一種向下拉制單晶硅的裝置及拉制法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種向下拉制單晶硅的裝置及拉制法
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)在多用直拉法拉制單晶娃:娃原料由多晶娃在i甘禍內(nèi)恪化后，恪娃在晶轉(zhuǎn)和禍轉(zhuǎn)的條件下，一面結(jié)晶一面向上提拉成為單晶棒。
[0003]上述的直拉單晶硅耗電大，成本較高
[0004]CN1095505C用直拉-區(qū)熔兩步法，先拉出單晶棒，再用區(qū)熔的方法熔制單晶棒，該單晶用做太陽能電池，據(jù)說其電轉(zhuǎn)換效率高(約為24-26%，理論極限為28% )。
[0005]用上述直拉-區(qū)熔兩步法制備的單晶硅，其裝置昂貴，生產(chǎn)成本更高，工藝過程亦不易控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是找到一種光-電轉(zhuǎn)換率較高、裝置便宜、生產(chǎn)成本較低的制備單晶硅的裝置及制備方法。
[0007]本發(fā)明不用前述的直拉或兩步法制晶棒，采用不同于區(qū)溶法熔硅的加熱方式、但類似于區(qū)熔法結(jié)晶原理，直接用多晶硅粒為原料，熔硅在結(jié)晶器內(nèi)晶棒的上方結(jié)晶后，由下方托晶器支承下引出，一步即做出類似于區(qū)熔法效果的晶棒。
[0008]本發(fā)明的拉制法是:連續(xù)供料的熔硅一在結(jié)晶器內(nèi)連續(xù)結(jié)晶一其連續(xù)生成的晶棒一在托晶器支承下向下連續(xù)引出。
[0009]本發(fā)明的裝置由熔硅器、加熱器、結(jié)晶器和托晶器等組成。
[0010]本拉制法的步驟為:
[0011]I)、主加熱器加熱結(jié)晶器內(nèi)、托晶盤之上的單晶晶種片基；
[0012]2)、硅粒在熔硅器內(nèi)熔融成液硅；
[0013]3)、液硅開始連續(xù)流入結(jié)晶器內(nèi)；
[0014]4)、加熱器繼續(xù)用輻射換熱的方式精準(zhǔn)的控制液硅的溫度；
[0015]5)、移出晶種下的隔熱片；
[0016]6)、液硅在晶種片基上再結(jié)晶；
[0017]7)、結(jié)晶生成的晶棒由結(jié)晶器下面的托晶器連續(xù)向下引出。
[0018]本熔硅器，是一種將鎢絲嵌在氮化物陶瓷內(nèi)的含絕熱層之盤狀或杯狀電發(fā)熱容器。
[0019]本發(fā)熱器，是一種將鎢絲嵌在氮化物或氧化物陶瓷內(nèi)，含絕熱層之板狀電發(fā)熱物。
[0020]本結(jié)晶器，是一種由氧化鋯或氮化物陶瓷制成、向下成喇叭狀、園環(huán)形或方框形的物體。
[0021]本引晶器，是一種上有托晶盤，下有升降機(jī)構(gòu)的升降裝置。
[0022]本加熱器的中心，設(shè)有一個(gè)輪流供:1)、供紅外成象儀觀察晶種片上表面是否融化；2)、供紅外溫度儀測(cè)試溶硅表面溫度；3)、供激光測(cè)距儀測(cè)試熔硅表面位置；三者共用的一個(gè)孔。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0024]1、本發(fā)明的結(jié)晶器:
[0025]I)、采用比氮化硅抗熔硅浸潤(rùn)性能更好的材料，如氧化鋯或氮化鋁或氮化硼或它們的復(fù)相陶瓷做結(jié)晶器。因?yàn)槿酃鑼?duì)它們是不浸潤(rùn)的，故結(jié)晶后的硅晶體容易與結(jié)晶器分離。
[0026]2)、本結(jié)晶器的內(nèi)表面呈上小下大的喇叭形，利于向下引晶。
[0027]3)、采用陶瓷結(jié)晶器，高溫時(shí)強(qiáng)度大且無軟化點(diǎn)，變形小，加之熔硅的侵蝕甚微，此能實(shí)現(xiàn)連續(xù)拉晶。
[0028]2、本發(fā)明的熱場(chǎng):
[0029]I)、將熔硅設(shè)置在晶棒的上方，熔硅內(nèi)的溫度是上高下低，此時(shí)熔硅內(nèi)無上下的熱對(duì)流；
[0030]2)、將熔硅上表面的溫度控制在略高于硅熔點(diǎn)的溫度上，其水平面內(nèi)的溫差小，此舉除略能節(jié)能外，利于制抑熔硅內(nèi)水平面內(nèi)的對(duì)流。
[0031]以上兩點(diǎn)，可創(chuàng)造出近于無對(duì)流的結(jié)晶條件，利于生長(zhǎng)出優(yōu)質(zhì)的單晶。
