TWI395846B - Silicon crystal forming method and forming device thereof - Google Patents

Description

矽晶體形成方法及其形成裝置

本發明係有關有多晶矽晶體形成方法及其形成裝置，旨在提供一種不易有缺陷及雜質產生之多晶矽晶體形成方法及其形成裝置。

按，太陽能光電池屬半導體之一種，故又稱為太陽能晶片，矽(silicon)為目前通用的太陽能電池之原料代表，其發電原理為將太陽光能轉換成電能。太陽能光電基板(Solar PV Cell)的晶片材質有很多種，大致上可分為單晶矽(Monocrystalline Silicon)、多晶矽(Polycrystalline/Multicrystalline Silicon)、非晶矽(Amorphous Silicon)，以及其它非矽材料，其中以單晶矽及多晶矽兩類最為常見；而，單晶矽的組成原子均按照一定的規則，多晶矽中各個晶粒內區域有各自的排列方式，而晶粒間的晶界結構較不完整且易有雜質累積，故缺陷密度較高，進而影響電池的光電轉換效率。單晶矽太陽能電池轉換效率較高，但相對的製造成本也較為昂貴，雖然早期市場的產品仍以單晶矽為主，但由於單晶矽的生產成本較高，加上近年來多晶矽的技術進展很快，使得多晶矽的轉換效率大幅的提高，在低成本的優勢下，多晶矽已有取代單晶矽產品的趨勢。

而目前業界所普遍採用的多晶矽晶體製造技術如第一圖所示，係於坩堝11內將長晶之矽原料14放入，在坩堝11兩側加熱器12及坩堝11外層外坩堝13組成，在單向凝固之作用下，使坩堝11內形成晶粒21，並且令該晶粒21以單向凝固向上成長而形成一如第二圖所示之完整多晶矽晶體2，該多晶矽晶體2最後採用橫向切割、研磨、拋光和切片成為既定尺寸的晶片底材，以供製作成太陽能晶片。

其中，該多晶矽晶體的各晶粒之間係由“晶界”所區隔，利用上述既有技術所成型之多晶矽晶體其晶界多半屬於電活性晶界，激發的電子電洞經過電活性晶界的區域就會被抓住，不能經由電極導出來利用，成為無效的區域；但如果經過的是電鈍性晶界區域，電子電洞就不受影響，效能就如同單晶一樣。因此如何控制電鈍性晶界或減少活性晶界對多晶矽晶體製造技術來講是非常重要的。而孿生晶界為一電鈍晶界，孿生晶界越多，該多晶的品質越好。

本發明係之主要目的即在提供一種不易有缺陷及雜質產生之多晶矽晶體形成方法及其形成裝置。

為達上揭目的，本發明之矽晶體形成方法係坩堝底部處施以急速冷卻之方式，來控制多晶晶粒之生長趨勢，並使該晶粒形成有孿生晶界，並可減少活性晶界，該孿生晶界係具有晶界兩端的原子彼此排列對稱之結構，由該晶粒單向凝固向上成長而形成之完整多晶矽晶體，使得該多晶矽晶體不易有缺陷及雜質之產生。

本發明之特點，可參閱本案圖式及實施例之詳細說明而獲得清楚地瞭解。

本發明「矽晶體形成方法及其形成裝置」中之形成方法係透過對坩堝底部處(例如可靠近坩堝底部中央位置)施以急速冷卻之方式，來控制多晶晶粒之生長方向，例如<112>或<110>之生長方向，並使該晶粒21形成有孿生晶界24，如第一圖所示，並可進一步於該坩鍋之本體周圍外施以保溫的方式，使該坩堝底部靠近中央位置處之向下散熱通量高於側相散熱，令該坩鍋31內所容置之長晶液相原料32因凝固所形成之固化界面B1形成中央向上微凸之狀態，如第二圖所示，進一步使該晶粒之生長方向B2形成向外擴張之形式，以使成型之晶粒的體積大型化；其中，該晶粒21之孿生晶界24係具有結構相互對稱之晶界，由該晶粒單向凝固向上成長而形成之完整多晶矽晶體，使得該多晶矽晶體不易有缺陷及雜質之產生，且可進一步加上晶粒大型化的特性，使得由各晶粒單向凝固向上成長而形成之完整多晶矽晶體具有如第三圖所示，單位橫切面積晶粒21及晶界22數量較少之優點，進而能夠減少晶片因為晶界所衍生因不飽和鍵結所造成的再結合效果；尤其，在晶片內部晶界(即晶片內部雜質)相對減少之後，能夠增加晶片之光電轉換效率。

