專利名稱：定向凝固法中籽晶熔化狀態(tài)判斷方法以及引晶控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于晶體硅制造領域，具體涉及定向凝固法生長硅晶體中籽晶熔化狀態(tài)判斷方法以及引晶控制系統(tǒng)。
背景技術：
硅單晶和硅多晶鑄錠是晶體硅太陽能電池最常用的材料。除了采用提拉法 (Czochralski法)和區(qū)熔法(Floating Zone法)外，硅單晶的制造方法也可以采用定向凝固法(即鑄造法)來實現(xiàn)。在采用定向凝固法時，坩堝底部鋪有籽晶或多個籽晶組成的籽晶層，硅原料在坩堝內熔化成硅熔液(參考申請?zhí)枮?01010198142. 5的中國發(fā)明專利申請和專利號為ZL200910152970. 2的中國發(fā)明專利)，或者通過從外部輸入(參考申請?zhí)枮?200880106116. 6的中國發(fā)明專利申請)，當硅熔液與籽晶接觸后，將部分熔化籽晶，并受籽晶的誘導，再定向生長形成鑄造單晶硅錠。將籽晶部分熔化之后，硅錠在籽晶的基礎上開始結晶的過程稱為引晶。上述現(xiàn)有技術的目的在于生產具有大晶粒的鑄錠或者是單晶鑄錠，其生長的關鍵在于引晶過程。在實際生產過程中，由于硅熔液為不透明的液體，固液相界面很難通過光學觀察分辨出位置，因此部分熔化籽晶的過程往往很難控制。如果能夠得知籽晶已部分熔化， 則可以通過快速降溫來確保籽晶不被完全熔化，同時使硅錠在籽晶的基礎上開始結晶。綜上所述，尋找一種用于鑄造法硅晶體生長時，判斷籽晶熔化狀態(tài)的方法，是規(guī)模化生產具有大晶粒的鑄錠或者是單晶鑄錠的關鍵。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種定向凝固法生長硅晶體中籽晶熔化狀態(tài)判斷方法以及引晶控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)定向凝固法生長硅晶體中的引晶控制。一種定向凝固法生長硅晶體中籽晶熔化狀態(tài)判斷方法，包括以下步驟(1)裝料前，先將測溫探頭放置在坩堝的下方且與所述坩堝的外底面的距離為 0 80mm ；再將籽晶緊密排布放置在所述坩堝內的底部平面，形成籽晶層；然后在所述籽晶層上面放置硅原料；(2)加熱使所述硅原料熔化形成硅熔液，觀測并記錄所述坩堝內出現(xiàn)硅液面的時間；同時記錄所述測溫探頭測得的溫度，并通過求所測得的溫度對時間的一階導數(shù)計算得到所述測溫探頭所在位置的升溫速率T’ ；(3)自所述坩堝內出現(xiàn)硅液面起3小時后，根據(jù)每一時刻升溫速率T’的大小判斷籽晶的熔化狀態(tài)(i)T，< 0. 15°C /min，則籽晶完全沒有熔化；(ii)0. 15°C /min < Τ’ < 0. 3°C /min，則籽晶處于半熔化狀態(tài)；(iii)T，> 0. 35°C /min，則籽晶已完全熔化；(iv)其他情況為上述3種狀態(tài)的過渡情況。
所述坩堝通常采用石英陶瓷材料加工而成，即為石英坩堝。所述坩堝通常為方坩堝，共有五個壁面組成，分別為一個底面和四個側面，。這五個壁面形成一個內部空腔，用于放置硅原料。坩堝內底面是指坩堝底部壁面朝向內部空腔的表面，坩堝外底面是指坩堝底部壁面朝向外部空間的表面。將測溫探頭放置在坩堝的下方且與坩堝的外底面的距離為0 80mm。如果測溫探頭放置的位置太遠(> 80mm)，則無法精確地感應到坩堝底部溫度的變化。在放置有籽晶的定向凝固法生長硅晶體的工藝中，熱場的設計原則是坩堝的上部溫度要高于坩堝的下部溫度，而在坩堝的側面四周保持良好的保溫。