[发明专利]使用低等硅原料制成半导体晶锭的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料(例如硅)的制造中使用的方法和系统，更具体地，本发明涉及一种使用低纯度半导体原料制成高纯度半导体晶锭的方法和系统。

背景技术

由于光伏(PV)行业的迅速发展，硅的消耗量越来越大，已经超过了传统应用如集成电路(IC)中的消耗量。目前，太阳能电池行业与集成电路行业对硅的需求开始形成竞争。无论在集成电路行业还是太阳能电池行业中，现有的制造技术都需要一种精练的、高纯度的硅原料作为原始材料。

太阳能电池的原材料范围包括从单晶的、电子级(electronic-grade)(EG)硅，到纯度相对低一些的冶金级硅(MG)。电子级(EG)硅制成的太阳能电池效率接近理论极限(但是价格高昂)，而冶金级(MG)硅通常不能用于生产工作的太阳能电池。早期的使用多晶硅制成的太阳能电池效率相对较低，在6％左右。效率是衡量入射到电池上、由此收集并转换成电流的能量的标准。但是，也有可能存在对太阳能电池制造业有用的其它半导体材料。

目前，商业用电池是使用更高纯度的原料和改进的处理技术制成的，其效率为24％。这些工程方面的进步使得该行业的效率达到了单晶硅太阳能电池效率的理论极限值13％。事实上，90％的商业用太阳能电池都是采用晶体硅制成的。

决定用于太阳能电池制造业的硅原材料其质量的因素有多种。这些因素包括，例如，过渡金属、掺杂物的量和分布。过渡金属对多晶硅太阳能电池的效率构成主要障碍。多晶硅太阳能电池可容纳浓度达到10¹⁶cm^-3的过渡金属如铁(Fe)、铜(Cu)、或者镍(Ni)，因为多晶硅中的金属通常是电子活性较小的杂质或者沉淀物，且一般位于结构缺陷(structural defects)(例如晶粒边界)处而不会自动熔融。

PV行业使用的低等原材料，如(UMG)高级冶金硅，通常被制成具有相应低质量的多晶(mc)硅晶锭或者硅片。高浓度的杂质使得多晶(mc)硅晶锭或者硅片的质量较低，最终导致太阳能电池的性能降低。杂质再结合多晶硅(mc-Si)的结构缺陷，使得太阳能电池性能的降低尤为严重。在这方面，最严重的缺点之一就是晶内错位(intra-granular dislocations)，这些主要是在晶体的冷却阶段中释放未受控制的应力时引起的。

通过各种净化技术，比如往熔融硅(molten Si)中通入活性气体，可以提取出非金属杂质包括碳(C)和掺杂物(通常为B和P)。一般来说，数个净化步骤/技术的组合可使mc-Si在结晶后达到可接受的质量级别。由于每增加一个净化步骤就会增加成本，因此人们希望尽可能使用低质量的原材料。结果，原材料通常包含大量的C或/和P。如果C的浓度超过结晶时的熔融度，碳化硅(SiC)沉淀就会形成晶体/晶锭，而且SiC会使mc-Si大量降解(degrade)。

在结晶即将结束时，金属杂质会大量增加。如果定向凝固从熔融硅的底部开始，如布里奇曼铸造过程中所发生的那样，处于凝固过程中的mc-Si在各个晶锭顶层会受到严重的污染。由于硅中大多数质量降解的金属在晶体硅中的扩散相对较快，这些金属在晶锭冷却的过程中能部分扩散回到凝固的硅中，导致各个晶锭更深部分的进一步降解。这使得使用后续的渐渐降温(extendedramp-down)进行原位晶锭退火不可能，至少在超过大约1050℃(此时金属扩散特别快)的温度范围内。另一方面，该温度范围可能有利于进行原位退火以改进多晶硅晶锭中的晶体结构和减少多晶硅晶锭中的冻结压力。

如果该工艺过程持续直至熔融硅的凝固完成，那么金属杂质会扩散回硅晶锭中。若不发生扩散，则硅晶锭会具有更高的纯度。这种反扩散导致晶锭中在反扩散没发生时可用的一些硅变得无法使用。目前还没有一种处理方法能够解决这个问题。

因此，有必要寻找一种硅晶锭原料来满足太阳能电池行业对硅的需求，而不会跟IC行业对硅的需求产生竞争。

还需要提供硅晶锭，这种硅晶锭使用昂贵的更高纯度的原材料和/或昂贵的处理技术，能够形成具有目前可达到的效率的商用太阳能电池。

还需要一种能够产出更高质量的硅晶锭的工序，该工序通过使用低等硅原料来降低成本。

另外，还需要一种方法和系统，在经济上以及效率上能够解决硅晶锭形成的最后阶段中杂质反扩散的问题。

发明内容