[发明专利]多晶硅锭及其制备方法和多晶硅片

说明书

技术领域

本发明涉及多晶硅铸锭领域，尤其涉及多晶硅锭及其制备方法和多晶硅片。

背景技术

目前，多晶硅锭的制备方法主要为采用GT Solar所提供的定向凝固系统法(简称DSS)炉晶体生长技术，该方法通常包括加热、熔化、凝固长晶、退火和冷却等步骤。在凝固长晶过程中，伴随着坩埚底部的持续冷却，熔融状态的硅料自发形成随机形核并且随机形核逐渐生长。但由于初始形核没有得到控制，形核过程中容易产生位错，导致晶向杂乱，晶粒不均匀，因此通过该方法制备得到的多晶硅锭质量较低。

针对上述制备方法中容易产生位错的问题，研究人员报道了一种通过在多晶硅锭生长炉内的容器底部铺设籽晶来生长类单晶的方法，该方法制备得到的硅锭晶体相对于使用DSS方法制得的硅锭晶体提高了质量。然而，该方法具有以下缺点：(1)铺设了大量的连续的大尺寸的单晶作为籽晶，而所述的大尺寸的单晶需要从单晶主体上切割获得且保持形状完整，因此，籽晶的来源范围窄且成本高昂，不适于大规模生产；(2)所述籽晶内部没有晶界，因此容易引入新的位错，且位错容易增殖，从而降低多晶硅锭的质量。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供多晶硅锭的制备方法，该制备方法能够有效抑制位错的增殖从而获得高质量的多晶硅锭，并且所使用的籽晶来源广泛，成本低，适于大规模生产。本发明同时提供了通过该制备方法获得的高质量的多晶硅锭，以及利用所述多晶硅锭制备获得的多晶硅片。

第一方面，本发明提供了多晶硅锭的制备方法，包括以下步骤：

(1)在坩埚底部随意铺设籽晶，形成籽晶层，所述籽晶的晶向不限；

(2)在籽晶层上方设置熔融状态的硅料，控制坩埚底部温度低于籽晶的熔点，使得籽晶层不被完全熔化；

(3)控制坩埚内的温度沿垂直与坩埚底部向上的方向逐渐上升形成温度梯度，使得熔融状态的硅料在籽晶上继承籽晶的晶向结构进行生长，制得多晶硅锭。

其中，步骤(1)籽晶的铺设方式为随意铺设，无需人为地进行排布，所述籽晶的晶向不限。此外籽晶的来源、种类、形状、最大边长度和位错密度均不限。

优选地，籽晶为头尾料、边皮料、残次硅料、单晶碎片或细碎硅料。头尾料和边皮料为硅锭晶体的制备方法中产生的常见废料。残次硅料和单晶碎片为硅锭晶体切割过程中产生的残次品和碎片。细碎硅料为硅锭晶体废料经过破碎后得到。

籽晶可以为单晶或多晶。熔融状态的硅料将在籽晶上继承晶格的结构继续生长。

籽晶可以为片状、块状、条状或粒状。当籽晶为不规则形状时，各籽晶的晶向随机分布，晶界为原子错排区。当籽晶为切割形成的规则的形状时，由于晶体为多面体结构，因此随意铺设后，各籽晶的晶向杂乱，晶界亦为原子错排区。

优选地，籽晶的最大边长度为1～100mm。籽晶的最大边长度越小，大量的籽晶铺设后的晶向越不一致，易形成为原子错排区的晶界。更优选地，籽晶的最大边长度为1～50mm。

籽晶的位错密度越低，越有利于生长出位错密度低的多晶硅锭。优选地，籽晶的位错密度≤10³个/cm²。

籽晶层的厚度不限。优选地，籽晶层的厚度为5～50mm。

因此，本发明所使铺设的籽晶层的籽晶来源非常广泛，取材方便，并且相比现有技术中所使用的连续的大尺寸的籽晶具有明显的价格优势，大大降低了多晶硅锭的生产成本。此外，籽晶随意的无规则的铺设在坩埚底部，无需人为地进行排布，因此步骤(1)简单方便，易于操作。

本发明所述的坩埚指容置多晶硅锭生长的容器，其形状和种类不限。

步骤(2)中，在籽晶层上方设置熔融状态的硅料的方式不限。优选地，在籽晶层上方设置熔融状态的硅料为：在籽晶层上方装载固体硅料，对坩埚进行加热使得硅料熔融，此时，熔融状态的硅料设置于籽晶层表面。还优选地，在籽晶层上方设置熔融状态的硅料为：在另外一个坩埚内加热固体硅料，制得熔融状态的硅料，将该熔融状态的硅料浇铸至铺设有籽晶层的坩埚内，此时，熔融状态的硅料设置于籽晶层表面。固体硅料的纯度和来源不限。

籽晶层不被完全熔化是指部分籽晶层熔化，同时保持部分籽晶层不熔化。优选地，未熔化的籽晶层占步骤(1)中铺设的籽晶层的5％～95％。通常，硅料熔化的温度为1500～1560℃。而坩埚底部铺设的籽晶层的温度低于籽晶的熔点。

(3)控制坩埚内的温度沿垂直与坩埚底部向上的方向逐渐上升形成温度梯度，使得熔融状态的硅料在籽晶上继承籽晶的晶向结构进行生长，制得多晶硅锭。