CN106191992B - 多晶硅锭的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种多晶硅锭的制造方法包含以下步骤：(A)将一个装有一硅料并具有一个底壁及一个围绕该底壁的围壁的坩埚设置于一热场内，令该坩埚内的硅料受该热场所加热以熔融成一硅熔汤；(B)于该步骤(A)后，控制该热场由该坩埚的一上方加热，以令接触于该坩埚的底壁处及至少接触邻近该底壁的围壁处的一部分硅熔汤，固化成一个固态硅晶隔离层从而令一剩余硅熔汤的一底部是由该固态硅晶隔离层所包围；及(C)于该步骤(B)后，控制该热场由该坩埚的上方持续加热，且令该坩埚内的剩余硅熔汤由该剩余硅熔汤的底部向上逐渐固化结晶成一个多晶硅锭。因此，在制造多晶硅锭过程中，预先固化形成该固态硅晶隔离层，可以降低最终的多晶硅锭内的氧含量。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅锭的制造方法，特别是涉及一种多晶硅锭的制造方法。
背景技术
已知应用于多晶硅(Polycrystalline Silicon)太阳能电池的多晶硅芯片(wafer)，是由多晶硅锭(ingot)切割而成，而多晶硅锭的制造方法，主要是将硅料置于坩埚中，经过加热使硅料熔融成硅熔汤，再将硅熔汤降温冷却而凝固成多晶硅锭。
在生长多晶硅锭时掺杂硼(B)元素，能制成低阻抗及高光电转换效率的太阳能电池芯片。然而，在生长多晶硅锭过程中，若有高浓度的氧杂质存在时，由其所制成的太阳能电池在照光后会产生硼氧键缺陷，因而降低了光电转换效率。
由于用于生长多晶硅锭的由石英(quartz)所制成的坩埚，在高温时会从埚壁处溶解出氧，而混入与埚壁接触的硅熔汤内，这是氧杂质主要来源。然而，为了解决上述氧由坩埚壁溶出混入硅熔汤的问题，业界会在坩埚埚壁的内表面形成一个氮化硅(Si3N4)层。如，日本特开平第2001-198648号公报所示，一来方便生长完后的多晶硅锭与石英坩埚脱模，二来用于抑制氧混入硅熔汤内。但经实验证实，氧还是会经过该氮化硅层扩散在进入硅熔汤内，此氮化硅层并无法有效地降低多晶硅锭内的氧杂质浓度。
经上述说明可知，将多晶硅锭氧杂质浓度降低至一定浓度下，以使其适用制成低阻抗及高光电转换效率的太阳能电池芯片，是此技术领域者所需改进的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能降低氧含量的多晶硅锭的制造方法。
本发明的多晶硅锭的制造方法，包含以下步骤：一个硅料熔融步骤、一个固态硅晶隔离层形成步骤，及一个多晶硅锭成长步骤。
该硅料熔融步骤是将一个装有一硅料并具有一个底壁及一个围绕该底壁的围壁的坩埚设置于一热场内，令该坩埚内的硅料受该热场所加热以熔融成一硅熔汤。
该固态硅晶隔离层形成步骤是于该硅料熔融步骤后，控制该热场由该坩埚的一上方加热，以令接触于该坩埚的底壁处及至少接触邻近该底壁的围壁处的一部分硅熔汤，固化成一个固态硅晶隔离层从而令一剩余硅熔汤的一底部是由该固态硅晶隔离层所包围。
该多晶硅锭成长步骤是于该固态硅晶隔离层形成步骤后，控制该热场由该坩埚的上方持续加热，且令该坩埚内的剩余硅熔汤由该剩余硅熔汤的底部向上逐渐固化结晶成一个多晶硅锭。
较佳地，于该固态硅晶隔离层形成步骤中，该部分硅熔汤是同时经该坩埚底壁与该坩埚围壁释放热量，以迫使该部分硅熔汤降温。
较佳地，于该多晶硅锭成长步骤中，该剩余硅熔汤是经该坩埚底壁释放热量，以迫使该剩余硅熔汤的底部降温，并向上逐渐固化结晶成该多晶硅锭。
较佳地，该硅熔汤自该坩埚底壁至其硅熔汤的一个顶面具有一个第一预定高度H，于该固态硅晶隔离层形成步骤中，该固态硅晶隔离层自该坩埚底壁至其固态硅晶隔离层的一个顶端具有一个第二预定高度h，且h≦0.8H。
较佳地，该坩埚还具有一个形成于该底壁及该围壁两者的一个内表面的脱模层。
较佳地，于该多晶硅锭成长步骤后更依序包含一个脱模步骤与一个固态硅晶隔离层移除步骤，该脱模步骤是使连接有该固态硅晶隔离层的多晶硅锭脱离该坩埚；该固态硅晶隔离层移除步骤是自该多晶硅锭移除该固态硅晶隔离层，即得到一个最终的多晶硅锭。
较佳地，该脱模层由一氮化硅材料所构成。
