一种多晶硅铸锭方法
技术领域
本发明涉及多晶硅铸锭领域，特别是涉及一种多晶硅铸锭方法。
背景技术
太阳能资源丰富，分布广泛，是最具发展潜力的可再生能源。太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。
多晶半融工艺是多晶硅铸锭工艺中的一种，主要采用细小颗粒硅或碎片铺垫坩埚底部，加热、熔化，并使硅液母相在籽晶表面快速成核生长；目前，半熔工艺中在坩埚底部铺设籽晶一般采用单晶或多晶颗粒作为籽晶铺设，但是存在成品转化率低的问题和位错缺陷高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多晶硅铸锭方法，解决了目前多晶硅铸锭所存在的成品率低，且存在位错缺陷高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种多晶硅铸锭方法，包括：
在坩埚底部铺设多个呈阵列排布的单晶硅片，相邻所述单晶硅片之间具有预设间距；
在所述预设间距内填充多晶硅颗粒；
在所述单晶硅片上放置硅料，对所述坩埚进行加热，使所述硅料熔化；
当所有所述硅料熔化后，停止加热，控制熔融状态的所述硅料在所述单晶硅片表面成核生长形成多晶硅锭。
其中，所述单晶硅片背离所述坩埚底部的表面为110晶面或221晶面。
其中，相邻两个所述单晶硅片之间的所述预设间距不大于20mm。
其中，相邻两个所述单晶硅片之间的所述预设间距为2～5mm。
其中，所述预设间距包括第一预设间距和第二预设间距，所述第一预设间距大于第二预设间距，其中所述第一预设间距为相邻两个所述单晶硅片相邻的110晶面且221晶面的侧面之间的间距，所述第二预设间距为相邻两个所述单晶硅片相邻的非110晶面或非221晶面的侧面之间的间距。
其中，所述单晶硅片具有相对的第一表面以及第二表面，所述第一表面为平面，放置在所述坩埚的底部；
所述第二表面为平面，或，所述第二表面为部分圆柱侧面；
各个所述单晶硅片的第二表面在所述坩埚内的高度相同。
其中，所述单晶硅片的厚度为10mm～25mm。
其中，所述在所述预设间距处铺垫多晶颗粒包括：
在所述预设间距处铺垫直径小于2mm的多晶颗粒。
本发明所提供的多晶硅铸锭方法，在多个单晶硅片呈阵列分布的铺垫于坩埚底部时，相邻单晶硅片之间预留有预设间隙，在铺设完成单晶硅片后，将预设间距中铺垫多晶硅颗粒，使得多晶硅颗粒和单晶硅片共同作为籽晶。在铸锭过程中，当熔化结束后，硅液母相在单晶硅片晶面外延生长，根本解决硅液晶向诱导，单晶片状籽晶表面通过外延生长方式生长出与单晶晶格一致单晶，小颗粒籽晶边表面同质成核生长出高效多晶；由于单晶位错低，单晶硅片表面外延生长晶体继承单晶低位错特点，从根本上降低晶体底部位错形态，从而达到快速提升硅片转化效率结果。
为了进一步地提升多晶铸锭的低位错和高转化效率的效果，在本发明的另一具体实施例中，还进一步的以单晶硅片的110晶面或221晶面作为背离坩埚底部的表面，那么单晶硅片的110晶面或221晶面即为单晶硅片的优先生长面，可以有效控制单晶硅片和多晶颗粒交界处应力产生，能有效维持单晶生长区域面积及低缺陷，从而提升产品质量。
综上所述，本发明所提供的多晶硅铸锭方法，能够在很大程度上降低位错缺陷的问题，并且提高多晶硅的成品转化率，获得更高产品质量的多晶硅锭，进而提高了多晶硅产品的性能。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的多晶硅铸锭方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的坩埚底部籽晶铺垫的示意图；
图3为本发明实施例中提供的单晶硅片的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种单晶硅片的结构示意图。
具体实施方式
在多晶硅铸锭半融工艺中，通常采用多晶细小颗粒硅或碎片铺垫坩埚底部作为籽晶，加热、熔化，熔化后期通过控制隔热笼开度使得坩埚底部籽晶不熔化，快速跳入长晶阶段后，通过降低TC1温度和提升隔热笼，硅液母相在籽晶表面快速成核生长，但是生长过程中由于晶粒之间的竞争关系，导致晶界与晶界间大量应力的产生，由此引起位错缺陷快速增值。
