专利名称：一种定向凝固生长多晶硅锭工艺的利记博彩app
一种定向凝固生长多晶硅锭工艺 本发明属于半导体材料硅晶体的制备。 在已有技术中，制备太阳能电池所需的半导体材料多晶硅锭的操作工艺，可分为 二大类浇铸法和定向凝固法。以浇铸法生产硅晶体，由于要在熔铸炉内设置翻转机构以及 它所用的急冷却方式，一般难以得到较大的呈柱状的晶粒。采用定向凝固法，则可避免上述 缺点。然而在定向凝固工艺操作中，模具的使用次数以及如何得到无气孔、无裂缝、高纯度 的硅锭则为最需解决的问题，使用特殊的石英材料制作圆形模具，其重复使用次数不过几 次；如果用涂有氮化硅的石英坩埚，使用次数可达到十二次。此外，也有用石墨坩埚、涂有氮 化硅的石墨坩埚以及烧结的氮化硅坩埚为模具，由于成本高或产物质量差，也不令人满意。 为获得呈柱状的大晶粒，国外曾采用大流量的氩气为冷却源，或者以下移模具产生模具中 自下而上的温度梯度，或者采用热交换装置等手段来实现此目的。由于这些手段虽各有所 长，但或成本高，或操作不便，均有其不可避免的缺点。 本发明的目的是找出一种操作方便，设备简单、投资少、能耗省的硅晶体生长工 艺，以满足日益增长的太阳能电池应用的需要。 用价格较低的高纯度、高强度、高细密性的石英做模具，以生长方形的多晶硅锭，
是本发明的一种尝试。
附
图1模具组装图 附图2上顶板透视图 附图3石英陶瓷坩埚方模具横截面 生长方锭所用的组合式模具由二块石英陶瓷组建和石英陶瓷螺栓组成，其中有上 顶板7、石英陶瓷坩埚8各一件。石英陶瓷坩埚8底部的背面中心有凸出的圆柱筒9供插 入炉子的下转轴街头10之用，以使模具支撑在下转轴12上，上顶板7呈外圆内方的环状， 环中央的方孔为模具的上口 ，上顶板7的背面也有与石英陶瓷坩埚8相应大小的井字形沟 槽，供嵌入之用。井字形沟槽的边与方孔的边平行。石英陶瓷坩埚与上顶板7用石英陶瓷 螺栓6相连接。此外，上顶板7的背面在正方孔的四条边的中点各有一段走向与方孔的边 相垂直的小槽12，供嵌入由炉子的上转轴带动的提拉杆1的横梁4用。模具的大小尺寸应 与炉膛大小相匹配。使用石英制成的组合式模具，可以便于取出硅锭。
本发明还研制了一种提纯的氮化硅涂料，它由高纯度的氮化硅粉料和调料去离子 水或经阳离子交换树脂柱反复提纯的聚乙烯醇的水溶液组成。高纯度的硅块在研磨成粉的 过程中不可避免地会引入不需要的杂志。因此，制作高纯度的氮化硅可将硅粉在盐酸、硝酸 和水组成的混合酸的水溶液中浸泡，过滤再洗涤到中性，烘干后研磨到100-400目，加入少 许99. 99%高纯度氮化硅为催化剂，在1250至140(TC高温下将硅粉进行氮化处理，所得氮 化硅用硬质合金钢磨样机磨碎，再经混合酸的水溶液浸泡、过滤、洗涤、烘干及研磨，可得纯 度为99. 95 %至99. 99%的氮化硅粉料。 为了在模具内壁涂上一层厚度为0. 1至2mm的氮化硅涂层作为脱模剂，可用去离 子水或经阳离子交换树脂提纯的聚乙烯醇的水溶液为调料，提纯的聚乙烯醇水溶液中含聚 乙烯醇的量可在重量百分比0. 05%至5%之间。
使用氮化硅为脱模剂的工艺中，应提高其耐高温性能方能有效地起到脱模作用， 为此，本发明在工艺操作过程中除通入氩气建立静态保护气氛外，再充入一定分压的高纯 氮气，使硅锭与涂有氮化硅涂层的模具丝毫不沾，脱模相当顺利，有效地提高了硅锭的质量 和模具的重复使用次数。 为了生长出大尺寸的且呈柱状的晶体，热场是个关键，热场除靠功率的调节外，冷 却速度的改变也是一种重要的手段。硅料溶化时，冷却速度要求极小；凝固时冷却速度要逐 渐增大；即将全部凝固时要以相当大的冷却速度从锭底导走凝固时放出的凝固热。本发明 采用了水冷却方法。在炉子的下转轴11内通入冷却水，由下转轴11通过下转轴的接头10 从模具下底板9导走热能，由于溶化阶段不希望模具体系的热能损失，因此在此阶段中模 具由上转轴通过它带动的提拉杆1靠横梁4悬挂着受热；溶化完毕后，再将下转轴11上升， 使下转轴接头10插入模具的底板9背面的圆柱形筒10内支撑模具，随后撤去横梁4，逐渐 增大冷却水流速，同时由下转轴11带动模具按一定速度下降，上述二者(冷却水流速的增 大及模具的下降)并用达到了定向凝固所需的热场。 本发明的具体实施过程为在石英陶瓷坩埚内壁涂上厚度为0. 