CN102485974B - 一种采用cvd反应直接生长单晶硅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生长单晶硅晶体的方法。具体地，是一种采用CVD反应直接生长单晶硅的方法，具体实施步骤为：(1)在硅衬底表面镀上一层厚度为1-100微米的金属薄层；(2)将该镀有金属薄层的硅衬底放入CVD反应器腔体内，腔体内升温至高于硅衬底与金属共晶点温度，使共晶层液化，形成液态共晶层；其中，所述的共晶点温度低于1000℃；(3)通入含硅原料气至腔体内，同时腔体内升温至该原料气的还原分解温度，生成气相硅原子；(4)生成的气相硅原子被步骤(2)所形成的液态共晶层吸收至过饱和后，在硅衬底下方析出单晶结构的晶体硅。本发明节省了生产工序，降低了成产成本；同时可以选择分解温度较低的硅源气，降低生产能耗。

Description

一种采用CVD反应直接生长单晶硅的方法

技术领域

本发明涉及一种生长单晶硅晶体的方法。具体地，是一种采用CVD反应直接生长单晶硅的方法属光伏材料领域。

技术背景

随着能源危机和环境恶化日趋严重，太阳能电池作为一种清洁、可再生能源逐渐成为人们关注的焦点。目前，太阳电池的硅片主要是由多晶硅、单晶硅制得。而制造单晶硅常用的方法主要是将高纯多晶硅作为原材料，重新铸锭，切片而得。目前常用的多晶硅原料的生产技术主要有硅烷法、硫化床法、冶金法、西门子法和改良西门子法。相比于其他方法，改良西门子法实现了SiCl₄氢化工艺、还原尾气干法回收和闭路循环，是目前生产多晶硅的主要方法。

西门子/改良西门子法技术主要是通过将金属级硅氢化，精馏分离等，最后高温沉积在硅芯上，形成高纯度的原生多晶硅，然后将该高纯多晶硅作为产业链后端的原材料，以其生长硅锭，完成后的硅锭则进一步采用机加工的方法将其截断，切割成满足一定尺寸的硅片。而硅锭的生长是指多晶定向凝固及单晶的提拉，都是先将前期所得高纯的硅原料放置在坩埚中融化，然后完成硅锭生长，该步骤中需要将前期得到的高纯硅原材料破碎并重新装炉，融化来实现硅锭的生长，造成了二次污染，增加了生产成本。并且，产业链上端的西门子法/改良西门子法生产硅原材料属于高能耗，高污染的过程，尤其在多晶硅还原沉积阶段，其反应温度需一直保持在1000℃以上，还原电耗大约70-80度/公斤，整个多晶硅生产过程中的电耗达到300度/公斤左右。

目前，还未见在硅原料气相还原时直接生长单晶硅的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用CVD反应直接生长单晶硅的方法，具体地，是生长太阳电池硅片所用单晶硅的方法，在较低温度下，硅气源在化学气相沉积(CVD)反应腔体的环境中直接生长出单晶结构的硅晶体，生长出的晶体硅锭可直接切片加工成光伏电池组件。

本发明提供了一种采用CVD反应直接生长单晶硅的方法，它是通过以下步骤实施的：

(1)在硅衬底表面镀上一层厚度为1-100微米的金属薄层；

(2)将该镀有金属薄层的硅衬底放入CVD反应器腔体内，腔体内升温至高于硅衬底与金属共晶点温度，使共晶层液化，形成液态共晶层；其中，所述的共晶点温度低于1000℃；

(3)通入含硅原料气至腔体内，同时腔体内升温至该原料气的还原分解温度，生成气相硅原子，该温度应高于或等于共晶点温度；如果还原分解温度低于共晶点温度，则应保持共晶点温度，同时满足原料气分解及形成液态共晶层的条件；

(4)生成的气相硅原子被步骤(2)所得的液态共晶层吸收至过饱和后，在硅衬底下方析出单晶结构的晶体硅，形成了一个动态的溶解析出过程来实现硅晶体的生长。上述反应中无需使用催化剂，即可得到较好的生长效果。

其中，所述的硅衬底选用晶向(111)、尺寸6-8英寸的硅晶片。

进一步地，所述的金属薄层的厚度为1-10微米，该金属薄层太厚则减缓沉积速度，太薄则可能破裂，一般以1-10微米为最佳。

其中，所述的金属薄层是由铝、金、锌或铜制备得到的，所选择的金属能够与硅在较低温度下共晶液化，形成液态共晶层，同时所选用的金属也不能破坏下游的电池生产质量，可以选用处于硅能带结构浅能级的金属，因此，可以优选铝、锌等对晶体硅质量影响较小的金属。

其中，所述的金属薄层是通过磁空溅射或热蒸发沉积得到。

其中，所述含硅原料气是指硅烷、TCS或者其混合物。

其中，所述含硅原料气是硅烷。

本发明中硅衬底起到了结晶取向生长的“晶种”作用，在硅衬底选用取向高的单晶硅，则新生长的硅晶体与硅衬底晶向一致，保证了新生晶体的高度取向，使得新生晶体质量达到或接近单晶的水平。

