CN104947187B - 一种硅片母合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅片母合金的制备方法，该方法为将精制硅源气体与第IIIA族元素的三氯化物、第IIIA族元素的氢化物、第VA族元素的三氯化物、第VA族元素氢化物中的一种或多种通入到流化床反应器内，并向流化床反应器内通入籽晶并使得该籽晶流体化，通过热分解反应制得硅片母合金，其中，第IIIA族元素为硼或铝，第VA族元素为磷或砷。该方法制得的硅片母合金为粒状的硅片母合金，可以进行连续加入原料，并降低生产的硅片母合金的成本，提高产量，现有技术中制得的硅片母合金为块状的整体，本发明有效地解决现有技术制得的硅片母合金在使用过程中无法准确称量及二次破碎过程中引入的二次污染问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体掺杂技术领域，具体涉及一种硅片母合金的制备方法。
背景技术
太阳能电池也称光伏电池，是一种将太阳的光能直接转化为电能的半导体器件。由于它是绿色环保产品，不会引起环境污染，而且是可再生资源，所以在当今能源短缺的情形下，太阳能电池是一种有广阔发展前途的新型能源。
目前在生产太阳能级晶体硅材料时，其电阻率的控制是通过特定电阻率的母合金实现的。光伏用多晶硅、准（类）单晶硅在铸锭或拉制过程中需要对硅料进行电阻率补偿处理，使铸造多晶硅锭、准（类）单晶硅锭电阻率控制在0.5Ω·cm至6Ω·cm以适合制作光伏电池。在铸造过程中，一般使用低阻硼（磷）硅片母合金作为掺杂剂对太阳能级原硅料进行掺杂，硼硅片母合金掺杂剂电阻率一般控制在较低的目标电阻率。
目前，母合金主要通过在高纯原硅料中添加单质掺杂剂，使用单晶炉采用直拉法拉制掺杂剂硅棒，在保证硅料纯度的同时，使硼元素均匀的分散在硅棒中，从而降低原硅料电阻率，使拉制的硅棒符合掺杂剂的要求。CN200510059736.7公开了一种直拉单晶硅用砷掺杂剂的制造方法，采用直拉法生长直拉单晶硅，得到掺砷母合金。CN200910097219.7公开了一种利用多晶硅铸造炉生产母合金的方法，该方法采用多晶硅铸造的方法，对硅料和掺杂剂依次进行抽真空、加热、熔化、长晶、退火、冷却环节，来生产母合金硅锭。CN201310007757.9公开了一种P型掺杂剂及其制备方法，通过去除含有硼元素的不合格的N型单晶硅片中的磷原子，并对去除磷原子的含有硼元素的不合格的N型单晶硅片进行铸锭，制作出P型掺杂剂，实现了不合格硅片的有效利用，降低了生产成本。CN201310296524.5公开了一种N型重掺磷母合金硅棒制备工艺。该法将“N”高纯赤磷加入到熔融的多晶硅中，拉晶，制备母合金。
上述母合金制备方法的技术特征在于：均使用ⅤA、ⅢA族元素单质与硅料在石英坩埚拉制单晶或铸锭制的。存在以下缺点：
（1）均使用第ⅤA、ⅢA族元素单质与硅料在石英坩埚拉制单晶或铸锭制的，在高温下，石英SiO2与Si反应生成SiO，由于熔融的硅与石英坩埚接触面积较大，硅氧含量较高，氧可以与空位结合形成缺陷，也可以与空位、B结合形成缺陷，也可以团簇形成氧团簇，具有电学性能，还可以形成氧沉淀引入诱生缺陷，影响硅片母合金品质。
（2）上述硅片母合金均使用第ⅤA、ⅢA族元素单质与硅料在石英坩埚拉制单晶或铸锭制的，制备过程包括多晶硅生长、拆炉、破碎、包装、转运、装填、母合金生长等过程，在此过程已引入污染，引入金属、氧等杂质，影响硅片母合金品质。
（3）同时，在使用第ⅤA、ⅢA族元素单质与硅料在石英坩埚拉制单晶或铸锭生长过程中，由于磷遇空气中的氧着火，存在安全隐患；锑在硅里的固溶度较低；单质砷因为在空气中产生毒性高的氧化砷，因而存在安全隐患及掺杂剂不能准确控制的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种硅片母合金的制备方法，该方法制得的硅片母合金为粒状的硅片母合金，可以进行连续加入原料，并降低生产的硅片母合金的成本，提高产量，现有技术中制得的硅片母合金为块状的整体，本发明有效地解决现有技术制得的硅片母合金在使用过程中无法准确称量及二次破碎过程中引入的二次污染问题。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种硅片母合金的制备方法，将精制硅源气体与第IIIA族元素的三氯化物、第IIIA族元素的氢化物、第VA族元素的三氯化物、第VA族元素氢化物中的一种或多种通入到流化床反应器内，并向流化床反应器内通入籽晶并使得该籽晶流体化，通过热分解反应制得硅片母合金，其中，所述第IIIA族元素为硼或铝，所述第VA族元素为磷或砷。
