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1、(10)申请公布号 CN 103911654 A (43)申请公布日 2014.07.09 CN 103911654 A (21)申请号 201410148453.9 (22)申请日 2014.04.15 C30B 15/22(2006.01) C30B 29/06(2006.01) (71)申请人 宁夏大学 地址 750021 宁夏回族自治区银川市西夏区 贺兰山西路 489 号 (72)发明人 高忙忙 李进 张洪岩 梁森 李海波 李国龙 薛子文 何力军 (54) 发明名称 制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法 (57) 摘要 一种制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方 法， 该方法采。
2、用通过直拉法制造单晶硅， 该方法包 括如下步骤 ： 装料和熔化 ； 引晶 ； 缩颈 ； 放肩 ； 等 径生长 ： 石英坩埚和晶体相互反方向旋转， 根据 熔体和单晶炉的状况， 控制晶体等径生产所需长 度， 其中在等径初期， 进口氩气流速为 0.9m/s 1.5m/s， 炉压22Torr， 液口距为20mm ； 收尾 ； 降温。 上述方法能够降低 “W- 状” 固液界面的波动幅度， 提高硅片径向氧含量均匀性， 使 “W- 状” 固液界面 极大值点向晶体边缘移动， 增大晶体中心均匀区 的含量， 进而保证大直径单晶硅的品质。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (。
3、19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103911654 A CN 103911654 A 1/1 页 2 1. 一种制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法， 该方法采用通过直拉法制造单晶硅， 该制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法包括如下步骤 ： 装料和熔化 ： 将高纯多晶硅料粉碎， 并在硝酸和氢氟酸的混合溶液中清洗外表面， 除 去可能的金属杂质 ； 将粉碎后的高纯多晶硅料放入高纯的石英坩埚内， 石英坩埚尺寸为 800mm ； 将石英坩埚放入单晶炉中的石墨坩埚中 ； 将单晶炉抽真空， 再充入氩气， 。
4、最后加 热升温以熔化多晶硅料 ； 引晶 ： 将单晶籽晶固定在籽晶轴上， 并和籽晶轴一起旋转 ； 将籽晶缓缓下降后与将籽 晶轻轻浸入熔硅， 使头部首先少量溶解， 然后和熔硅形成一个固液界面 ； 将籽晶逐步上升， 与籽晶相连并离开固液界面的硅温度降低， 形成单晶硅 ； 缩颈 ： 快速向上提拉籽晶， 以形成晶体 ； 放肩 ： 将晶体控制到所需的目标直径 ； 等径生长 ： 石英坩埚和晶体相互反方向旋转， 根据熔体和单晶炉的状况， 控制晶体等径 生产所需长度， 其中在等径初期， 进口氩气流速为0.9m/s1.5m/s， 炉压22Torr， 液口距为 20mm ； 收尾 ： 晶体直径逐渐缩小， 离开熔体 。
5、； 降温 ： 降低温度， 逐渐冷却温度。 2. 根据权利要求 1 所述的制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法， 其特征在于 ： 所述 等径初期为等径开始至晶体直径达到 300mm 的阶段。 3. 根据权利要求 2 所述的制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法， 其特征在于 ： 其中 在等径初期， 晶体的旋转速度为 8 9rpm， 石英坩埚的旋转速度为 5 6rpm。 4. 根据权利要求 2 或 3 所述的制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法， 其特征在于 ： 其中在等径初期， 等径拉速为 0.75 1mm/min。 权 利 要 求 书 CN 103911654 A 2 1/4 。
