一種強制對流生長晶體硅的方法及其裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種強制對流生長晶體硅的方法及裝置，通過在多晶硅鑄錠過程中，在硅熔體中通過機械攪拌直接引入強制對流，降低硅熔體水平溫度梯度，提供分凝作用的排雜效果，使用氮化硅作為制作攪拌硅熔體的葉輪和支撐軸；同時，在晶體生長過程中通過氮化硅葉輪的降低來測量晶體生長速率，在不污染及硅熔體的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對晶體生長速率的測量，從而改善后續(xù)晶體生長條件；隨著晶體不斷生長，調(diào)節(jié)葉輪的轉(zhuǎn)速和距離晶體的高度，從而維持晶體上方硅熔體的穩(wěn)定對流。
【專利說明】
一種強制對流生長晶體硅的方法及其裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種硅晶體上漲所用鑄錠爐體及其控制工藝，尤其涉及一種強制對流生長晶體硅的方法及其裝置，屬于晶體硅鑄錠技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]晶體硅的生長過程是晶體硅太陽能電池生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。晶體生長的質(zhì)量從根本上決定了硅晶體太陽能電池的性能。目前多晶硅太陽能電池對應(yīng)的多晶硅晶體生長主要在多晶硅鑄錠爐內(nèi)完成。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，多晶硅鑄錠爐主要由金屬爐體、石墨加熱器、石墨支架、碳纖維隔熱結(jié)構(gòu)及水、電、氣等配套系統(tǒng)等構(gòu)成。由于多晶硅晶體生長工藝要求不斷提高，多晶硅鑄錠爐的結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜化，功能不斷增加，如:由原來的四面加熱結(jié)構(gòu)升級為五面加熱結(jié)構(gòu)(如:公開號為CN204825129U，名稱為“一種高效多晶硅鑄錠爐的熱場結(jié)構(gòu)”的中國實用新型專利)；由常規(guī)的氬氣冷卻升級為底部增加水冷盤的強制冷卻結(jié)構(gòu)(如:公開號為CN204023000U，名稱為“一種新型鑄錠爐冷卻裝置”的中國實用新型專利)等。這些對多晶硅鑄錠爐的改造主要集中在優(yōu)化晶體生長所需的外部熱場。
[0004]
【申請人】一株式會社英比壽一在公開號CN101426599A、名稱為“鑄造方法及裝置”的中國發(fā)明專利申請文件中公開一種通過增加強磁場抑制線狀偏析的設(shè)想。但是，強磁場的設(shè)備成本和維護(hù)成本昂貴且性能并不穩(wěn)定，因而很難在多晶硅鑄錠生產(chǎn)中推廣。
[0005]多晶硅晶體的生長過程通常情況下為定向凝固過程，這個過程中由于分凝作用的影響，雜質(zhì)元素會偏聚在硅熔體中。定向凝固可以對硅晶體中的雜質(zhì)達(dá)到一定的去除效果。但是去除效果很大程度上受制于硅熔體的對流狀態(tài)。目前多晶硅鑄錠爐結(jié)構(gòu)的限制，晶體生長不同階段硅熔體的對流基本上為自發(fā)性對流(密度差、氬氣干擾)，對流狀態(tài)隨長晶時間不斷變化，難以控制。而硅熔體內(nèi)充分的水平對流有利于降低硅熔體水平溫度梯度，可以提高晶體生長界面的平整度，有利于降低晶體內(nèi)的熱應(yīng)力，進(jìn)而降低晶體內(nèi)的位錯密度等缺陷，從而提尚晶體的質(zhì)量。
[0006]另一方面，現(xiàn)有技術(shù)中，測量硅晶體生長速度的方法是通過在硅熔體中插入石英棒進(jìn)行測量，一方面成本較高(一次性)，另一方面石英棒會與硅熔體反應(yīng)，污染硅熔體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題，提供一種強制對流生長晶體硅的方法，在多晶硅鑄錠爐內(nèi)晶體生長過程中在硅溶體內(nèi)形成充分的可控的對流，從而提高晶體生長界面的平整度，降低晶體內(nèi)的熱應(yīng)力，進(jìn)而降低晶體內(nèi)的位錯密度等缺陷，提高晶體的質(zhì)量。
[0008]本發(fā)明的另一方面，提供一種強制對流生長晶體硅的方法，在不污染及硅熔體的基礎(chǔ)上，實時測量晶體的生長速度。
[0009]本發(fā)明的另一方面，提供一種強制對流生長晶體硅的裝置，在多晶硅鑄錠爐內(nèi)晶體生長過程中在硅溶體內(nèi)形成充分的可控的對流，從而提高晶體的質(zhì)量;同時，在不污染及硅熔體的基礎(chǔ)上，實時測量晶體的生長速度。
