一种可控制形核、杂质扩散的多晶铸锭用石英坩埚及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多晶铸锭用功能性石英坩埚的处理方法，属于多晶硅铸锭领域。
【背景技术】
[0002] 目前，多晶硅锭的制备方法主要是利用GT Solar提供的定向凝固系统进行制备， 该方法通常包括加热、熔化、长晶、退火和冷却等步骤。在凝固长晶过程中，通过对顶部温度 和侧边保温罩开度进行控制，使得熔融硅液在坩埚底部获得足够的过冷度凝固结晶。在多 晶铸锭过程中使用的一个重要辅材，多晶铸锭用石英坩埚，由于普通坩埚底部呈现各向同 性的特点，硅液在结晶初期形核不能得到有效控制，存在晶粒尺寸分布不均匀（从几十微 米到十几厘米）、位错密度高的问题，大大影响了多晶硅片转换效率的提升；与此同时，由 于多晶铸锭用坩埚自身的纯度较低一般纯度（仅3N~4N)，导致在铸锭过程中有大量的杂 质扩散到硅锭中形成杂质富集区（简称"黑边），造成硅片低效和漏电比例大幅提升，越来 越难以满足市场对于高效硅片的需求；
[0003] 针对常规铸锭方式产生的多晶硅锭存在形核无法控制、硅锭内部错密度高、晶界 多且无规则分布的问题，多晶技术人员基于控制形核的考虑推出了两种不同类型的多晶铸 锭方式：其中一种为利用单晶引晶生长的原理、在坩埚底部铺设单晶板或块作为生长籽晶， 控制形核形成类单晶硅片，其代表厂家如协鑫、凤凰光伏和昱辉等；另一种方式为在坩埚 底部铺设碎硅料作为生长用籽晶，控制形核形成表面具有细小晶粒结构的高效多晶硅片， 其典型产品如台湾中美矽晶的A4+硅片、赛维的M3硅片、协鑫的S2、S3硅片等。
[0004] 上述两种方式通过不同的控制形核方式均有效提升了多晶硅锭的光电转换效率， 类单晶硅片和细碎晶粒高效多晶硅片的光电转换效率均由普通硅片的16. 8%~17. 0%左 右大幅提升到17. 6%~17. 8%之间，但也存在如下的问题：
[0005] 1、无论类单晶铸锭或细碎晶粒高效多晶铸锭，其采用的均为控制坩埚底部籽晶部 分熔化工艺进行晶体生长，需做插棒测试，大大提升了生长控制难度和对工人的工艺技术 要求；
[0006] 2、类单晶和细碎尚效多晶娃片由于谢祸底部娃料均不完全恪化，因而娃料利用率 大幅降低，由正常铸锭的68%左右大幅降低到62%左右，大大提升了铸锭成本；
[0007] 3、类单晶或细碎晶粒高效多晶铸锭，由于坩埚底部有未熔化硅料，底部回收料有 气孔，难以打磨回收，大大提升了硅料的使用成本；针对普通坩埚自身纯度低，铸锭过程中 形成的黑边宽度宽的问题，市场上一般通过增大坩埚尺寸的办法来消除这一影响，主要是 通过将普通坩埚的外径由878mm提升到900mm、内径由840mm提升到860mm左右，虽可有效 降低晶砖的黑边宽度，黑边宽度由正常的16~18mm大幅降低到6~8mm左右，但由于坩埚 内径增大导致硅料利用率大幅降低3%~5%左右；另一方面由于坩埚尺寸的增大，普通铸 锭用护板不能适应正常生产需求，因而护板等均要重新更换，大大提升的多晶铸锭的制造 成本。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是针对普通铸锭形核控制难、黑边宽度宽、效率低，类 单晶或高效多晶工艺控制难度高、制造成本高和用增大坩埚导致铸锭成本高的问题，提供 一种可控制形核、杂质扩散的多晶铸锭用石英坩埚的制备方法。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
[0010] 一种可控制形核、杂质扩散的多晶铸锭用石英坩埚，其中，其制备方法包括如下步 骤：
[0011] 1)首先，在多晶铸锭用普通石英坩埚内表面涂一层高纯涂层；
