制备直径为400mm以上的单晶硅的方法
【专利摘要】一种制备直径为400mm以上的单晶硅的方法，该方法采用通过直拉法制造单晶硅，该方法包括如下步骤：装料和熔化；引晶；缩颈；放肩；等径生长：石英坩埚和晶体相互反方向旋转，根据熔体和单晶炉的状况，控制晶体等径生产所需长度，其中在等径初期，进口氩气流速为0.9m/s～1.5m/s，炉压22Torr，液口距为20mm；收尾；降温。上述方法能够降低“W-状”固液界面的波动幅度，提高硅片径向氧含量均匀性，使“W-状”固液界面极大值点向晶体边缘移动，增大晶体中心均匀区的含量，进而保证大直径单晶硅的品质。
【专利说明】制备直径为400mm以上的单晶硅的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能发电用单晶硅制造【技术领域】，特别涉及一种制备直径为400mm以上的单晶硅的方法。
【背景技术】
[0002]晶硅类太阳能电池占整个光伏市场的份额达到90%以上。直拉法是制备晶硅类产品的主要生产方法之一，其中，采用直拉法制备单晶硅的过程主要分为化料、引晶、放肩、等径、收尾和冷却几个阶段。
[0003]目前为止，通过直拉法制备的单晶硅电池的转换效率已经可以达到23%以上，但其发电成本仍然高居不下，这极大的限制了该产品的普及推广。大直径化是太阳能电池用单晶硅发展的必然趋势之一，可大大提高单位时间内产品的生产效率，显著降低单晶硅的生产成本。
[0004]然而，随着晶硅尺寸的增大，炉体结构随之增加，与传统的小直径单晶硅生产过程相比，炉内的热场及气体流场随之发生变化，这将大大影响晶硅在生长过程中的固液界面形状及微区内的传质、传热，在晶硅生长的等径初期，在大直径单晶硅中形成了典型的“W-状”固液界面，一方 面，该类型界面加剧了生长过程中的界面波动，从而降低拉晶过程的稳定性，在生长过程中断晶、位错等缺陷的出现几率增加；另一方面，影响了界面附近的杂质传输，在径向上杂质的分布波动较为明显，降低了晶体的性能(包括氧含量波动)。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，有必要提供一种制备直径为400mm以上的单晶硅的方法，该方法能够提高在等径初期大直径单晶硅径向性能的均匀性，进而保证大直径单晶硅的品质。
[0006]一种制备直径为400mm以上的单晶硅的方法，该方法采用通过直拉法制造单晶硅，该制备直径为400mm以上的单晶硅的方法包括如下步骤:
装料和熔化:将高纯多晶硅料粉碎，并在硝酸和氢氟酸的混合溶液中清洗外表面，除去可能的金属杂质；将粉碎后的高纯多晶硅料放入高纯的石英坩埚内，石英坩埚尺寸^ 800mm ;将石英坩埚放入单晶炉中的石墨坩埚中；将单晶炉抽真空，再充入氩气，最后加热升温以熔化多晶硅料；
引晶:将单晶籽晶固定在籽晶轴上，并和籽晶轴一起旋转；将籽晶缓缓下降后与将籽晶轻轻浸入熔硅，使头部首先少量溶解，然后和熔硅形成一个固液界面；将籽晶逐步上升，与籽晶相连并离开固液界面的硅温度降低，形成单晶硅；
缩颈:快速向上提拉籽晶，以形成晶体；
放肩:将晶体控制到所需的目标直径；
等径生长:石英坩埚和晶体相互反方向旋转，根据熔体和单晶炉的状况，控制晶体等径生产所需长度，其中在等径初期，进口氩气流速为0.9m/s~1.5m/s,炉压22Torr，液口距为20mm ；收尾:晶体直径逐渐缩小，离开熔体；
降温:降低温度，逐渐冷却温度。
