TW201229330A - Methods and apparatuses for manufacturing monocrystalline cast silicon and monocrystaline cast silicon bodies for photovoltaics - Google Patents

Description

201229330 六、發明說明： 本發明係在由美國能源部（DOE)所給予之能源部合約 第DE-AC36-98GO100336號之國家可更新能源實驗室 (NREL)副合約第ZDO-2-30628號的政府支援下完成者。美 5 國政府對本發明具有某些權利。 相關申請案 本發明主張2006年1月20日申請之美國暫時申請案第 60/760,453號、2006年5月30曰申請之美國暫時申請案第 60/808,954號、2006年8月24日申請之美國暫時申請案第 10 60/839,672號、及2006年8月24日申請之美國暫時申請案第 60/839,670號之優先權，且其全部内容在此加入作為參考。 L發明所屬之技術領域3 技術領域 本發明大致係有關於光電領域且有關於用以製備用於 15 光電應用之鑄態矽的方法及裝置。本發明更有關於可用於 製備如光電電池與其他半導體元件等元件之新形態鑄態 矽，且該新矽可具有單晶結構且可利用一鑄造法製備。 C先前技3 背景資訊 20 光電電池將光轉換成電流，且光電電池之其中一最重 要數值是它將光能轉換成電能之效率。雖然光電電池可以 由各種半導體材料製成，但是通常使用的是矽，這是因為 它很容易以合理之價格取得，且因為它對於用於製備光電 電池具有電、物理與化學性質之適當平衡性。 201229330 之用s吾卓晶石夕”表示具有 在用以製備光電電池之習知程序中，石夕進料與一用 以誘發正或貞導·叙㈣（或摻_)混合、熔化且接著 依據個财晶粒之晶粒尺寸，藉由將結㈣拉出-炫化區 域成為早晶歡鑄塊(透過柴式“A她ki)(cz)或浮動區 (FZ)法)或鑄成多結晶矽或多晶矽之塊或“碑”。在此所使用 致晶體方位之單一結晶石夕 個 15 20 體’此外’習知多晶⑪表示具有⑽級晶粒尺寸分布且具有 多數位在-石夕體内之任意方位晶體的結晶石夕。但是，在此 所使用之用語“依幾何形狀規則排列之多晶石夕”(以下稱為 “幾何型多晶們表示本發明實施例之結㈣，該結晶石夕具 有依幾何形狀規則排列之cm級晶粒分布，且多數規則排列 晶體位在-石夕體内。例如，在幾何型多晶石夕中各晶粒通 予具有一大約0,25cm2至2,500cm2之平均橫截面積及可以與 该矽體一樣大之高度。例如，該高度可以與該矽體垂直於 *亥橫截面之平面的尺寸一樣大，並且在幾何型多晶矽體内 之晶粒方位係依據預定方位加以控制。此外，在此所使用 之用語“多晶矽”表示具有微米級晶粒尺寸之結晶矽及多數 位在一矽體内之晶粒方位。例如，該等晶粒通常具有大約 次微米至次毫米之平均值尺寸（如，個別晶粒可能無法用肉 眼看到），且晶粒方位在其中任意地分布。在前述程序中， 該等鑄塊或塊利用習知之切割或鋸切方法切成亦稱為晶圓 之薄基材。接著’可將這些晶圓加工成光電電池。此外， 在此所使用之用語“近似單晶矽，，表示結晶矽體，且該結晶 矽體在大於該50%之矽體體積中具有一致晶體方位，例 4 201229330 如，這近似單晶矽可包含與一多晶區域相鄰之單晶矽體， 或它可包含一部份或完全含有其他晶體方位之較小矽晶體 的大立速續一致矽結晶，其中該較小晶體不會佔全部體積 之50%以上。該近似單晶矽宜包含不會佔全部體積之25%以 5上之較小晶體。較佳地，該近似單晶矽可包含不會佔全部 體積之10%以上之較小晶體。更佳地，該近似單晶矽可包 含不會佔全部體積之5%以上之較小晶體。 用於製備光電電池之單晶矽通常是利用CZ或FZ法製 造’而這兩種方法係會產生一石夕晶之圓柱形晶述之製程。 10對cz製程而言，該晶坯被緩緩地拉出一炫融石夕池’且對FZ 製程而言’固態物質經由一炼化區送入且在該熔化區之另 15 一側再固化。以這些方式製造之單晶矽晶坯含有徑向分布 之雜質與缺陷’例如，氧誘發堆疊缺陷（OSF)之環及格隙或 空位團之“旋滿”缺陷。即使有這些雜質與缺陷，單晶矽仍 疋一般用以製造光電電池之較佳矽源，因為它可以用來製 造尚效率之太陽能電池。但是，單晶矽之製造成本比使用 如前述之習知方法的習知多晶石夕高。 用以製備光電電池之習知多晶矽通常是利用一鑄造法 盤、皮 & ’且用於製備一習知多晶矽之鑄造製程在光電技術中 疋習知的。伟士 一 ^ 4 5之，在這些製程中，將溶融碎裝在一如石 二坩堝之坩堝中，且在受控制之情形下加以冷卻，使在其 中之石夕結曰 ，a 。曰曰。所得到之多晶矽塊通常會被切成多數磚，而 具有與欲用以製備一光電電池之晶圓尺寸相同或接 近之橫截& 、 ’且該等磚會被鋸切或以其他方式切割成前述 20 201229330 晶圓。依此方式製成之多晶矽是一晶粒之聚結體，其中， 在由其製成之晶圓内，該等晶粒彼此之間的方位有效地任 意分布。 在習知多晶矽或多結晶矽中之晶粒任意分布方位使所 5 得之晶圓表面難以紋理化，而紋理化可利用減少光反射與 增加通過一電池表面之光能吸收來改善光電電池之效率。 此外’在習知多晶矽晶粒間之邊界中的“扭折”會使結構缺 陷集結成錯位之團或線。這些錯位與它們會吸引之雜質將 會使在由習知多晶矽製成之作用中光電電池中的電荷載子 10 再結合，且這會使電池之效率降低。即使考慮在由習知方 法製成之單晶矽中存在之徑向缺陷分布，與由單晶石夕製成 之等效光電電池相較，由這種多晶碎製成之光電電池仍具 有較低之效率。但是，因為製造習知多晶矽較簡單且成本 較低，並且在電池製程中可有效鈍化缺陷’多晶矽是用於 15製備光電電池之較廣泛使用的矽型態。 某些以往的鑄造方法會使用一“冷壁，，坩堝來進行晶體 成長’且用s吾“冷壁，，表示在該掛禍壁上或在該掛堝壁中之 感應線圈業經水冷，且可以開設溝槽，因此通常保持在 100°C以下。該坩堝壁可以緊臨在該等線圈與進料之間，且 2〇該坩堝壁並未熱絕緣，且因此可保持與該等已冷卻線圈熱 平衡。故矽並非由來自該坩堝壁之輻射熱加熱，因為在該 #禍中之⑦的感應加熱表示⑦係由因感應而在其中流動之 電流直接加熱。依此方式，該掛竭壁仍處於該石夕之炼化溫 度以下，且被視為是相對於該溶融石夕是“冷的，，。在感應地 6 201229330 加熱之熔融矽固化時，這些坩堝之冷壁作為散熱器，且由 於對該等冷壁之輻射，該等讀塊迅速地冷卻。因此，一初 始固化前面會迅速地弯曲，立晶體成核在該铸塊侧邊發生 且朝該鑄塊中心對角地成長，並且使保持垂直與依幾何形 5狀規則排列之晶種成長過程中斷或無法保持實質平坦固化 前面。 由前所述可知，需要有一種可用以製備光電電池之改 良矽形態，且亦需要一種可以在一比以往用於製造單晶矽 之方法更快且更便宜之方法中製備的矽。本發明提供這種 10 矽與這些方法。

【明内^§1 J 發明概要 所實施與廣義地說明之本發明提供一種用以製備鑄態 矽之方法，包含：將熔融矽放置在一容器中以接觸至少一 U石夕種晶’而該容器具有一或多個力口熱到至少該石夕之炫化溫 度之側壁及至少一用以冷卻之壁；及藉由將該溶融石夕冷卻 以控制結晶而形成固態之單晶矽體，且該單晶矽體可選擇 性地具有至少兩各至少為大約1〇(；〇1之尺寸，其中該形成步 驟包括至少在開始時平行前述至少一用以冷卻之壁之熔融 2〇矽邊緣處形成一固液界面，且在冷卻時，該界面受到控制 而朝一可增加該熔融矽與該至少—用以冷卻之壁間之距離 的方向移動。在此應了解的是該坩堝之其中一壁可以是該 坩堝之底部。 本發明之一實施例亦提供—種用以製備鑄態矽之方 201229330 法，包含：將多數單晶矽種晶之幾何型結構放置在一坩堝 之至少一表面上，且該掛禍具有一或多個加熱到至少該石夕 之熔化溫度的側壁及至少一用以冷卻之壁，其中該幾何型 結構包括緊密堆疊之多邊形；放置熔融矽，使其接觸該單 5 晶矽種晶之幾何型結構；及藉由將該熔融矽冷卻以控制結 晶而形成固態之單晶矽體，且該單晶矽體可選擇性地具有 至少兩各至少為大約10cm之尺寸，其中該形成步驟包括至 少在開始時平行前述至少一用以冷卻之壁之熔融矽邊緣處 形成一固液界面，且在冷卻時，該界面受到控制而朝一可 10 增加該熔融矽與該至少一用以冷卻之壁間之距離的方向移 動。 本發明之另一實施例亦提供一種用以製備鑄態矽之方 法，包含：以一預定圖案將多數單晶矽種晶排列在一坩堝 之至少兩表面上；放置該熔融矽，使其接觸該等單晶矽種 15 晶；及藉由自前述該坩堝之至少兩表面將該熔融矽冷卻以 控制結晶而形成固態之單晶矽體，且該單晶矽體可選擇性 地具有至少兩各至少為大約10cm之尺寸，其中該形成步驟 包括在冷卻時控制一位於熔融矽邊緣處固液界面，使之朝 一可增加該熔融矽與該坩堝之至少兩表面間之距離的方向 20 移動。 本發明之再一實施例亦提供一種用以製備鑄態矽之方 法，包含：放置矽進料，使其接觸在至少一表面上之至少 一單晶矽種晶；加熱該矽進料與該至少一單晶矽種晶至矽 之熔化溫度；控制該加熱，使前述至少一單晶矽種晶不會 8 201229330 70王熔化且"亥控制包含維持一當在該坩煱中另一處到達 雜U後，在!㈣粉卜表面上測量時1ΔΤ大約等於或 J於0.1 C/min，及—旦前述至少一單晶矽種晶部分地熔 化’藉由冷卻該矽而形成固態之單晶矽體。 本發月之又一實施例亦提供-種用以製備鑄態石夕之方 法L3將夕數單晶矽種晶之幾何型結構放置在一坩堝 之至V纟面上’其中該幾何型結構包括緊密堆疊之多邊 形，放置6亥石夕進料，使其接觸在該至少-表面上之前述多 數單晶石夕種晶；加熱該石夕進料與前述多數單晶石夕種晶至石夕 10之溶化溫度；控制該加熱，使前述多數單晶石夕種晶不會完 王熔化’且5玄控制包含維持一當在該闕中另一處到達該 炫化溫度後，在該職絲面均量時之ΛΤΑ約等於或小 於O.PC/min ;及-旦前述至少—單晶㈣晶部分地炼化， 藉由冷卻該矽而形成固態之單晶矽體。 