[实用新型]利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的设备

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种单晶晶体硅棒的制备设备，尤其是一种利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的设备，这种单晶晶体硅棒主要被运用于太阳能电池的生产。

背景技术

随着全球环境变暖和能源枯竭问题的日益突出，可再生的绿色能源受到社会越来越多的关注。其中，可以将太阳光直接转化为电能的太阳能电池生产技术倍受重视。近年来，全球的太阳能生产规模不断扩大，已经造成硅材料的极端短缺。另外，太阳能技术的推广应用的一大障碍就是成本过高，而硅料成本过高是太阳能电池的成本过高的主要原因之一。因此，利用含有杂质且成本相对较低的硅材料制备太阳能电池硅片成为必然趋势。这些含有杂质的硅材料，通常可能是直拉法即CZ(Czochralski)法单晶拉制剩余的锅底料、边皮料和报废料；可能是多晶铸锭法剩余的顶边、边皮料和报废料；可能是西门子法或其它化学方法制备多晶硅时剩余的不合格炭芯料等等其它各种杂质硅料。

含杂质硅料中所含的杂质一般是SiN，SiC，SiO₂等，这些杂质的形成可能是硅料制备过程中的C还原SiO₂工艺，或西门子法制备多晶硅时的石墨炭心，或直拉法单晶制备时单晶炉上部的隔绝辐射导流筒等石墨件的表层老化剥落，或铸锭多晶时坩埚喷涂材料中的SiN和SiC和粘结的有机物高温下分解形成的C基，或硅料化学处理过程中的杂质的混入。

近年来，对于利用低纯度硅料，尤其是含有多种杂质成分的硅料来拉制高纯度太阳能用单晶硅棒方面在现有技术中也有所报到。中国专利申请200610155648“直拉法生长硅单晶产生的锅底料的除杂方法”公开了锅底料的除杂处理工艺，首先将硅料打碎到3-12mm碎粒状，然后放入调配好的除杂溶液的耐酸槽中。除杂溶液的配方为：氟化氢、硝酸、醋酸溶液按1∶3∶7～9的比例混合。硅粒在耐酸槽的除杂溶液中浸泡1～2小时以达到除去杂质的目的。中国专利申请200680024565“硅的再利用方法及利用该方法制造的硅和硅锭”中描述了利用SiN和SiC比较轻的原理，首先粉碎顶料和边料，然后在顶料和边料的定向凝固时，设计一个装置在坩埚底部的硅液中吹气，将SiN等杂质带到硅液表面，然后再使用定向凝固的办法进行硅锭提纯。这些方法都是具有代表性的处理方法。虽然这些方法能够大幅度减少硅材料中的杂质成分，但是，这些提纯方法很难完全去除硅材料内部的杂质。所以，在太阳能晶体硅棒的实际生产实践中，即使是使用这些经过一次除杂处理过的硅料，还是常遇到由于杂质带来硅液面抖动、硅液面浮渣、单晶拉制长时间不能成晶，这样就产生了浪费大量的生产产能和能源的种种问题。同时，即使能够成晶，成晶以后也常遇到分段和晶体质量不合格的问题。在后续的切片工序中，可能造成由于杂质造成的硬点，而导致硅片线切割时的断线问题，以及晶体内杂质位错造成的晶体内部高应力，使得切片后硅片翘曲和易碎。

中国专利申请200620148936.x的“一种具有保护气控制装置的直拉单晶炉”，公开了一种典型的现有技术的单晶炉体结构，这种炉体只有生长单晶硅棒的功能，而没有除杂功能，如果使用的硅材料具有稍多一些杂质，这种炉子就只能作为先期的提纯炉子来使用，这样就既占用了宝贵的机器生产时间，同时也消耗能源并造成机器和昂贵石墨件的折旧。所以生产企业迫切需要一种更为实际有效的适用方法和设备。

为了便于对本专利申请的理解，下面再介绍一下单晶硅生长中的直拉法，直拉法的过程是这样的：将高纯度的多晶硅原料装进石英坩埚，然后在低真空有流动惰性气体保护下加热溶化，熔化后将温度降至硅结晶点1420摄氏度左右，把一只有着生长方向的单晶硅(俗称晶种)与硅溶液接触，然后再调整硅溶液温度和晶种上升速度，使之缓慢结晶形成1根直径3-6毫米左右的细颈使硅原子按照晶种的排列方向排列，当细颈有一定长度后，调整硅溶液温度和晶种上升的速度使之缓慢长大，等长大接近所需直径时，提升晶种上升速度，使硅单晶等直径生长，在硅单晶生长接近结束时，提升晶种上升速度和调整溶液温度，将硅单晶的直径慢慢缩小成一个锥状体，当锥体的直径接近10-15毫米左右时，将晶体与溶液脱离，这样晶体生长周期就完成了。流动排出的惰性气体可带走硅单晶溶液结晶时散发的结晶潜热和硅溶液挥发的一氧化硅颗粒。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种利用含有杂质的硅材料制备生产高纯度单晶硅棒的设备，克服现有设备对含杂硅材料除杂不完全，而且将除杂和拉制分步进行带来生产资源的极大浪费和产品质量不稳定的缺陷。