专利名称：太阳能级φ6英吋无位错单晶硅的制备方法
技术领域：
本发明涉及用硅材料制做的太阳能硅片，在阳光下能把太阳光直接转化为电能，特别 涉及大英吋无位错单晶硅。
背景技术：
目前，由于硅材料的来源丰富，用硅材料制成的半导体器件使用范围广、可靠性好。 因此，己成为最重要的半导体材料。现在，90%的半导体器件都是用硅材料制作的。近几 年来，为了节约煤、石油、木材等能源，同时为了减少环境污染，大力提倡绿色能源，逐 渐使用硅材料制作太阳能硅片，可在阳光下能把太阳光转化为电能。在整个硅晶体中，所 有的粒子都是按同一规律并且同一方向周期性地排列在一起，这样的晶体叫单晶体，单晶 体常有规则的外形，并且具有各向异性单晶硅。在单晶体生长过程中，由于热应力、杂质 添加、液面波动、机械震动等原因，使正在生长的晶体中的粒子排列的规律性，在局部被 打乱，形成了晶格缺陷。位错是晶体中常见的缺陷，在制作太阳能电池的硅片，都要求硅 材料是单晶体，并且是无位错的。
发明内容
本发明的目的提供了一种光电转换效率高的大英吋太阳能无位错单晶硅的制备方法。
本发明采用的技术方案是依次包括如下步骤 (1)采用高纯多晶硅原料，使用硝酸和氢氟酸对原料进行化学腐蚀，除去表面杂质 再用高纯水冲洗干净；(2)用无位错的单晶硅切制长度为100 130mm的籽晶；(3)先把 多晶硅装入炉室，炉室内通氩气加热熔化硅料，硅料的熔点为1416'C,加热熔料的时间为 4小时左右，再将籽晶接触液面，慢慢的向上提拉，液体硅就在籽晶下方逐渐结晶，拉制 出单晶硅。
本发明方法简单，制备无位错单晶硅的直径为6英吋(150mm)，用这样的单晶硅切成 片子，再做成太阳能电池，其光电转换效率可达到15~18%。
具体实施例方式
拉制单晶硅的原料是高纯多晶硅。多晶硅的纯度及质量好坏将直接影响到无位错单晶 硅是否能够拉制成功，以及拉制出来的单晶硅是否合格。
在地壳中虽然硅元素的含量丰富，但都是以化合物(例如Si02)的形式存在。必须通 过化学生产的方式将硅的化合物转化成高纯度的多晶硅。高纯多晶硅的生产方法有多种， 现在使用较多的是三氯氢硅氢还原法(SiHCl3)。用来拉制太阳能级的单晶硅，要求使用的多晶硅的纯度〉6个"9" (99.9999%)。
多晶硅料在投入使用前，必须进行严格的分检以及严格的化学腐蚀清理，除去表面杂 质，并用高纯水冲洗干净。化学腐蚀时常用的酸是硝酸和氢氟酸。对于不同的多晶料，化 学腐蚀的具体操作方法(酸配比、腐蚀时间、温度等)也不尽相同。其化学反应式如下
Si + 4HN03 + 4HF = SiF4 t + 4N02 t + 4H20
SiF4 + 2HF = H2[SiF6] + Q (热量) 也可用碱腐蚀，反应式如下(NaOH的浓度为10~30%)
Si + 2NaOH + H20 = Na2Si03 + 2H2 t 高纟屯石英琳埚是盛装多晶硅料及液体硅的容器，用高纯石英(Si02)烧制而成，为 白色不透明的。为了避免石英中的杂质污染液体硅(温度在1416'C以上)，要求在坩埚内 壁再喷塗一层高纯度的透明石英。用于生产太阳能级单晶硅的石英柑埚，其外直径一般为 16英寸、18英寸、20英寸等，对应最大装料量分别为40、 60、 90公斤。
为了控制单晶硅的型号和电阻率，都要在晶体中掺如一定量的v族或m族元素。现在
拉制太阳能级单晶硅时， 一般是掺入硼硅母合金(含有硼的硅晶体)，掺入量为几百毫克 到几十克不等(取决于母合金的含硼浓度)。在装炉时，硼硅母合金随同多晶硅料一同装 入石英坩埚中。多晶硅料熔化成液态时，硼原子也就均匀分布在液体中。
籽晶是晶体生长的"种子"，也叫晶种。用不同晶向的籽晶做晶种，就会获得不同晶 向的单晶体。籽晶是用无位错的单晶硅切制(掏制)而成，有方形的(如10X10mm)，也 有圆形的(如4)12.7mm)，长度一般为100至130mm左右。为了保证单晶硅质量，切籽 晶所用的晶体一般用高电阻率的单晶。
