TWI413713B - Silicon crystal forming method and forming device thereof - Google Patents

Description

矽晶體成型方法及其成型裝置

本發明係有關有多晶矽晶體成型方法及其成型裝置，旨在解決既有習知技術所成型無法使晶粒的體積大型化，導致由多晶矽晶體切片做成太陽能電池光電轉化效率低落之課題。

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，產品轉換效率較高，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，多晶矽因有不同排列方式的晶粒存在，其晶粒間所謂的晶界會有雜質的累積與結構錯排等造成的缺陷，使得光電轉換效率較低。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，在低成本與高產出的優勢下，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，坩堝11兩側加熱器12及坩堝11的外坩堝13所組成，在單向凝固下，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，該坩堝11內液相原料因凝固所形成之固化界面A1係為一平直表面，如第三圖所示，而該晶粒之生長方向A2係與該固化界面A1垂直，故無法生成體積大型化之晶粒；再者，多晶矽晶體的各晶粒之間係由“晶界”所區 隔，配合參照第四圖所示，因該晶粒21的體積無法大型化，將使得習有多晶矽晶體2單位面積中具有較多數量的晶粒21，相對的晶界22的數量也較多，導致利用此多晶矽晶體2所切片成型的晶片產生電子與電洞的再結合中心，降低其基材的光電轉換效率與電子遷移能力，當應用於電子產品時，其電流通過量較小，而降低光電轉換效率。

本發明係之主要目的即在解決既有習知技術所成型無法使晶粒的體積大型化，導致由多晶矽晶體切片成型的晶片產生過多電子電洞再結合中心之課題，亦即能夠有效降低晶片的缺陷密度，進而增加晶片之光電轉換效率。

為達上揭目的，本發明之矽晶體成型方法係同時透過對坩堝本體外進行散熱方向之調控與坩堝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下方散熱通量高於側向散熱，令該坩堝內所容置之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，使形成於坩堝內的晶粒得以大型化，並由晶粒單向凝固向上成長而形成之完整多晶矽晶體，以具有單位橫切面積晶界數量較少之特性。

本發明之功效之一，在於能夠減少晶片因為晶界所衍生的載子受命低落的問題。

本發明之功效之二，在於減少晶界即減少晶片內部缺 陷，因此能夠增加晶片之光電轉換效率。

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「矽晶體成型方法及其成型裝置」旨在解決既有習知技術所成型無法使晶粒的體積大型化，導致由多晶矽晶體切片成型的晶片產生缺陷之課題；其中，係透過對坩堝本體外進行散熱方向之調控，例如：對坩堝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較側向為高，亦即該坩堝底部靠近中央位置處之向下的凝固散熱高於側向散熱，使該坩堝底部靠近中央位置處形成有一散熱區段，且該散熱區段之面積小於坩堝之底面積，令該坩堝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，如第五圖所示，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。

如第六圖所示，該整體成型裝置係包括有一用以容置矽原料32的坩堝31、作用為高溫下維持坩堝31形狀的外坩堝33(可以為石墨，此材料為導熱極佳可做為散熱控制用)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，該加熱器可以為電阻式加熱系統或是感熱式加熱系統，圖中所示之實施例係為感熱式加熱系統，其設有感應線圈341及熱電耦342，其中該外坩堝33外並設有保溫件35(可以為碳纖、氧化鋁或氧化鋯之材質)， 請同時參閱第五圖及第七圖所示，該保溫件35係包覆設置於該外坩堝33外相對於該坩堝31本體周圍外。加熱裝置也可以為電阻式加熱裝置。

而整體裝置即在坩堝31邊側加熱器及坩堝31的外坩堝33以及保溫件35之作用下，使坩堝31底層的特定位置形成晶粒21，因為保溫件35僅設置於相對該坩堝31本體周圍外，降低了該處熱源散去之效率，使該坩堝31底部靠近中央位置處因凝固放熱的向下散熱高於側向散熱，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，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，進而晶粒21係以單向凝固向上成長而形成一如第八圖所示之完整多晶矽晶體2。

由於本發明首先形成於坩堝下層的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如第九圖所示，單位橫切面積晶粒21及晶界22數量較少之優點，可降低電子電洞的再結合，提升載子壽命；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。

另外，該坩堝底部靠近中央位置處亦可進一步施以急速冷卻之方式，來控制多晶晶粒之生長方向【可以為(112)、(110)】，其中，該急速冷卻之方式可以於該坩堝31底部靠近中央位置處進一步設有散熱棒材36，如第十圖所示之實施例中，該散熱棒材36可與該外坩堝33一體 製成，而該散熱棒材36係由該外坩堝33朝下方延伸一特定長度而成，該成型裝置進一步設有一冷卻組件37，該冷卻組件37係與該散熱棒材36相互連接接觸，使該冷卻組件37可將散熱棒材36之熱源散去，令坩堝31該處急速冷卻之狀態下形成具有特定生長方向之晶粒，而使該晶粒形成有孿生晶界，該孿生晶界中晶界係具有相互對稱之特性，以降低缺陷及雜質之產生且該晶界為電鈍性，不會成為電子電洞的再結合區，是好的晶界，並藉由中央向上微凸的界面減少晶界，可大幅提升晶片品質，即提升載子壽命，對電池的光電轉化效率提升也會有幫助。