[0032]3)、即便下部的晶棒有轉(zhuǎn)動(dòng)，但結(jié)晶器與晶棒同步轉(zhuǎn)動(dòng)，在熔硅內(nèi)并無直拉法或區(qū)熔法中熔硅內(nèi)因晶轉(zhuǎn)等相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的剪切力。
[0033]故本法的結(jié)晶條件有可能不次于直拉法與區(qū)熔法。
[0034]3、本發(fā)明不需再用石英坩禍，能從根本上消除使用石英坩禍+炭質(zhì)熱場(chǎng)構(gòu)件造成對(duì)單晶硅的氧污染。
[0035]4、在由硅料變成單晶硅的過程中，必不可少的能耗是硅由常溫升到熔點(diǎn)前的熱焓變化和恪化潛熱。二者相加，折合成電能約為1.9kwh/kg，
[0036]現(xiàn)有單晶的實(shí)際熱耗多在30-40 kwh/kg或以上。
[0037]光伏行業(yè)準(zhǔn)入條件要求單晶的能耗小于:45kwh/kg。
[0038]本發(fā)明的拉晶熱耗可小于5.0 kwh/kg ο
[0039]此熱耗可不高于非單晶的鑄錠法。
[0040]5、本發(fā)明采用無底坩禍做結(jié)晶器，其側(cè)壁高度較小，可采用熱壓成型的陶瓷板塊用掏除法成型?，F(xiàn)有的外形如石英坩禍的陶瓷坩禍，是無法用熱壓成型的。
[0041]熱壓成型的陶瓷，在很多性能上都是最好的。
[0042]6、本發(fā)明的結(jié)晶面在熱場(chǎng)中的位置變動(dòng)是很小的，其結(jié)晶條件是非常穩(wěn)定的，極有利于控制生長(zhǎng)出穩(wěn)定的單晶。
[0043]7、本發(fā)明只需熔融幾公斤硅料后即可開始拉晶?？蓽p少現(xiàn)有工序中的熔硅時(shí)間；。
[0044]8、因熔硅內(nèi)已無大的溫差，故不用晶轉(zhuǎn)與相反的禍轉(zhuǎn)，可生長(zhǎng)方形晶棒。
[0045]9、本法生產(chǎn)的晶棒，無料頭且近于無料尾。
[0046]10、區(qū)熔法長(zhǎng)晶速率可達(dá)2mm/min，本法長(zhǎng)晶速率可不低于區(qū)熔法，而現(xiàn)有的直拉法很少超過lmm/min ;本法的長(zhǎng)晶速率也可高于鑄錠法。
[0047]11、本裝置的價(jià)格低于現(xiàn)有的單晶爐，更遠(yuǎn)低于進(jìn)口價(jià)格為單晶爐四倍的區(qū)熔爐。
[0048]12、本方法制備的晶棒，其成分在軸向和徑向上都可以做到很均勻。
[0049]13、本發(fā)明通過用攝像儀直接觀察晶種表面的片不平處的熔化狀態(tài)，同時(shí)用紅外測(cè)溫儀卜監(jiān)測(cè)其表面溫度，據(jù)此可直觀又客觀判斷晶種表面是否熔融。
[0050]14、晶棒的斷面尺寸可接近鑄錠法。且尺寸大的晶棒，熱場(chǎng)的邊緣影響愈小。
[0051]15、晶種片可反復(fù)使用。
[0052]本法優(yōu)于直拉法、區(qū)熔法和鑄錠法，可代替直拉法、區(qū)熔法和鑄錠法制備單晶硅。
【附圖說明】
[0053]附圖1為本裝置的示意圖
[0054]圖中:(I)為主加熱器；(2)為熔硅加熱器；(3)為熔硅器；⑷為硅粒和所熔之硅；
(5)待結(jié)晶熔硅之觀測(cè)孔；(6)、結(jié)晶器；(7)、待結(jié)晶之熔硅；(8)、結(jié)晶后的晶棒；(9)、晶種；
(10)、輔助發(fā)熱器；(11)、托晶板及托晶器；
[0055]具體實(shí)施
[0056]本發(fā)明的裝置由熔硅器(2+6)、主加熱器(1)、結(jié)晶器⑷和引晶器(11)等組成。
[0057]本發(fā)明的拉制法是:連續(xù)供料的熔硅一在結(jié)晶器內(nèi)連續(xù)結(jié)晶一其連續(xù)生成的晶棒一在托晶器支承下向下連續(xù)引出。
[0058]固態(tài)硅在熔硅器內(nèi)熔融成液硅(4)，待在結(jié)晶器(6)內(nèi)、托晶盤(11)之上的單晶晶種片基(9)上表面熔融后，液硅流入結(jié)晶器(6)內(nèi)，主加熱器(I)繼續(xù)用輻射換熱的方式精準(zhǔn)的控制液硅(7)的溫度，液硅在晶種片基(9)上再結(jié)晶，生成的晶棒⑶由結(jié)晶器下面的托晶器(11)連續(xù)向下引出。
[0059]本拉制法的步驟為:
[0060]I)、主加熱器加熱結(jié)晶器內(nèi)、托晶盤之上的單晶晶種片基；
[0061 ] 2)、硅粒在熔硅器內(nèi)熔融成液硅；
[0062]3)、液娃開始連續(xù)流入結(jié)晶器內(nèi)；
