本發(fā)明涉及晶體硅領域，特別涉及一種表征鑄錠長晶界面的方法。

背景技術：

光伏太陽能電池將太陽能轉化成電能，清潔無污染且安全可循環(huán)，是一種可以解決眼下嚴重的環(huán)境污染和石化能源枯竭的有效途徑，同時又是一項利于子孫后代的事業(yè)。

例如定向凝固鑄造多晶硅錠，具有生產成本低，投料量大，鑄錠工藝簡單以及原生硅料品質要求低等優(yōu)勢，是生產光伏電池材料的主要方式。目前，g6(第六代)多晶硅錠的鑄造投料量已超過850kg，g7(第七代)多晶硅錠的鑄造投料量已超1噸。然而，鑄錠多晶硅中位錯缺陷密度大，金屬雜質含量高同時存在大量的隨機晶界等缺陷，鑄造多晶硅錠中這些缺陷直接影響硅太陽能電池的光電轉換效率?？刂贫嗑Ч梃T錠定向凝固界面形狀可有效控制晶體生長方向，以及晶界和晶向的分布，理想的長晶界面可有效減少多晶硅錠中缺陷密度，提高多晶硅錠質量，提高多晶硅太陽能電池的光電轉換效率。目前，多晶硅長晶行為的研究和優(yōu)化主要借助模擬軟件仿真多晶硅定向凝固過程的熱場分布和長晶界面形狀，而不同多晶硅鑄錠階段，真實的長晶界面形狀目前很難用較簡單的辦法檢測得到。對于鑄造單晶，存在同樣的問題。

技術實現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對真實的長晶界面形狀目前很難用較簡單的辦法檢測得到的問題，提供一種表征鑄錠長晶界面的方法。

一種表征鑄錠長晶界面的方法，包括步驟：

鑄錠的長晶方向開方，得到若干的小方錠；

將若干小方錠按照在所述鑄錠中的位置排序，并建立平面直角坐標系，定位每個小方錠在坐標系中的坐標位置；

檢測每個小方錠的特定的電阻率的高度；

根據(jù)所述特定電阻率的高度及在坐標系中的坐標位置建立特定電阻率在鑄錠中的高度位置的數(shù)據(jù)矩陣；

根據(jù)所述數(shù)據(jù)矩陣表征鑄錠平行于長晶方向的任一橫截面的長晶界面形狀，或表征鑄錠的同一電阻率的二維或三維界面。

上述表征鑄錠長晶界面的方法，由于硅錠中的電阻率與摻雜劑的濃度正相關，因此電阻率的分布反應了硅錠中摻雜劑濃度大小，即在同一時刻同一固液界面完成長晶的多晶硅具有相同的摻雜劑濃度和電阻率值，因此通過獲得電阻率的分布特點，能夠較準確的得到長晶界面形狀，進而揭示多晶硅鑄錠過程的長晶行為。