[0010]為此，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種強制對流生長晶體硅的方法，包括如下步驟:
S1:將硅料加入鑄錠爐，開始硅料的熔化步驟，待硅料完全熔化后，邊旋轉(zhuǎn)邊將氮化硅葉輪逐漸浸入硅熔體中；
S2:降低鑄錠爐底部的溫度，開始晶體生長，在硅熔體的底部逐漸形成硅晶體，間隔固定時間停止氮化硅葉輪轉(zhuǎn)動并降低氮化硅葉輪高度，通過測量氮化硅葉輪的下降幅度測量晶體生長高度，然后提升氮化硅葉輪至距離硅晶體上部3-8cm，緩慢增加氮化硅葉輪轉(zhuǎn)速，并維持丨旦定；
S3:隨著長晶高度的不斷增加，不斷提升氮化硅葉輪的高度，并始終保持氮化硅葉輪高于硅熔體底部；
S4:根據(jù)測算得到晶體的實際生長速率，調(diào)節(jié)后續(xù)的降溫工藝條件，從而獲得最佳晶體的生長條件。
[0011]進(jìn)一步地，在步驟S2中，晶體生長開始后，間隔2-5小時測量一次晶體的生長高度。
[0012]進(jìn)一步地，在步驟SI和S3中，控制氮化硅葉輪距離硅熔體底部4_6cm。
[0013]進(jìn)一步地，在步驟SI中，控制氮化硅葉輪的轉(zhuǎn)速為24-26轉(zhuǎn)/min。
[0014]本發(fā)明的另一方面，提供一種強制對流生長晶體硅的裝置，包括:鑄錠爐爐體，設(shè)置于爐體內(nèi)的坩禍，硅晶體可在坩禍內(nèi)形成硅溶體，坩禍的頂部設(shè)置有石墨蓋板，其特征在于:在坩禍的頂部設(shè)置有氮化硅棒，氮化硅棒的一端為鑄錠爐的爐體外，形成自由端，另一端連接氮化硅葉輪，所述氮化硅葉輪可在設(shè)置于爐體外的升降旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的作用下升降和旋轉(zhuǎn)，所述升降旋轉(zhuǎn)機構(gòu)控制氮化娃葉輪始終距離娃溶體底部3_8cm，控制氮化娃葉輪的轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速20-30轉(zhuǎn)/min。
[0015]進(jìn)一步地，所述升降旋轉(zhuǎn)機構(gòu)控制氮化硅葉輪始終距離硅溶體底部4_6cm。
[0016]進(jìn)一步地，所述升降旋轉(zhuǎn)機構(gòu)控制氮化娃葉輪的轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速24-26轉(zhuǎn)/min。
[0017]本發(fā)明的強制對流生長晶體硅的方法及裝置，通過在多晶硅鑄錠過程中，在硅熔體中通過機械攪拌直接引入強制對流，降低硅熔體水平溫度梯度，提供分凝作用的排雜效果，使用氮化硅作為制作攪拌硅熔體的葉輪和支撐軸；同時，在晶體生長過程中通過氮化硅葉輪的降低來測量晶體生長速率，在不污染及硅熔體的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對晶體生長速率的測量，從而改善后續(xù)晶體生長條件；隨著晶體不斷生長，調(diào)節(jié)葉輪的轉(zhuǎn)速和距離晶體的高度，從而維持晶體上方硅熔體的穩(wěn)定對流。
[0018]
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明強制對流生長晶體硅的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，I為氮化硅棒，2為升降旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，3為鑄錠爐爐體，4為石墨蓋板，5為氮化硅葉輪，101為硅晶體，100為硅熔體。
[0020]
【具體實施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，本發(fā)明中與現(xiàn)有技術(shù)相同的部分將參考現(xiàn)有技術(shù)。
[0022]實施例1:
本發(fā)明的強制對流生長晶體硅的方法，包括如下步驟:
SI:將硅料加入鑄錠爐，開始硅料的熔化步驟，待硅料完全熔化后，將氮化硅葉輪5逐漸浸潤硅熔體100中，控制氮化硅葉輪5距離硅熔體底部約5cm，氮化硅葉輪5的轉(zhuǎn)速維持在約25轉(zhuǎn)/min;
S2:降低鑄錠爐底部的溫度，開始晶體生長，在硅熔體100的底部逐漸形成硅晶體101;S2-1:晶體生長開始后每隔5小時，停止氮化硅葉輪轉(zhuǎn)動，將氮化硅葉輪下降，通過測量氮化硅葉輪的下降幅度測量晶體生長高度，并計算晶體生長的速度;葉輪的下降幅度為葉輪距離硅熔體底部的距離，也即葉輪距離新生長的硅晶體101的頂部的距離；
