[发明专利]用于制备具有大晶粒的再结晶硅衬底的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种由具有非常小的颗粒而不能直接用于光伏应用的多晶硅衬底制备具有20μm或更大的平均晶粒尺寸的硅衬底的新方法。

背景技术

在光伏电池的生产的背景下，结晶成尺寸大于20μm的晶粒的硅事实上由于其半导体性能而受到特别关注。

目前，光伏电池主要由多晶硅或单晶硅制成。制备晶体硅最常见的途径涉及来自液态硅浴的锭的定向固化。这些锭然后被切割成可以转化成光伏电池的晶圆。遗憾地，锭的锯切导致硅损失(“截口损失”)约50％。出于明显的原因，材料的这种与锯切有关的损失不利于产率。

作为通过锯切锭制造晶圆的替选，已经开发了着眼于以通常厚度在100μm和500μm之间变化的晶圆或带的形式直接生产硅的技术(限边送膜生长，带防止脱落和在衬底上的带生长)。然而，这些方法不完全令人满意，尤其是它们带来的关于成本和/或工艺控制问题。

克服硅损失的问题的另一方式是实施液相外延或汽相外延(LPE或VPE)技术。这些技术允许通过在衬底上的生长利用中等成本和高生长率(通常从0.1μm/min至5μm/min)获得厚度为数十微米以及良好结晶质量的层。

遗憾地，如果要获得充分质量的层，则常规外延方法需要昂贵的待使用的单晶衬底。

然而，如果降低成本，则必须找到一种用多晶硅衬底(即，被称为“低成本”衬底)代替单晶硅衬底的途径。

为了生产该多晶硅的衬底，基于硅粉末的烧结，近来已经提出了两种技术。第一种技术是基于在模具中粉床的热压[1]；第二种技术是基于热烧结而没有挤压，即，被称为自然烧结[2]。然而，为了允许有效烧结，起始晶粒必须被亚微米尺寸化，以及在工艺期间的熟化不可以获得尺寸大于2μm的晶粒，即使在1350℃下多个小时之后[3]。对于在光伏应用中实现这些衬底，如此小的尺寸是禁止的。

为了改正该缺点以及获得具有与光伏应用相容的较大颗粒尺寸的衬底，已经提出多种液相颗粒再结晶方法。例如，Reber等[4]提出了所谓的ZMR(区熔再结晶)方法，其为利用红外灯或通过激光辐射加热烧结的晶圆的表面，以便表面上熔化约10μm至20μm的厚度的硅，液态硅然后在冷却时再结晶成毫米尺寸的颗粒。然而，ZMR技术造成生产量和污染的问题，这是因为需要非常高的温度来熔化硅。

关于固相再结晶方法，利用热变形步骤和再结晶热处理的结合的技术在冶金领域中是已知的。就硅来说，已实施了该技术[5]，其中其允许获得与光伏应用相容的尺寸的晶粒。然而，需要非常长的时间(比约10小时更长)来再结晶硅，即使在约1300℃的高温下进行再结晶热处理。该速率与光伏行业的产率要求是不相容的。

发明内容

因此，仍然需要提供便宜的高产率的用于制备适于光伏应用的薄硅层的外延的大晶粒多晶硅衬底的方法。

本发明的目的在于恰好满足该需要。

因此，根据本发明的第一方面，其涉及一种用于制备具有大于或等于20μm的平均晶粒尺寸的硅衬底的方法，其至少包括以下步骤：

(i)提供多晶硅衬底，其平均颗粒尺寸小于或等于10μm；

(ii)在至少1000℃的温度下，使所述衬底经受整体且均匀的塑性变形；

(iii)使所述衬底经受定位在多个被称作外部应力区的衬底区(3)中的塑性变形，在两个连续区(3)之间的间距e为至少20μm，局部变形严格地大于在步骤(ii)中进行的整体变形，

步骤(iii)可能与步骤(ii)相继地或者同时进行；以及

(iv)在严格高于步骤(ii)中执行的温度的温度下，使在步骤(iii)结束时获得的衬底经受固相再结晶热处理，以便获得期望的所述衬底。

发明人已经发现，令人惊讶地，通过结合热的整体塑性变形的步骤(ii)与局部变形的步骤(iii)，利用具有减少的持续时间的再结晶处理可以获得所需的大晶粒衬底。对比而言，单独考虑的两个塑性变形步骤(ii)和步骤(iii)中的每个步骤单独地不允许以与光伏应用相容的速率实现所需的再结晶。

在下文中，在本发明的方法的步骤(iv)结束时获得的硅衬底将更简单地称为“再结晶衬底”。

根据本发明的另一方面，本发明涉及一种硅衬底，其具有20μm或更大的平均晶粒尺寸且能够通过如上文所限定的方法来获得。

根据本发明的该再结晶衬底尤其在其至少一个侧面上在竖向横截面中具有以间距(d)彼此隔开的连续的凹槽，该间距(d)大于或等于20μm，在平行于衬底的厚度的方向上所测量的凹槽的深度为至少5μm且特别是20μm至100μm。