[發明專利]太陽能級硅晶體的制備及提純方法

無效

• 申請號: 200910098370.2
• 申請日: 2009-05-11
• 公開（公告）號: CN101545135A
• 公開（公告）日: 2009-09-30
• 發明（設計）人: 李喬;馬遠
• 申請（專利權）人: 浙江碧晶科技有限公司
• 主分類號: C30B15/02
• 分類號: C30B15/02;C30B29/06
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及硅晶體材料制備領域，尤其涉及一種采用Czochralski法提純及制備太陽能級硅晶體的方法。

背景技術

Czochralski法(簡稱CZ法)是硅晶體生長的一種廣泛使用的方法。晶體提拉爐(Crystal?Puller)為采用C?Z法進行晶體生長的設備。硅晶體是半導體行業和太陽能光伏行業最常使用的材料。

CZ法通常是在外層坩堝(一般是將三瓣或四瓣石墨片組合在一起形成的石墨坩堝)內放置內層坩堝(石英坩堝)，硅熔液在內層坩堝(石英坩堝)中，通過籽晶誘導下生長出圓柱狀的硅晶體。以上過程在晶體提拉爐內完成。

例如中國發明專利200410061587.3中公開了一種用于生長硅晶體的坩堝，以及一種利用該坩堝通過Czochralski法來生長硅晶體的方法，其中用于CZ法生長硅晶體的內層坩堝，也采用石英坩堝。

在中國發明專利申請200610043186.4中公開了一種單晶硅拉制爐用熱場炭/炭坩堝的制備方法，該方法中也提及硅晶體生長時，是在外層坩堝(炭/炭坩堝)內放置石英坩堝，硅熔體置于石英坩堝中進行晶體的加工。

石英坩堝的主要成分為二氧化硅，在高溫下部分氧原子會從石英中游離出來，進入到硅晶體中。因此，由石英坩堝作為容器的C?Z法生長出的晶體會有較高的氧濃度。對于某些使用場合下需要極低氧含量的硅晶體，例如，為了提高作為摻硼太陽能光伏硅材料的壽命，減少光致衰減帶來的負面影響，硅晶體中的氧含量需要最小化。在這種情況下，避免使用石英坩堝將從根源上解決CZ法硅晶體氧含量高的問題。但是不使用石英坩堝而直接使用石墨坩堝則會導致另外的問題。最主要的困難在于，硅凝固時體積膨脹對石墨坩堝造成損害。當硅與石墨一起冷卻時，兩者熱膨脹系數的不同也會對石墨造成損害。

晶體硅太陽能電池所要求的硅原料純度需要在6N(99.9999％)以上。因此，6N純度以下的硅材料在制作成太陽能光伏利用所要求的硅多晶或硅單晶鑄錠之前，往往要求被進一步提純。由于提純通常需要在高溫真空下將硅原料熔化后進行，而晶體生長之前也需要將硅原料熔化，因此最經濟節能的做法是，在硅原料熔化后即進行提純，提純后不將硅熔液冷卻結晶，就進行硅晶體的生長。但是將提純和晶體生長連續完成的方案在傳統的采用石英坩堝作為容器的CZ法中具有難以克服的困難。首先，為了將易揮發的雜質從硅熔液液面揮發，提純環境需要小于500Pa的真空度。然而當真空度下降到500Pa以下時，在溫度較高時石英坩堝(SiO2)與硅熔液(Si)反應生成的一氧化硅(SiO)將導致硅液沸騰或者硅液面不穩定，并使SiO快速從液面揮發使得硅液中的SiO濃度降得很低，從而導致石英坩堝與硅熔液的反應加快，使石英坩堝變形甚至漏硅。其次，硅材料提純的溫度往往比晶體生長的溫度更高。石英坩堝雖然可以長時間承受晶體生長所需的溫度(1400～1550℃)，但是不能在提純所需的高溫(1550～1850℃)下長時間工作。

發明內容

本發明提供一種可連續生產、產品純度高的采用CZ法進行硅晶體制備和提純的方法。

一種太陽能級硅晶體的制備及提純方法，整個過程在晶體提拉爐內進行，采用石墨材料加工的坩堝作為與硅原料(及其熔化后的熔液)直接接觸的容器。

其方法包括如下步驟：

(1)加熱使石墨坩堝內的硅原料熔化，在硅熔液溫度1500～2000℃，硅熔液表面真空度0～500Pa條件下蒸發雜質一小時或以上；

(2)控制硅熔液溫度在1410～1500℃之間，通過籽晶誘導制備圓柱形硅晶體。

至此即可以得到純度較高的硅晶體，為了實現連續化生產，必須對反應后期石墨坩堝內殘余的硅熔液進行再次提純，

(3)隨著硅晶體的不斷生成，石墨坩堝內硅熔液逐漸減少，當石墨坩堝內的硅熔液的殘余質量為0.1～3.5KG時，升溫至1600～1850℃，硅熔液表面的真空度控制在0～5Pa，蒸發硅熔液中余下的雜質；

(4)降溫但保持石墨坩堝內溫度800℃以上，向石墨坩堝中加入下一批硅原料；

(5)重復步驟(1)～步驟(4)的操作連續生產。