单晶硅锭及其制备方法、铸造单晶硅片及其制备方法与流程

本发明涉及硅片技术领域，特别是涉及一种单晶硅锭及其制备方法、铸造单晶硅片及其制备方法。

背景技术：

目前太阳能用硅片的尺寸主要有156/158/166等，随着尺寸的增大，单位产能上升，相应的制造成本下降。特别是210尺寸，单张硅片面积相比156增加80％，单张硅片的制成的电池功率增加了80％，电池的单位成本下降25.5％，组件成本可以降低16.8％，电站的bos系统成本可以降低12％。因此对降低光伏发电成本具有重要意义，可以预计未来3～5年，210mm等大尺寸的硅片将成为主流的硅片。

传统的单晶硅锭或者单晶硅片的制备方法为直拉法，然而，若采用直拉法拉制210mm的方片，圆棒尺寸将达到300mm，也即是12inh大晶圆。而现有的单晶炉尺寸小，需要投资新的单晶炉，导致拉制成本高。

技术实现要素：

基于此，有必要针对如何降低成本的问题，提供一种成本较低的单晶硅锭及其制备方法、铸造单晶硅片及其制备方法。

一种单晶硅锭的制备方法，包括如下步骤：

提供坩埚和籽晶，所述籽晶沿垂直于晶体生长方向的尺寸小于210mm；

在坩埚的底部铺设至少四个所述籽晶，相邻两个所述籽晶相互抵接，得到籽晶单元；其中，所述籽晶单元沿垂直于晶体生长方向的尺寸不小于210mm；

在所述籽晶单元上面装硅料，之后依次经过加热阶段、熔化阶段、长晶阶段、退火阶段与冷却阶段，脱模之后得到铸造单晶硅锭；以及

按照预设尺寸沿垂直于坩埚底部的方向对所述铸造单晶硅锭进行切割，得到至少一个单晶硅锭，所述单晶硅锭沿垂直于晶体生长方向的尺寸不小于210mm。

本发明的上述单晶硅锭的制备方法不需要单个大尺寸的籽晶，只需利用现有的铸锭炉，将小尺寸的籽晶拼接之后制备得到铸造单晶硅锭，之后切割即得大尺寸的单晶硅锭。与传统的单晶硅锭的制备方法相比，本发明的上述单晶硅锭的制备方法能够大幅降低生产成本，有利于应用。

在其中一个实施例中，在熔化阶段之后、长晶阶段之前，所述籽晶单元部分熔化，部分熔化后的籽晶单元沿垂直于坩埚底部方向的厚度为原始厚度的1/3～1/2。

在其中一个实施例中，加热阶段与熔化阶段的温度为1500℃～1540℃，加热阶段与熔化阶段的总时间为26h～30h；

长晶阶段的温度为1400℃～1450℃，长晶阶段的时间为28h～32h；

退火阶段的温度为1300℃～1350℃，冷却至350℃～450℃。

在其中一个实施例中，相邻两个阶段之间的升降温采用梯度升降温，升降温过程中每个梯度的温度范围为1℃～5℃。

在其中一个实施例中，所述单晶硅锭沿垂直于晶体生长方向的截面均为四边形，所述单晶硅锭沿垂直于晶体生长方向的长度和宽度均为210mm。

在其中一个实施例中，所述籽晶单元包括成行成列排布的若干个籽晶，若干个所述籽晶沿垂直于晶体生长方向的截面均为四边形，若干个所述籽晶沿垂直于晶体生长方向的长度和宽度相同，均选自150mm、156mm与166mm中的一个。

在其中一个实施例中，每行所述籽晶与每列所述籽晶的个数相同，均选自5、6和7中的一个。

一种单晶硅锭，采用上述的单晶硅锭的制备方法制备得到。

由于本发明的上述单晶硅锭的制备方法不需要单个大尺寸的籽晶，只需利用现有的铸锭炉，将小尺寸的籽晶拼接之后制备得到铸造单晶硅锭，之后切割即得大尺寸的单晶硅锭。因此，采用上述单晶硅锭的制备方法制备得到的单晶硅锭的生产成本低，有利于应用。

