專利名稱：在氮氣下鑄造氮濃度可控的摻氮多晶硅的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體技術領域，尤其涉及在氮氣下鑄造氮濃度可 控的摻氮多晶硅的方法。
背景技術：
太陽能是取之不盡的清潔能源，利用半導體材料的光電轉(zhuǎn)換特 性，制備成太陽能電池，可以將太陽能轉(zhuǎn)變成電能。
鑄造多晶硅是太陽能電池的一種主要材料，但其缺點是機械強 度較低。如果降低鑄造多晶硅片的厚度，就會使硅片在加工、電池制 備和電池組裝成組件等過程中，容易損傷、破碎，硅片的破碎率增加， 勢必導致成本的增加。而當前影響太陽能電池廣泛使用的 一個主要障 礙就是成本較高，電池的主要成本又在于硅片。為了降低成本，現(xiàn)在 采用的措施是減少硅片的厚度，使得每一片硅片的材料用量減少。因 此，現(xiàn)有的鑄造多晶硅難以制成薄的硅片的缺陷，造成硅片成本增加， 限制了其使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了在氮氣下鑄造氮濃度可控的摻氮多晶硅的方法，利用氮在硅中能提高其機械強度的特性，解決了現(xiàn)有鑄造多晶硅機械強 度較低的問題，實現(xiàn)了在氮氣下定向凝固鑄造摻氮多晶硅。
在氮氣下鑄造氮濃度可控的摻氮多晶硅的方法，包括以下步驟
(1) 將多晶硅原料置于坩堝內(nèi)，按目標摻雜濃度計算的投料量 加入電活性摻雜劑，裝爐；
其中，所述的電活性摻雜劑為硼、鎵或磷；所述的目標摻雜濃度 為本發(fā)明要制備得到的目標產(chǎn)物中電活性摻雜劑的濃度。本發(fā)明中， 電活性摻雜劑的目標摻雜濃度為1 x 1015 ~ 1 xI017/cm3。
(2) 將爐室抽真空通入氬氣，在氬氣保護下將多晶硅原料及電 活性摻雜劑加熱至完全融化成液體得到硅熔體，其中，加熱溫度為硅 熔點以上，優(yōu)選1420~ 1450°C，既可融化多晶硅原料和電活性摻雜 劑，又不產(chǎn)生太高的能耗；
(3) 融硅結束后，將氬氣換成氮氣，在氮氣氣氛下鑄造多晶-圭 通入的氮氣的壓力為5~ 200Torr，流量為1 ~ 200L/min;以1~ 4mm/min的速度提升爐內(nèi)保溫罩并冷卻坩鍋底部，使得硅熔體的熱交 換主要發(fā)生在坩堝底部，這樣，硅熔體從底部向上逐漸定向凝固形成 含氮濃度為lxl()U 5xl0"/cmS的摻氮多晶硅。
本發(fā)明中，通過冷卻坩鍋底部和調(diào)整爐內(nèi)保溫罩位置來調(diào)節(jié)熱 場，形成單方向的熱流(晶體的生長方向垂直向上，熱流方向垂直向 下)進行定向凝固，該過程中僅在固-液界面處存在一定的軸向溫度 梯度，而在橫向的平面溫度梯度較小，從而實現(xiàn)從下至上的鑄造單晶 硅的生長。通常，采取在坩堝底部吹入冷卻氣體或通入冷卻水來冷卻坩鍋底部。其中，冷卻氣體可采用安全、便宜、易得的常用氣體，一 般采用冷卻惰性氣體或冷卻氮氣。
本發(fā)明中，通入的氮氣優(yōu)選采用純度為99.999 ~ 99.9999%的，可 保證不會因純度過低引入雜質(zhì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，又不至因使用過高純度 的氮氣增加成本。
本發(fā)明中，氮氣的壓力優(yōu)選為80~150Torr，流量優(yōu)選為60 ~ 120L/min,在此壓力和流量范圍內(nèi)的氮氣通入，可保證實現(xiàn)氮的目標 摻雜，但又不造成氮氣的浪費。本發(fā)明還可通過調(diào)節(jié)氮氣的壓力和流 量來控制摻氮的量。
上述方法制得的摻氮多晶硅中含有濃度為lxl015~ lxlO力cr^的 硼、鎵或磷，還含有濃度為lxlO" 5xlO"/cm3的氮。
本發(fā)明方法采用在氮氣下定向凝固鑄造氮濃度可控的多晶硅，實 現(xiàn)在多晶硅中摻氮，由于摻入的氮能夠釘扎硅中位錯，因此本發(fā)明的 摻氮多晶硅機械強度較高，使得硅片可以切割得更薄，應用于太陽能 電池中可大幅降低成本。此外，還可通過改變氮氣的壓力和流量來控 制摻入的氮的濃度，得到氮的摻雜濃度可控的摻氮鑄造多晶硅，可進 一步用于生產(chǎn)可滿足不同機械強度要求的摻氮多晶硅。
具體實施方式
實施例1
