一种多晶硅半熔铸锭用高温长晶工艺 |
|||||||
| 申请号 | CN201610653489.1 | 申请日 | 2016-08-10 | 公开(公告)号 | CN106191995A | 公开(公告)日 | 2016-12-07 |
| 申请人 | 中联西北工程设计研究院有限公司; | 发明人 | 田伟; 刘波波; 田进; 赵俊; 韩景; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种多晶 硅 半熔 铸锭 用高温长晶工艺，其特征在于，将铸锭炉从室温加热到1550～1555℃， 熔化 后期测量留底籽晶厚度，调整顶部和侧部加热器功率比，通过慢熔确保底部籽晶不被熔化，当熔化完成后，调整顶部和侧部加热器功率比，降低到1440～1445℃开始进行定向 凝固 并进入长晶过程，在长晶的过程中 温度 由1440～1445℃降低到1400～1405℃，完成长晶过程。本发明方法步骤简单、设计合理、实现方便且易于掌握、使用效果好，能对 多晶硅 铸锭长晶过程进行合理控制，并有效提高多晶硅铸锭 质量 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种多晶硅半熔铸锭用高温长晶工艺，其特征在于，将铸锭炉从室温加热到1550～ |
||||||
| 说明书全文 | 一种多晶硅半熔铸锭用高温长晶工艺【技术领域】 [0002] 光伏发电是当前最重要的清洁能源之一，具有极大的发展潜力。制约光伏行业发展的关键因素，一方面是光电转化效率低，另一方面是成本偏高。光伏硅片是生产太阳能电池和组件的基本材料，用于生产光伏硅片的多晶硅纯度必须在6N级以上(即非硅杂质总含量在1ppm以下)，否则光伏电池的性能将受到很大的负面影响。 [0003] 近几年，多晶硅片生产技术有了显著进步，多晶铸锭技术已从G4(每个硅锭重约270公斤，可切4×4＝16个硅方)进步到G5(5×5＝25个硅方)，然后又进步到G6(6×6＝36个硅方)。并且，所生产多晶硅铸锭的单位体积逐步增大，成品率增加，且单位体积多晶硅铸锭的制造成本逐步降低。 [0004] 目前，如何制造出体积更大的多晶硅铸锭，是降低制造成本的重要措施。实际生产过程中，太阳能多晶硅铸锭时，需使用石英坩埚来填装硅料，且将硅料投入石英坩埚后，通常情况下还需经预热、熔化(也称熔料)、长晶(也称定向凝固结晶)、退火、冷却等步骤，才能完成多晶硅铸锭过程。实际进行多晶硅铸锭时，长晶过程的控制直接影响到铸锭成品的质量和成品率，如果晶体生长稳定可以获得较高的少子寿命和较好的成品率；如果晶体生长过程控制不好，可能导致粘埚、晶裂、硬质点、微晶等缺陷，直接影响成品率。而现如今，进行多晶硅铸锭时，现有长晶工艺是逐渐降温过程，属于整锭降温，过程中顶部熔融状态保持时间少，底部分凝过程中排出的杂质不能及时排出，有部分直接被凝固形成硬质点，厂家均不能对长晶过程进行准确控制，从而导致粘埚、晶裂、硬质点、微晶等缺陷。【发明内容】 [0005] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多晶硅铸锭工艺，其方法步骤简单、设计合理、实现方便且易于掌握、使用效果好，能对多晶硅铸锭长晶过程进行合理控制，并有效提高多晶硅铸锭质量。 [0006] 本发明采用以下技术方案： [0007] 一种多晶硅半熔铸锭用高温长晶工艺，将铸锭炉从室温加热到1550～1555℃，熔化后期测量留底籽晶厚度，调整顶部和侧部加热器功率比，通过慢熔确保底部籽晶不被熔化，当熔化完成后，调整顶部和侧部加热器功率比，降低到1440～1445℃开始进行定向凝固并进入长晶过程，并在长晶前3步保证铸锭炉的加热温度控制在1440℃～1445℃，在随后长晶的过程中温度由1440～1445℃降低到1400～1405℃，完成长晶过程。 [0008] 进一步的，所述步骤如下： [0009] 步骤1、将所述铸锭炉的温度从1550℃～1555℃快速降低至1440℃～1445℃，并保温20min～40min； [0010] 步骤2、将所述铸锭炉的加热温度控制在1440℃～1445℃，并保温60min～120min； [0011] 步骤3、提升隔热笼高度，将所述铸锭炉的加热温度从1440℃～1445℃逐渐降至1430℃～1435℃，并保温60min～120min，降温时间为5～8h； [0012] 步骤4、将所述铸锭炉的加热温度1430℃～1435℃逐渐降至1415℃～1420℃，降温时间为15h～20h； [0013] 步骤5、将所述铸锭炉的加热温度由1415℃～1420℃逐渐降至1400℃～1405℃，降温时间为10h～15h。 [0014] 进一步的，步骤1中，所述铸锭炉的隔热笼提升高度为60mm～100mm；调节顶部和侧部加热器功率比为0.8:0.2，保温过程中进行排杂长晶。 [0015] 进一步的，所述铸锭炉的快速降温时间为30-40min。 [0016] 进一步的，步骤2中，当温度逐渐下降到1440℃后，调整顶部加热器和侧部加热器功率比为0.2:0.6，保证为长晶过程中顶部和底部有足够的温度梯度，同时提升隔热笼至80mm～100mm增加上下温度梯度，保温过程中进行排杂长晶。 [0017] 进一步的，步骤3中，所述铸锭炉的隔热笼提升高度为100mm～120mm。 [0018] 进一步的，步骤4中，所述铸锭炉的隔热笼提升高度为120mm～150mm。 [0019] 进一步的，步骤5中，所述铸锭炉的隔热笼提升高度为200mm～250mm。 [0020] 进一步的，长晶过程中，对多晶硅锭的长晶速度进行控制，其中所述多晶硅锭的顶部节段和底部节段的长晶速度均≤12mm/h，所述多晶硅锭的中部节段的长晶速度为10mm/h～14mm/h。 [0021] 进一步的，整个长晶过程中，气体压强保持在400～600MPa，顶部管道和底部管道氩气流量均为0.2～0.8L/min。 [0022] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果： [0023] 本发明一种多晶硅半融铸锭用高温长晶工艺，在特定温度下，通过调整顶部和侧部加热器功率比，实现边长晶边排杂，该方法操作方便、实用性强，便于批量生产。 [0024] 进一步的，通过在五步中分别对温度的控制，实现长晶过程整体控制，操作简便，容易实现，便于批量生产，通过调节每一步的顶部和侧部加热器功率比和隔热笼高度，能有效降低炉腔内部杂质，在长晶阶段易于得到更高纯净晶体生长环境，可有效改善长晶质量，降低硬质点、位错等缺陷，进而提高产品的转换效率， [0025] 进一步的，通过高温长晶的保温过程能有效增加温度梯度，同时保证杂质有足够时间从固液面进行排出，长晶过程中顶部温度高于硅的熔点，一直处于熔融状态，有利于杂质上浮排除，有效降低硅锭生长过程(即长晶阶段)中的杂质含量，从而使生长的硅锭有较高的质量，并能有效减少硬质点的产生从而提高硅锭成品率，并减少硅片切割断线率。 [0026] 进一步的，通过对多晶硅锭的顶部节段、中部节段和底部节段的长晶速度控制，稳定了硅锭生长过程，为长晶过程提供更大的过冷度，同时减少长晶过程中硬质点的形成，增强了实用性。 [0027] 综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理、实现方便且易于掌握、使用效果好，能对多晶硅铸锭长晶过程进行合理控制，并有效提高多晶硅铸锭质量。 [0029] 图1为长晶速率与硬质点的影响曲线图； [0030] 图2为长晶速率趋势示意图。【具体实施方式】 [0031] 长晶工艺包括以下几点要素：长晶速率、长晶温度、隔热笼提升过程和offset值变化等，长晶速率是影响硬质点最重要的因素。