[发明专利]控制由补偿硅原料制成的硅锭中电阻率的方法和系统

说明书

技术领域

本发明公开的内容涉及半导体材料(例如硅)生产过程中所采用的方法及系统。特别涉及P型硅锭(silicon ingot)形成过程中控制电阻率(resistivity)的方法和系统，该方法和系统可以使用低等级硅原料(silicon feedstock)来制作在太阳能电池或类似产品中十分有用的硅。

背景技术

光电产业正在蓬勃快速发展且成为硅消耗增长的原因，硅消耗超过传统的集成电路(IC)的应用。如今，太阳能电池产业对硅的需求开始与传统IC产业形成竞争。随着现代的制造技术发展，IC产业和太阳能电池产业需要经过精炼、经过提纯的硅原料来作为原始加工材料(starting material)。

用于太阳能电池的替代材料从单晶电子级(electronic grade)硅到含杂质相对较多的冶金级(metallurgical grade)硅。电子级硅加工出来的硅具有接近理论值的效率，但是价格昂贵。另一方面，冶金级硅通常加工不出能正常工作的太阳能电池。早期的太阳能电池使用多晶硅(polycrystalline)，其只有非常低的大约6％的效率。在本专利上下文中，效率是指入射到电池上的能量与电池所收集到的并转化成电流的那部分能量的比值。然而，也许存在着能用于生产太阳能电池的其他的半导体材料。实际上，几乎90％的商业太阳能电池由晶体硅(crystalline silicon)制成。

由于高昂的成本及获得和使用高纯度硅原料的错综复杂的加工要求及与IC产业的竞争，对适合用作太阳能电池的硅的要求不可能由电子级硅、冶金级硅或者其他级别硅的生产者采用已知的加工技术来满足。只要这种状况还存在，那么节能的太阳能电池就不能达到大规模生产。

电阻率是衡量用于生产太阳能电池的硅(Si)的最重要的参数之一。这是因为太阳能电池效率对电阻率比较敏感。最新技术的太阳能电池要求电阻率通常在0.5Ωcm与5.0Ωcm之间。

除了电阻率外，在制造太阳能电池时传导类型是最重要的。传导类型需是P型或者N型，也就是说，电子(electron)或空穴(hole)分别是主要的载流子。在电流电池技术中，P型硅材料通常掺入硼(B)，这会增加半导体中的空穴，换而言之，在各自的硅中扮演接受者的作用。N型硅在电流电池技术中用得很少甚至不用。该材料通常掺入磷(P)，其用于增加电子，换而言之，扮演捐赠者的作用。

基于提纯的冶金硅(upgraded metallurgical silicon，UM-Si)的硅原料常常含有基本相同数量的硼和磷。从而硼引入的空穴与磷引入的电子相互抵消，称为补偿。主要载流子的补偿通常导致硅从P型硅(晶化过程的开始阶段)转化为N型硅(晶化过程的结束阶段)。这是这些掺杂元素的不同分离行为所致：磷具有比硼更小的分离系数(segregation coefficient)。因此，在铸造生产多晶硅的硅锭的情况下，生产过程结束时，硅锭的底部和中部只有P型硅材料而顶部变成了N型硅材料，成为废料。

目前基于提纯的冶金硅的硅原料其电阻率通常在最小电阻率0.5Ωcm以下，该最小电阻率是太阳能电池生产商指定的数值。出现这种情况有一简单的原因：纯化提纯的冶金硅的昂贵的加工过程，该加工过程主要关注排除包括掺杂进入的硼原子核磷原子在内的非金属元素。为了降低成本，出现了缩减该加工过程的明显趋势，也就是说，提纯的冶金硅通常仍然含有较高浓度的掺杂原子。只要硼是主要的掺杂元素，我们就能获得电阻率相对较低的P型硅材料。

磷对硼的补偿，由于在固化过程中硼和磷相异的结合性(incorporation)在晶体化过程中加剧，导致在晶体化过程中电阻率增大。因此，在晶体化开始阶段通常都是很低的电阻率，在晶体化过程中增大。但是，如已述的那样，存在一个普遍的问题：由于磷对硼补偿过度，使电阻率增大得太多，导致传导性从P型转化为N型。向其中加入硼来抑制这一转化是不切实际的，因为这样会进一步使得多晶硅锭底部和中部的电阻率减小。

因此，为了增加硅锭中P型硅材料的份额从而增大该种材料的产出，控制材料的补偿效果是有必要的。

发明内容

本发明披露的方法提供了在使太阳能电池的生产达到量产水平、具经济可行性的硅锭形成过程中相关步骤的整合。本发明披露的内容包括用于形成多晶硅锭的方法和系统，其中硅锭在沿其轴线的全部长度上具有均一的P型半导体材料。通过所披露的加工方法和系统，硅锭可以直接在硅熔炉中形成。例如，利用本发明中披露的方法形成的硅锭，太阳能级晶圆(solar wafer)和太阳能电池能以更高的性价比生产出来(基于多晶硅材料)。