15 I發明之另—實施例亦提供-種用以製備鳞態石夕之方 法’包含.以-預定圖案將多數單晶石夕種晶排列在一掛禍 之至少兩表面上；放置石夕進料，使其接觸在前述至少兩表 面上之多數單晶石夕種晶；加熱該石夕進料與前述多數翠晶石夕 種晶至石夕之熔化溫度；控制該加熱，使前述多數單晶石夕種 2〇晶不會完全熔化，且該控制包含維持一當在該輯中另一 處到達該熔化溫度後’在該_外表面±測量時之Μ大約 等於或小於G.TOmin ;及-旦前述至少—單晶㈣晶部分 地熔化，藉由冷卻該矽而形成固態之單晶矽體。 本發明之再-實施例亦提供一種用以製備禱態石夕之方 201229330 法，包含：放置熔融矽在一容器中，使其接觸至少一矽種 晶，而該容器具有一或多個加熱到至少該矽之熔化溫度之 側壁，且該至少一矽種晶配置成可覆蓋該容器表面之整個 或實質上整個面積；及藉由將該熔融矽冷卻以控制結晶而 5 形成固態之單晶矽體，且該單晶矽體可選擇性地具有至少 兩各至少為大約1 〇cm之尺寸。 本發明之又一實施例亦提供一種連續單晶矽體，且該 單晶矽體沒有或實質上沒有徑向分布之雜質與缺陷，並且 具有至少兩各為至少大約25cm之尺寸及一至少大約20cm 10 之第三尺寸。 本發明之另一實施例亦提供一種連續單晶矽體，且該 單晶石夕體具有大約2xl016atoms/cm3至5xl017atoms/cm3之碳 濃度、不超過5xl017atoms/cm3之氧浪度、至少 lxl015atoms/cm3之氮濃度，並且具有至少兩各為至少大約 15 25cm之尺寸及一至少大約20cm之第三尺寸。 本發明之又一實施例亦提供一種連續鑄態單晶矽體， 且該單晶矽體具有至少兩各為至少大約35cm之尺寸。 本發明之再一實施例亦提供一種太陽能電池，包含： 一晶圓，係由一連續單晶矽體形成，且該單晶矽體沒有或 20 實質上沒有徑向分布之雜質與缺陷，並且該單晶矽體具有 至少兩各為至少大約25cm之尺寸及一至少大約20cm之第 三尺寸；一p-n接面，係在該晶圓中者；一可選擇性設置之 抗反射塗層，係在該晶圓之表面上；至少一層，係選擇性 選自於一背面場（back surface field)與一純化層者；及導電 10 201229330 接頭，係位在該晶圓上者。 本發明之另一實施例亦提供一種太陽能電池，包含： 一晶圓，係由一連續鑄態單晶矽體形成，且該單晶矽體具 有至少兩各為至少大約35咖之尺寸；_ρ_η接面，係在該晶 圓中者；-可選擇性設置之抗反射塗層，係在該晶圓之表 面上；至少一層，係選擇性選自於一背面場與一鈍化層者； 及導電接頭’係位在該晶圓上者。 本發明之又一實施例亦提供一種太陽能電池，包含： 一連續單晶矽晶圓，係由一連續鑄態單晶矽體形成，且該 10晶圓具有至少一至少大約為50_之尺寸，並且該單晶矽體 具有至少兩各為至少大約25cm之尺寸及一至少大約2〇cm 之第二尺寸；一 p_n接面，係在該晶圓中者；一可選擇性設 置之抗反射塗層，係在該晶圓之表面上；至少一層，係選 擇性選自於一背面場與一鈍化層者；及導電接頭，係位在 15 該晶圓上者。 本發明之另一實施例亦提供一種晶圓’包含係由一連 續單晶矽體形成之矽，且該單晶矽體沒有或實質上沒有徑 向分布之雜質與缺陷，並且該單晶矽體具有至少兩各為至 少大約25cm之尺寸及一至少大約2〇cm之第三尺寸。 本發明之再一實施例亦提供一種晶圓，包含由一連續 單晶矽體形成之矽，且該晶圓具有至少一至少大約為5〇咖 之尺寸，並且該單晶矽體具有至少兩各為至少大約25〇〇1之 尺寸及一至少大約2〇cm之第三尺寸。 本發明之又一貫施例亦提供一種用以製備鑄態石夕之方 201229330 =’包含：放錄融⑦於—容器中’使其接觸至少一石夕種 日日而遺各器具有一或多個加熱到至少該矽之溶化溫度之 u壁及至少-用以冷卻之壁；及藉由將該溶㈣冷卻以控 制結晶而形成固態之近似單晶矽體，且該近似單晶矽體可 5選擇性地具有至少兩各至少為大約1〇cm之尺寸，其中該形 成步驟包括至少在開始時平行前述至少一用以冷卻之壁之 炫融石夕邊緣處形成一固液界面，且在冷卻時，該界面受到 控制而朝—可增加該熔融矽與該至少一用以冷卻之壁間之 距離的方向移動。 1〇 本發明之另一實施例亦提供一種用以製備鑄態矽之方 法，包含：放置熔融矽於一容器中，使其接觸至少一矽種 日 曰曰而°玄各器具有一或多個加熱到至少該石夕之炫化溫度之 側壁，且該至少一矽種晶配置成可覆蓋該容器表面之整個 或實質上整個面積；及藉由將該熔融矽冷卻以控制結晶而 5形成固態之近似單晶矽體，且該單晶矽體可選擇性地具有 至少兩各至少為大約10cm之尺寸。 本發明之又一實施例亦提供一種連續近似單晶石夕體， 且該近似單晶矽體沒有或實質上沒有徑向分布之雜質與缺 I5» ’並且具有至少兩各為至少大約25cm之尺寸及一至少大 20約20cm之第三尺寸。 本释明之另一實施例亦提供一種連續近似單晶石夕體， 且该近似早晶妙體具有大約2x10l6atoms/cm3至 5xl017atoms/cm3之碳濃度、不超過5xl017atoms/cm3之氧濃 度、至少lxlOl5atoms/cm3之氮濃度，並且具有至少兩各為 12 201229330 至少大約25cm之尺寸及一至少大約2〇咖之第三尺寸。 本發明之又-實施例亦提供一種連續近似單晶石夕體， 且該近似單晶石夕體具有至少兩各為至少大約设狀尺寸。 本發明之再—實施例亦提供一種太陽能電池，包含： 5 一晶圓，係由—連續近似單晶矽體形成，且該近似單晶矽 體沒有或實質上沒有徑向分布之雜質與缺陷，並且該單晶 石夕體具有至少兩各為至少大約25cm之尺寸及一至少大約 20cm之第三尺寸；一ρ·η接面，係在該晶圓中者；一可選擇 性设置之抗反射塗層，係在該晶圓之表面上；至少一層， 10係選擇性選自於一背面場與一鈍化層者；及導電接頭，係 位在d亥晶圓上者。 本發明之又一實施例亦提供一種太陽能電池包含： 一晶圓，係由一連續鑄態近似單晶矽體形成，且該近似單 晶矽體具有至少兩各為至少大約35cm之尺寸；一p_n接面， 15係在該晶圓中者；一可選擇性設置之抗反射塗層，係在該 晶圓之表面上；至少一層，係選擇性選自於一背面場與— 純化層者；及導電接頭，係位在該晶圓上者。 本發明之另一實施例亦提供一種晶圓，包含係由一連 續近似單晶矽體形成之矽，且該近似單晶矽體沒有或實質 20上沒有徑向分布之雜質與缺陷，並且該近似單晶矽體具有 至少兩各為至少大約25cm之尺寸及一至少大約2〇cm之第 三尺寸。 本發明之再一實施例亦提供一種晶圓，包含由一連續 鑄態近似單晶矽體形成之矽，且該晶圓具有至少一至少大 13 201229330 約為50匪之尺寸，並且該近似單晶矽體具有至少兩各為至 少大約25cm之尺寸及一至少大約20cm之第三尺寸。 本發明之又一實施例亦提供一種太陽能電池，包含： 一晶圓，係由切割一連續單晶矽體而形成者，且該單晶矽 5 體沒有或實質上沒有徑向分布之雜質與缺陷，並且該單晶 矽體具有至少兩各為至少大約25cm之尺寸及一至少大約 20cm之第三尺寸；一p-n接面，係在該晶圓中者；一可選擇 性設置之抗反射塗層，係在該晶圓之表面上；一可選擇設 置之背面場；一或多個可選擇性設置之鈍化層者；及多數 10 導電接頭，係位在該晶圓之至少一表面上者。 本發明之另一實施例亦提供一種太陽能電池，包含： 一晶圓，係由切割一連續單晶矽體而形成者，且該單晶矽 體沒有或實質上沒有徑向分布之雜質與缺陷，並且該單晶 矽體具有至少兩各為至少大約35cm之尺寸；一p-n接面，係 15 在該晶圓中者；一可選擇性設置之抗反射塗層，係在該晶 圓之表面上；一可選擇設置之背面場；一或多個可選擇性 設置之鈍化層者；及多數導電接頭，係位在該晶圓之至少 一表面上者。 本發明之再一實施例亦提供一種太陽能電池，包含： 20 —連續單晶矽晶圓，係由切割一連續單晶矽體而形成者， 且該單晶矽體沒有或實質上沒有徑向分布之雜質與缺陷， 而該晶圓具有至少一至少大約40mm之尺寸，並且該單晶矽 體具有至少兩各為至少大約25cm之尺寸及一至少大約 20cm之第三尺寸；一p-n接面，係在該晶圓中者；一可選擇 14 201229330 性設置之抗反射塗層，係在該晶圓之表面上；—可選擇設 置之背面場；一或多個可選擇性設置之鈍化層者；及多數 導電接頭，係位在該晶圓之至少一表面上者。 依據本發明之另一實施例，依據本發明製成之近似單 5晶矽可最多包含具有其他晶體方位之5%體積的較小矽晶 體。較佳地，依據本發明之再一實施例，依據本發明製成 之近似單晶矽可最多包含具有其他晶體方位之丨％體積的 較小矽晶體。更佳地，依據本發明之又一實施例，依據本 發明製成之近似單晶石夕可最多包含具有其他晶體方位之 10 0.1%體積的較小矽晶體。 本發明之其他特徵與優點將以下說明令提出，且可由 該說明了解或藉由實施本發明之實施例而明白。本發明之 特徵與其他優點可藉由在以下說明與申請專利範圍及添附 圖式中特別指出之半導體元件結構與製備方法及裝置實現 15 與獲得。 在此應了解的是前述一般性說明與以下詳細說明係舉 例與說㈣者’且欲再說明如㈣專職圍界定之本發明。 圖式簡單說明 加入並構成此說明—部份之添附圖式顯示本發明之實 20施例’且與該說明一起解釋本發明之特徵、優點與原理。 在圖式中： 第1圖顯示本發明實施例之在一坩堝底面上的一矽晶 種結構例； 第2圖顯示本發明實施例之在一坩堝底面上的另一矽 15 201229330 晶種結構例； 第3A-3C圖顯示本發明實施例之用以在一坩堝中鑄造 依幾何形狀規則排列多晶矽之鋪排（tiling)例； 第4圖顯示本發明實施例之用以在一坩堝中鑄造依幾 5 何形狀規則排列多晶矽之另一鋪排例； 第5圖顯示本發明實施例之緊密堆疊鹵晶種鋪片陣列； 第6圖顯示本發明實施例之具有斜方形或三角形格隙 之多邊形形狀的陣列例； 第7圖顯示本發明實施例之方法例；及 10 第8A-8G與9圖顯示本發明實施例之單晶矽或依幾何 形狀規則排列多晶矽之鑄造製程例。 