TW201414886A - 製造矽單晶晶核和矽晶圓的方法及矽晶圓和矽太陽能電池 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及在矽晶圓生產的範圍內用於製造矽單晶晶核和矽晶圓的方法、矽晶圓和矽太陽能電池，其中將矽單晶晶核佈置在坩堝的底部區域內，其中，所述矽單晶晶核具有晶核表面，該晶核表面具有垂直於坩堝的底部區域的{110}晶體取向，其中從所述矽單晶晶核的所述晶核表面開始，將液態高純度矽固化，並且其中通過使所述晶圓表面具有{100}晶體取向的方式將矽塊分割成矽晶圓，其中，所述矽單晶晶核由矽單晶塊製成，所述矽單晶塊的塊軸線具有[110]空間取向，其中，切割所述矽單晶塊，以形成所述矽單晶晶核的具有平行於所述塊軸線的所述{110}晶體取向的所述晶核表面。

Description

製造矽單晶晶核和矽晶圓的方法及矽晶圓和矽太陽能電池
本發明涉及用於製造矽單晶晶核和矽晶圓的方法、矽晶圓和矽太陽能電池。
太陽能電池通常由矽製成，其中，單晶矽片和多晶矽片用於製造太陽能電池。相比於多晶矽電池，單晶矽電池具有明顯更高的效率，但是單晶矽電池在生產過程中是更加耗能並且是較為昂貴的。在單晶矽片的製造過程中，首先生產高純度矽的晶體，然後通常利用線鋸工藝將該晶體分割成薄片，該薄片也被稱為晶圓。在單晶矽晶圓的製造過程中，標準的方法是直拉法(Czochralski method)，在該方法中，拉制出圓柱棒，然後將圓柱棒鋸成准方形晶圓，即帶有圓角的方形晶圓。另一種已知的生產單晶矽晶圓的方法是浮區熔法或區熔法(Floating-zone or zone melting process)，但是該方法導致與直拉法類似的高生產成本。
一種用於生產大批量實質上是單晶矽塊的具有成本效益的方法是垂直布裏奇曼法(Vertical-Bridgman method)或垂直梯度凝固法(Vertical-Gradient- Freeze)。在這些已知的方法中，使高純度矽在坩堝中在1400℃以上熔融。緩慢冷卻熔融物質，然後形成具有均勻晶體結構的區域，其中，固化過程從坩堝底部開始發生。通過這種方法，可以生產邊緣長度70釐米以上、高度30釐米以上的矽塊。隨後，將矽塊分割成矽長方體，進而將矽長方體分成矽晶圓。
對於在固化過程中大量單晶矽塊的生產而言，必要的是，大規格的單晶矽單晶晶核設置在坩堝的底部，所述單晶矽單晶晶核將其晶體取向傳遞至在熔融矽的固化過程中形成的矽塊。在公開文獻US 2010/0192838 A1中特別提供了一種這樣的工藝。在熔融矽的結晶過程中，生長表面具有根據米勒指數(Millers index)由{100}表徵的晶體取向，其中，隨後，表面的晶體取向用{xyz}表示，方向用[xyz]表示。
在該生長表面上結晶是較佳的，因為接下來能夠在{100}晶體表面實施結構化，所謂的鹼性紋路化(texturing)。在這裏，形成微觀金字塔，其使得由於光輸入改善而引起太陽能電池的效率顯著提高。然而，沿[100]生長方向的晶體生長非常容易產生缺陷，特別是位錯簇這樣的缺陷。這些位錯簇形成自由電荷載流子的高活性的再結合中心，從而導致其傳播長度受到很大限制，並因此導致矽太陽能電池的效率受到很大限制。
