[发明专利]生产多晶硅的装置和方法以及多晶硅的锭和片

说明书

本发明涉及通过定向凝固生产晶体硅，特别是多晶硅的装置和方法，涉及由多晶硅生产的锭(整块晶体)和通过将锭分离获得的硅片，以及该硅片在生产太阳能电池中的应用。 

生产用于光电池或者用于生产太阳能电池的多晶硅的硅原料的定向(或取向)凝固是已知的并且变得越来越重要，是由于同其它更昂贵、更复杂的生产技术相比以低成本生产太阳能电池的需要。通过定向凝固生产多晶硅中的一个特定的问题是获得的晶体硅锭中外来杂质的外来沉淀或夹杂物的形成。这样的沉淀或夹杂物在从所述锭生产的硅片内，因而在后续生产的太阳能电池内形成干扰杂质。特别是电活性碳化硅(SiC)沉淀干扰，它在最终应用的装置内的沉淀物区中通过短路转化为，例如，局部加热。基于例如Si₃N₄的氮化物，或者基于具有各自不同成分的氧化物的沉淀或夹杂物也是不希望的。总之，可能影响生产的太阳能电池的效率和特性。 

DE 10056726A(相应于US 2002/0078992A1)在背景介绍部分简要启示了如碳化硅(SiC)的夹杂物的问题。但是，该文献原来的启示没有涉及由电活性晶粒边界引起的晶体缺陷的问题，及其解决办法。 

文献DE 19810019A1阐述了不希望的问题，不过都是不可避免的杂质如氧和碳，分别由操作工艺引入的(例如来自石英坩埚的氧，或者来自晶化装置的石墨部分的碳)。作为昂贵的、高度纯净的原料的备选物质，DE 19810019A1提出预先在原料中添加砷和/或锡杂质，是为了获得效率与应用高纯度硅原料的多晶硅样品相当的太阳能电池。 

2007年10月18日发布的DE 102006017622A1描述了通过定向凝固生产多晶硅的装置和方法，其中将盖子置于装有熔化的液体硅的坩埚上而留下内部空间，并且其中备有吹洗气体入口和吹洗气体出口用来 吹洗硅熔体上方的内部空间。所述吹洗气体将不含氧化碳，优选应用氩气，以便在不含氧化碳的内部空间产生一种气氛并且将气体和蒸汽吹走。这样，试图避免熔体内SiC的形成。 

但是，硅熔体内碳的存在和产生不可能仅仅来自硅熔体上方的气氛，而容易不可避免地结合来自形成硅熔体的原料，还可能来自熔炉或整个装置的其它部分的组件。在前述DE 102006017622A的系统中，硅熔体上方的气体物质不可能达到平衡状态。 

C.Reimann等，在2007年3月7至9日举行的德国晶体生长协会(DGKK)年会上，报道了关于太阳能电池的多晶硅的定向凝固中SiC-和Si₃N₄-沉淀的形成条件分析。证实了从Cs(Si-晶格中的C)的临界浓度发生SiC-沉淀的形成。晶隙氧分布反映相界面的形成。试图解释观察到的Cs-分布，描绘了与迁移的关系图。但是，即使预料到迁移的影响或改变作为避免沉淀的解决方法，这也不容易成为可能，无论在技术上还是以控制方式。此外，这种迁移的变化是否确实会导致避免如SiN-化合物和/或SiC的沉淀还成问题。 

因此，本发明一个目的是提供一种方法和装置，通过它可在晶体，特别是多晶硅的定向凝固时消除或避免外来杂质的沉淀或夹杂物，并且提供由此获得的，由多晶硅制备的相应的锭和硅片，该硅片适合太阳能电池的生产。 

根据本发明，提供了生产晶体硅的方法，它包括如下步骤： 

●形成硅原料的熔体， 

●进行所述硅熔体的定向凝固，其中 

a)在所述熔体上提供呈气体、液体或固体形式的材料的相，以致控制硅熔体中、从而凝固的晶体硅中选自氧、碳和氮的组的外来原子的浓度；和/或 

b)调节和/或控制硅熔体上方气相中气体组分的分压，所述气体组分选自氧气、碳气和氮气以及含有至少一种选自氧、碳和氮的元素的气体物质。 

根据本发明又一实施方案，还提供了生产晶体硅的方法，它包括如下步骤： 

●从硅原料形成熔体， 

●进行所述硅熔体的定向凝固， 

a)其中在一定条件下在坩埚内熔化所述硅原料，其中提供覆盖在硅熔体上方的覆盖料；和/或 

b)其中以一定方式提供坩埚，于是在硅熔体上方形成提供与外部隔离的受控气氛的有限气体空间。 

本发明进一步提供了生产晶体硅的装置或设备，它包括： 

●可装填硅原料的坩埚(5)， 

●至少一个用于加热所述坩埚的加热器(6，7)，其中这样布置所述设备以致