑初期，保證進口氬氣流速為0.9m/s~1.5m/s、爐壓22Torr、液口距為20mm，來降低“W-狀”固液界面的波動幅度，提高硅片徑向氧含量均勻性，且使“W-狀”固液界面極大值點向晶體邊緣移動，增大晶體中心均勻區的含量，進而保證大直徑單晶硅的品質。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]附圖1是一較佳實施方式的制備直徑為400mm以上的單晶硅的方法的步驟流程圖。
[0009]圖2為實施例1中的晶棒沿徑向方向的氧含量分布圖。
[0010]圖3為實施例2中的晶棒沿徑向方向的氧含量分布圖。
[0011]圖中:制備直徑為400mm以上的單晶硅的方法步驟S300~S306。
【具體實施方式】
[0012]本發明通過在等徑初期調節進口氬氣流速來改變單晶爐內的氣體流場，來降低“W-狀”固液界面的波動幅度，提高硅片徑向氧含量均勻性，且使“W-狀”固液界面極大值點向晶體邊緣移動，增大晶體中心均勻區的含量，進而保證大直徑單晶硅的品質。
[0013]請參看圖1，其為一較佳實施方式的制備直徑為400_以上的單晶硅的方法流程圖，該方法采用通過直拉法制造單晶硅，該制備直徑為400_以上的單晶硅的方法包括如下步驟:
步驟S300，裝料和熔化:將高純多晶硅料粉碎，并在硝酸和氫氟酸的混合溶液中清洗外表面，除去可能的金屬雜質；將粉碎后的高純多晶硅料放入高純的石英坩堝內，石英坩堝尺寸> 800mm ;將石英坩堝放入單晶爐中的石墨坩堝中；將單晶爐抽真空，再充入氬氣，最后加熱升溫以熔化多晶硅料。
[0014]步驟S301，引晶:將單晶籽晶固定在籽晶軸上，并和籽晶軸一起旋轉；將籽晶緩緩下降后與將籽晶輕輕浸入熔硅，使頭部首先少量溶解，然后和熔硅形成一個固液界面；將籽晶逐步上升，與籽晶相連并離開固液界面的硅溫度降低，形成單晶硅。
[0015]步驟S302，縮頸:快速向上提拉籽晶，以形成晶體。其中步驟S302具體為:快速向上提拉籽晶，使新結晶的單晶硅的直徑達到3mm，長度約為此時晶體直徑的6~10倍，晶體的旋轉速度為2~IOrpm ;石英坩堝沿晶體相反方向旋轉，晶體的旋轉速度比石英坩堝快I~3倍。[0016]步驟S303，放肩:將晶體控制到所需的目標直徑。
[0017]步驟S304，等徑生長:石英坩堝和晶體相互反方向旋轉，根據熔體和單晶爐的狀況，控制晶體等徑生產所需長度，其中在等徑初期，進口氬氣流速為0.9m/s~1.5m/s，爐壓22Torr，液口距為20mm，其中，所述等徑初期為等徑開始至晶體直徑達到300mm的階段，液口距為導流筒下沿至熔體液面的距離。進一步的，等徑拉速0.75~lmm/min，晶體的旋轉速度為8~9rpm,石英?甘禍的旋轉速度為5~6rpm,如此可以保證大直徑單晶娃的品質更高。
[0018]步驟S305，收尾:晶體直徑逐漸縮小，離開熔體。[0019]步驟S306，降溫:降低溫度，逐漸冷卻溫度。
[0020]以下結合具體附圖及【具體實施方式】對制備直徑為400mm以上的單晶硅的方法做進一步描述:
實施例1
裝料和熔化:將高純多晶硅料粉碎，并在硝酸和氫氟酸的混合溶液中清洗外表面，除去可能的金屬雜質；將粉碎后的高純多晶硅料放入高純的石英坩堝內，石英坩堝尺寸為800mm ;將石英坩堝放入單晶爐中的石墨坩堝中；將單晶爐抽真空，再充入氬氣，最后加熱升溫以熔化多晶硅料。
