利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的方法及其装置

摘要

本发明涉及单晶晶体硅棒制备技术领域，尤其是一种利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的方法及装置，克服现有技术对含杂硅材料除杂不完全，而且将除杂和拉制分步进行带来生产资源的极大浪费和产品质量不稳定的缺陷，方法是使用直拉法在拉制单晶硅棒的前期和/或同时还具有使用辅助提杂装置对含杂硅溶液表面进行提取杂质的过程，相应的一种利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的装置，具有炉体、炉体炉腔内的石墨坩埚、石墨坩埚下部的坩埚托盘、石墨加热器和石墨坩埚上部的保温上盖，保温上盖中部具有便于硅棒拉出的通孔，在石墨坩埚的上部还设置有至少一个向下伸向石墨坩埚埚内的杂质提取棒。

权利要求

1.一种利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的方法，其特征是：使用直拉法在拉制单晶硅棒的前期和/或同时还具有使用辅助提杂装置对含杂硅溶液表面进行提取杂质的过程，所述的辅助提杂装置为至少一个的设置在石墨坩埚(2)上部并向下伸向石墨坩埚(2)内的杂质提取棒(6)。

2.一种利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的装置，具有炉体(1)、炉体(1)炉腔内的石墨坩埚(2)、石墨坩埚(2)下部的坩埚托盘(3)、石墨加热器和石墨坩埚(2)上部的保温上盖(4)，所述保温上盖(4)中部具有便于硅棒(5)拉出的通孔，其特征是：在所述石墨坩埚(2)的上部还设置有至少一个向下伸向石墨坩埚(2)内的杂质提取棒(6)。

3.根据权利要求2所述的利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的装置，其特征是：所述的杂质提取棒(6)为两个以上，并且所述的两个以上的杂质提取棒(6)成环形等分设置。

4.根据权利要求2或3所述的利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的装置，其特征是：所述的杂质提取棒(6)固定在保温上盖(4)上。

5.根据权利要求2或3所述的利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的装置，其特征是：所述的杂质提取棒(6)可上下移动并绕轴线旋转式设置于炉体(1)的上部炉壁。

6.根据权利要求2所述的利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的装置，其特征是：所述的杂质提取棒(6)为单晶硅棒、多晶硅棒、石墨棒、覆盖了硅材料的石墨棒、SiC棒或Al2O3棒。

说明书

利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的方法及其装置

技术领域

[0001] 本发明涉及单晶晶体硅棒制备技术领域，尤其是一种利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的方法及装置。

背景技术

[0002] 随着全球环境变暖和能源枯竭问题的日益突出，可再生的绿色能源受到社会越来越多的关注。其中，可以将太阳光直接转化为电能的太阳能电池生产技术倍受重视。近年来，全球的太阳能生产规模不断扩大，已经造成硅材料的极端短缺。另外，太阳能技术的推广应用的一大障碍就是成本过高，而硅料成本过高是太阳能电池的成本过高的主要原因之一。因此，利用含有杂质且成本相对较低的硅材料制备太阳能电池硅片成为必然趋势。这些含有杂质的硅材料，通常可能是直拉法即CZ(Czochralski)法单晶拉制剩余的锅底料、边皮料和报废料；可能是多晶铸锭法剩余的顶边、边皮料和报废料；可能是西门子法或其它化学方法制备多晶硅时剩余的不合格炭芯料等等其它各种杂质硅料。 [0003] 含杂质硅料中所含的杂质一般是SiN，SiC，SiO2等，这些杂质的形成可能是硅料制备过程中的C还原SiO2工艺，或西门子法制备多晶硅时的石墨炭心，或直拉法单晶制备时单晶炉上部的隔绝辐射导流筒等石墨件的表层老化剥落，或铸锭多晶时坩埚喷涂材料中的SiN和SiC和粘结的有机物高温下分解形成的C基，或硅料化学处理过程中的杂质的混入。 [0004] 近年来，对于利用低纯度硅料，尤其是含有多种杂质成分的硅料来拉制高纯度太阳能用单晶硅棒方面在现有技术中也有所报到。中国专利申请 200610155648“直拉法生长硅单晶产生的锅底料的除杂方法”公开了锅底料的除杂处理工艺，首先将硅料打碎到3-12mm碎粒状，然后放入调配好的除杂溶液的耐酸槽中。除杂溶液的配方为：氟化氢、硝酸、醋酸溶液按1∶3∶7～9的比例混合。硅粒在耐酸槽的除杂溶液中浸泡1～2小时以达到除去杂质的目的。中国专利申请200680024565“硅的再利用方法及利用该方法制造的硅和硅锭”中描述了利用SiN和SiC比较轻的原理，首先粉碎顶料和边料，然后在顶料和边料的定向凝固时，设计一个装置在坩埚底部的硅液中吹气，将SiN等杂质带到硅液表面，然后再使用定向凝固的办法进行硅锭提纯。这些方法都是具有代表性的处理方法。虽然这些方法能够大幅度减少硅材料中的杂质成分，但是，这些提纯方法很难完全去除硅材料内部的杂质。所以，在太阳能晶体硅棒的实际生产实践中，即使是使用这些经过一次除杂处理过的硅料，还是常遇到由于杂质带来硅液面抖动、硅液面浮渣、单晶拉制长时间不能成晶，这样就产生了浪费大量的生产产能和能源的种种问题。同时，即使能够成晶，成晶以后也常遇到分段和晶体质量不合格的问题。在后续的切片工序中，可能造成由于杂质造成的硬点，而导致硅片线切割时的断线问题，以及晶体内杂质位错造成的晶体内部高应力，使得切片后硅片翘曲和易碎。