本发明方法对硅衬底进行了选择，在硅晶体生长完成后，将晶体顶部的金属薄层去掉，即可以达到满足切片标准的硅锭，省去了高纯多晶硅原材料的破碎，铸锭等工序，可将生长的硅锭直接切割成满足太阳电池标准的硅片，大大缩短了产业链步骤及周期，降低了光伏发电的成本。

在本发明中，通过对硅源气的选择，使得仅在高于金属与硅的共晶温度，500℃左右即可沉积生长单晶硅，克服了传统西门子法中硅芯必须保持高于1000℃的沉积温度的缺点，从而降低了能耗，进一步降低了生产成本。

下面通过具体实施例的方式对本发明做进一步详述，但不应理解为是对本发明保护范围的限制，凡基于上述技术思想，利用本领域普通技术知识和惯用手段所做的修改、替换、变更均属于本发明的范围。

具体实施方式

实施例1

在硅衬底表面通过磁空溅射沉积的方法镀上一层10微米厚的金薄层，将该硅衬底放入CVD反应腔体内，升温至363℃，该温度高于硅衬底与金属共晶点温度，形成液态共晶层；然后通入硅烷至CVD反应腔体，同时腔体升温至500℃，将该硅烷还原分解；生成的气相硅原子被液态共晶层吸收至过饱和，并不断在下方硅衬底的晶面上析出硅晶体；制备时，硅衬底选用半导体级抛光硅片，其晶向以(111)为佳，尺寸以6-8英寸适合光伏级硅片大小的为佳。

采用上述方法生长得到的硅晶体，经过足够的生长时间后，其高度可以达到10-20厘米，晶向与原硅衬底一致，将晶体顶部的金属薄层去掉后，即达到单晶硅锭的要求，可以直接用于切割单晶硅片。

由该试验可知，本发明通过金属薄层与硅衬底在较低温度下形成液态共晶层，使得仅在稍高于硅烷分解温度时即能沉积生长单晶硅。试验表明，本方法可生长出直接用于切片的硅锭，节省了生产工序，降低了生产成本；并且在该方法中，使用较低分解温度的硅源气，使单晶硅能够在较低温度下生长(最高温度在500℃)，与现有技术相比，进一步降低了生产能耗。

实施例2

在硅衬底表面通过热蒸发沉积方法镀上一层5微米厚的铝薄层，将该硅衬底放入CVD反应腔体内，升温至527℃，形成液态共晶层，然后通入三氯氢硅(TCS)至CVD反应腔体，同时通入氢气，腔体升温至1150℃左右，将该TCS还原分解为硅及其他副产品，生成的气相硅原子被液态共晶层吸收至过饱和，并不断在下方硅衬底的晶面上析出硅晶体。也可以选用实施例1中的硅衬底，生长直接用于切片的硅锭。

用上述方法生长的硅晶体，经过足够的生长时间后，，其高度可以达到10-20厘米，晶向与原硅衬底一致，将晶体顶部的金属薄层去掉后，即达到单晶硅锭的要求，可以直接用于切割成单晶硅片。

由该试验可知，形成液态共晶层后，在TCS分解温度时也能生长出直接用于切片的硅锭。试验表明了，在硅源气分解温度较高的情况下，本方法也可以直接生长出满足切片标准的硅锭，同样节省了生产工序，降低了成本。

实施例3

在其他条件不变的情况下，对金属薄层的厚度进行了筛选：

由试验结果可知，当金属薄层的厚度在1-10微米时，硅晶体生长速率正常，且金属薄层无裂纹，晶体层未见分裂；厚度小于1微米时，无法得到较好的硅晶体；而厚度大于10微米时，虽然晶体生长较好，但生长的速率明显变慢。因此，考虑到晶体的生长效果以及生产成本，本发明优选1-10微米厚的金属薄层。

综上所述，利用本发明方法可以直接生长出满足切片标准的硅锭，省去了高纯多晶硅原材料的破碎，铸锭等工序，可将生长的硅锭直接切割成满足太阳电池标准的硅片，大大缩短了产业链步骤及周期，降低了太阳电池的生产成本，并且可以选择分解温度较低的硅源气，进一步降低生产能耗，为光伏领域提供了一种制备原料的新方法。

Claims (7)

1.一种采用CVD反应直接生长单晶硅的方法，其特征在于：它是通过以下步骤实施的：

（1）在硅衬底表面镀上一层厚度为1-10微米的金属薄层；

（2）将该镀有金属薄层的硅衬底放入CVD反应器腔体内，腔体内升温至高于硅衬底与金属共晶点温度，使共晶层液化，形成液态共晶层；所述的共晶点温度低于1000℃；

（3）通入含硅原料气至腔体内，同时腔体内升温至该原料气的还原分解温度，生成气相硅原子；

（4）生成的气相硅原子被步骤（2）所得的液态共晶层吸收至过饱和后，在硅衬底下方析出单晶结构的晶体硅。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的硅衬底采用晶向（111）、尺寸为6-8英寸的硅晶片。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的金属薄层为铝、金、锌或铜。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述金属薄层为铝或锌。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属薄层是通过磁空溅射或热蒸发沉积得到。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述含硅原料气是指硅烷、TCS或者其混合物。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述含硅原料气是指硅烷。