如第四圖所示，該整體形成裝置係包括有一用以容置矽原料32的坩堝31、高溫下維持坩堝31形狀的外坩堝33(可以為石墨)及相對設在坩堝31周圍(而本實施例係設置於邊側)的加熱器，該加熱器利用感應式加熱而可以設有感應線圈341及熱電耦342，而該加熱器亦可以為電阻式加熱，其中該外坩堝33外並設有急速冷卻件35，如圖所示之實施例中，該急速冷卻件35係設於該外坩堝33相對於該坩堝31底部位置處；當然，該急速冷卻件亦可為複數個並設置於該坩鍋底部位置處，而形成多個冷卻點。

其中，該急速冷卻件35可以為一散熱材，該散熱材係設有一接觸部351以及由該接觸部351所延伸之散熱部352，該接觸部351係與該外坩堝33接觸，而該散熱部352係具有較大之散熱面積，該急速冷卻件35可與該外坩堝33一體製成，而該急速冷卻件35係由該外坩堝33朝下方延伸而成，故該急速冷卻件35亦可以為石墨材質。

而整體裝置即在急速冷卻件35之作用下，使坩堝31底層形成高比例的孿生晶粒21，並藉由急速冷卻件35令該坩堝31所容置液相原料之底部熱流量約為50~60W，或者令該液相原料底部溫度梯度約為5150~5250k/m，而可使所成型之晶粒21形成特定之生長方向，例如<112>或<110>之生長方向，而使該晶粒21形成有較多之孿生晶界；當然，該形成裝置可進一步設有一冷卻組件37，如第五圖所示，該冷卻組件37係與該急速冷卻件35相互連接接觸，如圖所示之實施例中，該冷卻組件37係與急速冷卻件之散熱部352接觸，使該冷卻組件37可將急速冷卻件35之熱源散去，且該冷卻組件37可設有一控制器371、循環管體372及設於該循環管體372中之流體373(可以為液體或氣體)，該控制器371可控制該流體373於循環管體372中之流速，以控制該急速冷卻件35之冷卻狀況。

再者，該形成裝置進一步設有一保溫件36(可以為碳纖、氧化鋁或氧化鋯之材質)，如第六圖所示，該保溫件36係包覆該坩堝31底部周圍外，使坩堝31底層所形成之晶粒21，因為保溫件36僅設置於相對該坩堝31本體周圍外，降低了該處外坩堝33將熱源散去之效率，使該坩堝31底部靠近中央位置處之溫度較兩側為低，令該長晶液相原料32之固化界面B1形成中央向上微凸之狀態，請同時參閱第二圖所示，而該晶粒之生長方向B2係與該固化界面B1垂直，以使該晶粒之生長方向B2形成向外擴張之形式，以使成型之晶粒的體積大型化。

由於本發明首先形成於坩堝下層的晶粒具有高比例孿生晶界，使得該成型之多晶矽晶體不易有缺陷及雜質之產生，並可進一步加上晶粒具有可大型化的特性，使得由各晶粒單向凝固向上成長而形成之完整多晶矽晶體具有單位橫切面積晶粒及晶界數量較少之優點，進而能夠減少晶片因為晶界所衍生的再結合中心；尤其，在晶片內部晶界(即晶片內部雜質)相對減少之後，能夠增加晶片之光電轉換效率。

綜上所述，本發明提供一較佳可行之矽晶體形成方法及其形成裝置，爰依法提呈發明專利之申請；本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之揭示而作各種不背離本案發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