再者，該保溫件35亦可設置於該坩堝31與外坩堝33之間，如第十一圖所示，該保溫件35係包覆設置相對於該坩堝31本體底部周圍外，或者如第十二圖所示，該保溫件35係包覆設置相對於該坩堝31本體底部靠近周圍之下方，同樣可使該長晶液相原料32之固化界面B1形成中央向上微凸之狀態，使雜質分佈在靠近坩堝處，減少晶體中間的缺陷發生，可以提高產品良率。

綜上所述，本發明提供一較佳可行之矽晶體成型方法及其成型裝置，有效解決既有習知技術所成型無法使晶粒的體積大型化，導致由多晶矽晶體切片成型的晶片產生缺陷之課題，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。

A1、B1‧‧‧固化界面

A2、B2‧‧‧生長方向

11‧‧‧坩堝

12‧‧‧加熱器

13‧‧‧外坩堝

14‧‧‧長晶矽原料

2‧‧‧多晶矽晶體

21‧‧‧晶粒

22‧‧‧晶界

31‧‧‧坩堝

32‧‧‧長晶矽原料

33‧‧‧外坩堝

341‧‧‧感應線圈

342‧‧‧熱電耦

35‧‧‧保溫件

36‧‧‧散熱棒材

37‧‧‧冷卻組件

第一圖係為習有矽晶體成型技術之結構示意圖。

第二圖係為利用習有矽晶體成型技術所完成之多晶矽晶體外觀示意圖。

第三圖係為利用習有矽晶體成型技術中固化界面與晶粒生長方向之結構示意圖。

第四圖係為利用習有矽晶體成型技術所完成之多晶矽晶體橫切面結構示意圖。

第五圖係為本發明中固化界面與晶粒生長方向之結構示意圖。

第六圖係為本發明之裝置結構示意圖。

第七圖係為本發明中坩堝、外坩堝與保溫件之外觀示意圖。

第八圖係為利用本發明所完成之多晶矽晶體外觀示意圖。

第九圖係為利用本發明所完成之多晶矽晶體橫切面結構示意圖。

第十圖係為本發明之另一裝置結構示意圖。

第十一圖係為本發明之再一裝置結構示意圖。

第十二圖係為本發明之又一裝置結構示意圖。

31‧‧‧坩堝

32‧‧‧長晶矽原料

33‧‧‧外坩堝

341‧‧‧感應線圈

342‧‧‧熱電耦

35‧‧‧保溫件

Claims (14)

1. 一種矽晶體成型方法，係同時透過對坩堝本體外進行散熱方向之調控與坩堝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下方的凝固散熱高於側向散熱，令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所述之矽晶體成型方法，其中該坩堝底部靠近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。
3. 如請求項2所述之矽晶體成型方法，其中該多晶晶粒之生長方向可以為(112)、(110)。
4. 一種矽晶體成型裝置，係至少包含有：一坩堝，用以容置液相原料；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； 一保溫件，係包覆於外坩堝相對於該坩堝本體周圍外；一散熱棒材設置於該坩堝底部靠近中央位置處；以及一冷卻組件係與該散熱棒材相互連接接觸，使該冷卻組件可將該散熱棒材之熱源散去。
5. 如請求項4所述之矽晶體成型裝置，其中該保溫件可以為碳纖、氧化鋁或氧化鋯之材質。
6. 如請求項4所述之矽晶體成型裝置，其中該外坩堝可以為石墨。
7. 如請求項4所述之矽晶體成型裝置，其中該保溫件係包覆於外坩堝外相對於該坩堝本體周圍外。
8. 如請求項4所述之矽晶體成型裝置，其中該保溫件係設置於外坩堝以及坩堝本體之間，且包覆於該坩堝本體底部周圍外。
9. 如請求項4所述之矽晶體成型裝置，其中該保溫件係包覆設置相對於該坩堝本體底部靠近周圍之下方
10. 如請求項4所述之矽晶體成型裝置，其中該散熱棒材可與該外坩堝一體製成，而該散熱棒材係由該外坩堝朝下方延伸而成。
11. 5、7、8或9所述之矽晶體成型裝置，其中該加熱器可以設有感應線圈及熱電耦。
12. 一種矽晶體成型方法，係同時透過對坩堝本體外進行散熱方向之調控與坩堝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形成有一散熱區段，且該散熱區段之面積小於坩堝之底面積。
13. 如請求項12所述之矽晶體成型方法，其中該坩堝底部靠近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。
14. 如請求項12所述之矽晶體成型方法，其中該多晶晶粒之生長方向可以為(112)、(110)。