[0021]引晶:將單晶籽晶固定在籽晶軸上，并和籽晶軸一起旋轉；將籽晶緩緩下降后與將籽晶輕輕浸入熔硅，使頭部首先少量溶解，然后和熔硅形成一個固液界面；將籽晶逐步上升，與籽晶相連并離開固液界面的硅溫度降低，形成單晶硅。
[0022]縮頸:快速向上提拉籽晶，以形成晶體。
[0023]放肩:將晶體控制到所需的目標直徑。
[0024]等徑生長:石英坩堝和晶體相互反方向旋轉，根據熔體和單晶爐的狀況，控制晶體等徑生產所需長度，其 中在等徑初期，晶體的旋轉速度為Srpm，石英坩堝的旋轉速度為5rpm,進口気氣流速為0.9m/s,爐壓22Torr,等徑拉速0.75mm/min,液口距為20_。
[0025]收尾:晶體直徑逐漸縮小，離開熔體。
[0026]降溫:降低溫度，逐漸冷卻溫度。
[0027]對等徑300mm后的單晶硅棒晶體進行分析，其徑向氧含量的變化如表1所示，與未改進工藝前相比，等徑初期單晶棒的平均徑向氧含量由6.83 X IO1Vatm.cm_3下降到
5.79X IO1Vatm.cm_3，并且晶棒中心處氧含量的波動百分比由17.1%下降至Ij 16.9%，可見拉晶過程中氬氣流速的優化，降低了徑向氧含量的波動，提高了單晶硅棒在等徑初期的品質。請同時參看圖2，圖中由切線法求得氧含量在徑向方向上的轉變點，對比改進工藝前后，可以發現等徑初期在徑向方向上氧含量的相對均勻區由占整個晶棒截面的70.6%增加到83.7%。
[0028]表1
【權利要求】
1.一種制備直徑為400mm以上的單晶硅的方法，該方法采用通過直拉法制造單晶硅，該制備直徑為400_以上的單晶硅的方法包括如下步驟: 裝料和熔化:將高純多晶硅料粉碎，并在硝酸和氫氟酸的混合溶液中清洗外表面，除去可能的金屬雜質；將粉碎后的高純多晶硅料放入高純的石英坩堝內，石英坩堝尺寸為^ 800mm ;將石英坩堝放入單晶爐中的石墨坩堝中；將單晶爐抽真空，再充入氬氣，最后加熱升溫以熔化多晶硅料； 引晶:將單晶籽晶固定在籽晶軸上，并和籽晶軸一起旋轉；將籽晶緩緩下降后與將籽晶輕輕浸入熔硅，使頭部首先少量溶解，然后和熔硅形成一個固液界面；將籽晶逐步上升，與籽晶相連并離開固液界面的硅溫度降低，形成單晶硅； 縮頸:快速向上提拉籽晶，以形成晶體； 放肩:將晶體控制到所需的目標直徑； 等徑生長:石英坩堝和晶體相互反方向旋轉，根據熔體和單晶爐的狀況，控制晶體等徑生產所需長度，其中在等徑初期，進口氬氣流速為0.9m/s~1.5m/s,爐壓22Torr，液口距為20mm ； 收尾:晶體直徑逐漸縮小，離開熔體； 降溫:降低溫度，逐漸冷卻溫度。
2.根據權利要求1所述的制備直徑為400_以上的單晶硅的方法，其特征在于:所述等徑初期為等徑開始至晶體直徑達到300mm的階段。
3.根據權利要求2所述的制備直徑為400mm以上的單晶硅的方法，其特征在于:其中在等徑初期，晶體的旋轉速度為8~9rpm,石英?甘禍的旋轉速度為5~6rpm。
4.根據權利要求2或3所述的制備直徑為400_以上的單晶硅的方法，其特征在于:其中在等徑初期，等徑拉速為0.75~lmm/min。
【文檔編號】C30B29/06GK103911654SQ201410148453
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月15日 優先權日:2014年4月15日
【發明者】高忙忙, 李進, 張洪巖, 梁森, 李海波, 李國龍, 薛子文, 何力軍 申請人:寧夏大學