一种定向凝固法准单晶硅生长炉及准单晶硅的生长方法
【专利摘要】本发明提供一种定向凝固法准单晶硅生长炉及准单晶硅的生长方法，包括石英坩埚、石墨坩埚、DS块和氩气冷却进口管，石英坩埚内底部开若干籽晶凹槽，在DS块上开氩气冷却孔和氩气流道，该流道最终使氩气沿DS块的四周流入炉体，底部氩气冷却进口管构成底部氩气强制冷却系统。使用该系统时，针对熔料、生长和收尾的不同阶段，控制底部氩气冷却进口管的氩气流量，从而控制籽晶的熔接、固液界面保持水平并略凸以及晶体硅和熔体硅的轴向温度梯度。与现有准单晶生长方法中籽晶铺满石英坩埚底部相比，籽晶用量大大减少，节约成本，准单晶硅的单晶率可达95%以上，大大提高了太阳光伏电池的效率。
【专利说明】一种定向凝固法准单晶硅生长炉及准单晶硅的生长方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于制造太阳能级准单晶硅铸锭的准单晶硅生长炉及准单晶硅的生长方法，尤其涉及一种定向凝固法准单晶硅生长炉及准单晶硅的生长方法。
【背景技术】
[0002]光伏电池可以将太阳能转化为电能，而它的最重要特征之一是其转化效率。虽然很多半导体材料可以用于生产光伏电池，但硅材料由于其适中的成本、合适的电学、物理学和化学性质，广泛应用于光伏电池的制造。由于铸造多晶硅的制备工艺相对简单，成本远低于单晶硅，目前已经成为太阳光伏电池的主流产品。但相对于直拉单晶硅而言，铸造多晶硅有较高的杂质、缺陷和晶界，使得多晶硅电池的转换效率比单晶硅低1-2% (绝对效率)，可见硅锭质量对电池效率有着直接影响，这也限制了铸造多晶硅的进一步发展。
[0003]目前太阳光伏行业广泛使用的多晶硅铸锭技术是定向凝固法(DSS)。该方法是坩埚上方和侧面装有加热器，坩埚底部是安装散热部件，硅料在平底石英坩埚中融化后打开侧壁隔热笼进行原位定向凝固。熔融硅首先在石英坩埚底部异质形核，形成很多具有不同晶向的单晶硅晶粒，通过控制轴向和径向温度梯度，尽量控制固液界面水平并略凸，利用不同晶向晶粒的生长速率差异，择优生长出大晶粒铸锭多晶硅。因为初始成核是发生在石英坩埚底部的无籽晶随机过程，因此晶粒大小和晶向均无法人为控制，多晶硅柱状晶粒的大小和分布完全决定于初始形核。这使得“类单晶”或“准单晶”生长技术应运而生。
[0004]利用 现有多晶硅铸锭炉生长准单晶或大晶粒硅锭已有很多种尝试，大多是通过在石英坩埚底部铺上多块单晶籽晶来生长“类单晶”或“准单晶”，而籽晶通常是将6寸或8寸的单晶硅棒横向或纵向截断形成的厚为2-5 cm的硅块。众多科研机构和厂家已经在类单晶铸造方面进行了深入研究，并申请了相关专利，如BP Solar，浙江大学硅材料实验室，晶澳，煜辉，LDK等。各个厂家对此技术的称谓不同，有“准单晶”、“类单晶”、“近单晶”等。此技术在光伏行业前景光明，已进入批量中试阶段。
[0005]中国专利(专利号201110300537.6)公开了一种单晶铸锭用大面积籽晶的制备方法和设备，该发明虽然解决了铸造单晶所必需的大面积籽晶的难题，但该方法需要利用切割的单晶硅块作为籽晶，并利用水平定向凝固法生长出大面积单晶硅平板，增加了生产成本的同时，也受制于水平定向凝固技术。中国专利(专利号201210058375.4)公开了一种用多晶铸锭炉生产类单晶硅锭的方法，该发明利用单晶硅切方锭过程中切除的边角料作为籽晶，铺设于石英坩埚底部，利用定向凝固炉生长准单晶铸锭。此设计虽然实现了准单晶硅生长，但坩埚底部散热无法实现主动控制，影响功耗的同时，准单晶质量也无法保证。美国专利(专利号US2013/0213297A1)公开了一种利用籽晶生长铸锭硅的炉体和生长方法，该发明在石英坩埚底部中心区铺设籽晶，并在底部散热块中心区域留有凹槽，以加强该区域散热，达到保护籽晶不被熔融、并使籽晶处优先生长的目的。