[发明专利]升级冶金级硅材料提纯的过程控制

说明书

技术领域

本发明总体上涉及硅处理的领域，本发明特别涉及升级冶金级硅的提纯。

本发明要求2009年11月11日提交的临时专利申请61/260,391的权益。

背景技术

光伏(PV)行业正在快速增长，除了更传统的集成电路(IC)应用之外，光伏行业消耗的硅的数量也在增长。目前，太阳能电池行业的硅需求开始与IC行业的硅需求相匹敌。以目前的制造技术，集成电路(IC)和太阳能电池行业都需要精炼、提纯的硅原料作为原材料。

太阳能电池的材料选择范围包括从单晶、电子级(EG)硅到较脏的冶金级(MG)硅。EG硅使太阳能电池具有接近理论极限的效率，但是价格过高。另一方面，MG硅通常不能制造有效的太阳能电池。使用多晶硅的早期太阳能电池仅能获得很低的大约6％的效率。本文中，效率是入射到电池上的能量与采集并转化为电流的能量之比的度量。但是，可能存在其他可用于太阳能电池制造的半导体材料。但是实际上，几乎90％的商用太阳能电池由单晶硅制成。

目前，通过更高纯度的材料和改进的处理技术，市售电池的效率可达到24％。这些工程进步已帮助行业接近理论极限，即对于单结硅太阳能电池的效率为31％。

由于获得和使用高纯度硅原料的高成本和复杂处理要求，并由于与来自IC行业的需求的竞争，EG、MG或使用已知处理技术的其他硅生产商不能满足用于太阳能电池的硅需求。只要这种不足状态持续，就不能得到用于大规模电能制造的经济的太阳能电池。

几个因素决定了可用于太阳能电池制造的原料硅材料的质量。硅原料质量经常根据材料中存在的杂质的量波动。为了提高硅原料质量，待控制和去除的主要元素是硼(B)、磷(P)和铝(Al)，因为它们显著影响硅的电阻率。基于升级冶金(UM)硅的原料硅材料经常包含类似量的硼和磷。虽然可以使用化学分析来确定特定元素的浓度，但是这种方法要求很小的样本尺寸(几克)，并经常给出可变的结果，例如存在的硼的量可能从按质量计的百万分之(ppmw)零点五变化到按质量计的百万分之一。此外，对不同批的化学分析给出一致的硼和磷浓度，但是电学参数存在巨大变化。这些不可靠的结果可能是由于相对较少的杂质产生的巨大影响。

电阻率是用于制造太阳能电池的硅(Si)的最重要特性之一。这是因为太阳能电池效率敏感地取决于电阻率。现有技术的太阳能电池技术通常要求电阻率值在0.5Ωcm和5.0Ωcm之间。目前制造的基于UM硅的原料材料经常表现出低于由太阳能电池生产商指定的0.5Ωcm的最小电阻率的基体电阻率。其简单原因是：用于升级UM-Si的昂贵工艺主要涉及除掉非金属，包括掺杂物原子B和P。为了降低成本，显然的倾向是最小化该处理，即UM-Si通常仍然包含高浓度的掺杂物原子。

在获得升级冶金硅的过程中，通常使用定向固化过程中的分凝(segregation)来实现提纯。杂质去除方法包括定向固化，该定向固化将所得硅锭的最后一部分中的杂质(例如B、P、Al、C和过渡金属元素)浓缩以结晶——通常在锭的顶部。在理想的情况下，定向固化过程中的结晶自上而下是均匀的，并且固液交界面在整个锭中是平面的。这将导致在锭中自上而下具有一致的杂质浓度分布，从而能够根据去除锭的顶部的穿过锭的一次平面切割去除锭中的杂质。

但是，控制定向固化过程中的热场是困难的，并经常导致硅锭中晶体的不均匀生长。这导致锭中的不均匀的自上而下的杂质浓度分布(即从锭的一端到另一端)。在大量硅的批量生产中这种效果被进一步放大。由于锭的不同区域具有不同的杂质分布，并因此具有不同的电阻率分布(resistivity profile)，穿过锭的平面切割不能在去除大部分浓缩杂质的同时最大化可用硅产物。

发明内容

因此需要一种提供优化的杂质控制的UMG材料提纯方法。所述方法必须具有成本效益，以便适当地去除杂质而不牺牲可用的足够纯的UMG-Si材料。还需要更准确地识别UMG-Si锭中的杂质浓度分布以及限定用于杂质去除的剪切线，从而制造符合理想杂质浓度阈值的UMG-Si。另一个需要是用于消除UMG-Si锭中的非均匀杂质浓度的改良方法。

还需要一种使基于UMG的多晶硅材料具有良好的锭产物以及增强的机械和电学特性的材料的简单方法，其中电学特性涉及太阳能电池的质量。该方法能够被方便地转用至更高级别的非UMG原料硅，所述原料硅例如通过应用CZ技术或FZ技术而部分地或专门地用于结晶单晶硅材料。

根据所公开的主题，提供一种用于提纯UMG-Si的方法，其基本上消除或减小与先前开发的UMG-Si提纯方法相关的缺点和问题。