[0012] 2)在刷涂的高层涂层表面再涂一层细砂涂层来降低高纯涂层表面的粗糙度，并在 高温下进行烧结处理；
[0013] 3)在处理好侧边高纯涂层的坩埚底部涂一层均匀致密的形核源；
[0014] 如上所述的一种可控制形核、杂质扩散的多晶铸锭用石英坩埚的制备方法，其中， 所述的一种铸锭用普通石英坩埚，所述坩埚外径为878~880mm，内径为838~840mm，高度 为 480mm ;
[0015] 如上所述的一种可控制形核、杂质扩散的多晶铸锭用石英坩埚的制备方法，其中， 所述的高纯涂层使用的为粒度在100~200目、纯度多99. 995%的单晶坩埚用高纯石英砂 和粒度为250~400目、纯度多99. 99%的多晶坩埚用高纯石英砂以1 :1~1 :5的重量比 混合均匀得石英砂，再将石英砂与粘结剂按1 :2~1 :4的重量比混合、搅拌均匀后得高纯 石英砂浆料，利用刷涂或喷涂的方式在坩埚四壁刷涂一层高纯涂层，所述使用的单晶坩埚 用高纯砂与多晶坩埚用高纯砂的金属离子总含量在20ppm以内，所述高纯石英砂浆料涂层 厚度大于1. 8_，所述粘结剂为去离子水和高纯娃溶胶中的一种或两种的组合，其中Fe元 素的含量小于5ppm ;
[0016] 如上所述的一种可控制形核、杂质扩散的多晶铸锭用石英坩埚的制备方法，其中， 所述的在刷涂的高层涂层表面再刷涂一层细砂涂层来降低高纯涂层表面的粗糙度，并在高 温下进行烧结处理，所述的细砂涂层使用的粒度在500目以上、纯度多99. 99%的多晶坩 埚用高纯石英砂与粘结剂按1 :2~1 :4的重量比混合、搅拌均匀后得高纯细砂浆料，利用 喷涂的方式喷涂在高纯涂层表面，所述使用的多晶坩埚用高纯细砂的金属离子总含量在 20ppm以内，所述高纯石英砂衆料涂层厚度控制在0. 2~0. 5mm之间，i甘埚表面粗糙度为 Ra < 6,所述粘结剂为去离子水和高纯硅溶胶中的一种或两种的组合，其中Fe元素的含量 小于5ppm ;
[0017] 如上所述的一种可控制形核、杂质扩散的多晶铸锭用石英坩埚的制备方法，其中， 所述的高温下进行烧结处理指在坩埚内表面处理了两层高纯涂层的坩埚经800~850°C快 速烧结lh ;
[0018] 如上所述的一种可控制形核、杂质扩散的多晶铸锭用石英坩埚的制备方法，其中， 所述的在处理好侧边高纯涂层的坩埚底部刷涂一层均匀致密的形核源，其步骤为：（1)首 先将硅溶胶与高纯石英砂料浆按5 :5~7 :3的质量比混合均匀形成混合浆料，将混合浆料 刷涂在多晶硅铸锭用坩埚的内底部形成粘结层；（2)再将形核源刷涂或洒涂在所述粘结层 上形成形核源层，所述形核源的粒度为50~100目，形核源层的厚度为1~3mm ; (3)然后 在100~200°C下烘干2~4h ;
[0019] 如上所述的一种可控制形核、杂质扩散的多晶铸锭用石英坩埚的制备方法，其中， 所述的刷涂一层均匀致密的形核源所用的硅溶胶固含量为40~41 %，粒径为25~29nm ;
[0020] 如上所述的一种可控制形核、杂质扩散的多晶铸锭用石英坩埚的制备方法，其中， 所述的刷涂一层均匀致密的形核源所用的高纯石英砂料浆的固含量为80~85%，高纯石 英砂的粒度为200~400目；
[0021] 如上所述的一种可控制形核、杂质扩散的多晶铸锭用石英坩埚的制备方法，其中， 所述的刷涂一层均匀致密的形核源所用的形核源选自高纯石英砂或高纯氮化硅中的一种 或两者的混合物，所述形核源的粒度为50~100目，且所述形核源选自高温下不与硅发生 反应的娃系材料。
[0022] 相比于现有技术，本发明有益效果为：
[0023] 1)本发明基于控制形核长晶的原理，创新性的在坩埚底部铺设一层具有一定颗粒 度的石英砂作为形核源来控制长晶初期的形核，形成底部具有细小均匀晶粒的高效多晶硅 片，熔化过程中硅液完全熔化，不需要插棒做熔化