C實施方式3 實施例之說明 以下將詳細參照本發明之實施例，且其例子係顯示於 15 添附圖式中。儘可能地，在該等圖式中使用相同或類似符 號表示相同或類似零件。 在本發明之實施例中，熔融矽之結晶係利用使用一或 多個種晶之鑄造製程來進行。如在此所揭露者，這些鑄造 製程可控制在結晶矽之鑄態體中之晶粒尺寸、形狀與方 20 位。在此所使用之用語“鑄造”表示|ί由在一用以固持熔融 矽之模具或容器中冷卻該熔融矽來形成矽者。由於如熔融 矽等液體將具有放置它之容器的形狀，所以在此亦可知在 以除了在模具或容器之任一裝置中收納該熔融矽時亦可冷 卻該熔融矽。舉例而言，該矽可以藉由在一坩堝中固化而 16 201229330 形成，此時固化係由該掛堝之至少一壁造成，且不是透過 加入該熔融物中之冷卻外來物體造成。該坩堝可以具有如 $柱形、或盒狀之任—適當形狀^如此，本發明炫融石夕結 晶之製程不是由“抽拉”一晶链或晶帶來控制。此外，依據 5本發明之實施例，該模具、容器或掛禍包括至少—心亥炼 融石夕接觸之“熱側壁”。在此所使用之用語“熱㈣一 與它接觸之炼融石夕等溫或更熱之表面，且較佳地，一熱側 壁表面在處理該石夕時是固定的。 10 15 20 '•Ί Η0 佩尽發明·^員他例，孩結晶矽可以是具有受控制 粒方位之連續單結晶或連續幾何型多結晶。在此所㈣ 用語“連續單晶矽’，表示單一結晶矽’其中該矽體是 I晶石夕且不是多數結合在—起形成_較切塊之較切 塊。此外’在此所使用之用語‘‘連續幾何型多㈣，，表 何51多晶⑦’其中财體是__均質幾何型多晶教不’ 數結合在一起形成-較大石夕塊之較小石夕塊。 夕 :據:發明之實施例’利用將一所需之結晶矽“晶種” '·'、Γ x固持㈣歡石英㈣等容ϋ底部，可 以凡成該結晶。在此所使用之用語“晶種，，表示 ^結晶體結構之具幾何雜_，且_最好 :具有-以多邊形為佳之幾何形狀，並且具有_ ^ ==的側。這晶種可—或： 而由-單晶♦之鑄塊’如—利用切割或其他方式 一曰 ' 獲侍之板片或水平段。依據本發明， 曰曰種可具有-平行於其底面之頂面，但不—定要如此。 17 201229330 5 例如…晶種可以ϋ鬼’且其尺寸可由大約2職至大約 3〇〇〇mm左右。例如，—晶種可以為大約1〇聊至大約 3〇〇mm。該石夕塊可具有大約lmm至大約_賴之厚度，且 以大約5麵至50臟為佳。1當尺寸與雜之晶種可以依 方便與麟之目的來選擇，以下將詳細說狀鋪排係石夕晶 種以-航幾何型方位或圖案配置在，例如，—㈣之底 部或者一❹個側與底面上。該晶種或該等晶種最好覆蓋 。它們所在處鄰接之整個_表面，因此當移動該具種晶 成長固化前面遠離該等晶種時，該购之全尺寸可以維持 成一致之幾何型晶體。 接著，在晶種存在之情形下使該炼融石夕冷卻與結晶， 且該炼融石夕之冷卻方式最好是可使該炫融石夕之結晶化在該 固態晶種之初始頂部高度處或以下開始並繼續遠離，且最 好疋向上遠離该等晶種。在該熔融石夕邊緣處之固-液界面最 15好在開始時與如一進行鑄造之坩堝中之表面等容器之冷卻 表面一致，依據本發明之實施例，在該熔融矽與該結合晶 之間的液-固界面可以在該鑄造製程之部份或全部令實質 上保持平坦。在本發明之實施例中，在該熔融矽之各邊緣 處的固-液界面在冷卻時受釗控制，以朝—可增加在該熔融 1〇矽與該坩堝之冷卻表面間之距離的方向移動，並最好保持 一實質平坦之固-液界面。 因此，依據本發明，该固化前面可平行於該容器之冷 部表面形狀。例如，利用〆具有平坦底部之时禍該固化 前面可仍實質保持平坦，裏該固-液界面具有—受控制之輪 201229330 廓。該固-液界面可控制成使其曲率半徑在由邊緣移動至中 心時逐漸減少，或者，該固-液界面可以控制成維持該容器 寬度至少一半的平均曲率半徑。此外，該固-液界面可以控 制成維持該容器寬度至少兩倍的平均曲率半徑。該固體可 5 具有一稍微外凸之界面且具有該容器寬度至少大約四倍的 曲率半徑，例如，該固-液界面可在一 0.7m平方坩堝中具有 一大致大於2m之曲率半徑，且大於該坩堝之水平尺寸兩 倍，並且最好大約是該坩堝之水平尺寸大約8倍至大約16 倍。 10 依據本發明之實施例，可形成最好具有至少兩各至少 大約為20cm，例如，在一側至少大約為20cm之尺寸及至少 大約10cm之第三尺寸的固態單晶矽體或近似單晶矽體，且 最好是鑄態矽體。較佳地，可形成最好具有至少兩各至少 大約為30cm，例如，在一側至少大約為30cm之尺寸及至少 15 大約10cm之第三尺寸的固態單晶矽體或近似單晶矽體，且 最好是鑄態矽體。更佳地，可形成最好具有至少兩各至少 大約為35cm，例如，在一側至少大約為35cm之尺寸及至少 大約10cm之第三尺寸的固態單晶矽體或近似單晶矽體，且 最好是鑄態矽體。最佳地，可形成最好具有至少兩各至少 20 大約為40cm，例如，在一側至少大約為40cm之尺寸及至少 大約20cm之第三尺寸的固態單晶矽體或近似單晶矽體，且 最好是鑄態矽體。又，較佳地，可形成最好具有至少兩各 至少大約為50cm，例如，在一側至少大約為50cm之尺寸及 至少大約20cm之第三尺寸的固態單晶矽體或近似單晶矽 19 201229330 體，且最好是鑄態矽體。又，更佳地，可形成最好具有至 少兩各至少大約為60cm，例如，在一側至少大約為60cm之 尺寸及至少大約20cm之第三尺寸的固態單晶矽體或近似單 晶矽體，且最好是鑄態矽體。又，最佳地，可形成最好具 5 有至少兩各至少大約為70cm，例如，在一側至少大約為 70cm之尺寸及至少大約20cm之第三尺寸的固態單晶矽體 或近似單晶矽體，且最好是鑄態矽體。依據本發明之實施 例，可形成一沒有或實質上沒有徑向分布缺陷及/或雜質且 具有至少兩各至少大約為20cm、及至少大約10cm之第三尺 10 寸的固態連續單晶矽體或近似單晶矽體。較佳地，可形成 一沒有或實質上沒有徑向分布缺陷及/或雜質且具有至少 兩各至少大約為30cm、及至少大約10cm之第三尺寸的固態 連續單晶矽體或近似單晶矽體。更佳地，可形成一沒有或 實質上沒有徑向分布缺陷及/或雜質且具有至少兩各至少 15 大約為35cm、及至少大約10cm之第三尺寸的固態連續單晶 矽體或近似單晶矽體。最佳地，可形成一沒有或實質上沒 有徑向分布缺陷及/或雜質且具有至少兩各至少大約為 40cm、及至少大約20cm之第三尺寸的固態連續單晶矽體或 近似單晶矽體。又，較佳地，可形成一沒有或實質上沒有 20 徑向分布缺陷及/或雜質且具有至少兩各至少大約為 50cm、及至少大約20cm之第三尺寸的固態連續單晶矽體或 近似單晶矽體。又，更佳地，可形成一沒有或實質上沒有 徑向分布缺陷及/或雜質且具有至少兩各至少大約為 60cm、及至少大約20cm之第三尺寸的固態連續單晶矽體或 20 201229330 近似單晶石夕體。又，最佳地’可形成一沒有或實質上沒有 徑向分布缺陷及/或雜質且具有至少兩各至少大約為 70cm、及至少大約2〇cm之第三尺寸的固態連續單晶矽體或 近似單晶矽體。 5 —依據本發明實施例製成之石夕铸塊水平尺寸的上限僅 由鑄造與坩堝製造技術來決定’而不是由發明之方法本身 來決定。依據本發明’可製備具有至少lm2且最多4·8ιη2之 橫截面積的鑄塊。類似地’該缚塊之高度上限會與較長之 循環時間有關，而非鑄造製程之基本條件。最多大約50cm 10 至大約80cm之鑄塊高度是可能的，如此，依據本發明，一 連續單晶石夕體或近似單晶矽體可以成功地成長至具有大約 6cmx66cm之;^截面’而一塊矩形固態連續單晶石夕之體積 至少為33,75〇Cm3。此外’依據本發明，鑄態連續單晶矽或 近似單晶石夕之固體可以較佳地形成具有至少兩各與-鑄造 15令器内〇P尺寸一樣大之尺寸、及-與該鑄塊高度相同之第 、 士 如果该早晶鱗石夕體是一立方體形或一矩 形固體則别述這些尺寸係指這些矽體之長度、寬度與高 度。 類似地，可形成一較佳地具有至少兩各至少大約10cm 之尺寸、及至少大約5cm之第三尺寸的铸態幾何型多晶石夕固 體較佳地，可形成一具有至少兩各至少大約20cm之尺寸、 及至v大約5cm之第三尺寸的鑄態幾何型多晶矽固體。更佳 地’可形成—具有至少兩各至少大約3Gom之尺寸、及至少 大、力5cm之第二尺寸的鑄態幾何型多晶矽固體。又，更佳 21 201229330 地，可形成一具有至少兩各至少大約35cm之尺寸、及至少 大約5cm之第三尺寸的鑄態幾何型多晶矽固體。又，較佳 地，可形成一具有至少兩各至少大約40cm之尺寸、及至少 大約5cm之第三尺寸的鑄態幾何型多晶矽固體。更佳地，可 5 形成一具有至少兩各至少大約50cm之尺寸、及至少大約 5cm之第三尺寸的鑄態幾何型多晶矽固體。又，更佳地，可 形成一具有至少兩各至少大約60cm之尺寸、及至少大約 5cm之第三尺寸的鑄態幾何型多晶石夕固體。較佳地，可形成 一具有至少兩各至少大約70cm之尺寸、及至少大約5cm之 10 第三尺寸的鑄態幾何型多晶矽固體。如此，依據本發明， 一連續單晶矽體或近似單晶矽體可以成功地成長至具有大 約66cmx66cm之橫截面，而一塊矩形固態連續單晶石夕之體 積至少為33,750cm3。此外，依據本發明，可以較佳地形成 具有至少兩各與一鑄造容器内部尺寸一樣大之尺寸、及一 15 與該鑄塊高度相同之第三尺寸的鑄態連續單晶矽固體。例 如，如果該單晶鑄態矽體是一立方體形或一矩形固體，則 前述這些尺寸係指這些矽體之長度、寬度與高度。 藉由依據本發明實施例之方式進行熔融矽之結晶化， 可製成具有特定而非任意之晶界及特定晶粒尺寸之鑄態 20 矽。此外，藉由以使所有晶種互相定向於相同相對方向之 方式來對齊該等晶種，例如，該（100)極方向垂直於該坩堝 底部且該（110)極方向平行於一矩形或正方形橫截面坩堝之 其中一側，則可得到大的鑄態矽體，且該鑄態矽體是或幾 乎是其中該鑄態矽之極方向與該（等）之極方向相同的單晶 22 201229330