6、页 3 制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法 技术领域 0001 本发明涉及太阳能发电用单晶硅制造技术领域， 特别涉及一种制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法。 背景技术 0002 晶硅类太阳能电池占整个光伏市场的份额达到 90% 以上。直拉法是制备晶硅类产 品的主要生产方法之一， 其中， 采用直拉法制备单晶硅的过程主要分为化料、 引晶、 放肩、 等 径、 收尾和冷却几个阶段。 0003 目前为止， 通过直拉法制备的单晶硅电池的转换效率已经可以达到 23% 以上， 但 其发电成本仍然高居不下， 这极大的限制了该产品的普及推广。大直径化是太阳能电池用 单晶硅发展的必然趋势之一， 可大。
7、大提高单位时间内产品的生产效率， 显著降低单晶硅的 生产成本。 0004 然而， 随着晶硅尺寸的增大， 炉体结构随之增加， 与传统的小直径单晶硅生产过 程相比， 炉内的热场及气体流场随之发生变化， 这将大大影响晶硅在生长过程中的固液界 面形状及微区内的传质、 传热， 在晶硅生长的等径初期， 在大直径单晶硅中形成了典型的 “W- 状” 固液界面， 一方面， 该类型界面加剧了生长过程中的界面波动， 从而降低拉晶过程的 稳定性， 在生长过程中断晶、 位错等缺陷的出现几率增加 ； 另一方面， 影响了界面附近的杂 质传输， 在径向上杂质的分布波动较为明显， 降低了晶体的性能 （包括氧含量波动） 。 发明。
8、内容 0005 有鉴于此， 有必要提供一种制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法， 该方法能够 提高在等径初期大直径单晶硅径向性能的均匀性， 进而保证大直径单晶硅的品质。 0006 一种制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法， 该方法采用通过直拉法制造单晶 硅， 该制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法包括如下步骤 ： 装料和熔化 ： 将高纯多晶硅料粉碎， 并在硝酸和氢氟酸的混合溶液中清洗外表面， 除去可能的金属杂质 ； 将粉碎后的高纯多晶硅料放入高纯的石英坩埚内， 石英坩埚尺寸 800mm ； 将石英坩埚放入单晶炉中的石墨坩埚中 ； 将单晶炉抽真空， 再充入氩气， 最后加 热升温。
9、以熔化多晶硅料 ； 引晶 ： 将单晶籽晶固定在籽晶轴上， 并和籽晶轴一起旋转 ； 将籽晶缓缓下降后与将籽 晶轻轻浸入熔硅， 使头部首先少量溶解， 然后和熔硅形成一个固液界面 ； 将籽晶逐步上升， 与籽晶相连并离开固液界面的硅温度降低， 形成单晶硅 ； 缩颈 ： 快速向上提拉籽晶， 以形成晶体 ； 放肩 ： 将晶体控制到所需的目标直径 ； 等径生长 ： 石英坩埚和晶体相互反方向旋转， 根据熔体和单晶炉的状况， 控制晶体等径 生产所需长度， 其中在等径初期， 进口氩气流速为0.9m/s1.5m/s， 炉压22Torr， 液口距为 20mm ； 说 明 书 CN 103911654 A 3 2/4 。
10、页 4 收尾 ： 晶体直径逐渐缩小， 离开熔体 ； 降温 ： 降低温度， 逐渐冷却温度。 0007 上述制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法， 在等径初期， 保证进口氩气流速为 0.9m/s 1.5m/s、 炉压 22Torr、 液口距为 20mm， 来降低 “W- 状” 固液界面的波动幅度， 提高 硅片径向氧含量均匀性， 且使 “W- 状” 固液界面极大值点向晶体边缘移动， 增大晶体中心均 匀区的含量， 进而保证大直径单晶硅的品质。 附图说明 0008 附图 1 是一较佳实施方式的制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法的步骤流程 图。 0009 图 2 为实施例 1 中的晶棒沿径向。
