專利名稱：用直拉區(qū)熔法制備6英寸n型太陽(yáng)能硅單晶的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅單晶的制備工藝，特別涉及一種用直拉區(qū)熔法制備6英寸N型太陽(yáng)能硅單晶的方法。
背景技術(shù)：
目前，用于硅太陽(yáng)能電池的主體功能材料主要由區(qū)熔單晶硅、直拉單晶硅、直拉多晶硅、澆鑄多晶硅進(jìn)行不同級(jí)別(光電轉(zhuǎn)換效率)的硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)。未來，全球硅太陽(yáng)能電池的發(fā)展和產(chǎn)品構(gòu)成將趨于考慮成本和效率兩方面的因素，由于用傳統(tǒng)的制備方法生產(chǎn)的硅單晶具有氧、碳含量高等缺點(diǎn)，硅單晶普遍出現(xiàn)非平衡少數(shù)載流子壽命低，最終使太陽(yáng)能電池的成本/輸出瓦特比值較大，市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)不明顯。專利號(hào)為ZL00105518. 6的中國(guó)專利公開了一種生產(chǎn)硅單晶的直拉區(qū)熔法，即CFZ 硅單晶法。硅單晶在直拉過程中可引入高氧含量達(dá)1018atm/cm3，經(jīng)過區(qū)熔一次成晶后，硅單晶氧含量降為1016atm/cm3，硅單晶完全達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。直拉區(qū)熔的同時(shí)可以經(jīng)過直拉多晶棒料預(yù)摻雜N型或者P型雜質(zhì)，極大的提高了區(qū)熔爐的產(chǎn)能，降低了區(qū)熔硅單晶的生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本。但是硅單晶電阻率分布難以準(zhǔn)確控制，合格率較低。專利號(hào)為CN1333114C，名稱為《氣相摻雜區(qū)熔硅單晶的生產(chǎn)方法》的專利文件公開了氣相摻雜區(qū)熔硅單晶的生產(chǎn)方法，產(chǎn)品氧、碳含量較低，所以其捕獲中心較少，制作的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率也較高。但是唯一的缺點(diǎn)是成本太高，只能用于軍用或航天等特殊領(lǐng)域， 難以大規(guī)模生產(chǎn)。上述兩種方法單獨(dú)應(yīng)用時(shí)均不能達(dá)到生低成本、高合格率太陽(yáng)能硅單晶的要求， 因此，為改變上述工藝的不足，申請(qǐng)?zhí)枮榈?01110306525. 4的《用直拉區(qū)熔法制備6英寸P 型太陽(yáng)能硅單晶的方法》專利有效解決了上述問題，但該技術(shù)只適用于P型太陽(yáng)能電池用硅單晶的生產(chǎn)，而不能解決N型太陽(yáng)能電池用硅單晶的生產(chǎn)。這是因?yàn)槠渌捎玫膿诫s劑為硼烷，其熱分解溫度為300°C，在硅中的分凝系數(shù)為0.8。而N型太陽(yáng)能電池生產(chǎn)中，所用摻雜劑為磷烷，熱分解溫度為375°C，所以導(dǎo)致氣摻過程中摻雜劑的摻雜性能完全改變，需要重新進(jìn)行試驗(yàn)探索；而且磷在硅中的分凝系數(shù)為0. 5，所制造的硅單晶電阻率均勻性較差。 