一种铸造类单晶用籽晶的重复利用方法与流程

1.本发明涉及类单晶硅铸锭领域，具体涉及一种铸造类单晶用籽晶的重复利用方法。


背景技术：

2.目前，铸造类单晶主要是采用在坩埚底部铺设多块单晶硅籽晶，形成籽晶层，然后在籽晶层上方设置熔融状态的硅料，控制坩埚底部温度低于籽晶的熔点，使得籽晶不被完全熔化；降温进入长晶阶段，硅料在不完全熔化的籽晶层上生长出类单晶硅锭。通常为了提高所得类单晶硅锭的质量，上述籽晶层是采用不同类型的籽晶拼接而成，使得相邻籽晶的侧面晶向之间形成一定角度的晶向差，进而在拼接缝处形成一定的晶界(参见图1)，可在后续长晶过程中抑制位错的产生。
3.虽然采用该方法生产的类单晶硅片的电池效率比普通多晶硅片高，但是籽晶的投入成本也较高。为了降低成本，一般会对籽晶进行重复利用，目前籽晶重复利用的方法为：制备出类单晶硅锭后，在其底部的籽晶位置处进行切割得到一整块籽晶大板，再将其铺设在坩埚底部进行铸造单晶。然而籽晶大板的切割比较复杂，需要特殊的大切割机，切割的费用比较高，切割后的籽晶大板的清洗较困难，而且籽晶大板容易在籽晶拼接处开裂、重复利用度不高。


技术实现要素：

4.鉴于此，本发明提供了一种铸造类单晶用籽晶的重复利用方法，以提高籽晶的重复利用效果、降低铸造类单晶硅锭的籽晶成本。
5.本发明提供了一种铸造类单晶用籽晶的重复利用方法，包括以下步骤：
6.(1)提供坩埚，将生长面晶向属于同一晶向族的多块单晶硅籽晶拼接铺设在所述坩埚的底部，形成籽晶层；在所述籽晶层上方设置熔融状态的硅料，控制温度，使所述熔融状态的硅料在所述籽晶层上继承所述单晶硅籽晶的晶向结构进行生长，制得类单晶硅锭；
7.其中，所述多块单晶硅籽晶包括至少两种类型，不同类型籽晶的侧面晶向不同，所述籽晶层中相邻的两块单晶硅籽晶的类型不同；
8.(2)取出所述类单晶硅锭，将其与所述坩埚底部接触的底面朝上，将所述底面上的籽晶拼接缝用缝隙标记线标出，并使其延伸至所述类单晶硅锭的四个侧面；
9.对所述类单晶硅锭进行开方得到多个第一硅块，其中，在开方前使开方钢线与所述籽晶拼接缝对准，且步骤(1)中所述单晶硅籽晶的横向尺寸与所述类单晶硅锭的开方尺寸相同；
10.将所述第一硅块对应所述坩埚底部和开口的两个端面打磨平整后，将打磨后的第一硅块上的籽晶区域切割下来，得到回收后的多块单晶硅籽晶，并标记每块单晶硅籽晶的类型；
11.(3)将步骤(2)得到的籽晶按照步骤(1)的方法进行重复利用。
12.其中，所述籽晶层中相邻两块籽晶的侧面晶向的角度偏差在4-30
°
的范围。
13.其中，步骤(1)中，所述单晶硅籽晶的长、宽均在50-210mm，高度为10mm-30mm。
14.其中，所述类单晶硅锭的底部长、宽均在200mm-1600mm；开方尺寸在50-210mm。
15.其中，步骤(2)中，进行打磨前的所述第一硅块应满足以下条件：所述第一硅块垂直于坩埚底部的棱边的崩边深度≤0.5mm，其他棱边的崩边深度及各侧面的凹坑深度≤2mm；所述第一硅块上的缝隙标记线与对应棱边的偏差≤1.5mm。
16.其中，步骤(2)中，打磨后的第一硅块对应所述坩埚底部的端面的粗糙度小于0.5mm。