因此，在公開文獻DE 10 2010 029 741 A1中建議的是，實施沿[110]方向的晶體生長，而不是沿[100]方向的晶體生長。因此，在坩堝的底部區域中，設 置具有垂直於坩堝的底部的[110]晶體取向的矽單晶晶核，該矽單晶晶核然後將其晶體取向傳遞至固化的高純度矽。為了同時提供紋路化的{100}晶圓表面，矽單晶晶核具有側表面，該側表面具有平行於坩堝側表面的{100}晶體取向。隨後，固化的矽塊被分割成水準矽長方體，所述水準矽長方體然後橫向於(transverse to)長方體軸線被鋸割成矽晶圓，以便再次產生{100}晶圓表面。
導致矽塊的單向固化的矽單晶晶核以常規方式通過直拉法或浮區法來生產。在這些方法中，生產具有塊軸線的[100]晶體取向的單晶矽塊。由於可通過上述方法生產直徑最大約40釐米的塊，因此，為了能夠完全覆蓋坩堝的底部區域，矽單晶晶核是由幾部分組成的。
在公開文獻DE 10 2010 029 741 A1所描述的晶體生長方法的情況下，其中具有{110}晶體取向的晶核表面和具有{100}取向的側表面是必要的，通過用於晶核製造的直拉法或浮區法所生產的矽單晶塊被分成軌道(tracks)，從而這些軌道的晶核表面是{110}取向的。如此產生的晶核的寬度自然不可能大於塊直徑。因此，需要若干晶核部分彼此鄰近佈置以完全覆蓋底部。
然而，在坩堝中的高純度矽的固化過程中，在矽單晶晶核的各個部分之間的邊緣區域中，在晶體生長中存在干擾，從而在這裏形成多晶區域。因此，在固化過程中，多晶矽生長的區域最佳位於鋸割間隙的區域內，借此，固化的矽塊然後被分割成矩形矽長方體，較佳根據長方體的寬度來設定晶核部分的尺寸。通過直拉 法或浮區熔法所產生的矽單晶塊以相對於塊軸線呈45°的角度地旋轉，並且平行於[100]晶體取向切出的晶核板因此較佳以157毫米的寬度得以製造，該寬度對應於標準的太陽能電池尺寸加上鋸割間隙，但其中導致非常昂貴的晶核材料的耗費相當大。
但此外，還有問題，即在坩堝中固化處理的過程中，正好多晶區域特別地在上部矽塊區域中形成，所述上部矽塊區域在鋸割間隙區域之上橫向地延伸出去。由於矽晶圓可以從垂直於長方體軸線放置的矩形矽長方體中被切出，並且因此能夠相對於晶核板的毗連邊緣接頭被鋸割，因而存在如下風險，即多個矽晶圓具有尤其存在於邊緣區域中的多晶區域，其降低了由矽晶圓製造的矽太陽能電池的效率。此外，不容低估的美化效果通過鹼性織構來產生，因為非單晶區域很難被紋路化，並且因此使得晶圓呈現出有斑點的外觀。
因此，本發明的目的是，提供一種用於製造矽單晶晶核的方法，借此能夠增加從單晶矽長方體鋸割出的、具有{110}晶核表面和{100}取向的側面的矽單晶晶核的可用部分，並且此外，該方法還導致使從固化的矽塊上切下的、基本上為單晶矽晶圓的部分增加。
該目的通過如申請專利範圍第1項所述的用於製造矽單晶晶核的方法、如申請專利範圍第3項所述的用於製造矽晶圓的方法、如申請專利範圍第5項所述的矽晶圓和如申請專利範圍第9項所述的矽太陽能電池 來實現。在附屬項中要求較佳實施方式的權利。
根據本發明，為了製造用於矽晶圓生產的矽單晶晶核，其中將所述矽單晶晶核佈置在坩堝的底部區域內，其中，所述矽單晶晶核具有晶核表面和側表面，該晶核表面具有{110}晶體取向並且面法線沿著垂直於所述坩堝的所述底部區域的[110]晶體取向，而該側表面具有平行於所述坩堝的所述側表面的{100}晶體取向，其中使高純度矽在坩堝中熔融，其中從所述矽單晶晶核的所述晶核表面開始使液態高純度矽固化，其中，成形中的矽塊在很大程度上佔據[110]晶體取向，並且其中通過使所述晶圓表面具有{100}晶體取向的方式將矽塊分割成矽晶圓，由矽單晶塊製造矽單晶晶核，所述矽單晶塊的塊軸線具有[110]空間取向，其中，用於形成矽單晶晶核的晶核表面的矽單晶塊被切成具有{110}晶體取向，並且矽單晶晶核的側表面被切成具有平行於塊軸線的{100}晶體取向。