需要開發(fā)新的工藝來解決N型太陽(yáng)能用硅單晶的生產(chǎn)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對(duì)特殊電阻率要求的N型太陽(yáng)能硅單晶的制備要求，提供一種用直拉區(qū)熔法制備6英寸N型太陽(yáng)能硅單晶的方法，運(yùn)用氣相摻雜區(qū)熔硅單晶方法結(jié)合直拉硅單晶生產(chǎn)方法，通過控制拉晶工藝參數(shù)范圍，抽空充氣，摻雜氣體濃度，摻雜氣通入流量，使工藝方法滿足生產(chǎn)6英寸N型太陽(yáng)能硅單晶的要求。相比于P型太陽(yáng)能用硅單晶，拉制N型太陽(yáng)能用硅單晶時(shí)，摻雜氣磷烷熱分解溫度較高，會(huì)有更高比例的摻雜劑進(jìn)入硅單晶中，所以，需要降低其通入流量；同時(shí)由于磷在硅中偏析系數(shù)較大，需要在氣摻過程中，需要相對(duì)更劇烈地降低摻雜氣的通入量以保證電阻率的一致性。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，所采用的技術(shù)方案是一種用直拉區(qū)熔法制備6英寸N 型太陽(yáng)能硅單晶的方法，其特征在于，首先用直拉法進(jìn)行硅多晶料的拉制；然后進(jìn)行錠形加工、清洗腐蝕，再用區(qū)熔氣摻的方法繼續(xù)拉制摻雜的硅單晶，所述方法包括如下步驟
步驟1、清理爐膛，將塊狀硅多晶料裝入直拉爐中的石英坩堝內(nèi)，然后抽真空、充氬氣， 經(jīng)30 60分鐘抽真空到壓力< 100毫乇，漏率< 50時(shí)充氬氣至真空壓力< 14乇； 步驟2、啟動(dòng)加熱，將塊狀硅多晶全部熔化后，下降籽晶將籽晶與硅熔體相熔接； 步驟3、液面穩(wěn)定后進(jìn)行拉細(xì)頸；用籽晶從熔融狀的多晶料中拉出一段直徑為2 5mm， 長(zhǎng)度為80 120mm的細(xì)頸；
步驟4、下降籽晶升速，設(shè)定晶升速度為0. 3 0. 6mm/min進(jìn)行放肩，用40 70分鐘時(shí)間，將拉晶直徑從細(xì)頸的2 5mm擴(kuò)大到140mm 150mm ；
步驟5、降低晶升速度進(jìn)行轉(zhuǎn)肩，之后控制拉晶速度進(jìn)行等徑拉晶； 步驟6、降低晶體拉速進(jìn)行收尾；收尾過程時(shí)間為1. 5 2. 5小時(shí)； 步驟7、提高晶體離開液面，之后進(jìn)行停爐操作，待冷卻3 5小時(shí)后，將多晶棒料出
爐；
步驟8、將出爐后的多晶棒進(jìn)行錠形加工，即對(duì)用直拉法拉制的多晶料進(jìn)行滾磨、刻槽、 磨頭加工，使其符合區(qū)熔用料要求，清洗腐蝕后裝入?yún)^(qū)熔爐內(nèi)晶體夾持器上，將籽晶裝入籽晶固定夾頭上，
步驟9、進(jìn)行摻雜氣通入量設(shè)定，磷烷氣體會(huì)在流量計(jì)控制下按照通入量設(shè)定值進(jìn)入爐室，關(guān)閉爐門抽真空充氬氣，充氬氣完畢后，對(duì)多晶棒進(jìn)行預(yù)熱；
步驟10、預(yù)熱結(jié)束后，進(jìn)行化料，多晶料熔化后，將籽晶與熔硅進(jìn)行熔接，熔接后對(duì)熔區(qū)進(jìn)行整形，引晶；
步驟11、引晶結(jié)束后，進(jìn)行細(xì)頸的生長(zhǎng)，細(xì)頸直接在2 6mm，長(zhǎng)度在30 60mm ；之后開始擴(kuò)肩并通入摻雜氣；
步驟12、擴(kuò)肩到要求的直徑后轉(zhuǎn)肩，之后單晶保持，開始等徑生長(zhǎng)； 步驟13、單晶拉制尾部，開始進(jìn)行收尾，單晶收尾后停止磷烷摻雜氣體的充入，當(dāng)收尾到單晶的直徑達(dá)到需要值時(shí)，將熔區(qū)拉開，這時(shí)使設(shè)備中拉著單晶的下軸繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，而帶著多晶料的上軸改向上運(yùn)動(dòng)，并關(guān)閉氬氣；