但底部散热块的设计是被动散热，很难主动控制该区域散热，容易造成籽晶全部熔化，后期生长过程也难于控制。中国专利(专利号201210583938.1)公开了一种制备准单晶硅的铸锭炉及制备准单晶硅的方法，该发明虽然通过使用特殊的热交换装置，用气体换热的方式替代传统的隔热笼换热方式，控制籽晶温度，但热交换装置的流道设计无法实现气体的均匀分配，容易造成坩埚底部散热不均，固液界面形状过凸等问题。中国专利(专利号201120040603.6)和中国专利(专利号201120379783.0)公开了一种用于多晶铸锭炉的气体冷却装置，该发明通过在热场底部增加一个主动散热的气体冷却装置，并通过调节通入装置内的气体流量控制主动散热幅度，但气体流道设计同样无法实现坩埚底部的均匀冷却，气体进口处冷却量过大，而远离进口处又得不到有效冷却，造成固液界面形状不规则，不利于准单晶硅的生长。美国专利(专利号US2013/0193559A1)公开了一种定向凝固法生长铸锭硅的设备和方法，该发明将多块方形单晶硅籽晶铺设于石英坩埚底部，从而利用定向凝固法生长准单晶，但该方法容易造成籽晶在熔料过程中熔融，并且浪费大量单晶硅籽晶，大大增加了生产成本。中国专利(专利号201110083260.6)公开了一种单晶硅铸锭的生产方法，该方法利用底部为圆锥形的石英坩埚，将籽晶按照相同晶向放置于坩埚底部的籽晶槽中，采用坩埚下降法促使硅熔体由底部向上定向凝固，由未熔化的籽晶诱导准单晶的生长，最终形成单晶硅铸锭。该方法仅适用于小型铸锭硅的生长，对于大型铸锭硅，该方法很难控制籽晶不被熔融，并且轴向和径向的温度梯度也难于控制。中国专利(专利号201120254245.9)公开了一种坩埚，该发明在传统定向凝固法石英坩埚底部中心处开有倒圆锥形的槽口，以提高该位置的热导率，使该位置形成适宜的过冷度而生成硅孪晶结构，并且以此孪晶结构作为籽晶来实现整个硅熔体的定向凝固，得到高质量的多晶硅锭。但该方法只有石英坩埚中间一小块区域，即使实现了增加该区域过冷度的目的，对于大尺寸铸锭来说，也很难扩展到整个坩埚底部。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种定向凝固法准单晶硅生长系统，能够低成本的实现准单晶硅生长，有效控制固液界面形状，同时方便地控制晶体硅和熔体硅的轴向温度梯度。
[0007]本发明采取的技术方案为:一种定向凝固法准单晶硅生长炉，包括石英坩埚、石墨坩埚和DS块，其特征在于，所述DS块与所述石墨坩埚底面贴合，所述DS块上开有若干氩气冷却通孔，所述DS块与所述石·墨坩埚贴合的一面上开有若干凹槽，所述凹槽将各个氩气冷却通孔连通起来构成氩气流道，所述DS块的另一面上安装有氩气冷却进口管，所述氩气冷却进口管与所述氩气冷却通孔配合连接；所述石英坩埚底部开有若干籽晶凹槽，所述籽晶凹槽的中心轴线与所述氩气冷却通孔的中心轴线共线。
[0008]上述方案中，所述石墨坩埚的开口边缘开有若干凹槽，所述碳碳复合材料顶部盖板和所述凹槽共同构成石墨坩埚顶部侧排气口。
[0009]上述方案中，所述籽晶凹槽沿所述石英坩埚的中心轴线对称分布在所述石英坩埚底部。
[0010]上述方案中，所述氩气冷却通孔(12)的形状、大小与所述石英坩埚(4)底部的籽晶凹槽(11)保持一致。
[0011]上述方案中，所述籽晶凹槽的形状为圆形或三角形或多边形。
[0012]上述方案中，所述DS块与所述石墨坩埚贴合的一面上开设的凹槽的横截面形状为三角形或多边形或弧形。
