杂质吸收材料及涂布有该材料的坩埚的制作方法

本发明提供一种杂质吸收材料及涂布有该材料的坩埚，尤其是指一种用于高温下直接吸收杂质的高活性材料及涂布有该材料的坩埚。

背景技术：

在许多高温，例如约500-2500℃，反应或制程中，会产生一些杂质，这些杂质元素存在于析出物、炉渣或熔炉中，杂质将降低成品的性能。再者，高温时杂质扩散速度快，且熔体对于杂质的溶解度高，因此，若能防护杂质扩散至熔体，将有助于提升最终产品的纯度。

在太阳能硅芯片的长晶过程中，控制热处理程序将提升硅原子扩散速率，并有助于晶种成核与晶体成长。然而，高温制程也同时带来反应不完全、原料裂解或氧化造成的杂质，最可能出现的杂质是fe、ni与cu等金属杂质，这些杂质含量多寡直接影响太阳能电池的转换效率，故制程上常于坩埚表面涂布一层高温稳定的材料，以利隔离杂质与硅芯片的接触，该涂层为具有良好烧结特性的涂层，且其材料在高温下仍属稳定，因此涂层通常以物理方式阻隔，以防止杂质扩散进入硅芯片，然而涂布制程的限制，这些涂层在成膜后仍会有大小不一的缺陷或覆盖率不佳等缺点，导致阻隔效果下降，也会导致产品后续制程时发生电性、物性或化性的差异。

以美国专利(us.pat.no.8,152,920b2)与(us.pat.no.7,378,128b2)为例，为降低发生杂质扩散进入硅芯片，主要是利用50-100wt％的氮化硅(si3n4)作为最外层涂层，氮化硅(si3n4)的高温稳定特性可以提供良好的阻隔与脱模效果，再配合不同材料作为中间涂层或基底层的方式，加强外层涂层的附着能力，而整体涂层可以避免杂质扩散进入晶料而受污染，同时维持硅锭外观的完整。但依据上述专利实施例，此多层涂层需添加中间黏着剂以增加涂布效果，尚能达到阻隔杂质的功能，但繁琐的程序必将提高材料成本与实际使用上的不便，同时涂布效果将同步影响阻隔的能力，故需要使用新型材料用以改善以往的制程，达到提升产品的效果。

技术实现要素：

如上所述，涂布阻隔材料于杂质与产品界面的方式常受限于材料的分散性，这些涂布不均的阻隔层也将造成阻隔效果下降，故本发明的目的在于改善阻隔效果不佳的情形。

本发明的目的在于提供一种杂质吸收材料来增进杂质阻隔的效果及涂布有该材料的坩埚。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种杂质吸收材料，所述杂质吸收材料包含具高活性官能基的氮化硅(si3n4-x)，其中(4-x)为所述杂质吸收材料于氮化硅(si3n4-x)化合物的氮原子摩尔数比，且x介于0.32-3.33之间。

所述杂质吸收材料用于涂布于坩埚，杂质是指在长晶过程中所析出的杂质。

所述氮化硅(si3n4-x)化合物具有一或多个悬挂键、不饱和键或未配对键结的高活性官能基。

所述氮化硅(si3n4-x)化合物含有α相、β相及γ相的至少其中之一。

所述氮化硅(si3n4-x)化合物的氮原子重量百分比是介于10-38wt％之间。

本发明的有益效果是：材料将不受限于涂布效果与黏着剂的选择，并能达成降低产品杂质的功效，又简化制程而降低成本。

附图说明

图1是硅晶冶炼中，杂质吸收材料应用于坩埚涂层的示意图；

图2是使用杂质吸收材料前后于多晶硅太阳能电池的电流-电压图；

图3是利用杂质吸收材料应用于多晶硅太阳能电池的载子存活时间图谱；

图4是未使用杂质吸收材料于多晶硅太阳能电池的载子存活时间图谱；

图5是使用杂质吸收材料前后于硅芯片的氧原子含量图。

具体实施方式

以下对本发明的杂质吸收材料的实施方式做说明。

本发明的第一实施例为一种用来强化杂质吸收效果的杂质吸收材料，其包含低氮原子重量百分比的氮化硅(si3n4-x)，其中(4-x) 为杂质吸收材料于氮化硅(si3n4-x)化合物的氮原子摩尔数比，x介于0.32-3.33之间。其特点为通常硅化合物，例如碳化硅(sic)、二氧化硅(sio2)等皆属化学计量化合物，然而氮化硅則属于非化学计量化合物，其各个原子组成能够以一定的比例范围内波动，该化合物于高温环境中，倾向捕捉其他原子用以稳定自身的结构，且其捕其他原子的能力是由化学计量比的偏差所决定，故为了能够减少产品的杂质，需要添加一种不安定且于结构上有缺陷的材料，利用此材料高活性的特性，于热处理过程中，达到吸附杂质的能力，进而减少杂质扩散至产品，并直接提升产品的效能。

