一種定向凝固法準單晶硅生長爐及準單晶硅的生長方法
【專利摘要】本發明提供一種定向凝固法準單晶硅生長爐及準單晶硅的生長方法，包括石英坩堝、石墨坩堝、DS塊和氬氣冷卻進口管，石英坩堝內底部開若干籽晶凹槽，在DS塊上開氬氣冷卻孔和氬氣流道，該流道最終使氬氣沿DS塊的四周流入爐體，底部氬氣冷卻進口管構成底部氬氣強制冷卻系統。使用該系統時，針對熔料、生長和收尾的不同階段，控制底部氬氣冷卻進口管的氬氣流量，從而控制籽晶的熔接、固液界面保持水平并略凸以及晶體硅和熔體硅的軸向溫度梯度。與現有準單晶生長方法中籽晶鋪滿石英坩堝底部相比，籽晶用量大大減少，節約成本，準單晶硅的單晶率可達95%以上，大大提高了太陽光伏電池的效率。
【專利說明】一種定向凝固法準單晶硅生長爐及準單晶硅的生長方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于制造太陽能級準單晶硅鑄錠的準單晶硅生長爐及準單晶硅的生長方法，尤其涉及一種定向凝固法準單晶硅生長爐及準單晶硅的生長方法。
【背景技術】
[0002]光伏電池可以將太陽能轉化為電能，而它的最重要特征之一是其轉化效率。雖然很多半導體材料可以用于生產光伏電池，但硅材料由于其適中的成本、合適的電學、物理學和化學性質，廣泛應用于光伏電池的制造。由于鑄造多晶硅的制備工藝相對簡單，成本遠低于單晶硅，目前已經成為太陽光伏電池的主流產品。但相對于直拉單晶硅而言，鑄造多晶硅有較高的雜質、缺陷和晶界，使得多晶硅電池的轉換效率比單晶硅低1-2% (絕對效率)，可見硅錠質量對電池效率有著直接影響，這也限制了鑄造多晶硅的進一步發展。
[0003]目前太陽光伏行業廣泛使用的多晶硅鑄錠技術是定向凝固法(DSS)。該方法是坩堝上方和側面裝有加熱器，坩堝底部是安裝散熱部件，硅料在平底石英坩堝中融化后打開側壁隔熱籠進行原位定向凝固。熔融硅首先在石英坩堝底部異質形核，形成很多具有不同晶向的單晶硅晶粒，通過控制軸向和徑向溫度梯度，盡量控制固液界面水平并略凸，利用不同晶向晶粒的生長速率差異，擇優生長出大晶粒鑄錠多晶硅。因為初始成核是發生在石英坩堝底部的無籽晶隨機過程，因此晶粒大小和晶向均無法人為控制，多晶硅柱狀晶粒的大小和分布完全決定于初始形核。這使得“類單晶”或“準單晶”生長技術應運而生。
[0004]利用 現有多晶硅鑄錠爐生長準單晶或大晶粒硅錠已有很多種嘗試，大多是通過在石英坩堝底部鋪上多塊單晶籽晶來生長“類單晶”或“準單晶”，而籽晶通常是將6寸或8寸的單晶硅棒橫向或縱向截斷形成的厚為2-5 cm的硅塊。眾多科研機構和廠家已經在類單晶鑄造方面進行了深入研究，并申請了相關專利，如BP Solar，浙江大學硅材料實驗室，晶澳，煜輝，LDK等。各個廠家對此技術的稱謂不同，有“準單晶”、“類單晶”、“近單晶”等。此技術在光伏行業前景光明，已進入批量中試階段。
[0005]中國專利(專利號201110300537.6)公開了一種單晶鑄錠用大面積籽晶的制備方法和設備，該發明雖然解決了鑄造單晶所必需的大面積籽晶的難題，但該方法需要利用切割的單晶硅塊作為籽晶，并利用水平定向凝固法生長出大面積單晶硅平板，增加了生產成本的同時，也受制于水平定向凝固技術。中國專利(專利號201210058375.4)公開了一種用多晶鑄錠爐生產類單晶硅錠的方法，該發明利用單晶硅切方錠過程中切除的邊角料作為籽晶，鋪設于石英坩堝底部，利用定向凝固爐生長準單晶鑄錠。此設計雖然實現了準單晶硅生長，但坩堝底部散熱無法實現主動控制，影響功耗的同時，準單晶質量也無法保證。美國專利(專利號US2013/0213297A1)公開了一種利用籽晶生長鑄錠硅的爐體和生長方法，該發明在石英坩堝底部中心區鋪設籽晶，并在底部散熱塊中心區域留有凹槽，以加強該區域散熱，達到保護籽晶不被熔融、并使籽晶處優先生長的目的。