通過根據本發明所述的方法，用於坩堝固化方法的最佳矽單晶晶核板可以生產成具有{110}生長表面。另外，基於已經在[110]方向上實施的晶體生長，可以減少製造晶核板的晶核材料的耗費。如果使用成本高的單晶拉制工藝，如直拉法或浮區熔法，則這是特別適用的。
根據本發明，為了製造矽晶圓，其中將矽單晶晶核佈置在坩堝的底部區域內，其中，所述矽單晶晶核具有晶核表面和邊緣表面，該晶核表面具有平行於所 述坩堝的所述底部區域的{110}晶體取向，而該邊緣表面具有平行於所述坩堝的所述側表面的{100}晶體取向，其中，使高純度矽在坩堝中熔融，其中從所述矽單晶晶核的所述晶核表面開始使液態高純度矽固化，其中，成形中的矽塊在很大程度上佔據{110}晶體取向，並且其中通過使所述晶圓表面具有{100}晶體取向的方式將所述矽塊分割成矽晶圓，所述矽單晶晶核由若干軌道組成，所述軌道由矽單晶塊製成，所述矽單晶塊的塊軸線具有[110]空間取向，其中，用於形成所述矽單晶晶核的晶核表面的所述矽單晶塊被切成具有{110}晶體取向的軌道，並且所述矽單晶晶核的側向表面被切成具有平行於所述塊軸線的{100}晶體取向，其中，使所述軌道合併，以便幾乎完全覆蓋所述坩堝的底部區域，其中，在分割成矽晶圓的過程中，首先將形成於坩堝中的矽塊分割成矩形矽長方體，所述矩形矽長方體的長方體軸線分別平行於所述矽單晶晶核的晶核表面並垂直於所述矽單晶晶核的所述軌道延伸，然後橫向於所述長方體軸線切割所述矽長方體。
根據本發明的方法，其特徵在於，在鋸切經固化的矽塊之後，幾乎為單晶的矽晶圓的比例高。在將矽塊分割成水準的矩形矽長方體的過程中，橫向軸線垂直於矽單晶晶核軌道的毗連表面延伸。這相應地使得稍後由矽長方體分割而成的矽晶圓平行於所述晶核軌道的毗連表面取向。在坩堝中的固化處理期間，較佳在晶核軌道的毗連表面的區域中形成的不規則生長圖案(其後 來導致固化矽塊中的多晶區域)接著在矽塊的分割過程中聚集在單個晶圓上，即聚集在毗連表面之上直接被切割的晶圓上，從而與公佈文獻DE 10 2010 029 741 A1中所提供的方法相比，從固化的矽塊中切出的、基本上完整的單晶矽晶圓的比例得以顯著提高。另外，在按157毫米的標準矽太陽能電池尺寸限制晶核軌道的情況下生產晶核軌道的過程中，可以省去較寬和較窄的軌道，並且因此，較寬和較窄的軌道能夠從用於形成晶核的矽單晶長方體中被切出，從而成本高的晶核材料的耗費可以附帶地得以減少。
1‧‧‧裝置
2‧‧‧矽
3‧‧‧坩堝
4‧‧‧內部空間
5‧‧‧底部
7‧‧‧側壁
8‧‧‧開口
9‧‧‧加熱元件
12‧‧‧矽單晶晶核
13‧‧‧晶核表面
14‧‧‧矽塊
15‧‧‧正方體
16‧‧‧矽晶圓
17‧‧‧金字塔結構
18‧‧‧p/n接面
19‧‧‧抗反射塗層
20‧‧‧觸點
21‧‧‧觸點
借助於附圖更詳細地闡述本發明。在附圖中：圖1示出了一種裝置的示意性側剖面示圖，該裝置通過在底部區域中使用矽單晶晶核來使矽塊熔化和結晶；圖2示出了用於形成由軌道組成的矽單晶晶核的矽單晶長方體的橫截面；圖3示出了通過使用由底部區域中矽單晶晶核製成的軌道由圖1中所示的裝置製造而成的矽塊，其中，經固化的矽塊被分成水準矩形矽長方體，並且這些矩形矽長方體相應地被分成矽晶圓；圖4示出了具有紋路化晶圓表面的矽晶圓；以及圖5示意性地示出了單晶矽太陽能電池的原 理結構。
