[发明专利]使用选晶器的晶体材料铸造方法及装置

说明书

技术领域

本发明一般涉及使用垂直方向凝固铸造法，例如垂直温度梯度凝固晶体生长方法(下文也称为VGF法)或垂直布里奇曼晶体生长方法(下文也称为VB法)或垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS法)制造比较大的硅和硅锗晶体材料，尤其是适用于光伏应用的多晶和单晶材料。

背景技术

基于晶硅的光电池(或称光伏电池、太阳能电池)应具有最大可能地将太阳能辐射功率转化为电流的效率、以及尽可能长久的使用寿命和衰减速率。这是由多种因素决定的，例如硅原材料的纯度，硅晶体的类型(单晶、多晶)和缺陷、杂质分布以及晶向、内应力。同时，工业上制造较大尺寸的硅晶体毛胚(实体)，可以获得更高的生产效率；而降低硅晶体的缺陷和内应力，还有助于提高成品和良品的产出率。

已知在硅晶体的类型中，单晶较多晶具有获得相对最高的光电转化效率的可能。因此，许多制造硅单晶的装置和方法被大量使用。典型的就是所谓的单晶提拉方法，也称之为切克劳斯基(CZ)法，利用籽晶伸入熔化的硅液中，通过提拉引晶和硅液液面上方的持续晶体生长，最后获得单晶硅棒。这种方法通常需要坩埚和生长中的晶棒相对旋转，因而其制造设备相对复杂，工艺控制难度较大。使用CZ法制造单晶硅棒的方法和装置的例子，可以在申请号为200820080642.7、名称为软轴单晶硅炉的中国专利申请中找到，更多的例子，包括中国专利申请CN200810145905.2、CN200810162544.2、CN200710164263.6及CN200810108276.6，等等。为提供对CZ法及其制造装置的全面说明，本发明在此全文引用上述各项专利申请文件。CZ法可以获得性能比较优异的单晶硅胚体，但也存在一些明显的缺点，包括其制造装置和工艺控制比较复杂，设备和生产成本较高，难以获得较大尺寸的高质量单晶胚体(通常只有20cm或25cm的第二大尺寸)，生产效率低，因难以克服其晶体生长中的径向温度梯度而存在较大的径向缺陷包括如漩涡缺陷、氧致堆垛层错缺陷(或OSF环缺陷)和热应力位错，及掺杂剂密度差异，等等。类似的还有浮区凝固法，或称悬浮区熔法(FZ)，用以生长的多晶硅棒，但具有和CZ法类似的缺陷类型和不足。

为此，使用方向凝固法，例如垂直方向凝固法，包括垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS)制造多晶材料胚体的方法和装置被大量应用于生产硅晶体，用较低的设备成本和较简单的工艺控制，获得大尺寸的多晶硅锭，提高了生产效率，降低了生产成本。在VGF法晶体生长工艺中，位于静止的加热装置形成的热场中的结晶温度梯度可移动，而晶体保持静止。在VB法晶体生长工艺中，保持静止的加热装置形成结晶温度梯度静止的热场，晶体在其中移动。在VBS法晶体生长工艺中，加热装置及其形成的结晶温度梯度可移动，而晶体保持静止。实施这些方法的设备使用时都包含有坩埚，其至少有底壁和侧壁，构成可以容纳硅原料和熔化的硅液的容器，以及和坩埚外形配套的热场系统和支撑系统，至少包括可以加热坩埚内的硅原料的加热装置，和保持坩埚位置和形状的支撑装置。

尽管容易获得大的尺寸、高的生产效率和低的生产成本，多晶硅因其较低的纯度、较小的晶粒尺寸、较多的晶界和晶体缺陷、制成的晶片具有低的载流子寿命和较差的制绒效果，由其制成的电池片效率较低，难以取代单晶硅。

为了在较低的设备和控制成本下，获得更高的转换效率，一些基于垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS)的可以生产晶粒较大的多晶硅锭、近单晶硅锭的方法和设备被开发出来，这里全文引用以详细说明这些方法和设备的一些文件：CN200810012354.2、CN200910152970.2、CN200920115886.9、DE10239104A1、CN200780002763.8、CN200810089545.9、CN 200780002753.4。其中，为获得生长良好的晶体组织，可以诱导晶体生长的籽晶被引入到硅原料内，或在坩埚内构置特定的一些几何结构。这些方法和设备的使用，一定程度上增大了多晶硅的晶粒尺寸、减少了晶体缺陷，甚至可以获得近单晶硅锭，但是，仍然存在着工艺控制难度大、难以确保稳定地形成预期的硅锭晶体结构、缺陷和杂质多、杂质分布不均、晶锭内应力偏大加工成晶片损耗较大，和需要消耗大量籽晶等问题。此外，即使在使用大量籽晶的情况下，由于籽晶的择优生长方向可能与单晶生长方向发生偏离，以及可能发生部分熔化、氧化，也难以获得高完整性单晶体。