CN101597790A - 氮气下融硅掺氮制备铸造多晶硅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在氮气下融硅掺氮制备铸造多晶硅的方法，通过在多晶硅原料融化阶段通入氮气与融硅反应的方式掺入氮，通过控制融硅时间来控制掺氮浓度，定向凝固铸造得到氮浓度可控的掺氮多晶硅，其具有较高的机械强度，用于太阳能电池中可切割为更薄的硅片，从而降低太阳能电池的生产成本；还可进一步用于生产不同机械强度要求的掺氮多晶硅。本发明还公开了上述方法得到的铸造多晶硅，含有浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm³的硼、镓和磷，还含有浓度为1×10¹³～5×10¹⁵/cm³的氮。

Description

氮气下融硅掺氮制备铸造多晶硅的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及在氮气下融硅掺氮制备铸造多晶硅的方法。

背景技术

太阳能是取之不尽的清洁能源，利用半导体材料的光电转换特性，制备成太阳能电池，可以将太阳能转变成电能。

铸造多晶硅是太阳能电池的一种主要材料，但其缺点是机械强度较低。如果降低铸造多晶硅片的厚度，就会使硅片在加工、电池制备和电池组装成组件等过程中，容易损伤、破碎，硅片的破碎率增加，势必导致成本的增加。而当前影响太阳能电池广泛使用的一个主要障碍就是成本较高，电池的主要成本又在于硅片。为了降低成本，现在采用的措施是减少硅片的厚度，使得每一片硅片的材料用量减少。因此，现有的铸造多晶硅难以制成薄的硅片的缺陷，造成硅片成本增加，限制了其使用。

发明内容

本发明提供了在氮气下融硅掺氮制备铸造多晶硅的方法，利用氮在硅中能提高其机械强度的特性，解决了现有铸造多晶硅机械强度较低的问题；同时通过对通入氮气的时间来控制氮的掺杂浓度，实现氮浓度可控的掺氮多晶硅的制备。

在氮气下融硅掺氮制备铸造多晶硅的方法，包括以下步骤：

(1)将多晶硅原料置于坩埚内，按目标掺杂浓度计算的投料量加入电活性掺杂剂，装炉；其中，所述的电活性掺杂剂为硼、镓或磷；所述的目标掺杂浓度为本发明要制备得到的目标产物中电活性掺杂剂的浓度。本发明中，电活性掺杂剂的目标掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm³。

(2)将炉室抽真空后通入氮气，将多晶硅原料和电活性掺杂剂加热至完全融化得到硅熔体，加热温度为硅熔点以上，优选1420～1450℃，既可融化多晶硅原料和电活性掺杂剂，又不产生太高的能耗。

其中，氮气的压力为5～200Torr，流量为1～200L/min，氮气通入时间为1～30小时，优选为5～20小时。在氮气保护下融硅的同时，氮气通过与融硅反应进入硅熔体。可通过改变氮气通入时间(即融硅时间)来控制掺氮的量，以实现氮的可控掺杂。

本发明中，优选采用纯度为99.999～99.9999％的氮气，可保证不会因纯度过低引入杂质影响产品质量，又不至因使用过高纯度氮气增加成本。

(3)在开始铸造多晶硅时，将氮气换成氩气，以1～4mm/min的速度提升炉内保温罩，同时冷却坩锅底部，使得硅熔体的热交换主要发生在坩埚底部，这样，硅熔体从底部向上逐渐定向凝固形成含氮浓度为1×10¹³～5×10¹⁵/cm³的铸造多晶硅。

本发明中，通过冷却坩锅底部和调整炉内保温罩位置来调节热场，形成单方向的热流(晶体的生长方向垂直向上，热流方向垂直向下)进行定向凝固，该过程中仅在固-液界面处存在一定的轴向温度梯度，而在横向的平面温度梯度较小，实现从下至上的铸造单晶硅的生长。通常，采取在坩埚底部吹入冷却气体或通入冷却水来冷却坩锅底部。其中，冷却气体可采用安全、便宜、易得的常用气体，一般采用冷却惰性气体或冷却氮气。

上述方法制得的铸造多晶硅，含有浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm³的硼、镓或磷，还含有浓度为1×10¹³～5×10¹⁵/cm³的氮。

