TW201617489A - 晶碇的製造方法 - Google Patents

Abstract

一種晶碇的製造方法，包含：將一具有均勻分布的成核空間之成核層被覆於該坩堝內的底部，該成核層之熔點高於矽；將固態之矽原料放入該坩堝中，使其等堆疊於該成核層上；加熱該坩堝，以將固態之矽原料熔化成液態；冷卻該坩堝，使熔化成液態的矽原料自該成核層往上凝固結晶，形成一晶碇。藉此，該成核層形成多數個成核空間，提升矽原料結晶時的成核機會，促使晶碇底部的矽形成小晶粒的多晶結構

Description

晶碇的製造方法

本發明係與晶碇製作有關；特別是指一種晶碇的製造方法。

按，太陽能是最乾淨且取之不盡的能源，目前大多數的太陽能電池係以多晶矽的晶片來製作。多晶矽的晶片係由一晶碇切片而得，該晶碇的製作方法包含下列步驟：

步驟A：將多數細小的矽碎料鋪設於坩堝內的底部形成一晶種層，再將尺寸較大的矽原料疊置於晶種層上。

步驟B：控制加熱器加熱，以使矽原料由上而下開始熔化，以將矽原料及晶種層頂部熔化成液態，同時控制溫度使晶種層底部不被熔化。

步驟C：控制加熱器，以改變溫度梯度，使熔化後的矽由晶種層頂部開始往上凝固結晶，直到所有的矽原料亦凝固結晶為止，凝固後晶種層及矽原料共同形成該晶碇。

在前述製作晶碇的方法之中，需要精確地控制溫度，以使晶種層底部不被熔化。然，由於加熱器係設置於坩堝的周圍，因此，晶種層的周緣部份由於熱能集中之故，容易因為溫度控制不當而完全熔化，無法進行引晶，造成晶碇的品質不佳，進而影響晶碇切成晶片後所製成的太陽能電 池之轉換效率。此外，由於作為晶種層的矽碎料本身純度較為不純，因此，在長晶過程中，會造成金屬回擴至晶碇中，造成紅區(Red Zone)產生，前述之紅區即代表金屬富集區，同樣會造成轉換效率不佳之情形。此外在長晶過程中受到坩堝熔入的雜質所污染同樣會造成紅區產生。

是以，習用晶碇的製造方法仍未臻完善，尚有待改進之處。

有鑑於此，本發明之目的用於提供一種晶碇的製造方法，無需使用矽碎料作為晶種層進行引晶，即可製作出具有小晶粒結構的晶碇。

緣以達成上述目的，本發明所提供晶碇的製造方法，包含下列步驟：A、將一成核層被覆於該坩堝內的底部，該成核層之熔點高於矽，且該成核層包覆有多數個矽顆粒，其中，部分的矽顆粒表面顯露於外；B、將固態之矽原料放入該坩堝中，使其等堆疊於該成核層上；C、加熱該坩堝，以將固態之矽原料與該些矽顆粒熔化成液態，熔化後且表面顯露於外的矽顆粒與熔化後的矽原料接觸；D、冷卻該坩堝，使熔化成液態的矽顆粒及矽原料自該成核層往上凝固結晶；藉此，該成核層、凝固後矽顆粒及凝固後矽原料共同形成一晶碇。

本發明所另提供一種晶碇的製造方法，包含下列步驟：A、提供具有多數孔洞的一成核層於一坩堝內的底部，該成核層之熔點高於矽；B、將固態之矽原料放入該坩堝中，使其等堆疊於該成核層上；C、加熱該坩堝，以將固態之矽原料熔化成液態，部分的液態矽原料進入該些孔洞中；D、冷卻該坩堝，以使液態之矽原料自該成核層往上凝 固結晶；藉此，該成核層及凝固後的矽原料共同形成一晶碇。

本發明之效果在於，在成核層包覆矽顆粒之位置或成核層的孔洞將形成多數個成核空間，提升矽原料結晶時的成核機會，促使晶碇底部的矽形成小晶粒的多晶結構。此外，由於成核層的熔點高於矽原料，因此，在熔化矽原料的過程中，可確保成核層不會被熔化。

