专利名称：低成本生长太阳能级硅单晶的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于直拉法生长硅单晶的装置，特别一种低成本生长太阳能级硅单晶的装置，具体为低成本直拉法生长太阳能级硅单晶的20寸石墨系统。在石墨系统设计中通过石墨系统各个部件的形状尺寸调整氩气流动、降低无效的热传导和热辐射，使其能在低功耗下低氩气耗用下保证硅单晶的正常生长。
背景技术：
随着光伏行业竞争的加剧，越来越需要降低生产过程中的加工成本。在直拉单晶硅过程中，电力消耗占成本约20-30% O008-2009年中国太阳能电池铸锭拉晶切片产业及设备研究报告，中国行业咨询网，http://www. china-consulting, cn)。氩气消耗占总成本约20% O008-2009年中国太阳能电池铸锭拉晶切片产业及设备研究报告，中国行业咨询网，http://WWW. china-consulting, cn)。石墨系统的设计直接影响了直拉单晶硅生长过程中的电力消耗量和氩气消耗量。因此，只有优化的石墨系统设计能解决在较低成本下制造太阳能级硅单晶的难题。市售常规的采用CZ法拉制6英寸和8英寸的硅单晶棒的石墨系统(例如， FT-CZ2008A单晶炉型为20寸的石墨系统)通常电力消耗量和氩气消耗量相对较高。到目前为止，国内外未见有关低成本直拉法生长太阳能级硅单晶的20寸石墨系统设计的报道。
实用新型内容本实用新型提供的一种低成本生长太阳能级硅单晶的装置，本实用新型是在单晶炉的炉膛内安装适合低功耗低氩气下单晶生长的Φ20时石墨系统，通过石墨系统各个部件的形状尺寸调整氩气流动、降低无效的热传导和热辐射，使其能在低功耗下低氩气耗用下保证硅单晶的正常生长，可以明显地降低电力消耗量和氩气消耗量，缩短硅单晶的生长周期，降低了生长成本。本实用新型提供的在低功耗低氩气消耗下生产直拉硅单晶的装置主要包括加热器、导流罩、石墨坩埚、保温盖、保温筒、固化保温碳毡、炉底压盘、连接杆。所述的导流罩包括第一导流罩、第二导流罩、第三导流罩和第四导流罩。加热器外围处安装石墨第四导流罩，第四导流罩上安装第三导流罩；第四导流罩外安装石墨保温筒；保温筒外面安装固化保温碳毡；石墨保温筒由石墨炉底压盘上的卡口定位，石墨保温筒上沿用于定位保温盖，第二导流罩上沿由保温盖卡口定位，第一导流罩由保温盖定位；石墨连接杆支撑石墨坩埚。所述的加热器外围15mm处安装石墨第四导流罩。所述的加热器按36等分开瓣，电极位置不开缝，实际为34瓣。所述的加热器有效高度在430 475mm范围，加热器总高度为580mm。所述的第四导流罩外15mm处安装保温桶。所述的倒漏斗形第三导流罩以45度角向炉体中轴倾斜。[0012]所述的第二导流罩为常规导流形状，内部以保温碳毡填充。所述的第一导流罩保持与第二导流罩相同的角度，第一导流罩垂直高度为 40-400mm。所述的单晶炉炉膛内径为φ=800 1200mm。本实用新型提供的低成本生长太阳能级硅单晶的装置直拉法生长硅单晶的方法包括装料、加热、拉晶等步骤首先是在单晶炉中装料；熔融化料，待熔硅温度稳定，降籽晶，然后下降引细径，晶转并且提拉；再经过等径生长，控制炉室压力、晶体的拉速、氩气流速和晶转速度等步骤，还包括调整熔晶埚位，保持第二导流罩下沿与熔融液面之间的距离和埚转速度，调节拉晶速度，最后，收尾和冷却。本实用新型的特点描述如下本实用新型是对已公布直拉法生长硅单晶装置的明显改进。本实用新型采用了与国内外文献报道不同的Φ 20 “石墨系统生长直径200mm的P型，晶向<100>硅单晶，尤为重要的是本实用新型能够在保证单晶的前提下大幅降低整个拉晶过程的电力消耗。本实用新型还能有效减小氩气耗用(约减小20%-70%)。