专利名称：一种太阳能级单晶硅的生长方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料领域，特别涉及一种太阳能级单晶硅的生长方法及装置。
背景技术：
目前的太阳能级硅单晶大部分采用切克劳斯基法(CZ法)制造。在这种方法中，多晶硅原料被装进石英坩埚内加热熔化，然后，将熔硅略做降温，给予一定的过冷度，把一支特定晶向的籽晶与熔硅接触，通过调整熔体的温度和籽晶向上提拉的速度进行晶体生长， 当晶体长大至近目标直径时，提高提拉速度，使单晶体近恒直径生长。在生长过程的尾期， 通过调整晶体的提拉速度和向坩埚的供热量将晶体直径渐渐减小而形成一个尾锥体，当锥体的尖足够小时，晶体就会与熔体脱离，从而完成晶体的生长过程。由于CZ炉采用石墨组件做为发热体，石英坩埚做为容器，故在CZ法生长太阳能级硅单晶的过程中碳氧含量会增加，这些杂质对硅材料和器件的性能有破坏作用，因此引起人们的高度重视。硅晶体中的氧主要来自晶体生长时石英坩埚的污染。液态多晶硅在高温下严重侵蚀石英坩埚，部分SiO则在熔硅中分解，分解的氧便引入熔体中，最终进入硅晶体。硅中的氧是以间隙态存在于晶体中，在随后的器件制造工艺过程中，由于硅晶体经历了各种温度的热处理，过饱和的间隙氧会在硅晶体中偏聚和沉淀，形成氧施主、氧沉淀及二次缺陷，这些缺陷对硅材料和器件的电学性能有破坏作用。碳来自多晶硅原料、晶体生长炉内的剩余气体以及石英坩埚与石墨加热件的反应。反应生成的CO气体大都进入硅熔体，从而和熔硅反应，留在熔硅中，最终进入晶体。碳在硅中处于替位位置，由于碳原子半径小于硅，使得硅的晶格常数变小，并且造成区域应力。硅中的碳会使器件的击穿电压大大降低，漏电流增加，对器件的质量有负面作用。同时碳也会促进氧的沉淀，并与晶体中的微缺陷有直接联系，对硅太阳能电池的转换效率影响很大。为了得到碳氧含量较低的高纯太阳能电池硅原料，人们采用区熔法(FZ法)生长硅单晶。由于采用高频加热且不用坩埚，避免了来自石英坩埚和石墨加热器的污染，而且还可以利用悬浮区熔进行多次提纯，所以生长出的硅单晶的纯度高，碳氧含量低。测试数据显示FZ单晶中的碳氧比CZ单晶中的碳氧含量低2-3个数量级，避免了碳氧对太阳能电池质量的影响。但区熔法较难生长大尺寸(6英寸以上)硅单晶，且生长成本较高，限制了其广泛应用。另一方面，区熔法硅单晶电阻率不均勻，且位错和漩涡缺陷较多，影响其器件质量。另外，众所周知，石墨器件是易损件，随着时间的推移，石墨材质挥发严重。例如， 使用炉次超过30炉次以上的石墨加热器表面就会出现很多气孔，这将大大降低加热器的加热效率，增加了功耗。因此，如何在硅单晶的生长过程中减少碳氧含量以及更好的控制单晶生长过程中的温度，以得到质量较高的适合太阳电池生产的硅单晶原料，成了硅单晶生长领域中的重要课题。
发明内容
为解决上述现有技术中的问题，本发明提出一种新的硅单晶生长过程中石英坩埚发热体和具有此加热体的硅单晶拉制设备以及采用此设备生长硅单晶的方法。为达到本发明的目的，本发明提出一种金属发热体以取代原先的石墨发热体，减小提拉法生长太阳能级硅单晶的碳污染。本发明的技术方案因金属挥发较小，使用金属发热体作为加热元件的使用炉次可以超过石墨加热器的两倍以上；另外金属的电阻率略小于石墨电阻率，为了达到相同的加热效果，需减小金属发热体的截面积，这样金属的材料用量会小很多。且用于同一种尺寸单晶硅的金属发热体价格与石墨加热器不相上下。