一种硅铸锭的方法与流程

本发明涉及半导体制备领域，特别是涉及一种硅铸锭的方法。

背景技术：

光伏行业中，所谓的母合金就是杂质元素和硅的合金，主要就是对硅料进行掺杂，用来改变硅熔体中施主杂质或受主杂质的浓度，使其生长出来的单晶或多晶电阻率达到既定要求。

目前常用的制备母合金硅锭的方法主要是采用单晶炉拉制硅锭一次成晶。采用该制备方法生产制造硅锭，操作复杂，实现难度大，生产成本高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种硅铸锭的方法，解决了制备含有掺杂元素的硅锭过程中，操作工艺复杂，生产成本高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种硅铸锭的方法，包括：

在硅料中加入掺杂元素的掺杂剂，并将所述硅料装入单晶炉的坩埚内；通过所述单晶炉对所述硅料进行加热；当所述硅料完全熔化后，停止加热，在2h内使得熔融态的硅料凝固，获得含有掺杂元素的硅锭。

其中，所述通过所述单晶炉对所述硅料进行加热包括：

在氩气的气体氛围中对所述硅料进行加热，在加热过程中，所述氩气的流量为第一流量值；

所述冷却所述硅料包括：

将单晶炉内氩气的流量的由第一流量值增大到第二流量值。

其中，所述第一流量值为25-35slm，所述第二流量值为45-55slm。

其中，所述通过所述单晶炉对所述硅料进行加热包括：

设定所述单晶炉的加热器的加热功率为90-95kw，对所述硅料仅以一段时间的加热，使得所述硅料完全熔化为熔融态。

其中，所述当所述硅料完全熔化后，停止加热包括：

将所述单晶炉的加热功率由当前加热功率值分段降至0kw；

调整坩埚的埚位，使得熔融态的所述硅料由坩埚底部向上逐渐凝固。

其中，在获得含有掺元素的硅锭之后，还包括：

将冷却后的所述硅锭与坩埚中分离，对所述硅锭的外表面进行打磨或喷砂，再对所述硅锭进行清洗和烘干。

其中，所述对所述硅锭进行清洗包括：

将所述硅锭用氢氟酸浸泡后，再用混合酸清洗，其中所述混合酸为hf和hno3的混合溶液，hf和hno3的浓度比为1：(8～10)。

其中，在对所述母合金进行清洗和烘干之后，还包括：

将所述硅锭分割为小于30*30mm的硅锭块。

其中，所述将硅料中加入掺杂元素的掺杂剂包括：

选择含有掺杂元素的硅原料，其中所述硅原料中掺杂元素浓度不小于预设浓度值且不大于硅锭中掺杂元素浓度值，且所述硅原料中金属元素浓度的总和不高于1000ppmv；根据目标电阻率向所述硅原料中加入掺杂元素的掺杂剂，获得掺杂有掺杂剂的所述硅料。

其中，所述掺杂元素为硼元素或磷元素。

本发明所提供的一种硅铸锭的方法，通过将含有掺杂元素的掺杂剂加入到硅料中，并将硅料加热融化后，停止加热，使硅料在2h内冷却凝固，由于硅料的凝固点温度较高，停止加热后通过热传递，硅料能够在较短时间内快速冷却凝固，从而导致硅料中的掺杂元素还未发生分凝，硅料就已经全部冷却凝固为固体，从而获得掺杂元素大体均匀分布的硅锭，由于掺杂元素在硅锭中具有较好的均匀性，因此获得硅锭的电阻率也就相对较为均匀。

本发明提供的制备方法，不仅操作工艺简单生产成本低，且制备的硅锭的电阻率也相对较为均匀，使得通过所述硅锭制备的太阳能电池具有较好的工作性能，有利于太阳能电池应用的推广。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种硅铸锭方法的流程图；

图2为本发明实施例中坩埚和加热器相对位置的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例中对固定电阻率检测的检测点分布示意图；

附图中，1为加热器、2为坩埚、3为硅料、4为液面、5为硅锭、6为检测点。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种硅铸锭的方法，整个制备过程操作简单，生产成本低，且获得硅锭的电阻率均匀性好。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种硅铸锭方法的流程图，该方法可以包括：

步骤s101：在硅料中加入掺杂元素的掺杂剂，并将所述硅料装入单晶炉的坩埚内。

步骤s102：通过所述单晶炉对所述硅料进行加热。

步骤s103：当所述硅料完全熔化后，停止加热，在2h内使得熔融态的硅料凝固，获得含有掺杂元素的硅锭。

在目前常规的制备硅锭的过程中，一般是将硅料加热融化后，对硅料拉制成单晶棒从而得到硅锭，整个拉制过程中，需要对硅料持续加热，避免拉制单晶棒持续的时间较长，剩余的硅料发生凝固，另外，在拉制单晶棒的过程中，也存在很严格的工艺要求，否则很容易导致单晶棒不合要求，另外由于掺杂元素在硅料中会发生分凝，生产的单晶棒的头部和尾部掺杂元素的浓度也是不相同的。