這樣，在坩堝內部就形成了從上到下的溫度梯度，當硅原料在熔化時，先從硅原料的頂部開始熔化，并形成硅熔液，一段時間后，坩堝內硅原料被硅熔液完全覆蓋，坩堝內出現(xiàn)硅液面。這時，如果從爐體的觀察孔看坩堝內部，只能見到硅液面，而看不到固態(tài)的硅原料。通常硅原料為塊狀或者是片狀。塊狀的硅原料有幾種來源(1)西門子法制造的原生多晶硅；( 硅晶體生產過程中不合格產品切成塊狀后重新回爐用的原料；(3)提拉法生產出的單晶開方后形成的邊皮。當采用后兩種來源的塊狀硅原料時，可以有效節(jié)省生產成本。片狀的硅原料可以是來自于原生多晶硅的切割片，也可以是各種碎片，例如來自硅錠在切片過程中形成的碎片，或者半導體硅產業(yè)中產生的不良硅片經處理后作為太陽能產業(yè)使用的回收料。當采用各種碎片硅原料時，可以有效節(jié)省生產成本。所述的籽晶為現(xiàn)有技術中常用的籽晶，其形狀滿足能夠緊密排布成籽晶層即可， 通常為規(guī)則形狀的籽晶。從易于加工的角度，所述的籽晶優(yōu)選采用長方形籽晶。在化料過程中，當硅原料被硅熔液完全覆蓋(坩堝內出現(xiàn)硅液面)后，由于底部溫度沒有達到熔點，放置在坩堝內底面上的籽晶及籽晶上部的原料不會立刻熔化，也不會上浮，即硅原料將繼續(xù)緩慢熔化。此時從加熱器導入坩堝內的熱量Q中一部分熱量Ql作為熔化潛熱被用作硅原料的化料能量；另一部分熱量Q2從坩堝底部耗散，維持坩堝內部從上到下的溫度梯度；另外少量的熱量用于提高坩堝及周圍熱場部件的熱容量Q3。即Q = Q1+Q2+Q3。其中Q3 = Cm Δ T，C為坩堝及周圍熱場部件的比熱容，m為坩堝及周圍熱場部件的質量，Δ T是升高的溫度。當坩堝內在化料時，受熔點的限制，坩堝內的溫度總是保持在硅的熔點附近，因此在硅原料被硅熔液完全覆蓋(坩堝內出現(xiàn)硅液面)后，升溫的幅度(即ΔΤ)會越來越小。 這一過程具體表現(xiàn)在放置在坩堝底部的測溫探頭測到的升溫速率Τ’越來越小。研究表明， 如果自所述坩堝內出現(xiàn)硅液面起3小時后，測到某一時刻的升溫速率Τ’< 0. 15°C /min，則硅原料處于熔化狀態(tài)，并且籽晶完全沒有熔化。由于硅原料為塊狀或片狀，尤其是采用能夠有效節(jié)省生產成本的硅原料時，在原料的堆積過程中，可能存在較多的空隙，因此硅原料之間的導熱過程存在接觸熱阻。而當采用的籽晶為規(guī)則形狀(優(yōu)選為長方形)，其尺寸往往比硅原料要大得多，同時籽晶與籽晶之間為緊密排列，因此籽晶的導熱過程的接觸熱阻很小，因此表現(xiàn)為導熱更快。在生產過程中的表現(xiàn)為，當硅原料快熔完，即硅熔液即將接近籽晶時，放置在坩堝底部的測溫探頭測到的升溫速率將提速。研究表明，如果自所述坩堝內出現(xiàn)硅液面起3小時后，測到某一時刻的升溫速率T’滿足0. 15°C /min < Τ’ < 0. 3°C /min，則籽晶處于半熔化狀態(tài)。當籽晶完全熔化后，從加熱器導入坩堝內的熱量Q'不必用作熔化潛熱，同時坩堝內的溫度也不受硅的熔點的限制(即坩堝內不再存在相變，硅熔液的溫度可以快速升高)， 即Q' =Q2' +Q3'。由于從坩堝底部耗散的熱量Q2'主要是受熱場結構的影響，不會有快速的變化。因此，如果從加熱器導入坩堝內的熱量Q'仍然保持不變的情況下(即Q' = Q)，用于提高坩堝及周圍熱場部件的熱容量的熱量Q3'，將有顯著的變化。根據(jù)Q3'= CmAT'的公式，ΔΤ'的值將提高，而且不再受硅的熔點的限制，也就是表現(xiàn)為放置在坩堝下方的測溫探頭測到的升溫速率T’將升高。研究表明，自所述坩堝內出現(xiàn)硅液面起3小時后，測到某一時刻的升溫速率T’ > 0. 