17.其中，步骤(2)中，回收后的所述单晶硅籽晶的高度为10mm-30mm。
18.其中，步骤(1)中所述单晶硅籽晶来源于单晶棒，所述单晶硅籽晶的生长面晶向选自<001>、<011>或<111>晶向族。
19.其中，步骤(1)所述控制温度为：在所述籽晶层上方设置熔融状态的硅料后，控制所述坩埚底部温度低于所述籽晶的熔点，使得所述籽晶层不被完全熔化；然后控制所述坩埚内的温度沿垂直与所述坩埚底部向上的方向逐渐上升形成温度梯度，使得所述熔融状态的硅料在所述单晶硅籽晶上继承所述单晶硅籽晶的晶向结构进行生长，制得类单晶硅锭。
20.本发明提供的铸造类单晶用籽晶的重复利用方法，通过选择横向尺寸与类单晶硅锭的开方尺寸相同的单晶硅籽晶来铸造类单晶硅锭，将所得类单晶硅锭的底面朝上后，对准籽晶拼接缝进行开方，这样可保证开方后的每个第一硅块上均带有一种类型的籽晶，便于后续籽晶分类；将第一硅块对应坩埚底部的端面进行打磨后再切割掉尾部的籽晶区域，可以避免对所得籽晶后续进行再利用时在原来籽晶的基础上增加新的拼接缝，进而避免增加对其再利用时所得类单晶硅锭的位错。该籽晶重复利用后制得的类单晶硅质量与从单晶棒切割下来的单晶硅籽晶初次使用制得的类单晶硅质量相当。本发明通过简单的方法可以实现籽晶的多次重复利用，且对其多次重复利用后制得的类单晶硅锭的质量较高、位错少，可大幅降低铸造类单晶硅的籽晶成本(约降低40％)。
附图说明
21.图1为多块单晶硅籽晶在坩埚底部铺设后的俯视图；
22.图2为对籽晶第一次利用后得到的类单晶硅锭及其上的缝隙标记线；
23.图3为开方后得到的一排第一硅锭的结构示意图；
24.图4为标有籽晶厚度标记线的待切割的第一硅块的结构示意图；
25.图5为本发明实施例1对籽晶首次利用制得的类单晶硅片(a)和对籽晶重复利用1次后制得的类单晶硅片(b)的光致发光(pl)图；
26.图6为本发明另一实施例中将多块单晶硅籽晶在坩埚底部铺设后的俯视图。
具体实施方式
27.以下所述是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
28.本发明实施例第一方面提供了一种铸造类单晶用籽晶的重复利用方法，包括以下
步骤：
29.(1)提供坩埚，将生长面晶向属于同一晶向族的多块单晶硅籽晶拼接铺设在所述坩埚的底部，形成籽晶层；在所述籽晶层上设置熔融状态的硅料，控制温度，使得所述熔融状态的硅料在所述籽晶层上继承所述单晶硅籽晶的晶向结构进行生长，制得类单晶硅锭；
30.其中，所述多块单晶硅籽晶包括至少两种类型，不同类型籽晶的侧面晶向不同，所述籽晶层中相邻两块籽晶的类型不同；
31.(2)取出所述类单晶硅锭，将其与所述坩埚底部接触的底面朝上，将所述底面上的籽晶拼接缝用缝隙标记线标出，并使其延伸至所述类单晶硅锭的四个侧面；
32.对所述类单晶硅锭进行开方得到多个第一硅块，其中，在开方前使开方钢线与所述籽晶拼接缝对准，且步骤(1)中所述单晶硅籽晶的横向尺寸与所述类单晶硅锭的开方尺寸相同；
33.将所述第一硅块对应所述坩埚底部和开口的两个端面打磨平整后，将打磨后的第一硅块上的籽晶区域切割下来，得到回收后的多块单晶硅籽晶，并标记每块单晶硅籽晶的类型；
