TWI384558B - 自外部去除雜質以提純冶金級矽材料之製備方法 - Google Patents

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自外部去除雜質以提純冶金級矽材料之製備方法
本發明係有關於一種自外部去除雜質以提純冶金級矽材料之製備方法，尤指一種針對純度介於4~6N範圍之提純冶金級矽(Upgraded Metallurgical Grade Silicon,UMG-Si)基板材料，可降低距表面下某一定深度局部區域內之雜質濃度，並較原先未處理時之雜質濃度值達100倍以上，為一種綠色環保製程者。
半導體材料去除雜質之方法主要有內部去除雜質法與外部去除雜質法等兩種方法，其中內部去除雜質法並不適用於太陽能電池。
依據上述外部去除雜質法而言，目前廣泛應用於太陽能電池之去除雜質方法包含有下述四種，分別為：(一)直接將鋁與磷等原子，利用高溫擴散至半導體材料內，與金屬雜質形成金屬化合物，進而達到陷住金屬雜質之目的者；(二)利用機械、雷射或離子佈植等方法，於半導體材料表面產生晶格應變者，進而形成雜質陷落(Sinks)處；(三)於半導體材料表面被覆一薄膜層，例如多晶矽、氮化矽、三氧化二鋁或矽鍺合金等材料，兩者間為異質結構者，可於界面處因晶格不匹配而有應變之形成，作為雜質陷落處；以及(四)近期則有利用多孔性結構者，以多孔性結構形成之 表面，作為雜質陷落處。
接著可利用化學製程，將表面雜質陷落層或局部區域予以侵蝕掉後，以獲得距半導體材料表面下局部區域之高品質半導體材料薄層。然而，上述四種方法其皆使用化學製程，並相對產生化學廢料，因此係有環保之問題發生。
綜上所述，依目前市面上應用於太陽能電池之半導體材料去除雜質之方法中，因尚未能有針對純度大於4N範圍之提純冶金級矽材料，有效降低距其表面下某一定深度局部區域內之雜質濃度值達100倍以上者，故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種針對純度介於4~6N範圍之提純冶金級矽基板材料，可降低距表面下某一定深度局部區域內之雜質濃度，並較原先未處理後時之雜質濃度值達100倍以上，為一種綠色環保製程者。
為達以上之目的，本發明係一種自外部去除雜質以提純冶金級矽材料之製備方法，其主要內容係利用自外部去除雜質法降低冶金級矽材料距表面下某一定深度局部區域內之雜質濃度，尤指純度約為4~6N範圍之提純冶金級矽材料，而於此提純冶金級矽材料距表面下某一定深度局部區域，獲得一較高品質之矽薄層，並可依此獲得之局部區域適用於太陽能電池及其相關之光電應用。
於一較佳實施例中，係選擇一純度介於4~6N範圍內之 提純冶金級矽基板材料；並以物理或化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition,CVD)，於該提純冶金級矽基板材料上表面被覆一含富氫(Hydrogen-Riched)之非晶矽薄膜層(a-Si：H)；接著進行高溫熱處理，將該含富氫之非晶矽薄膜層中之氫原子蒸發排除，使該非晶矽薄膜層中留下許多由點、線與面之缺陷所形成之陷落，同時並可加速驅使該提純冶金級矽基板材料表面下某一定深度之局部區域內金屬雜質，擴散與聚集於該非晶矽薄膜層內之陷落處，形成局部高金屬雜質濃度區；以及最後以鹽酸(HCl)氣體進行熱侵蝕處理，於高溫條件下，將已形成局部高金屬雜質濃度區之非晶矽薄膜層完全侵蝕掉，以獲得該提純冶金級矽基板材料表面下有某一定深度局部區域之高品質矽薄層。
請參閱『第1圖~第5圖』所示，係分別為本發明之製備流程示意圖、本發明一較佳實施例之第一結構剖面示意圖、本發明一較佳實施例之第二結構剖面示意圖、本發明一較佳實施例之第三結構剖面示意圖及本發明一較佳實施例之第四結構剖面示意圖。