步驟14、10 40分鐘后，晶體尾部由紅色逐漸變黑色后，進(jìn)行拆清爐； 所述摻雜氣通入量設(shè)定為，摻雜氣流量在0. 08 0. 02slpm范圍內(nèi)逐漸降低，氣源的濃度為140 MOppm。本發(fā)明的有益效果是運(yùn)用氣相摻雜區(qū)熔硅單晶方法結(jié)合直拉硅單晶生產(chǎn)方法， 通過控制抽空充氣，摻雜氣體濃度，摻雜氣通入量，拉晶工藝參數(shù)范圍，使工藝方法滿足了生產(chǎn)6英寸N型太陽(yáng)能硅單晶的要求。


圖1為本發(fā)明工藝流程圖。
具體實(shí)施方式
為了更清楚的理解本發(fā)明，結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明
如圖1所示，一種用直拉區(qū)熔法制備6英寸N型太陽(yáng)能硅單晶的方法，包括用直拉的方法清理直拉爐膛、裝料、抽真空、充氬氣、加熱化料、熔接、拉細(xì)頸、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑、收尾、提離停爐、出爐；然后進(jìn)行錠形加工、清洗腐蝕，符合區(qū)熔用料標(biāo)準(zhǔn)后，用區(qū)熔的方法繼續(xù)拉制氣摻單晶，包括設(shè)置摻雜氣體量、抽空、充氣、預(yù)熱、化料、引晶、細(xì)頸生長(zhǎng)、擴(kuò)肩并打開摻雜氣、轉(zhuǎn)肩、保持、收尾、停摻雜氣、停爐。實(shí)施例的具體步驟如下
A.將45公斤腐蝕、清洗干凈的塊狀硅多晶料裝入直拉爐中的石英堝內(nèi)，關(guān)閉爐門，進(jìn)行抽空檢漏，經(jīng)30 60分鐘抽真空到壓力(100毫乇，漏率< 50時(shí)充氬氣至真空壓力(14 壬左右。B.加熱前確保通冷卻水，啟動(dòng)加熱按鈕，約需3. 5小時(shí)加熱至1500°C 1600°C使塊狀多晶料全部熔化成熔融狀態(tài)后開動(dòng)籽晶旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，下降籽晶，熔接籽晶。C.進(jìn)行液面穩(wěn)定化，經(jīng)過30分鐘時(shí)間用籽晶從熔融狀的多晶料中拉出一段直徑約為3mm，長(zhǎng)度約為120mm的細(xì)頸。D.下降籽晶升速，開啟晶升轉(zhuǎn)換按鈕，用直徑控制器控制拉速，60分鐘左右將拉晶直徑從細(xì)頸的3mm左右擴(kuò)大到140mm 150mm，本實(shí)施例為150mm，即放肩。E.控制拉晶速度進(jìn)行轉(zhuǎn)肩，之后進(jìn)行20小時(shí)的等徑生長(zhǎng)過程。F.降低拉速，經(jīng)2. 5小時(shí)左右收尾。G.提高晶體離開液面，點(diǎn)停爐按鈕進(jìn)行停爐操作，待功率表回零后，切斷電源，2 小時(shí)后停止主真空泵抽空，將多晶棒料出爐。H.將出爐的多晶棒料進(jìn)行錠形加工，即對(duì)用直拉法拉制的多晶料進(jìn)行滾磨、刻槽、 磨頭加工，使其符合區(qū)熔用料要求，清洗腐蝕后，裝入?yún)^(qū)熔爐內(nèi)晶體夾持器上，并將籽晶裝入籽晶固定夾上。I.設(shè)定磷烷的摻雜設(shè)置值。關(guān)閉爐門，啟動(dòng)自動(dòng)抽空至自動(dòng)抽空結(jié)束并沖入Ar 氣。