[0007]上述制备直径为400mm以上的单晶硅的方法，在等径初期，保证进口氩气流速为0.9m/s~1.5m/s、炉压22Torr、液口距为20mm，来降低“W-状”固液界面的波动幅度，提高硅片径向氧含量均匀性，且使“W-状”固液界面极大值点向晶体边缘移动，增大晶体中心均匀区的含量，进而保证大直径单晶硅的品质。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]附图1是一较佳实施方式的制备直径为400mm以上的单晶硅的方法的步骤流程图。
[0009]图2为实施例1中的晶棒沿径向方向的氧含量分布图。
[0010]图3为实施例2中的晶棒沿径向方向的氧含量分布图。
[0011]图中:制备直径为400mm以上的单晶硅的方法步骤S300~S306。
【具体实施方式】
[0012]本发明通过在等径初期调节进口氩气流速来改变单晶炉内的气体流场，来降低“W-状”固液界面的波动幅度，提高硅片径向氧含量均匀性，且使“W-状”固液界面极大值点向晶体边缘移动，增大晶体中心均匀区的含量，进而保证大直径单晶硅的品质。
[0013]请参看图1，其为一较佳实施方式的制备直径为400_以上的单晶硅的方法流程图，该方法采用通过直拉法制造单晶硅，该制备直径为400_以上的单晶硅的方法包括如下步骤:
步骤S300，装料和熔化:将高纯多晶硅料粉碎，并在硝酸和氢氟酸的混合溶液中清洗外表面，除去可能的金属杂质；将粉碎后的高纯多晶硅料放入高纯的石英坩埚内，石英坩埚尺寸> 800mm ;将石英坩埚放入单晶炉中的石墨坩埚中；将单晶炉抽真空，再充入氩气，最后加热升温以熔化多晶硅料。
[0014]步骤S301，引晶:将单晶籽晶固定在籽晶轴上，并和籽晶轴一起旋转；将籽晶缓缓下降后与将籽晶轻轻浸入熔硅，使头部首先少量溶解，然后和熔硅形成一个固液界面；将籽晶逐步上升，与籽晶相连并离开固液界面的硅温度降低，形成单晶硅。
[0015]步骤S302，缩颈:快速向上提拉籽晶，以形成晶体。其中步骤S302具体为:快速向上提拉籽晶，使新结晶的单晶硅的直径达到3mm，长度约为此时晶体直径的6~10倍，晶体的旋转速度为2~IOrpm ;石英坩埚沿晶体相反方向旋转，晶体的旋转速度比石英坩埚快I~3倍。[0016]步骤S303，放肩:将晶体控制到所需的目标直径。
[0017]步骤S304，等径生长:石英坩埚和晶体相互反方向旋转，根据熔体和单晶炉的状况，控制晶体等径生产所需长度，其中在等径初期，进口氩气流速为0.9m/s~1.5m/s，炉压22Torr，液口距为20mm，其中，所述等径初期为等径开始至晶体直径达到300mm的阶段，液口距为导流筒下沿至熔体液面的距离。进一步的，等径拉速0.75~lmm/min，晶体的旋转速度为8~9rpm,石英?甘祸的旋转速度为5~6rpm,如此可以保证大直径单晶娃的品质更高。
[0018]步骤S305，收尾:晶体直径逐渐缩小，离开熔体。[0019]步骤S306，降温:降低温度，逐渐冷却温度。
[0020]以下结合具体附图及【具体实施方式】对制备直径为400mm以上的单晶硅的方法做进一步描述:
实施例1
装料和熔化:将高纯多晶硅料粉碎，并在硝酸和氢氟酸的混合溶液中清洗外表面，除去可能的金属杂质；将粉碎后的高纯多晶硅料放入高纯的石英坩埚内，石英坩埚尺寸为800mm ;将石英坩埚放入单晶炉中的石墨坩埚中；将单晶炉抽真空，再充入氩气，最后加热升温以熔化多晶硅料。