优选的是，所述精制硅源气体为甲硅烷、四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅中的一种或几种。
甲硅烷在大于873K的条件下发生热分解反应，产生硅烯中间体（SiH2），硅烯中间体不稳定，继续分解，生成氢气和硅。反应方程式：SiH4→Si+2H2。
二氯化硅在高于872K的条件下，发生热分解反应生成二氯硅烯中间体（SiCl2），二氯硅烯形成后，通过化学吸附的方式吸附在沉积硅表面，再发生电子迁移生成硅与副产品氯化氢。
三氯化硅在高于921K的条件下，发生热分解反应生成二氯硅烯中间体（SiCl2），二氯硅烯形成后，通过化学吸附的方式吸附在沉积硅表面，再发生电子迁移生成硅与副产品氯化氢。
四氯化硅发生热分解反应生成三氯化硅，三氯化硅在高于921K的条件下，发生热分解反应生成二氯硅烯中间体（SiCl2），二氯硅烯形成后，通过化学吸附的方式吸附在沉积硅表面，再发生电子迁移生成硅与副产品氯化氢。
上述精制硅源气体（甲硅烷、四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅中的一种或几种）在流化床反应器内发生热分解反应的过程中，会逐渐生成多晶硅，在逐渐生成硅的过程中，第IIIA族元素的三氯化物、第IIIA族元素的氢化物中的硼或铝，第VA族元素的三氯化物、第VA族元素氢化物中的磷或砷会伴随着多晶硅的生成过程掺杂到多晶硅中，并生成硅片母合金。
所述精制硅源气体采用精制氯硅烷低沸物，为精制氯硅烷的提纯过程产生的沸点较低的氯硅烷，即塔顶采出氯硅烷，由于其中硼杂质含量较高，一般外排或回流。在本发明中将其作为原料使用，实现了降低精制氯硅烷低沸物的外排量，从而提高了其原料利用率，另外一方面，由于该精制氯硅烷低沸物直接作为生产硅片母合金的原料，无需回流提纯，从而降低了由于增大回流比而产生的能耗较高的问题。
本发明解决精制氯硅烷难以有效利用的问题，并解决了精制氯硅烷过程中为了提高其利用率而增加回流比所产生的高能耗的技术难题。
优选的是，所述籽晶的的粒径为0.10～0.50mm。
优选的是，所述热分解反应的温度为600～1400℃。
优选的是，所述热分解反应的温度为800～1200℃。
优选的是，所述精制硅源气体与所述第IIIA族元素的三氯化物、所述第IIIA族元素的氢化物、所述第VA族元素的三氯化物、所述第VA族元素氢化物中的一种或多种的摩尔数之的摩尔比为（1000000：1）～（100：1）。
优选的是，所述籽晶与所述精制硅源气体的摩尔比为（1：10）～（1：1）。
优选的是，向所述流化床反应器内通入所述第IIIA族元素的三氯化物、所述第IIIA族元素的氢化物、所述第VA族元素的三氯化物、所述第VA族元素氢化物中的一种或多种时使用载气进行负载，所述载气为氮气、氢气、氩气或氦气中的一种。
优选的是，所述载气与该载气负载的所述第IIIA族元素的三氯化物、所述第IIIA族元素的氢化物、所述第VA族元素的三氯化物、所述第VA族元素氢化物中的一种或多种的摩尔数之和的摩尔比为（1000000：1）～（100：1）。
优选的是，所述的硅片母合金的制备方法的具体步骤包括：将所述精制硅源气体通过吸附除去金属杂质。
优选的是，所述金属杂质为铁、铜、钙、锌、铝中的一种或几种。
本发明提供一种硅片母合金，其由上述的方法制备。
优选的是，所述硅片母合金的电阻率为0.001～5Ωcm，粒径为1～3mm。
本发明中通过在流化床反应器内以精制硅源气体制备硅片母合金，流化床反应器内的热分解反应具有反应温度低，还原电耗低（SiH4热分解能耗降至10kWh/kg，相当于西门子法的10%），沉积效率高（理论上转化率可以达到100%）、反应副产物（氢气）简单易处理等优点，而且流化床反应器能够连续运行，产量高、维护简单。本发明中制得的硅片母合金为粒状的硅片母合金，可以进行连续加入原料，并降低生产的硅片母合金的成本，提高产量，现有技术中制得的硅片母合金为块状的整体，本发明有效地解决现有技术制得的硅片母合金在使用过程中无法准确称量及二次破碎过程中引入的二次污染问题。