本发明的第一实施例的一实施方式中，氮化硅(si3n4-x)含有α相、β相及γ相的至少其中之一。

本发明的第一实施例的另一实施方式中，杂质吸收材料(s2)存在不稳定的悬挂键(danglingbond)、不饱和键及/或其他未配对键结(freebonding)等高活性官能基，因此应用于高温领域(500-2500℃)时，这些高活性基团为降低能量而吸附来自烧结过程的杂质，当杂质含量减少，可增进其他结构稳定的氮化硅(si3n4)，如α相或β相的氮化硅(si3n4)，其物理性阻挡杂质的能力。

参阅图1，本发明的第二实施例为一种坩埚(meltingpot)s1，例如石英坩锅，所述坩埚s1表面附着有杂质吸收材料s2，杂质吸收材料s2是利用物理方法而附着于坩埚s1，上述物理方法包含但不限于使用喷涂、烧结或是其他方法将杂质吸收材料s2固定于坩埚表面，之后再涂上一层脱模材料s4，如氮化硅(si3n4)于外层。杂质吸收材料s2包含低氮原子重量百分比的氮化硅(si3n4-x)，其中(4-x)为杂质吸收材料s2于氮化硅(si3n4-x)化合物的氮原子摩尔数比，x介于0.32-3.33之间。

继续参阅图1，长晶过程是将高纯度的长晶原料，例如硅粉、硅颗粒s3或其他长晶原料，放置于耐高温的坩埚s1中，控制特定条件使其熔融成为硅熔汤并达到长晶目的，在坩埚s1与硅熔汤之间的杂质吸收材料s2会吸附坩埚s1中在长晶过程中所可能析出的杂质，例如fe、ni、cu、氧等杂质，进而避免杂质通过原子间交换进 入硅熔汤中。

参阅图2，图2为使用本发明杂质吸收材料前后于多晶硅太阳能电池的电流-电压图。本发明的第二实施例于多晶硅太阳能的长晶制程中使用了本发明的第一实施例的杂质吸收材料，由于杂质不易从石英坩埚扩散至多晶硅，因此可以获得高质量的硅晶圆。从图2中可以看出，无添加杂质吸收材料所制成太阳能电池的平均光电转换效率为18.15％，而在坩埚中涂布有本发明的第一实施例的杂质吸收材料所制成太阳能电池的平均光电转换效率为18.20％，高于无添加杂质吸收材料所制成太阳能电池的平均光电转换效率约0.05％。显示出本发明的第一实施例的杂质吸收材料的高效能吸附杂质特性，有利于电池的制造。

将本发明的第一实施例的杂质吸收材料先涂布于坩埚后，再喷涂一层脱模材料s4，如氮化硅(si3n4),后，接续置入硅颗粒以加热制备硅锭，参阅图3与图4，图中越接近红色表示越短的载子存活时间；越接近蓝色表示越长的载子存活时间。经由电性检测可发现经涂布杂质吸收材料于坩埚中所产制的硅晶体，硅锭四周载子存活图谱的红色范围减少，意即可获得较长的载子存活时间(lifetime)。

参阅图5，是将本发明的第一实施例的杂质吸收材料s2涂布50公克于坩埚，之后再喷涂一层脱模材料s4，如氮化硅(si3n4)，接续置入硅颗粒以加热制备硅锭，此时于坩埚/硅锭界面，氧容易发生扩散现象，然而经由傅里叶变换红外光谱(ftir)检测，可发现经涂布杂质吸收材料于坩埚中所产制的硅芯片的氧杂质含量为7.79ppma，低于未加杂质吸收材料于坩埚中所产制的硅芯片的氧杂质含量(10.6ppma)。

当氮化硅(si3n4-x)的氮原子含量超过38％的高氮化程度时，明显发现杂质吸附量下降，而当氮原子含量低于10％的氮化硅(si3n4-x)，也明显发现杂质吸附能力也下降。故，所述氮原子含量较佳为约10-38wt％。

发明的第三实施例为在其他无需涂布脱模材料的应用情况下,可以在坩埚中直接将本发明的第一实施例所述的杂质吸收材料,利 用物理方法,包含但不限于使用喷涂、烧结或是其他方法涂布于坩埚，而无需再涂布其他如氮化硅(si3n4)或其他类似材料的脱模材料于坩埚中，直接起到吸收杂质的效果。

以上所述者仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，凡在相同发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴，举例而言，本发明的杂质吸收材料不限定于本发明的第二、第三实施例的石英坩埚，本领域技术人员可知本发明的第一实施例的杂质吸收材料可在任何形式的器具上使用。