11、方向的氧含量分布图。 0010 图 3 为实施例 2 中的晶棒沿径向方向的氧含量分布图。 0011 图中 ： 制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法步骤 S300 S306。 具体实施方式 0012 本发明通过在等径初期调节进口氩气流速来改变单晶炉内的气体流场， 来降低 “W- 状” 固液界面的波动幅度， 提高硅片径向氧含量均匀性， 且使 “W- 状” 固液界面极大值点 向晶体边缘移动， 增大晶体中心均匀区的含量， 进而保证大直径单晶硅的品质。 0013 请参看图 1， 其为一较佳实施方式的制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法流程 图， 该方法采用通过直拉法制造单晶硅， 该制备直径为。
12、 400mm 以上的单晶硅的方法包括如 下步骤 ： 步骤 S300， 装料和熔化 ： 将高纯多晶硅料粉碎， 并在硝酸和氢氟酸的混合溶液中清洗 外表面， 除去可能的金属杂质 ； 将粉碎后的高纯多晶硅料放入高纯的石英坩埚内， 石英坩埚 尺寸 800mm ； 将石英坩埚放入单晶炉中的石墨坩埚中 ； 将单晶炉抽真空， 再充入氩气， 最 后加热升温以熔化多晶硅料。 0014 步骤 S301， 引晶 ： 将单晶籽晶固定在籽晶轴上， 并和籽晶轴一起旋转 ； 将籽晶缓缓 下降后与将籽晶轻轻浸入熔硅， 使头部首先少量溶解， 然后和熔硅形成一个固液界面 ； 将籽 晶逐步上升， 与籽晶相连并离开固液界面的硅温度降低。
13、， 形成单晶硅。 0015 步骤 S302， 缩颈 ： 快速向上提拉籽晶， 以形成晶体。其中步骤 S302 具体为 ： 快速 向上提拉籽晶， 使新结晶的单晶硅的直径达到 3mm， 长度约为此时晶体直径的 6 10 倍， 晶 体的旋转速度为 2 10rpm ； 石英坩埚沿晶体相反方向旋转， 晶体的旋转速度比石英坩埚快 1 3 倍。 0016 步骤 S303， 放肩 ： 将晶体控制到所需的目标直径。 0017 步骤 S304， 等径生长 ： 石英坩埚和晶体相互反方向旋转， 根据熔体和单晶炉的状 况， 控制晶体等径生产所需长度， 其中在等径初期， 进口氩气流速为 0.9m/s 1.5m/s， 炉压 。
14、22Torr， 液口距为 20mm， 其中， 所述等径初期为等径开始至晶体直径达到 300mm 的阶段， 液 口距为导流筒下沿至熔体液面的距离。 进一步的， 等径拉速0.751mm/min， 晶体的旋转速 度为 8 9rpm， 石英坩埚的旋转速度为 5 6rpm， 如此可以保证大直径单晶硅的品质更高。 0018 步骤 S305， 收尾 ： 晶体直径逐渐缩小， 离开熔体。 说 明 书 CN 103911654 A 4 3/4 页 5 0019 步骤 S306， 降温 ： 降低温度， 逐渐冷却温度。 0020 以下结合具体附图及具体实施方式对制备直径为 400mm 以上的单晶硅的方法做 进一步描述。
15、 ： 实施例 1 装料和熔化 ： 将高纯多晶硅料粉碎， 并在硝酸和氢氟酸的混合溶液中清洗外表面， 除 去可能的金属杂质 ； 将粉碎后的高纯多晶硅料放入高纯的石英坩埚内， 石英坩埚尺寸为 800mm ； 将石英坩埚放入单晶炉中的石墨坩埚中 ； 将单晶炉抽真空， 再充入氩气， 最后加热 升温以熔化多晶硅料。 0021 引晶 ： 将单晶籽晶固定在籽晶轴上， 并和籽晶轴一起旋转 ； 将籽晶缓缓下降后与 将籽晶轻轻浸入熔硅， 使头部首先少量溶解， 然后和熔硅形成一个固液界面 ； 将籽晶逐步上 升， 与籽晶相连并离开固液界面的硅温度降低， 形成单晶硅。 0022 缩颈 ： 快速向上提拉籽晶， 以形成晶体。。