一种铸造单晶硅片的制备方法，包括如下步骤：

提供坩埚和籽晶，所述籽晶沿垂直于晶体生长方向的尺寸小于210mm；

在坩埚的底部铺设至少四个所述籽晶，相邻两个所述籽晶相互抵接，得到籽晶单元；其中，所述籽晶单元沿垂直于晶体生长方向的尺寸不小于210mm；

在所述籽晶单元上面装硅料，之后依次经过加热阶段、熔化阶段、长晶阶段、退火阶段与冷却阶段，脱模之后得到铸造单晶硅锭；

按照预设尺寸沿垂直于坩埚底部的方向对所述铸造单晶硅锭进行切割，得到至少一个单晶硅锭，所述单晶硅锭沿垂直于晶体生长方向的尺寸不小于210mm；以及

将所述单晶硅锭进行切片，即得铸造单晶硅片。

本发明的上述铸造单晶硅片的制备方法不需要单个大尺寸的籽晶，只需利用现有的铸锭炉，将小尺寸的籽晶拼接之后制备得到铸造单晶硅锭，之后切割即得大尺寸的单晶硅锭，之后将大尺寸的单晶硅锭进行切片即得大尺寸的铸造单晶硅片。与传统的单晶硅片的制备方法相比，本发明的上述铸造单晶硅片的制备方法能够大幅降低生产成本，有利于应用。

一种铸造单晶硅片，采用上述的铸造单晶硅片的制备方法制备得到。

由于上述铸造单晶硅片的制备方法不需要单个大尺寸的籽晶，只需利用现有的铸锭炉，将小尺寸的籽晶拼接之后制备得到铸造单晶硅锭，之后切割即得大尺寸的单晶硅锭，之后将大尺寸的单晶硅锭进行切片即得大尺寸的铸造单晶硅片。因此，采用上述铸造单晶硅片的制备方法制备得到的铸造单晶硅片的生产成本低，有利于应用。

附图说明

图1为本发明一实施方式的单晶硅锭的制备方法的流程图；

图2为本发明一实施方式的铸造单晶硅片的制备方法的流程图；

图3为本发明实施例1的籽晶单元的排布示意图；

图4为本发明实施例1的铸造单晶硅锭的示意图；

图5为本发明实施例1的铸造单晶硅片的示意图；

图6为本发明实施例2的籽晶单元的排布示意图；

图7为本发明实施例2的铸造单晶硅锭的示意图；

图8为本发明实施例2的铸造单晶硅片的示意图；

图9为本发明实施例3的籽晶单元的排布示意图；

图10为本发明实施例3的铸造单晶硅锭的示意图；

图11为本发明实施例3的铸造单晶硅片的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参见图1，本发明一实施方式的单晶硅锭的制备方法，包括如下步骤：

s10、提供坩埚和籽晶，籽晶沿垂直于晶体生长方向的尺寸小于210mm。

其中，坩埚为本领域常用的铸锭多晶硅或者单晶硅的坩埚，例如石英坩埚等。

其中，籽晶是具有和所需晶体相同晶向的小晶体，是生长单晶的种子，也叫晶种。籽晶通常由直拉得到，籽晶沿垂直于晶体生长方向的尺寸小于210mm指的是，沿垂直于晶体生长方向上，籽晶任意一条边的长度小于210mm。其中，晶体生长方向指的是，制备本发明的单晶硅锭过程中晶体的生长方向。

s20、在坩埚的底部铺设至少四个籽晶，相邻两个籽晶相互抵接，得到籽晶单元；其中，籽晶单元沿垂直于晶体生长方向的尺寸不小于210mm。

优选地，籽晶单元包括成行成列排布的若干个籽晶，若干个籽晶沿垂直于晶体生长方向的截面均为四边形，若干个籽晶沿垂直于晶体生长方向的长度和宽度相同，均选自150mm、156mm与166mm中的一个。

进一步地，每行籽晶与每列籽晶的个数相同，均选自5、6和7中的一个。与之相应地，最终得到的铸锭的规格为g5、g6和g7中的一个。

籽晶单元沿垂直于晶体生长方向的尺寸不小于210mm，目的是后续可得到尺寸不小于210mm的单晶硅锭。其中，籽晶单元沿垂直于晶体生长方向的尺寸指的是，沿垂直于晶体生长方向上，籽晶单元任意一条边的长度。

s30、在籽晶单元上面装硅料，之后依次经过加热阶段、熔化阶段、长晶阶段、退火阶段与冷却阶段，脱模之后得到铸造单晶硅锭。

经过熔化阶段，硅料被完全熔融成硅液。在熔化阶段之后、长晶阶段之前，籽晶单元可完全不被熔化，此时，硅液与籽晶单元接触；籽晶单元还有可能部分被熔化掉，此时被熔化的籽晶单元与硅液混合，并与未熔化的籽晶单元接触，便于后续长晶。