目前多晶铸锭生产要求的平均长晶速率为11.0mm/h-12.0mm/h，同时生产过程中根据硅料的纯净程度也会对长晶速率做出微调。长晶速率过快会降低硅料结晶过程中分凝效果，少量杂质未能通过固液界面推移排出而保留在固相内最终形成硬质点，请参阅图1所示，随着平均长晶速率的提高，硬质点比例呈现不同程度的浮动，并没有特定的规律性，但是实验中，在长晶速率大约12mm/h的时候，产生的硬质点比例相对较少，约为5.8％，而在较高长晶速率下，会产生比例很高的硬质点，在长晶速率为13.4mm/h时，产生了的硬质点比例高达约13％，在实际生产中应该尽量避免过高的长晶速率，11-12mm/h左右的长晶速率是合适的。 [0032] 长晶温度一般分为高温长晶和低温长晶，高温长晶是指在长晶前三步让长晶温度保持在1440℃以上，同时通过提高隔热笼来减小底部温度提供长晶动力，然后随着长晶时间的增加从第四步开始温度逐渐减小。低温长晶则是从第二步开始长晶温度保持平稳下降，保持中期长晶速率平稳过渡。平均长晶速率正常的情况下，在铸锭长晶过程中出现温度波动，长晶速率起伏会造成局部阴影和硬质点，请参阅图2所示，整个长晶过程中期长晶速率平稳，当出现长晶速率波动会引起局部硬质点集中，要保证平稳的长晶速率必须首先保证炉体加热器热量输出稳定，功率曲线运行平稳避免热量起伏造成局部温度失准。 [0033] 本发明提供了多晶硅半熔铸锭用高温长晶工艺，将铸锭炉从室温加热到1550～1555℃，熔化后期测量留底籽晶厚度，调整顶部和侧部加热器功率比为0.8:0.2，通过慢熔确保底部籽晶不被熔化，当熔化完成后，调整顶部和侧部加热器功率比为0.2:0.6，经20～ 40min降低到1440～1445℃开始进行定向凝固并进入长晶过程，并在长晶前3步保证铸锭炉的加热温度控制在1440℃～1445℃，在随后长晶的过程中温度在30～40h内由1440～1445℃降低到1400～1405℃，完成长晶过程。 [0034] 长晶过程中，对多晶硅锭的长晶速度进行控制，其中所述多晶硅锭的顶部节段和底部节段的长晶速度均≤12mm/h，所述多晶硅锭的中部节段的长晶速度为10mm/h～14mm/h，气体压强保持在400～600MPa，顶部管道和底部管道氩气流量均为0.2～0.8L/min。 [0035] 本发明公开了一种多晶硅半熔铸锭用高温长晶工艺，具体步骤如下： [0036] 步骤1、将所述铸锭炉的温度从1550℃～1555℃快速降低至1440℃～1445℃，并保温20min～40min；所述铸锭炉的隔热笼提升高度为60mm～100mm；调节顶部和侧部加热器功率比为0.8：0.2，所述铸锭炉的快速降温时间为30-40min。 [0037] 步骤2、将所述铸锭炉的加热温度控制在1440℃～1445℃，并保温60min～120min；当温度逐渐下降到1440℃后，调整顶部加热器和侧部加热器功率比为0.2:0.6，保证为长晶过程中顶部和底部有足够的温度梯度，同时提升隔热笼至80mm～100mm增加上下温度梯度，保温过程中进行排杂长晶。 [0038] 步骤3、所述铸锭炉的隔热笼提升高度为100mm～120mm，将所述铸锭炉的加热温度从1440℃～1445℃逐渐降至1430℃～1435℃，并保温60min～120min，降温时间为5～8h。 [0039] 步骤4、将所述铸锭炉的加热温度1430℃～1435℃逐渐降至1415℃～1420℃，降温时间为15h～20h，所述铸锭炉的隔热笼提升高度为120mm～150mm。 [0040] 步骤5、将所述铸锭炉的加热温度由1415℃～1420℃逐渐降至1400℃～1405℃，降温时间为10h～15h，所述铸锭炉的隔热笼提升高度为200mm～250mm。 [0041] 在长晶开始的第一个步骤里，调节顶部和侧部加热器功率比为0.3：1，让底部有持续的热量为后期的边排杂边长晶做好准备，当温度逐渐下降到1430℃后，则调整顶部加热器和侧部加热器功率比为1：0.2，保证为长晶过程中顶部和底部有足够的温度梯度。