350C /min，則籽晶已完全熔化?；谏鲜鲈?，在步驟(3)中還可以同時根據(jù)升溫速率的變化率T”的值輔助判斷籽晶的熔化狀態(tài)升溫速率的變化率T”在30分鐘內的平均值為小于零的負值，則籽晶完全沒有熔化；升溫速率的變化率T”在30分鐘內的平均值變?yōu)檎?，并且之后以較大的幅度在正負值之間振蕩，則籽晶開始熔化。所述升溫速率的變化率T”是通過求所測得的溫度對時間的二階導數(shù)計算得到的?；谏鲜鲈?，本發(fā)明還提供了一種用于定向凝固法生長硅晶體中的引晶控制系統(tǒng)，包括熱電偶、計時器、存儲計算器、觸發(fā)開關和報警器，所述熱電偶的測溫探頭安裝在坩堝下方且與坩堝外底面的距離為0 80mm，用于測量所述坩堝底部的溫度；所述計時器用于記錄時間；所述存儲計算器與所述熱電偶、計時器相連，用于存儲所述熱電偶所測得的溫度數(shù)據(jù)和所述計時器記錄的時間并據(jù)此計算升溫速率；所述觸發(fā)開關與所述存儲計算器相連，用于接收所述存儲計算器輸出的升溫速率T’，并在升溫速率T’處于0. 15°C /min < Τ’ < 0. 3°C /min時觸發(fā)報警器報警，提示引晶過程完成。引晶過程完成后，可以用人工干預的方式將控制程序跳轉到長晶工藝控制過程。 當然，也可直接由觸發(fā)開關觸發(fā)整個晶體控制系統(tǒng)跳轉到長晶工藝控制過程。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果本發(fā)明通過在坩堝底部放置測溫探頭，并通過計算升溫速率的大小來判斷籽晶是否處于半熔化的狀態(tài)，從而實現(xiàn)了定向凝固法生長硅晶體中的引晶控制，有利于增加硅錠的生產率，提高類單晶硅生長的成功率，提高硅晶體的品質。


圖1為定向凝固法生長硅晶體中引晶控制系統(tǒng)的熱電偶的測溫探頭所測到的溫度及升溫速率曲線。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖來詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。采用硅鑄錠爐制作500公斤的鑄錠。硅鑄錠爐中，采用方形平底石英坩堝作為晶體生長的容器。石英坩堝的容納尺寸
5為 840mm(長)X840mm(寬)X480mm(高)。硅鑄錠爐還帶有引晶控制系統(tǒng)。引晶控制系統(tǒng)包括熱電偶、計時器、存儲計算器、 觸發(fā)開關和報警器。其中，熱電偶為鉬銠熱電偶，熱電偶的測溫探頭安裝在坩堝下方且與坩堝外底面的距離為40mm。存儲計算器的輸入端同時連接熱電偶和計時器，存儲計算器的輸出端接觸發(fā)開關，觸發(fā)開關同時還連接報警器。在硅鑄錠爐頂部設有觀察窗，可以看到坩堝內是否出現(xiàn)硅液面。在坩堝內的底部平面上放置籽晶層，籽晶層由49塊 115_(長)X 115_(寬)X30mm(高)的長方形籽晶緊密排列而成，所有籽晶沿坩堝的底部平面的法線方向的晶向(即坩堝的垂直方向的晶向)為<100>晶向。籽晶層的重量為 45. 3kg，在籽晶層的上方放置454. 7kg的多晶硅原料。加熱使硅原料熔化形成硅熔液，通過觀察窗觀察坩堝內是否出現(xiàn)硅液面(即此時坩堝內硅原料剛剛被硅熔液完全覆蓋，在坩堝內剛好看不到固態(tài)的硅原料)，并記錄下坩堝內出現(xiàn)硅液面的時間；同時，熱電偶的測溫探頭測得的溫度數(shù)據(jù)輸入到存儲計算器，計時器記錄的時間也輸入到存儲計算器，存儲計算器通過求所測得的溫度對時間的一階導數(shù)計算得到測溫探頭所在位置的升溫速率T’，即坩堝底部的升溫速率。