[0013]一种利用定向凝固法准单晶硅生长炉进行准单晶硅生长的方法，包括如下步骤:A在多晶硅熔料阶段，底部氩气冷却进口管通入氩气，氩气流量为20-100 slm，通过DS块氩气冷却通孔对籽晶凹槽内的籽晶进行冷却，将籽晶顶部熔融，并避免将籽晶全部熔掉。
[0014]B在晶体硅生长初期，继续向底部氩气冷却进口管通入氩气，氩气流量为20-100slm，提升侧壁隔热笼进行降温的同时，降低加热器功率，各个籽晶会慢慢长大并最终熔合为一个单晶硅，此阶段控制各个底部氩气冷却进口管的氩气流量，氩气流量为20-100 slm,使固液界面尽量保持水平并略凸。
[0015]C在晶体硅生长和收尾阶段，通过控制各个底部氩气冷却进口管的氩气流量，氩气流量为20-100 slm，使固液界面尽量保持水平并略凸，最终使晶体中心部位先透顶，边缘最后结晶。
[0016]本发明的优点为:(1)籽晶轴对称分布在石英坩埚底部籽晶槽内，与现有准单晶生长方法中籽晶铺满石英坩埚底部相比，籽晶用量大大减少，节约成本；(2)籽晶熔接过程和晶体生长阶段采用DS块氩气强制冷却系统，通过控制各个底部氩气冷却进口管的氩气流量，有利于精确控制籽晶温度和固液界面形状；(3) DS块氩气冷却系统直接将氩气排进炉体，无泄漏问题；(4)准单晶硅的单晶率可达95%以上，大大提高了太阳光伏电池的效率。 【专利附图】
【附图说明】
[0017]下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
[0018]图1是一种定向凝固法准单晶硅生长炉安装示意图。
[0019]图2是底部氩气强制冷却系统装配示意图。
[0020]图3是带氩气冷却的DS块示意图。
[0021]图4是底部带籽晶凹槽的石英坩埚和籽晶装配示意图。
[0022]图中，1.氩气冷却进口管2.DS块3.石墨坩埚4.石英坩埚5.熔体硅6.碳碳复合材料顶部盖板7.顶部氩气进口管8.盖板中心孔9.石墨坩埚顶部侧排气口
10.籽晶11.籽晶凹槽12.氩气冷却通孔13.氩气流道。
【具体实施方式】
[0023]如图f图4所示，在碳碳复合材料顶部盖板6的中心开盖板中心孔8，所述顶部氩气进口管7穿过所述盖板中心孔8将氩气导入所述石墨坩埚3内。所述石墨坩埚3的开口边缘开有若干凹槽，所述碳碳复合材料顶部盖板6和所述凹槽共同构成石墨坩埚顶部侧排气口 9。所述石英坩埚4的底部开若干不穿透的籽晶凹槽11，所述每个籽晶凹槽11优选为沿所述石英坩埚4的中心轴对称分布；每个籽晶凹槽11的形状与所述籽晶10的形状保持一致，所述籽晶10安装在所述籽晶凹槽11内，籽晶凹槽11深度略小于籽晶10的高度，石墨坩埚3的内边边长与石英坩埚4的外边边长相等，石英坩埚4安装在石墨坩埚3内，所述石英坩埚4的外壁面与所述石墨坩埚3的内壁面重合。将熔体硅5放入石英坩埚4中。将碳碳复合材料顶部盖板6盖在石墨坩埚3上，并使碳碳复合材料顶部盖板6的四边与石墨坩埚3的四边重合。所述DS块2上开有若干氩气冷却通孔12，所述氩气冷却通孔12的形状、大小以及安装位置与石英坩埚4底部的籽晶凹槽11保持一致，DS块2上表面开凹槽，用以连接各个DS块氩气冷却通孔12，构成DS块氩气流道13，该流道最终使氩气沿DS块2的四周流入生长炉的外炉体内。所述底部氩气冷却进口管I的直径略大于DS块氩气冷却通孔12的直径，且同轴安装，以便于底部氩气冷却进口管I对DS块2进行有效支撑，同时构成底部氩气强制冷却系统。