同时开启隔热笼至80mm增加上下温度梯度，为长晶初期提供更多过冷度。通过这种长晶方法起到二次排杂的作用，有效降低杂质点数量。 [0042] 在放置时间为6-24h内，硬质点所占比例相对稳定，且均小于10％；其中大约在放时间为18h左右，硬质点占比相对较少，所占比例不到6％；当放置时间超过24h后，硬质点比例随放置时间的延长急速提高，在放置33h时，硬质点比例近18％，所以装好的硅料从备料时间到投炉前的放置时间优选24小时以内； [0043] 过低的熔化温度不能保证硅料的完全熔化，过高的熔化温度会导致坩埚玻璃相的分解提高杂质氧的含量；随着熔化温度从1535℃升高到1550℃，硬质点含量从3.4％下降到0.9％；随着熔化温度从1550℃升高到1555℃，硬质点含量快速增加到5.9％。过低或者过高的熔化温度对铸锭的质量都是不利的，很容易造成过高的硬质点的含量。过低的熔化温度容易导致硅料中的杂质无法排除，产生较高的硬质点含量；过高的熔化温度容易坩埚底部的Si3N4从坩埚边角引入杂质，很容易产生大量的硬质点。 [0044] 过短和过长的熔化时间都会导致较高的硬质点含量，优选熔化时间为2h。随着熔化时间从1.5h增加到3h，产品中的黑色硬质点明显增多。熔化时间为1.5h的产品具有相对较少的硬质点；熔化时间为3h的产品具有更高的硬质点含量，过长的熔化时间导致更多的杂质融入到产品液体中，同时过长的熔化时间也会导致硅液对坩埚的浸湿增强，也会引入更多的硬质点。 [0045] 实施例1 [0046] 长晶过程中，多晶硅锭的顶部节段和底部节段的长晶速度为10mm/h，多晶硅锭的中部节段的长晶速度为10mm/h，气体压强保持在400MPa，顶部管道和底部管道氩气流量均为0.2L/min。 [0047] 步骤1、将所述铸锭炉的温度从1550℃经过30min快速降低至1440℃，并保温20min；所述铸锭炉的隔热笼提升高度为60mm；调节顶部和侧部加热器功率比为0.8：0.2。 [0048] 步骤2、将所述铸锭炉的加热温度控制在1440℃，并保温60min，当温度逐渐下降到1440℃后，调整顶部加热器和侧部加热器功率比为0.2：0.6，保证为长晶过程中顶部和底部有足够的温度梯度，同时提升隔热笼至80mm增加上下温度梯度。 [0049] 步骤3、将所述铸锭炉的加热温度从1440℃降低到1430℃，降温时间为5h，并保温60min；所述铸锭炉的隔热笼提升高度为100mm。 [0050] 步骤4、将所述铸锭炉的加热温度1430℃逐渐降至1415℃，降温时间为20h；所述铸锭炉的隔热笼提升高度为120mm。 [0051] 步骤5、将所述铸锭炉的加热温度由1415℃逐渐降至1400℃，降温时间为10h。所述铸锭炉的隔热笼提升高度为200mm。 [0052] 实施例2 [0053] 长晶过程中，多晶硅锭的顶部节段和底部节段的长晶速度为10mm/h，多晶硅锭的中部节段的长晶速度为11mm/h，气体压强保持在500MPa，顶部管道和底部管道氩气流量均为0.4L/min。 [0054] 步骤1、将所述铸锭炉的温度从1552℃经过35min快速降低至1442℃，并保温25min；所述铸锭炉的隔热笼提升高度为75mm；调节顶部和侧部加热器功率比为0.8：0.2。 [0055] 步骤2、将所述铸锭炉的加热温度控制在1442℃，并保温80min；当温度逐渐下降到1440℃后，调整顶部加热器和侧部加热器功率比为0.2：0.6，保证为长晶过程中顶部和底部有足够的温度梯度，同时提升隔热笼至85mm增加上下温度梯度。 [0056] 步骤3、将所述铸锭炉的加热温度从1442℃降低到1432℃，降温时间为6h，并保温80min；所述铸锭炉的隔热笼提升高度为110mm。 [0057] 步骤4、将所述铸锭炉的加热温度1433℃逐渐降至1418℃，降温时间为18.5h；所述铸锭炉的隔热笼提升高度为130mm。 [0058] 步骤5、将所述铸锭炉的加热温度由1417℃逐渐降至1402℃，降温时间为11.5h。所述铸锭炉的隔热笼提升高度为220mm。 [0059] 实施例3 [0060] 长晶过程中，多晶硅锭的顶部节段和底部节段的长晶速度为11mm/h，多晶硅锭的中部节段的长晶速度为12mm/h，气体压强保持在550MPa，顶部管道和底部管道氩气流量均为0.6L/min。 [0061] 步骤1、将所述铸锭炉的温度从1554℃经过38min快速降低至1444℃，并保温30min；所述铸锭炉的隔热笼提升高度为85mm；调节顶部和侧部加热器功率比为0.8：0.2。 [0062] 步骤2、将所述铸锭炉的加热温度控制在1444℃，并保温100min；当温度逐渐下降到1440℃后，调整顶部加热器和侧部加热器功率比为0.2：0.6，保证为长晶过程中顶部和底部有足够的温度梯度，同时提升隔热笼至90mm增加上下温度梯度。 [0063] 步骤3、将所述铸锭炉的加热温度从1444℃降低到1434℃，降温时间为7h，并保温100min；所述铸锭炉的隔热笼提升高度为110mm。 [0064] 步骤4、将所述铸锭炉的加热温度1435℃逐渐降至1420℃，降温时间为16.5h；所述铸锭炉的隔热笼提升高度为140mm。 [0065] 步骤5、将所述铸锭炉的加热温度由1418℃逐渐降至1403℃，降温时间为13.5h。所述铸锭炉的隔热笼提升高度为240mm。 [0066] 实施例4 [0067] 长晶过程中，多晶硅锭的顶部节段和底部节段的长晶速度为12mm/h，多晶硅锭的中部节段的长晶速度为14mm/h，气体压强保持在600MPa，顶部管道和底部管道氩气流量均为0.8L/min。 [0068] 步骤1、将所述铸锭炉的温度从1555℃经过40min快速降低至1445℃，并保温40min；所述铸锭炉的隔热笼提升高度为100mm；调节顶部和侧部加热器功率比为0.8：0.2。 [0069] 步骤2、将所述铸锭炉的加热温度控制在1445℃，并保温120min当温度逐渐下降到1440℃后，调整顶部加热器和侧部加热器功率比为0.2：0.6，保证为长晶过程中顶部和底部有足够的温度梯度，同时提升隔热笼至100mm增加上下温度梯度。 [0070] 步骤3、将所述铸锭炉的加热温度从1445℃降低到1435℃，降温时间为8h，并保温120min；所述铸锭炉的隔热笼提升高度为120mm。 [0071] 步骤4、将所述铸锭炉的加热温度1435℃逐渐降至1420℃，降温时间为15h；所述铸锭炉的隔热笼提升高度为150mm。 [0072] 步骤5、将所述铸锭炉的加热温度由1420℃逐渐降至1405℃，降温时间为15h。所述铸锭炉的隔热笼提升高度为250mm。 [0073] 通过在五步中分别对温度的控制，实现长晶过程整体控制，操作简便，容易实现，便于批量生产，通过调节每一步的顶部和侧部加热器功率比和隔热笼高度，能有效降低炉腔内部杂质，在长晶阶段易于得到更高纯净晶体生长环境，可有效改善长晶质量，降低硬质点、位错等缺陷，进而提高产品的转换效率，通过高温长晶的保温过程能有效增加温度梯度，同时保证杂质有足够时间从固液面进行排出，长晶过程中顶部温度高于硅的熔点，一直处于熔融状态，有利于杂质上浮排除，有效降低硅锭生长过程(即长晶阶段)中的杂质含量，从而使生长的硅锭有较高的质量，并能有效减少硬质点的产生从而提高硅锭成品率，并减少硅片切割断线率。通过对多晶硅锭的顶部节段、中部节段和底部节段的长晶速度控制，稳定了硅锭生长过程，为长晶过程提供更大的过冷度，同时减少长晶过程中硬质点的形成，增强了实用性。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