但底部散熱塊的設計是被動散熱，很難主動控制該區域散熱，容易造成籽晶全部熔化，后期生長過程也難于控制。中國專利(專利號201210583938.1)公開了一種制備準單晶硅的鑄錠爐及制備準單晶硅的方法，該發明雖然通過使用特殊的熱交換裝置，用氣體換熱的方式替代傳統的隔熱籠換熱方式，控制籽晶溫度，但熱交換裝置的流道設計無法實現氣體的均勻分配，容易造成坩堝底部散熱不均，固液界面形狀過凸等問題。中國專利(專利號201120040603.6)和中國專利(專利號201120379783.0)公開了一種用于多晶鑄錠爐的氣體冷卻裝置，該發明通過在熱場底部增加一個主動散熱的氣體冷卻裝置，并通過調節通入裝置內的氣體流量控制主動散熱幅度，但氣體流道設計同樣無法實現坩堝底部的均勻冷卻，氣體進口處冷卻量過大，而遠離進口處又得不到有效冷卻，造成固液界面形狀不規則，不利于準單晶硅的生長。美國專利(專利號US2013/0193559A1)公開了一種定向凝固法生長鑄錠硅的設備和方法，該發明將多塊方形單晶硅籽晶鋪設于石英坩堝底部，從而利用定向凝固法生長準單晶，但該方法容易造成籽晶在熔料過程中熔融，并且浪費大量單晶硅籽晶，大大增加了生產成本。中國專利(專利號201110083260.6)公開了一種單晶硅鑄錠的生產方法，該方法利用底部為圓錐形的石英坩堝，將籽晶按照相同晶向放置于坩堝底部的籽晶槽中，采用坩堝下降法促使硅熔體由底部向上定向凝固，由未熔化的籽晶誘導準單晶的生長，最終形成單晶硅鑄錠。該方法僅適用于小型鑄錠硅的生長，對于大型鑄錠硅，該方法很難控制籽晶不被熔融，并且軸向和徑向的溫度梯度也難于控制。中國專利(專利號201120254245.9)公開了一種坩堝，該發明在傳統定向凝固法石英坩堝底部中心處開有倒圓錐形的槽口，以提高該位置的熱導率，使該位置形成適宜的過冷度而生成硅孿晶結構，并且以此孿晶結構作為籽晶來實現整個硅熔體的定向凝固，得到高質量的多晶硅錠。但該方法只有石英坩堝中間一小塊區域，即使實現了增加該區域過冷度的目的，對于大尺寸鑄錠來說，也很難擴展到整個坩堝底部。

【發明內容】

[0006]本發明提供一種定向凝固法準單晶硅生長系統，能夠低成本的實現準單晶硅生長，有效控制固液界面形狀，同時方便地控制晶體硅和熔體硅的軸向溫度梯度。
[0007]本發明采取的技術方案為:一種定向凝固法準單晶硅生長爐，包括石英坩堝、石墨坩堝和DS塊，其特征在于，所述DS塊與所述石墨坩堝底面貼合，所述DS塊上開有若干氬氣冷卻通孔，所述DS塊與所述石·墨坩堝貼合的一面上開有若干凹槽，所述凹槽將各個氬氣冷卻通孔連通起來構成氬氣流道，所述DS塊的另一面上安裝有氬氣冷卻進口管，所述氬氣冷卻進口管與所述氬氣冷卻通孔配合連接；所述石英坩堝底部開有若干籽晶凹槽，所述籽晶凹槽的中心軸線與所述氬氣冷卻通孔的中心軸線共線。
[0008]上述方案中，所述石墨坩堝的開口邊緣開有若干凹槽，所述碳碳復合材料頂部蓋板和所述凹槽共同構成石墨坩堝頂部側排氣口。
[0009]上述方案中，所述籽晶凹槽沿所述石英坩堝的中心軸線對稱分布在所述石英坩堝底部。
[0010]上述方案中，所述氬氣冷卻通孔(12)的形狀、大小與所述石英坩堝(4)底部的籽晶凹槽(11)保持一致。
[0011]上述方案中，所述籽晶凹槽的形狀為圓形或三角形或多邊形。
[0012]上述方案中，所述DS塊與所述石墨坩堝貼合的一面上開設的凹槽的橫截面形狀為三角形或多邊形或弧形。
[0013]一種利用定向凝固法準單晶硅生長爐進行準單晶硅生長的方法，包括如下步驟:A在多晶硅熔料階段，底部氬氣冷卻進口管通入氬氣，氬氣流量為20-100 slm，通過DS塊氬氣冷卻通孔對籽晶凹槽內的籽晶進行冷卻，將籽晶頂部熔融，并避免將籽晶全部熔掉。