Ul地其他極方向可以垂直於該坩堝之底部。此外， 之實施例，該(等)晶種可以排列成使有共同極方 向垂直於該坩堝之底部。 當單晶石夕係利用如CZWZ法等習知方法，由—池溶融 石夕中拉出-圓柱形晶㈣製成時，所得到之單晶石夕含奸 陷’例如，旋渦缺陷(由如空位與自格隙原 子專内在缺陷形成者)與⑽環缺陷及。這些旋渦缺陷可以 利用X射線圖像測得且在财中係以“旋渦，，呈現， 可在優先酸㈣使輪廓出現後，再偵測它們。 10 15 20 依據習知CZ或FZ法，在石夕内之氧原子與在該石夕中由這 陷的分布是在徑向上。這表示它們會排 列成衣狀、螺旋狀或以—中心軸為^對稱之條紋狀着 環缺陷係—種特例，其中奈米級氧沈澱在-拉出之石夕單曰 聽或晶枉内之圓柱形帶中集結生成堆疊缺陷，而在優先 酸敍後於顿品巾可讀察到這些圓柱形帶。 旋渦缺陷與0SF環缺陷兩者均會由於拉出 /法而由—池熔融雜㈣㈣Μ之單晶石夕曰 =右相反地，由本發明實施例之鑄造製程所製成之 不會有㈣旋渦缺陷與⑽環缺陷。這是因 „之韻中、及在整個固化與冷卻過程中整 =溫線大致平坦之製財，在鑄造過程中產生之缺陷大 部伤會在任意地分布在成長界面處而不會_轉影響。 有關在由不同方法長成之石夕中的輕元素雜質漠度，在 23 201229330 表1中所示之以下級數係一般考慮之特性值。 表1 濃度(atoms/cmj) 氧 碳 氮 浮動區 <lxl〇16 <1χ1016 <lxl〇14 Czochralski 2xl017-lxl〇18 <1χ1016 鑄造 2-3xl〇17 2x10 丨 6-5χ1017 >lxl〇15 CZ鑄塊之部份可以低至5xl〇17atoms/cm3之氧來製造， 但不能再低。碳與氮濃度可以在F Z與C Z鑄塊中利用刻意摻 5 雜來增加，但摻雜不會超過在這些方法中之固體溶解極限 (如同它在鑄造材料中一般），且業經摻雜之鑄塊製成之尺寸 直徑不會大於20cm。相反地，鑄塊通常會由於脫離塗層與 爐熱區之設計而以碳與氮過飽和。因此，由於液相成核作 用與成長’沈澱之氮化物與碳化物分布於各處。此外，依 10據本發明之實施例，製成之鑄態單晶塊具有前述雜質級數 且具有50x50x20cm3與60x60x5cm3之尺寸。這些尺寸僅是舉 例’且不應視為本發明鑄造製程之上限。 例如，在雜質級數方面，在依據本發明鑄造之矽中較 佳的是大約1-5x1017atoms/cm3之溶解碳濃度、大約 15 2-3 X1017at〇ms/cm3之溶解氧濃度、及 i _5 χ! 〇i5at〇ms/cm3之溶 解碳濃度。依據本發明之實施例，可形成最好具有至少兩 各至少大約為20cm，例如，在一侧至少大約為2〇cm之尺寸 及至少大約10cm之第三尺寸，並且具有大約 l-5xl017at〇mS/cm3之溶解碳濃度、大約2-3xl〇17at〇ms/cm3 20之溶解氧濃度、及1_5xl〇l5atoms/cm3之溶解碳濃度的固態 單晶石夕體或近似單晶石夕體，且最好是鑄態矽體。較佳地， 24 201229330 可形成具有至少兩各至少大約為3 0cm，例如，在一側至少 大約30cm之尺寸及至少大約i〇cm之第三尺寸，並且具有大 約 l-5xl017atoms/cm3之溶解碳濃度、大約2-3xl017atoms/cm3 之溶解氧濃度、及1-5x1015atoms/cm3之溶解碳濃度的固態 5單晶矽體或近似單晶矽體，且最好是鑄態矽體。更佳地， 可形成具有至少兩各至少大約為35cm，例如，在一側至少 大約35cm之尺寸及至少大約i〇cm之第三尺寸，並且具有大 約 1 -5X1017atoms/cm3之溶解碳濃度、大約 2-3X1017atoms/cm3 之溶解氧濃度、及l-5xlOl5atoms/cm3之溶解破濃度的固態 10 單晶矽體或近似單晶矽體，且最好是鑄態矽體。又，更佳 地，可形成具有至少兩各至少大約為40cm，例如，在一側 至少大約40cm之尺寸及至少大約20cm之第三尺寸，並且具 有大約l-5xl017atoms/cm3之溶解碳濃度、大約 2-3x10 atoms/cm3之溶解氧濃度、及l-5xl〇15atoms/cm3之溶 15 解碳濃度的固態單晶矽體或近似單晶矽體，且最好是鑄態 矽體。又，更佳地，可形成具有至少兩各至少大約為50cm， 例如’在一側至少大約50cm之尺寸及至少大約2〇cm之第三 尺寸，並且具有大約l-5xlOnatoms/cm3之溶解碳濃度、大 約 2-3xl〇17atoms/cm3之溶解氧濃度、及 i_5xl〇i5at〇ms/cm3 20 之溶解碳濃度的固態單晶矽體或近似單晶矽體，且最好是 鑄態矽體。又’更佳地，可形成具有至少兩各至少大約為 60cm，例如，在一側至少大約60cm之尺寸及至少大約20cm 之第三尺寸，並且具有大約l-5xl017atoms/cm3之溶解碳濃 度、大約2-3xl017atoms/cm3之溶解氧濃度、及 25 201229330 l-5xl015atoms/cm3之溶解碳濃度的固態單晶矽體或近似單 晶矽體，且最好是鑄態矽體。又，更佳地，玎形成具有至 少兩各至少大約為70cm，例如，在一側至少大約70cm之尺 寸及至少大約20cm之第三尺寸，並且具有大約 5 l-5xl017atoms/cm3之溶解碳濃度、大約 2-3xl〇17atoms/cm3 之溶解氧濃度、及l-5xl〇15atoms/cm3之溶解碳濃度的固態 單晶矽體或近似單晶矽體，且最好是鑄態矽體。 依據本發明之實施例，可形成一沒有或實質上沒有徑 向分布缺陷及/或雜質且具有至少兩各至少大約為2〇cm之 10 尺寸及至少大約10cm之第三尺寸，姐且具有大約 l-5xlOl7atoms/cm3之溶解碳濃度、大約2-3xl〇17atoms/cm3 之溶解氧濃度、及l-5xl〇l5at〇ms/cm3之溶解碳濃度的連續 單晶石夕體或近似單晶>5夕體。較佳地，可形成一沒有或貫質 上沒有徑向分布缺陷及/或雜質且具有至少雨各至少大約 15為3〇cm之尺寸及至少大約1〇cm之第三尺寸，迆且具有大約 l-5xlOl7atoms/cm3之溶解碳濃度、大約2-3xiq1 atoms/cm3 之溶解氧濃度、及l-5xl〇15at〇ms/cm3之溶解碳濃度的連續 單晶石夕體或近似單晶石夕體。更佳地，y形成一沒有或貫為 上沒有徑向分布缺陷及/或雜質且具有至少雨各至少大約 20為35cm之尺寸及至少大約i〇cm之第三尺寸，I且具有大約 l-5xlOl7atoms/cm3 之溶解碳濃度、大約 2_3xl017at〇mS/Cm3 之溶解氧濃度、及l-5xl〇i5atoms/cm3之溶解碳濃度的連續 單晶石夕體或近似單晶石夕體。又，更佳地，·^形成一/又有或 貫質上沒有徑向分布缺陷及/或雜質立具有至少兩各至少 26 201229330 大約為40cm之尺寸及至少大約2〇cm之第三尺寸，並且具有 大約l-5xl017atoms/cm3之溶解碳濃度、大約 2-3xl017atoms/cm3之溶解氧濃度、及udo丨5atorns/cm3之溶 解碳濃度的連續單晶石夕體或近似單晶石夕體。又，更佳地， 5可形成一沒有或實質上沒有徑向分布缺陷及/或雜質且具 有至少兩各至少大約為50cm之尺寸及至少大約20cm之第 三尺寸，並且具有大約l-5xl017atoms/cm3之溶解碳濃度、 大約2-3xlOl7atoms/cm3之溶解氧濃度、及i-5xl015atoms/cm3 之溶解碳濃度的連續單晶矽體或近似單晶矽體。又，更佳 10 地，可形成一沒有或實質上沒有徑向分布缺陷及/或雜質且 具有至少兩各至少大約為60cm之尺寸及至少大約20cm之 第三尺寸’並且具有大約l-5xl017atoms/cm3之溶解碳濃 度、大約2-3xl017atoms/cm3之溶解氧濃度、及 1 -5 X1015atoms/cm3之溶解碳濃度的連續單晶矽體或近似單 15 晶矽體。又，更佳地，可形成一沒有或實質上沒有徑向分 布缺陷及/或雜質且具有至少兩各至少大約為7〇cm之尺寸 及至少大約20cm之第三尺寸，並且具有大約 1-5x1017atoms/cm3之溶解碳濃度、大約2-3xl017at〇ms/cin3 之溶解氧濃度、及l-5xl015atoms/cm3之溶解碳濃度的連續 20 單晶矽體或近似單晶矽體。 一依據本發明實施例製成且具有前述雜質濃度之石夕鱗 塊水平尺寸的上限僅由鑄造與坩堝製造技術來決定，而不 是由發明之方法本身來決定。如此，一具有前述雜質濃度 之鎮態連續早晶碎或近似早晶珍之固體可以較佳地形成且 27 201229330 有至少兩各與一鑄造容器内 該鑄塊高度相同之第三尺寸寸一樣大之尺寸、及一與 是—立方體形或-矩形固體，ί;如果該單晶鑄態石夕體 俨夕且ώ 艰則别述這些尺寸係指這些矽 肢疋長度、寬度與高度。 10 15 20 有任㈣^發明之實施例，轉造過程中所使狀晶種可具 塊，戈^尺寸與純’且係具有適钱何雜之單晶石夕 :依，副排列之多晶妙，如正方形、矩形、 因二邊形之錢。它們可成形為便於鋪排， 邊對邊地玫置或‘‘舖排，，並以-預定圖案配合 玫置^ 此外’依據本發明之實施例，多數晶種可 =㈣包括所有之-或多側上。藉由將-如㈣ =趣專結晶㈣㈣成多數具有所“狀之塊狀，可以 t這些晶種。這些晶種亦可以藉由將它們由—利用本發 月貫施例方法製成之連續單晶或連續幾何型多晶狀樣品 刀割出來而形成’使隨後之鑄造製程中所使用之晶種可由 —初始鑄造製程製成。