10‧‧‧爐體

20‧‧‧坩堝

30‧‧‧加熱器

40‧‧‧矽原料

42‧‧‧氮矽化合物顆粒

44‧‧‧成核層

442‧‧‧凹洞

46‧‧‧矽顆粒

48‧‧‧熔湯

50‧‧‧高分子球

52‧‧‧氮矽化合物顆粒

54‧‧‧成核層

542‧‧‧孔洞

圖1係本發明一較佳實施例所應用的晶碇鑄造爐示意圖。

圖2係一示意圖，揭示坩堝底部之成核層及矽顆粒。

圖3係一局部放大圖，揭示矽顆粒被氮矽化合物顆粒所包覆。

圖4係一示意圖，揭示矽顆粒及矽原料形成熔湯。

圖5係一示意圖，揭示熔湯自成核層開始往上凝固結晶。

圖6係一坩堝內的底部照片，揭示左半部被覆有成核層及矽顆粒。

圖7為使用圖6之坩堝製作的晶碇底部照片。

圖8A~圖8C分別為使用圖6之坩堝所製作的晶碇的底部、中段及頂部的切片照片。

圖9係一坩堝內的底部照片，揭示左半部被覆有成核層及矽顆粒。

圖10為使用圖9之坩堝製作的晶碇底部照片。

圖11A~圖11C分別為使用圖9之坩堝所製作的晶碇的底部、中段及頂部的切片照片。

圖12係一坩堝內的底部照片，揭示左半部被覆有成核層 及矽顆粒。

圖13為使用圖12之坩堝製作的晶碇底部照片。

圖14A~圖14C分別為使用圖12之坩堝所製作的晶碇的底部、中段及頂部的切片照片。

圖15係一示意圖，揭示坩堝底部之矽顆粒及高分子球。

圖16係一示意圖，揭示成核層形成孔洞。

為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖式詳細說明如后，請參圖1所示，為本發明第一較佳實施例之晶碇的製造方法所使用的晶碇鑄造爐，該晶碇鑄造爐包含有一爐體10，以及設置於該爐體10中的一坩堝20與複數個加熱器30。該坩堝20供放置固態之矽原料40，該些加熱器30設置於該坩堝20的周圍，該些加熱器30受控制對該坩堝20加熱。藉由該晶碇鑄造爐即可進行本發明之晶碇的製造方法。

首先，依一定之重量比例取多數個矽顆粒與多數個氮矽化合物顆粒，並與水混合形成漿料。所採用的矽顆粒的粒徑大於氮矽化合物顆粒的粒徑，其中，該些矽顆粒的粒徑可選用介於1μm~2000μm之間的粒徑，較佳地，粒徑為500μm。該些氮矽化合物顆粒在本實施例中係使用Si₃N₄，實務上亦可採用氮氧化矽(如Si₃N₂O₂)或氮矽化合物顆粒與其它熔點高於矽的化合物(如二氧化矽SiO₂、氮化硼BN、碳化矽SiC或其它碳化物)之一者或混合，該些氮矽化合物顆粒的粒徑介於0.5μm~1000μm之間，較佳地，粒徑為1μm。

接著，將前述之漿料塗佈於該坩堝20內的底部，並控制該些加熱器30以1100℃的溫度對該坩堝20加 熱4小時，以燒結漿料。請配合圖2與圖3，燒結完成後，該些氮矽化合物顆粒42構成一成核層44，該成核層44的厚度介於0.1~30mm之間，較佳地，厚度為1mm。藉此，使每一矽顆粒46的至少一部分被氮矽化合物顆粒42所部分包覆，亦即，每一矽顆粒46可以被其周圍的氮矽化合物顆粒42完全地包覆或部分地包覆，且該成核層44於包覆矽顆粒46的位置處相對矽顆粒46形成凹洞442，而部分之矽顆粒46表面顯露於外。該些凹洞442之大小的標準差小於均值的60%。