1至2mm的氮化硅 涂层，烘干；涂有氮化硅脱模剂并装有1. 05公斤硅料(多晶或单晶废料)及掺杂剂的模具 置于C为380mm高为800mm的熔铸炉膛内通过提拉杆1悬挂在横梁4上，并使横梁4嵌入 模具中上顶板7背面的沟槽中；下降上转轴时模具处在炉内一合适位置；调节熔铸炉的下 转轴11使其接头10上升到插入8下底背面的圆柱形筒9内离下底板约有10mm为止；关闭 炉门；抽真空，在500至140(TC烘烤下真空度达10—4乇时切断真空系统；充入氩气到压力为 100至760乇止；继续升温熔化模具内硅料；充入高纯氮气到总压为1. 1至5公斤；待硅料 全部熔化及掺杂剂分布均匀时调节下转轴11内冷却水的流速为1. 9公斤/分，逐渐上升下 转轴11使其接头10与模具8底板9完全接触；稍后，加大冷却水流速到2. 3公斤/分；将 上转轴下降3mm再旋转45°角，提出横梁4 ;以适合速度下降模具，同时逐渐增大冷却水流 速，至下降的行程为预计锭长的一半时，冷却水的流速达4. 6公斤/分；继续下降模具到行 程大于预计锭长止；开动降温控制系统，控制在1小时内使熔铸炉炉温降到900°C ;切断电 源，使其自然冷却。按此过程可得80 X 80 X 80mm的方锭，方锭内无气孔、无裂缝，晶体呈柱 状，切片后可见晶粒尺寸平均在毫米级，最大为5mm，其电阻率易控制，少子扩散长度为60 至80微米，锭的可利用率可达80 % ，切出的20 X 20mm2或50 X 50mm2的晶片所制造的电池 性能良好，其电池全面积转换率最佳可达ll. 3%。由于石英陶瓷坩埚模具的成本低，冷却费 用少和能耗的节省，因此运用本发明能取得较大的经济效益。
权利要求
一种使用涂有脱模剂的石英陶瓷坩埚以定向凝固法生长用于太阳能电池的多晶硅锭的工艺，其特征在于采用涂有高纯度的氮化硅脱模剂的石英陶瓷坩埚，在多晶硅锭的耐高温性能，在下移磨具的同时以水冷却方式调节多晶硅锭生长所需的热场，得到无气孔、无裂缝、高纯度的完整的多晶硅锭。
2. 根据权利要求1所述的多晶硅锭生长工艺，其特征在于所说的脱模剂氮化硅是将硅 粉经混合酸的水溶液浸泡，在氮化硅籽粉催化下高温淡化、研细、混合酸的水溶液的再浸泡 后得到的高纯度的氮化硅。
3. 根据权利要求2所述的多晶硅锭生长工艺，其特征在于所说的混合酸水溶液由盐 酸、硝酸和水组成。
4. 根据权利要求2或3所述的多晶硅锭生长工艺，其特征在于所说的氮化硅涂料由高 纯度氮化硅粉料和调料去离子或含重量百分比为0. 05%至5%的经阳离子交换树脂提纯 的聚乙烯醇的水溶液调制而成。
5. 根据权利要求1所述的多晶硅锭生长工艺，其特征在于所说的提高氮化硅耐高温性 能是充入了 0. 1至4公斤的分压的高纯氨气而实现的。
6. 根据权利要求5所述的多晶硅锭生长工艺，其特征在于溶化时模具悬挂，凝固时模 具支撑在水冷却的下转轴上，所需热场的调节由下移模具和同时调节冷却水流速的方式达 到。
7. —种用于权利要求1所述的多晶硅锭生长工艺的石英陶瓷坩埚模具，其特征在于模 具由高纯度、高强度、高细密性的石英烧制而成，其形状可为方柱筒形，模具尺寸应与熔铸 炉炉膛相匹配。
8. 根据权利要求7所述的石英陶瓷坩埚模具，其特征在于所说的方柱筒形模具由上顶 板7、石英陶瓷坩埚二块石英陶瓷组件和石英陶瓷螺栓组成。
9. 根据权利要求8所述的组合式石英陶瓷坩埚模具，其特征在于所说的上顶板7与石 英陶瓷坩埚的联接由沟槽嵌合和石英陶瓷螺栓固定。
全文摘要
一种定向凝固生长多晶硅锭工艺，本发明属于半导体材料硅晶体的制备。以高性能的石英坩埚模具，用去离子水等作调料，将经处理的氮化硅粉料调成糊状，作脱模剂，用氩气和氮气为气氛，熔化时模具悬挂，凝固时模具支撑在水冷却的下转轴上，在下降模具的同时增大冷却水流速，使熔硅从模具底开始定向凝固。使用本发明可得无气孔、无裂缝的完整方锭，晶粒呈柱状，晶宽达毫米级，掺杂可控，制作的太阳能电池性能良好，全面积转换效率最佳值达11.3％。
文档编号C30B28/06GK101768775SQ20081024333
公开日2010年7月7日 申请日期2008年12月26日 优先权日2008年12月26日
发明者谭文运 申请人:谭文运