[實用新型]利用含雜質硅材料制備高純度單晶硅棒的設備

無效

• 申請號: 200920041472.6
• 申請日: 2009-03-31
• 公開（公告）號: CN201381377Y
• 公開（公告）日: 2010-01-13
• 發明（設計）人: 黃強
• 申請（專利權）人: 常州天合光能有限公司
• 主分類號: C30B15/00
• 分類號: C30B15/00;C30B29/06
• 代理公司: 常州市維益專利事務所
• 代理人: 路接洲

技術領域

本實用新型涉及一種單晶晶體硅棒的制備設備，尤其是一種利用含雜質硅材料制備高純度單晶硅棒的設備，這種單晶晶體硅棒主要被運用于太陽能電池的生產。

背景技術

隨著全球環境變暖和能源枯竭問題的日益突出，可再生的綠色能源受到社會越來越多的關注。其中，可以將太陽光直接轉化為電能的太陽能電池生產技術倍受重視。近年來，全球的太陽能生產規模不斷擴大，已經造成硅材料的極端短缺。另外，太陽能技術的推廣應用的一大障礙就是成本過高，而硅料成本過高是太陽能電池的成本過高的主要原因之一。因此，利用含有雜質且成本相對較低的硅材料制備太陽能電池硅片成為必然趨勢。這些含有雜質的硅材料，通?？赡苁侵崩碈Z(Czochralski)法單晶拉制剩余的鍋底料、邊皮料和報廢料；可能是多晶鑄錠法剩余的頂邊、邊皮料和報廢料；可能是西門子法或其它化學方法制備多晶硅時剩余的不合格炭芯料等等其它各種雜質硅料。

含雜質硅料中所含的雜質一般是SiN，SiC，SiO₂等，這些雜質的形成可能是硅料制備過程中的C還原SiO₂工藝，或西門子法制備多晶硅時的石墨炭心，或直拉法單晶制備時單晶爐上部的隔絕輻射導流筒等石墨件的表層老化剝落，或鑄錠多晶時坩堝噴涂材料中的SiN和SiC和粘結的有機物高溫下分解形成的C基，或硅料化學處理過程中的雜質的混入。

近年來，對于利用低純度硅料，尤其是含有多種雜質成分的硅料來拉制高純度太陽能用單晶硅棒方面在現有技術中也有所報到。中國專利申請200610155648“直拉法生長硅單晶產生的鍋底料的除雜方法”公開了鍋底料的除雜處理工藝，首先將硅料打碎到3-12mm碎粒狀，然后放入調配好的除雜溶液的耐酸槽中。除雜溶液的配方為：氟化氫、硝酸、醋酸溶液按1∶3∶7～9的比例混合。硅粒在耐酸槽的除雜溶液中浸泡1～2小時以達到除去雜質的目的。中國專利申請200680024565“硅的再利用方法及利用該方法制造的硅和硅錠”中描述了利用SiN和SiC比較輕的原理，首先粉碎頂料和邊料，然后在頂料和邊料的定向凝固時，設計一個裝置在坩堝底部的硅液中吹氣，將SiN等雜質帶到硅液表面，然后再使用定向凝固的辦法進行硅錠提純。這些方法都是具有代表性的處理方法。雖然這些方法能夠大幅度減少硅材料中的雜質成分，但是，這些提純方法很難完全去除硅材料內部的雜質。所以，在太陽能晶體硅棒的實際生產實踐中，即使是使用這些經過一次除雜處理過的硅料，還是常遇到由于雜質帶來硅液面抖動、硅液面浮渣、單晶拉制長時間不能成晶，這樣就產生了浪費大量的生產產能和能源的種種問題。同時，即使能夠成晶，成晶以后也常遇到分段和晶體質量不合格的問題。在后續的切片工序中，可能造成由于雜質造成的硬點，而導致硅片線切割時的斷線問題，以及晶體內雜質位錯造成的晶體內部高應力，使得切片后硅片翹曲和易碎。

中國專利申請200620148936.x的“一種具有保護氣控制裝置的直拉單晶爐”，公開了一種典型的現有技術的單晶爐體結構，這種爐體只有生長單晶硅棒的功能，而沒有除雜功能，如果使用的硅材料具有稍多一些雜質，這種爐子就只能作為先期的提純爐子來使用，這樣就既占用了寶貴的機器生產時間，同時也消耗能源并造成機器和昂貴石墨件的折舊。所以生產企業迫切需要一種更為實際有效的適用方法和設備。

為了便于對本專利申請的理解，下面再介紹一下單晶硅生長中的直拉法，直拉法的過程是這樣的：將高純度的多晶硅原料裝進石英坩堝，然后在低真空有流動惰性氣體保護下加熱溶化，熔化后將溫度降至硅結晶點1420攝氏度左右，把一只有著生長方向的單晶硅(俗稱晶種)與硅溶液接觸，然后再調整硅溶液溫度和晶種上升速度，使之緩慢結晶形成1根直徑3-6毫米左右的細頸使硅原子按照晶種的排列方向排列，當細頸有一定長度后，調整硅溶液溫度和晶種上升的速度使之緩慢長大，等長大接近所需直徑時，提升晶種上升速度，使硅單晶等直徑生長，在硅單晶生長接近結束時，提升晶種上升速度和調整溶液溫度，將硅單晶的直徑慢慢縮小成一個錐狀體，當錐體的直徑接近10-15毫米左右時，將晶體與溶液脫離，這樣晶體生長周期就完成了。流動排出的惰性氣體可帶走硅單晶溶液結晶時散發的結晶潛熱和硅溶液揮發的一氧化硅顆粒。

實用新型內容

本實用新型要解決的技術問題是：提供一種利用含有雜質的硅材料制備生產高純度單晶硅棒的設備，克服現有設備對含雜硅材料除雜不完全，而且將除雜和拉制分步進行帶來生產資源的極大浪費和產品質量不穩定的缺陷。