本发明专利技术一般涉及使用籽晶诱导的垂直方向凝固铸造法，制造具有预定晶向的晶体材料，包括多晶和单晶材料。现有的籽晶诱导的铸造晶体方法，在生产较大尺寸的晶体时，存在着籽晶用量大、容易生成杂晶、内应力大、难以获得单晶材料或达到预期的质量要求等问题，本发明专利技术通过提供一个水平截面逐渐增大的渐变性晶体生长区域，消除了上述问题，获得良好的晶体生长效果，得到的铸造单晶或多晶体材料，例如硅或硅锗晶体，其缺陷少、质量好、性能优良，特别适用于半导体和光伏领域应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术一般涉及使用籽晶诱导的垂直方向凝固铸造法，例如垂直温度梯度凝固方法(下文也称为VGF法)或垂直布里奇曼方法(下文也称为VB法)或垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS法)制造比较大的预定晶向的晶体材料，包括多晶和单晶材料，尤其是适用于半导体和光伏应用的例如硅或硅锗材料。
技术介绍
基于晶硅的光电池(或称光伏电池、太阳能电池)应具有最大可能地将太阳能辐射功率转化为电流的效率、以及尽可能长久的使用寿命和衰减速率。这是由多种因素决定的，例如硅原材料的纯度，硅晶体的类型(单晶、多晶)和缺陷、杂质分布以及晶向、内应力。 同时，工业上制造较大尺寸的硅晶体毛胚(实体)，可以获得更高的生产效率；而降低硅晶体的缺陷和内应力，还有助于提高成品和良品的产出率。已知在硅晶体的类型中，单晶较多晶具有获得相对最高的光电转化效率的可能。 因此，许多制造硅单晶的装置和方法被大量使用。典型的就是所谓的单晶提拉方法，也称之为切克劳斯基(CZ)法，利用籽晶伸入熔化的硅液中，通过提拉引晶和熔硅液面上方的持续晶体生长，最后获得单晶硅棒。这种方法通常需要坩埚和生长中的晶棒相对旋转，因而其制造设备相对复杂，工艺控制难度较大。使用CZ法制造单晶硅棒的方法和装置的例子，可以在申请号为200820080642. 7、名称为软轴单晶硅炉的中国专利申请中找到，更多的例子，包括中国专利申请 CN200810145905. 2、CN200810162544. 2、CN200710164263. 6 及 CN200810108276.6，等等。为提供对CZ法及其制造装置的全面说明，本专利技术在此全文引用上述各项专利申请文件。CZ法可以获得性能比较优异的单晶硅胚体，但也存在一些明显的缺点，包括其制造装置和工艺控制比较复杂，设备和生产成本较高，难以获得较大尺寸的高质量单晶胚体(通常只有20cm或25cm的第二大尺寸)，生产效率低，因难以克服其晶体生长中的径向温度梯度而存在较大的径向缺陷包括如漩涡缺陷、氧致堆垛层错缺陷(或OSF 环缺陷)和热应力位错，及掺杂剂密度差异，等等。类似的还有浮区凝固法，或称悬浮区熔法(FZ)，用以生长的多晶硅棒，但具有和CZ法类似的缺陷类型和不足。为此，使用方向凝固法，例如垂直方向凝固法，包括垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBQ制造多晶材料胚体的方法和装置被大量应用于生产硅晶体，用较低的设备成本和较简单的工艺控制，获得大尺寸的多晶硅锭，提高了生产效率，降低了生产成本。在VGF法晶体生长工艺中，位于静止的加热装置形成的热场中的结晶温度梯度可移动，而晶体保持静止。在VB法晶体生长工艺中，保持静止的加热装置形成结晶温度梯度静止的热场，晶体在其中移动。在VBS法晶体生长工艺中， 加热装置及其形成的结晶温度梯度可移动，而晶体保持静止。实施这些方法的设备使用时都包含有坩埚，其至少有底壁和侧壁，构成可以容纳晶体原料和及其熔体的容器，以及和坩埚外形配套的热场系统和支撑系统，至少包括可以加热坩埚内的原料的加热装置，和保持坩埚位置和形状的支撑装置。尽管容易获得大的尺寸、高的生产效率和低的生产成本，多晶硅因其较低的纯度、 较小的晶粒尺寸、较多的晶界和晶体缺陷、杂乱的晶向，制成的晶片具有低的载流子寿命和较差的制绒效果，由其制成的电池片效率较低，难以取代单晶硅。为了在较低的设备和控制成本下，获得更高的转换效率，一些基于垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS)的可以生产晶粒较大的多晶硅锭、近单晶硅锭的方法和设备被开发出来，这里全文引用以详细说明这些方法和设备的一些文件:CN200810012354. 2、CN200910152970. 2、CN200920115886. 9、 DE10239104AUCN200780002763. 