一種底部補償硼元素的多晶硅鑄錠工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種底部補償硼元素的多晶硅鑄錠工藝，屬于多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域。一種底部補償硼元素的多晶硅鑄錠工藝，所述工藝于鑄錠爐中進行，包括原料裝料步驟，所述原料裝料步驟：在坩堝底部均勻鋪設(shè)若干塊狀高硼硅料，鋪設(shè)面積為坩堝底面積的1/5～1/3，厚度為3～10mm，其上放置普通硅料與硅硼合金原料，且將硅硼合金原料按照自坩堝底部向上含量依次減少的分布規(guī)律置于坩堝中。本發(fā)明提供的多晶硅鑄錠工藝可以實現(xiàn)硼元素在鑄錠內(nèi)的均勻分布、特別是補償鑄錠底部的低硼元素含量區(qū)，硅錠的出成率可以提高5%；均勻的硼元素分布、低的位錯密度使得硅錠的效率提高0.1～0.2%。
【專利說明】一種底部補償硼元素的多晶硅鑄錠工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種底部補償硼元素的多晶硅鑄錠工藝，屬于多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，這些晶粒接合起來便形成多晶硅。在太陽能光伏工業(yè)中生產(chǎn)太陽能光伏產(chǎn)品的工藝包括多晶硅鑄錠、切割成片、制成電池片和封裝為太陽能組件，可見多晶硅鑄錠是太陽能光伏工業(yè)的重要組成部分，是生產(chǎn)太陽能光伏產(chǎn)品的首個環(huán)節(jié)。其中多晶硅鑄錠工藝是采用多晶硅鑄錠爐完成的，其包括步驟:1)對單質(zhì)硅進行加熱，直至單質(zhì)硅熔化；2)冷卻使熔融的單質(zhì)硅凝固，進行長晶；3)退火處理，并冷卻。
[0003]現(xiàn)有的鑄錠工藝主要是通過定向凝固的方法來實現(xiàn)的，這種方法也有助于分凝系數(shù)小于I的雜質(zhì)元素(包括硼0.8)實現(xiàn)定向提純。然而，對于P型半導(dǎo)體而言，我們需要的是硼元素在硅單質(zhì)中均勻分布，而不是自下而上的定向分布(濃度增加)，特別是對于鑄錠底部而言，其中硼元素的含量過低影響了鑄錠的轉(zhuǎn)換效率。
[0004]因此，我們將通過改變鑄錠工藝過程來實現(xiàn)硼元素在整個硅錠中的均勻分布，特別是在鑄錠底部的分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的及一種底部補償硼元素的多晶硅鑄錠工藝，該工藝通過改變鑄錠工藝過程來實現(xiàn)硼元素在整個硅錠中的均勻分布，特別是在鑄錠底部的分布。
[0006]一種底部補償硼元素的多晶硅鑄錠工藝，所述工藝于鑄錠爐中進行，包括原料裝料步驟，
[0007]所述原料裝料步驟:在坩堝底部均勻鋪設(shè)若干塊狀高硼硅料，鋪設(shè)面積為坩堝底面積的1/5~1/3，厚度為3~10mm，其上放置普通硅料與硅硼合金原料，且硅硼合金原料按照自坩堝底部向上含量依次減少的分布規(guī)律置于坩堝中。
[0008]本發(fā)明所述坩堝為用于鑄錠爐的平底坩堝，其底面積的計算為本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)。
[0009]本發(fā)明所述“高硼硅料”可商業(yè)購得，優(yōu)選為硼元素含量為I~3ppm的硅料。
[0010]本發(fā)明所述“普通硅料”為原生硅料和/或鑄錠回收邊皮料。
[0011]本發(fā)明所述多晶硅生產(chǎn)原料包括高硼硅料、普通硅料和硅硼合金原料，其中普通硅料為原生硅料和/或鑄錠回收邊皮料。進一步優(yōu)選原料按質(zhì)量百分比由下述組分組成:高硼硅料:0.5~1%，原生硅料:65%~70%，鑄錠回收邊皮料:30%~35%，硅硼合金:
0.018%~0.022%，上述各個組分質(zhì)量百分比之和為100%。
[0012]本發(fā)明所述多晶硅鑄錠工藝中“硅硼合金原料按照自坩堝底部向上含量依次減少的分布規(guī)律置于坩堝中”優(yōu)選按下述方法實現(xiàn):將硅硼合金原料按重量分為1/2、1/3、1/6三個部分。首先在坩堝底部鋪設(shè)普通硅料，底部鋪普通硅料至其高度為2~3cm后將1/2的硅硼合金均勻放置于普通硅料之上，繼續(xù)鋪設(shè)普通硅料；鋪料至坩堝中心高度時均勻鋪設(shè)1/3硅硼合金，再繼續(xù)鋪料；當(dāng)鋪料距坩堝頂部I~2cm時將1/6硅硼合金均勻鋪在普通硅料之上。
[0013]本發(fā)明所述多晶硅鑄錠工藝優(yōu)選所述工藝包括原料熔化步驟:向鑄錠爐中通入氬氣，爐內(nèi)氣體壓強為40~60kPa ;于2h~3h內(nèi)使?fàn)t內(nèi)溫度升至1550~1560°C，并在1550~1560°C保溫10~12h，直到硅料熔化至坩堝底部剩余固體原料的高度為I~2cm，且在上述過程中保持坩堝底部溫度為1370°C~1390°C。
[0014]本發(fā)明所述多晶硅鑄錠工藝優(yōu)選所述工藝包括鑄錠預(yù)加熱步驟:將裝有原料的坩堝放入所用鑄錠爐后，抽真空至0.5~IPa，加熱使坩堝內(nèi)溫度在4~6h內(nèi)升溫至1175°C。
[0015]本發(fā)明所述多晶硅鑄錠工藝優(yōu)選所述工藝包括多晶硅生長步驟:將爐內(nèi)溫度從1550~1560°C經(jīng)I~2h降低到1425~1430°C開始長晶，在長晶的過程中溫度在22~24h內(nèi)會由1425~1430°C降低到1410~1415°C，完成長晶過程；整個長晶過程爐內(nèi)氣體壓強為 50 ~70kPa。
[0016]本發(fā)明所述多晶硅鑄錠工藝優(yōu)選所述工藝包括退火步驟:將多晶硅生長步驟所得晶錠于氣體壓強為50~70KPa、溫度為1330~1380°C下保溫3~4h。
[0017]上述退火步驟可使晶錠快速實現(xiàn)溫度均勻，從而減小熱應(yīng)力來減少位錯，同時，也有助于硼元素由高濃度(特別是底部未熔的高硼硅料)向低濃度擴散，實現(xiàn)硼元素的均勻分布。
[0018]本發(fā)明所述多晶硅鑄錠工藝優(yōu)選所述工藝包括冷卻步驟:將退火步驟所得晶錠于氣體壓強為90~lOOKPa，自然冷卻至300~400°C。
[0019]特別地，上述冷卻步驟進一步優(yōu)選自然冷卻10~12h。
[0020]上述原料熔化、多晶硅生長、退火、冷卻步驟中，氣體壓強通過向爐內(nèi)通入氬氣氣體保持。
[0021]本發(fā)明一個優(yōu)選的技術(shù)方案為:
[0022](I)原料裝料步驟:在坩堝底部均勻鋪設(shè)若干塊狀高硼硅料，鋪設(shè)面積為坩堝底面積的1/5~1/3，厚度為3~10mm，其上放置普通硅料與硅硼合金原料，且硅硼合金原料按照自坩堝底部向上含量依次減少的分布規(guī)律置于坩堝中。
[0023](2)預(yù)加熱步驟:將裝有原料的坩堝放入所用鑄錠爐后，抽真空至0.5~IPa，加熱使坩堝內(nèi)溫度在4~6h內(nèi)升溫至1175°C。
[0024](3)原料熔化步驟:向鑄錠爐中通入氬氣，爐內(nèi)氣體壓強為40~60kPa ;于2h~3h內(nèi)使?fàn)t內(nèi)溫度升至1550~1560°C，并在1550~1560°C保溫10~12h，直到硅料熔化至坩堝底部剩余固體原料的高度為I~2cm，且在上述過程中保持坩堝底部溫度為1370°C~1390 O。
[0025](4)多晶硅生長步驟:將爐內(nèi)溫度從1550~1560°C經(jīng)I~2h降低到1425~1430°C開始長晶，在長晶的過程中溫度在22~24h內(nèi)會由1425~1430°C降低到1410~1415°C，完成長晶過程；整個長晶過程爐內(nèi)氣體壓強為50~70kPa。
