一种降低位错的全熔高效铸造多晶生产工艺
技术领域
本发明涉及一种降低位错的全熔高效铸造多晶生产工艺，应用于多晶硅铸锭领域。
背景技术
目前，铸造多晶硅主要是利用GT Solar等厂家提供的定向凝固设备进行制备，该工艺方法主要包括加热、熔化、长晶、退火和冷却等步骤。在凝固长晶过程中，通过对炉内温度和可升降保温罩的开度进行控制，从而使熔融硅液在坩埚下部获得足够的过冷度进行凝固结晶。铸造多晶工艺起初工业化生产阶段，底部形核为随机自发形核，形核密度、形核点的差异随机性较强。针对多晶硅锭存在形核无法控制、硅锭内部错密度高、晶界多且无规则分布的问题，多晶技术人员基于控制形核的考虑推出了全熔和半熔两种不同类型的多晶铸锭方式，即半熔工艺和全熔工艺方式。
半熔工艺主要通过在坩埚底部铺设硅材料为主体的引晶种子，在硅料熔化过程中，通过控制熔化的温度及保温罩的开度，最终在保留一定高度的硅材料上引晶生长，引晶种子主要为硅本体，整个熔化过程中坩埚底部温度控制相对较低（1350~1380℃）。其中一种为利用单晶硅引晶生长的原理、在坩埚底部铺设单晶板或块作为生长籽晶，控制形核形成类单晶硅片，其代表厂家如协鑫、凤凰光伏和昱辉等，由于其底部使用的单晶硅板成本较高，且在晶锭中上部的位错增值较强，迟迟得不到有效控制，无法得到高比例的铸造单晶产品，成本居高不下；第二种方式为在坩埚底部铺设碎原生多晶硅料作为引晶籽晶，控制形核，形成表面具有细小晶粒结构的高效多晶硅片，其典型产品如中国台湾中美矽晶的A4+硅片、赛维的M4硅片、协鑫的S4硅片等，该工艺熔化过程中坩埚底部温度相对较低，且使用硅为籽晶的同质形核条件，利于生长出细小的晶粒，但该工艺熔化时间较长（22~26h），且晶锭产品底部低少子区域较长,一般在60mm长，得率低，生产成本相对较高。
全熔工艺在坩埚底部不是用硅基体作为形核源，而是利用底部铺设石英砂颗粒，在并配合合理的喷涂氮化硅工艺在熔化过程中保温罩始终保持关闭状态，所以该工艺熔化过程中坩埚底部温度较高(1410~1450℃)，熔化周期短，最终形成进行相对细小颗粒，达到降低位错，提升效率的目标。该工艺特点熔化周期短（17~20h），晶锭底部低少子区域短,一般在45mm长，得率较高，生产成本较低，典型代表如环太的H3+，荣德的R3硅片。但该工艺从熔化过渡至晶体生长初期时，坩埚底部温度较高，坩埚底部过冷度较小，形核半径较大。且石英砂颗粒的均匀度及喷涂时波动，导致工艺窗口较小，生产过程控制较难，晶粒细小程度相对于半熔工艺较差，硅片转换效率相对较低。
传统晶体生长工艺，长晶中后期温度逐步降低，会导致长晶中后期生长速率过快，单位时间内硅由液态变为固态所释放的结晶潜热剧增，强大的热应力带来位错增值，通过少子寿命检测仪可明显看见晶体中上部的低少子黄斑，从而影响硅片转换效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种降低位错的全熔高效铸造多晶生产工艺，该生产工艺在保证熔化时间短、底部红区短的低成本前提下，多晶晶锭下截断位置晶粒变小，晶界密度增多，其具有湮灭位错的功能，进而降低位错，且晶锭中上部生长速率缓慢，降低结晶潜热带来的热应力位错增值问题，多晶硅片转换效率得到提高。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种降低位错的全熔高效铸造多晶生产工艺，具体包括以下步骤：
（1）装料时，在坩埚底部撒碎多晶，碎多晶上铺设装硅料原生多晶及单多晶回收料；
（2）采用铸造多晶炉，隔热笼关闭高温熔化完成，以TC2温度快速上升为标志；
（3）熔化完成后，5-15分钟内隔热笼位置由0快速提至12-16cm，时间维持15-60分钟；
（4）熔化完成后，在晶体生长初期30-90分钟内缓慢降低隔热笼至6-12cm；
（5）在一定时间步长内逐步缓慢提升隔热笼统高度，在晶体生长中后期，逐渐升温，完成晶体生长过程；
