[發明專利]包含成核促進顆粒的硅晶鑄錠及其制造方法

在審

• 申請號: 201210053083.1
• 申請日: 2012-03-02
• 公開（公告）號: CN103255475A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 倪笙華;蕭明恭;林欽山;許松林
• 申請（專利權）人: 昆山中辰矽晶有限公司
• 主分類號: C30B29/06
• 分類號: C30B29/06;C30B11/00;C30B28/06
• 代理公司: 上海翼勝專利商標事務所(普通合伙) 31218
• 代理人: 翟羽

技術領域

本發明關于一種硅晶鑄錠(crystalline?silicon?ingot)及其制造方法，特別地說，是關于一種利用成核促進顆粒(nucleation?promotion?particle)讓其底部為小尺寸硅晶粒且整體缺陷密度低的硅晶鑄錠及其制造方法。

背景技術

大多數的太陽能電池是吸收太陽光，進而產生光伏效應(photovoltaic?effect)。目前太陽能電池的材料大部份都是以硅材為主，主要是因為硅是目前地球上最容易取到的第二多元素，并且其具有材料成本低廉、沒有毒性、穩定性高等優點，并且其在半導體上的應用已有深厚的基礎。

以硅材為主的太陽能電池有單晶硅、多晶硅以及非晶硅三大類。以多晶硅做為太陽能電池的原材，主要是基于成本的考慮，因為相較于現有的拉晶法(Czochralski?method,?CZ?method)以及浮動區域法(floating?zone?method,?FZ?method)所制造的單晶硅，多晶硅價格相對地便宜許多。

在制造太陽能電池上使用的多晶硅，傳統上是利用一般鑄造工藝來生產。利用鑄造工藝來制備多晶硅，進而應用在太陽能電池上是本技術領域的現有技術。簡言之，將高純度的硅熔融在模內(例如，石英坩堝)成硅熔湯(silicon?melt)，在控制凝固下冷卻硅熔湯以形成多晶硅鑄錠。接著，所述多晶硅鑄錠被切割成接近太陽能電池尺寸大小的晶圓，進而應用在制造太陽能電池上。以這種方法制造的多晶硅鑄錠為硅結晶晶粒的聚集體，其中在由其制成的晶圓中，晶粒相互之間的晶向實際上是隨機的。

在依傳統鑄造工藝所制造的多晶硅中，因為晶粒的隨機晶向而難以對所制成的芯片表面進行粗糙化。表面粗糙化后可降低光反射并提高通過電池表面的光能吸收，來提高光伏電池的效率。另外，在現有的多晶硅晶粒之間的晶界中形成的扭折，傾向形成成核差排的簇集、或形成多條線差排形式的結構缺陷。這些差排以及它們趨向吸引的雜質，造成了由現有的多晶硅制成的光伏電池中電荷載子的快速復合。這會導致電池的效率降低。由這類多晶硅制成的光電池通常比由單晶硅制成的等效光伏電池的效率低，即使考慮了由現有技術制造的單晶硅中所存在的缺陷的徑向分布。然而，因為制造現有的多晶硅相對簡單且成本更低，以及在電池加工中有效的缺陷鈍化，多晶硅成了廣泛用于制造光伏電池的硅材料。

現有技術揭露利用單晶硅籽晶層并基于方向性凝固制成硅晶鑄錠，且一般是利用大尺寸且晶向為(100)的單晶硅立方體作為主要籽晶。其希望用于硅單晶太陽能電池制造硅晶圓的晶向為(100)方向，因為在（100）晶向上利用刻蝕方法可以方便地形成光捕獲表面(light-trapping?surface)。不幸的是，在(100)晶向的晶粒與隨機成核的晶粒競爭的結晶期間(100)晶向的晶粒表現差。為了使得在鑄錠中引晶的結晶體積最大化，現有技術揭示利用(111)晶向的硅的邊界包圍(100)晶向的硅籽晶。所述邊界非常成功地抑制了其它晶向的晶體。采用這種方法，能夠鑄造具有高性能的單晶硅及/或雙晶(bi-crystal)硅塊狀體的鑄錠，其使得所得的晶圓的少數載流子的壽命最大化，所述晶圓用于制造高效太陽能電池。在此，術語“單晶硅”是指單晶硅的主體，其在整個范圍內具有一個一致的晶體晶向。術語雙晶硅是指如下的硅的主體，其在大于或等于所述主體體積50%?的范圍內具有一個一致的晶體晶向，且在主體的剩余體積內具有另一個一致的晶體晶向。例如，這種雙晶硅可以包含具有一個晶體晶向的單晶硅主體，其緊鄰構成結晶硅剩余體積的另一種具有不同晶體晶向的單晶硅主體。此外，現有的多晶硅是指具有厘米規模的細微性分布的結晶硅，且在硅的主體內具有多種隨機晶向的晶體。然而，前述現有技術是利用昂貴單晶硅籽晶的方法，大幅增加硅晶鑄錠整體的制造成本。

另一現有技術則不借助昂貴的單晶硅籽晶，其利用局部過冷(undercooling)先在坩堝底部布滿橫向長晶，再向上成長柱狀結構，其大尺寸硅晶粒具有低缺陷密度。因此，根據其它現有技術制造的硅晶鑄錠，經切片后的硅晶圓制成太陽能電池，可以獲得較高的光電轉換效率。

然而，上述的局部過冷的技術僅在實驗室里成功驗證。延伸至工業級尺寸時，多晶硅鑄造欲以局部過冷控制晶面樹枝狀晶成長布滿于坩堝底部變得較為困難。工業等級多晶硅鑄造受到坩堝與整體受熱均勻性的影響，增加初始過冷度的控制的不同，容易令多晶硅在坩堝底部成長為大晶粒且成為缺陷密度偏高的區域，在成長延伸時更快速增加缺陷密度，致使硅晶鑄錠整體晶體質量變差，后續制成的太陽能電池的光電轉換效率也較低。

發明內容