通過在圖1中示意性地示出的、用於使高純度矽熔化和結晶的裝置1可以生產高品質的單晶矽塊。因此，塊尺寸可以具有70釐米及以上的邊長和30釐米及以上的塊高度。然而，也可選擇更小的塊高度，此外，例如標準的矽太陽能電池的157毫米的外邊緣長度對應於太陽能電池用不到的底部部分和頂部部分。
用於使高純度矽熔化和結晶的裝置具有坩堝3，坩堝3基本上具有向上開口的長方體形狀。坩堝3的內部空間4由五個面限定，並且由底部5和四個側壁7組成。通過位於底部5的對面的開口8，可以填充坩堝3的內部空間4。在坩堝3的外側上佈置有加熱元件9和冷卻元件10，從而坩堝3的內部空間4可被選擇性地加熱或冷卻。
為了製造由高純度矽製成的單晶矽塊，將矽單晶晶核12佈置在坩堝3的底部5上。矽單晶晶核12由矽單晶棒製造而成，矽單晶棒較佳通過直拉法或浮區熔法來製造。因此，單晶矽棒的製造由矽熔體開始進行，用作結晶晶核的晶核晶體浸入該矽熔體中。然後，通過旋轉下緩慢受控的提拉，形成直徑高達約30釐米並且高度高達約2米的單晶矽塊。圖2示出了通過直拉法生產的矽塊的橫截面。
為了製造單晶矽塊，如在圖1中所示，具有覆蓋底部5的矽單晶晶核12的坩堝3通過坩堝開口8填 充有液態高純度(電子級)矽2。也可以使用粉末狀、顆粒狀或塊狀矽來替代液態高純度矽2，然後通過坩堝上的加熱元件9使該粉末狀、顆粒狀或塊狀矽熔化。隨後，使矽單晶晶核12在坩堝3的底部5處的晶核表面13上熔化。然後，通過借助加熱元件9或冷卻元件10進行的相應的溫度控制，使液態高純度矽2在矽單晶晶核12上固化。因此，從矽單晶晶核12的晶核表面13開始向上實施固化過程，其中，矽單晶晶核的晶核表面將其晶體取向傳遞至形成中的矽塊。
形成矽單晶晶核12，以便使得晶核表面13具有{110}晶體取向和沿著垂直於坩堝3的底部5的[110]方向的面法線。另外，矽單晶晶核12具有側表面，該側表面具有平行於坩堝3的側表面7的{100}晶體取向。由於矽單晶晶核的這種佈局，矽單晶晶核上的矽塊的晶體生長發生在{110}生長表面上，其不易受到位錯形成的影響，由此獲得經固化的矽塊的高晶體品質。矽單晶晶核的{100}側表面進一步確保在矽單晶晶核12上固化的矽塊類似地配置這樣的{100}表面，這樣的{100}表面接著能夠在矽塊被分割成矽晶圓之後有效地以鹼性的方式被紋路化。
圖3示出了矽塊14，所述矽塊14由圖1中所示的裝置1生產而成並且具有生長表面和側表面，該生長表面具有{110}晶體取向而該側表面具有{100}晶體取向。因此，矽塊14具有78.5釐米的寬度和31.4釐米的高度。但是，矽塊14也可以形成不同的塊尺寸。在矽 晶圓的製造過程中，矽塊14較佳被鋸割成正方體15，其中，所述正方體15較佳具有156×156平方毫米的面積，該面積對應於標準矽太陽能電池的尺寸。在矽正方體15的製造過程中，如圖3所示，矽塊14垂直於矽塊的{110}生長表面並且垂直於矽塊的{100}側表面地被細分。因此，較佳地，按如下方式繼續進行所述細分，即垂直於矽塊14的{110}生長表面並且平行於矽塊14的{110}側表面實施第一剖切，且垂直於矽塊14的{100}側表面並且垂直於矽塊14的{110}側表面實施第二剖切。由此，在如圖3所示的矽塊14中生產出兩排各五個矽單晶長方體15，一排位於另一排之上。