（6）晶体生长完成后，经过退火、冷却两个阶段，将晶锭由炉内取出进行后续加工。本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，前述降低位错的全熔高效铸造多晶生产工艺，步骤（1）中所述碎多晶的外形尺寸为3-15mm。
前述降低位错的全熔高效铸造多晶生产工艺，步骤（2）中采用GT-450型铸造多晶炉。
前述降低位错的全熔高效铸造多晶生产工艺，步骤（6）加工后的多晶晶锭下截断位置晶粒大小为3-5mm。
本发明的有益效果是：
本发明针对现有生产成本较低的全熔工艺，其形核后生长初期晶粒相对较大，中后期长晶速率偏快，位错高，硅片转换效率相对偏低的问题，本发明主要从以下方面进行改进：
（1）熔化完成后，快速打开隔热笼（散热罩），快速降低坩埚底部温度，提高底部涂层及形核点温度梯度；
（2）在晶粒形核后，由于温度梯度大，快速生长，性能尺寸更为细小的多晶颗粒，晶体高度达到10~20mm度后，逐渐下调保温罩的开度，降低晶体内温度梯度，防止晶体生长过快而带来的位错增值、阴影等问题。
（3）晶体生长至中后期时，传统生长工艺由于温度逐渐降低，结晶潜热速率增加过快，导致位错增值，本发明增加了中后期的长晶温度调整通过逐步升高中后期生长的温度，降低生长速率，降低结晶潜热产生的热应力，从而降低位错，提高硅片的转换效率。
附图说明
图1为本发明工艺优化前PL位错图；
图2为优化后的本发明实施例的硅片PL位错图；
图3 为本发明工艺优化前的少子寿命图；
图4 为优化后的本发明实施例的晶体少子寿命图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的一种降低位错的全熔高效铸造多晶生产工艺，具体包括以下步骤：
（1）装料时，在坩埚底部撒10-30kg碎多晶，碎多晶的外形尺寸为3-15mm，碎多晶上铺设装硅料原生多晶及单多晶回收料，总重量830-880kg；
（2）采用GT-450型铸造多晶炉，隔热笼关闭高温熔化完成，TC2温度半小时内上升10-15℃视为化料完成；
（3）熔化完成后，5-15分钟内隔热笼位置由0快速提至12-16cm，时间维持15-60分钟，以促使晶体形核并生长；
（4）熔化完成后，在晶体生长初期30-90分钟内缓慢降低隔热笼至6-12cm，降低底部散热强度，以降低晶体内温度梯度和热应力；
（5）之后在一定时间步长内逐步缓慢提升隔热笼统高度，在晶体生长中后期，将原来温度逐渐降低生长工艺的方式，改为逐渐升温的工艺方式，降低晶体生长速率，降低位错增加，完成晶体生长过程；
（6）晶体生长完成后，经过退火、冷却两个阶段，将晶锭由炉内取出进行后续加工。
本发明实施例中熔化和结晶工艺的设置具体如表1所示；
表1 熔化和结晶的工艺参数
本实施例的生产工艺保持了现有全熔工艺熔化时间短、底部红区短的低成本工艺优势；多晶晶锭下截断位置晶粒大小由5-8下降至3-5mm，晶体中上部通过少子检测仪，中上部的低少子黄斑明显减少；多晶硅片转换效率提高0.03%-0.05%。
多晶晶锭加工成硅片，相较于工艺优化前硅片PL位错图片如图1所示，绿色线为晶界线，红色为位错区域，未采用本法明后，晶粒大，匀性性相对较差，本实施的多晶晶锭加工成硅片后PL位错图片如图2所示，绿色线为晶界线，红色为位错区域，采用本发明后，晶粒小、大小比较均匀，红色位错区域较少。
传统长晶中后期降温工艺，多晶晶锭少子图谱如图3所示，晶体头部低少子黄斑较多，本实施的中后期升温工艺，多晶晶锭少子图谱如图4所示，晶体头部低少子黄斑明显减少，位错少，转换效率明显提高。
本发明的生产工艺在保证熔化时间短、底部红区短的低成本前提下，多晶晶锭下截断位置晶粒变小，增加晶界密度，能良好的吸收位错增值，且长晶中后期通过增加长晶温度的方式，减缓长晶速率，降低晶体中因结晶潜热过多而导致的位错增值，从而提高多晶硅片转换效率。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