也有采用单晶块料铺设在坩埚底部作为籽晶，但单晶块料铺垫过程中单晶块料与单晶块料必须保证无缝隙，由于单晶与单晶的晶界在生长过程中存在大量应力，由此引起拼缝处产生大量的小角度晶界，小角度晶界快速向横向扩散导致晶体质量难于保障，由此导致准单晶成晶率低。
本发明中通过对籽晶进行优化，将采用单晶硅片使用作为籽晶，从根本上降低晶体底部位错形态，从而达到快速提升硅片转化效率结果。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，图1为本发明实施例所提供的多晶硅铸锭方法的流程示意图，该方法可以包括：
步骤S1：在坩埚底部铺设多个呈阵列排布的单晶硅片，相邻单晶硅片之间具有预设间距。
步骤S2：在预设间距内填充多晶硅颗粒。
具体地，可参考图2，图2为本发明实施例提供的坩埚底部籽晶铺垫的示意图。图2中的单晶硅片1在坩埚底部呈阵列排布，而多晶颗粒2在分布于单晶硅片1之间。
需要说明的是，现有技术中所采用的单晶块料作为籽晶铺垫在坩埚底部的方案中，单晶块料之间需要贴合铺设，单晶块料和单晶块料之间要保持完全无缝隙，对工艺的要求是非常高的，一旦单晶块料之间的缝隙无法贴合，那么单晶块料侧面之间在生长过程中就可能存在应力，由此引起拼缝处产生小角度晶界，小角度晶界快速向横向扩散导致晶体质量难于保障，由此导致成晶率低。
因此，在本实施例中，多晶硅颗粒和单晶硅片共同作为籽晶。当熔化结束跳转后，单晶片状籽晶表面通过外延生长方式生长出与单晶晶格一致单晶，小颗粒籽晶表面同质成核生长出高效多晶，使得晶锭开方后小硅块单晶面积大于80％，单晶面积内的晶体由于长晶过程中单晶区域低位错特征的保持，相对普通高效多晶缺陷降低45％以上，效率有效提升0.15-0.3％。
步骤S3：在单晶硅片上放置硅料，对坩埚进行加热，使硅料熔化。
步骤S4：当所有硅料熔化后，停止加热，控制熔融状态的硅料在单晶硅片表面成核生长形成多晶硅锭。
具体地，本实施例中采用多晶硅铸锭的半融工艺，包括装料阶段：在坩埚底部铺设一层单晶硅片，厚度和单晶硅片的厚度相等，也即是说，只在坩埚底部铺设单层的单晶硅片，而无需将单晶硅片堆叠，再在单晶硅片之间的间隙中铺设多晶硅料，铺设多晶硅料的厚度和单晶硅片的厚度近似相等，将单晶硅片之间的间距填满即可；铺设完成后，再在单晶硅片上方堆叠放置硅料，具体可以采用纯度在5.5N～6.5N的硅料，硅料的量一般根据坩埚尺寸设定，通常在800Kg～900Kg。
熔化阶段：装料阶段完成后，可以将铸锭炉内抽真空，或充入氩气等惰性气体作为保护气体；再通过铸锭炉内的加热装置从坩埚的侧面和上方对坩埚内的硅料进行加热，使得温度在1h～2h内提升至1000℃以上，直到坩埚内的硅料熔化，此时隔热笼一直处于关闭状态，开度为0，熔化后期，在4h～8h之内，缓慢提升隔热笼的高度，控制隔热笼开度由0cm提升至7cm度左右，使得坩埚底部迅速变冷，最终坩埚内部的硅料熔化而坩埚底部部分单晶硅片不熔化。
长晶阶段：在硅料融化后，快速跳入长晶阶段后，通过降低TC1温度和提升隔热笼，将隔热笼开度由7cm提升至20cm，硅液母相在单晶硅片表面快速成核生长，最终生成多晶硅锭。
需要说明的是，现有技术中也存在采用单晶块料作为籽晶铺设于坩埚底部的，但是要求单晶块料之间紧密配合。而在实际操作过程中，单晶块料和单晶块料之间要保持完全无缝隙，对工艺的要求是非常高的，一旦单晶硅料之间的缝隙无法贴合，那么单晶硅料侧面之间在生长过程中就可能存在应力，由此引起拼缝处产生小角度晶界，小角度晶界快速向横向扩散导致晶体质量难于保障，由此导致成晶率低。
本发明中采用半融工艺，通过对籽晶进行优化，相对于将单晶硅片和多晶颗粒配合使用作为籽晶，单晶硅片之间无需相互贴合，降低了籽晶铺设的工艺难度。并且在铸锭过程中，当熔化结束后，硅液母相在单晶硅片晶面外延生长，根本解决硅液晶向诱导，单晶片状籽晶表面通过外延生长方式生长出与单晶晶格一致单晶，小颗粒籽晶边表面同质成核生长出高效多晶；由于单晶位错低，单晶硅片表面外延生长晶体继承单晶低位错特点，从根本上降低晶体底部位错形态，从而达到快速提升硅片转化效率结果。
可选地，在本发明的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：
单晶硅片背离坩埚底部的表面为110晶面或221晶面。