而後，將固態之矽原料40放入該坩堝20中，使其等堆疊於該成核層44上。再控制該些加熱器30加熱該坩堝，使該坩堝20內的矽原料40及該些矽顆粒46熔化成液態，熔化後的矽原料40與熔化後且表面顯露於外的矽顆粒46接觸，使熔化後的矽原料40與熔化後矽顆粒46共同形成熔湯48(圖4參照)。

最後，再控制該些加熱器30，以改變該坩堝20的溫度梯度，使熔湯48由該成核層44開始往上凝固結晶(圖5參照)，直到所有的矽原料40凝固結晶為止，而該成核層44、凝固後矽顆粒46及凝固後矽原料40共同形成一晶碇。

由於熔化成液態的矽與固態的氮矽化合物表面的潤濕性(wetting)不佳，因此於該成核層44包覆液態的矽顆粒46之位置處形成液態的矽顆粒46凝固結晶時的成核空間。換言之，利用該成核層44中包覆矽顆粒46的凹洞442形成多數個成核空間，使該成核層44形成均勻多孔之結構，以增加矽成核之機會且使矽均勻成核，有效地讓晶碇底部凝固後的矽之中不同晶向的小晶粒數量增加且平均分布。藉此，在熔湯48在往上結晶的過程中，隨著晶碇高度 提升，由於晶粒競爭的現象，將使得較少缺陷的(111)、(112)晶向之晶粒的數量增多成為多晶中的優勢晶粒，因此，有效降低晶碇中多晶部分的缺陷，對晶碇切片後即可獲取高品質的多晶矽晶片，藉以提升多晶矽晶片製作成太陽能電池的轉換效率。

圖6所示者為一坩堝內的底部照片，其區分成左半部與右半部，左半部被覆著包覆有矽顆粒46的成核層44，且矽顆粒46與氮矽化合物顆粒42之重量比例為3：1，右半部未為被覆成核層44。圖7為使用圖6之坩堝製作的晶碇底部照片，其中可明顯看出晶碇底部的左半部之粗糙度比右半部高。圖8A至圖8C分別為使用圖6之坩堝製作的晶碇的底部、中段及頂部的切片照片，其中，左半部晶粒數量明顯多於右半部的晶粒數量，而晶碇底部的小晶粒數量亦多於右半部。

圖9為一坩堝內的底部照片，其左半部同樣被覆著包覆矽顆粒46的成核層44，且矽顆粒46與氮矽化合物顆粒42之重量比例為1：1。圖10為使用圖9之坩堝製作的晶碇底部照片，其中晶碇底部的左半部之粗糙度比右半部高，且左半部之粗糙度高於圖7之晶碇底部的左半部。圖11A至圖11C分別為使用圖9之坩堝製作的晶碇的底部、中段及頂部的切片照片，其中，左半部晶粒數量同樣多於右半部的晶粒數量，晶碇底部的小晶粒數量亦多於右半部。

圖12為一坩堝內的底部照片，其左半部同樣被覆著包覆矽顆粒46的成核層，且矽顆粒46與氮矽化合物顆粒42之重量比例為1：3。圖13為使用圖12之坩堝製作的晶碇底部照片，其中晶碇底部的左半部之粗糙度比右半部高，且粗糙度高於圖7、圖10之晶碇底部的左半部。圖14A至圖14C分別為使用圖12之坩堝製作的晶碇的底部、中段 及頂部的切片照片，其中，左半部晶粒數量明顯多於右半部的晶粒數量，晶碇底部的小晶粒數量亦多於右半部。

比較圖8C、圖11C及圖14C可明顯得知，矽顆粒46的比例減少時，晶碇底部的矽會有較多的小晶粒出現，但晶粒大小較不均勻。而矽顆粒46與氮矽化合物顆粒42之比例為1：1時，其晶碇底部的矽之晶粒大小最均勻。