[0024] 实际应用中，在整个晶体生长过程中，从顶部氩气进口管7通入氩气，氩气进入石墨坩埚3中后，氩气携带杂质从石墨坩埚顶部侧排气口 9排出石英坩埚4。在多晶硅熔料阶段，打开石墨加热器使多晶硅熔融变为熔体硅5，底部氩气冷却进口管I通入氩气，氩气流量为20-100 slm,通过DS块氩气冷却通孔12对籽晶凹槽11内的籽晶10进行冷却，避免将籽晶10全部熔掉，但需要将籽晶10顶部熔融一部分，使籽晶10进行熔接。在晶体硅生长初期，继续向底部氩气冷却进口管I通入氩气，氩气流量为20-100 slm，提升传统多晶硅炉的侧壁隔热笼进行降温的同时，降低加热器功率，各个籽晶10会慢慢长大并最终熔合为一个单晶硅，此阶段控制各个底部氩气冷却进口管I的氩气流量，氩气流量为20-100 slm,使固液界面尽量保持水平并略凸。在晶体硅生长和收尾阶段，通过控制各个底部氩气冷却进口管I的氩气流量，氩气流量为20-100 slm，使固液界面尽量保持水平并略凸，最终使晶体中心部位先透顶，边缘最后结晶，从而完成准单晶硅的生长过程。准单晶硅的单晶率可达95%以上，大大提高了太阳光伏电池的效率。本发明不仅限于多晶硅的生长，同样适用于利用布里奇曼法生长的Al20 3、GaAs等其它光学晶体的生长。
【权利要求】
1.一种定向凝固法准单晶硅生长炉，包括石英坩埚(4)、石墨坩埚(3)、碳碳复合材料顶部盖板(6)和DS块(2)，其特征在于，所述DS块(2)与所述石墨坩埚(3)底面贴合，所述DS块(2)上开有若干氩气冷却通孔(12)，所述DS块(2)与所述石墨坩埚(3)贴合的一面上开有氩气流道(13)，所述氩气流道(13)与所述各个氩气冷却通孔(12)连通，所述DS块(2 )的另一面上安装有氩气冷却进口管(I)，所述氩气冷却进口管(I)与所述氩气冷却通孔(12)配合连接；所述石英坩埚(4)底部开有若干籽晶凹槽(11)，所述籽晶凹槽(11)的中心轴线与所述氩气冷却通孔(12)的中心轴线共线。
2.根据权利要求1所述的一种定向凝固法准单晶硅生长炉，其特征在于，所述籽晶凹槽(11)沿所述石英坩埚(4)的中心轴线对称分布在所述石英坩埚(4)底部。
3.根据权利要求1所述的一种定向凝固法准单晶硅生长炉，其特征在于，所述氩气冷却通孔(12)的形状、大小与所述石英坩埚(4)底部的籽晶凹槽(11)保持一致。
4.根据权利要求1或2所述的一种定向凝固法准单晶硅生长炉，其特征在于，所述石墨坩埚(3)的开口边缘开有若干凹槽，所述碳碳复合材料顶部盖板(6)和所述凹槽共同构成石墨坩埚顶部侧排气口(9) 根据权利要求1或2所述的一种定向凝固法准单晶硅生长炉，其特征在于，所述籽晶凹槽(11)的形状为圆形或三角形或多边形。
5.根据权利要求1或2所述的一种定向凝固法准单晶硅生长炉，其特征在于，所述DS块(2)与所述石墨坩埚( 3)贴合的一面上开设的氩气流道(13)的横截面形状为三角形或多边形或弧形。
6.一种利用定向凝固法准单晶硅生长炉进行准单晶硅生长的方法，包括如下步骤: A在多晶硅熔料阶段，氩气冷却进口管(I)通入氩气，氩气流量为20-100 slm，通过DS块氩气冷却通孔(12)对籽晶凹槽(11)内的籽晶(10)进行冷却，将籽晶(10)顶部熔融，并避免将籽晶(10)全部熔掉； B在晶体硅生长初期，继续向底部氩气冷却进口管(I)通入氩气，氩气流量为20-100slm，提升侧壁隔热笼进行降温的同时，降低加热器功率，各个籽晶(10)会慢慢长大并最终熔合为一个单晶硅，此阶段控制各个底部氩气冷却进口管(I)的氩气流量，氩气流量为20-100 slm，使固液界面尽量保持水平并略凸； C在晶体硅生长和收尾阶段，通过控制各个底部氩气冷却进口管(I)的氩气流量，氩气流量为20-100 slm，使固液界面尽量保持水平并略凸，最终使晶体中心部位先透顶，边缘最后结晶。
【文档编号】C30B11/00GK103628127SQ201310605437
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】苏文佳, 左然 申请人:江苏大学