[发明专利]多晶硅锭及其制备方法、多晶硅片和多晶硅铸锭用坩埚

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、多晶硅片和多晶硅铸锭用坩埚。

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、融化、凝固长晶、退火和冷却等步骤。在凝固长晶的过程中，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，导致晶向无规律，晶界不规则，晶粒不均匀(从微米级到十几厘米都有)，因此通过该方法制备得到的多晶硅锭转换效率不高，质量较低。

针对上述制备方法中容易产生位错的问题，日本学者FUJUWALA以及台湾学者南崇文提出了以枝晶方式生长晶粒的方法。其方法为在初始形核时提高过冷度，使得硅料主要以枝晶方式生长，晶向控制为(110)以及(112)，所长成的晶粒较大，一般为数厘米，并以狭长型为主。尽管通过该方法制得的多晶硅锭初始位错少，增殖也慢，但存在以下缺点：(1)晶粒以枝晶方式横向生长的速度快，不同的枝晶容易相互挤压，产生应力和缺陷；(2)生长制得的晶粒较大，一旦大晶粒内部有位错，很容易在整个大晶粒内部扩展，并占据整个晶粒；(3)枝晶方式生长放热，较大的晶粒在生长过程中释放的热量易影响周围其它晶粒生长所需的过冷度，导致其它晶粒不易生长，因此该方法不适用于大尺寸工业。

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，该制备方法可制备获得质量高的多晶硅锭，且简单方便，易于操作，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和多晶硅铸锭用坩埚。该制备方法制得的多晶硅锭晶粒大小均匀、规则、位错密度低且无明显的枝晶和孪晶。

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)在坩埚底部设置形核源，形成形核源层；

(2)在所述形核源层上设置熔融状态的硅料；

(3)控制所述坩埚内的温度沿垂直与所述坩埚底部向上的方向逐渐上升形成温度梯度，使得所述熔融状态的硅料利用所述形核源形核结晶，制得多晶硅锭。

其中，步骤(1)中设置形核源的形式不限。优选地，设置形核源为将形核源涂覆设置在坩埚底部，或者是将形核源直接铺设在坩埚底部。

优选地，形核源的粒径为0.1um～1cm。

优选地，形核源选自硅粉、与硅料的晶格接近的硅系化合物和与硅料反应生成硅系化合物的材料中的一种或几种，或硅粉、与硅料的晶格接近的硅系化合物和与硅料反应生成硅系化合物的材料中的一种或几种与氮化硅的混合物。

优选地，与硅料的晶格接近的硅系化合物为碳化硅粉或石英粉。

优选地，与硅料反应生成硅系化合物的材料为碳粉。

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，优选地，在形核源层上设置熔融状态的硅料为：在形核源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形核源层表面。还优选地，在形核源层上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，将熔融状态的硅料浇铸至铺设有形核源层的坩埚内，此时，熔融状态的硅料设置于形核源层表面。

步骤(3)中，控制坩埚内的热场为对熔融状态的硅料进行冷却，使其达到过冷状态后进行形核结晶。此时，大量的形核源的存在有利于熔融状态的硅料迅速形核。当底部温度降低到熔融状态的硅的熔点以下，在光滑壁面以及无形核点的情况下为均质形核，此时熔融状态的硅料的形核要求过冷度大，晶粒大。当存在形核点的情况下为异质形核或同质形核。此时要求的过冷度小，同时形核点分布密的情况下，晶粒细小。

优选地，形核结晶过程中控制过冷度为-1K～-30K。当过冷度低的时候，散热较慢，此时(111)面能够充分发育，而高过冷度时，由于(110)(112)的方向生长快，散热性好。高的过冷度有利于形成以(110)(112)占优的晶向，同时由于晶界为原子错排区，位错滑移到晶界处被吸收。适量的晶界能够阻止位错的增殖扩展，使得硅锭的整体位错减少，从而提高晶体硅的转换效率。

第二方面，本发明提供了多晶硅锭，所述多晶硅锭按照前述多晶硅锭的制备方法制得。所述多晶硅锭的位错密度≤10⁵个/cm²。

第三方面，本发明提供了多晶硅片，所述多晶硅片为以前述多晶硅锭为原料进行开方-切片-清洗后制得。