為了進行單晶料，最好使儘可能 少之晶種覆蓋紐财部，以避免出現缺陷。如此，該石夕 或該等科以具有其中放置_或該等心進行本發明之 縳造方法之關或其他m部等之1多側的尺寸與 形狀，或大致之尺寸與形狀。 以下將說明本發明實施狀心製切的方法及裝 置。但是，在此應了解的是這些不是形成與本發明原理相 符之矽的唯一方式。 ’ &_0«在_如石英_等具有底 28 201229330 部與壁部之坩堝底面處，使它們朝相同方位緊密抵接且形 成一大而連續定向之板片120，或者，它們以一預設錯向緊 密抵接’以在所產生之所得矽中產生具有刻意選擇之晶粒 尺寸的特定晶界。即，為鑄造幾何型多晶矽，所得之結晶 5 化幾何型多晶矽的晶粒尺寸將等於或將大約為該等晶種之 尺寸。較佳地’多數晶種100係鋪排且放置成可實質地覆蓋 坩堝110之整個底部。又，較佳地，該坩堝丨10具有一如由 氧化矽、氮化矽或一液體膠囊等製成之脫離塗層，以便將 結晶化之矽由坩堝110取出。此外，該等晶種可包含具有所 需Ba體方位之單晶石夕’且厚度為大約3mm至大約lOOmni的 一板片或多數板片。雖然在第1圖中顯示的是一特定數目與 尺寸之晶種100 ’但是發明所屬技術領域中具有通常知識者 可輕易了解該等晶種之數目與尺寸可以依據應用而增加或 減少。 15 請參閱第2圖，晶種100亦可放置在該坩堝110之一或多 個側壁130、140上。晶種1〇〇可以放置在坩堝11〇之所有四 個壁上，但為了方便說明，僅在側壁13〇、14〇上顯示晶種 100。較佳地，放置在該坩堝110四壁之任—壁上的晶種1〇〇 呈柱狀，以便進行晶體成長。較佳地，放置在該坩堝四 20壁之任一壁上之各柱狀晶種將具有與放置在它正下方且在 坩堝110底部上之晶種相同的晶粒方位。當幾何型多晶矽成 長時，依此方式放置該柱狀晶種將有助於該等幾何型矽晶 粒成長到與該坩堝110之高度一般大。 仍請參閱第2圖，這種晶種100結構之優點是—用以鑄 29 201229330 造具有更高結晶性與更高成長速度 行的方法。例如，可在__由杯，，^、、更簡單、自進 由許多堆疊在-起以在增堝丨_侧形且該石夕“杯” 5 10 15 之凹穴的晶種。或者，可將溶融⑽人1如底部與四壁 石夕“杯”由許多堆疊在—起以在__^杯”中’且該 與四壁之凹六的晶種。在另一例中，-如底部 至石夕之炼化溫度，且保持在固體狀態 禮納杯”上升 入且使之達到熱平衡1後，在前述=雜融砂倒 110冷卻，藉此，利關如__使熱軸至大氣中轨將相禍 至掛禍110開口頂部之固體散熱材料（圖未示)且熱仍可施加 底部與側部散熱。依此方式，所得之 &掛尚110 可以是單結晶 或幾何型多晶（依所使用之晶種100與其方位而6)且，妒 晶化進行之速度大於已知多晶鑄造製程。為^重覆ϋ 程，利用已知方法移除該結晶化矽塊之側邊與底部的一部 份。較佳地，多數如晶種100之種晶係排列成使在晶種1〇() 間之共同極方向垂直於坩堝110之底部與一側部的各部，以 在坩堝110之底部與一側部之間不形成晶界。 第3 A-3C圓顯示用以在坩禍110中鑷造幾何型多晶石夕之 铺排例。晶粒工程V以藉由小心之晶種產生、定向、放置 20 與晶體成長來達成。例如，第3A與3B圖顯示其上顯示不同 (110)方向之兩單晶矽板片155、165。兩板片具有一垂直於 其表面之共同（100)方向，接著，切割各單晶矽板片155、 165，以形成許多成為晶種之矽塊15〇、160。表面種類可以 由於紋理的緣故而是均一的，或者依需要選擇。晶粒之形 30 201229330 狀與尺寸可以依據由單晶石夕板片155與165之鋪片的切割來 選擇，如第3B圖所示。在矽塊150、16〇之相鄰鋪片間的相 對方位角度決定在所得鑄態幾何型多晶矽中之晶界種類 (如，高角度、低角度或兩者）。例如，在第3八圖中顯示（1〇〇) 5極方向之兩晶粒方位。 第3C圖所示之晶種包含多數與其相鄰鋪片具有特定方 位關係之鋪排早晶石夕塊150、160，且該等石夕塊jo、160係 鋪排在坩堝110之底部，如第3C圖所示，使兩（11〇)方向交 錯如在石夕塊150、160上畫出之箭號所示。在此應注意石夕 1〇塊150、160晝成大致正方形塊僅是為了說明及下述之原 因，且可以是其他形狀。 雖然未顯示在第3C圖中，晶種亦可位在掛禍之側邊， 如第2圖所示。接著，可將矽進料（圖未示）導入坩堝ιι〇而位 在矽塊150、16〇上方並且使之熔化。或者，可將熔融矽倒 15入坩堝110中。在另一例中，先使坩堝110之溫度非常靠近 或上升至石夕之溶化溫度，並接著倒入該炼融>5夕。依據本發 明之實施例，該等晶種之薄層可以在固化開始前熔化。 接著，在前述任一例中，將該坩堝110冷卻，藉此，利 用例如一使熱輻射至大氣且熱仍可施加至坩堝11〇開口頂 20部之固體散熱材料，由該坩堝11〇底部（且如果晶種亦鋪排 在侧面則亦由側部）散熱。如此，當該晶種保持一固體狀態 時，加入熔化之矽，且該熔化物之方向性固化使柱狀晶粒 向上成長。依此方式，所得之幾何型多晶矽鑄塊將模擬鋪 排矽晶種150、160之晶粒方位。一旦適當地實施這方法後， 31 201229330 可將所得之鑄塊切成水平板片，以作為其他鎮造製程用之 晶種層。該板片可以具有一坩堝或其他用於鑄造之容器之 表面，如底面的尺寸與形狀或大致之尺寸與形狀。例如， 只有一這種板片可用於進行禱造製程。 5 第4圖顯示第3C圖中所示之鋪排的變化例，其中鑄態幾 何型多晶矽之晶粒方位之一例係將晶種塊15〇、160以一垂 直於坩堝110底部之共同極方向（〇〇丨)鋪排。在第4圖中，該 (110)方向族之所有變化呈現在矽塊15〇、16〇之鋪排中，如 方向箭號所示。雖然未在這特定圖中顯示，但是晶種亦可 10 以在坩堝110之一或多側上。 如此，在一用以形成矽之種晶方位可選定為使特定晶 界形成在鑄態幾何型多晶矽中，且其中前述晶界包圍幾何 形狀。相對於本發明之實施例，習知鑄造方法包括以一不 艾控制之方式藉由方向性固化而由一塊完全熔化之矽來鑄 15造該等多晶晶粒。所得之晶粒基本上具有任意之方位與尺 寸分布，且該任意晶粒方位難以有效使該矽表面形成紋 理。此外，在典型成長方法之天然產品、晶界中之扭折會 集結有關錯位之團或線之結構缺陷。這些錯位及它們會吸 引之雜質會造成電載子之迅速重組與作為光電材料之效能 2〇下降。因此，依據本發明之實施例，可達成小心計晝與種 入—規則晶界網路以鑄造單晶或幾何型多晶矽之目的，使 晶粒之尺寸、形狀與方位清楚地被選擇成可使少數載子壽 命達到最長且消除最多雜質，並且使結構缺陷減至最少者。 晶界可以選定為呈平坦之平面，以減少錯位成核並在 32 201229330 成長時維持其垂直方向 雜質與㈣應力之絲料消除 是表面方位)传選…:乂 “拉方位(特别 粒強;^ 成紋路、改善表面魏且增加晶 10 L X 。該等晶粒之尺寸係選定為可在有效減少距離與 收面積之間得職適當平衡者，例如，可實質幾何型 夕曰曰夕之鱗造’使該幾何型多晶⑪具有至少大約0.5cm至大 勺10cm之平均最小晶粒橫截面，且共同極方向垂直於該鱗 心成何型多晶石夕之表面，如第3C與4圖所示。該平均晶粒橫 *T為大約〇.5cm至大約7〇cm，或7〇cm以上。最後的於 果疋可增加所得之光電材料之整體效率。 依據本發明之實施例，多數單晶矽種晶之幾何型結構 可以放置在一坩塥之至少一表面上，例如一坩禍之底面 上，其中該幾何型結構包括緊密堆積之多邊形。或者，多 數單晶矽種晶之幾何型結構可放置成使該幾何型結構包括 15緊密堆積六邊形，或具有菱形或三角形格隙之多邊形，如 第5與6圖所示。在另一替代例中，未使用多數單晶種晶， 可使用由一在先前單晶矽鑄造中產生之鑄塊以切割或其他 方式獲得之矽區段或板作為用以鑄造本發明單晶矽之單一 種晶。這種單一種晶可以具有與坩堝或用於進行鑄造之其 ^ Λ 他容器之表面相同的尺寸與形狀，或大致相同之尺寸與形 狀。第5圖顯示一緊密堆積六邊形17〇陣列之例子，相對於 此，第6圖顯示具有菱形或三角形格隙180、190之多邊形陣 列的例子。以下將詳細說明這兩種陣列，且前述任一種結 構亦可應用於用以鑄造一固態單晶矽體或一固態多晶矽體 33 201229330 之實施例，其中該種晶係放置在一坩堝之底面與側面兩者 上。 依據本發明之實施例，藉由鑄造一幾何型多晶矽體所 製得之矽晶粒可以一管柱方式成長。此外，這些晶粒可具 5 有相同或接近於由其形成之晶種的形狀。當製造具有這種 特定晶界之矽時，最好該晶界接面僅具有在一角落處會合 之三個晶界。如第5圖所示，種晶之六邊形結構170對於晶 種之鋪排是必要的，其中該晶體方位使在水平面中之原子 具有三重或六重對稱性，例如石夕之（111)。如此，第5圖顯示 10 —用於排列在一如第1與2圖所示之適當坩堝底部中之六邊 形組合一部份的平面圖，且其中之箭號顯示在該等晶種中 之矽晶體（110)方向的位向。 或者，對具有四重對稱性之方位而言，該等晶種之不 同幾何型結構可用以來在多數晶粒之間保持穩定、對稱之 15 晶界，且仍符合三晶界角落規則。例如，如果Θ是在（110) 方向與一具有一（100)極之八邊形主要側邊間的方位誤差， 且α是一格隙菱形之頂角，如第6圖所示，則當α=90°-θ時， 所有晶粒將具有相對於該（110)方向為對稱之晶界。在這例 子中，所有晶粒具有垂直於第6圖所示孓紙面的（100)極方 20 向。如此，第6圖是一用以排列在一如第1與2圖所示之適當 坩堝底部中之八邊形晶種以及菱形晶種180、190之組合一 部份的平面圖，且其中箭號顯示在該等晶種中之矽晶體之 (110)方向的方位。 第7圖是顯示本發明製備矽之例的流程圖，且依據第7 34 201229330 圖’方法7GG開始時可先選擇用於單晶碎或幾何型多晶石夕成 長之單晶矽種晶，並將單晶矽種晶排列在一坩堝中（步驟 705)。