本实用新型采用复合的四段式导流罩调整氩气流的形状和局部速率，吹入的高速氩气流有效的冷却已经拉出的硅单晶棒，同时直吹晶体生长的结晶前沿，适当调整单晶棒冷却速率、增大温度梯度，促进快速结晶。调整保温结构大大降低无效的热传导和热辐射，使其能在低功耗低氩气量下保证硅单晶的生长。 本实用新型中锁定第二导流罩下沿与熔融硅液面之间的距离为20mm，由此精确控制局部氩气的精确高速流动，进而形成优化的结晶潜热快速散发的局部氩气流场，并使通过此处的氩气达到热饱和状态，该饱和能量状态的氩气单元在经过第二导流罩与融硅液面缝隙后体积膨胀，但在真空泵抽空的牵引下缓缓进入第三导流罩并在此逐渐缩小的空间内再次达到能量饱和，继而避免该单元氩气在后续进过第四导流罩流动途中干扰已经稳定的全局温度场(基于气体能量方程和数值模拟)。因此通过改变导流罩的形状及其与熔融硅及各个部件的相对位置，缩短硅单晶的生长周期，降低了生长成本。
图1为本实用新型直拉法低成本生长硅单晶的石墨系统装置剖面示意图。图2为生长P<100>型单晶硅电耗与常规装置对比图。图3为生长P<100>型单晶硅周期与常规装置对比图。图4为生长P<100>型单晶硅氩气流量与常规装置对比图。
具体实施方式
本实用新型结合附图详细描述如下本实用新型涉及到测定硅单晶的典型物理参数的设备为导电类型采用冷热探针法测得；晶向使用TO-ZH8晶向检测仪采用GB/ T11553-1997标准测得；电阻率；使用广州半导体所的SDY-3电阻率测试仪器采用GB/ T1553-1997标准测得；间隙氧含量使用N1C0LET-5700仪器，采用GB/T11553-1997标准测得；替位碳含量使用mC0LET-5700仪器，采用GB/T11553-1997标准测得；少子寿命使用IOOOb型semiIab少子寿命仪，采用GB/T1553-1997标准测得；位错密度采用GBTl 1553-1997 标准测得；如图所示，1是第一导流罩；2是保温盖；3是第二导流罩；4是保温碳毡；5是保温桶；6是第四导流罩；7是加热器；8是固化保温碳毡；9是连接杆；10是第三导流罩；11是炉底压盘；12是石墨坩埚。本实用新型是在单晶炉内安装以加热器7为核心的复合式石墨系统，加热器7外围15mm处安装第四石墨导流罩6;第四导流罩6上安装第三导流罩10，第三导流罩10以45 度角向炉体中轴倾斜；第四导流罩6外15mm安装石墨保温筒；保温筒5外面安装固化保温碳毡8 ；石墨保温筒5由石墨炉底压盘11上的卡口定位，石墨保温筒5上沿用于定位保温盖2，第二导流罩3上沿由保温盖2卡口定位，第二导流罩3内以保温碳毡4填充，第一导流罩1由保温盖2定位。石墨连接杆9支撑石墨坩埚12。加热器7按36等分开瓣，电极位置不开缝，实际为34瓣，加热器7有效高度在 430 475mm范围，加热器7总高度为580mm。第二导流罩3为常规导流形状，内部以保温碳毡4填充，第一导流罩1保持与第二导流罩3以相同的77度倾斜，第一导流罩1的垂直高度为40-400mm。本实用新型生长太阳能级硅单晶的方法包括的运行过程包括装料、加热、拉晶等步骤，首先是在单晶炉中装料；熔融化料，待熔硅温度稳定，降籽晶，然后下降引细径，晶转并且提拉；再经过等径生长，控制炉室压力、晶体的拉速、氩气流速(氩气流量降至常规直拉法生长硅单晶的装置的30-80% )和晶转速度等步骤，还包括调整熔晶埚位，保持第二导流罩下沿与熔融液面之间的距离和埚转速度，调节拉晶速度，最后，收尾和冷却。按照上述方法得到的实验测定结果使用本实用新型的装置，用纯度为6个9的硼，用太阳能级的块状多晶硅 (B ( 0. lppba,D ( 0. 9ppba，C彡0. 5ppma)可以在单位电耗小于40度下得到如下硅单晶。 