本发明多晶硅锭的制造方法的功效在于：经由热场温度控制，令接触该坩锅的底壁处及接触邻近该底壁的围壁处的该部分硅熔汤，预先固化形成该固态硅晶隔离层，以借此抑制氧杂质由该坩埚扩散进入该剩余硅熔汤内，从而降低该剩余硅熔汤所结晶形成的多晶硅锭中的氧杂质含量。
附图说明
本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的较佳实施例详细说明中清楚地呈现，其中：
图1是一个流程图，说明本发明多晶硅锭的制造方法的一个实施例；
图2是一个示意图，说明用来实施本发明该实施例的一个长晶炉体系统，其内部设置有一个装有一硅料的坩埚；
图3是一个示意图，说明该长晶炉体系统于执行本发明该实施例的一个硅料熔融步骤时的态样；
图4是一个示意图，说明该长晶炉体系统于执行本发明该实施例的一个固态硅晶隔离层形成步骤时的态样；
图5是一个示意图，说明该长晶炉体系统于执行本发明该实施例的一个多晶硅锭成长步骤时的态样；
图6是一个示意图，说明本发明该实施例的一个脱模步骤；
图7是一个示意图，说明本发明该实施例的一个固态硅晶隔离层移除步骤；
图8是一个表格图，说明本发明的多晶硅锭的制造方法的四个具体例及一个比较例的部分制程参数及其多晶硅锭底部的氧含量；
图9是一个量测表格图，说明本发明所述具体例及该比较例所制成的多晶硅晶锭的少数载子生命周期分布图(lifetime mapping)，及红外线影像图(infrared profile)。
具体实施方式
参阅图1，本发明多晶硅的制造方法的实施例，包含以下步骤：一个硅料熔融步骤S1、一个固态硅晶隔离层形成步骤S2、一个多晶硅锭成长步骤S3、一个脱模步骤S4，及一个固态硅晶隔离层移除步骤S5。
首先，进行该硅料熔融步骤S1(配合参阅图2)，将一个装有一硅料2且具有一个底壁31、一个围绕该底壁31的围壁32及一个形成于该底壁31及该围壁32两者的一个内表面的脱模层33的坩埚3设置于一热场50内，令该坩埚3内的硅料2受该热场50所加热以熔融成一硅熔汤21(如图3所示)。
较佳地，该脱模层33是由氮化硅材料所构成。该长晶炉体系统5包括一个绝热基座51、一个设置于该绝热基座51上的导热座52、一个设置于该导热座52上且由石墨(graphite)所构成的用于围绕该坩埚3的隔热板53、两个分别设置于该坩埚3的一上方及一外围并围绕该隔热板53的加热器54，及一个能沿着一垂直方向Z上下移动地设置于该绝热基座51上，且将该坩锅3与所述加热器54罩住的绝热罩体55。更具体地来说，该热场50是形成于该长晶炉体系统5内，且是由该长晶炉系统5所定义而成。该热场50内部的温度分布，是取决于所述加热器54的升/降温条件，以及该绝热罩体55沿该垂直方向Z上下移动的幅度。
接着，进行该固态硅晶隔离层形成步骤S2(配合参阅图4)，控制该热场50由该坩埚3的上方加热，较佳地也可控制该热场50同时由该坩锅3的上方及旁侧加热，且加热温度是低于硅熔点(1412℃)17℃至25℃，热场50上方部分(指坩埚3上方)的温度高于热场50剩余部分(指该坩埚3底壁31的下方与该坩埚3围壁32的外围)的温度,同时，该部分硅熔汤211经该坩埚3底壁31与该坩埚3围壁32释放热量，以令接触于该坩埚3的底壁31处及至少接触邻近该底壁31的围壁32处的一部分硅熔汤211降温，固化成一个固态硅晶隔离层22，从而令一剩余硅熔汤212的一底部是由该固态硅晶隔离层22所包围。
具体而言，该长晶炉体系统5能操作该绝热罩体55沿着该垂直方向Z上移，使得该绝热罩体55的一个底缘与该绝热基座51的一个上表面间具有一个缝隙56。借此，外界冷空气能通过该缝隙56被导进该绝热罩体55内部，从而使该坩埚3内的该部分硅熔汤211是自该坩埚3底壁31的下方与该坩埚3围壁32的外围进行散热降温，以迫使该部分硅熔汤211降温。更具体地来说，本发明该实施例是固定所述加热器54的升温条件，同时配合向上移动的绝热罩体55以共同定义出该固态硅晶隔离层形成步骤S2的热场50的温度分布。在本发明该实施例中，该缝隙56的高度大小是被界定为开度(Cage Position)，而该开度大小正比于所导进该导热罩体55内的冷空气量，即正比于散热速度。