或者，一藉由切割或其他方式而由一單晶矽或依幾 何形狀規則排列多晶矽之鑄塊所獲得的單一板片可作為一 5單一種曰曰使用。接著，可將石夕進料加入該掛禍中（步驟71〇)。 然後，由頂部加熱該坩堝並由底部冷卻該坩堝之底部(被動 地或主動地，見步驟715)。在熔化時，監測該矽之熔化階 段，以追蹤且控制該固-液界面之位置（步驟72〇)。繼續進行 該矽之熔化階段，直到該單晶矽種晶之一部份熔化為止（步 10驟725)。一旦該單晶矽種晶之所需部份熔化後，結束該熔 化階段並開始晶體成長階段(步驟7 3 〇)。在該坩堝内讓晶體 單向與垂直地繼續進行成長，直到矽結晶化完成為止（步驟 735)。如果排列晶種以進行幾何型多晶矽成長，則該結晶 化步驟735將產生一具有柱狀晶粒之幾何型多晶矽鑄塊（步 15驟740)。或者，如果排列晶種以進行單晶矽成長，則該結 晶化步驟735將產生一單晶矽鑄塊(步驟745”最好，取出在 步驟740或745任一者中產生之鑄塊，以進行後續處理（步驟 750)。 如第8A圖所示，矽進料2〇〇可以例如兩種方式中之其令 20 一種加入含有晶種220之坩堝210中。首先，適當地以呈方 便尺寸塊體形態之固體矽進料2〇〇完全裝滿坩堝210，再將 該裝滿之坩堝210放在一鑄造站（圖未示）中。 如第8B圖所示，在坩堝21〇中之溫度分布係設定成使可 加熱在掛堝210中之矽進料頂部而使其熔化，且可主動地或 35 201229330 被動地冷卻底部以在坩堝21〇底部保持固態之晶種22〇， 即，使它們不會在矽進料200熔化時浮起。一固息散熱材料 230與坩堝210之底部接觸，以散熱至水冷壁。例如，散熱 材料230可以是一塊固體石墨，且可較佳地具有等於或大於 5 s玄掛禍底部之尺寸。依據本發明，例如，當使用具有底面 為66cmx66cm之坩堝時，該散熱材料可為 66cmx66cmx20cm。較佳地，坩堝210之側壁無論如何均不 會被冷卻，只要使晶種220僅位在坩堝210底部上即可。如 果晶種220位在掛禍210底部與側壁兩者上，則散熱材料230 10將會放置在坩堝210底部與側壁兩者上以保持所需之熱分 布0 矽進料200之熔化狀態受到密切地監測，以追蹤在溶化 石夕與該等晶種間之界面位置。較佳地，炼化物24〇(顯示在 第8B圖中）繼續產生直到除了晶種22〇以外之所有石夕進料 15 200完全熔化為止，然後，晶種220將部份地熔化。例如， 藉由維持在該坩堝中另一處到達矽之熔化溫度後，在該掛 禍外表面上測量時之AT大約等於或小於01〇c/min ,可以密 切地控制加熱，使該等晶種220不會完全熔化。較佳地，藉 由維持在該坩堝中另一處到達矽之熔化溫度後，在該坩堝 20外表面上測量時之ΔΤ大約等於或小於〇.〇5°C/mm，可以密 切地控制加熱。例如，依據本發明，該^丁可在該坩堝之外 表面上於該坩堝與一大塊石墨之間測得，且一深度標尺可 插入熔化物240中以測量該熔化物之深度，並計算已熔化之 晶種220的部份。 36 201229330 如第8C圖所示，部份250顯示晶種220總厚度之熔化部 份。在晶種220之一部份250在熔化物240下方熔化後，該熔 化階段將迅速地結束且開始晶體成長階段，其中在坩堝21〇 頂部之加熱減少及/或在散熱材料230底部之冷卻增加。這 5過程之一例係顯示於第8D圖之圖表，且其中晶種220之一部 份250的熔化為時間的函數。如第8D圖所示，該等晶種具有 在5與6cm之間之初始厚度的一部份逐漸炫化，直到留下正 好2cm以下之固態晶種為止。例如，藉由維持在該坩堝中另 一處到達矽之熔化溫度後’在該坩堝外表面上測量（例如透 10過一安裝在該冷卻裝置中之熱電偶）時之ΔΤ大約等於或小 於0·l〇C/mm，可以密切地控制加熱，使該等晶種22〇不會完 全熔化。較佳地，藉由維持在該坩堝中另一處到達矽之熔 化溫度後，在該坩堝外表面上測量時之^丁大約等於或小於 〇.〇5°C/min，可以密切地控制加熱。此時，該熔化階段將迅 15速地結束且開始晶體成長階段，而這種情形係以在該圖表 之縱座標上測之固態厚度之大幅上升來表示。 接著’如第8E圖所示，在坩禍21〇内，晶種繼續單向地 且垂直地進行㈣成長，直到我晶化完成為止。當在該 坩堝210内之頂至底溫度梯度整平時，該鑄造循環結束。然 2〇後，整個鑄塊260將緩慢地冷卻至室溫。為了鑄造幾何型多 晶石夕’如第8E圖所示，這晶種單向成長產生柱狀晶粒27〇， 且該等晶粒27G具有與在它形成於其上之各個晶種22〇形狀 ^致相同的水平«面。依此方式，可簡先選擇該鎮態 多晶石夕之晶界。又’任何前叙晶種圖案/鋪排方式均可應 37 201229330 用於這鑄造方法中。 或者，為了鑄造單晶矽，晶種220可排列成完全沒有晶 界，以產生鑄態單晶矽。如第8F圖所示，部份250顯示晶種 220在該熔化物240下方之總厚度的熔化部份。在晶種220之 5 部份250於熔化物240下方熔化後，該熔化階段將迅速地結 束且開始晶體成長階段，其中在坩堝210頂部之加熱減少及 /或在散熱材料230底部之冷卻增加。接著，如第8G圖所示， 在坩堝210内，晶種繼續單向地且垂直地進行晶體成長，直 到矽結晶化完成為止。一以實質平坦較佳之固-液界面285 10 繼續向上且遠離該坩堝210之底面擴展，且當在該坩堝21〇 内之頂至底溫度梯度整平時，該鑄造循環結束。然後，整 個鑄塊280將緩慢地冷卻至室溫。為了鑄造幾何型多晶石夕， 如第8G圖所示，這晶種單向成長產生一連續鑄態單晶矽固 體 290。 15 在另一方法中’如第9圖所示’可以先在一分開室或分 開熔化容器300中熔化矽進料200。晶種220可以在熔融進料 305經由熔化管310送入或倒入坩堝210之前，由頂部部分地 或非部份地熔化’然後如參照第8 B - 8 G圖所述般地進行冷卻 與成長。在另一實施例中，矽種晶可以安裝在坩堝21〇之壁 20 (圖未示）上且可如前所述地由坩堝210之側邊與底部進行晶 體成長。或者，矽進料2〇〇可在一與坩堝210分開之熔化容 器300中熔化，且此時將坩堝21〇加熱至矽之熔化溫度，並 且控制§亥加熱，使晶種220不會完全炫化。在石夕進料2〇〇部 份熔化時，熔融進料3〇5可以由熔化容器300轉移至坩堝21〇 38 201229330 中，且可開始冷卻與結晶化。如此，依據本發明之實施例， 該固態結晶㈣之1份可包括晶種22G。或者，該等晶種 可在炫化物加入之前保持完全固態。此時，在溶化容器3〇〇 中之溶融妙被加熱到超過該溶化溫度，且當加入過熱液體 5時’该過熱液體可炼化某些晶種之一部份。 在一如第9圖所示之兩階段鑄造站中，熔融進料305將 由熔化谷器300向下倒入並落在晶種22〇上，且在固化時呈 現它們的結晶性。或者，溶化可在-中央炼化容器3〇〇令發 X中央溶化各器3〇〇對如一或多份掛禍2i〇(圖未示） 鑄造步驟更適當化；半連續却 依需要以一規律之方式發生， )之組分散固化_結構進行供料。依據本發明之實施 i "亥等可以在該等^^之側邊與底部内概晶種 220。这方法之某些優點包括：分開熔化與固化系統，使各 半連續地熔化矽，其中溶化新材料可 式發生，以維持坩堝供應；當由中間 之炼化物對該等固化站進行供料時，石夕會在頂部結潰(且可 進行底部之排出），使初始特料之純度增加；及使炼化容 器3〇〇可與㈣進_5達成平衡且不再成為鶴之雜質來

您坩埙底部尺寸與形狀相同， 而该鑄塊之其餘部份可切成 39 201229330 磚與晶圓以加工成光電電池。或者，整個禱塊可、 平板片，以在多數鑄造站中作為種晶使用，以、M切成水 後之鑄造工作。 亍多數以 在本發明實施例之方法中使用的矽進料可含有 個如選自於包括：硼、鋁、鋰、鎵、碟、 雜劑。這些摻雜劑之總量可以大約是0< 或多 銻、砷及鉍之摻 .01份每百萬原子％ (ppma)至大約2PPma。較佳地，在該矽中之摻雜劑量係— 使由該矽製成之晶圓具有大約〇.1至大約50ohm_ 可 約0.5至大約5.0ohm-cm較佳之電阻的量 cm，且以大 10 如此，依據本發明，該矽可以是最好鑄態連續單晶矽 體或鑄態連續幾何型多晶矽體’且大致沒有或沒有如=sf 及/或旋渦缺陷等徑向分布缺陷。該妙體之至少兩尺寸宜至 少大約為10cm，且至少大約20cm為佳，並且至少3〇cm更 佳，而又以至少40cm更佳，並以至少5〇cm更佳，且以至少 15 60cm尤佳，更以至少大約70cm最佳。最佳地，這矽體之第 三尺寸至少大約5cm，且以至少大約i5cm為佳，並且以至 少大約20cm最佳。較佳地，該矽體可具有至少兩各與一鑄 造谷器内部尺寸一樣大之尺寸。如在此所說明者，本發明 可用以利用一簡單且低成本之鑄造方法製造大單晶矽體或 20 幾何型多晶矽體。 以下是本發明實施例之實驗例，且這些例子只是用以 舉例與說明本發明之實施例，並且無論如何均不應被視為 會限制本發明之範疇。