在拉制单晶硅的过程中，是先把多晶硅熔化成液体，再用一个事先用单晶硅制做的小 "籽晶"接触液面，慢慢的向上提拉，液体硅就在"籽晶"的下方逐渐而缓慢的结晶，近 而拉制出一个大的单晶硅棒来。具体是需要给单晶炉内通入高纯氩气作为保护气体。氩气 从炉室顶部进入，从炉室底部由真空泵抽走。由于晶体生长时的温度在1400'C以上，如果 氩气纯度不高，势必影响晶体的生长。要求氩气的纯度为5个"9"以上，即要求氩气中 的总杂质含量<0.001%，其中氧含量<0.0001%，即〈lppm。 (l个卯m为百万分之一) 把单晶炉室及石墨热系统清理干净，把籽晶装入上轴下端的夹头中。戴上高纯手套，把石 英坩埚小心地放到石墨坩埚中，再把多晶硅料轻轻地、逐块地放入到石英柑埚中，把掺杂 剂放在多晶料的上部。关闭炉室，启动真空泵抽除炉室内的气体。待炉室内真空度上去后， 给炉室内通氩气。炉内压强维持在(1.2—1.6)X10Spa左右。给炉室内的石墨加热器通电 加热。硅料的熔点为1416'C，只有在高于此温度的情况下，硅料才能熔化成液态。装料越多，熔料需要的功率就越高。对于使用18英寸坩埚装料60公斤来说，烙料功率一般为95 至100KW。当硅料快熔完时，要及时将功率降低至"引晶"时的功率(约60KW)左右。加 热熔料的时间一般为4个小时左右。
在单晶硅棒拉制过程中，温度升高，晶体直径收细；反之，晶体直径长粗。拉速提高， 晶体直径收细；反之，晶体直径长粗。引晶待多晶硅料全部熔化成液态，将坩埚升至合 适位置。下降上轴使籽晶接触液面。待籽晶与液体完全熔接好后，慢慢向上提拉籽晶。这 样，在籽晶下方，沿着籽晶的晶向生长出新的单晶体。开始引晶的拉速都很慢， 一般为 0. 5mm/分左右。
縮细颈在籽晶接触液面时，由于热冲击，在籽晶的下端会产生大量的位错，并在引 晶过程中向下延伸。为了排除引出单晶中的位错，需要拉制出一段直径较细并有一定长度 的单晶来。这个过程叫"縮细颈"。縮细颈的直径一般3mm左右、长度为80mm左右。缩 细颈过程的拉速可以提高到4一6mm/分。
放肩縮细颈成功后，降低拉速，必要时还需适当降温，使晶体直径逐渐长粗。放肩 的角度一般控制在150°至160°。放肩过程的拉速一般为0. 3—0. 5mm/分左右。
收肩当晶体直径接近所需的直径(例如150mm)时，提高拉速(有使还需升温)使 晶体直径停止长粗，转入等直径的向下成长。收肩过程的拉速可以提高至2mm/分以上， 但收肩结束时拉速要及时降下来。
等直径晶体的等直径部分才是有用的部分。在等直径阶段，要控制好拉速和温度， 使晶体的直径控制在规定的范围内，例如拉制6英寸晶体时，把直径控制在152至155mm 之间。等直径上部的拉速一般为1.2—1.5mm/分左右，等直径下部的拉速一般为0. 6— 0.9mm/分左右。
收尾当坩埚中剩料少于8%时，单晶开始收尾。逐渐提高拉速，有时还需升温，使 晶体直径逐渐收细。对6英寸晶体来说，收尾的长度应在120mm以上。
拉完时提起晶体或降低坩埚，使晶体与液面脱离开。加热功率要一次或分几次降低并 回零。让晶体在炉内自然缓慢冷却6至8小后，方可打开炉室，取出晶体送检验部门进行 质量检测。
每开一炉的时间(含停炉冷却时间)，随装料量及晶体直径的不同而不定。对18英寸 坩埚装料60公斤拉制6英寸晶体而言，正常情况下(不回熔)，约需35至40个小时。
权利要求
1.一种太阳能级φ6英时无位错单晶硅的制备方法，其特征是依次包括如下步骤(1)采用高纯多晶硅原料，使用硝酸和氢氟酸对原料进行化学腐蚀，除去表面杂质再用高纯水冲洗干净；(2)用无位错的单晶硅切制长度为100～130mm的籽晶；(3)先把多晶硅装入炉室，炉室内通氩气加热熔化硅料，硅料的熔点为1416℃，加热熔料的时间为4小时左右，再将籽晶接触液面，慢慢的向上提拉，液体硅就在籽晶下方逐渐结晶，拉制出单晶硅。
全文摘要
本发明公开了一种太阳能级φ6英吋无位错单晶硅的制备方法，依次包括如下步骤(1)采用高纯多晶硅原料，使用硝酸和氢氟酸对原料进行化学腐蚀，除去表面杂质再用高纯水冲洗干净；(2)用无位错的单晶硅切制长度为100～130mm的籽晶；(3)先把多晶硅装入炉室，炉室内通氩气加热熔化硅料，硅料的熔点为1416℃，加热熔料的时间为4小时左右，再将籽晶接触液面，慢慢的向上提拉，液体硅就在籽晶下方逐渐结晶，拉制出单晶硅；本发明方法简单，制备无位错单晶硅的直径为6英吋(150mm)，用这样的单晶硅切成片子，再做成太阳能电池，其光电转换效率可达到15～18％。
文档编号C30B29/06GK101591806SQ200810123639
公开日2009年12月2日 申请日期2008年5月28日 优先权日2008年5月28日
发明者伟 张 申请人:镇江大成硅科技有限公司