如圖所示：本發明係一種自外部去除雜質以提純冶金級矽材料之製備方法，其至少包含下列步驟：(A)選取基板步驟11：如第2圖所示，係用以選擇一矽基板，並為純度介於4~6N範圍之提純冶金級矽(Upgraded Metallurgical Grade Silicon,UMG-Si)材料基板21；(B)沉積步驟12：如第3圖所示，係用以物理或化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition,CVD)，於該提純冶 金級矽材料基板21上表面被覆一含富氫(Hydrogen-Riched)並介於某一特定厚度範圍之非晶矽薄膜層(a-Si：H)22；(C)高溫熱處理步驟13：如第4圖所示，係將上述被覆有非晶矽薄膜層22之提純冶金級矽材料基板21進行高溫熱處理，在介於1100~1300℃範圍之溫度下熱處理1~30分鐘之時間，可用以加速驅使該提純冶金級矽材料基板21表面下某一定深度之局部區域內金屬雜質，擴散與聚集於該非晶矽薄膜層22內之陷落(Sinks)處，形成局部高金屬雜質濃度區；以及(D)熱侵蝕處理步驟14：如第5圖所示，係用以鹽酸(HCl)氣體進行熱侵蝕處理，在介於1100~1300℃範圍之溫度下熱處理1~30分鐘之時間，可將已形成局部高金屬雜質濃度區之非晶矽薄膜層完全侵蝕掉，以獲得該提純冶金級矽材料基板21表面下有某一定深度局部區域之高品質矽薄層23。
當本發明於運用時，於一較佳實施例中，係選擇一純度大於99.99%(>4N)之提純冶金級矽材料基板21，利用電漿輔助化學氣相沉積法(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)，於該提純冶金級矽材料基板21表面上沉積一介於500~2000埃(Å)厚度範圍之非晶矽薄膜層22。接著進行高溫熱處理製程，可將含富氫之非晶矽薄膜層22中之氫原子蒸發排除，使該非晶矽薄膜層22中留下許多由點、線與面之缺陷所形成之陷落，同時並可使該提純冶金級矽材料基板21表面下某一定深度之局部區域內金屬雜質，快速擴散至該非晶矽薄膜層22，及被該非晶矽薄膜層22中缺陷強力 吸引，最後聚集於該非晶矽薄膜層22內，形成局部高金屬雜質濃度區。如第4圖中所示之熱處理前雜質濃度分佈曲線3a與熱處理後雜質濃度分佈曲線3b可知，在高溫熱處理過程下，可加速驅使該提純冶金級矽材料基板21表面下之雜質擴散與聚集於陷落處，使得距該提純冶金級矽材料基板21表面下某一定深度之局部區域內，其雜質濃度降低，從而形成一較高品質之矽薄層。
最後，利用鹽酸氣體進行熱侵蝕處理製程，於高溫條件下，將含局部高金屬雜質濃度區之非晶矽薄膜層22，以鹽酸氣體熱完全侵蝕掉，進而於該提純冶金級矽材料基板21表面下某一定深度局部區域，獲得一高品質矽薄層23，如第5圖中之雜質濃度分佈曲線3c所示可知。
完成上述程序後，於該提純冶金級矽材料基板21表面下某一定深度之局部區域內，其處理後之雜質濃度相較原先未處理時之雜質濃度值，係可降低100倍以上，因此所獲得之高品質矽薄層23，將可適用於太陽能電池及其相關之光電應用；此外，於本發明製程中，亦完全無化學溶劑之使用，可不影響該提純冶金級矽材料基板21之厚度，且採用之鹽酸氣體係可再回收使用，故本發明亦為一種綠色環保製程。
綜上所述，本發明係一種自外部去除雜質以提純冶金級矽材料之製備方法，可有效改善習用之種種缺點，處理後之雜質濃度較原先未處理時之雜質濃度值係可降低100倍以上，為一種綠色環保製程者，主要係利用自外部去除雜質法降低冶金級矽材料基板距表面下某一定深度局部區域內之雜質濃度，以獲得此局部區域之高品質矽薄層，並可適用於太陽能電池及其相 關之光電應用，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
11‧‧‧步驟(A)選取基板
12‧‧‧步驟(B)沉積
13‧‧‧步驟(C)高溫熱處理
14‧‧‧步驟(D)熱侵蝕處理
21‧‧‧提純冶金級矽材料基板
22‧‧‧非晶矽薄膜層
23‧‧‧高品質矽薄層
3a‧‧‧熱處理前雜質濃度分佈曲線
3b‧‧‧熱處理後雜質濃度分佈曲線
3c‧‧‧雜質濃度分佈曲線
第1圖，係本發明之製備流程示意圖。
第2圖，係本發明一較佳實施例之第一結構示意圖。
第3圖，係本發明一較佳實施例之第二結構示意圖。
第4圖，係本發明一較佳實施例之第三結構示意圖。
第5圖，係本發明一較佳實施例之第四結構示意圖。
11‧‧‧步驟(A)選取基板
12‧‧‧步驟(B)沉積
13‧‧‧步驟(C)高溫熱處理
14‧‧‧步驟(D)熱侵蝕處理