Ml 40 201229330 晶種製備：使用一塗覆有帶鋸之鑽石，沿其長向切割 一由MEMC公司所取得且具有〇 3ppma之硼的純柴式（cz) 石夕（單晶）晶坯，使它具有每側14cm測量值之正方形橫截 面。接著’使用相同之鋸通過其橫截面切割所得之單晶矽 5塊成多數具有厚度大約為2cm至大約3cm之板>1，且這些板 片係作為單晶矽種晶或“晶種，，。保持該矽晶坯之（100)結晶 極方位，且將所得之單一晶體矽板片配置在一石英坩堝底 部’使該板片之（1〇〇)方向面向上，並且該（11〇)方向保持與 該掛禍之一側平行。該石英坩堝具有一側為68cm之正方形 10 橫載面、大約4〇cm之深度、及大約i.8cm之壁厚度。該等板 片配置在該琳堝底部且它們的長尺寸平行於該坩堝底部， 而它們的側邊互相接觸以在該坩堝底部上形成一單一且完 整之板片層。 鑄造：接著，於室溫下在該坩堝中裝入總質量為265kg 15之固體矽進料，再將已裝填之坩堝置入一用以鑄造多晶矽 之現場熔化/方向固化鑄造站。該熔化製程係利用將電阻加 熱器加熱至大約1550°C來進行，且該等加熱器係構成為可 由頂部加熱且熱可藉由開啟絕緣體總共6 c m而輻射出該底 。這結構可使熔化在一由頂部向下之方向上朝該坩瑪底 20部進行，且透過底部之被動冷卻使該等種晶可在熔化溫度 下保持固態，並可藉由一熱電偶加以監測。溶化之程产係 利用一每10分鐘便下降至該熔化物中的石英深度標尺2測 量，且比較該深度標尺高度與一在該站中之空坩堝所取得 之測量值，以決定剩餘固體材料之高度。藉由深度標尺= 201229330 量，該進料先炼化，接著熔化狀態持續至僅留下大約l 5cm 高度之種晶。此時，藉由將絕緣體開啟至12cm，加熱功率 下降至- 1500。(：之溫度設定值，且由底部之輕射增加。在 固化開始之前，深度標尺測量觀察到種晶會再多熔化一或 5兩毫米。接著，晶種之單-晶體繼續成長直到固化步驟結 束為止。該成長階段與剩餘之鑄造循環係以其中頂至底部 溫度梯度整平之-般參數來進行，且接著讓整個鑄塊緩慢 地冷卻至室溫。該鑄態矽產物是一 66cmx66cmx2〇cm之鑄 塊，且其具有50cmx50cm之橫截面的中央部份由頂至底部 1〇是單晶石夕。該單晶石夕結構可由目視檢查該鑄塊表面而看 出，此外，以一可描繪出晶界之鹼性配方蝕刻該矽可進一 步證實在該材料中沒有晶界。該整體摻雜平均值是 1.2ohm-cm，且由這矽製成之光電電池具有16 〇%之電效率。 在依據這例子所進行之其他鑄造操作中，可觀察到該 15铸態矽產物係含有其他晶體位向之較小矽晶體之連續一致 矽晶體，或者是一具有多數相鄰多晶矽區域之單晶矽體。 例2 晶種製備：晶種係如例1中一般地完成，但是該單晶矽 晶種被切割成使一半晶種之（110)方向係位在相對該等正方 20形晶種側邊呈45度處，而另一半晶種具有大約20度之角 度《該等正方形塊係以兩不同晶種方位交錯之棋盤方式層 狀地排列在該坩堝底部，即，相對該等坩堝側邊之方位， 該（110)方向具有45度角與20度角，而該等晶種互相相對地 具有25度或155度之錯向。但是，由於該等正方形晶種尺寸 42 201229330 並不一致，所以在該晶種層中的某些間隙並未受到覆蓋。 該坩堝在各正方形側上之測量值大約為33cm，且高度測量 值大約為22cm。 鑄造：將有該等晶種之坩堝與另一總共含有560進料 5矽塊之坩堝放入一普遍存在铸造法（UCP)兩階段鑄造站 中，接著將收納坩堝(該等晶種在其内）加熱至矽之熔點，但 並未給予可完全熔化之能量。在另一坩堝中之矽則利用電 阻石墨加熱器以至少超過矽熔化溫度5〇c>c以上之溫度加以 熔化，且接著倒入該收納坩堝中。此時，隨即開始固化， 10且熱由該收納坩堝底部抽出，以進行單向固化與種晶成 長。由於该等晶種構成之已固化材料的質量，標準之成長 循環會縮紐。依此方式，並非在冷卻製程開始前提供讓所 有66kg(l〇kg之晶種與56kg之進料矽）固化之時間，而是僅為 56kg熔融矽提供時間，以避免浪費加熱能量。這方法之產 物疋具有大且大致柱狀晶粒之石夕塊，且具有形狀與尺寸 接近它們形成於其上之初始種晶之頂面尺寸的正方形橫截 面。當成長進行時，橫向晶界位置有時會偏移。 例3 晶種製備：種晶係以用以内襯一坩堝底部之23竑乘 2〇方、（1〇〇)之板完成，且該等板提供一63cmx63cm之覆蓋面 積及一由中心3cm至側邊1.8cm的厚度，且所有的板係配置 成其（110)方向與該掛堝之壁呈45。。 鑄造：以另一總共24 2k g之進料矽塊填充含有該等晶種 之坩堝，產生一本質矽、由先前鑄塊回收之矽、及具有一p 43 201229330 架電阻大於9ohm-cm之雙鑄態料混合物。接著將在制 渦中之妙進料送人—階段方向固化爐中，且將觸禍(該等 矽於其内）加熱至1550°C’並藉由開啟絕緣體至12cm來冷卻 10 15 底I5 411)·液界φ在；^化時仍保持大致平坦，因此在溶化 I。束0夺’沒有任何部份之晶齡完錄穿。财之厚度係 利用-石英深度標尺監測，且當測得—中心厚度為2⑽ 時^熔化階段停止，且加熱溫度下降至i44〇〇C並且絕緣 體高度增加至15em。由魅相改變開始，在騎财另一 處到達碎之^:化溫錢於贿禍外表面上測得之溫度增加 之速度便保持在或低於Ο」％/—。才妾著，繼續進行剩餘之 (· 固化製程’且對加熱器保持大致固定之功率直到觀察到結 晶成長結束為止。在成長結束後，使該結晶料塊之溫度 梯度達到整平狀態並接著均勻地下降至室溫。在由該明 中取出該鑄塊後，將該鑄塊底部切下一大塊以便在另一後 續鑄Ufi序中再利用作為—晶種，且該_塊之剩餘部份則 切成多數12.5em乘方之碑以進-步加工。該製程成功地使 單結晶實質在整财層橫截面上成長，且—直進行至該禱 塊頂部。又，藉由檢視該切割矽可看出單結晶性。 在依據這例子進行之其他鑄造工作中，可發現該鑄態 2 〇矽產物係含有其他晶體位向之較小矽晶體之連續一致矽晶 體，或者是一具有多數相鄰多晶矽區域之單晶矽體。 由本發明實施例之矽製成的晶圓具有適當薄度且可使 用在光電電池中，此外，該等晶圓可以是n型或p型者。例 如，晶圓可以具有大約1〇微米之厚度至大約7〇〇微米之厚 44 201229330 度。另外，在光電電池中使用之晶圓最好具有大於該晶圓 厚度⑴之擴散長度(Lp)。例如，Lp對t之適當比例至少為0.5。 例如，它可以至少為大約1.1或至少為大約2。該擴散長度 是少數載體(如在P型材料中之電子)在與大多數載體(在p型 5材料中之電洞）再組合之前可擴散之平均距離，且該Lp與少 數載體壽命τ有關而其關係為Lp=(Dt)1/2，其中D是擴散常 數。該擴散長度可以利用多種方法測量，例如光子束感應 電流（Photon-Beam-Induced Current)法或表面光電壓 (Surface Photovoltage)法等。例如，如何可測量擴散長度的 10 說明請參見A. Fahrenbruch與R. Bube之Achademic Press， 1983, ρρ· 90-102, “Fundamentals of Solar Cells”。 該等晶圓可具有大約100毫米至大約600毫米之寬度， 且較佳地’该等晶圓具有至少一至少為大約50mm之尺寸。 由本發明之矽製成之晶圓及因此由本發明製成之光電電池 15可具有，例如，大約50至3600平方公分之表面積。該晶圓 之前面最好具有紋路，例如，該晶圓可利用化學蝕刻、電 聚钮刻、或雷射或機械刻劃形成紋路。如果使用一具有（100) 極方位之晶圓’可利用在一如氫氧化鈉之鹼性水溶液中， 於如大約7G°C至大約9G°C之高溫下處理該晶圓 ，以餘刻該 20 曰曰圓形成一具各向異性紋路之表面。該水溶液可含有如異 丙醇等醇類。 1 | | 匕’太陽能電池可以使用由本發明實施例之鑄態矽 塊產生之晶81來製備，其方法包含：切割該鑄態梦固體以 形成至少—曰間 θ曰圓；在該晶圓表面上選擇性地進行一清潔程 45 201229330 序；在該表面上選擇性地進行一形成紋理步驟；藉由，例 如，摻雜該表面而形成一p-n接面；在該表面上選擇性地沈 積一抗反射塗層；藉由，例如，一銘燒結步驟而選擇性地 形成選自一背面場與一鈍化層之至少一層；及在該晶圓上 5 形成導電接頭。一鈍化層是一與一裸晶圓表面具有界面之 層，且該界面束缚住表面原子之懸鍵。在石夕上之純化層的 例子包括氮化矽、二氧化矽與非晶質矽。該層通常薄於1微 米，可以是透光的或者作為一反射層。 在一利用如一 p型矽晶圓之用以製備一光電電池的典 10 型與一般方法中，該晶圓之一側露於一適當η摻雜劑，以在 該晶圓之前面或光接收側形成一射極層與p-n接面。通常， 藉由利用如化學或物理沈積等一般使用之方法先將η摻雜 劑沈積在該Ρ型晶圓前面，且在此沈積後，將如構等摻雜劑 驅入該矽晶圓之前面以使該η摻雜劑再擴散進入該晶圓表 15 面，可形成該η型層或射極層。這“驅入”步驟通常是利用使 該晶圓暴露於高溫下來達成，因此，一p-n接面會形成在該 η型層與該p型矽晶圓基材間的邊界區域處。在磷或其他摻 雜劑形成該射極層之前，該晶圓表面可形成紋路。為了再 改善光吸收性，可選擇性地在該晶圓前面塗布一如氮化石夕 20 等抗反射塗層，有時提供同時形成表面及/或整體鈍化。 為了使用因使該p-n接面暴露於光能而產生之電位，該 光電電池通常在該晶圓前面設有一導電前電接頭且在該晶 圓背面設有一導電後電接頭，但是兩接頭可均位在該晶圓 背面。這些接頭通常是由一或多個高導電性金屬製成，且 46 201229330 因此通常是透明的。 如此，依據前述實施例製成之太陽能電池可包含··一 由實質上沒有徑向分布缺陷之連續單晶矽體形成之晶圓， 且該石夕體可為如前所述者並且具有例如，至少兩各至少大 5 約為25cm之尺寸及一至少大約為20cm之第三尺寸；一在該 晶圓中之p-n接面；一在該晶圓表面上的選擇性抗反射塗 層；最好具有選自於一背面場與一鈍化層之至少一層；及 在該晶圓上之導電接頭，其中該石夕體可以實質上沒有旋渦 缺陷且實質上沒有OSF缺陷。 同時，依據前述實施例製成之太陽能電池亦可包含： 一由一連續幾何型多晶矽體形成之晶圓，且該石夕體具有一 預定晶粒方位結構，並且一共同極方向垂直於該矽體之表 面，且該矽體最好具有至少兩各至少大約為1〇cm2尺寸； -在該晶圓中之Ρ·η接面；-在該晶圓表面上的選擇性抗反 W射塗層；最好具有選自於-背面場與—鈍化層之至少一 層；及在該晶圓上之導電接頭，其中該幾何型多晶石夕包括 具有大約0.5cm至大約30cm之平均晶粒橫截面之石夕晶粒且 其中該矽體可以實質上沒有旋渦缺陷 陷。 且實質上沒有OSF缺 20 發明所屬技術領域中具有通常知識者可知在不偏離本 發明㈣與精神之情形下可對所揭露之結構與方法進行各 種修改與變化，例如，㈣㈣彡成單“之所揭露製程與 方法亦可應用於形成近似單晶矽、 、 已在此說明了，夕之鑄造，但是在不，、組合。