[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，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。利用该多晶硅锭制得的太阳能电池的光电转换效率低。因此，为了制得位错密度低、缺陷少的高质量多晶硅锭，一种能有效获得良好初始形核的多晶硅锭铸造方法变得很重要。

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，该制备方法能够使多晶硅锭获得良好的初始形核，降低多晶硅锭在生长过程中的位错繁殖，得到高质量多晶硅锭。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：

在坩埚内壁涂上氮化硅层后，在所述坩埚内从下至上填装硅料；

加热使所述坩埚内硅料熔化形成硅熔体，当所述硅熔体与未熔化的所述硅料所形成的固液界面接近坩埚底面时，调节热场形成过冷状态，使所述硅熔体在不完全熔化的硅料基础上开始长晶；

待全部硅熔体结晶完后，经退火冷却得到多晶硅锭。

其中，坩埚内壁上氮化硅层的设置，可以有效防止坩埚内壁的杂质进入晶体中，并防止多晶硅锭发生粘锅现象，从而提高多晶硅锭的质量和降低铸锭工艺的操作难度。

硅熔体在硅固体层面上的形核属于同质形核方式，同质形核方式所需要的驱动力要远小于石英或陶瓷等材料的坩埚上的异质形核方式，在硅固体层面上能形成多个均匀分布的形核源，从而使多晶硅锭获得良好的初始形核，进而生长出具有优势晶向的晶体。此外，固体硅具有优良的导热性能，使得硅熔体形核时获得更大的驱动力，从而促进初始形核的控制，生长出具有优势晶向的晶粒。

优选地，填装硅料时，先在坩埚底部铺设一层硅碎料。

优选地，硅碎料为单晶硅碎料、多晶硅碎料和非晶体硅碎料中的一种或几种。

优选地，当硅熔体与未熔化的硅料所形成的固液界面刚好处在硅碎料层时，调节热场形成过冷状态，使硅熔体在不完全熔化的硅料基础上开始长晶。

优选地，当硅熔体与未熔化的硅料所形成的固液界面深入硅碎料层时，调节热场形成过冷状态，使硅熔体在不完全熔化的硅料基础上开始长晶。

硅碎料铺垫在坩埚底部为无序排列，碎料层形成一个支架结构，该支架结构具有无数的孔洞，在硅料熔化阶段，硅料熔化形成的硅熔体将填充在孔洞中，在初始形核阶段，在过冷状态下，在硅碎料层面上形成多个均匀分布的形核源，从而使多晶硅锭获得良好的初始形核，进而生长出具有优势晶向的晶体。具体地，控制温度使处于硅熔体与未熔化的硅料所形成的固液界面的硅熔体及填充在孔洞中的硅熔体先达到过冷状态，优先形核结晶，随后硅熔体界面向远离坩埚底部的方向移动，硅熔体结晶凝固。多晶硅锭的初始形核得到良好控制，从而生长出有益晶向占主导地位的晶体，因此可以防止位错的大量增殖，得到高质量多晶硅锭。

优选地，硅碎料的尺寸大小为0.1μm～10cm；更优选地，硅碎料的尺寸大小为0.1cm～10cm。

其中，尺寸大小为0.1μm～10μm的硅碎料为微粉。

优选地，硅碎料铺设厚度为0.5cm～5cm。

硅碎料的厚度太薄，不容易进行铺设操作，难以控制，另外，硅碎料的厚度太薄，不利于形成完整的支架结构，从而不利于后续形核结晶过程。

优选地，在硅料与所述坩埚的底部之间铺垫一层导热块。

优选地，导热块为硅块或石墨块。

优选地，所述硅块为单晶硅块、多晶硅块和非晶体硅块中的一种或几种。

优选地，导热块的铺设厚度为1cm～2cm。

硅块和石墨块均具有优良的导热性能，在硅熔体形核时将使得形核获得更大的驱动力，从而促进形核过程中产生具有优势晶向的晶粒。

优选地，在硅料的熔化阶段，每隔0.2～1h，探测一次所述硅熔体与未熔化的所述硅料所形成的固液界面的位置。