[发明专利]一种多晶硅锭及其制备方法和多晶硅片

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种多晶硅锭及其制备方法和多晶硅片。

背景技术

近年来，太阳能作为一种新兴的可再生绿色能源已经成为了人们开发和研究的热点。伴随着太阳能电池业的快速发展，成本低且适于规模化生产的多晶硅成为行业内最主要的光伏材料之一，并逐步取代传统的直拉单晶硅在太阳能电池材料市场中的主导地位。

目前，DSS(Directional Solidification System，定向凝固系统)法被广泛用于多晶硅铸造，工艺流程大致包括加热、熔化、结晶、退火、冷却等步骤，从石英坩埚生长的多晶硅锭的晶粒大多从底部到头部呈柱状，硅锭底部主要以枝晶方式成核且形成的枝晶晶粒取向存在随机性，存在较多数量的有害晶向的晶粒，位错等缺陷及缺陷在生长过程中的增殖较快，正常的铸锭工艺制造的多晶硅锭底部的位错密度可以从(1.5～8.2)×10⁴/cm²增加至头部的(1.8～78)×10^5/cm²，位错密度大大增加，从而显著降低了多晶硅的晶体质量，进而导致硅片的电池转换效率显著降低。

随着大尺寸多晶硅锭的发展，硅锭高度不断的增加，导致位错等缺陷从硅锭底部向硅锭头部增殖的距离变长，位错等缺陷密度会大大增加，降低了硅锭头部硅片的电池效率，因此，一种能获得高质量的大尺寸多晶硅锭的铸锭方法变得很重要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明旨在提供一种多晶硅锭的制备方法，该制备方法能够有效降低多晶硅锭头部的位错和缺陷密度，得到位错少的高质量多晶硅锭，该制备方法尤其适用于大尺寸高硅锭的铸造。本发明还同时公开了一种通过该制备方法获得的多晶硅锭，以及以所述多晶硅锭为原料制得的多晶硅片。

第一方面，本发明提供了一种多晶硅锭的制备方法，包括：

在坩埚内填装硅料后，加热使所述硅料熔化形成硅熔体，调整热场，使硅熔体在所述坩埚上进行形核结晶，该形核结晶过程为第一结晶阶段；

待长出目标高度晶体后，调整热场使第一结晶阶段停止，在第一结晶阶段长出的晶体未完全熔化前，调整热场形成过冷状态，使得所述未结晶的硅熔体在所述第一结晶阶段形成的晶体层面上再形核结晶，所述再形核结晶过程为后续结晶阶段；

待全部硅熔体结晶完后，经退火冷却得到多晶硅锭。

优选地，所述调整热场使第一结晶阶段停止的操作为，调节温度，控制热场温度为1460～1480℃。

调节温度使热场温度高于硅熔体的凝固点温度，硅熔体将停止结晶，从而第一结晶阶段停止。

优选地，所述调整热场形成过冷状态的操作为，调节温度，控制热场的温度为1360～1380℃。

具体地，调节加热装置的加热功率或关闭加热装置使温度降低。当温度降低至1360～1380℃时，在硅熔体与第一结晶阶段形成的晶体界面的生长前沿界面层将产生非常高的过冷度且过冷层厚度较大，即形成高过冷状态，这时的固液界面的生长界面层的温度梯度也非常小，因此，在硅熔体界面前沿产生组份过冷形成大量均匀的细小晶粒，即在已生长的固相硅上发生再形核结晶形成微晶层，接着从微晶层上长出所需要的晶体。

优选地，所述后续结晶阶段包括多次再形核结晶过程。

所述再形核结晶过程为在所述过冷状态下，在所述后续结晶阶段的前一次再形核结晶过程形成的晶体上形核结晶。

所述在后续结晶阶段的前一次再形核结晶过程形成的晶体上形核结晶时，先形成一层微晶层。

其中，再形核结晶过程为硅熔体在第一结晶阶段形成的晶体层面上或在所述后续结晶阶段的前一次再形核结晶过程形成的晶体上的形核结晶过程，属于同质形核方式，同质形核方式所需要的行核功要远小于石英或陶瓷等材料的坩埚上的异质形核方式，此过程将在已生长的晶体上形成均匀分布的多个形核源。同时，第一结晶阶段或后续结晶阶段的前一次再形核结晶过程形成的固体硅，具有优良的导热性能，使得后续结晶阶段的重新形核结晶过程中硅熔体形核时获得更大的行核驱动力，从而在过冷状态下迅速形核产生了大量具有优势晶向的细小晶粒，形成微晶层，进而生长出具有优势晶向的晶体。优势晶向具有很强的抗位错滑移功能，因此可以防止位错的大量增殖，从而得到高质量的多晶硅锭。

优选地，所述再形核结晶过程在所述后续结晶阶段的前一次再形核结晶过程形成的晶体质量开始降低的高度或位置处开始进行。