硅晶铸锭的制造方法技术

本发明专利技术涉及一种硅晶铸锭的制造方法，本发明专利技术所述的制造方法利用成核促进层，让多个硅晶粒从硅熔汤中在成核促进层上成核，且沿垂直方向成长，直至硅熔汤全部凝固，以获得硅晶铸锭。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种娃晶铸锭(crystalline silicon ingot)的制造方法,尤其涉及一种利用成核促进层(nucleation promotion layer)让其底部为小尺寸娃晶粒且整体缺陷密度低的。
技术介绍
大多的太阳能电池是吸收太阳光,进而产生光伏效应(photovoltaic effect)。目前太阳能电池的材料大部份都是以硅材为主，主要是因硅材为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、没有毒性、稳定性高等优点，并且其在半导体的应用上已有深厚的基础。以娃材为主的太阳能电池有单晶娃、多晶娃以及非晶娃二大类。以多晶娃作为太阳能电池的原材，主要是基于成本的考虑，因为相较于以现有的拉晶法(Czochralskimethod,即 CZ method)以及浮动区域法(floating zone method,即 FZ method)所制造的单晶硅，多晶硅价格相对地便宜许多。应用在制造太阳能电池上的多晶硅，传统上是利用一般铸造制程来生产。利用铸造制程来制备多晶硅，进而应用在太阳能电池上是本
的现有的技术。简言之，将高纯度的硅熔融在模内(例如，石英坩埚)，在控制凝固下被冷却以形成多晶硅铸锭。接着，所述多晶硅铸锭被切割成接近太阳能电池尺寸大小的晶圆，进而应用在制造太阳能电池上。以这种方法制造的多晶硅铸锭为硅结晶晶粒的聚集体，其中在由其制成的晶圆中，晶粒相互之间的晶向实际上是随机的。在现有的多晶硅中，因为晶粒的随机晶向而难以对所制成的芯片表面进行粗纹化。表面粗纹化后可降低光 反射并提高通过电池表面的光能吸收，来提高光伏电池的效率。另外，在现有的多晶硅晶粒之间的晶界中形成的扭折，倾向形成成核差排的簇集，或形成多条线差排形式的结构缺陷。这些差排以及它们趋向吸引的杂质，造成了由现有的多晶硅制成的光伏电池中电荷载子的快速复合，这会导致电池的效率降低。由这类多晶硅制成的光电池通常比由单晶硅制成的等效光伏电池的效率低，即使考虑了在由现有技术制造的单晶硅中所存在的缺陷的径向分布。然而，因为制造现有的多晶硅相对简单且成本更低，以及在电池加工中有效的缺陷钝化，多晶硅成了广泛用于制造光伏电池的硅材料的形式。现有技术利用单晶硅晶种层并基于方向性凝固制成硅晶铸锭，且一般是利用大尺寸且晶向为(100)的单晶硅立方体作为主要晶种。其期望用于硅单晶太阳能电池制造娃晶圆的晶向为(100)方向，因为利用刻蚀方法方便地形成光捕获表面(light-trappingsurface)。然而，在(100)晶向的晶粒与随机成核的晶粒竞争的结晶期间(100)晶向的晶粒表现差。为了最大化在铸锭中引晶的结晶体积，现有技术利用(111)晶向的硅的边界包围(100)晶向的硅晶种面积。所述边界非常成功地抑制了其它晶向的晶体。以这种方法，能够铸造具有高性能的单晶硅及/或双晶(b1-crystal)硅块状体的铸锭，其最大化所得的晶圆的少数载流子的寿命，所述晶圆用于制造高效太阳能电池。在此，术语单晶硅是指单晶硅的主体，其在整个范围内具有一个一致的晶体晶向。术语〃双晶硅〃是指如下的硅的主体，其在大于或等于所述主体体积50%的范围内具有一个一致的晶体晶向，且在主体的剩余体积内具有另一个一致的晶体晶向。例如，这种双晶硅可以包含具有一个晶体晶向的单晶硅主体，其紧邻构成结晶硅剩余体积的另一种具有不同晶体晶向的单晶硅主体。此外，现有的多晶硅是指具有厘米规模的细微性分布的结晶硅，且在硅的主体内具有多种随机晶向的晶体。然而，前述现有技术是利用昂贵单晶硅晶种的方法，大幅增加硅晶铸锭整体的制造成本。其它现有技术则不借助昂贵的单晶娃晶种,其利用局部过冷(undercooling)先在坩埚底部布满横向长晶，再向上成长柱状结构，其大尺寸硅晶粒具有低缺陷密度。因此，根据其它现有技术制造的硅晶铸锭，其经切片后的硅晶圆制成太阳能电池，可以获得较高的光电转换效率。然而，其它现有技术所提技术仅在实验室里成功验证。延伸至工业级尺寸时，多晶硅铸造欲以局部过冷控制晶面树枝状晶成长布满于坩埚底部变得较为困难。工业等级多晶硅铸造受到坩埚与整体受热均匀性的影响，增加初始过冷度的控制变异，容易令多晶硅在坩埚底部成长为大晶粒且成为缺陷密度偏高的区域，在成长延伸时更快速增加缺陷密度，致使硅晶铸锭整体晶体质量变差，后续制成的太阳能电池的光电转换效率也较低。此外，请参阅附图1，现有多晶硅铸锭的晶向检测结果投射在结晶几何极图中由晶向(001)、(111)及(101)构成三角形的示意图结果。附图1显示现有多晶硅铸锭其优势晶向(dominant orientation)为介于(112)与(315)之间及/或介于(313)与(111)之间的晶向。在此，术语〃优势晶向〃是指占硅晶铸锭的体积百分比高于50%的晶向群组。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种利用成核促进层协助硅晶粒成核，且成长成底部为小尺寸硅晶粒、整体缺陷密度低的。根据本专利技术所述的方法所制造的硅晶铸锭其后续制成的太阳能电池的成本`较低、光电转换效率也较高。