[0026](5)退火步驟:將多晶硅生長步驟所得晶錠于氣體壓強為50~70KPa、溫度為1330~1380°C下保溫3~4h。[0027](6)冷卻步驟:將退火步驟所得晶錠于氣體壓強為90~lOOKPa，自然冷卻至300 ~400。。。
[0028]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供的多晶硅鑄錠工藝可以實現(xiàn)硼元素在鑄錠內(nèi)的均勻分布、特別是補償鑄錠底部的低硼元素含量區(qū)，硅錠的出成率可以提高5%;均勻的硼元素分布、低的位錯密度使得硅錠的效率提高0.1~0.2%。
【具體實施方式】
[0029]下述非限制性實施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
[0030]下述實施例中所述試驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。
[0031]下述實施例所用鑄錠爐為美國GT-Solar公司的DSS450HP? ;所述原料按質(zhì)量比由下述組分組成:
[0032]實施例1以高硼硅料、原生硅料和硅硼合金為原料，其中，原生硅料占原料總重量的99%，硅硼合金占原料總重量的0.041%,高硼硅料占原料總重量的0.959% ；
[0033]實施例2以高硼硅料、原生硅料、來自實施例1的鑄錠回收邊皮料和硅硼合金為原料，原生硅料占原料總重量的64%，鑄錠回收邊皮料占原料總重量的34.982%，硅硼合金占原料總重量的0.018%，高硼硅料占原料總重量的1%。
[0034]實施例1
[0035](I)原料裝料步驟:在坩堝底部均勻鋪設(shè)若干塊狀硅硼合金，鋪設(shè)面積為坩堝底面積的1/5，厚度為5_，將硅硼合金原料按質(zhì)量分為1/2、1/3、1/6三部分，首先在坩堝底部鋪設(shè)原生硅料，底部鋪原生硅料至其高度為3cm后將1/2的硅硼合金均勻放置于原生硅料之上，繼續(xù)鋪設(shè)原生硅料；鋪料至坩堝中心高度時均勻鋪設(shè)1/3硅硼合金，再繼續(xù)鋪料；當(dāng)鋪料距坩堝頂部2cm時將1/6硅硼合金均勻鋪在原生硅料之上。
[0036](2)預(yù)加熱步驟:將裝有原料的坩堝放入所用鑄錠爐后，抽真空至IPa，加熱使坩堝內(nèi)溫度在5h內(nèi)升溫至1175°C。
[0037](3)原料熔化步驟:向鑄錠爐中通入氬氣，爐內(nèi)氣體壓強為50kPa ;于2h內(nèi)使?fàn)t內(nèi)溫度升至1550°C，并在1550°C保溫12h，直到硅料熔化至坩堝底部剩余固體原料的高度為1.9cm，且在上述過程中保持坩堝底部溫度為1380°C。
[0038](4)多晶硅生長步驟:將爐內(nèi)溫度從1550°C經(jīng)1.5h降低到1430°C開始長晶，在長晶的過程中溫度在22h內(nèi)會由1430°C降低到1415°C，完成長晶過程；整個長晶過程爐內(nèi)氣體壓強為50kPa。
[0039](5)退火步驟:將多晶硅生長步驟所得晶錠于氣體壓強為50KPa、溫度為1350°C下保溫4h。
[0040](6)冷卻步驟:將退火步驟所得晶錠于氣體壓強為95KPa，自然冷卻至300°C。
[0041]通過以上步驟得到的硅錠的轉(zhuǎn)換效率由以往的17.4%提高到17.6%，出成率可以達到75%。
[0042]實施例2
[0043](I)原料裝料步驟:在坩堝底部均勻鋪設(shè)若干塊狀硅硼合金，鋪設(shè)面積為坩堝底面積的1/3，厚度為3_，將硅硼合金原料按質(zhì)量分為1/2、1/3、1/6三部分，首先在坩堝底部鋪設(shè)原生硅料和鑄錠回收邊皮料，底部鋪料至其高度為2.5cm后將1/2的硅硼合金均勻放置于原生硅料和鑄錠回收邊皮料之上，繼續(xù)鋪設(shè)原生硅料和鑄錠回收邊皮料；鋪料至坩堝中心高度時均勻鋪設(shè)1/3硅硼合金，再繼續(xù)鋪料；當(dāng)鋪料距坩堝頂部Icm時將1/6硅硼合金均勻鋪在原生硅料和鑄錠回收邊皮料之上。