本发明中，在将硅料加热到熔融状态之后，停止加热，快速冷却，并在2h内将硅料凝固得到硅锭，由于硅料由熔融态到凝固态的过程持续时间相对较短，硅料中的掺杂元素还未发生分凝，硅料即完全凝固，因此，获得的硅锭中掺杂元素的浓度相对而言也是比较均匀的，且本发明相对于现有技术而言，无需进行单晶棒的拉制，这在很大程度上简化了整个硅铸锭的操作过程，同时还在极大程度上降低了生产成本。

另外，需要说明的是，由于硅料的凝固点温度较高，大概在1400摄氏度左右，硅料通过热传递能够在2h时之内凝固成硅锭，在硅料凝固后，单晶炉中的温度还是远远高于室温，需要再持续冷却2-3h，使单晶炉中的温度冷却至接近常温状态，才能够拆炉，获得硅锭。

基于上述实施例，为了加速硅料的凝固过程，本发明的另一具体实施例中可以包括：

在对单晶炉中的硅料加热时，在氩气的气体氛围中对所述硅料进行加热，在加热过程中，所述氩气的流量为第一流量值；

在冷却所述硅料时，将单晶炉内氩气的流量的由第一流量值增大到第二流量值。

为了加快硅料冷却凝固的速度，可以在冷却硅料时，加大通入氩气的流量值，通过氩气和硅料之间的热传递吸收硅料的热量，加快硅料的冷却，通入的氩气流量值可以是由原来的第一流量值直接增大到第二流量值，也可以是由第一流量值逐渐增大到第二流量值，但是第一种方式对硅料快速冷却凝固的效果更好。

在实际操作过程中，由于氩气是从单晶炉中由上向下通入的，所以在坩埚中，氩气能够更多的吸收坩埚中硅料上表面的热量，如果氩气通入的流速过快，大量吸收硅料上表面的热量，可能会导致坩埚中上面一部分的硅料已经凝固，而位于坩埚底部的硅料却未凝固，从而导致坩埚底部硅料的热量无法通过上面一部分的硅料快速散热出去，一旦坩埚底部硅料凝固，极其容易撑破坩埚底部，导致坩埚发生爆裂，从而造成严重的事故，因此在冷却硅料时，通入的氩气的流量就需要适量。为此，本发明中可以进一步改进，包括：

所述第一流量值为25-35slm，所述第二流量值为45-55slm。

具体的第一流量值可以是25slm、27slm、30slm、33slm、35slm等，第二流量值可以为45slm、47slm、50slm、53slm、55slm等。

基于上述实施例，本发明的另一具体实施例中，可以包括：

设定所述单晶炉的加热器的加热功率为90-95kw，对所述硅料仅以一段时间的加热，使得所述硅料完全熔化为熔融态。

在硅料熔化为熔融状态之后，为了保证硅料能够在尽可能短的时间内凝固，避免掺杂元素在硅料中分凝，所以单晶炉内的加热器的加热功率不宜过大，避免是硅料的温度过高，导致硅料冷却凝固的时间过长。但是如果加热功率过低，有可能导致硅料加热不够，熔化时间持续过长，降低了工作效率。因此加热功率设定的是否合适是影响整个硅铸锭过程的重要因素之一。本发明中的加热功率可以是位于90-95kw之间包括端点值在内的任意功率值，具体的可以是90kw、91kw、92kw、93kw、94kw、95kw等。

将硅料加热至完全熔融状态后，单晶炉内的温度相对较高，如果此时停止加热，使加热器加热功率为0kw，那么坩埚外表面的温度可能会急剧变化，这对坩埚是非常不利的，严重的甚至会发生爆裂，产生严重的事故，为此本实施例中还可以进一步改进，包括：

将所述单晶炉的加热功率由当前加热功率值分段降至0kw，具体的，例如，加热器加热功率为90kw，那么可以按照75kw、50kw、35kw、20kw、0kw的顺序依次降低加热功率，加热器功率下降的速度可以根据实际情况设定。