上述中，利用在氮矽化合物顆粒42中加入矽顆粒，形成包覆矽顆粒46的成核層44，於成核層44包覆矽顆粒46之位置形成凹洞442，藉此，使該成核層44形成均勻多孔的結構，，以提升熔湯結晶時的成核機會且達到均勻成核之目的，促使晶碇底部的矽形成小晶粒的多晶結構。以下再提供另一可行之實施例，同樣可以得到相同的效果。

本發明第二較佳實施例之晶碇的製造方法，其具有大致相同於前述第一較佳實施例之步驟，且同樣是應用圖1所示之晶碇鑄造爐，不同的是：請參閱圖15，本實施例中係先將多數個以高分子球50(polymer sphere)為例的有機材料顆粒、多數個氮矽化合物顆粒52與水混合成漿料後，塗佈於坩堝內的底部。該些高分子球50的粒徑可選用介於1μm~2000μm之間的粒徑，較佳地，粒徑為500μm。而氮矽化合物顆粒52的粒徑與第一實施例相同，容不贅述，重要的是該些高分子球50的粒徑大於該些氮矽化合物顆粒52的粒徑，且每一高分子球50被其周圍的氮矽化合物顆粒52完整地包覆或部分地包覆。除了氮矽化合物顆粒52之外，亦可採用氮氧化矽(如Si₃N₂O₂)或氮矽化合物顆粒與其它熔點高於矽的化合物(如二氧化矽SiO₂、氮化硼BN、碳化矽SiC或其它碳化物)之一者或混合。

接著，控制該些加熱器以400℃~500℃的溫度對該坩堝20加熱4小時，以燒結漿料，同時，在燒結的過 程中通入以氧為例的氣體，使該些高分子球50與氧氣接觸產生反應而逸散離開該些氮矽化合物顆粒52之間，使得該些氮矽化合物顆粒52形成的成核層54具有多數孔洞542(圖16參照)，本實施例中則是以孔洞542來達到增加成核層54的均勻成核空間之目的。該成核層54的厚度介於0.1~30mm，較佳地，厚度為1mm。實務上，有機材料顆粒亦可採用蠟球等熔點溫度低於氮矽化合物顆粒的熔點溫度之材料，而燒結的溫度以有機材料顆粒本身的熔點溫度以上之但低於氮矽化合物顆粒之熔點溫度為佳。此外，亦可採用無機材料顆粒，即成份為碳的顆粒(如石墨顆粒)，與氮矽化合顆粒混合。

之後，將固態的矽原料40堆疊於該成核層54上，並控制該些加熱器30加熱該坩堝20，使矽原料40熔化成液態，而部分的液態矽原料40進入該成核層54的該些孔洞542之中。

最後，再控制該些加熱器30，使液態之矽原料由該成核層54開始往上凝固結晶，而該成核層54的該些孔洞542則形成液態之矽原料40凝固結晶時的成核空間。矽原料40凝固結晶後與該成核層54共同形成晶碇。

綜上所述，本發明利用增加成核層中均勻分布的凹洞或孔洞形成成核空間，來提升矽結晶時的成核機會及使矽均勻地結晶，如此，將會使得晶碇底部的矽形成有多數小晶粒的多晶結構，藉以降低多晶部分的缺陷，對晶碇切片，從而提升多晶晶片製作成太陽能電池的轉換效率。成核層的材料為二氧化矽或碳化矽時，其粒徑亦與前述各實施例氮化矽顆粒的粒徑相同。

更值得一提的是，由於所使用的成核層的材料為氮矽化合物，而一般用於坩堝內部表面所塗佈的阻隔層亦 為氮矽化合物，因此，本發明之成核層不會對形成晶碇的矽造成額外的污染。再者，成核層同時產生阻隔坩堝底部的雜質回擴到晶碇底部的矽之中的功效。此外，成核層材料的熔點高於矽，在熔化矽原料的過程中成核層並不會熔化，因此，相較於習用晶碇的製造方法，其溫度控制方式更為簡單，且晶碇的品質更高。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

20‧‧‧坩堝

40‧‧‧矽原料

44‧‧‧成核層

46‧‧‧矽顆粒

Claims (22)