[0044](2)預(yù)加熱步驟:將裝有原料的坩堝放入所用鑄錠爐后，抽真空至0.8Pa，加熱使坩堝內(nèi)溫度在4h內(nèi)升溫至1175°C。
[0045](3)原料熔化步驟:向鑄錠爐中通入氬氣，爐內(nèi)氣體壓強為60kPa ;于3h內(nèi)使?fàn)t內(nèi)溫度升至1550°C，并在1550°C保溫10h，直到硅料熔化至坩堝底部剩余固體原料的高度為
1.7cm，且在上述過程中保持坩堝底部溫度為1370°C。
[0046](4)多晶硅生長步驟:將爐內(nèi)溫度從1550°C經(jīng)2h降低到1425°C開始長晶，在長晶的過程中溫度在24h內(nèi)會由1425°C降低到1410°C，完成長晶過程；整個長晶過程爐內(nèi)氣體壓強為60kPa。
[0047](5)退火步驟:將多晶硅生長步驟所得晶錠于氣體壓強為60KPa、溫度為1340°C下保溫4h。
[0048](6)冷卻步驟:將退火步驟所得晶錠于氣體壓強為90KPa，自然冷卻至400°C。
[0049]通過以上 步驟得到的硅錠的轉(zhuǎn)換效率由以往的17.4%提高到17.6%，出成率可以達到75%。
【權(quán)利要求】
1.一種底部補償硼元素的多晶硅鑄錠工藝，所述工藝于鑄錠爐中進行，包括原料裝料步驟，其特征在于: 所述原料裝料步驟:在坩堝底部均勻鋪設(shè)若干塊狀高硼硅料，鋪設(shè)面積為坩堝底面積的1/5~1/3，厚度為3~10mm，其上放置普通硅料與硅硼合金原料，且將硅硼合金原料按照自坩堝底部向上含量依次減少的分布規(guī)律置于坩堝中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于:所述工藝包括原料熔化步驟:向鑄錠爐中通入氬氣，爐內(nèi)氣體壓強為40~60kPa ;于2h~3h內(nèi)使坩堝內(nèi)溫度升至1550~1560°C，并在1550~1560°C保溫10~12h，直到硅料熔化至坩堝底部剩余固體原料的高度為I~2cm，且在上述過程中保持坩堝底部溫度為1370°C~1390°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工藝，其特征在于:所述工藝包括鑄錠預(yù)加熱步驟:將裝有原料的坩堝放入所用鑄錠爐后，抽真空至0.5~IPa，加熱使坩堝內(nèi)溫度在4~6h內(nèi)升溫至 1175。。。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工藝，其特征在于:所述工藝包括多晶硅生長步驟:將坩堝內(nèi)溫度從1550~1560°C經(jīng)I~2h降低到1425~1430°C開始長晶，在長晶的過程中溫度在22~24h內(nèi)會由1425~1430°C降低到1410~1415°C，完成長晶過程；整個長晶過程爐內(nèi)氣體壓強為50~70kPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工藝，其特征在于:所述工藝包括退火步驟:將多晶硅生長步驟所得晶錠于氣體壓強為50~70KPa、溫度為1330~1380°C下保溫3~4h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工藝，其特征在于:所述工藝包括冷卻步驟:將退火步驟所得晶錠于氣體壓 強為90~lOOKPa，自然冷卻至300~400°C。
【文檔編號】C30B29/06GK103849931SQ201410123650
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】李鵬廷, 姜大川, 李佳艷, 任世強, 譚毅, 石爽 申請人:大連理工大學(xué)