优选地，在熔化阶段之后、长晶阶段之前，籽晶单元部分熔化，部分熔化后的籽晶单元沿垂直于坩埚底部方向的厚度为原始厚度的1/3～1/2。这样有利于后续长晶。

更优地，在熔化阶段之后、长晶阶段之前，籽晶单元部分熔化，部分熔化后的籽晶单元沿垂直于坩埚底部方向的厚度为原始厚度的1/2。

优选地，加热阶段与熔化阶段的温度为1500℃～1540℃，加热阶段与熔化阶段的总时间为26h～30h。

长晶阶段的温度为1400℃～1450℃，长晶阶段的时间为28h～32h。

退火阶段的温度为1300℃～1350℃，冷却至350℃～450℃。当然，在实际铸锭过程中，各个阶段的工艺参数还可以因铸锭炉的不同而略有差异。

优选地，相邻两个阶段之间的升降温采用梯度升降温，升降温过程中每个梯度的温度范围为1℃～5℃。

s40、按照预设尺寸沿垂直于坩埚底部的方向对铸造单晶硅锭进行切割，得到至少一个单晶硅锭，单晶硅锭沿垂直于晶体生长方向的尺寸不小于210mm。

其中，预设尺寸与籽晶的尺寸不同。其中，“切割”指的是本领域常称的“开方”。切割得到的单晶硅锭即本领域常称的“小方锭”。

优选地，单晶硅锭沿垂直于晶体生长方向的截面均为四边形，单晶硅锭沿垂直于晶体生长方向的长度和宽度均为210mm。

本发明的上述单晶硅锭的制备方法不需要单个大尺寸的籽晶，只需利用现有的铸锭炉，将小尺寸的籽晶拼接之后制备得到铸造单晶硅锭，之后切割即得大尺寸的单晶硅锭。与传统的单晶硅锭的制备方法相比，本发明的上述单晶硅锭的制备方法能够大幅降低生产成本，有利于应用。

一实施方式的单晶硅锭，采用上述的单晶硅锭的制备方法制备得到。

由于本发明的上述单晶硅锭的制备方法不需要单个大尺寸的籽晶，只需利用现有的铸锭炉，将小尺寸的籽晶拼接之后制备得到铸造单晶硅锭，之后切割即得大尺寸的单晶硅锭。因此，采用上述单晶硅锭的制备方法制备得到的单晶硅锭的生产成本低，有利于应用。

请参见图2，本发明一实施方式的铸造单晶硅片的制备方法，包括如下步骤：

s100、提供坩埚和籽晶，籽晶沿垂直于晶体生长方向的尺寸小于210mm。

其中，坩埚为本领域常用的铸锭多晶硅或者单晶硅的坩埚，例如石英坩埚等。其中，籽晶是具有和所需晶体相同晶向的小晶体，是生长单晶的种子，也叫晶种。籽晶通常由直拉得到，籽晶沿垂直于晶体生长方向的尺寸小于210mm指的是，沿垂直于晶体生长方向上，籽晶任意一条边的长度小于210mm。

s200、在坩埚的底部铺设至少四个籽晶，相邻两个籽晶相互抵接，得到籽晶单元；其中，籽晶单元沿垂直于晶体生长方向的尺寸不小于210mm。

优选地，籽晶单元包括成行成列排布的若干个籽晶，若干个籽晶沿垂直于晶体生长方向的截面均为四边形，若干个籽晶沿垂直于晶体生长方向的长度和宽度相同，均选自150mm、156mm与166mm中的一个。