在其中一實施例中，所述檢測每個小方錠的特定電阻率的高度的步驟包括：

測量每個小方錠四個側面的中心線及四條棱邊上的特定電阻率的高度，其中相鄰兩個小方錠的相重疊的中心線及相重疊的棱邊上的特定電阻率的高度均取平均值。

在其中一實施例中，根據(jù)所述特定電阻率的高度及在坐標系中的坐標位置建立特定電阻率在鑄錠中的高度位置的數(shù)據(jù)矩陣的步驟包括：

根據(jù)特定電阻率的高度及在坐標系中的坐標位置建立高度位置的數(shù)據(jù)矩陣；

利用插值法或取平均值法將所述數(shù)據(jù)矩陣補充完整。

在其中一實施例中，利用數(shù)據(jù)處理軟件表征鑄錠平行于長晶方向的任一橫截面的長晶界面形狀，或表征鑄錠的同一電阻率的二維或三維界面。

在其中一實施例中，分別依據(jù)小方錠在x和y方向上的塊數(shù)設定所述平面直角坐標系的x及y坐標值。

在其中一實施例中，采用四探針法測量所述電阻率。

在其中一實施例中，所述沿鑄錠的長晶方向開方，得到若干小方錠的步驟包括：將鑄錠開方成5×5、6×6和7×7塊小方錠。

在其中一實施例中，所述鑄錠的尾部電阻率小于2.8ω·cm，頭部電阻率大于0.5ω·cm；所述特定電阻率為一個或多個，其范圍為0.6ω·cm～2.7ω·cm。

在其中一實施例中，所述鑄錠為鑄造多晶硅錠。

在其中一實施例中，所述鑄錠為鑄造單晶硅錠。

附圖說明

圖1為一實施例的表征多晶硅鑄錠長晶界面的方法的流程圖；

圖2為多晶硅錠的小方錠的排序示意圖；

圖3和圖4分別為利用不同數(shù)據(jù)處理軟件獲得的多晶硅定向凝固長晶三維界面圖；

圖5和圖6分別為利用不同數(shù)據(jù)處理軟件獲得的多晶硅定向凝固二維長晶界面等高圖；及

圖7為多晶硅定向凝固硅錠對角橫截面長晶形狀。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發(fā)明內涵的情況下做類似改進，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。

需要說明的是，當元件被稱為“固定于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發(fā)明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術語“及/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

下面結合附圖，說明本發(fā)明的較佳實施方式。

參考圖1、一實施例的表征鑄錠長晶界面的方法，具體包括以下步驟：

s100：沿鑄錠的長晶方向開方，得到若干小方錠。

此處的鑄錠是采用定向凝固法鑄造而成的晶體硅錠，其中既可以是鑄造多晶硅錠，也可以是鑄造單晶(又稱準單晶)硅錠。

鑄錠在鑄造過程中的摻雜劑濃度不作具體限定。一實施例中，以鑄造多晶硅錠為例，摻入多晶硅原料中的母合金可含有一種摻雜劑或多種摻雜劑如硼、鍺或鎵等，摻雜劑的分凝系數(shù)一般小于1。

在其中一實施例中，母合金破碎成3mm以下的小顆粒，在多晶硅鑄錠的裝料過程中均勻的分散在原生多晶硅料中，母合金放入的量依據(jù)實際生產鑄錠目標電阻率放入即可。

通常，對于鑄錠過程的加熱、熔化、長晶、退火和冷卻工藝沒有特殊要求，一般控制長晶不要延遲即可，保證測量對象本身不是異常的生產品。

其中對應g5(第5代)和g6(第6代)鑄錠過程對加熱、熔化、長晶、退火和冷卻工藝沒有特殊要求，可以按照生產工藝進行，但g7(第7代)鑄錠長晶過程的最小長晶速率不宜過小，應不小于1cm/h，保證電阻率分布梯度，利于后續(xù)的測量。

小方錠的數(shù)量根據(jù)需求而定，通常按照實際生產要求開方成5×5、6×6和7×7塊小方錠。

s200：將若干小方錠按照在所述鑄錠中的位置排序，并建立平面直角坐標系，定位每個小方錠在坐標系中的坐標位置。

開方后，對小方錠按照在所述鑄錠中的位置排序，并建立直角坐標系，直角坐標系的x及y坐標值則分別依據(jù)小方錠在x和y方向上的塊數(shù)設定。例如，一實施例中，小方錠的數(shù)量為6×6，則x坐標值設置6個，設置1、2、3、4、5、6等6個坐標值。

此外，也可以依據(jù)小方錠的實際尺寸設定x和y坐標值。

s300：檢測每個小方錠的特定的電阻率的高度.

本步驟與步驟s200的先后順序無特別限制。

本步驟中，采用四探針或其他準確測量電阻率的儀器設備準確測量特定電阻率在每塊小方錠四個面上的中心線和楞邊處的高度。

特定電阻率的數(shù)量不限制。一實施例中，可以僅測量各個小方錠上的特定的電阻率0.6ω·cm在四個側面(即除頂面和底面之外的其他四個表面)的中心線上分別處于哪個高度位置，及在四個楞邊上分別處于哪個高度位置。

換言之，以側面的中心線為例，可沿中心線自下向上測量電阻率，當測量到電阻率為0.6ω·cm時，記錄電阻率為0.6ω·cm在小方錠上的高度。對于在棱邊上的測量電阻率0.6ω·cm方法類似。