將240kg的多晶硅原料置于坩堝，摻入60g的摻雜劑鎵，裝爐。 然后將爐室抽成真空通入高純氬氣，并將多晶硅原料和鎵逐漸加熱到1420°C,直至完全熔化形成硅熔體。在開始鑄造多晶硅時，將氬氣換 成濃度為99.999%的氮氣，并控制氮氣壓力為10Torr,氮氣流量為 10L/min;以2mm/min的速度提升爐內(nèi)保溫罩，同時在坩堝底部吹入 冷卻氦氣，使得硅熔體的熱交換主要發(fā)生在坩堝底部，這樣，硅熔體 從底部向上逐漸定向凝固形成摻氮多晶硅。形成的摻氮多晶硅中鎵濃 度為1 x 1016/cm3，而氮濃度為1 x 1014/cm3。
通過三點彎法測試本實施例得到的摻氮鑄造多晶硅的室溫斷裂 機械強度為220N/mm2,而同樣條件下不摻氮的鑄造多晶硅的室溫斷 裂機械強度為180N/mm2，本實施例的摻氮鑄造多晶硅比不摻氮的鑄 造多晶硅機械強度增加20%。采用u-PCD法測得在未鈍化表面復合 的情況下，本實施例得到的摻氮鑄造多晶硅片的少子壽命為3.5ps， 可用于太陽能電池。
實施例2
將240kg的多晶硅原料置于坩堝，摻入6g的摻雜劑鎵，實現(xiàn)裝 爐。然后將爐室抽成真空通入高純氬氣，將多晶硅原料和鎵逐漸加熱 到1450°C，直至完全熔化得到硅熔體。在開始鑄造多晶硅時，將氬 氣換成濃度為99.9999°/。的氮氣，并控制氮氣壓力為100Torr，氮氣流 量為100L/min;以4mm/min的速度提升爐內(nèi)保溫罩，同時在坩堝底 部通入冷卻水，使得硅熔體的熱交換主要發(fā)生在坩堝底部，這樣，硅 熔體從底部向上逐漸定向凝固形成摻氮多晶硅。形成的摻氮多晶硅中 鎵濃度為1 x 1015/cm3、氮濃度為1 x 1015/cm3。通過三點彎法測試本實施例得到的摻氮鑄造多晶硅的室溫斷裂
機械強度為270N/mm2,而同樣條件下不摻氮的鑄造多晶硅的室溫斷 裂機械強度為180N/mm2,本實施例的摻氮鑄造多晶硅比不摻氮的鑄 造多晶硅機械強度增加50%。采用u-PCD法測得在未鈍化表面復合 的情況下，本實施例得到的摻氮鑄造多晶硅片的少子壽命為3網(wǎng)，可 用于太陽能電池。
權利要求
1、在氮氣下鑄造氮濃度可控的摻氮多晶硅的方法，包括以下步驟(1)將多晶硅原料置于坩堝內(nèi)，加入電活性摻雜劑，裝爐；其中，電活性摻雜劑為硼、鎵或磷；(2)氬氣保護下將多晶硅原料及電活性摻雜劑加熱至完全融化，加熱溫度為硅熔點以上；(3)將氬氣換成氮氣，氮氣的壓力為5～200Torr，流量為1～200L/min，以1～4mm/min的速度提升爐內(nèi)保溫罩并冷卻坩鍋底部，定向凝固形成含氮濃度為1×1013～5×1015/cm3的摻氮多晶硅；所述的電活性摻雜劑的加入量以形成的摻氮多晶硅中含有的硼、鎵或磷濃度為1×1015～1×1017/cm3計。
2、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于步驟(2)中，所 述的加熱溫度為1420~ 1450°C。
3、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于步驟(3)中，所 述的氮氣的壓力為80~ 150Torr，流量為60~ 120L/min。
4、 根據(jù)權利要求1 ~ 3任一所述的方法得到的摻氮多晶硅，其特 征在于含有濃度為"1015~ lxlO力cn^的硼、鎵或磷，還含有濃度 為lxlO" 5xlO"/cm3的氮。
全文摘要
本發(fā)明公開了在氮氣下鑄造氮濃度可控的摻氮多晶硅的方法，通過在氮氣保護下定向凝固鑄造多晶硅，實現(xiàn)在多晶硅中摻氮，并通過改變氮氣的壓力和流量來控制摻氮的濃度，定向凝固鑄造得到氮濃度可控的摻氮多晶硅，其具有較高的機械強度，用于太陽能電池中可切割為更薄的硅片，從而降低太陽能電池的生產(chǎn)成本；還可進一步用于生產(chǎn)機械強度可控的摻氮多晶硅。本發(fā)明還公開了上述方法得到的摻氮多晶硅，含有濃度為1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm³的硼、鎵和磷，還含有濃度為1×10¹³～5×10¹⁵/cm³的氮。
文檔編號C30B28/06GK101597792SQ20091009999
公開日2009年12月9日 申請日期2009年6月24日 優(yōu)先權日2009年6月24日
發(fā)明者余學功, 楊德仁, 闕端麟 申請人:浙江大學