[發明專利]一種鑄造單晶硅錠的方法與裝置

有效

• 申請號: 201310471418.6
• 申請日: 2013-10-10
• 公開（公告）號: CN103526278A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 金應榮;賀毅;陳寶軍;何知宇;張潔;李翔;龔鵬;蘇敏;金玉山
• 申請（專利權）人: 西華大學
• 主分類號: C30B11/00
• 分類號: C30B11/00;C30B29/06
• 代理公司: 北京超凡志成知識產權代理事務所(普通合伙) 11371
• 代理人: 吳開磊

技術領域

本發明涉及半導體領域，具體而言，涉及一種鑄造單晶硅錠的方法與裝置。

背景技術

多晶硅材料具有較低的制造成本，已廣泛用于制作太陽能電池，由于它有較多的晶界，致使電池效率低于單晶硅電池的效率，因此消除或減緩晶界的影響，提高電池光電轉換效率，是光伏行業亟待解決的重要問題之一。

采用類單晶技術制備硅錠，需要在石英坩堝底部鋪墊一層約25mm厚的純單晶作為籽晶，熔化過程中還需采用長晶棒進行測量，生產成本較高且熔化工藝的控制難度較大。

高效多晶技術是在石英陶瓷坩堝底部鋪墊一層小碎片料，利用長晶棒測量熔化高度，利用坩堝底部部分未熔化的碎片作為籽晶，生長出晶粒分布均勻的高效多晶硅錠。高效多晶技術比類單晶技術的生產成本有所降低，但仍需用長晶棒進行測量，控制難度大。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種不需要長晶棒即可鑄造單晶硅錠的方法，以解決上述控制難度大和需要較多籽晶的問題。

采用的技術方案為：一種鑄造單晶硅錠的方法，包括以下步驟，

（1）設置初始晶核：在坩堝底部設置初始晶核；

（2）誘導生長：讓初始晶核生長并覆蓋坩堝底部中心；

（3）熔化初始晶核：將初始晶核熔化，并保持坩堝底部中心處的晶核不熔化；該不熔化的晶核即為籽晶；

（4）籽晶生長：讓坩堝底部中心處的沒有熔化的晶核向四周生長，逐漸鋪滿坩堝底部；

（5）定向生長：讓鋪滿坩堝底部的籽晶由下向上生長，得到單晶硅錠。

采用局部凝固方法得到初始晶核，采用誘導生長和轉向生長方法得到籽晶，通過逐步擴大凝固區域，使籽晶長大并覆蓋坩堝底部，最后讓籽晶生長轉變為定向凝固，從而制備出單晶硅錠。這種方法不需要使用長晶棒，便于控制鑄造過程。

作為優選的技術方案：所述初始晶核為多晶，所述多晶設置于偏離坩堝底部中心處。

這種方法不需要預置籽晶，降低了成本。

作為優選的技術方案：所述初始晶核為單晶，所述單晶設置于偏離坩堝底部中心處。

這種方法僅需要少量單晶作為籽晶，成本也有所降低。

作為優選的技術方案：所述初始晶核為單晶，所述單晶設置于坩堝底部中心處。

這種方法僅需要少量單晶作為籽晶，生長時間較短，成本也有所降低。

作為進一步優選的技術方案：步驟2時，讓單晶晶核向坩堝中心生長，并覆蓋坩堝底部中心，或讓多晶向偏離坩堝中心的方向生長后再向坩堝中心生長，并覆蓋坩堝底部中心，后者可以避免使用昂貴的單晶作為籽晶。

本發明的目的之二，是提供一種用于上述方法的裝置：包括坩堝、可控導熱底座、真空系統、冷卻系統、加熱系統、溫度控制系統和運動控制系統，其中，所述可控導熱底座包括支撐所述坩堝的隔熱支座和導熱裝置，所述導熱裝置一端為低溫端，所述低溫端與所述冷卻系統連接，所述導熱裝置的另一端與所述坩堝的底部接觸或不接觸，所述溫度控制系統用于控制所述加熱系統和所述冷卻系統的加熱和冷卻過程，所述運動控制系統含有至少兩套運動機構，分別用于控制所述可控導熱底座、所述導熱裝置的上下運動。

其中，坩堝用于盛裝多晶硅原料和硅熔體；

可控導熱底座用于支撐坩堝和控制傳熱；

冷卻系統用于冷卻真空腔室和導熱裝置的低溫端；

加熱系統用于在坩堝側壁和頂部加熱，使多晶硅原料熔化；

真空系統用于提供鑄造硅錠所需要的真空環境；

溫度控制系統，用于控制加熱系統和冷卻系統的溫度，以得到合適的溫度場；

運動控制系統，用于控制可控導熱底座、導熱裝置的運動。

優選導熱裝置的低溫端具有彎曲的結構，便于與冷卻系統連接。

作為優選的技術方案：所述導熱裝置為導熱棒或熱管。

作為進一步優選的技術方案：所述導熱棒或熱管的柱狀表面涂覆有隔熱涂層，以減緩導熱裝置之間的換熱。

采用局部凝固方法得到初始晶核，采用誘導生長和轉向生長方法得到籽晶，通過逐步擴大凝固區域，使籽晶長大并覆蓋坩堝底部，最后讓籽晶生長轉變為定向凝固，從而制備出單晶硅錠。由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是：這種方法不需要使用長晶棒，便于控制鑄造過程。另外，這種方法可以消除鑄錠中的晶界得到單晶硅錠，或準單晶硅錠。而且，得到的晶錠中的位錯密度較低。同時，本方法不需要籽晶，或僅需要少量單晶作為籽晶，降低了成本。

附圖說明

圖1為本發明實施例1、2、3所用的鑄造單晶硅錠的裝置的結構示意圖；