此外’雖然 I在不偏離本發明料與精神 47 201229330 形下鑄造其他半導體材料與非金屬結晶材料。例如， 明人已可依據本發明實施例铸造其他材料，例如石申化 豕、緒切、氧化紹、氣化鎵、氧化鋅、硫化鋅、珅化鎵 綈化銦、錯、紀鋇氧化物、鑭氧化物、鎮氧化物、及 /、他半導體、氧化物、及具有液相之金屬互熔化合物。藉 由考慮在此揭露之本發明說明書與實施，發明所屬技術領 域中具有通常知識者可了解本發明之其他實施例 。本說明 書與例子應僅被為舉例，而本發明之真正範脅與精神係由 以下申請專利範圍顯示。 10 【圖式簡單說明】 第1圖顯示本發明實施例之在一坩堝底面上的一矽晶 種結構例； 第2圖顯示本發明實施例之在一坩堝底面上的另一矽 晶種結構例； 15 第3A-3C圖顯示本發明實施例之用以在一坩堝十鑄造 依幾何形狀規則排列多晶矽之鋪排(tiling)例； 第4圖顯示本發明實施例之用以在一坩堝中鑄造依幾 何形狀規則排列多晶矽之另一鋪排例； 第5圖顯示本發明實施例之緊密堆疊鹵晶種鋪片陣列； 20 第6圖顯示本發明實施例之具有斜方形或三角形格隙 之多邊形形狀的陣列例； 第7圖顯示本發明實施例之方法例；及 第8A-8G與9圖顯示本發明實施例之單晶矽或依幾何 形狀規則排列多晶矽之鑄造製程例。 48 201229330 【主要元件符號說明 100.. .晶種 110.. .坩堝 120.. .板片 130.140.. .側壁 150,160…石夕塊 155,165…單晶矽板片 170.. .六邊形 180，190…菱形或三角形格隙 200".矽進料 210".坩堝 220.. .晶種 230.. .散熱材料 240…熔化物 250.. .晶種之一部份 260…鑄塊 270.. .晶粒 280…鑄塊 285.. .固-液界面 290.. .連續鑄態單晶矽固體 300.. .溶化容器 305…熔融進料 310…熔化管 700.. .方法 705,710,715,720,725,730,735,740, 745,750.··步驟 49

Claims (1)

1. 201229330 七、申請專利範圍·· 1. 一種用以製備一太陽能電池的方法，包含： 提供一鑄態矽體，其係藉由包含以下步驟之方法所 製備： 5 將熔融矽放置在一容器中以接觸至少一矽種晶，而該容 器具有一或多個加熱到至少該矽之熔化溫度之側壁及 至少一用以冷卻之壁；及 藉由將該熔融矽冷卻以控制結晶而形成一單晶矽之實 心體，且該實心體可選擇性地具有至少兩個各至少為大 10 約l〇cm之尺寸，其中該形成步驟包括形成一固液界面 於一至少在開始時平行前述至少一用以冷卻之壁的熔 融矽邊緣處，且在冷卻時，該界面受到控制而朝一可增 加該熔融矽與該至少一用以冷卻之壁間之距離的方向 移動； 15 由該實心體形成至少一晶圓； 在該晶圓之表面上選擇性地進行一清潔程序； 在該表面上選擇性地進行一形成紋理步驟； 形成一 p-n接面； 在該表面上選擇性地沈積一抗反射塗層； 20 選擇性地形成選自於一背面場與一鈍化層之至少 一層；及 在該晶圓上形成導電接頭。 2. —種用以製備一太陽能電池的方法，包含： 提供一鑄態矽體，其係藉由包含以下步驟之方法所 50 201229330 製備： 將多數個單晶矽種晶之幾何型結構放置在一坩堝之至 少一表面上，且該姑禍具有一或多個加熱到至少該石夕之 熔化溫度的側壁及至少一用以冷卻之壁，其中該幾何型 5 結構包括緊密堆疊之多邊形； 放置熔融矽，使其接觸該單晶矽種晶之幾何型結構；及 藉由將該熔融矽冷卻以控制結晶而形成一單晶矽之實 心體，且該實心體可選擇性地具有至少兩個各至少為大 約10cm之尺寸，其中該形成步驟包括形成一固液界面 10 於至少在開始時平行前述至少一用以冷卻之壁的熔融 矽邊緣處，且在冷卻時，該界面受到控制而朝一可增加 該熔融矽與該至少一用以冷卻之壁間之距離的方向移 動； 由該實心體形成至少一晶圓； 15 在該晶圓之表面上選擇性地進行一清潔程序； 在該表面上選擇性地進行一形成紋理步驟； 形成一p-n接面； 在該表面上選擇性地沈積一抗反射塗層； 選擇性地形成選自於一背面場與一鈍化層之至少 20 一層；及 在該晶圓上形成導電接頭。 3. —種用以製備一太陽能電池的方法，包含： 提供一鑄態矽體，其係藉由包含以下步驟之方法所 製備： 51 201229330 以一預定圖案將多數個單晶矽種晶排列在一坩堝之至 少兩表面上； 放置該熔融矽，使其接觸該等單晶矽種晶；及 藉由自前述該坩堝之至少兩表面將該熔融矽冷卻以控 5 制結晶而形成一單晶矽之實心體，且該實心體可選擇性 地具有至少兩個各至少為大約10cm之尺寸，其中該形 成步驟包括在冷卻時控制一位於熔融矽邊緣處之固液 界面，使之朝一可增加該熔融矽與該坩堝之至少兩表面 間之距離的方向移動； 10 由該實心體形成至少一晶圓； 在該晶圓之表面上選擇性地進行一清潔程序； 在該表面上選擇性地進行一形成紋理步驟； 形成一p-n接面； 在該表面上選擇性地沈積一抗反射塗層； 15 選擇性地形成選自於一背面場與一鈍化層之至少 一層；及 在該晶圓上形成導電接頭。 4. 一種用以製備一太陽能電池的方法，包含： 提供一鑄態矽體，其係藉由包含以下步驟之方法所 20 製備： 放置矽進料，使其接觸在至少一表面上之至少一單晶矽 種晶， 加熱該石夕進料與該至少一單晶石夕種晶至石夕之溶化溫度； 控制該加熱，使前述至少一單晶石夕種晶不會完全炫化， 52 201229330 且該控制包含維持一當在該坩堝中另一處到達該熔化 溫度後，在該坩堝外表面上測量時之ΔΤ大約等於或小 於0.1°C/min ;及 一旦前述至少一單晶矽種晶部分地熔化，藉由冷卻該矽 5 而形成一單晶矽之實心體； 由該實心體形成至少一晶圓； 在該晶圓之表面上選擇性地進行一清潔程序； 在該表面上選擇性地進行一形成紋理步驟； 形成一p-n接面； 10 在該表面上選擇性地沈積一抗反射塗層； 選擇性地形成選自於一背面場與一鈍化層之至少 一層；及 在該晶圓上形成導電接頭。 5. —種用以製備一太陽能電池的方法，包含： 15 提供一鑄態矽體，其係藉由包含以下步驟之方法所 製備： 將多數個單晶矽種晶之幾何型結構放置在一坩堝 之至少一表面上，其中該幾何型結構包括緊密堆疊之多 邊形； 20 放置該矽進料，使其接觸在該至少一表面上之前述多數 個早晶妙種晶， 加熱該矽進料與前述多數個單晶矽種晶至矽之熔化溫 度； 控制該加熱，使前述多數個單晶矽種晶不會完全熔化， 53 201229330 且該控制包含維持一當在該坩堝中另一處到達該熔化 溫度後，在該坩堝外表面上測量時之ΔΤ大約等於或小 於0.1°C/min ;及 一旦前述至少一單晶矽種晶部分地熔化，藉由冷卻該矽 5 而形成一單晶矽之實心體； 由該實心體形成至少一晶圓； 在該晶圓之表面上選擇性地進行一清潔程序； 在該表面上選擇性地進行一形成紋理步驟； 形成一p-n接面； 10 在該表面上選擇性地沈積一抗反射塗層； 選擇性地形成選自於一背面場與一鈍化層之至少 一層；及 在該晶圓上形成導電接頭。 6. —種用以製備一太陽能電池的方法，包含： 15 提供一鑄態矽體，其係藉由包含以下步驟之方法所 製備： 以一預定圖案將多數個單晶矽種晶排列在一坩堝之至 少兩表面上； 放置矽進料，使其接觸在前述至少兩表面上之多數個單 20 晶碎種晶， 加熱該矽進料與前述多數個單晶矽種晶至矽之熔化溫 度； 控制該加熱，使前述多數個單晶矽種晶不會完全熔化， 且該控制包含維持一當在該坩堝中另一處到達該熔化 54 201229330 溫度後，在該坩堝外表面上測量時之AT大約等於或小 於0.1oC/min ;及 一旦前述至少一單晶石夕種晶部分地溶化，藉由冷卻該石夕 而形成一單晶矽之實心體； 5 由該實心體形成至少一晶圓； 在該晶圓之表面上選擇性地進行一清潔程序； 在該表面上選擇性地進行一形成紋理步驟； 形成一p-n接面； 在該表面上選擇性地沈積一抗反射塗層； 10 選擇性地形成選自於一背面場與一鈍化層之至少 一層；及 在該晶圓上形成導電接頭。 7. —種用以製備一太陽能電池的方法，包含： 提供一鑄態矽體，其係藉由包含以下步驟之方法所 15 製備： 放置熔融矽在一容器中，使其接觸至少一矽種晶，而該 容器具有一或多個加熱到至少該矽之熔化溫度之側 壁，且該至少一矽種晶係經配置成可覆蓋該容器表面之 整個或實質上整個面積；及 20 藉由將該熔融矽冷卻以控制結晶而形成一單晶矽之實 心體，且該實心體可選擇性地具有至少兩個各至少為大 約10cm之尺寸； 由該實心體形成至少一晶圓； 在該晶圓之表面上選擇性地進行一清潔程序； 55 201229330 在該表面上選擇性地進行一形成紋理步驟； 形成一p-n接面； 在該表面上選擇性地沈積一抗反射塗層； 選擇性地形成選自於一背面場與一鈍化層之至少 5 一層；及 在該晶圓上形成導電接頭。 8. —種連續單晶矽體，係沒有或實質上沒有徑向分布之雜 質與缺陷，且具有至少兩各為至少大約25cm之尺寸及 一至少大約20cm之第三尺寸者。 10 9. 一種連續單晶矽體，具有大約2xl016atoms/cm3至 5xl017atoms/cm3之破濃度、不超過5xl017atoms/cm3之氧 濃度、至少lxl〇15atoms/cm3之氮濃度，並且具有至少兩 各為至少大約25cm之尺寸及一至少大約20cm之第三尺 .寸。 15 10. —種太陽能電池，包含： 一晶圓，係由一連續單晶矽體形成，且該單晶矽體 具有至少兩各為至少大約35cm之尺寸； 一 p-n接面，係在該晶圓中者； 一可選擇性設置之抗反射塗層，係在該晶圓之表面 20 上； 至少一層，係選擇性選自於一背面場與一純化層 者；及 導電接頭’係位在該晶圓上者。 56