[0063]4)、加熱器繼續(xù)用輻射換熱的方式精準(zhǔn)的控制液硅的溫度；
[0064]5)、移出晶種下的隔熱片；
[0065]6)、液硅在晶種片基上再結(jié)晶；
[0066]7)、結(jié)晶生成的晶棒由結(jié)晶器下面的托晶器連續(xù)向下引出。
[0067]本熔硅器，是一種將鎢絲嵌在氮化物陶瓷內(nèi)的含絕熱層之盤狀或杯狀電發(fā)熱容器。
[0068]本發(fā)熱器，是一種將鎢絲嵌在氮化物或氧化物陶瓷內(nèi)，含絕熱層之板狀電發(fā)熱物。
[0069]本結(jié)晶器，是一種由氧化鋯或氮化物陶瓷制成、向下成喇叭狀、園環(huán)形或方框形的物體。
[0070]本引晶器，是一種上有托晶盤，下有升降機(jī)構(gòu)的升降裝置。
[0071]本主加熱器的中心，設(shè)有一個(gè)輪流供:1)、供紅外成象儀觀察晶種片上表面是否融化；2)、供紅外溫度儀測(cè)試溶硅表面溫度；3)、供激光測(cè)距儀測(cè)試熔硅表面位置；三者共用的一個(gè)孔(5)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種向下拉制單晶硅的裝置及拉制法，其特征在于: 本拉制法是:連續(xù)供料的熔硅--在結(jié)晶器內(nèi)連續(xù)結(jié)晶--其連續(xù)生成的晶棒--在托晶器支承下向下連續(xù)引出； 本裝置由熔硅器、加熱器、結(jié)晶器和托晶器等組成； 本拉制法拉晶的步驟為: 1)、主加熱器加熱結(jié)晶器內(nèi)、托晶盤之上的單晶晶種片基； 2)、硅粒在熔硅器內(nèi)熔融成液硅； 3)、單晶晶種片基上表面熔融時(shí)，液硅開始連續(xù)流入結(jié)晶器內(nèi)； 4)、加熱器繼續(xù)用輻射換熱的方式精準(zhǔn)的控制液硅的溫度； 5)、移出晶種下的隔熱片； 6)、液娃在晶種片基上再結(jié)晶； 7)、結(jié)晶生成的晶棒由結(jié)晶器下面的托晶器連續(xù)向下引出。2.根據(jù)權(quán)利要求1一種向下拉制單晶硅的裝置及拉制法，其特征在于: 1)、本加熱器是固定不轉(zhuǎn)動(dòng)的；而結(jié)晶器與托晶器可同步轉(zhuǎn)動(dòng)；托晶器除可轉(zhuǎn)動(dòng)外，還上下移動(dòng)； 2)、本發(fā)明也可以是托晶器是固定的，而加熱器、熔硅器和結(jié)晶器一起同步向上移動(dòng)。3.根據(jù)權(quán)利要求1一種向下拉制單晶硅的裝置及拉制法，其特征在于:本熔硅器，是一種將鎢絲嵌在氮化物陶瓷內(nèi)的含絕熱層之盤狀或杯狀電發(fā)熱容器。4.根據(jù)權(quán)利要求1一種向下拉制單晶硅的裝置及拉制法，其特征在于:本發(fā)熱器，是一種將鎢絲嵌在氮化物陶瓷內(nèi)，含絕熱層之板狀電發(fā)熱物。5.根據(jù)權(quán)利要求1一種向下拉制單晶硅的裝置及拉制法，其特征在于:本結(jié)晶器，是一種由氧化鋯或氮化物陶瓷制成、內(nèi)側(cè)表面呈向下喇叭狀、園環(huán)形或方框形或外園內(nèi)方的框形物件。6.根據(jù)權(quán)利要求1一種向下拉制單晶硅的裝置及拉制法，其特征在于:本發(fā)明的引晶器，是一種上有托晶盤，下有升降機(jī)構(gòu)的升降裝置。7.根據(jù)權(quán)利要求1一種向下拉制單晶硅的裝置及拉制法，其特征在于:在加熱器的中心，設(shè)有一個(gè)輪流供:1)、紅外成象儀觀察晶種片上表面是否融化；2)、紅外溫度儀測(cè)試溶硅表面溫度；3)、激光測(cè)距儀測(cè)試熔硅表面位置；三者共用的一個(gè)孔。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種向下拉制單晶硅的裝置及拉制法。本裝置由熔硅器、加熱器、結(jié)晶器和托晶器等組成；本拉制法為；連續(xù)供料的熔硅，在結(jié)晶器內(nèi)連續(xù)結(jié)晶，其連續(xù)生成的晶棒在托晶器支承下向下連續(xù)引出。本裝置價(jià)低，本方法制備的單晶硅質(zhì)量好、耗電少、成本低，可制方形晶棒。
【IPC分類】C30B13/00, C30B29/06, C30B15/00
【公開號(hào)】CN105040092
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510528359
【發(fā)明人】張洪齊
【申請(qǐng)人】羅萬前
【公開日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年8月19日