[发明专利]一种铸造单晶硅锭的方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体而言，涉及一种铸造单晶硅锭的方法与装置。

背景技术

多晶硅材料具有较低的制造成本，已广泛用于制作太阳能电池，由于它有较多的晶界，致使电池效率低于单晶硅电池的效率，因此消除或减缓晶界的影响，提高电池光电转换效率，是光伏行业亟待解决的重要问题之一。

采用类单晶技术制备硅锭，需要在石英坩埚底部铺垫一层约25mm厚的纯单晶作为籽晶，熔化过程中还需采用长晶棒进行测量，生产成本较高且熔化工艺的控制难度较大。

高效多晶技术是在石英陶瓷坩埚底部铺垫一层小碎片料，利用长晶棒测量熔化高度，利用坩埚底部部分未熔化的碎片作为籽晶，生长出晶粒分布均匀的高效多晶硅锭。高效多晶技术比类单晶技术的生产成本有所降低，但仍需用长晶棒进行测量，控制难度大。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种不需要长晶棒即可铸造单晶硅锭的方法，以解决上述控制难度大和需要较多籽晶的问题。

采用的技术方案为：一种铸造单晶硅锭的方法，包括以下步骤，

（1）设置初始晶核：在坩埚底部设置初始晶核；

（2）诱导生长：让初始晶核生长并覆盖坩埚底部中心；

（3）熔化初始晶核：将初始晶核熔化，并保持坩埚底部中心处的晶核不熔化；该不熔化的晶核即为籽晶；

（4）籽晶生长：让坩埚底部中心处的没有熔化的晶核向四周生长，逐渐铺满坩埚底部；

（5）定向生长：让铺满坩埚底部的籽晶由下向上生长，得到单晶硅锭。

采用局部凝固方法得到初始晶核，采用诱导生长和转向生长方法得到籽晶，通过逐步扩大凝固区域，使籽晶长大并覆盖坩埚底部，最后让籽晶生长转变为定向凝固，从而制备出单晶硅锭。这种方法不需要使用长晶棒，便于控制铸造过程。

作为优选的技术方案：所述初始晶核为多晶，所述多晶设置于偏离坩埚底部中心处。

这种方法不需要预置籽晶，降低了成本。

作为优选的技术方案：所述初始晶核为单晶，所述单晶设置于偏离坩埚底部中心处。

这种方法仅需要少量单晶作为籽晶，成本也有所降低。

作为优选的技术方案：所述初始晶核为单晶，所述单晶设置于坩埚底部中心处。

这种方法仅需要少量单晶作为籽晶，生长时间较短，成本也有所降低。

作为进一步优选的技术方案：步骤2时，让单晶晶核向坩埚中心生长，并覆盖坩埚底部中心，或让多晶向偏离坩埚中心的方向生长后再向坩埚中心生长，并覆盖坩埚底部中心，后者可以避免使用昂贵的单晶作为籽晶。

本发明的目的之二，是提供一种用于上述方法的装置：包括坩埚、可控导热底座、真空系统、冷却系统、加热系统、温度控制系统和运动控制系统，其中，所述可控导热底座包括支撑所述坩埚的隔热支座和导热装置，所述导热装置一端为低温端，所述低温端与所述冷却系统连接，所述导热装置的另一端与所述坩埚的底部接触或不接触，所述温度控制系统用于控制所述加热系统和所述冷却系统的加热和冷却过程，所述运动控制系统含有至少两套运动机构，分别用于控制所述可控导热底座、所述导热装置的上下运动。

其中，坩埚用于盛装多晶硅原料和硅熔体；

可控导热底座用于支撑坩埚和控制传热；

冷却系统用于冷却真空腔室和导热装置的低温端；

加热系统用于在坩埚侧壁和顶部加热，使多晶硅原料熔化；

真空系统用于提供铸造硅锭所需要的真空环境；

温度控制系统，用于控制加热系统和冷却系统的温度，以得到合适的温度场；

运动控制系统，用于控制可控导热底座、导热装置的运动。

优选导热装置的低温端具有弯曲的结构，便于与冷却系统连接。

作为优选的技术方案：所述导热装置为导热棒或热管。

作为进一步优选的技术方案：所述导热棒或热管的柱状表面涂覆有隔热涂层，以减缓导热装置之间的换热。

采用局部凝固方法得到初始晶核，采用诱导生长和转向生长方法得到籽晶，通过逐步扩大凝固区域，使籽晶长大并覆盖坩埚底部，最后让籽晶生长转变为定向凝固，从而制备出单晶硅锭。由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：这种方法不需要使用长晶棒，便于控制铸造过程。另外，这种方法可以消除铸锭中的晶界得到单晶硅锭，或准单晶硅锭。而且，得到的晶锭中的位错密度较低。同时，本方法不需要籽晶，或仅需要少量单晶作为籽晶，降低了成本。

附图说明

图1为本发明实施例1、2、3所用的铸造单晶硅锭的装置的结构示意图；