B1．．．固化界面

B2．．．生長方向

11．．．坩堝

12．．．加熱器

13．．．外坩堝

14．．．長晶液相原料

2．．．多晶矽晶體

21．．．晶粒

22．．．晶界

24．．．孿生晶界

31．．．坩堝

32．．．長晶矽原料

33．．．外坩蝸

341．．．感應線圈

342．．．熱電耦

35．．．急速冷卻件

351．．．接觸部

352．．．散熱部

36．．．保溫件

37．．．冷卻組件

371．．．控制器

372．．．循環管體

373．．．流體

第一圖係為本發明中晶粒具有孿生晶界之結構剖視圖。

第二圖係為本發明中固化界面與晶粒生長方向之結構示意圖。

第三圖係為利用本發明所完成之多晶矽晶體外觀示意圖。

第四圖係為本發明第一實施例之裝置結構示意圖。

第五圖係為本發明第二實施例之裝置結構示意圖。

第六圖係為本發明第三實施例之裝置結構示意圖。

第七圖係為習有矽晶體成型技術之結構示意圖。

21．．．晶粒

31．．．坩堝

32．．．長晶矽原料

33．．．外坩堝

341．．．感應線圈

342．．．熱電耦

35．．．急速冷卻件

351．．．接觸部

352．．．散熱部

Claims (14)

1. 一種矽晶體形成方法，係透過對一坩堝的底部中央位置處施以急速冷卻之方式，來控制多晶晶粒之生長方向，並使該晶粒形成有孿生晶界，其中該坩堝之底部周圍外側施以保溫的方式，使該坩堝底部靠近中央位置處之向下散熱通量高於側向散熱，導致該坩堝內所容置之長晶液相原料因凝固所形成之固化界面形成中央向上微凸之狀態。
2. 如請求項1所述之矽晶體形成方法，其中該多晶晶粒之生長方向可以為<112>或<110>。
3. 如請求項1或2所述之矽晶體形成方法，其中該坩堝底部施以急速冷卻之方式，使其底部之熱流量為50~60W。
4. 如請求項1或2所述之矽晶體形成方法，其中該坩堝底部施以急速冷卻之方式，使其底部之溫度梯度為5150~5250k/m。
5. 一種矽晶體形成裝置，係至少包含有：一坩堝，用以容置矽原料；一外坩堝，該外坩堝係包覆於坩堝本體外；加熱器，係設於坩堝周圍；至少一急速冷卻件，該急速冷卻件設於該外坩堝相對於該坩堝底部中央位置處；以及一保溫件，包覆該坩堝底部周圍外側。
6. 如請求項5所述之矽晶體形成裝置，其中該急速冷卻件可以為一散熱材，該散熱材係設有一接觸部以及由該接觸部所延伸之散熱部，該接觸部係與該外坩堝接觸，而該散熱部係具有較大之散熱面積。
7. 如請求項6所述之矽晶體形成裝置，其中該急速冷卻件可與該外坩堝一體製成，而該急速冷卻件係由該外坩堝朝下方延伸而成。
8. 如請求項5或7所述之矽晶體形成裝置，其中該外坩堝可以為石墨。
9. 6或7所述之矽晶體形成裝置，其中該形成裝置進一步設有一冷卻組件，該冷卻組件係與該急速冷卻件相互連接接觸，使該冷卻組件可將急速冷卻件之熱源散去。
10. 如請求項5所述之矽晶體形成裝置，其中該冷卻組件可設有一控制器、循環管體及設於該循環管體中之流體，該控制器可控制該流體於循環管體中之流速。
11. 如請求項5所述之矽晶體形成裝置，其中該保溫件可以為碳纖、氧化鋁或氧化鋯之材質。
12. 6或7所述之矽晶體形成裝置，其中該加熱器可以設有感應線圈及熱電耦。
13. 6或7所述之矽晶體形成裝置，其中該急速冷卻件使該坩堝所容置液相原料之底部熱流量為50~60W。
14. 6或7所述之矽晶體形成裝置，其中該急速冷卻件使該坩堝所容置液相原料之底部溫度梯度為5150~5250k/m。