本发明方法采用在氮气下融硅，使得氮与融硅反应进入硅熔体，定向凝固铸造得到掺氮多晶硅，由于掺入的氮能够钉扎硅中位错，因此掺氮多晶硅机械强度较高，使得硅片可以切割得更薄，应用于太阳能电池中可大幅降低成本；掺氮多晶硅位错密度较少，硅片的寿命更长。此外，还可通过改变氮气通入时间(即：融硅的时间)来控制掺入的氮的浓度，得到氮浓度可控的掺氮铸造多晶硅，可进一步用于生产不同机械强度要求的掺氮多晶硅的。

具体实施方式

实施例1

将240kg的多晶硅原料置于坩埚，掺入60g的掺杂剂镓，装炉。然后将炉室抽成真空并通入纯度为99.999％的氮气，氮气的压力为10Torr，氮气的流量为10L/min，将多晶硅原料和镓逐渐加热到1420℃，直至完全熔化得到硅熔体。氮气通入5小时后，将氩气换成氮气，然后铸造多晶硅。以2mm/min的速度提升炉内保温罩，同时在坩埚底部吹入冷却氦气，使得硅熔体的热交换主要发生在坩埚底部，这样，硅熔体会从底部向上逐渐定向凝固形成掺氮的多晶硅。形成的多晶硅中镓浓度为1×10¹⁶/cm³，而氮浓度为1×10¹⁴/cm³。

通过三点弯法测试本实施例得到的掺氮铸造多晶硅的室温断裂机械强度为220N/mm²，而同样条件下不掺氮的铸造多晶硅的室温断裂机械强度为180N/mm²，本实施例的掺氮铸造多晶硅比不掺氮的铸造多晶硅机械强度增加20％。采用u-PCD法测得在未钝化表面复合的情况下，本实施例得到的掺氮铸造多晶硅片的少子寿命为3.5μs，可用于太阳能电池。

实施例2

将240kg的多晶硅原料置于坩埚，掺入6g的掺杂剂硼，装炉。然后将炉室抽成真空并通入纯度为99.9999％的氮气，氮气的压力为100Torr，氮气的流量为100L/min，将多晶硅原料和硼逐渐加热到1450℃，直至完全熔化得到硅熔体。氮气通入16小时后，将氩气换成氮气，开始铸造多晶硅。以4mm/min的速度提升炉内保温罩，同时在坩埚底部通入冷却水，使得硅熔体的热交换主要发生在坩埚底部，这样，硅熔体会从底部向上逐渐定向凝固形成掺氮的多晶硅。形成的多晶硅中硼浓度为1×10¹⁵/cm³，而氮浓度为1×10¹⁵/cm³。

通过三点弯法测试本实施例得到的掺氮的铸造多晶硅的室温断裂机械强度为270N/mm²，而同样条件下不掺氮的铸造多晶硅的室温断裂机械强度为180N/mm²，本实施例的掺氮的铸造多晶硅比不掺氮的铸造多晶硅机械强度增加50％。采用u-PCD法测得在未钝化表面复合的情况下，本实施例得到的掺氮的铸造多晶硅片的少子寿命为3μs，可用于太阳能电池。

Claims (3)

1、氮气下融硅掺氮制备铸造多晶硅的方法，包括以下步骤：

(1)将多晶硅原料置于坩埚内，加入电活性掺杂剂，装炉；其中，所述的电活性掺杂剂为硼、镓或磷；

(2)将炉室抽真空后通入氮气，将多晶硅原料及电活性掺杂剂加热至完全融化形成硅熔体，加热温度为硅熔点以上；其中，氮气的压力为5～200Torr，流量为1～200L/min，氮气通入时间为1～30小时；

(3)将氮气换成氩气，以1～4mm/min的速度提升炉内保温罩，同时冷却坩锅底部，定向凝固形成含氮浓度为1×10¹³～5×10¹⁵/cm³的铸造多晶硅；

所述的电活性掺杂剂的加入量以形成的铸造多晶硅中含有的硼、镓或磷浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm³计。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，氮气的通入时间为5～20小时。

3、根据权利要求1或2所述的方法制备得到的铸造多晶硅，其特征在于：含有浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm³的硼、镓或磷，还含有浓度为1×10¹³～5×10¹⁵/cm³的氮。