加熱前通冷卻水，打開發(fā)生器電源，調(diào)節(jié)電壓設(shè)定值到15 25%對(duì)硅棒進(jìn)行預(yù)熱；待硅棒微紅，調(diào)節(jié)電壓設(shè)定值到30 50%，啟動(dòng)上轉(zhuǎn)為3 4rpm化料；摻雜氣流量在0. 08 0. 02slpm范圍內(nèi)逐漸降低，氣源的濃度為140 230ppm。 J.將發(fā)生器轉(zhuǎn)換為電壓控制，緩慢增加發(fā)生器設(shè)定點(diǎn)至40 60%，直至開始熔化， 當(dāng)多晶料尖端接近完全熔化時(shí)，將籽晶向上移動(dòng)，和熔區(qū)接觸；當(dāng)籽晶與熔區(qū)接觸約1 2mm后，迅速降低發(fā)生器設(shè)定值，控制熔區(qū)高度為8 12mm，經(jīng)過不斷調(diào)整發(fā)生器的設(shè)定點(diǎn)， 使籽晶熔化2 3mm，并使籽晶熔接良好。引晶結(jié)束后，停止上速及下速，再次確認(rèn)籽晶熔接良好，然后慢速下降下軸，同時(shí)上軸慢速下降，隨著多晶料頭部整形部分直徑增加，逐漸增加下速，確保拉細(xì)頸長(zhǎng)度在32 52mm左右，排除引晶時(shí)產(chǎn)生的位錯(cuò)，保證晶體的無(wú)位錯(cuò)生長(zhǎng)。K.之后開始擴(kuò)肩，并打開觸摸屏上的摻雜開關(guān)，摻雜氣體磷烷按設(shè)定流量充入到區(qū)熔爐內(nèi)。L.擴(kuò)肩開始階段，此時(shí)摻雜氣通入流量為0. OSslpm,當(dāng)肩部直徑達(dá)到Φ 10 15mm 時(shí)，開始緩慢增加功率。隨著擴(kuò)肩直徑的不斷增大，功率及上速要不斷增加，上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)要較早的達(dá)到工藝要求值，下速也要根據(jù)工藝要求逐漸達(dá)到工藝要求值。
M.在擴(kuò)肩直徑接近Φ153πιπι時(shí)，擴(kuò)肩的速度要放慢一些，直至達(dá)到所需直徑 Φ 153mm時(shí)，開始保持。當(dāng)單晶的肩部即將接觸第一道銷子時(shí)，可考慮釋放夾持器，內(nèi)軸和外軸同步向下運(yùn)動(dòng)，夾持器銷子也緩慢釋放，直至夾上單晶。N.當(dāng)上限位報(bào)警時(shí)，開始緩慢的降低上速，保持單晶的生長(zhǎng)到最后拉斷。拉斷晶體時(shí)逐漸降低上軸速度和功率，使單晶直徑減小至20mm，拉斷晶體，此時(shí)摻雜氣通入量為 0.03slpm。在觸摸屏上關(guān)閉摻雜開關(guān)，并關(guān)閉摻雜氣體控制裝置。熔區(qū)拉斷后，進(jìn)行慢速降溫過程。當(dāng)觀察到晶體變黑時(shí)，停止加熱。當(dāng)晶體冷卻后，打開爐門和下部爐室，取出單晶。根據(jù)上述說明，結(jié)合本領(lǐng)域技術(shù)可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方案。
權(quán)利要求
1.一種用直拉區(qū)熔法制備6英寸N型太陽(yáng)能硅單晶的方法，其特征在于，首先用直拉法進(jìn)行硅多晶料的拉制；然后進(jìn)行錠形加工、清洗腐蝕，再用區(qū)熔氣摻的方法繼續(xù)拉制摻雜的硅單晶，所述方法包括如下步驟步驟1、清理爐膛，將塊狀硅多晶料裝入直拉爐中的石英坩堝內(nèi)，然后抽真空、充氬氣， 經(jīng)30 60分鐘抽真空到壓力< 100毫乇，漏率< 50時(shí)充氬氣至真空壓力< 14乇； 步驟2、啟動(dòng)加熱，將塊狀硅多晶全部熔化后，下降籽晶將籽晶與硅熔體相熔接； 步驟3、液面穩(wěn)定后進(jìn)行拉細(xì)頸；用籽晶從熔融狀的多晶料中拉出一段直徑為2 5mm， 長(zhǎng)度為80 120mm的細(xì)頸；步驟4、下降籽晶升速，設(shè)定晶升速度為0. 