进一步地，每行籽晶与每列籽晶的个数相同，均选自5、6和7中的一个。与之相应地，最终得到的铸锭的规格为g5、g6和g7中的一个。

籽晶单元沿垂直于晶体生长方向的尺寸不小于210mm，目的是后续可得到尺寸不小于210mm的单晶硅锭。其中，籽晶单元沿垂直于晶体生长方向的尺寸指的是，沿垂直于晶体生长方向上，籽晶单元任意一条边的长度。

s300、在步骤s200的籽晶单元上面装硅料，之后依次经过加热阶段、熔化阶段、长晶阶段、退火阶段与冷却阶段，脱模之后得到铸造单晶硅锭。

经过熔化阶段，硅料被完全熔融成硅液。在熔化阶段之后、长晶阶段之前，籽晶单元可完全不被熔化，此时，硅液与籽晶单元接触；籽晶单元还有可能部分被熔化掉，此时被熔化的籽晶单元与硅液混合，并与未熔化的籽晶单元接触，便于后续长晶。

优选地，在熔化阶段之后、长晶阶段之前，籽晶单元部分熔化，部分熔化后的籽晶单元沿垂直于坩埚底部方向的厚度为原始厚度的1/3～1/2。这样有利于后续长晶。

更优地，在熔化阶段之后、长晶阶段之前，籽晶单元部分熔化，部分熔化后的籽晶单元沿垂直于坩埚底部方向的厚度为原始厚度的1/2。

优选地，加热阶段与熔化阶段的温度为1500℃～1540℃，加热阶段与熔化阶段的总时间为26h～30h。

长晶阶段的温度为1400℃～1450℃，长晶阶段的时间为28h～32h。

退火阶段的温度为1300℃～1350℃，冷却至350℃～450℃。当然，在实际铸锭过程中，各个阶段的工艺参数还可以因铸锭炉的不同而略有差异。

优选地，相邻两个阶段之间的升降温采用梯度升降温，升降温过程中每个梯度的温度范围为1℃～5℃。

s400、按照预设尺寸沿垂直于坩埚底部的方向对步骤s300得到的铸造单晶硅锭进行切割，得到至少一个单晶硅锭，单晶硅锭沿垂直于晶体生长方向的尺寸不小于210mm。

其中，预设尺寸与籽晶的尺寸不同。其中，“切割”指的是本领域常称的“开方”。切割得到的单晶硅锭即本领域常称的“小方锭”。

优选地，单晶硅锭沿垂直于晶体生长方向的截面均为四边形，单晶硅锭沿垂直于晶体生长方向的长度和宽度均为210mm。

s500、将步骤s400得到的单晶硅锭进行切片，即得铸造单晶硅片。

由于切割铸造单晶硅锭时的预设尺寸与籽晶的尺寸不同，因而采用上述制备方法得到的铸造单晶硅片含有拼接晶界。

本发明的上述铸造单晶硅片的制备方法不需要单个大尺寸的籽晶，只需利用现有的铸锭炉，将小尺寸的籽晶拼接之后制备得到铸造单晶硅锭，之后切割即得大尺寸的单晶硅锭，之后将大尺寸的单晶硅锭进行切片即得大尺寸的铸造单晶硅片。与传统的单晶硅片的制备方法相比，本发明的上述铸造单晶硅片的制备方法能够大幅降低生产成本，有利于应用。

一实施方式的铸造单晶硅片，采用上述的铸造单晶硅片的制备方法制备得到。

由于上述铸造单晶硅片的制备方法不需要单个大尺寸的籽晶，只需利用现有的铸锭炉，将小尺寸的籽晶拼接之后制备得到铸造单晶硅锭，之后切割即得大尺寸的单晶硅锭，之后将大尺寸的单晶硅锭进行切片即得大尺寸的铸造单晶硅片。因此，采用上述铸造单晶硅片的制备方法制备得到的铸造单晶硅片的生产成本低，有利于应用。

下面结合具体实施例对本发明的单晶硅锭及其制备方法、铸造单晶硅片及其制备方法进行进一步的说明。

实施例1

请参见图3，一实施方式的籽晶单元110包括成行成列排布的49个方形籽晶112，相邻的籽晶112紧密排布。其中，每个籽晶112的长度和宽度均为150mm，每行籽晶112与每列籽晶112的个数均为7个。

在籽晶单元110上面装硅料，之后依次经过加热阶段、熔化阶段、长晶阶段、退火阶段与冷却阶段，脱模之后得到铸造单晶硅锭120，铸造单晶硅锭120的重量约为1100kg，如图4所示。

图4中虚线为切割线，沿切割线对铸造单晶硅锭120进行切割，得到25个单晶硅锭122。其中，切割线包括横向四条和纵向四条，且横向上的四条切割线将铸造单晶硅锭120沿纵向平均切割，纵向上的四条切割线将铸造单晶硅锭120沿横向平均切割，将铸造单晶硅锭120切割为5行5列排布的单晶硅锭。本实施例中单晶硅锭沿垂直于晶体生长方向的长度与宽度均为210mm。