[0021]引晶:将单晶籽晶固定在籽晶轴上，并和籽晶轴一起旋转；将籽晶缓缓下降后与将籽晶轻轻浸入熔硅，使头部首先少量溶解，然后和熔硅形成一个固液界面；将籽晶逐步上升，与籽晶相连并离开固液界面的硅温度降低，形成单晶硅。
[0022]缩颈:快速向上提拉籽晶，以形成晶体。
[0023]放肩:将晶体控制到所需的目标直径。
[0024]等径生长:石英坩埚和晶体相互反方向旋转，根据熔体和单晶炉的状况，控制晶体等径生产所需长度，其 中在等径初期，晶体的旋转速度为Srpm，石英坩埚的旋转速度为5rpm,进口気气流速为0.9m/s,炉压22Torr,等径拉速0.75mm/min,液口距为20_。
[0025]收尾:晶体直径逐渐缩小，离开熔体。
[0026]降温:降低温度，逐渐冷却温度。
[0027]对等径300mm后的单晶硅棒晶体进行分析，其径向氧含量的变化如表1所示，与未改进工艺前相比，等径初期单晶棒的平均径向氧含量由6.83 X IO1Vatm.cm_3下降到
5.79X IO1Vatm.cm_3，并且晶棒中心处氧含量的波动百分比由17.1%下降至Ij 16.9%，可见拉晶过程中氩气流速的优化，降低了径向氧含量的波动，提高了单晶硅棒在等径初期的品质。请同时参看图2，图中由切线法求得氧含量在径向方向上的转变点，对比改进工艺前后，可以发现等径初期在径向方向上氧含量的相对均匀区由占整个晶棒截面的70.6%增加到83.7%。
[0028]表1
【权利要求】
1.一种制备直径为400mm以上的单晶硅的方法，该方法采用通过直拉法制造单晶硅，该制备直径为400_以上的单晶硅的方法包括如下步骤: 装料和熔化:将高纯多晶硅料粉碎，并在硝酸和氢氟酸的混合溶液中清洗外表面，除去可能的金属杂质；将粉碎后的高纯多晶硅料放入高纯的石英坩埚内，石英坩埚尺寸为^ 800mm ;将石英坩埚放入单晶炉中的石墨坩埚中；将单晶炉抽真空，再充入氩气，最后加热升温以熔化多晶硅料； 引晶:将单晶籽晶固定在籽晶轴上，并和籽晶轴一起旋转；将籽晶缓缓下降后与将籽晶轻轻浸入熔硅，使头部首先少量溶解，然后和熔硅形成一个固液界面；将籽晶逐步上升，与籽晶相连并离开固液界面的硅温度降低，形成单晶硅； 缩颈:快速向上提拉籽晶，以形成晶体； 放肩:将晶体控制到所需的目标直径； 等径生长:石英坩埚和晶体相互反方向旋转，根据熔体和单晶炉的状况，控制晶体等径生产所需长度，其中在等径初期，进口氩气流速为0.9m/s~1.5m/s,炉压22Torr，液口距为20mm ； 收尾:晶体直径逐渐缩小，离开熔体； 降温:降低温度，逐渐冷却温度。
2.根据权利要求1所述的制备直径为400_以上的单晶硅的方法，其特征在于:所述等径初期为等径开始至晶体直径达到300mm的阶段。
3.根据权利要求2所述的制备直径为400mm以上的单晶硅的方法，其特征在于:其中在等径初期，晶体的旋转速度为8~9rpm,石英?甘祸的旋转速度为5~6rpm。
4.根据权利要求2或3所述的制备直径为400_以上的单晶硅的方法，其特征在于:其中在等径初期，等径拉速为0.75~lmm/min。
【文档编号】C30B29/06GK103911654SQ201410148453
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】高忙忙, 李进, 张洪岩, 梁森, 李海波, 李国龙, 薛子文, 何力军 申请人:宁夏大学