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