掺氮的定向凝固铸造多晶硅及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种掺氮的定向凝固铸造多晶硅及其制备方法，利用便宜的氮气取代昂贵的氩气作为保护气体，实现低成本定向凝固铸造多晶硅；同时，由于在氮气气氛下进行融硅和铸造，实现在多晶硅中掺入氮，得到掺氮铸造多晶硅，提高了铸造多晶硅的机械强度，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。本发明专利技术的铸造多晶硅含有浓度为１×１０↑［１５］～１×１０↑［１７］／ｃｍ↑［３］的硼、镓和磷，还含有浓度为１×１０↑［１３］～５×１０↑［１５］／ｃｍ↑［３］的氮。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体
，尤其涉及一种掺氮的定向凝固铸造多晶 硅及其制备方法。
技术介绍
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。定向凝固铸造多晶硅是太阳能电池的一种主要材料，影响太阳能电池 广泛使用的 一个主要障碍是成本较高。在铸造多晶硅制造过程中 一般采用 高纯氩气作为保护气。主要原因是因为氩气是一种惰性气体，它不但不会 与融硅反应，而且可以阻隔炉腔中可能存在的其他活性较高的气体与融硅 反应，从而保证了晶体的质量。但是，高纯氩气的制备成本比较高，在铸 造多晶硅的制造成本中占有一定的比例。因而，现有4支术中常用的氩气气 氛中铸造多晶硅的高成本大大限制了太阳能电池的广泛使用，探求一种在 低成本的保护气氛下铸造多晶硅是非常有必要的。
技术实现思路
本专利技术提供了一种掺氮的定向凝固铸造多晶硅，其机械强度高，可以 切成更薄的硅片应用于太阳能电池，降低太阳能电池的制造成本。一种摻氮的定向凝固铸造多晶硅，含有浓度为lxlO" lxlO力cmS的 硼、镓或磷，还含有浓度为lxi()B-5xlO"/cm3的氮。本专利技术还提供了上述的掺氮的定向凝固铸造多晶硅的制备方法，用氮 气取代成本高昂的氩气，解决了现有定向凝固铸造多晶硅生产成本高昂的 问题。上述的掺氮的定向凝固铸造多晶硅的制备方法，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 专利技术要制备得到的目标产物中电活性掺杂剂的浓度，本专利技术中，电活性摻 杂剂的目标掺杂浓度为Ixl015~lxl017/cm3。(2) 将炉室抽真空后通入氮气，氮气的压力为5 200Torr，流量为1~ 200L/min;将多晶硅原料和电活性掺杂剂加热至完全融化成液体得到硅熔 体，加热温度为石圭熔点以上，优选1420~ 1450°C,既可融化多晶珪原料和 电活性掺杂剂，又不产生太高的能耗。(3) 以l~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 定向凝固形成掺氮的多晶硅。该定向凝固铸造单晶硅的过程也是在氮气气 氛中进行的。本专利技术中，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，从而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蚶锅底部。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。本专利技术中，融硅和铸造过程中通入的氮气优选釆用纯度为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 因使用过高纯度的氮气增加成本。可通过调节氮气的压力和流量来控制掺 氮的量。本专利技术方法采用低廉的高纯氮气取代高纯氩气作为保护气，减少了铸 造多晶硅的制造成本，同时，通入氮气作为保护气用于融硅和铸造过程中 时，氮可与融硅反应进入硅熔体，也可在铸造过程中掺入，从而获得摻氮 的定向凝固铸造多晶硅。掺氮的定向凝固铸造多晶硅中，掺入的氮能够钉 扎硅中位错，可以增强铸造多晶硅的机械强度、减少位错的密度，提高了 硅片的寿命，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。具体实施方式 实施例1将240kg的多晶硅原料置于坩埚，掺入20mg的掺杂剂硼，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100L/min。将多晶硅原料和硼逐渐加热到1420°C,直至完 全熔化形成硅熔体。然后以2mm/min的速度提升保温罩，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 体从底部向上逐渐定向凝固形成掺氮多晶硅。形成的掺氮多晶硅中硼浓度 为6xl015/cm3，氮浓度为lxl015/cm3。在整个铸造多晶硅过程中均采取氮 气保护，时间为72小时。本实施例在99.999%氮气保护下定向凝固铸造多晶硅制造成本比在 相同条件下相同纯度的氩气保护下定向凝固铸造多晶硅要节约50000元；u-PCD在未钝化表面复合的情况下测得其少子寿命为3微秒，可用于太阳 能电池的制备。实施例2将450kg的多晶硅原料置于坩埚，掺入20mg的掺杂剂硼，实现装炉。 然后将炉室抽成真空通入纯度为99.9999%的氮气，将多晶硅原料和硼逐 渐加热到145CTC,直至完全熔化形成硅熔体，其中氮气的压力为100Torr， 氮气的流量为10L/min。然后以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， 硅熔体从底部向上逐渐定向凝固形成掺氮多晶硅。形成的掺氮多晶硅中硼 浓度为6xl015/cm3，氮浓度为5xl015/cm3。在整个铸造多晶硅过程中均采 取氮气保护，时间为56小时。本实施例中，在99.9999%氮气保护下定向凝固铸造多晶硅制造成本 比在相同条件下相同纯度的氩气保护下定向凝固铸造多晶硅要节约20000 元，u-PCD在未钝化表面复合的情况下测得其少子寿命为3.5微秒，可用 于太阳能电池的制备。权利要求1、一种掺氮的定向凝固铸造多晶硅，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。2、 如权利要求1所述的掺氮的定向凝固铸造多晶硅的制备方法，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，氮气的压力为5 200Torr，流量为1~ 200L/min;将多晶硅原料及电活性掺杂剂加热至完全融化，加热温度为硅 熔点以上；(3) 以l~4mm/min的速度提升炉内保温罩，同时冷却坩锅底部， 定向凝固，形成掺氮的定向凝固铸造多晶硅。3、 如权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中，所述 的加热温度为1420~ 1450°C。全文摘要本专利技术公开了一种，利用便宜的氮气取代昂贵的氩气作为保护气体，实现低成本定向凝固铸造多晶硅；同时，由于在氮气气氛下进行融硅和铸造，实现在多晶硅中掺入氮，得到掺氮铸造多晶硅，提高了铸造多晶硅的机械强度，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。本专利技术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。文档编号C30B28/00GK101597791SQ20091009999公开日2009年12月9日 申请日期2009年6月24日 优先权日200本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺氮的定向凝固铸造多晶硅，其特征在于：含有浓度为１×１０↑［１５］～１×１０↑［１７］／ｃｍ↑［３］的硼、镓或磷，还含有浓度为１×１０↑［１３］～５×１０↑［１５］／ｃｍ↑［３］的氮。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨德仁，余学功，阙端麟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]