34.(3)将步骤(2)得到的籽晶按照步骤(1)的方法进行重复利用。
35.步骤(1)中，单晶硅籽晶的铺设方式可根据坩埚大小进行设置，例如可按照4
×
4、5
×
5、6
×
6、7
×7…
等方式拼接铺设在坩埚底部。
36.优选地，步骤(1)中的单晶硅籽晶来源于单晶棒。为了更好地重复利用籽晶，步骤(1)中所述单晶硅籽晶的横向尺寸(即，长、宽)与下述类单晶硅锭的开方尺寸相同。
37.可选地，步骤(1)中所述单晶硅籽晶的长、宽均在50-210mm，高度为10mm-30mm。
38.步骤(1)中，所述单晶硅籽晶的类型是根据其侧面晶向是否相同来划分。同种类型的籽晶的生长面晶向可以相同(例如同为(001)，也可以不同，例如有些为(001)，有些为)。可选地，所述单晶硅籽晶的生长面晶向选自<001>、<011>或<111>晶向族。
39.可选地，所述籽晶层中相邻两块籽晶的侧面晶向的角度偏差在4-30
°
的范围。所述籽晶层中相邻两块籽晶的侧面晶向存在角度偏差，可以避免所述籽晶层在引晶过程中产生位错。优选地，所述籽晶层中相邻两块籽晶的侧面晶向的角度偏差在5-20
°
的范围。这样更有助于相邻的籽晶之间形成低晶界能的晶界，更好地抑制在铸造单晶硅过程中产生的位错。
40.在本发明一实施方式中，待拼接铺设的多块单晶硅籽晶包括两种类型(即第一类籽晶和第二类籽晶)，第一类籽晶和第二类籽晶的生长面晶向相同，侧面晶向不同，在铺设时，第一类籽晶和第二类籽晶交替拼接铺设。
41.优选地，步骤(1)控制温度为：在籽晶层上方设置熔融状态的硅料后，控制坩埚底部温度低于籽晶的熔点，使得籽晶层不被完全熔化；控制坩埚内的温度沿垂直与坩埚底部向上的方向逐渐上升形成温度梯度，使得熔融状态的硅料在籽晶层上继承单晶硅籽晶的晶向结构进行生长，制得类单晶硅锭。
42.步骤(1)中，所述类单晶硅锭的底部尺寸与所述坩埚的尺寸基本相同。可选地，所述类单晶硅锭的底部长、宽均在200-1600mm。进一步优选为1-1.4m。
43.步骤(2)中，将所述缝隙标记线延伸至所述类单晶硅锭的四个侧面，是为了更好地将开方机的开方钢线与所述籽晶拼接缝对准，这样可保证开方后的每个第一硅块上均只带
有一种类型的籽晶，便于后续籽晶分类、再利用。
44.可选地，步骤(2)中，所述类单晶硅锭的开方尺寸在50-210mm，所述开方尺寸是指将所述类单晶硅锭开方后所得的第一硅块的横向尺寸(即，长、宽)。
45.进一步地，步骤(2)中开方后得到的第一硅块的高度为200-480mm。优选为280-360mm。
46.可选地，步骤(2)中，所述第一硅块的打磨过程具体如下：采用平面磨床对所述第一硅块依次进行粗磨和精磨。
47.可选地，打磨后的第一硅块对应所述坩埚底部的端面的粗糙度小于0.5mm。此时，第一硅块对应所述坩埚底部的端面较平整，这样可便于后续从打磨后的第一硅块上切割下来的单晶硅籽晶的重复再利用，避免在再利用时产生新的位错。该粗糙度是指打磨后的第一硅块对应所述坩埚底部的端面上凸起物的高度。
48.其中，步骤(2)中，进行打磨前的所述第一硅块应满足以下条件：所述第一硅块垂直于坩埚底部的棱边的崩边深度≤0.5mm，其他棱边的崩边深度及各侧面的凹坑深度≤2mm；所述第一硅块上的缝隙标记线与对应棱边的偏差≤1.5mm。