自坩堝內出現(xiàn)硅液面起3小時后，根據(jù)每一時刻升溫速率T’的大小判斷籽晶的熔化狀態(tài)(i)T，< 0. 15°C /min，則籽晶完全沒有熔化；(ii)0. 15°C /min < Τ，< 0. 3°C /min，則籽晶處于半熔化狀態(tài)；(iii)T，> 0. 35°C /min，則籽晶已完全熔化；(iv)其他情況為上述3種狀態(tài)的過渡情況。而且，當升溫速率T’滿足0. 15°C /min < Τ’ < 0. 3°C /min時，觸發(fā)開關將觸發(fā)報警器報警，提示引晶過程完成。引晶過程完成后，可將整個晶體制造控制系統(tǒng)跳轉到長晶工藝控制過程。在長晶工藝中，通過減弱坩堝下部的保溫效果，使籽晶不被繼續(xù)熔化，并實現(xiàn)晶體向上定向凝固。為了能夠檢驗上述方法判斷的準確性，在上述實施例中還同時進行了實驗觀測和觀測結果記錄。具體如下在硅鑄錠爐頂部插有一根石英桿，該石英桿可上下移動，當硅原料熔化后，石英桿可插入硅熔液中直至遇到固體為止。因此，可以通過測量石英桿的插入深度來確定固液相界面的位置。在加熱將多晶硅原料熔化成硅熔液的過程中，采用石英桿測量固液相界面的位置。同時，還結合在硅鑄錠爐頂部設置的觀察窗，來觀察并記錄坩堝內出現(xiàn)硅液面的時間 (即坩堝內硅原料剛剛被硅熔液完全覆蓋的時間，此時在坩堝內剛好看不到固態(tài)的硅原料)。并且，將存儲計算器輸出的溫度數(shù)據(jù)和升溫速率數(shù)據(jù)繪制成圖。綜合以上獲得的數(shù)據(jù)，得到的結果如圖1所示。圖1中右側坐標對應的是測溫探頭所測到的溫度，左側坐標對應的是升溫速率。從圖1中可以看到，在加熱將多晶硅原料熔化成硅熔液的過程中，升溫速率T’ (即溫度對時間的一階導數(shù))有明顯的變化，具體如下當坩堝內出現(xiàn)硅液面(即坩堝內硅原料剛剛被硅熔液完全覆蓋時)后，升溫速率一直處于下降過程。在坩堝內出現(xiàn)硅液面3小時后，升溫速率已下降到T’ = 0. 070C /min左右；通過石英桿的測量發(fā)現(xiàn)，硅原料尚未完全熔化，即熔化界面的位置離坩堝內底面還差30mm(籽晶高度)以上。在坩堝內出現(xiàn)硅液面約5. 5小時后，升溫速率有一個上升過程，最終升溫速率的值約在0. 15 0. 3°C /min之間；通過石英桿的測量發(fā)現(xiàn)，熔化界面的位置離坩堝內底面的距離已小于30mm，即籽晶正好部分熔化。在坩堝內出硅液面約6小時后，升溫速率繼續(xù)快速上升，最終升溫速率大于 0. 350C /min ；通過石英桿的測量發(fā)現(xiàn)，籽晶已全部熔化。據(jù)此，圖1中將加熱將多晶硅原料熔化成硅熔液的過程分為五個時間區(qū)域，依次為A、硅液面出現(xiàn)之前；B、硅液面出現(xiàn)之后不到3小時；C、硅液面出現(xiàn)之后3小時但籽晶尚未開始熔化的區(qū)域；D、籽晶半熔化區(qū)域；E、由籽晶半熔化向籽晶完全熔化過渡區(qū)域以及籽晶完全熔化區(qū)域。由此可以看出，本實施中記載的判斷籽晶的熔化狀態(tài)的方法與所觀測的實驗結果完全符合，即，可以通過升溫速率來判斷籽晶的熔化狀態(tài)。雖然在硅液面剛出現(xiàn)時也會有升溫速率的下降過程，但由于本實施例是在硅液面出現(xiàn)3小時后再進行籽晶的熔化狀態(tài)的判斷，可完全避免誤判。同樣，如果再增加溫度對時間的二次導數(shù)T”的作為輔助指標，從T”值的大小來判斷籽晶的熔化狀態(tài)，更是可以大大減少誤判的概率。即升溫速率的變化率T”在30分鐘內的平均值為小于零的負值，則籽晶完全沒有熔化；升溫速率的變化率T”在30分鐘內的平均值變?yōu)檎?，并且之后以較大的幅度在正負值之間振蕩，則籽晶開始熔化。升溫速率的變化率T”是通過求所測得的溫度對時間的二階導數(shù)計算得到的。