另一實施例中，可以測試0.6ω·cm,1ω·cm,2ω·cm和2.3ω·cm四個特定的電阻率，并分別記錄四個電阻率在各方錠上四個側面和四個楞邊的高度。

此外，各小方錠是按照在所述鑄錠中的位置排序，存在兩兩小方錠貼靠在一起的情況，因此存在兩個中心線重疊及兩個棱邊重疊的情況。對此，相鄰兩個小方錠的相重疊的中心線及相重疊的棱邊上的特定電阻率的高度均取平均值。

s400：根據(jù)所述特定電阻率的高度及在坐標系中的坐標位置建立特定電阻率在鑄錠中的高度位置的數(shù)據(jù)矩陣。

一實施例中，s400包括子步驟：

s410、根據(jù)特定電阻率的高度及在坐標系中的坐標位置建立高度位置的數(shù)據(jù)矩陣。

在該實施例中，由步驟s300已獲得各特定電阻率在小方錠中也即是在鑄錠中的高度值。與此同時，各特定電阻率在直角坐標系中的坐標位置也可根據(jù)各特定電阻率在小方錠中的測量位置和小方錠在在直角坐標系中的坐標位置得到，從而獲得各特定電阻率在鑄錠中的位置。由此得到特定電阻率的在鑄錠中的高度位置的數(shù)據(jù)矩陣。

例如，當特定電阻率為一個時，得到一個特定電阻率的高度位置的數(shù)據(jù)矩陣。當特定電阻率為四個時，則分別得到四個特定電阻率的高度位置的數(shù)據(jù)矩陣。

s420、利用插值法或取平均值法將所述數(shù)據(jù)矩陣補充完整。

本步驟中，數(shù)據(jù)矩陣雛形得到后，可利用差值法或取平均值法將前述的一個或多個的特定電阻率的數(shù)據(jù)矩陣補充完整。

s500：根據(jù)所述數(shù)據(jù)矩陣表征鑄錠平行于長晶方向的任一橫截面的長晶界面形狀，或表征鑄錠的同一電阻率的二維或三維界面。

特定電阻率在鑄錠中的高度位置的數(shù)據(jù)矩陣得到后，根據(jù)所述數(shù)據(jù)矩陣利用數(shù)據(jù)分析軟件表征鑄錠平行于長晶方向的任一橫截面的長晶界面形狀，或表征鑄錠的同一電阻率的二維或三維界面。

一實施例中，利用數(shù)據(jù)處理軟件origin中的“3dcolourmapsurface”工具或使用軟件matlab的“3dsurfaceplot”命令表征鑄錠某高度的橫截面的長晶界面形狀，或表征鑄錠的同一電阻率的二維或三維界面。

定向凝固長晶界面作為摻雜劑在固體和熔體中的傳質和擴散源，在定向凝固長晶過程中，摻雜劑在硅熔體中的分凝系數(shù)控制摻雜劑在硅固相和液相中的濃度，因此在硅錠中會形成摻雜劑的濃度梯度。例如摻雜劑的分凝系數(shù)如果小于1，摻雜劑在硅錠中的濃度會隨著硅錠高度的增加而呈線性增加，而在同一長晶界面同一時刻完成長晶的硅晶體中摻雜劑的濃度則是一樣的。多晶硅錠中摻雜劑的濃度與硅錠電阻率值呈線性正相關，即在同一時刻同一固液界面完成長晶的多晶硅具有相同的摻雜劑濃度和電阻率值?；诙嗑Ч瓒ㄏ蚰涕L晶這一特點，可以根據(jù)鑄錠多晶硅錠中電阻率的分布特點，較準確的得到長晶界面形狀，揭示多晶硅鑄錠過程的長晶行為。

因此，利用上述方法，既可以表征鑄錠中同一電阻率的二維或三維界面，以反映固液界面真實的二維或三維形狀，從而獲得鑄錠長晶過程中固液界面的變化規(guī)律。同時，還可以準確表征任一橫截面的長晶形狀，獲得鑄錠長晶過程中熱場溫度梯度分別。從而，為優(yōu)化鑄錠熱場結構，調整長晶界面和長晶方向提供重要信息，對進一步降低硅錠中缺陷密度，提高鑄造硅晶體質量，提高硅晶體太陽能電池轉換效率具有重要意義。

下面結合一個實例說明上述表征鑄錠長晶界面的方法的應用。在該具體的應用中，以表征鑄造多晶硅鑄錠為例進行說明。

由于多晶硅鑄錠所使用的摻雜劑(硼、鍺、鎵等)在硅固液分凝系數(shù)小于1，摻雜劑會隨著鑄錠長晶的進行在硅晶體中形成遞增的濃度梯度，硅錠中的電阻率與摻雜劑的濃度正相關，因此電阻率的分布反應了硅錠中摻雜劑濃度大小，等電阻率面具有相同的摻雜劑濃度，即是在同一時刻同一長晶界面上生長成的硅晶體。因此，通過獲得電阻率的分布，可以反映長晶行為。