49.优选地，打磨前的所述第一硅块的各棱边的崩边深度≤0.5mm，各侧面的凹坑深度≤2mm。
50.可选地，所述将打磨后的第一硅块上的籽晶区域切割下来，具体包括：在打磨后的第一硅块上作出籽晶厚度标记线，并在所述籽晶厚度标记线处切割。所述厚度标记线根据初始籽晶的高度来作出。
51.进一步地，所述籽晶厚度标记线距所述第一硅块对应所述坩埚底部的端面的距离为10mm-30mm。即，回收后的所述单晶硅籽晶的高度为10mm-30mm。
52.其中，步骤(2)中，在将打磨后的第一硅块上的籽晶区域切割下来后，除得到回收后的多块单晶硅籽晶外，还对应得到多个第二硅块，对所述第二硅块进行切片后，得到可用于太阳能电池的类单晶硅片。
53.优选地，在得到回收后的多块单晶硅籽晶后，将各籽晶进行清洗，清洗的方法采用常规方法即可。
54.在按照上述方法步骤(2)得到回收后的多块籽晶后，由于各块籽晶的横向尺寸与类单晶硅锭的开方尺寸相同，这就保证了各籽晶的便捷再利用，只需将回收后的籽晶按步骤(1)的方式拼接铺设在坩埚底部即可，再通过形成的籽晶层来引晶制得类单晶硅锭，实现籽晶的第1次重复利用。然后将该类单晶硅锭再按步骤(2)的方式进行回收、又按照步骤(1)的方法制得类单晶硅锭，实现籽晶的第2次重复使用，以此类推。本发明得到的籽晶可以重复利用1-5次，且重复多次后制得类单晶硅锭的质量和步骤(1)的单晶硅籽晶首次使用得到类单晶硅锭质量相当。可选地，籽晶的重复利用次数为1-5次。
55.可选地，通过重复利用后的籽晶得到的类单晶硅锭的位错密度为≤104个/cm2，位错较少。
56.下面分多个具体实施例对本发明实施例的内容进行介绍。
57.实施例1
58.一种铸造类单晶用籽晶的重复利用方法，包括以下步骤：
59.(1)提供a、b两种类型的籽晶：选取两个直径为9寸(230mm)、生长面晶向为(100)的
直拉单晶圆棒，以侧面晶向(100)的标准开方图案为基准，一个顺时针旋转15
°
，另一个顺时针旋转40
°
后进行开方，得到端面尺寸为158.7mm
×
158.7mm的第一方棒和第二方棒，然后将第一方棒和第二方棒放入切片机中切割，分别形成多个158.7mm长
×
158.7mm宽
×
高30mm的a类籽晶和b类籽晶；这些籽晶的长、宽尺寸与下述类单晶硅锭的开方尺寸相同；
60.铺设籽晶层：提供内径为840mm长和840mm宽的方形坩埚1，取上述158.7mm长
×
158.7mm宽
×
30mm的25块单晶硅籽晶按照图1的5
×
5的方式拼接铺设在坩埚1的底部，得到籽晶层2，其中，这36块单晶硅籽晶的生长晶晶向相同，均为(001)，a类籽晶和b类籽晶的侧面晶向的角度偏差为25
°
；
61.铸造类单晶：在籽晶层1上设置熔融状态的硅料，控制坩埚底部温度低于籽晶的熔点，使得籽晶层不被完全熔化；控制坩埚内的温度沿垂直与坩埚底部向上的方向逐渐上升形成温度梯度，使得熔融状态的硅料在单晶硅籽晶上继承单晶硅籽晶的晶向结构进行生长，制得790mm长
×
790mm宽
×
高280-360mm的类单晶硅锭；