将单晶硅锭122进行切片，即得铸造单晶硅片130，如图5所示，铸造单晶硅片130含有拼接晶界132。实施例1中，每个铸造单晶硅片130具有至少两条互相垂直的拼接晶界132。例如，部分铸造单晶硅片130具有两条互相垂直的拼接晶界132，部分铸造单晶硅片130具有三条拼接晶界132，其中，两条拼接晶界132互相平行，并与另外一条拼接晶界132互相垂直。

相比于相同尺寸的直拉单晶，实施例1的铸造单晶硅片的生产成本降低20％，且不需要新增新的大尺寸单晶炉，只需要将开方机改造，由大切小。

实施例2

请参见图6，实施例2的籽晶单元210包括成行成列排布的25个方形籽晶212，相邻的籽晶212紧密排布。其中，每个籽晶212的长度和宽度均为156mm，每行籽晶212与每列籽晶212的个数均为5个。

在籽晶单元210上面装硅料，之后依次经过加热阶段、熔化阶段、长晶阶段、退火阶段与冷却阶段，脱模之后得到铸造单晶硅锭220，铸造单晶硅锭220的重量约为850kg，如图7所示。

图7中虚线为切割线，沿切割线对铸造单晶硅锭220进行切割，得到16个单晶硅锭222。其中，切割线包括横向四条和纵向四条，且横向上的四条切割线将铸造单晶硅锭220沿纵向平均切割，纵向上的四条切割线将铸造单晶硅锭220沿横向平均切割，将铸造单晶硅锭220切割为4行4列排布的单晶硅锭。本实施例中图7中右下方3*3个单晶硅锭沿垂直于晶体生长方向的长度与宽度为210mm。

将单晶硅锭222进行切片，即得铸造单晶硅片230，如图8所示，铸造单晶硅片230含有拼接晶界232。实施例2中，每个铸造单晶硅片230具有至少两条互相垂直的拼接晶界232。例如，部分铸造单晶硅片230具有两条互相垂直的拼接晶界232，部分铸造单晶硅片230具有三条拼接晶界232，其中，两条拼接晶界232互相平行，并与另外一条拼接晶界232互相垂直。

相比于相同尺寸的直拉单晶，实施例2的铸造单晶硅片的生产成本能大幅降低，且不需要新增新的大尺寸单晶炉，只需要将开方机改造，由大切小。

实施例3

请参见图9，实施例3的籽晶单元310包括成行成列排布的36个方形籽晶312，相邻的籽晶312紧密排布。其中，每个籽晶312的长度和宽度均为156mm，每行籽晶312与每列籽晶312的个数均为6个。

在籽晶单元310上面装硅料，之后依次经过加热阶段、熔化阶段、长晶阶段、退火阶段与冷却阶段，脱模之后得到铸造单晶硅锭320，铸造单晶硅锭320的重量约为950kg，如图10所示。

图10中虚线为切割线，沿切割线对铸造单晶硅锭320进行切割，得到16个单晶硅锭222与部分小尺寸的单晶硅锭。其中，切割线包括横向四条和纵向四条，且横向上的四条切割线将铸造单晶硅锭320沿纵向平均切割，纵向上的四条切割线将铸造单晶硅锭320沿横向平均切割，将铸造单晶硅锭320切割为5行5列排布的单晶硅锭。本实施例中图10中右下方4*4个单晶硅锭沿垂直于晶体生长方向的长度与宽度为210mm。

将单晶硅锭322进行切片，即得铸造单晶硅片330，如图11所示，铸造单晶硅片330含有拼接晶界332。实施例3中，每个铸造单晶硅片330具有至少两条互相垂直的拼接晶界332。例如，部分铸造单晶硅片330具有两条互相垂直的拼接晶界332，部分铸造单晶硅片330具有三条拼接晶界332，其中，两条拼接晶界332互相平行，并与另外一条拼接晶界332互相垂直。

相比于相同尺寸的直拉单晶，实施例3的铸造单晶硅片的生产成本能大幅降低，且不需要新增新的大尺寸单晶炉，只需要将开方机改造，由大切小。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。