此处须补充说明的是，本发明该实施例的该固态硅晶隔离层形成步骤S2，并非仅局限于上述手段来控制该热场50的温度分布，其也可以通过配置于该绝热罩体55内部的冷却管路(图未示)或其他降温装置(图未示)来控制，或是降低位于该坩埚3的侧旁处的加热器54的加热温度来控制。只要是能形成该固态硅晶隔离层22以围绕于该剩余硅熔汤212底部的手段，皆能实施。较佳地，该硅熔汤21自该坩埚3底壁31至其硅熔汤21的一个顶面具有一个第一预定高度H；于该固态硅晶隔离层形成步骤S2中，该固态硅晶隔离层22自该坩埚3底壁31至其固态硅晶隔离层22的一个顶端具有一个第二预定高度h。更佳地，h≦0.8H，该开度是介于6.0cm至8.5cm间。又更佳地，该开度是介于6.0cm至7.0cm间。
进一步地，进行该多晶硅锭成长步骤S3(配合参阅图5)，控制该热场50由该坩埚3的上方及旁侧持续加热，且加热温度不大于该固态硅晶隔离层形成步骤S2中的加热温度，该剩余硅熔汤212经该坩埚3底壁31释放热量，以令该坩埚3内的剩余硅熔汤212降温，从而使该剩余硅熔汤212的底部向上逐渐固化结晶成一个多晶硅锭23。
具体而言，操作该绝热罩体55沿着该垂直方向Z持续上移，从而调整该长晶炉体系统5的开度。借此，外界冷空气持续通过该缝隙56导进该绝热罩体55内，从而使该坩埚3内的该剩余硅熔汤212的底部是自该坩埚3底壁31的下方进行散热降温，以迫使该剩余硅熔汤212的底部降温，并向上逐渐固化结晶成该多晶硅锭23。更具体地来说，本发明该实施例是固定所述加热器54的升温条件(即，低于该固态硅晶隔离层形成步骤S2的加热温度)，同时配合该持续向上移动的绝热罩体55以共同定义出该多晶硅锭成长步骤S3的热场50的温度分布。
于该多晶硅锭成长步骤S3后，进行该脱模步骤S4(配合参图6)，将连接有该固态硅晶隔离层22的多晶硅锭23脱离该坩埚3。
此处需补充说明的是，由于该部分硅熔汤211于冷却过程中是自该坩埚3引入有部分氧杂质，以致于该固态硅晶隔离层22内部的氧含量是相对大于该多晶硅锭23内部的氧含量。然而，氧含量将严重地影响着太阳能电池的光电转换效率。因此，为提升太阳能电池的光电转换效率，最后，实施该固态硅晶隔离层移除步骤S5(配合参图7)。该固态硅晶隔离层移除步骤S5是自该多晶硅锭23移除该固态硅晶隔离层22，即得到一个最终的多晶硅锭24。
具体而言，该固态硅晶隔离层移除步骤S5是该多晶硅锭23在开方(squaring)时，将该固态硅晶隔离层22纵向且横向切除以分离于该多晶硅锭23，从而取得该最终的多晶硅锭24。
参阅图8，为本发明多晶硅锭的制造方法的一个具体例1、一个具体例2、一个具体例3、一个具体例4与一个比较例的制程参数表；其中，G1及G2阶段是对应于该固态硅晶隔离层形成步骤S2，而G3及G4阶段是对应于该多晶硅锭成长步骤S3。在此须说明的是，本发明所述具体例相较于该比较例于G1及G2阶段而言，所述具体例的所述加热器54的加热温度是控制得较低，且所述具体例的开度是控制得较小以降低散热速度，从而拉长所述具体例于实施G1及G2阶段的时间，让该固态硅晶隔离层22有足够时间成长。此外，本发明所述具体例相较于该比较例于G3及G4阶段而言，所述具体例的所述加热器54的加热温度也控制得比较低，同时调控所述具体例的开度于适当大小(即，小于该比较例于G3及G4阶段的开度)，以稳定所述具体例的多晶硅锭23的长晶速率于1cm/hr。
本发明各具体例与比较例的氧含量是利用傅立叶变换红外线(FTIR)光谱仪来进行量测，其以红外线光源照射并激发各多晶硅锭，令各多晶硅锭的晶格(lattice)于吸收红外线后产生震动，以借此取得不同元素对应的吸收光谱，并由吸收光谱的波峰强度推算出氧元素含量。由图8显示可知，由该比较例所取得的多晶硅锭底部(接触于坩锅底壁处的晶锭往上40mm位置)的氧含量已高达9.93ppma；然而，由本发明所述具体例所完成的多晶硅锭底部的氧含量则是自7.32ppma逐渐降低至0.58ppma。