62.(2)2.1、将步骤(1)得到的类单晶硅锭取出后翻转，使其与坩埚底部接触的底面朝上，并注意标示硅锭的生长方向，以便后续切割；然后找到其上的籽晶拼接缝，并用缝隙标记线标出，并注意使缝隙标记线延伸至该类单晶硅锭的四个侧面(参见图2，图2示出了几条横向、纵向缝隙标记线)；
63.2.2、之后对做好缝隙标记线的类单晶硅锭进行开方，注意在开方前使开方机的开方钢线与籽晶拼接缝(即缝隙标记线)对准，开方后得到多个第一硅块，第一硅块的横向尺寸为158.7mm长
×
158.7mm宽；
64.2.3、按以下标准选取符合要求的第一硅块：第一硅块对应垂直于坩埚底部的棱边的崩边深度≤0.5mm，其他棱边的崩边深度及各侧面的凹坑深度≤2mm；第一硅块上的缝隙标记线与对应棱边的偏差≤1.5mm；对选取好的第一硅块的顶面和底面(即，对应坩埚底部和开口的两个端面，参见图3)进行打磨平整，打磨后的第一硅块对应坩埚底部和开口的两个端面的粗糙度均小于0.5mm；
65.2.4、在打磨后的第一硅块上根据步骤(1)籽晶的厚度作出籽晶厚度标记线(参见图4上的虚线)，并在所述籽晶厚度标记线处切割，使第一硅块上的单晶硅籽晶区域分离下来，得到多块第二硅块(图4虚线右侧)和回收后的多块单晶硅籽晶(图4虚线左侧)，并标记好每块单晶硅籽晶的类型(是上述a类还是b类)；
66.(3)将步骤(2)得到的籽晶清洗后，按照步骤(1)的方法再次铺设在坩埚1的底部，并再次制得类单晶硅锭，实现籽晶的第1次重复利用。
67.本实施例1中，将步骤(2)得到的第二硅块进行切片、清洗后得到类单晶硅片，后续可利用该类单晶硅片为原料采用丝网印刷工艺制作成太阳能电池。
68.图5为本发明实施例1对籽晶首次利用制得的类单晶硅片(a)和对籽晶重复利用1次后制得的类单晶硅片(b)的光致发光(pl)图。从图5可以看出，本发明对籽晶重复利用一次后制得的铸造单晶的质量和对籽晶首次利用制得的铸造单晶的质量相当(参见图5)，基本没有增加新的拼接缝，进而说明未增加新的位错。
69.此外，对籽晶重复利用一次后制得的类单晶硅锭采用光学显微镜(放大200倍)进行位错观察，检测得知类单晶硅锭的平均位错密度≤104个/cm2。
70.实施例2
71.一种铸造类单晶用籽晶的重复利用方法，包括以下步骤：
72.(1)提供a、b两种类型的籽晶：选取两个直径为9.5寸(240mm)、生长面晶向为(100)的直拉单晶圆棒，以侧面晶向(110)的标准开方图案为基准，一个顺时针旋转20
°
，另一个顺时针旋转30
°
后进行开方，得到端面尺寸为166.75mm
×
166.75mm的第一方棒和第二方棒，然后将第一方棒和第二方棒放入切片机中切割，分别形成多个166.75mm长
×
166.75mm宽
×
高25mm的a类籽晶和b类籽晶；这些籽晶的长、宽尺寸与下述类单晶硅锭的开方尺寸相同；
73.铺设籽晶层：提供内径为1300mm长和1300mm宽的方形坩埚(g7的坩埚)，取上述166.75mm长
×
166.75mm宽
×
25mm高的49块单晶硅籽晶按照图6的7
×
7的方式拼接铺设在坩埚的底部，得到籽晶层，其中，a类籽晶和b类籽晶的侧面晶向的角度偏差为10
°
，a-籽晶与a籽晶的生长面晶向相反(a-籽晶相当于将a籽晶的上下翻转了180
