專利名稱：一種多晶硅鑄錠用石英坩堝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域，具體地說(shuō)一種多晶硅鑄錠用石英坩堝。
背景技術(shù)：
多晶硅的晶粒大小及形態(tài)與電池性能有著密切聯(lián)系，大晶粒、均一的硅片有助于提高電池轉(zhuǎn)化效率。要得到粗大、均一的晶粒，在晶體的生長(zhǎng)過(guò)程中，初始的成核控制尤為重要。多晶硅理想的鑄錠工藝就是在長(zhǎng)晶過(guò)程中能控制晶核的生長(zhǎng)，晶核以少、優(yōu)為好，這樣才能長(zhǎng)出高質(zhì)量的晶體。石英坩堝作為盛裝熔硅的容器被廣泛的應(yīng)用于多晶硅鑄造領(lǐng)域。在多晶硅定向凝固生長(zhǎng)系統(tǒng)中，石英坩堝壁作為唯一存在的不均勻部位，對(duì)晶粒的非均勻成核及生長(zhǎng)產(chǎn)生直接的影響，其生長(zhǎng)過(guò)程如下所示。假設(shè)硅固態(tài)晶核S同石英坩堝平面C接觸(這里C為構(gòu)成不均勻性的外來(lái)物)；令 0%代表晶核(S)同液態(tài)(L)間的單位表面能或稱表面張力；σ μ代表液態(tài)(L)同平面(C) 間的單位表面能；代表晶核(S)同平面(C)間的單位表面能。平衡時(shí)，設(shè)晶核(S)同液態(tài) (L)間的界面呈球狀，晶核同面(C)間的接觸角為θ，據(jù)熱力學(xué)計(jì)算AGs=AGh*(2-3COS0 + cos3 θ ) /4= Δ Gh/( θ )。Δ Gs表示形成晶核S后的自由能改變量。Δ Gh表示均勻成核時(shí)，晶核半徑為r的自由能改變量。從上式可看出，當(dāng)O彡θ ( 31，0彡/(9)彡1，厶#<厶611，這表明坩堝壁的存在，有效的降低了臨界晶核形成能，使晶核優(yōu)先在這些不均勻部位形成。目前，在多晶硅定向凝固生長(zhǎng)系統(tǒng)中晶核的形成就是在坩堝底部不均勻處隨機(jī)生長(zhǎng)一層無(wú)規(guī)則雜亂分布的晶核，正是由于這種雜亂分布使得晶核在生長(zhǎng)成晶粒的過(guò)程中往往會(huì)受到周?chē)渌嗨凭Я５氖`，而沒(méi)有充分自由生長(zhǎng)的空間，使得晶粒的生長(zhǎng)受到限制，最終得到的晶粒尺寸較小。

實(shí)用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有石英坩堝底部成核的雜亂無(wú)章，不利于大尺寸、單一取向晶粒生長(zhǎng)的不足，本實(shí)用新型提供一種對(duì)結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)的多晶硅鑄錠用石英坩堝，通過(guò)對(duì)石英坩堝底部的處理，使其不僅能滿足正常的多晶硅鑄錠需要，而且能控制坩堝底部硅熔體中晶核產(chǎn)生的位置及數(shù)量，促使其定點(diǎn)快速優(yōu)先成核，使其能夠按照一定的規(guī)律均勻分布，從而有利于晶粒生長(zhǎng)空間的充分合理利用，易于形成粗大、均一的晶粒。為此，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下一種多晶硅鑄錠用石英坩堝，包括本體， 其特征在于所述本體內(nèi)壁的底部設(shè)有多個(gè)圓錐形凹坑，圓錐形凹坑的圓錐角范圍在90-120 度，圓錐形凹坑尖端距本體外壁底部的距離為5-30mm，相鄰圓錐形凹坑的中心距范圍為 10-600mm。在晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)中，為了在所希望的地方形成晶核，必須設(shè)置合理的驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)，即驅(qū)動(dòng)力在空間的合理分布。合理的驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)應(yīng)滿足以下條件只有晶體-流體界面鄰近存在生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力(即負(fù)驅(qū)動(dòng)力)，晶體生長(zhǎng)；而同時(shí)系統(tǒng)的其余各部分的驅(qū)動(dòng)力為正的(即熔化驅(qū)動(dòng)力)，不利于成核。在本實(shí)用新型中，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)溫度降到多晶硅熔點(diǎn)以下時(shí)，坩堝底部圓錐形凹坑尖端處由于壁最薄，散熱最好，降溫最快，首先達(dá)到一定過(guò)冷度(負(fù)驅(qū)動(dòng)力作用)， 此處熔體形成少量晶核并長(zhǎng)大，此時(shí)系統(tǒng)中其余各處仍為過(guò)熱熔體(正驅(qū)動(dòng)力作用)，在這樣的驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)中，就能保證熔體按照預(yù)期設(shè)計(jì)的位置及數(shù)量成核；同時(shí)生長(zhǎng)速率快的晶粒會(huì)占有最大發(fā)展空間，并限制周?chē)渌Я５纳L(zhǎng)，繼而淘汰掉周?chē)渌Я＃瑥亩苊饩ЯＩL(zhǎng)過(guò)程中的擁擠現(xiàn)象，有利于晶粒最大程度的利用周?chē)臻g生長(zhǎng)，形成粗大，均一的晶粒。