如上述实施例所述，在冷却凝固硅料时，为了防止坩埚发生爆裂，需要将硅料有坩埚底部逐渐向上冷却凝固，为此，本实施例中，可以调整坩埚埚位，使得熔融态的所述硅料由坩埚底部向上逐渐凝固，具体的，请参考图2，图2为本发明实施例中坩埚和加热器相对位置的剖面结构示意图，图2中虚线之间的位置为加热器1加热最高温位置，可以根据实际坩埚2内的硅料3的量上下调整埚位，如果熔融状态的硅料2在坩埚内的液面4恰好位于加热器1温度最高的水平面，则不需要调整坩埚2，如果液面4不是在加热器1温度最高的水平面，那么上下调整坩埚2的埚位，使硅料的液面4恰好为与加热器1温度最高的水平面，通过加热器1的余温适当减缓坩埚2内硅料3上面一部分的冷却凝固过程。

基于上述任意实施例，本发明的另一具体实施例中还包括：

在获得含有掺元素的硅锭之后，将冷却后的所述硅锭与坩埚中分离，对所述硅锭的外表面进行打磨或喷砂，再对所述硅锭进行清洗和烘干。

为了对生产获得的硅锭进行清洁，除去硅锭表面的废料，在冷却后，可以将单晶炉拆炉，分离出坩埚内的硅锭，对硅锭进行打磨或喷砂，打磨或喷砂的厚度可以是2-5mm。

另外，对硅锭的清洗具体可以采用氢氟酸浸泡后，再用混合酸清洗，混合酸为hf和hno3的混合溶液，hf和hno3的浓度比为1：(8～10)，能够快速的将硅料表面的废料清除掉。

基于上述实施例，因为对于整个硅锭而言，掺杂元素的浓度只是大体上均匀，为了获得更为均匀的硅锭，本发明可以进一步改进，具体可以包括：

将所述硅锭分割为小于30*30mm的硅锭块，30*30mm的尺寸向对于整个大的硅锭而言，尺寸是非常小的，因此，对于尺寸较小的硅锭块，基本可以认为整个硅锭块内掺杂元素是均匀分布的，也即使说硅锭块中电阻率不均匀的误差小到可以完全忽略不计。

为了防止硅锭中某部分掺杂元素在硅料中扩散时，分布不均匀，在生产得到硅锭后，可以先对整个硅锭进行电阻率检测，具体的可使用kdy-1电阻率测试仪，读数要求精确到0.0001ω·cm，测试时四探针方向必须和切割纹路平行，先进行点检，点检合格后再检测硅锭的电阻率。被检测点的分布具体可参考图3，图3为本发明实施例中对固定电阻率检测的检测点分布示意图，图3中检测点6在硅锭5表面大体呈均匀分布，但这并不是唯一的检测点6的分布方式，硅锭5的每个截面检测点6不少于20个点，对各个检测点6逐个检测，直到读数稳定不变后记录读数。

基于上述实施例，考虑到如果采用高纯度的硅作为硅原料，向硅原料中加入掺杂剂，高纯度的硅原料无疑会增加生产成本，为此本发明提供的另一具体实施例中，可以包括：

选择含有掺杂元素的硅原料，其中所述硅原料中掺杂元素浓度不小于预设浓度值且不大于硅锭中掺杂元素浓度值。具体的，可选择掺杂浓度接近目标掺杂浓度的硅原料，目标掺杂浓度即为最终需要获得的硅锭中掺杂元素的掺杂浓度；而目前常用的原料为6n级以上的高纯硅和高纯度掺杂剂，这两种原料的成本较高，而本发明中采用含有掺杂剂的硅原料制备硅锭，不但降低了硅原料的成本，还减少了掺杂剂的用量，因此本发明的方案能够在很大程度上降低硅锭的生产成本。

另外，硅原料中金属元素浓度的总和不高于1000ppmv，以免金属元素浓度过高影响硅锭的品质；

根据目标电阻率向所述硅原料中加入掺杂元素的掺杂剂，获得掺杂有掺杂剂的所述硅料，目标电阻率和目标掺杂浓度是相互对应的，目标掺杂浓度和目标电阻率满足：其中n为目标掺杂浓度，ρ为目标电阻率。

基于上述实施例，本发明的另一具体实施例中，掺杂元素具体可以是硼元素也可以是磷元素，还可以是其他掺杂元素。

对于硼元素而言，在固体和液体的中分凝系统为0.8，非常接近1，快速冷却熔融态硅料时，硼还来不及分凝，硅就已经冷却为固态了，也就是说瞬间冷却，在固态和液态扩散的速度接近，即便是硅料冷却凝固相对时间比较长，硅锭中的鹏元素的分布也能够保证大体上时均匀的，对于磷元素而言分凝系数为0.3，为此就需要尽量加快硅料冷却凝固的速度。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。