°
)，b-籽晶与b籽晶的生长面晶向相反；
74.铸造类单晶：在上述籽晶层上设置熔融状态的硅料，控制坩埚底部温度低于籽晶的熔点，使籽晶层不被完全熔化；控制坩埚内的温度沿垂直与坩埚底部向上的方向逐渐上升形成温度梯度，使得熔融状态的硅料在单晶硅籽晶上继承单晶硅籽晶的晶向结构进行生长，制得长1240mm
×
宽1240mm
×
高250-360mm的类单晶硅锭；
75.(2)将步骤(1)得到的类单晶硅锭取出后翻转，使其与坩埚底部接触的底面朝上，并注意标示硅锭的生长方向，以便后续切割；然后找到其上的籽晶拼接缝，并用缝隙标记线标出，并注意使缝隙标记线延伸至该类单晶硅锭的四个侧面；
76.之后对做好缝隙标记线的类单晶硅锭进行开方，注意在开方前使开方机的开方钢线与籽晶拼接缝(即缝隙标记线)对准，开方后得到多个第一硅块，第一硅块的横向尺寸为166.75mm长
×
166.75mm宽；
77.选取符合要求的第一硅块，所选取的第一硅块的各棱边的崩边深度≤0.5mm，各侧面的凹坑深度≤2mm；所选取的第一硅块的各棱边上无缝隙标记线(即，开方时，开方钢线与籽晶拼接缝完全重合)，将选取好的第一硅块的顶面和底面(即，对应坩埚底部和开口的两个端面)进行打磨平整，打磨后的第一硅块对应坩埚底部和开口的两个端面的粗糙度均小于0.5mm；
78.在打磨后的第一硅块上根据步骤(1)籽晶的厚度做出籽晶厚度标记线，并在所述籽晶厚度标记线处切割，使第一硅块上的单晶硅籽晶区域分离下来，得到多块第二硅块和回收后的多块单晶硅籽晶，并标记每块单晶硅籽晶的具体类型；
79.(3)将步骤(2)得到的籽晶清洗后，重复上述步骤(1)一次，实现籽晶的第1次重复利用，再依次重复上述步骤(2)、(1)一次，实现籽晶的第2次重复利用。
80.结果发现，对籽晶重复利用2次后制得的铸造单晶的质量和对籽晶首次利用制得的铸造单晶的质量相当，基本没有增加新的位错。
81.实施例3
82.一种铸造类单晶用籽晶的重复利用方法，包括以下步骤：
83.(1)将生长面晶向相同、侧面晶向的角度偏差为5
°
的a、b两类单晶硅籽晶按图1的方式拼接铺设在内径为1100mm长和1100mm宽的方形坩埚(g6坩埚，6
×
6＝36块硅块)的底部，形成籽晶层；其中，a、b两类籽晶的尺寸为：167.7mm长
×
167.7mm宽
×
30mm高；
84.在形成的籽晶层上设置熔融状态的硅料，控制温度，使得熔融状态的硅料在该籽
晶层上继承单晶硅籽晶的晶向结构进行生长，制得类单晶硅锭；
85.(2)按照实施例1的方式对步骤(1)制得的类单晶硅锭翻转后开方，从得到的各第一硅块上回收得到各种类型的单晶硅籽晶；
86.(3)将步骤(2)得到的籽晶清洗后，重复上述步骤(1)一次，实现籽晶的第1次重复利用，再依次重复上述步骤(2)、(1)一次，实现籽晶的第2次重复利用，再依次重复上述步骤(2)、(1)一次，实现籽晶的第3次重复利用。
87.结果发现，对籽晶重复利用3次后制得的铸造单晶的质量和对籽晶首次利用制得的铸造单晶的质量相当，基本没有增加新的位错。
88.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。