多晶硅晶核長(zhǎng)大過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)部同時(shí)存在橫向及縱向的溫度差。調(diào)整鑄錠工藝使坩堝底部圓錐形凹坑處形成的少數(shù)晶核先水平擴(kuò)張，再垂直生長(zhǎng)。在此過(guò)程中我們希望得到單一取向的晶核，并在此晶核上生長(zhǎng)單一取向的晶體。但實(shí)際上往往得不到單一取向的晶核，而是成核的同時(shí)存在著多個(gè)不同取向的晶核。這可以依靠晶面淘汰規(guī)律自然地將不同取向的晶核逐漸減少下來(lái)，最終達(dá)到一個(gè)或少量晶核生長(zhǎng)的晶體。由于各種取向的晶面的生長(zhǎng)速率不同，快面趨于隱沒(méi)，慢面趨于顯露，即表面能低的晶面吞并掉表面能高的晶面，最終只有少數(shù)單位表面能量小的晶面顯露在外表，最終形成單一取向粗大晶粒。(由于石英坩堝是用于盛放熔融多晶硅，無(wú)論是固態(tài)或是熔化后液態(tài)的硅原料，對(duì)坩堝底部都有很大的壓應(yīng)力，當(dāng)多晶硅熔化以后，液態(tài)的壓力作用在上述的多晶硅鑄錠用石英坩堝，考慮到石英坩堝在盛放多晶硅原料時(shí)，)圓錐形凹坑的底部尖角處具有弧度， 去除毛刺，減少應(yīng)力集中；圓錐形凹坑的傾斜處與本體內(nèi)壁的底部之間的連接處具有弧度， 去除毛刺，減少應(yīng)力集中。本實(shí)用新型的有益效果是促使多晶硅結(jié)晶過(guò)程中石英坩堝底部熔硅定點(diǎn)快速優(yōu)先成核，從而控制了晶核的形成位置及數(shù)量，并使其能夠按照一定的規(guī)律均勻分布，從而避免晶粒生長(zhǎng)過(guò)程中的擁擠現(xiàn)象，有利于晶粒最大程度的利用周?chē)臻g生長(zhǎng)，形成粗大、均一的晶粒，進(jìn)而提高了多晶硅電池片的光電轉(zhuǎn)換效率。下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖(局部剖)。圖2為本實(shí)用新型的剖面示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示的石英坩堝，本體1內(nèi)壁的底部形成多個(gè)圓錐形凹坑2，根據(jù)坩堝尺寸的不同，一般加工5-50個(gè)。如圖2所示，T為圓錐形凹坑尖端距本體底部的距離，I和J為相鄰圓錐形凹坑的中心距。通常工業(yè)生產(chǎn)中多晶硅鑄錠所使用的本體底部厚度約為10-40mm，根據(jù)鑄錠過(guò)程中熱場(chǎng)分布狀況，圓錐形凹坑的圓錐角一般選取90-120度，T 一般選取5-30mm，I與J范圍為 10-600mm。在圓錐形凹坑的底部尖角處加工成一定的弧度，圓錐形凹坑的傾斜處與本體內(nèi)壁的底部之間的連接處也加工成一定的弧度。
權(quán)利要求1.一種多晶硅鑄錠用石英坩堝，包括本體，其特征在于所述本體內(nèi)壁的底部設(shè)有多個(gè)圓錐形凹坑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅鑄錠用石英坩堝，其特征在于所述圓錐形凹坑的圓錐角范圍在90-120度，圓錐形凹坑尖端距本體外壁底部的距離為5-30mm，相鄰圓錐形凹坑的中心距范圍為10-600mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多晶硅鑄錠用石英坩堝，其特征在于圓錐形凹坑的底部尖角處具有弧度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多晶硅鑄錠用石英坩堝，其特征在于圓錐形凹坑的傾斜處與本體內(nèi)壁的底部之間的連接處具有弧度。
專利摘要目前，在多晶硅定向凝固生長(zhǎng)系統(tǒng)中晶核的形成就是在坩堝底部不均勻處隨機(jī)生長(zhǎng)一層無(wú)規(guī)則雜亂分布的晶核，晶核在生長(zhǎng)成晶粒的過(guò)程中往往會(huì)受到周?chē)渌嗨凭Я５氖`，而沒(méi)有充分自由生長(zhǎng)的空間，使得晶粒的生長(zhǎng)受到限制，最終得到的晶粒尺寸較小。本實(shí)用新型提供了一種多晶硅鑄錠用石英坩堝，包括本體，其特征在于所述本體內(nèi)壁的底部設(shè)有多個(gè)圓錐形凹坑。本實(shí)用新型避免了晶粒生長(zhǎng)過(guò)程中的擁擠現(xiàn)象，有利于晶粒最大程度的利用周?chē)臻g生長(zhǎng)，形成粗大、均一的晶粒，進(jìn)而提高了多晶硅電池片的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)C30B11/00GK201962402SQ20102067901
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者盧雪梅, 徐芳華, 王琤, 趙波 申請(qǐng)人:杭州精功機(jī)電研究所有限公司