本发明的一实施例采用一种新型金属发热体作为提拉法生长硅单晶的加热器，金属发热体的材质主要包括钨、钼、钽或者其中两种以上金属的合金。炉膛内为真空状态、或充入惰性保护气体、或充入H2还原性气体，如此不仅减少了提拉法生长硅单晶的碳污染，还降低了单晶硅的制造成本。本发明的不采用石墨发热体，单晶生长的炉膛内为真空状态或充入惰性保护气体、或充入H2还原性气体，一方面减小了石墨发热体对硅单晶的碳污染，提高了发热体的使用寿命，降低了拉晶成本；另一方面使用金属发热体，炉膛内可以保持真空或还原性气氛， 可抑制硅熔体与石英坩埚的反应，降低硅单晶中的氧含量。本发明的发热体为矩形波状的板条通电回路的圆筒，整个圆筒安装在与水冷电极相连的电极板上。采用这种构造的发热体，可以在真空状态或充入惰性保护气体、或充入 H2还原性气体条件下生长硅单晶，减少了因使用石墨加热器生长硅单晶而引起的碳污染。本发明的生长太阳能级硅单晶的金属发热体，包括圆筒和支撑圆筒的电极。圆筒由矩形板条和连接板条组成，矩形板条和连接板条通过金属铆钉相连，整个圆筒安装在与水冷电极相连的电极板上。所述的金属发热体的材质是钨、钼、钽中的一种金属，或者以上几种金属的合金。所述的矩形板条宽度为80 100mm，优选为80 90mm。所述的连接板条宽度为10 30mm，优选为10 20mm。所述的矩形板条厚度为5 15mm，优选为5 10mm。所述的矩形板条之间的间距为5 15mm，优选为5 10mm。所述的金属发热体所围成的圆筒型内径视坩埚的尺寸而定，圆筒与坩埚之间的间隙为20 30mm。所述的发热体可达到的温度范围为1500 2500°C。本发明还提出一种硅单晶生长设备，其包括上述的对炉体进行加热的金属发热体。本发明另提出一种硅单晶的生长方法，其包括采用上述的金属发热体对炉体进行加热。该发热体具有如下优势(1)取代了传统CZ炉的石墨发热体，减小了使用石墨发热体对硅单晶的碳污染；( 金属发热体可在真空环境下生长硅单晶，消除了炉内循环惰性气体的热传导，使得温度梯度减小，更好的防止晶体开裂，易于生长大尺寸晶体；(3)可在H2还原性气氛下生长硅单晶，可减少因石英坩埚而引入的氧污染；(4)发热体的使用寿
4命长、安全可靠；( 降低了单晶硅提拉成本。实践证明，本发明的发热体可以提供太阳能级硅单晶生长所需要的高温，同时减轻了使用石墨发热体对硅单晶的碳污染，发热体的寿命大于石墨加热器一倍以上。利用本发明的发热体，进行了硅单晶的生长实验，可以得到大尺寸和优质的晶体。经检验表明，硅单晶内碳氧含量分别在IO15和IO"5量级，而传统方法得到的单晶硅碳氧含量分别是IO16和 IO17量级。
通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。其中图1为本发明提拉法生长太阳能级硅单晶的金属发热体的俯视结构示意图。图2为本发明提拉法生长太阳能级硅单晶的金属发热体的主视结构示意图。
具体实施例方式参加图1及图2，本发明的生长太阳能级硅单晶的金属发热体，包括圆筒1和支撑圆筒的电极4。圆筒1由矩形板条2和连接板条3组成，矩形板条2和连接板条3通过金属铆钉相连，整个圆筒1安装在与水冷电极相连的电极板上。所述的金属发热体的材质是钨、 钼、钽中的一种金属，或者以上几种金属的合金。实施例1 采用金属钽制成内径为680mm的发热体，板条宽度为80mm，厚度为5mm，间距为 5mm，形成高度为800mm的圆筒，炉膛内为真空状态，采用CZ法生长单晶，可生长出8〃太阳能级硅单晶，其中碳含量为lX1015cm_3，氧含量为8X1016cm_3。