[发明专利]制造具有均匀磷浓度的硅锭的方法

说明书

本发明涉及一种用于制造具有均匀磷浓度的硅锭的方法。所述方法至少包括以下步骤：(i)提供至少包含磷的拟均匀的熔融硅浴；和(ⅱ)进行硅的定向凝固，控制用于凝固硅的速度(V_I)和在所述浴的液/汽界面磷的蒸发速率(J_LV)，使得在定向凝固的每一时刻证实以下方程：V_I＝k’/(2‑k)(E)，其中k’为磷转移系数，和k为磷在硅中的分配系数。本发明还涉及一种跨越至少20cm的高度具有均匀磷浓度的硅锭。

技术领域

本发明涉及一种制造具有均匀磷分布的硅锭的新的方法。

这样的锭在生产光电池的情况下是特别有利的。

背景技术

目前，光电池主要由单晶硅或多晶硅制造。用于生产结晶硅中最常见的路径涉及来自包含在坩埚中的液体硅浴的锭的凝固。然后，将这些锭切割成晶片(wafers)，所述晶片然后可以转换成光电池。

用作用于形成硅锭的起始物料的硅原料通常通过从冶金级硅获得的氯化前体，例如三氯硅烷的蒸馏过程生产。这个过程允许硅的有效纯化，但不幸的是在金融投资和能量消耗方面被证明是昂贵的。

已开发各种途径用于使用来自冶金，并且比气态途径更便宜的方法制造太阳能级硅原料。

在这方面，定向凝固方法用于允许杂质分离并因此纯化起始原料是众所周知的。

为了纯化硅，定向凝固技术特别适用于去除金属杂质，如铁、铬、镍等，其中分配系数，表示为k(定义为在凝固界面处杂质在固相中的浓度和液相中的浓度之间的比)，相比于一致(unity)是非常小的。对于给定的杂质低的分配系数从而使得能够通过所述杂质的分离设想非常有效的硅的纯化。而且，为了获得最优的分离，已知的是熔融浴必须尽可能均匀。

在均匀的熔融浴的最佳情况下，杂质的分离可以通过的Scheil定律(C(x)＝k.C₀.(1-x)^k-1，其中C₀考虑为结晶开始之前熔融浴中杂质的浓度)给出，其通过所述杂质的分配系数k连接形成的固体中所述杂质的浓度C(x)和凝固分数x。

对于各种分配系数值，作为凝固分数的函数的并入固体中杂质的浓度的变化在图1[1]中示出。从图1中示出的曲线显现，并入固体中杂质的浓度根据所考虑的杂质的分配系数在硅的凝固过程中能够显著变化。

这样的浓度分布曲线对于确保旨在用于光电用途的硅锭的均匀电阻率能够造成问题。事实上，在这些硅锭中，p型和n型掺杂剂(元素周期表的列III和Ⅴ的元素)的含量，实践中磷和硼的含量，控制硅的电阻率。

关于硼，因为它的分配系数为0.8，并因此接近一致，因此并入凝固的硅中硼的浓度在锭的底部和顶部之间的变化仍是可接受的。

在另一方面，磷具有非常低的分配系数，大约为0.35，这引起在凝固的硅中磷浓度变化相当大，并因此电阻率变化相当大，这非常不利于由这些硅锭生产光电池。此外，磷的分配系数过高而使得不能够通过冶金硅原料的定向凝固而有效纯化，所述冶金硅原料通常具有以重量计高于10份每百万(ppm)的磷含量，并且因此完全不适合用于生产光电池。

已提出用于消除磷的替代方法，特别是通过在高温下真空蒸发[2]。然而，除非调和纯化的液体(这从光电应用所需的固体硅的结晶质量的观点上是不可接受的)，由于上述的分离机理磷的浓度在凝固的硅中不能保持不变。

因此，硅锭中磷浓度的控制仍然是个问题。这个问题特别出现在同时包含n型和p型掺杂剂的硅原料(被称为补偿的硅原料)的情况下，对其不存在磷浓度的控制可能会导致在定向凝固过程中结晶硅的导电性类型的改变，从而导致锭的可利用的部分显著下降，并因此，该方法的原料产率显著下降。

因此，仍然需要有一种生产硅锭的廉价的方法，其使得能够提供在所形成的锭中均匀的磷浓度，并因此均匀的电阻率。

发明内容