3 0. 6mm/min進(jìn)行放肩，用40 70分鐘時(shí)間，將拉晶直徑從細(xì)頸的2 5mm擴(kuò)大到140mm 150mm ；步驟5、降低晶升速度進(jìn)行轉(zhuǎn)肩，之后控制拉晶速度進(jìn)行等徑拉晶； 步驟6、降低晶體拉速進(jìn)行收尾；收尾過程時(shí)間為1. 5 2. 5小時(shí)； 步驟7、提高晶體離開液面，之后進(jìn)行停爐操作，待冷卻3 5小時(shí)后，將多晶棒料出爐；步驟8、將出爐后的多晶棒進(jìn)行錠形加工，即對(duì)用直拉法拉制的多晶料進(jìn)行滾磨、刻槽、 磨頭加工，使其符合區(qū)熔用料要求，清洗腐蝕后裝入?yún)^(qū)熔爐內(nèi)晶體夾持器上，將籽晶裝入籽晶固定夾頭上，步驟9、進(jìn)行摻雜氣通入量設(shè)定，磷烷氣體會(huì)在流量計(jì)控制下按照通入量設(shè)定值進(jìn)入爐室，關(guān)閉爐門抽真空充氬氣，充氬氣完畢后，對(duì)多晶棒進(jìn)行預(yù)熱；步驟10、預(yù)熱結(jié)束后，進(jìn)行化料，多晶料熔化后，將籽晶與熔硅進(jìn)行熔接，熔接后對(duì)熔區(qū)進(jìn)行整形，引晶；步驟11、引晶結(jié)束后，進(jìn)行細(xì)頸的生長(zhǎng)，細(xì)頸直接在2 6mm，長(zhǎng)度在30 60mm ；之后開始擴(kuò)肩并通入摻雜氣；步驟12、擴(kuò)肩到要求的直徑后轉(zhuǎn)肩，之后單晶保持，開始等徑生長(zhǎng)； 步驟13、單晶拉制尾部，開始進(jìn)行收尾，單晶收尾后停止磷烷摻雜氣體的充入，當(dāng)收尾到單晶的直徑達(dá)到需要值時(shí)，將熔區(qū)拉開，這時(shí)使設(shè)備中拉著單晶的下軸繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，而帶著多晶料的上軸改向上運(yùn)動(dòng)，并關(guān)閉氬氣；步驟14、10 40分鐘后，晶體尾部由紅色逐漸變黑色后，進(jìn)行拆清爐。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用直拉區(qū)熔法制備6英寸N型太陽(yáng)能硅單晶的方法，其特征在于，所述摻雜氣通入量設(shè)定為，摻雜氣流量在0. 08 0. 02slpm范圍內(nèi)逐漸降低，氣源的濃度為140 230ppm。
全文摘要
本發(fā)明涉及硅單晶的制備工藝，特別涉及一種用直拉區(qū)熔法制備6英寸N型太陽(yáng)能硅單晶的方法。其特征在于，首先用直拉法進(jìn)行硅多晶料的拉制；然后進(jìn)行錠形加工、清洗腐蝕，再用區(qū)熔氣摻的方法繼續(xù)拉制摻雜的硅單晶，本發(fā)明的有益效果是運(yùn)用氣相摻雜區(qū)熔硅單晶方法結(jié)合直拉硅單晶生產(chǎn)方法，通過控制抽空充氣，摻雜氣體濃度，摻雜氣通入量，拉晶工藝參數(shù)范圍，使工藝方法滿足了生產(chǎn)6英寸N型太陽(yáng)能硅單晶的要求。
文檔編號(hào)C30B15/00GK102534749SQ20121003256
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月14日
發(fā)明者張雪囡, 徐強(qiáng), 沈浩平, 王巖, 王彥君, 高樹良 申請(qǐng)人:天津市環(huán)歐半導(dǎo)體材料技術(shù)有限公司