需要说明的是，常规的直拉单晶引晶的多晶铸锭过程中，籽晶的生长面常采用100晶面或111晶面。本实施例中采用单晶硅片优先生长面110晶面或221晶面，由于优先生长面的晶向生长方向特征，在单晶硅片与多晶颗粒交界处形成一条特殊晶界，特殊晶界可以有效减缓单晶硅片与多晶颗粒交界处晶粒应力产生，避免多晶晶粒向单晶硅片区域扩充，能有效维持单晶硅片生长区域面积及低缺陷，从而提升产品质量。
基于上述实施例，在本发明的另一具体实施例中，可以进一步地包括：
在坩埚底部铺设的单晶硅片之间，相邻单晶硅片间的预设间距大于不大于20mm。
优选地，相邻两个单晶硅片之间的预设间距为2～5mm。
需要说明的是，本发明中所要生产的多晶硅锭是类单晶的硅锭，尽管属于多晶范畴，但是其晶相结构在小范围内是规则分布的。
当相邻单晶硅片之间的间距过大时，则就会导致单晶硅片引晶面积减少，在很大程度上会在单晶硅片之间的间隙中生长出晶相结构不规则的多晶，影响类单晶的质量。因此，本实施例中单晶硅片间的距离应不大于20mm，具体地，可以是2mm、5mm、10mm、15mm、20mm等。
但是，当单晶硅片之间的间距过小时，单晶硅片之间的缝隙处有可能会产生大量的小角度晶界，导致晶锭报废，因此，本发明中更为优选的实施方式，是将单晶硅片之间的间距设置在2mm～5mm。
可选地，在本发明的另一具体实施例中，可以进一步地包括：
预设间距包括第一预设间距和第二预设间距，第一预设间距大于第二预设间距，其中第一预设间距为相邻两个单晶硅片相邻的110晶面或221晶面的侧面之间的间距，第二预设间距为相邻两个单晶硅片相邻的非110晶面且非221晶面的侧面之间的间距。
需要说明的是，本发明中既能够以110晶面作为优先生长面，也能够以221晶面作为优先生长面。那么，当以221晶面作为先生长面时，单晶硅片还可以存在一个侧面的晶面为110面。因此，相邻的单晶硅片之间的侧面即可分为110晶面或221晶面的侧面，和非110晶面且非221晶面的侧面。
对于相邻的110晶面或221晶面的侧面而言，由于其特殊的晶相，该两个相邻侧面之间的间距可以设置的相对较大；反之，对于相邻的非110晶面且非221晶面的侧面之间的间距则应尽可能的小。
如前所述，本发明中的单晶硅片是通过切割单晶硅棒而获得的，而目前常用的单晶硅棒一般是长方体的硅棒或圆柱体的硅棒。
因此，在本发明的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：
单晶硅片具有相对的第一表面以及第二表面，第一表面为平面，放置在坩埚的底部；
第二表面可以为平面，具体地，可参考图3，该单晶硅片的第一表面和第二表面均为矩形，该单晶硅片具体结构可以是平板结构。
第二表面还可以是部分圆柱侧面，如图4所示，第二表面可以是半圆柱侧面，该单晶硅片可以是部分圆柱体，但是圆柱侧面为背离坩埚底部的第二表面。
另外，无论单晶硅片的第二表面是什么形状，各个单晶硅片的厚度应该均相同，也即是各个单晶硅片的第二表面高度在坩埚内的高度均相同。
需要说明的是，本发明中并不排除其他形状结构的单晶硅片，只要和坩埚地面相贴合的面是平面即可。但是较为优选的方案是采用规则形状的单晶硅片，边缘控制单晶硅片之间的预留间距。另外，由于目前常规的硅棒基本都是圆柱体或长方体，那么，对于上下表面均为矩形平面，且相互平行的硅片直接通过对长方体的硅棒轴向切片即可获得，而对于具有半圆柱面的单晶硅片而言，也可以通过对圆柱型硅棒周向切割而获得，所以矩形面的单晶硅片和半圆柱面的单晶硅片最便于获得，能够降低单硅晶片的切割难度。
可选地，对于单晶硅片的尺寸，以矩形平板结构为例，长度可以在200mm～1000mm，宽度可以在100mm～300mm。
可选地，单硅晶片的厚度可以是10cm～25cm，具体地，可以是10cm、12cm、15cm、17cm、20cm、23cm、25cm。
进一步地，在本发明的另一具体实施例中，在单晶硅片之间的预设间距处铺设的多晶硅颗粒，具体可以采用直径小于2mm的多晶颗粒。
如前所述可知，多晶颗粒的直径远小于单晶硅片的厚度，且小于单晶硅片之间的预留间距，那么多晶颗粒就能够更充分的填充在单晶硅片之间。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的多晶硅铸锭方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
