[实用新型]一种用于硅单晶生长的坩埚

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于硅单晶生长的坩埚，尤其涉及一种采用定向凝固法生长硅单晶时所用的坩埚。

背景技术

硅单晶和硅多晶铸锭是晶体硅太阳能电池最常用的材料。通常，使用硅单晶材料制造的太阳能电池比使用硅多晶材料制造的太阳能电池具有更高的光电传换效率。目前，硅单晶最常用的制造方法有提拉法(Czochralski法)和区熔法(Floating Zone法)；硅多晶的制造方法则通常采用定向凝固法(即铸造法)。定向凝固法是将硅原料放置在多晶铸锭炉内的坩埚中，通过改变温度场使硅原料从下向上定向结晶而成硅多晶，如图1和图2所示，常使用的坩埚有截面为方形的坩埚1以及截面为圆形的坩埚2。

目前，采用定向凝固法生长而成的硅晶体通常为硅多晶，而不能得到硅单晶，原因主要有两点：一是由于在石英坩埚表面使用了采用喷涂法形成的Si₃N₄涂层，使坩埚与晶锭很容易相互分离，可保证晶锭不因热应力而受到损坏，但该涂层常常会有Si₃N₄颗粒脱落，使定向凝固法生长硅单晶变得非常困难。在石英坩埚表面不使用Si₃N₄涂层时，石英坩埚与晶锭在冷却时又会相互粘连，同时由于热膨胀系数相差较大，晶锭往往由于热胀冷缩而破裂。因此，为了生长单晶硅铸锭，则需要避免使用喷涂形成的容易脱落的涂层，现有技术中已经披露了一些解决方案，例如，中国实用新型专利87206316中采用气相沉积法制备Si₃N₄涂层，可以有效防止涂层颗粒脱落而破坏单晶结构。当前技术没有采用定向凝固法生长单晶的另一个原因是，定向凝固的初始过程并没有采用特定晶向的籽晶进行引导，凝固通常是从石英坩埚壁面开始，自发形成多个凝固核心并逐渐长大，使其最终形成的晶体为多晶而不是单晶。因此，采用定向凝固法生长硅单晶需要满足特定的条件，其中最重要的是在凝固开始时需要采用籽晶完成引晶过程。而目前用于硅晶体生长的石英坩埚均没有针对定向凝固生长硅单晶做相关的石英坩埚设计，市场上也没有具有籽晶引晶功能的用于硅单晶生长的坩埚产品。

发明内容

本实用新型提供了一种针对定向凝固法生长硅单晶的坩埚，能有效解决籽晶的放置问题，避免籽晶在引晶过程中的位错。使用本实用新型所提供的坩埚，可有效地生长硅单晶，且不需要从根本上改变原有的定向凝固炉(比如：多晶铸锭炉)的结构。

一种用于定向凝固法生长硅单晶的坩埚，包括坩埚主体，且在坩埚主体底部设有籽晶套管。

所述的籽晶套管设置在坩埚底部的中心位置。

所述坩埚主体的截面为近似的圆形或方形；制备坩埚主体的主要原料可选用常用的石英、石墨或氮化硅等。

当采用石英材料制造时，坩埚主体可选用目前市场上已有的截面为圆形的石英坩埚和截面为方形的石英坩埚，如图1和图2所示。当作为坩埚主体使用时，需在石英坩埚底部开一个与籽晶套管端口形状和尺寸相配合的开孔，将籽晶套管的端口与坩埚主体底部的开孔相接，通过耐高温粘合剂粘合、火焰加工或其它局部高温加工的方法，即可将坩埚主体在开孔位置与籽晶套管焊接在一起，使籽晶套管的内部空腔与坩埚内部空腔完成无泄漏连接，连接完成后形成用定向凝固法生长单晶硅所需的石英坩埚。

所述的籽晶套管为筒状，其内部与坩埚主体内连通。籽晶套管可以为等截面的细长筒状，即籽晶套管横截面处处相同，考虑到加工的方便一般选用圆筒或方筒状。

籽晶套管直径没有严格限制，但当籽晶套管直径较大时，不利于有效引晶，针对这一情况，所述籽晶套管在靠近坩埚主体部分至少有一段直径收缩形成缩口段。

就缩口段本身而言可以是等径的也可以是锥形的。

缩口段的两端与籽晶套管的其它部分通过直径渐变的连接。过渡段处渐变的角度(即外壁与中心轴线的夹角)优选30°～60°角。

籽晶套管放置籽晶的一段管内通道称为籽晶段，位于远离坩埚主体的部分；籽晶套管的另一段通道称为引晶段，由直径渐变的过渡段和缩口段组成，由于其具有逐渐缩小的管内通道，可以让籽晶生长时通过一个细长的通道(即缩口段)，消除引晶过程中从籽晶增长出的位错。

为了有效引晶，缩口段的截面积优选0.25～100mm²，缩口段及其两端过渡段的总长度(即引晶段的长度)优选10～300mm。根据以上原则制造的籽晶段和引晶段的截面可以为各种形状，如截面为圆形、方形等。