参阅图9，显示于图9的左侧字段的各图式是在说明多晶硅锭中的少数载子生命周期分布图，而显示于图9的右侧字段的各图式是在说明多晶硅锭的红外线影像图；其中，由上而下分别是该比较例及所述具体例。由图9左侧字段所显示的少数载子生命周期分布图的走势及图9右侧字段所显示的红外线影像图的走势(配合参阅图5)，确实能看出所述具体例于该多晶硅锭23的侧部形成有斜向生长的固态硅晶隔离层22；然而，该比较例的多晶硅锭则没有上述形成于侧部且斜向生长的固定硅晶隔离层。
又，图9左侧字段所显示的少数载子生命周期分布图，是以μ-PCD(MicrowavePhoto Conductivity Decay)分析设备测量取得；详细地说，其是利用微波激发多晶硅锭内部少数载子分离聚合，借量测过程中其多晶硅锭的导电度随时间变化而推算出少数载子分离后到聚合所需的时间长短，即为少数载子生命周期。参图9左侧字段可知，少数载子生命周期越长(即，趋近深蓝色部分，如图9中A部分)，多晶硅锭的质量则越好，少数载子生命周期越短(即，趋近深红色部分，如图9中B部分)，多晶硅锭的质量则越差。
经由图8与图9显示可知，本发明各具体例以较现有制程的长晶温度低温的热场50进行长晶，确实能先自行形成该固态硅晶隔离层22，以借该固态硅晶隔离层22来抑制氧杂质由该坩埚3扩散进入该剩余硅熔汤212内，从而降低该剩余硅熔汤212所结晶形成的多晶硅锭23中的氧杂质含量。
综上所述，本发明多晶硅锭的制造方法，以低于硅熔点温度17℃至25℃的长晶热场温度控制，令接触该坩锅3的底壁31处及接触邻近该底壁31的围壁32处的该部分硅熔汤211，预先固化形成该固态硅晶隔离层22，以借此抑制氧杂质由该坩埚3扩散进入该剩余硅熔汤212内，从而降低该剩余硅熔汤212所结晶形成的多晶硅锭23中的氧杂质含量，所以确实能达成本发明的目的。
以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡是依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。
Claims (6)
1.一种多晶硅锭的制造方法，其特征在于：包含以下步骤：
一个硅料熔融步骤，将一个装有一硅料并具有一个底壁及一个围绕该底壁的围壁的坩埚设置于一热场内，令该坩埚内的硅料受该热场加热以熔融成一硅熔汤；
一个固态硅晶隔离层形成步骤，于该硅料熔融步骤后，控制该热场由该坩埚的一上方加热，以令接触于该坩埚的底壁处及至少接触邻近该底壁的围壁处的一部分硅熔汤，固化成一个固态硅晶隔离层，从而令一剩余硅熔汤的一底部是由该固态硅晶隔离层所包围，该热场的加热温度是低于硅熔点17℃至25℃，该部分硅熔汤经该坩埚底壁与该坩埚围壁释放热量，以迫使该部分硅熔汤降温；及
一个多晶硅锭成长步骤，于该固态硅晶隔离层形成步骤后，控制该热场由该坩埚的上方持续加热，且令该坩埚内的剩余硅熔汤由该剩余硅熔汤的底部向上逐渐固化结晶成一个多晶硅锭。
2.根据权利要求1所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于：于该多晶硅锭成长步骤中，该剩余硅熔汤经该坩埚底壁释放热量，以迫使该剩余硅熔汤的底部降温，并向上逐渐固化结晶成该多晶硅锭。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于：该硅熔汤自该坩埚底壁至其硅熔汤的一个顶面具有一个第一预定高度H，于该固态硅晶隔离层形成步骤中，该固态硅晶隔离层自该坩埚底壁至其固态硅晶隔离层的一个顶端具有一个第二预定高度h，且h≦0.8H。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于：该坩埚还具有一个形成于该底壁及该围壁两者的一个内表面的脱模层。
5.根据权利要求4所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于：于该多晶硅锭成长步骤后更依序包含一个脱模步骤与一个固态硅晶隔离层移除步骤，该脱模步骤是使连接有该固态硅晶隔离层的多晶硅锭脱离该坩埚；该固态硅晶隔离层移除步骤是自该多晶硅锭移除该固态硅晶隔离层，即得到一个最终的多晶硅锭。
6.根据权利要求4所述的多晶硅锭的制造方法，其特征在于：该脱模层由一氮化硅材料所构成。
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