此外，本专利技术的另一目的在于，提供一种制造具有不同于现有硅晶圆的特殊结晶特性的硅晶铸锭的方法。本专利技术的一优选具体实施例的，首先装成核促进层至模内的底部，模本身定义垂直方向。接着，装硅原料至模内，且放置在成核促进层上。接着，加热模直至娃原料全部熔化成娃熔汤(silicon melt)。接着,控制娃熔汤的至少一热场参数(thermal control parameter),使多个娃晶粒从娃熔汤中在成核促进层上成核,且沿垂直方向成长。最后，继续控制至少一热场参数，使多个硅晶粒继续沿垂直方向成长，且直至硅熔汤全部凝固以获得娃晶铸锭。于一具体实施例中，成核促进层并且抑制多个硅晶粒于成长过程中缺陷密度的增力口。硅晶铸锭内缺陷密度沿着垂直方向的增率为0.01%/mnTl0%/mm。于一具体实施例中，紧邻成核促进层的硅晶粒的平均晶粒尺寸小于10mm。于一具体实施例中，成核促进层由多个具有不规则形状的结晶颗粒所构成，且每一结晶颗粒的颗粒尺寸小于50mm。于一具体实施例中，多个结晶颗粒为多晶硅颗粒、单晶硅颗粒、单晶碳化硅颗粒或其它熔点高于约1400°C的材料形成且有助于成核的结晶颗粒。于另一具体实施例中，成核促进层为板体，板体由熔点高于约1400°C的材料形成。板体与硅熔汤接触的表面具有范围从300 μ m至1000 μ m的粗糙度，以提供多个硅晶粒多个成核点。于一具体实施例中，根据本专利技术的方法所制造的硅晶铸锭其多个硅晶粒的优势晶向介于(001)与(111)之间，并且多个硅晶粒中具有优势晶向的硅晶粒占体积百分比高于50%。于一具体实施例中，加热器(heater)安置在模之上，并且定向凝固块(directional solidification block)安置在模的下方。至少一热场参数可以包含从加热器至模的第一温度梯度、从硅熔汤的底部至定向凝固块的顶部的第二温度梯度或热传输通量，等等热场参数。本专利技术的另一优选具体实施例的，首先装成核促进层至模内的底部，成核促进层由多个具不规则形状的结晶颗粒接合在一起所形成，模本身定义垂直方向。接着，装硅原料至模内，且放置在成核促进层上。接着，加热模直至硅原料全部熔化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅晶铸锭的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：?(a)安装一成核促进层至一模内的底部，所述模本身定义一垂直方向；?(b)安装一硅原料至所述模内，且放置在所述成核促进层上；?(c)加热所述模，直至所述硅原料全部熔化成一硅熔汤；?(d)控制所述硅熔汤的至少一热场参数，使多个硅晶粒从所述硅熔汤中在所述成核促进层上成核且沿所述垂直方向成长；以及?(e)继续控制所述热场参数，使所述多个硅晶粒继续沿所述垂直方向成长，直到所述硅熔汤全部凝固以获得所述硅晶铸锭。

【技术特征摘要】
2011.11.28 TW 100143484;2012.05.10 TW 1011165911.一种硅晶铸锭的制造方法，其特征在于，包括如下步骤:(a)安装一成核促进层至一模内的底部，所述模本身定义一垂直方向；(b)安装一硅原料至所述模内，且放置在所述成核促进层上；(C)加热所述模，直至所述硅原料全部熔化成一硅熔汤；(d)控制所述硅熔汤的至少一热场参数，使多个硅晶粒从所述硅熔汤中在所述成核促进层上成核且沿所述垂直方向成长；以及(e)继续控制所述热场参数，使所述多个硅晶粒继续沿所述垂直方向成长，直到所述硅熔汤全部凝固以获得所述硅晶铸锭。2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅晶铸锭内缺陷密度沿着所述垂直方向的增率为 0.01%/mnTl0%/mm。3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，紧邻所述成核促进层的硅晶粒的平均晶粒尺寸小于10mm。4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，所述成核促进层由多个具有不规则形状的结晶颗粒所构成，且每一结晶颗粒的颗粒尺寸小于50mm。5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，所述多个结晶颗粒包含选自由一多晶硅颗粒、一单晶硅颗粒以及一单晶碳化硅颗粒所组成的群组中的其中之一。6.按权利要求4所述的方法，其特征在于，所述多个结晶颗粒包含一多晶硅颗粒或一单晶硅颗粒，在步骤(C)中，所述多个结晶颗粒一部分熔化，其余部分未熔化。7.按权利要求3所述的方法，其特征在于，所述成核促进层为一板体，所述板体由一熔点高于1400°C的材料形成，所述板体与所述硅熔汤接触的表面具有范围从300μπι至1000 μ m的粗糙度，以提供所述多个硅晶粒多个成核点。8.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个硅晶粒的优势晶向介于(001)与(111)之间，所述多个硅晶粒中具有优势晶向的硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：余文怀，杨承叡，杨瑜民，白凯元，蓝文杰，姜侑宗，许松林，徐文庆，蓝崇文，
申请(专利权)人：昆山中辰矽晶有限公司，
类型：发明
国别省市：