[0005] 中国专利申请200620148936.x的“一种具有保护气控制装置的直拉单晶炉”，公开了一种典型的现有技术的单晶炉体结构，这种炉体只有生长单晶硅棒的功能，而没有除杂功能，如果使用的硅材料具有稍多一些杂质，这种炉子就只能作为先期的提纯炉子来使用，这样就既占用了宝贵的机器生产时间，同时也消耗能源并造成机器和昂贵石墨件的折旧。所以生产企业迫切需要一种更为实际有效的适用方法和装置。

[0006] 为了便于对本专利申请的理解，下面再介绍一下单晶硅生长中的直拉法，直拉法的过程是这样的：将高纯度的多晶硅原料装进石英坩埚，然后在低真空有流动惰性气体保护下加热溶化，熔化后将温度降至硅结晶点1420摄氏度左右，把一只有着生长方向的单晶硅(俗称晶种)与硅溶液接触，然后再调整硅溶液温度和晶种上升速度，使之缓慢结晶形成1根直径3-6毫米左右的细颈使硅原子按照晶种的排列方向排列，当细颈有一定长度后，调整硅溶液温度和晶种上升的速度使之缓慢长大，等长大接近所需直径时，提升晶种上升速度，使硅单晶等直径生长，在硅单晶生长接近结束时，提升晶种上升速度和调整溶液温度，将硅单晶的直径慢慢缩小成一个锥状体，当锥体的直径接近10-15毫米左右时，将晶体与溶液脱离，这样晶体生长周期就完成了。流动排出的惰性气体可带走硅单晶溶液结晶时散发的结晶潜热和硅溶液挥发的一氧化硅颗粒。

[0007] 发明内容

[0008] 本发明要解决的技术问题是：提供一种利用含有杂质的硅材料制备生产高纯度单晶硅棒的方法及相应的装置，克服现有技术对含杂硅材料除杂不完全，而且将除杂和拉制分步进行带来生产资源的极大浪费和产品质量不稳定的缺陷。

[0009] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的方法，使用直拉法在拉制单晶硅棒的前期和/或同时还具有使用辅助提杂装置对含杂硅溶液表面进行提取杂质的过程，所述的辅助提杂装置为至少一个的设置在石墨坩埚上部并向下伸向石墨坩埚内的杂质提取棒。所述前期的提取杂质过程是指对含杂硅溶液 拉制前先对表面进行杂质提取；同时的提取杂质过程是指提取杂质和硅棒拉制同时进行或交替进行、也可以是这两种形式的混合。

[0010] 一种利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的装置，具有炉体、炉体炉腔内的石墨坩埚、石墨坩埚下部的坩埚托盘、石墨加热器和石墨坩埚上部的保温上盖，所述保温上盖中部具有便于硅棒拉出的通孔，在所述石墨坩埚的上部还设置有至少一个向下伸向石墨坩埚埚内的杂质提取棒。

[0011] 为了达到更好的提高杂质提取的效果，所述的杂质提取棒为两个以上，并且所述的两个以上的杂质提取棒成环形等分设置。

[0012] 这种杂质提取棒一种设置的方式是所述的杂质提取棒固定在保温上盖上，这种方式的结构简单，缺点是目标晶棒的拉制和辅助杂质提取过程同时进行，无法保证辅助提杂不会影响目标晶棒的拉制。

[0013] 另一种设置方式是，所述的杂质提取棒可上下移动并绕轴线旋转式设置于炉体的上部炉壁，杂质提取棒在炉体外具有伸出端，可以利用该伸出端借助于人工或自动控制装置对提杂过程进行控制，这样可以更好的使提杂过程不影响拉制过程，还可以从时间上相互错开。

[0014] 具体的说，为了有利于杂质的附着，所述的杂质提取棒为单晶硅棒、多晶硅棒、石墨棒、覆盖了硅材料的石墨棒、SiC棒或Al2O3棒。

[0015] 本发明的有益效果是，本发明由于使用了辅助提杂装置，在晶棒拉制时同时进行杂质的提取，显著提高单晶晶体硅棒的产出率，减少后续硅片在制造工序中出现硬点和断线的概率，提高了晶棒的质量，降低太阳能级硅锭的制造成本。