本发明中的硅片母合金的制备方法中的反应原料在流化床反应器进行热分解反应，其中，上述流化床反应器为密闭的系统，且反应原料不需要使用单质硅，从而避免了传统技术中需要将单质硅加热至熔融状态，并避免了熔融状态的硅与石英坩埚的大的接触面积，避免了锑在硅里的固溶度较低，且避免了反应原料与空气的接触，避免了产生有毒的氧化砷，或避免了磷着火，从而提高了制得的硅片母合金的电化学性能，减少了产品的缺陷，提高了产品的品质。由于反应原料未使用单质硅，所以避免了多晶硅生长、拆炉、破碎、包装、转运、装填过程中引入的杂质带入到硅片母合金中。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例提供一种P型硅片母合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将硅源气体储罐中的精制氯硅烷气体（为甲硅烷、四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅中的一种或几种）通过装填有吸附剂的吸附柱，其中吸附剂包括功能树脂、改性硅胶、改性分子筛、改性活性炭、改性三氧化铝，通过吸附法吸附去除掺杂后的精制氯硅烷中的金属杂质，其中金属杂质中包括：铁、铜、钙、锌，得到吸附后的精制氯硅烷气体。
（2）将吸附后的精制氯硅烷气体输送到流化床反应器内，以氢气作为载气将氯化铝输送到流化床反应器内，并向流化床反应器内通入籽晶并使得该籽晶流体化，其中，精制氯硅烷气体与氯化铝的摩尔比为100000：1，籽晶与精制硅源气体的摩尔比为1：2，载气与铝化铝的摩尔比为100000：1，籽晶的粒径为0.10～0.50mm，在600℃下通过热分解反应生长P型硅片母合金，其中，P型硅片母合金的粒径为1～3mm。即得到掺杂有铝的硅片母合金。
（3）检测P型硅片母合金的杂质浓度（酸浸取-电感耦合等离子质谱法），若P型硅片母合金电阻率为0.001～5Ω·cm，则P型硅片母合金合格。
（4）包装。
本实施例中通过在流化床反应器内以精制硅源气体制备硅片母合金，流化床反应器内的热分解反应具有反应温度低，还原电耗低（SiH4热分解能耗降至10kWh/kg，相当于西门子法的10%），沉积效率高（理论上转化率可以达到100%）、反应副产物简单易处理等优点，而且流化床反应器能够连续运行，产量高、维护简单。本实施例中制得的硅片母合金为粒状的硅片母合金，可以进行连续加入原料，并降低生产的硅片母合金的成本，提高产量，现有技术中制得的硅片母合金为块状的整体，本实施例有效地解决现有技术制得的硅片母合金在使用过程中无法准确称量及二次破碎过程中引入的二次污染问题。
本实施例中的硅片母合金的制备方法中的反应原料在流化床反应器进行热分解反应，其中，上述流化床反应器为密闭的系统，且反应原料不需要使用单质硅，从而避免了传统技术中需要将单质硅加热至熔融状态，并避免了熔融状态的硅与石英坩埚的大的接触面积，从而提高了制得的硅片母合金的电化学性能，减少了产品的缺陷，提高了产品的品质。由于反应原料未使用单质硅，所以避免了多晶硅生长、拆炉、破碎、包装、转运、装填过程中引入的杂质带入到硅片母合金中。
实施例2
本实施例提供一种P型硅片母合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将储罐中硅源气体为甲硅烷气体通过装填有吸附剂的吸附柱，其中吸附剂包括功能树脂、改性硅胶、改性分子筛、改性活性炭、改性三氧化铝，通过吸附法吸附去除掺杂后的甲硅烷中的金属杂质，其中金属杂质中包括：铁、铜、钙、锌、铝，得到吸附后的甲硅烷气体。
（2）将吸附后的甲硅烷气体输送到流化床反应器内，以氮气作为载气将氯化铝和氯化硼的混合物输送到流化床反应器内，并向流化床反应器内通入籽晶并使得该籽晶流体化，其中，甲硅烷气体与氯化铝和氯化硼的混合物的摩尔数之和的摩尔比为1000000：1，籽晶与甲硅烷气体的摩尔比为1：1，载气与氯化铝和氯化硼的混合物的摩尔数之和的摩尔比为1000000：1，籽晶的粒径为0.10～0.50mm，在1200℃下通过热分解反应生长P型硅片母合金，其中，P型硅片母合金的粒径为1～3mm。即得到掺杂有铝和硼的硅片母合金。
（3）检测P型硅片母合金的杂质浓度（酸浸取-电感耦合等离子质谱法），若P型硅片母合金电阻率为0.001～5Ω·cm，则P型硅片母合金合格。
（4）包装。
实施例3