投料量100公斤生长的Φ 200mm, P型< 100>晶向，硅单晶棒的电阻率为头部 P彡3Ω·αιι，尾部ρ彡0·4Ω·αιι。间隙氧含量为[0i]彡17. 5ppma，替位碳含量为 [Cs] ( 0. 5ppma，非平衡少子寿命τ彡15 μ s，位错密度EPD ( 500/cm2。 结果表明，本实用新型装置能在低电耗、低氩气耗用量下制得太阳能级直拉单晶硅。图2-4是本实用新型装置与常规直拉法生长硅单晶的装置对比结果。图2为生长P<100> 型单晶硅电耗与常规装置对比图。图3为生长P<100>型单晶硅周期与常规装置对比图。图 4为生长P<100>型单晶硅氩气流量与常规装置对比图。
权利要求1.一种生长太阳能级硅单晶的装置，主要包括单晶炉、加热器、导流罩、石墨坩埚、保温盖、保温筒、固化保温碳毡、炉底压盘、连接杆，其特征在于所述的导流罩包括第一导流罩、 第二导流罩、第三导流罩、第四导流罩；加热器外围处安装石墨第四导流罩，第四导流罩上安装第三导流罩；第四导流罩外安装石墨保温筒；保温筒外面安装固化保温碳毡；石墨保温筒由石墨炉底压盘上的卡口定位，石墨保温筒上沿用于定位保温盖，第二导流罩上沿由保温盖卡口定位，第一导流罩由保温盖定位；石墨连接杆支撑石墨坩埚。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的加热器外围15mm处安装石墨第四导流罩。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的加热器按36等分开瓣，电极位置不开缝，实际为；34瓣。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的加热器有效高度在430 475mm范围，加热器总高度为580mm。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的第四导流罩外15mm处安装保温桶。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的倒漏斗形第三导流罩以45度角向炉体中轴倾斜。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的第二导流罩为常规导流形状，内部以保温碳毡填充。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的第一导流罩保持与第二导流罩相同的角度，第一导流罩垂直高度为40-400mm。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的单晶炉炉膛内径为φ=800 1200mm ο
专利摘要本实用新型涉及一种低成本生长太阳能级硅单晶的装置，它主要包括加热器、石墨坩埚、保温盖、保温筒、固化保温碳毡、炉底压盘、连接杆、导流罩。加热器外围处安装石墨第四导流罩，第四导流罩上安装第三导流罩；第四导流罩外安装石墨保温筒；石墨保温筒由石墨炉底压盘上的卡口定位，第二导流罩上沿由保温盖卡口定位，第一导流罩由保温盖定位。本实用新型通过改变导流罩的形状及其与熔融硅及各个部件的相对位置，调整氩气流动、降低无效的热传导和热辐射，使其能在低功耗下低氩气耗用下保证硅单晶的正常生长，缩短硅单晶的生长周期，降低了生长成本。
文档编号C30B15/00GK202246991SQ201120345338
公开日2012年5月30日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年9月15日
发明者任丙彦, 褚世君 申请人:任丙彦, 褚世君