[0014]B在晶體硅生長初期，繼續向底部氬氣冷卻進口管通入氬氣，氬氣流量為20-100slm，提升側壁隔熱籠進行降溫的同時，降低加熱器功率，各個籽晶會慢慢長大并最終熔合為一個單晶硅，此階段控制各個底部氬氣冷卻進口管的氬氣流量，氬氣流量為20-100 slm,使固液界面盡量保持水平并略凸。
[0015]C在晶體硅生長和收尾階段，通過控制各個底部氬氣冷卻進口管的氬氣流量，氬氣流量為20-100 slm，使固液界面盡量保持水平并略凸，最終使晶體中心部位先透頂，邊緣最后結晶。
[0016]本發明的優點為:(1)籽晶軸對稱分布在石英坩堝底部籽晶槽內，與現有準單晶生長方法中籽晶鋪滿石英坩堝底部相比，籽晶用量大大減少，節約成本；(2)籽晶熔接過程和晶體生長階段采用DS塊氬氣強制冷卻系統，通過控制各個底部氬氣冷卻進口管的氬氣流量，有利于精確控制籽晶溫度和固液界面形狀；(3) DS塊氬氣冷卻系統直接將氬氣排進爐體，無泄漏問題；(4)準單晶硅的單晶率可達95%以上，大大提高了太陽光伏電池的效率。 【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]下面結合附圖和實例對本發明作進一步說明。
[0018]圖1是一種定向凝固法準單晶硅生長爐安裝示意圖。
[0019]圖2是底部氬氣強制冷卻系統裝配示意圖。
[0020]圖3是帶氬氣冷卻的DS塊示意圖。
[0021]圖4是底部帶籽晶凹槽的石英坩堝和籽晶裝配示意圖。
[0022]圖中，1.氬氣冷卻進口管2.DS塊3.石墨坩堝4.石英坩堝5.熔體硅6.碳碳復合材料頂部蓋板7.頂部氬氣進口管8.蓋板中心孔9.石墨坩堝頂部側排氣口
10.籽晶11.籽晶凹槽12.氬氣冷卻通孔13.氬氣流道。
【具體實施方式】
[0023]如圖f圖4所示，在碳碳復合材料頂部蓋板6的中心開蓋板中心孔8，所述頂部氬氣進口管7穿過所述蓋板中心孔8將氬氣導入所述石墨坩堝3內。所述石墨坩堝3的開口邊緣開有若干凹槽，所述碳碳復合材料頂部蓋板6和所述凹槽共同構成石墨坩堝頂部側排氣口 9。所述石英坩堝4的底部開若干不穿透的籽晶凹槽11，所述每個籽晶凹槽11優選為沿所述石英坩堝4的中心軸對稱分布；每個籽晶凹槽11的形狀與所述籽晶10的形狀保持一致，所述籽晶10安裝在所述籽晶凹槽11內，籽晶凹槽11深度略小于籽晶10的高度，石墨坩堝3的內邊邊長與石英坩堝4的外邊邊長相等，石英坩堝4安裝在石墨坩堝3內，所述石英坩堝4的外壁面與所述石墨坩堝3的內壁面重合。將熔體硅5放入石英坩堝4中。將碳碳復合材料頂部蓋板6蓋在石墨坩堝3上，并使碳碳復合材料頂部蓋板6的四邊與石墨坩堝3的四邊重合。所述DS塊2上開有若干氬氣冷卻通孔12，所述氬氣冷卻通孔12的形狀、大小以及安裝位置與石英坩堝4底部的籽晶凹槽11保持一致，DS塊2上表面開凹槽，用以連接各個DS塊氬氣冷卻通孔12，構成DS塊氬氣流道13，該流道最終使氬氣沿DS塊2的四周流入生長爐的外爐體內。所述底部氬氣冷卻進口管I的直徑略大于DS塊氬氣冷卻通孔12的直徑，且同軸安裝，以便于底部氬氣冷卻進口管I對DS塊2進行有效支撐，同時構成底部氬氣強制冷卻系統。