本实施例提供一种P型硅片母合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将硅源气体储罐中的四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅的混合气体通过装填有吸附剂的吸附柱，其中吸附剂包括功能树脂、改性硅胶、改性分子筛、改性活性炭、改性三氧化铝，通过吸附法吸附去除掺杂后的四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅的混合气体中的金属杂质，其中金属杂质中包括铜，得到吸附后的四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅的混合气体。
（2）将吸附后的四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅的混合气体输送到流化床反应器内，以氩气作为载气将硼烷输送到流化床反应器内，并向流化床反应器内通入籽晶并使得该籽晶流体化，其中，四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅的混合气体的摩尔数之和与硼烷的摩尔比为10000：1，籽晶与四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅的混合气体的摩尔数之和的摩尔比为1：4，载气与硼烷的摩尔比为10000：1，籽晶的粒径为0.10～0.50mm，在1400℃下通过热分解反应生长P型硅片母合金，其中，P型硅片母合金的粒径为1～3mm。即得到掺杂有硼的硅片母合金。
（3）检测P型硅片母合金的杂质浓度（酸浸取-电感耦合等离子质谱法），若P型硅片母合金电阻率为0.001～5Ω·cm，则P型硅片母合金合格。
（4）包装。
实施例4
本实施例提供一种N型硅片母合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将硅源气体储罐中的甲硅烷、四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅的混合气体通过装填有吸附剂的吸附柱，其中吸附剂包括功能树脂、改性硅胶、改性分子筛、改性活性炭、改性三氧化铝，通过吸附法吸附去除掺杂后的甲硅烷、四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅的混合中的金属杂质，其中金属杂质中包括锌，得到吸附后的甲硅烷、四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅的混合气体。
（2）将吸附后的甲硅烷、四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅的混合气体输送到流化床反应器内，以氦气作为载气将氯化砷（或氯化磷）输送到流化床反应器内，并向流化床反应器内通入籽晶并使得该籽晶流体化，其中，甲硅烷、四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅的混合气体的摩尔数之和与氯化砷（或氯化磷）的摩尔比为100：1，籽晶与甲硅烷、四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅的混合气体的摩尔数之和的摩尔比为1：10，载气与氯化砷（或氯化磷）的摩尔比为100：1，籽晶的粒径为0.10～0.50mm，在800℃下通过热分解反应生长N型硅片母合金，其中，N型硅片母合金的粒径为1～3mm。即得到掺杂有砷（或磷）的硅片母合金。
（3）检测N型硅片母合金的杂质浓度（酸浸取-电感耦合等离子质谱法），若N型硅片母合金电阻率为0.001～5Ω·cm，则N型硅片母合金合格。
（4）包装。
本实施例中的制备方法能够有效地降低硅片母合金中的金属及氧含量，提高太阳能电池的光电转换效率，同时该方法具有能耗、成本低的优点，有效的解决现有技术制得的硅片母合金在使用过程中无法准确称量及二次破碎过程中引入的二次污染。
实施例5
本实施例提供一种N型硅片母合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将硅源气体储罐中的三氯化硅、二氯化硅的混合气体通过装填有吸附剂的吸附柱，其中吸附剂包括功能树脂、改性硅胶、改性分子筛、改性活性炭、改性三氧化铝，通过吸附法吸附去除掺杂后的三氯化硅、二氯化硅的混合中的金属杂质，其中金属杂质中包括：铁、铜、钙、锌，得到吸附后的三氯化硅、二氯化硅的混合气体。