一實施例中，多晶硅鑄錠采用如下方法獲得：將20g左右摻鎵母合金破碎成3mm以下小顆粒，使多晶硅錠尾部電阻率小于2.8ω·cm，頭部電阻率大于0.5ω·cm。在鑄錠裝料過程中均勻的放入硅料中，裝料使用g5坩堝，裝料量約為450kg。鑄錠最終的尾部電阻率小于2.8ω·cm，頭部電阻率大于0.5ω·cm。

鑄錠過程確保生產工藝即加熱、熔化、長晶、退火和冷卻過程正常，尤其不要出現(xiàn)長晶延時。

鑄錠完成后，將多晶硅鑄錠開方成5×5塊，如圖2排序，并建立平面直角坐標系，定位每個小方錠在坐標系中的坐標位置，坐標值可根據(jù)硅錠開方塊數(shù)，分別標注x和y坐標值為1～5，如圖1所示，或者x和y坐標值也可根據(jù)多晶硅錠實際尺寸標注為0～780mm。

對小方錠四個表面的中心線和楞表，使用四探針測試某一個或多個特定的電阻率，例如0.6ω·cm,1ω·cm,2ω·cm和2.3ω·cm，并記錄電阻率在小方錠上的高度。特定的電阻率在0.6ω·cm～2.7ω·cm之間選取，該范圍是切片硅片時希望得到的電阻率范圍。

相鄰兩個小方錠的相重疊的中心線及相重疊的棱邊上的特定電阻率的高度均取平均值。如此，對某一電阻率如0.6ω·cm在小方錠四個面的高度位置整理后，依據(jù)每個面中心線和楞邊在所建立的二維坐標系中的位置，將高度數(shù)據(jù)排列成數(shù)據(jù)矩陣。

在其中一實施例中，對數(shù)據(jù)矩陣中缺失數(shù)據(jù)依據(jù)實際情況，采用插值法或均值法補充，即保證數(shù)據(jù)矩陣中數(shù)據(jù)完整，沒有缺失，數(shù)據(jù)矩陣的橫縱坐標分別是坐標系的x和y值。

在其中一實施例中，利用數(shù)據(jù)處理軟件origin中的“3dcolourmapsurface”工具也可以使用matlab的“3dsurfaceplot”命令等，將同一電阻率在多晶硅錠中高度位置的數(shù)據(jù)矩陣擬合成為3d界面圖，分別如圖3和圖4所示，可以通過顏色深淺或不同來便于區(qū)分，如合成為3d彩色界面圖；或擬合成為二維等高面圖，分別如圖5和圖6所示。

當需要其他的電阻率反映固液界面時，可基于已有的特定電阻率的數(shù)據(jù)矩陣，利用數(shù)據(jù)處理軟件擬合得到對應的3d界面圖或二維等高面圖。

在其中一實施例中，根據(jù)電阻率高度位置的數(shù)據(jù)矩陣，可以得到硅錠不同的橫截面在鑄錠過程中的長晶界面形狀，如圖7所示。其中橫截面是平行于鑄錠的長晶方向。

圖7中，示意了根據(jù)鑄錠中特定電阻率0.6ω·cm高度的數(shù)據(jù)矩陣中不同對角線的數(shù)值，分別得到鑄錠長晶過程中不同對角面的長晶界面的形狀的趨勢圖。

具體地，圖7中，曲線a為利用數(shù)據(jù)處理軟件origin中的“3dcolourmapsurface”工具根據(jù)圖1中小方錠1至小方錠25對角線數(shù)值，獲得的整個鑄錠的對角面在鑄錠過程中的長晶界面形狀。

曲線b為利用數(shù)據(jù)處理軟件origin中的“3dcolourmapsurface”工具根據(jù)圖1中小方錠21至小方錠25對角線數(shù)值，獲得的小方錠21至小方錠25的對角面在鑄錠過程中的長晶界面形狀。

曲線c為利用數(shù)據(jù)處理軟件matlab的“3dsurfaceplot”命令根據(jù)圖1中小方錠1至小方錠25對角線數(shù)值，獲得的整個鑄錠的對角面在鑄錠過程中的長晶界面形狀。

曲線d為利用數(shù)據(jù)處理軟件matlab的“3dsurfaceplot”命令根據(jù)圖1中小方錠21至小方錠25對角線數(shù)值，獲得的小方錠21至小方錠25的對角面在鑄錠過程中的長晶界面形狀。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。