实施例2:采用金属钽制成内径为680mm的发热体，板条宽度为90mm，厚度为10mm，间距为 10mm，形成高度为800mm的圆筒，炉膛内为真空状态，采用CZ法生长单晶，可生长出8〃太阳能级硅单晶，其中碳含量为1.5X1015cm_3，氧含量为lX1016cm_3。实施例3 采用金属钽制成内径为680mm的发热体，板条宽度为80mm，厚度为5mm，间距为 5mm，形成高度为800mm的圆筒，炉膛内充入H2，保持还原性气氛，采用CZ法生长单晶，可生长出6"太阳能级硅单晶，其中碳含量为lX1015cm_3，氧含量为lX1016cm_3。本发明并不局限于所述的实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神即公开范围内，仍可作一些修正或改变，故本发明的权利保护范围以权利要求书限定的范围为准。
权利要求
1.一种采用传统的提拉法生长太阳能级硅单晶的生长过程所用的发热体，其特征在于，所述发热体为金属，且所述的金属发热体的材质包括钨、钼或钽，或者为其中两种以上金属的合金。
2.根据权利要求1所述的太阳能级硅单晶生长方法，其特征在于，所述金属发热体包括由矩形板条和连接板条组成的圆筒以及电极，其中部分电极安装在与水冷电极相连的电极板上，另外的电极起支撑所述圆筒。
3.根据权利要求2所述的太阳能级硅单晶生长方法，其特征在于，所述金属发热体的矩形板条为波状，其宽度为80 100mm，厚度为5 15mm。
4.根据权利要求3所述的太阳能级硅单晶生长方法，其特征在于，所述金属发热体的矩形板条宽度为80 90mm，厚度为5 10mm。
5.根据权利要求2或3所述的太阳能级硅单晶生长方法，其特征在于，所述金属发热体的矩形板条之间的间距为5 15mm。
6.根据权利要求5所述的太阳能级硅单晶生长方法，其特征在于，所述金属发热体的矩形板条之间的间距为5 10mm。
7.根据权利要求2所述的太阳能级硅单晶生长方法，其特征在于，圆筒与坩埚之间的间隙一般为10 20_。
8.一种太阳能级硅单晶的生长所用的设备，其特征在于，包括如权利要求1至7项任一项所述的金属发热体。
9.一种太阳能级硅单晶的生长方法，采用传统的提拉法生长太阳能级硅单晶的生长， 其特征在于，在硅单晶生长过程中采用如权利要求1至7项任一项所述的金属发热体进行加热。
10.根据权利要求9所述的太阳能级硅单晶生长方法，其特征在于，在所述采用金属发热体加热的同时，炉膛内为真空状态、或充入惰性保护气体、或充入H2还原性气体。
全文摘要
本发明提出一种太阳能级硅单晶的生长方法和设备，采用传统的提拉法生长太阳能级硅单晶，其特征是采用一种新型的金属发热体进行加热，其包括圆筒和支撑圆筒的电极。圆筒由矩形波状的板条组成，整个圆筒安装在与水冷电极相连的电极板上。炉膛内为真空状态或充入惰性保护气体、或充入H2还原性气体。本发明方法减小了因使用石墨发热体生长太阳能级硅单晶的碳污染，延长了发热体的使用寿命。
文档编号C30B15/00GK102373500SQ20101025343
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月16日 优先权日2010年8月16日
发明者张艳, 柳祝平, 王有明, 裴广庆, 黄小卫 申请人:元亮科技有限公司