權利要求
1.一種定向凝固法生長硅晶體中籽晶熔化狀態(tài)判斷方法，其特征在于，包括以下步驟(1)裝料前，先將測溫探頭放置在坩堝的下方且與所述坩堝的外底面的距離為0 80mm ；再將籽晶緊密排布放置在所述坩堝內的底部平面，形成籽晶層；然后在所述籽晶層上面放置硅原料；(2)加熱使所述硅原料熔化形成硅熔液，觀測并記錄所述坩堝內出現(xiàn)硅液面的時間； 同時記錄所述測溫探頭測得的溫度，并通過求所測得的溫度對時間的一階導數(shù)計算得到所述測溫探頭所在位置的升溫速率T’ ；(3)自所述坩堝內出現(xiàn)硅液面起3小時后，根據(jù)每一時刻升溫速率T’的大小判斷籽晶的熔化狀態(tài)(i)T，<0. 15°C /min，則籽晶完全沒有熔化；(ii)0.15°C /min < Τ，< 0· 3°C /min，則籽晶處于半熔化狀態(tài)；(iii)T，>0. 35°C /min，則籽晶已完全熔化；(iv)其他情況為上述3種狀態(tài)的過渡情況。
2.如權利要求1所述的定向凝固法生長硅晶體中籽晶熔化狀態(tài)判斷方法，其特征在于，所述硅原料為塊狀或者片狀。
3.如權利要求1所述的定向凝固法生長硅晶體中籽晶熔化狀態(tài)判斷方法，其特征在于，所述的籽晶為長方形籽晶。
4.如權利要求1所述的定向凝固法生長硅晶體中籽晶熔化狀態(tài)判斷方法，其特征在于，在步驟(3)中，同時還根據(jù)升溫速率的變化率T”的值輔助判斷籽晶的熔化狀態(tài)升溫速率的變化率T”在30分鐘內的平均值為小于零的負值，則籽晶完全沒有熔化；升溫速率的變化率T”在30分鐘內的平均值變?yōu)檎?，并且之后在正負值之間振蕩，則籽晶開始熔化。
5.如權利要求4所述的定向凝固法生長硅晶體中籽晶熔化狀態(tài)判斷方法，其特征在于，所述升溫速率的變化率T”是通過求所測得的溫度對時間的二階導數(shù)計算得到的。
6.一種用于定向凝固法生長硅晶體中的引晶控制系統(tǒng)，其特征在于，包括熱電偶、計時器、存儲計算器、觸發(fā)開關和報警器，所述熱電偶的測溫探頭安裝在坩堝下方且與坩堝外底面的距離為0 80mm，用于測量所述坩堝底部的溫度；所述計時器用于記錄時間；所述存儲計算器與所述熱電偶、計時器相連，用于存儲所述熱電偶所測得的溫度數(shù)據(jù)和所述計時器記錄的時間并據(jù)此計算升溫速率；所述觸發(fā)開關與所述存儲計算器相連，用于接收所述存儲計算器輸出的升溫速率T’，并在升溫速率T’處于0. 15°C /min < Τ’ < 0. 3°C /min時觸發(fā)報警器報警，提示引晶過程完成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種定向凝固法中籽晶熔化狀態(tài)判斷方法以及引晶控制系統(tǒng)，通過在坩堝底部放置測溫探頭，并通過計算升溫速率的來判斷籽晶是否處于半熔化的狀態(tài)，從而實現(xiàn)了定向凝固法生長硅晶體中的引晶控制，有利于增加硅錠的生產率，提高類單晶硅生長的成功率，提高硅晶體的品質。
文檔編號C30B11/14GK102392301SQ20111036421
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月16日 優(yōu)先權日2011年11月16日
發(fā)明者周曉峰, 李喬, 王明德, 馬遠 申請人:浙江碧晶科技有限公司