正如前面所解釋的那樣，由通過直拉法或浮區熔法生產的單晶矽棒製成的矽單晶晶核被鋸割成具有較高純度和更完美的晶體結構。由於長方體直徑受到限制，因此有必要將用於形成矽單晶晶核的數個部分合併，以完全覆蓋坩堝3的底部5。所以，矽單晶晶核12具有一個或多個釐米的厚度，較佳2釐米的厚度，其中，所述晶核表面必須具有平行於坩堝底面的{110}晶體取向。同時，必須確保矽單晶晶核的側表面或單個部分的側表面具有{100}晶體取向。
為了生產這種矽單晶晶核，由直拉法或浮區熔法製造的單晶矽塊配置有具有[110]空間取向的塊軸線。為了生產所述矽單晶晶核，如圖2所示，接著平行於塊軸線將矽單晶塊切成軌道，其中，單個的軌道具有與一個到幾個釐米(較佳為2釐米)的所需的矽單晶晶核 厚度對應的厚度。如圖2進一步示出的，單個的軌道具有{110}-晶體取向的表面(該表面用作晶核表面)和{100}-晶體取向的縱向側表面。
接著，如圖3所示，為了生產矽塊14並切割矽單晶塊，矽單晶晶核12的軌道佈設在坩堝3的底部5上，使得坩堝的底部幾乎被完全覆蓋，其中，縱向側表面軌道沿坩堝側面按{100}-晶體取向延伸。如在圖3中進一步所示的那樣，經固化的矽塊14被鋸割成水準矩形矽長方體15，使得長方體軸線垂直於矽單晶晶核12的軌道延伸。矽晶圓16相應地通過平行於{100}長方體表面實施鋸割由單個矩形矽長方體15生產而成。因此，根據所需的應用或者有待製造的矽太陽能電池的結構來確定矽晶圓16的厚度。
通過以橫跨{100}側表面覆蓋坩堝底部的軌道形式存在的矽單晶晶核的所選定的設置，實現了在矽塊14的水準矩形矽長方體15的分割過程中，只製造出少數晶圓，該少數晶圓位於矽單晶晶核的軌道之間的毗連表面之上的區域中。在矽塊的固化處理過程中，特別是在毗連表面之上的區域中，在矽塊中存在形成多晶部分的風險，該風險接著導致太陽能電池中效率降低和光學誤差，該太陽能電池由從矽塊鋸切出的矽晶圓製成。通過上述步驟，具有多晶區域的這樣的矽晶圓與其餘的、幾乎是完美的單晶矽太陽能電池分離，其中所述這樣的矽晶圓形成於矽單晶晶核的軌道之間的毗連表面的區域中。
如在圖2中示出的，由矽塊切割形成若干軌道，該矽塊的塊軸線形成為具有[110]空間取向，由該若干軌道製成的該矽單晶晶核12的生產另外還具有優點，即，基本上整個單晶矽塊都可用於形成晶核軌道，從而非常昂貴的晶核材料的浪費可以在很大程度上得以避免。同時，通過平行於塊軸線切割單晶矽塊，可以配置有與坩堝的側面長度對應的長度的軌道。
在通過高純度矽的受控固化而形成矽塊的範圍內，可獲得碳、氧和/或硼的各種不同分佈，例如，以便沿生長方向，即沿[110]晶體取向的方向，改變矽塊中的導電率。為了進一步將矽晶圓16加工成太陽能電池，較佳在第一步驟中採用化學方式消除在分割矩形矽單晶長方體期間造成的鋸割損壞。此外，與去除{100}晶圓表面上的鋸割損壞相關地執行結構化，即執行所謂的紋路化，其通過降低回饋損失導致光輸入改善並且因此導致太陽能電池的效率提高。接著，較佳通過濕化學蝕刻工藝或乾化學蝕刻工藝實現的、較佳利用晶圓表面上的鹼性單織構(monotexture)實現的晶圓紋路化(部分如在圖4中所示)導致金字塔結構17形成。因此，金字塔形突起17的底面的邊緣平行於矽晶圓表面的外邊緣延伸。
在矽晶圓16進一步形成太陽能電池的範圍內，在晶圓中實施紋路化之後，通過摻雜，較佳通過磷摻雜，產生p/n接面18。隨後，較佳通過引入抗反射塗層19來補償矽晶圓表面。然後，在最後的步驟中，在矽晶圓上引入正面觸點和背面觸點20，21，以完成矽太陽 能電池的製造。