Claims (9)

  1. 一種自外部去除雜質以提純冶金級矽材料之製備方法，其特徵在於處理後之雜質濃度較原先未處理時之雜質濃度值係可降低100倍以上，其至少包含下列步驟：(A)選取基板步驟：係用以選擇一矽基板，並為純度介於4~6N範圍之提純冶金級矽(Upgraded Metallurgical Grade Silicon,UMG-Si)材料基板；(B)沉積步驟：係用以物理或化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition,CVD)，於該矽基板上表面被覆一含富氫(Hydrogen-Riched)之非晶矽薄膜層(a-Si：H)；(C)高溫熱處理步驟：係將上述被覆有非晶矽薄膜層之矽基板進行高溫熱處理，用以將該含富氫之非晶矽薄膜層中之氫原子蒸發排除，使該非晶矽薄膜層中留下許多由點、線與面之缺陷所形成之陷落(Sinks)，並加速驅使該矽基板表面下某一定深度之局部區域內金屬雜質，擴散與聚集於該非晶矽薄膜層內之陷落處，形成局部高金屬雜質濃度區；以及(D)熱侵蝕處理步驟：係用以鹽酸(HCl)氣體進行熱侵蝕處理，於高溫條件下，將已形成局部高金屬雜質濃度區之非晶矽薄膜層完全侵蝕掉，以獲得該矽基板表面下有某一定深度局部區域之高品質矽薄層。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之自外部去除雜質以提純冶金級矽材料之製備方法，其中，該化學氣相沉積法係為電漿輔助化學氣相沉積法(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之自外部去除雜質以提純冶金 級矽材料之製備方法，其中，該富氫之非晶矽薄膜層係具有介於500~2000埃(Å)範圍之厚度。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之自外部去除雜質以提純冶金級矽材料之製備方法，其中，該步驟(C)之熱處理係介於1100~1300℃範圍之溫度。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之自外部去除雜質以提純冶金級矽材料之製備方法，其中，該步驟(C)之熱處理係介於1~30分鐘範圍之時間。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之自外部去除雜質以提純冶金級矽材料之製備方法，其中，當該步驟(C)之該非晶矽薄膜層形成局部高金屬雜質濃度區時，該矽基板表面下某一定深度之局部區域內雜質濃度係降低，從而形成高品質之矽薄層。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之自外部去除雜質以提純冶金級矽材料之製備方法，其中，該步驟(D)之熱侵蝕處理係介於1100~1300℃範圍之溫度。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之自外部去除雜質以提純冶金級矽材料之製備方法，其中，該步驟(D)之熱侵蝕處理係介於1~30分鐘範圍之時間。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之自外部去除雜質以提純冶金級矽材料之製備方法，其中，該局部區域之高品質矽薄層係可適用於太陽能電池及其相關之光電。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4561171A (en) * 1982-04-06 1985-12-31 Shell Austria Aktiengesellschaft Process of gettering semiconductor devices
US5627081A (en) * 1994-11-29 1997-05-06 Midwest Research Institute Method for processing silicon solar cells

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