8、CN200810089545. 9,CN 200780002753. 4。其中，为获得生长良好的晶体组织，可以诱导晶体生长的籽晶被引入到硅原料内，或在坩埚内构置特定的一些几何结构。这些方法和设备的使用，一定程度上增大了多晶硅的晶粒尺寸、减少了晶体缺陷，甚至可以获得近单晶硅锭，但是，仍然存在着工艺控制难度大、难以确保稳定地形成预期的硅锭晶体结构、缺陷和杂质多、杂质分布不均、晶锭内应力偏大加工成晶片损耗较大，和需要消耗大量籽晶等问题。此外，即使在使用大量籽晶平铺坩埚底部的情况下，由于籽晶的择优生长方向可能与单晶生长方向发生偏离，以及可能发生部分熔化、氧化，也难以获得高完整性单晶体。如众所知，基于垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBQ的晶体生长方法，可用于生长诸如蓝宝石、砷化镓等单晶体，因此， 早期也曾用来试图生长硅单晶材料，以用于光伏电池。具体方法是采用籽晶诱导法，在VGF、 VB或BVS方法中，于硅熔体的底部设置硅单晶籽晶，以此诱导晶体生长，然而，很多尝试都失败了，获得的晶体无一例外地都是多晶硅。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种使用籽晶诱导的垂直方向凝固法，例如包括VGF 或者VB或者VBS方法便宜地制造高质量的硅晶体材料胚体(锭)，包括低缺陷的晶粒较大的多晶硅锭、单晶硅锭或近单晶硅锭的装置和方法，其中，特别是提供一种使用籽晶诱导的垂直方向凝固法便宜地制造高质量的硅单晶体的装置和方法。本专利技术的方法和装置，也适用于其它各种晶体材料，以下仅以硅晶体为例说明。对于其他材料，只需要按其熔点相应调整控制熔化和凝固的温度值，即可将本专利技术的方法和装置用于制造该材料的晶体实体。本专利技术还提供了使用籽晶诱导的垂直方向凝固法，例如VGF或者VB或者VBS方法便宜地制造具有预定的晶向取向的高质量的硅晶体材料胚体(锭)，包括低缺陷的大晶粒晶向预定的多晶硅锭、单晶硅锭或近单晶硅锭的装置和方法。这样的晶锭，在将硅锭制晶片、电池片的过程中，在切割、制绒等方面都具有优点，特别适用于高质量的光电池用硅晶片和高光电效率的晶硅电池片的制作。本专利技术还提供了一种使用籽晶诱导的垂直方向凝固法，例如VGF或者VB或者VBS 方法便宜地制造大尺寸的单晶硅或近单晶硅胚体的装置和方法，包括生产更大直径的晶棒或晶柱、特别是棱柱状晶体，和更大尺寸的硅锭，包括方锭、多面体形锭。采用本专利技术装置和方法生产的单晶硅胚体，或由其制成的单晶片，较CZ直拉法等获得的单晶，具有更低的成本，更少的杂质，更均勻的电阻率分布，更少的晶体缺陷、例如氧致堆垛层错缺陷、漩涡缺陷、热应力缺陷，以及更优异的制绒性能，更高效的p-n结制作效率，其制成的光伏电池片具有低的成本和更高更稳定的光电转换效率，并且，由于更低的晶界杂质和缺陷，而具有更长的使用寿命和更低的效率衰减速度；类似地，采用本专利技术方法和装置生产的多晶体，也特异性地区别于普通VGF等垂直定向凝固方法生产的多晶体，在上述各方面有着显著的优点。因此，本专利技术还提供了一种大尺寸的单晶硅或近单晶硅、多晶硅材料(实体)，以及由这种材料制成的硅晶片和光伏电池，它们因其生产方法而形成的特殊晶体结构、杂质分布模式和良好的光电品质，而区别于普通的多晶硅或单晶硅。本专利技术中所采用的术语“近单晶硅”或“近单晶体”，是指这样的空间上处本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种使用籽晶诱导的垂直方向凝固法制造晶体的方法，包括提供具有基本上直立的侧壁的坩埚以容纳晶体原料，其中坩埚的底壁包含有位于坩埚最底部的籽晶容纳部位，和提供包含有坩埚加热装置、坩埚支撑装置的垂直方向凝固法的晶体制造装置以容纳所述的坩埚，启动加热装置并控制该加热，形成从坩埚底部向上方温度逐渐上升的温度梯度分布热场，保持籽晶的下部分的固态的同时，熔化坩埚内的原料及籽晶的上部分，然后冷却坩埚内的熔体使其从与未熔化的籽晶部分的上端的交界面开始向上作方向凝固，获得晶体实体，本专利技术的特征是，在底壁的籽晶容纳部位的上口和坩埚侧壁底部之间，包含有其围成的腔体的水平截面逐渐扩大的渐变性过渡部位。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵钧永，
申请(专利权)人：赵钧永，
类型：发明
国别省市：31
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