（2）将吸附后的三氯化硅、二氯化硅的混合气体输送到流化床反应器内，以氢气作为载气将氯化砷和氯化磷的混合物输送到流化床反应器内，并向流化床反应器内通入籽晶并使得该籽晶流体化，其中，三氯化硅、二氯化硅的混合气体的摩尔数之和与氯化砷和氯化磷的摩尔数之和的摩尔比为50000：1，籽晶与三氯化硅、二氯化硅的混合气体的摩尔数之和的摩尔比为1：6，载气与氯化砷和氯化磷的摩尔数之和的摩尔比为50000：1，籽晶的粒径为0.10～0.50mm，在1000℃下通过热分解反应生长N型硅片母合金，其中，N型硅片母合金的粒径为1～3mm。即得到掺杂有砷和磷的硅片母合金。
（3）检测N型硅片母合金的杂质浓度（酸浸取-电感耦合等离子质谱法），若N型硅片母合金电阻率为0.001～5Ω·cm，则N型硅片母合金合格。
（4）包装。
实施例6
本实施例提供一种N型硅片母合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将硅源气体储罐中的四氯化硅、三氯化硅的混合气体通过装填有吸附剂的吸附柱，其中吸附剂包括功能树脂、改性硅胶、改性分子筛、改性活性炭、改性三氧化铝，通过吸附法吸附去除掺杂后的四氯化硅、三氯化硅的混合中的金属杂质，其中金属杂质中包括钙，得到吸附后的四氯化硅、三氯化硅的混合气体。
（2）将吸附后的四氯化硅、三氯化硅的混合气体输送到流化床反应器内，以氩气作为载气将磷烷输送到流化床反应器内，并向流化床反应器内通入籽晶并使得该籽晶流体化，其中，四氯化硅、三氯化硅的混合气体的摩尔数之和与磷烷的摩尔比为1000：1，籽晶与四氯化硅、三氯化硅的混合气体的摩尔数之和的摩尔比为1：5，载气与磷烷的摩尔比为1000：1，籽晶的粒径为0.10～0.50mm，在900℃下通过热分解反应生长N型硅片母合金，其中，N型硅片母合金的粒径为1～3mm。即得到掺杂有磷的硅片母合金。
（3）检测N型硅片母合金的杂质浓度（酸浸取-电感耦合等离子质谱法），若N型硅片母合金电阻率为0.001～5Ω·cm，则N型硅片母合金合格。
（4）包装。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种硅片母合金的制备方法，其特征在于，将精制硅源气体与第IIIA族元素的三氯化物、第IIIA族元素的氢化物、第VA族元素的三氯化物、第VA族元素氢化物中的一种或多种通入到流化床反应器内，并向流化床反应器内通入籽晶并使得该籽晶流体化，通过热分解反应制得硅片母合金，其中，所述第IIIA族元素为硼或铝，所述第VA族元素为磷或砷，所述精制硅源气体采用精制氯硅烷低沸物，所述精制硅源气体为精制氯硅烷的提纯过程产生的沸点较低的氯硅烷，即塔顶采出氯硅烷，将所述精制硅源气体通过吸附除去金属杂质。
2.根据权利要求1所述的硅片母合金的制备方法，其特征在于，所述精制硅源气体为甲硅烷、四氯化硅、三氯化硅、二氯化硅中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的硅片母合金的制备方法，其特征在于，所述籽晶的粒径为0.10～0.50mm。
4.根据权利要求1所述的硅片母合金的制备方法，其特征在于，所述热分解反应的温度为600～1400℃。
5.根据权利要求4所述的硅片母合金的制备方法，其特征在于，所述热分解反应的温度为800～1200℃。
6.根据权利要求1所述的硅片母合金的制备方法，其特征在于，所述精制硅源气体与所述第IIIA族元素的三氯化物、所述第IIIA族元素的氢化物、所述第VA族元素的三氯化物、所述第VA族元素氢化物中的一种或多种的摩尔数之和的摩尔比为(1000000：1)～(100：1)。
7.根据权利要求1所述的硅片母合金的制备方法，其特征在于，所述籽晶与所述精制硅源气体的摩尔比为(1：10)～(1：1)。
8.根据权利要求1所述的硅片母合金的制备方法，其特征在于，向所述流化床反应器内通入所述第IIIA族元素的三氯化物、所述第IIIA族元素的氢化物、所述第VA族元素的三氯化物、所述第VA族元素氢化物中的一种或多种时使用载气进行负载，所述载气为氮气、氢气、氩气或氦气中的一种。
9.根据权利要求8所述的硅片母合金的制备方法，其特征在于，所述载气与该载气负载的所述第IIIA族元素的三氯化物、所述第IIIA族元素的氢化物、所述第VA族元素的三氯化物、所述第VA族元素氢化物中的一种或多种的摩尔数之和的摩尔比为(1000000：1)～(100：1)。
10.根据权利要求1所述的硅片母合金的制备方法，其特征在于，所述金属杂质为铁、铜、钙、锌、铝中的一种或几种。
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