S3:隨著長晶高度的不斷增加，不斷提升氮化硅葉輪的高度，并始終保持氮化硅葉輪高于熔體底部約5cm;
S4:隨著晶體的不斷生長將氮化硅葉輪的轉(zhuǎn)速逐漸降低，轉(zhuǎn)速降低的速率為5轉(zhuǎn)/5小時；
S5:根據(jù)測算得到晶體的實際生長速度調(diào)節(jié)后續(xù)的降溫工藝條件，從而不斷優(yōu)化晶體的生長條件。在本實施例中，通過調(diào)整隔熱籠的開度和加熱器的輸出功率，確保硅晶體的生長速率接近lcm/h。
[0023]實施例2:
本發(fā)明的強制對流生長晶體硅的裝置，是在現(xiàn)有鑄錠爐基礎(chǔ)上的改進(jìn)，包括:鑄錠爐爐體3，設(shè)置于爐體內(nèi)的坩禍7，硅晶體可在坩禍內(nèi)形成硅溶體100，坩禍的頂部設(shè)置有石墨蓋板4，其特征在于:在坩禍的頂部設(shè)置有氮化硅棒I，氮化硅棒I的一端為鑄錠爐的爐體外，形成自由端，另一端連接氮化硅葉輪5，所述氮化硅葉輪5可在設(shè)置于爐體外的升降旋轉(zhuǎn)機構(gòu)2的作用下升降和旋轉(zhuǎn)，所述升降旋轉(zhuǎn)機構(gòu)2控制氮化硅葉輪5始終距離硅溶體底部3-8cm，優(yōu)選約5cm;控制氮化硅葉輪的轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速20-30轉(zhuǎn)/min，優(yōu)選約25轉(zhuǎn)/min。
【主權(quán)項】
1.一種強制對流生長晶體硅的方法，包括如下步驟: Si:將硅料加入鑄錠爐，開始硅料的熔化步驟，待硅料完全熔化后，邊旋轉(zhuǎn)邊將氮化硅葉輪逐漸浸入硅熔體中； S2:降低鑄錠爐底部的溫度，開始晶體生長，在硅熔體的底部逐漸形成硅晶體，間隔固定時間停止氮化硅葉輪轉(zhuǎn)動并降低氮化硅葉輪高度，通過測量氮化硅葉輪的下降幅度測量晶體生長高度，然后提升氮化硅葉輪至距離硅晶體上部3-8cm，緩慢增加氮化硅葉輪轉(zhuǎn)速，并維持丨旦定； S3:隨著長晶高度的不斷增加，不斷提升氮化硅葉輪的高度，并始終保持氮化硅葉輪高于硅熔體底部； S4:根據(jù)測算得到晶體的實際生長速率，調(diào)節(jié)后續(xù)的降溫工藝條件，從而獲得最佳晶體的生長條件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強制對流生長晶體硅的方法，其特征在于:在步驟S2中，晶體生長開始后，間隔2-5小時測量一次晶體的生長高度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強制對流生長晶體硅的方法，其特征在于，在步驟SI和S3中，控制氮化硅葉輪距離硅熔體底部4-6cm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強制對流生長晶體硅的方法，其特征在于，在步驟SI中，控制氮化硅葉輪的轉(zhuǎn)速為24-26轉(zhuǎn)/min。5.—種強制對流生長晶體硅的裝置，包括:鑄錠爐爐體，設(shè)置于爐體內(nèi)的坩禍，硅晶體可在坩禍內(nèi)形成硅溶體，坩禍的頂部設(shè)置有石墨蓋板，其特征在于:在坩禍的頂部設(shè)置有氮化硅棒，氮化硅棒的一端為鑄錠爐的爐體外，形成自由端，另一端連接氮化硅葉輪，所述氮化硅葉輪可在設(shè)置于爐體外的升降旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的作用下升降和旋轉(zhuǎn)，所述升降旋轉(zhuǎn)機構(gòu)控制氮化硅葉輪始終距離硅溶體底部3-8cm，控制氮化硅葉輪的轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速20-30轉(zhuǎn)/min。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的強制對流生長晶體硅的裝置，其特征在于:所述升降旋轉(zhuǎn)機構(gòu)控制氮化硅葉輪始終距離硅溶體底部4-6cm。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的強制對流生長晶體硅的裝置，其特征在于:所述升降旋轉(zhuǎn)機構(gòu)控制氮化硅葉輪的轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速24-26轉(zhuǎn)/min。
【文檔編號】C30B28/06GK106012007SQ201610581744
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月22日
【發(fā)明人】尹長浩, 熊震, 劉超
【申請人】常州天合光能有限公司