12‧‧‧矽單晶晶核
14‧‧‧矽塊
15‧‧‧正方體
16‧‧‧矽晶圓

Claims (9)

  1. 一種製造用於矽晶圓生產的矽單晶晶核的方法，-其中將所述矽單晶晶核佈置在坩堝的底部區域內，其中，所述矽單晶晶核具有晶核表面，該晶核表面具有平行於所述坩堝的所述底部區域的{110}晶體取向，-其中從所述矽單晶晶核的所述晶核表面開始，使液態高純度矽固化，並且-其中通過使所述晶圓表面具有{100}晶體取向的方式將矽塊分割成矽晶圓，其特徵在於，所述矽單晶晶核由矽單晶塊製成，所述矽單晶塊的塊軸線具有[110]空間取向，-其中，將所述矽單晶塊平行於所述塊軸線分割，以形成所述矽單晶晶核的具有所述{110}晶體取向的所述晶核表面和所述矽單晶晶核的具有所述{100}晶體取向的側表面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，用於所述矽單晶晶核的所述矽單晶塊通過直拉法或浮區熔法來生產。
  3. 一種用於製造矽晶圓的方法，-其中將矽單晶晶核佈置在坩堝的底部區域內，其中，所述矽單晶晶核具有晶核表面，該晶核表面具有平行於所述坩堝的所述底部區域的{110}晶體取向， -其中從所述矽單晶晶核的所述晶核表面開始，使液態高純度矽固化，並且-其中通過使晶圓表面具有{100}晶體取向的方式將矽塊分割成矽晶圓，其特徵在於，所述矽單晶晶核由若干軌道組成，所述軌道由矽單晶塊製成，所述矽單晶塊的塊軸線具有[110]空間取向，-其中，將所述矽單晶塊沿平行於所述塊軸線切成軌道，以形成所述矽單晶晶核的具有所述{110}晶體取向的所述晶核表面和所述矽單晶晶核的具有所述{100}晶體取向的側表面，-其中，使所述軌道合併，以便幾乎完全覆蓋所述坩堝的所述底部區域，-其中，在分割成矽晶圓的過程中，首先將形成於所述坩堝中的矽塊分成矩形矽長方體，所述矩形矽長方體的長方體軸線分別平行於所述矽單結晶晶核的晶核表面並垂直於所述矽單晶晶核的所述軌道延伸，然後橫跨所述長方體軸線切割所述矽長方體。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的方法，其中，在至少一個軌道中，較佳在所有的軌道中，具有所述{100}晶體取向的側表面在所述坩堝底部(5)的側向長度上連續地延伸。
  5. 一種矽晶圓，其藉由如申請專利範圍第3或4項所述的方法來製造。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的矽晶圓，其中，所述{100}晶圓表面通過鹼蝕刻工藝來進行紋路化蝕刻，其中，經蝕刻的晶圓表面具有金字塔形突起，其中，所述金字塔形突起的底面邊緣平行於所述晶圓表面的外邊緣延伸。
  7. 如申請專利範圍第5或6項所述的矽晶圓，其中，所述晶圓具有所述{100}晶圓表面上的矽中的碳、氧和/或硼的濃度梯度。
  8. 如申請專利範圍第5或6項所述的矽晶圓，其中，所述晶圓具有所述{100}晶圓表面上的導電率梯度。
  9. 一種具有如申請專利範圍第5至8項中任意一項所述的矽晶圓的矽太陽能電池，其特徵在於，p/n接面配置在所述{100}晶圓正面與背面之間，其中，所述{100}晶圓正面具有塗層，並且其中，至少所述晶圓背面設置有觸點。
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