[發(fā)明專利]一種硼元素均勻分布的多晶硅鑄錠工藝

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410123795.5
• 申請日: 2014-03-28
• 公開（公告）號: CN103882518A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚毅;李鵬廷;任世強(qiáng);石爽;姜大川
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: C30B29/06
• 分類號: C30B29/06;C30B28/06;C30B31/04
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 趙淑梅;李馨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種硼元素均勻分布的多晶硅鑄錠工藝，屬于多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

作為可再生能源的重要發(fā)展方向之一的太陽能光伏發(fā)電近年來發(fā)展迅猛，其所占比重越來越大。根據(jù)《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，中國力爭使太陽能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1.8GW（百萬千瓦），到2050年將達(dá)到600GW。預(yù)計(jì)到2050年，中國可再生能源的電力裝機(jī)將占全國電力裝機(jī)的25%，其中光伏發(fā)電裝機(jī)將占到5%。預(yù)計(jì)2030年之前，中國太陽能裝機(jī)容量的復(fù)合增長率將高達(dá)25%以上。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展涉及到多晶硅最終的鑄錠工藝，鑄錠過程主要分為六個(gè)階段，包括裝料抽真空、熔化保溫、長晶、退火、降溫和開方。現(xiàn)有的鑄錠工藝主要是通過定向凝固的方法來實(shí)現(xiàn)的，這種方法也有助于分凝系數(shù)小于1的雜質(zhì)元素（包括硼0.8）實(shí)現(xiàn)定向提純。然而，對于P型半導(dǎo)體而言，我們需要的是硼元素在硅單質(zhì)中均勻分布，而不是自下而上的定向分布（濃度增加）。因此，我們將通過改變鑄錠工藝過程來實(shí)現(xiàn)硼元素在整個(gè)硅錠中的均勻分布。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一種硼元素均勻分布的多晶硅鑄錠工藝，該工藝在多晶硅的生長過程中，控制不同階段的長晶速率，使得硼元素在硅錠上下各部分含量基本一致；在退火過程中，通過延長退火保溫時(shí)間，使得硼元素由高濃度向低濃度擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)硼元素的均勻分布。

一種硼元素均勻分布的多晶硅鑄錠工藝，包括多晶硅生長步驟，所述多晶硅生長步驟包括七個(gè)多晶硅生長階段，每個(gè)生長階段的時(shí)間為3～4h，各個(gè)階段的生長速率依次為1.3cm/h、1.2cm/h、1.1cm/h、1.0cm/h、0.9cm/h、0.8cm/h、0.7cm/h。

本發(fā)明所述多晶硅鑄錠工藝可于本領(lǐng)域所知的鑄錠裝置中進(jìn)行，如商業(yè)可購得的鑄錠爐等。

本發(fā)明所述多晶硅鑄錠工藝優(yōu)選所述工藝于鑄錠爐中進(jìn)行，所述多晶硅生長步驟中爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)為50～70KPa。

本發(fā)明所述多晶硅鑄錠工藝優(yōu)選所述工藝包括原料熔化步驟：爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)為40～60kPa，在坩堝內(nèi)原料溫度為1550～1560℃下保溫，直到原料完全熔化。

特別地，上述原料熔化步驟進(jìn)一步優(yōu)選在坩堝內(nèi)原料溫度為1550～1560℃下保溫8～12h。

本發(fā)明所述多晶硅生產(chǎn)原料包括硅料和硅硼合金，其中硅料可為原生硅料或鑄錠回收邊皮料。進(jìn)一步優(yōu)選原料按質(zhì)量百分比由下述組分組成：原生硅料：65%～70%，鑄錠回收邊皮料：30%～35%，硅硼合金：0.018%～0.022%，上述各個(gè)組分質(zhì)量百分比之和為100%。

本發(fā)明所述多晶硅鑄錠工藝優(yōu)選所述工藝包括退火步驟：將多晶硅生長步驟所得晶錠，于氣體壓強(qiáng)為50～70KPa、溫度為1300～1370℃下保溫4～5h。

上述退火步驟可使晶錠快速實(shí)現(xiàn)溫度均勻，從而減小熱應(yīng)力來減少位錯(cuò)，同時(shí)，也有助于硼元素由高濃度向低濃度擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)硼元素的均勻分布。

本發(fā)明所述多晶硅鑄錠工藝優(yōu)選所述工藝包括冷卻步驟：將退火步驟所得晶錠于氣體壓強(qiáng)為90～100KPa，自然冷卻至300～400℃。

特別地，上述冷卻步驟進(jìn)一步優(yōu)選自然冷卻11～12h。

本發(fā)明所述多晶硅鑄錠工藝優(yōu)選所述工藝包括鑄錠預(yù)加熱步驟：將裝有原料的坩堝放入所用鑄錠爐后，抽真空至0.5～1Pa，加熱使坩堝內(nèi)原料的溫度在5～8h內(nèi)升溫至1550～1560℃。

上述原料熔化、多晶硅生長、退火、冷卻步驟中，氣體壓強(qiáng)通過向爐內(nèi)通入氬氣氣體保持。

本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的技術(shù)方案為：

（1）預(yù)加熱步驟：將裝有原料的坩堝放入所用鑄錠爐后，抽真空至0.5～1Pa，加熱使坩堝內(nèi)原料的溫度在5～8h內(nèi)升溫至1550～1560℃。

（2）原料熔化步驟：爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)為40～60kPa，在坩堝內(nèi)原料溫度為1550～1560℃下保溫，直到原料完全熔化。

（3）多晶硅生長步驟：爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)為50～70KPa，包括七個(gè)多晶硅生長階段，每個(gè)生長階段的時(shí)間為3～4h，各個(gè)階段的生長速率依次為1.3cm/h、1.2cm/h、1.1cm/h、1.0cm/h、0.9cm/h、0.8cm/h、0.7cm/h。

（4）退火步驟：將多晶硅生長步驟所得晶錠，于氣體壓強(qiáng)為50～70KPa、溫度為1300～1370℃下保溫4～5h。

（5）冷卻步驟：將退火步驟所得晶錠于氣體壓強(qiáng)為90～100KPa，自然冷卻至300～400℃。