[0024] 實際應用中，在整個晶體生長過程中，從頂部氬氣進口管7通入氬氣，氬氣進入石墨坩堝3中后，氬氣攜帶雜質從石墨坩堝頂部側排氣口 9排出石英坩堝4。在多晶硅熔料階段，打開石墨加熱器使多晶硅熔融變為熔體硅5，底部氬氣冷卻進口管I通入氬氣，氬氣流量為20-100 slm,通過DS塊氬氣冷卻通孔12對籽晶凹槽11內的籽晶10進行冷卻，避免將籽晶10全部熔掉，但需要將籽晶10頂部熔融一部分，使籽晶10進行熔接。在晶體硅生長初期，繼續向底部氬氣冷卻進口管I通入氬氣，氬氣流量為20-100 slm，提升傳統多晶硅爐的側壁隔熱籠進行降溫的同時，降低加熱器功率，各個籽晶10會慢慢長大并最終熔合為一個單晶硅，此階段控制各個底部氬氣冷卻進口管I的氬氣流量，氬氣流量為20-100 slm,使固液界面盡量保持水平并略凸。在晶體硅生長和收尾階段，通過控制各個底部氬氣冷卻進口管I的氬氣流量，氬氣流量為20-100 slm，使固液界面盡量保持水平并略凸，最終使晶體中心部位先透頂，邊緣最后結晶，從而完成準單晶硅的生長過程。準單晶硅的單晶率可達95%以上，大大提高了太陽光伏電池的效率。本發明不僅限于多晶硅的生長，同樣適用于利用布里奇曼法生長的Al20 3、GaAs等其它光學晶體的生長。
【權利要求】
1.一種定向凝固法準單晶硅生長爐，包括石英坩堝(4)、石墨坩堝(3)、碳碳復合材料頂部蓋板(6)和DS塊(2)，其特征在于，所述DS塊(2)與所述石墨坩堝(3)底面貼合，所述DS塊(2)上開有若干氬氣冷卻通孔(12)，所述DS塊(2)與所述石墨坩堝(3)貼合的一面上開有氬氣流道(13)，所述氬氣流道(13)與所述各個氬氣冷卻通孔(12)連通，所述DS塊(2 )的另一面上安裝有氬氣冷卻進口管(I)，所述氬氣冷卻進口管(I)與所述氬氣冷卻通孔(12)配合連接；所述石英坩堝(4)底部開有若干籽晶凹槽(11)，所述籽晶凹槽(11)的中心軸線與所述氬氣冷卻通孔(12)的中心軸線共線。
2.根據權利要求1所述的一種定向凝固法準單晶硅生長爐，其特征在于，所述籽晶凹槽(11)沿所述石英坩堝(4)的中心軸線對稱分布在所述石英坩堝(4)底部。
3.根據權利要求1所述的一種定向凝固法準單晶硅生長爐，其特征在于，所述氬氣冷卻通孔(12)的形狀、大小與所述石英坩堝(4)底部的籽晶凹槽(11)保持一致。
4.根據權利要求1或2所述的一種定向凝固法準單晶硅生長爐，其特征在于，所述石墨坩堝(3)的開口邊緣開有若干凹槽，所述碳碳復合材料頂部蓋板(6)和所述凹槽共同構成石墨坩堝頂部側排氣口(9) 根據權利要求1或2所述的一種定向凝固法準單晶硅生長爐，其特征在于，所述籽晶凹槽(11)的形狀為圓形或三角形或多邊形。
5.根據權利要求1或2所述的一種定向凝固法準單晶硅生長爐，其特征在于，所述DS塊(2)與所述石墨坩堝( 3)貼合的一面上開設的氬氣流道(13)的橫截面形狀為三角形或多邊形或弧形。
6.一種利用定向凝固法準單晶硅生長爐進行準單晶硅生長的方法，包括如下步驟: A在多晶硅熔料階段，氬氣冷卻進口管(I)通入氬氣，氬氣流量為20-100 slm，通過DS塊氬氣冷卻通孔(12)對籽晶凹槽(11)內的籽晶(10)進行冷卻，將籽晶(10)頂部熔融，并避免將籽晶(10)全部熔掉； B在晶體硅生長初期，繼續向底部氬氣冷卻進口管(I)通入氬氣，氬氣流量為20-100slm，提升側壁隔熱籠進行降溫的同時，降低加熱器功率，各個籽晶(10)會慢慢長大并最終熔合為一個單晶硅，此階段控制各個底部氬氣冷卻進口管(I)的氬氣流量，氬氣流量為20-100 slm，使固液界面盡量保持水平并略凸； C在晶體硅生長和收尾階段，通過控制各個底部氬氣冷卻進口管(I)的氬氣流量，氬氣流量為20-100 slm，使固液界面盡量保持水平并略凸，最終使晶體中心部位先透頂，邊緣最后結晶。
【文檔編號】C30B11/00GK103628127SQ201310605437
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月26日 優先權日:2013年11月26日
【發明者】蘇文佳, 左然 申請人:江蘇大學