16、 0023 放肩 ： 将晶体控制到所需的目标直径。 0024 等径生长 ： 石英坩埚和晶体相互反方向旋转， 根据熔体和单晶炉的状况， 控制晶 体等径生产所需长度， 其中在等径初期， 晶体的旋转速度为 8rpm， 石英坩埚的旋转速度为 5rpm， 进口氩气流速为 0.9m/s， 炉压 22Torr， 等径拉速 0.75mm/min， 液口距为 20mm。 0025 收尾 ： 晶体直径逐渐缩小， 离开熔体。 0026 降温 ： 降低温度， 逐渐冷却温度。 0027 对等径 300mm 后的单晶硅棒晶体进行分析， 其径向氧含量的变化如表 1 所示， 与 未改进工艺前相比， 等径初期单晶棒的平均径向氧。
17、含量由 6.831017/atmcm-3下降到 5.791017/atmcm-3， 并且晶棒中心处氧含量的波动百分比由 17.1% 下降到 16.9%， 可见 拉晶过程中氩气流速的优化， 降低了径向氧含量的波动， 提高了单晶硅棒在等径初期的品 质。 请同时参看图2， 图中由切线法求得氧含量在径向方向上的转变点， 对比改进工艺前后， 可以发现等径初期在径向方向上氧含量的相对均匀区由占整个晶棒截面的 70.6% 增加到 83.7%。 0028 表 1 参数 工艺改进前 ： 氩气流速 0.6m/s改进后 ： 氩气流速 0.9m/s 等径初期单晶棒径向平均氧含量 （1017/atmcm-3）6.835。
18、.79 等径初期单晶棒中心处氧含量 （1017/atmcm-3）7.996.77 氧含量径向波动值 （%）17.116.9 实施例 2 装料和熔化 ： 将高纯多晶硅料粉碎， 并在硝酸和氢氟酸的混合溶液中清洗外表面， 除去 可能的金属杂质 ； 将粉碎后的高纯多晶硅料放入高纯的石英坩埚内， 石英坩埚尺寸 900mm ； 将石英坩埚放入单晶炉中的石墨坩埚中 ； 将单晶炉抽真空， 再充入氩气， 最后加热升温以熔 化多晶硅料。 0029 引晶 ： 将单晶籽晶固定在籽晶轴上， 并和籽晶轴一起旋转 ； 将籽晶缓缓下降后与 将籽晶轻轻浸入熔硅， 使头部首先少量溶解， 然后和熔硅形成一个固液界面 ； 将籽晶逐步。
19、上 升， 与籽晶相连并离开固液界面的硅温度降低， 形成单晶硅。 0030 缩颈 ： 快速向上提拉籽晶， 以形成晶体。 0031 放肩 ： 将晶体控制到所需的目标直径。 说 明 书 CN 103911654 A 5 4/4 页 6 0032 等径生长 ： 石英坩埚和晶体相互反方向旋转， 根据熔体和单晶炉的状况， 控制晶 体等径生产所需长度， 其中在等径初期， 晶体的旋转速度为 9rpm， 石英坩埚的旋转速度为 6rpm， 进口氩气流速为 1.5m/s， 炉压 22Torr， 等径拉速 1mm/min， 液口距为 20mm。 0033 收尾 ： 晶体直径逐渐缩小， 离开熔体。 0034 降温 ： 。
20、降低温度， 逐渐冷却温度。 0035 对等径 300mm 后的单晶硅棒晶体进行分析， 其径向氧含量的变化如表 2 所示， 与 未改进工艺前相比， 等径初期单晶棒的平均径向氧含量由 6.831017/atmcm-3下降到 5.611017/atmcm-3， 并且晶棒中心处氧含量的波动百分比由 17.1% 下降到 15.9%， 可见 拉晶过程中氩气流速的优化， 降低了径向氧含量的波动， 提高了单晶硅棒在等径初期的品 质。请同时参看图 3， 图中由切线法求得氧含量在径向方向上的转变点。对比改进工艺前 后， 可以发现等径初期在径向方向上氧含量的相对均匀区由占整个晶棒截面的 70.6% 增加 到 85.6%。 0036 表 2 参数 工艺改进前 ： 氩气流速 0.6m/s改进后 ： 氩气流速 0.9m/s 等径初期单晶棒径向平均氧含量 （1017/atmcm-3）6.835.61 等径初期单晶棒中心处氧含量 （1017/atmcm-3）7.996.5 氧含量径向波动值 （%）17.115.9 说 明 书 CN 103911654 A 6 1/3 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103911654 A 7 2/3 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 103911654 A 8 3/3 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103911654 A 9 。