1. 一種晶碇的製造方法，包含下列步驟：A、將一成核層被覆於該坩堝內的底部，該成核層之熔點高於矽，且該成核層包覆有多數個矽顆粒，其中，部分的矽顆粒表面顯露於外；B、將固態之矽原料放入該坩堝中，使其等堆疊於該成核層上；C、加熱該坩堝，以將固態之矽原料與該些矽顆粒熔化成液態，熔化後且表面顯露於外的矽顆粒與熔化後的矽原料接觸；以及D、冷卻該坩堝，使熔化成液態的矽顆粒及矽原料自該成核層往上凝固結晶；藉此，該成核層、凝固後矽顆粒及凝固後矽原料共同形成一晶碇。
2. 如請求項1所述之晶碇的製造方法，其中該成核層厚度介於0.1~30mm之間。
3. 如請求項1所述之晶碇的製造方法，其中該成核層包含有氮矽化合物、二氧化矽或碳化物其中之一者。
4. 如請求項1所述之晶碇的製造方法，其中步驟A中，該成核層為多數個氮矽化合物顆粒構成，且該些氮矽化合物顆粒中混合有該些矽顆粒。
5. 如請求項4所述之晶碇的製造方法，其中該些矽顆粒的粒徑大於該些氮矽化合物顆粒的粒徑。
6. 如請求項5所述之晶碇的製造方法，其中該些矽顆粒的粒徑介於1μm~2000μm之間，該些氮矽化合物顆粒的粒徑介於0.5μm~1000μm之間。
7. 如請求項6所述之晶碇的製造方法，其中該些矽顆粒的粒徑為500μm。
8. 如請求項6所述之晶碇的製造方法，其中該些氮矽化合物顆粒的粒徑為1μm。
9. 如請求項4所述之晶碇的製造方法，其中該些氮矽化合物顆粒與該些矽顆粒的混合比例為1：1。
10. 一種晶碇的製造方法，包含下列步驟：A、提供具有多數孔洞的一成核層於一坩堝內的底部，該成核層之熔點高於矽；B、將固態之矽原料放入該坩堝中，使其等堆疊於該成核層上；C、加熱該坩堝，以將固態之矽原料熔化成液態，部分的液態矽原料進入該些孔洞中；D、冷卻該坩堝，以使液態之矽原料自該成核層往上凝固結晶；藉此，該成核層及凝固後的矽原料共同形成一晶碇。
11. 如請求項10所述之晶碇的製造方法，其中該成核層厚度介於0.1~30mm之間。
12. 如請求項10所述之晶碇的製造方法，其中該成核層包含有氮矽化合物、二氧化矽或碳化矽其中之一者。
13. 如請求項10所述之晶碇的製造方法，其中步驟A之該成核層係經多數個氮矽化合物顆粒與多數個材料顆粒混合被覆於該坩堝內底部，且通入一氣體於加熱之該坩堝中，以使該些有機材料顆粒與該氣體接觸產生反應逸散以形成具有孔洞結構者。
14. 如請求項13所述之晶碇的製造方法，其中該些材料顆粒的粒徑大於該些氮矽化合物顆粒的粒徑。
15. 如請求項14所述之晶碇的製造方法，其中該些材料顆粒的粒徑介於1μm~2000μm之間，該些氮矽化合物顆粒的粒徑介於0.5μm~1000μm之間。
16. 如請求項15所述之晶碇的製造方法，其中該些材料顆粒的粒徑為500μm。
17. 如請求項15所述之晶碇的製造方法，其中該些氮矽化合物顆粒的粒徑為1μm。
18. 如請求項13所述之晶碇的製造方法，其中該些材料顆粒為有機材料。
19. 如請求項18所述之晶碇的製造方法，其中該些材料顆粒為高分子球(polymer sphere)或蠟球。
20. 如請求項13所述之晶碇的製造方法，其中該些材料顆粒為無機材料。
21. 如請求項20所述之晶碇的製造方法，其中該些材料顆粒的成份為碳。
22. 如請求項21所述之晶碇的製造方法，其中該些材料顆粒為石墨。