[0016] 附图说明

[0017] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0018] 图1是本发明的可选实施例的结构示意图；

[0019] 图2是本发明的优选实施例的结构示意图。

[0020] 图中1.炉体，2.石墨坩埚，3.坩埚托盘，4.保温上盖，5.硅棒，6.杂质提取棒，7.硅溶液。

[0021] 具体实施方式

[0022] 一种利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的方法，使用直拉法在拉制单晶硅棒的前期和/或同时还具有使用辅助提杂装置对含杂硅溶液表面进行提取杂质的过程。前期的提取杂质过程是指对含杂硅溶液拉制前先对表面进行杂质提取；同时的提取杂质过程是指提取杂质和硅棒拉制同时进行或交替进行、也可以是这两种形式的混合。上述的这种工艺过程的具体运用由技术操作人员按照具体情况具体运用，在此本申请人无需作具体说明。

[0023] 下面再介绍两种运用上述工艺方法的利用含杂质硅材料制备高纯度单晶硅棒的装置，具有炉体1、炉体1炉腔内的石墨坩埚2、石墨坩埚2下部的坩埚托盘3、石墨加热器和石墨坩埚2上部的保温上盖4，保温上盖4中部具有便于硅棒5拉出的通孔，在石墨坩埚2的上部还设置有向下伸向石墨坩埚2内的杂质提取棒6。

[0024] 附图1为本发明的一种具体的结构示意图，拉伸炉的进一步的结构是这样的，石墨保温套筒与炉体1炉壁之间有可排废气的空隙通道，在石墨保温套筒上部开有排气口，空隙通道的上接口与石墨保温套筒上部的排气口相连通，空隙通道的下接口与炉炉体1炉壁下部的抽气口连通。石墨 加热器安置在石墨保温套筒内，石墨坩埚2放置在坩埚托盘3上，石英坩埚放置在石墨坩埚2内，保温上盖4放置在石墨保温套筒上。在单晶目标硅棒拉制装置在运行时，能使单晶生长时保护气体从单晶炉上部流下来，从石墨保温套筒上部的排气口流出，顺着炉体1炉壁和石墨保温套筒之间的空隙通道流到单晶炉底部，然后从单晶炉排气口由真空泵排出。

[0025] 引导装置杂质提取棒6的上端被固定安装在通孔缩小改造的保温上盖4上，杂质提取棒6下端接触熔化的硅熔液7液面。当目标硅棒5生长提升时，坩埚内的硅熔液7液面自动下降，杂质提取棒6将可以自动提取拉高硅料中的杂质物料到硅熔液7液面之外。为了得到优化的辅助提拉速度，可以采用几个杂质提取棒6一起配合使用，显然多个杂质提取棒6使用时宜将它们环形等分设置为好。

[0026] 固定杂质提取棒6的保温上盖4是一种在高温下具有一定机械强度的材料，也可以是精制石英材料、石墨材料或石英石墨多层复合结构材料制备的平板型或者穹顶型的盖板，盖板的中部有合适的孔洞以便于目标硅棒5向坩埚外不断拉出。图1中画出了平板型保温上盖4时的装置的结构示意图。

[0027] 这种设计的优点在于其设计实施非常简单，但是它的局限性在于目标硅棒5拉制和辅助杂质提取过程同时发生，无法保证辅助杂质提取过程不会干扰目标硅棒5的拉制。所以它是本发明的可选方案，但不是最佳方案。

[0028] 附图2为本发明的另一种具体的结构示意图，单晶目标硅棒5拉制装置的运行与以上的实施例基本相同。辅助设置的杂质提纯拉料装置不同，杂质提取棒6可上下移动并绕轴线旋转式设置于炉体1的上部炉壁。杂质提取棒6下端接触熔化的硅熔液7液面。杂质提取棒6可通过自动化控制 上下活动和转动，或者通过与外界操作人员的手动控制，灵活控制杂质提取棒6接触或者脱离硅熔液7液面。这里被提取的杂质物料的形状大小可以由机械控制装置控制杂质提取棒6的上下运动和旋转运动来实现。机械控制装置可设置在炉体1的外部，该装置图中没有绘出，机械控制装置可以是电子自动机械控制，也可以是普通的手工机械控制。根据实际情况辅助拉料提取杂质的过程要与目标晶棒的拉制过程在时间上错开，以更有利于拉制高质量的单晶棒。这种设计是本发明的优选方案。 [0029] 上两个实施例中的杂质提取棒6为单晶硅棒、多晶硅棒、石墨棒、覆盖了硅材料的石墨棒、SiC棒或Al2O3棒。

[0030] 本发明的主要发明点在于给出了一种在对单晶棒拉制的同时还实现提纯的工艺和装置，装置中述及的使用的是一种杂质提取棒，该提取棒应作提取装置来理解，而不应局限于只是一种棒类零件。