在氮气下铸造氮浓度可控的掺氮多晶硅的方法

专利名称：在氮气下铸造氮浓度可控的掺氮多晶硅的方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及在氮气下铸造氮浓度可 控的掺氮多晶硅的方法。
背景技术：
太阳能是取之不尽的清洁能源，利用半导体材料的光电转换特 性，制备成太阳能电池，可以将太阳能转变成电能。
铸造多晶硅是太阳能电池的一种主要材料，但其缺点是机械强 度较低。如果降低铸造多晶硅片的厚度，就会使硅片在加工、电池制 备和电池组装成组件等过程中，容易损伤、破碎，硅片的破碎率增加， 势必导致成本的增加。而当前影响太阳能电池广泛使用的 一个主要障 碍就是成本较高，电池的主要成本又在于硅片。为了降低成本，现在 采用的措施是减少硅片的厚度，使得每一片硅片的材料用量减少。因 此，现有的铸造多晶硅难以制成薄的硅片的缺陷，造成硅片成本增加， 限制了其使用。

发明内容
本发明提供了在氮气下铸造氮浓度可控的掺氮多晶硅的方法，利用氮在硅中能提高其机械强度的特性，解决了现有铸造多晶硅机械强 度较低的问题，实现了在氮气下定向凝固铸造掺氮多晶硅。
在氮气下铸造氮浓度可控的掺氮多晶硅的方法，包括以下步骤
(1) 将多晶硅原料置于坩埚内，按目标掺杂浓度计算的投料量 加入电活性掺杂剂，装炉；
其中，所述的电活性掺杂剂为硼、镓或磷；所述的目标掺杂浓度 为本发明要制备得到的目标产物中电活性掺杂剂的浓度。本发明中， 电活性掺杂剂的目标掺杂浓度为1 x 1015 ~ 1 xI017/cm3。
(2) 将炉室抽真空通入氩气，在氩气保护下将多晶硅原料及电 活性掺杂剂加热至完全融化成液体得到硅熔体，其中，加热温度为硅 熔点以上，优选1420~ 1450°C，既可融化多晶硅原料和电活性掺杂 剂，又不产生太高的能耗；
(3) 融硅结束后，将氩气换成氮气，在氮气气氛下铸造多晶-圭 通入的氮气的压力为5~ 200Torr，流量为1 ~ 200L/min;以1~ 4mm/min的速度提升炉内保温罩并冷却坩锅底部，使得硅熔体的热交 换主要发生在坩埚底部，这样，硅熔体从底部向上逐渐定向凝固形成 含氮浓度为lxl()U 5xl0"/cmS的掺氮多晶硅。
本发明中，通过冷却坩锅底部和调整炉内保温罩位置来调节热 场，形成单方向的热流(晶体的生长方向垂直向上，热流方向垂直向 下)进行定向凝固，该过程中仅在固-液界面处存在一定的轴向温度 梯度，而在横向的平面温度梯度较小，从而实现从下至上的铸造单晶 硅的生长。通常，采取在坩埚底部吹入冷却气体或通入冷却水来冷却坩锅底部。其中，冷却气体可采用安全、便宜、易得的常用气体，一 般采用冷却惰性气体或冷却氮气。
本发明中，通入的氮气优选采用纯度为99.999 ~ 99.9999%的，可 保证不会因纯度过低引入杂质影响产品质量，又不至因使用过高纯度 的氮气增加成本。
本发明中，氮气的压力优选为80~150Torr，流量优选为60 ~ 120L/min,在此压力和流量范围内的氮气通入，可保证实现氮的目标 掺杂，但又不造成氮气的浪费。本发明还可通过调节氮气的压力和流 量来控制掺氮的量。
上述方法制得的掺氮多晶硅中含有浓度为lxl015~ lxlO力cr^的 硼、镓或磷，还含有浓度为lxlO" 5xlO"/cm3的氮。
本发明方法采用在氮气下定向凝固铸造氮浓度可控的多晶硅，实 现在多晶硅中掺氮，由于掺入的氮能够钉扎硅中位错，因此本发明的 掺氮多晶硅机械强度较高，使得硅片可以切割得更薄，应用于太阳能 电池中可大幅降低成本。此外，还可通过改变氮气的压力和流量来控 制掺入的氮的浓度，得到氮的掺杂浓度可控的掺氮铸造多晶硅，可进 一步用于生产可满足不同机械强度要求的掺氮多晶硅。
具体实施方式
实施例1
将240kg的多晶硅原料置于坩埚，掺入60g的掺杂剂镓，装炉。 然后将炉室抽成真空通入高纯氩气，并将多晶硅原料和镓逐渐加热到1420°C,直至完全熔化形成硅熔体。在开始铸造多晶硅时，将氩气换 成浓度为99.999%的氮气，并控制氮气压力为10Torr,氮气流量为 10L/min;以2mm/min的速度提升炉内保温罩，同时在坩埚底部吹入 冷却氦气，使得硅熔体的热交换主要发生在坩埚底部，这样，硅熔体 从底部向上逐渐定向凝固形成掺氮多晶硅。形成的掺氮多晶硅中镓浓 度为1 x 1016/cm3，而氮浓度为1 x 1014/cm3。
通过三点弯法测试本实施例得到的掺氮铸造多晶硅的室温断裂 机械强度为220N/mm2,而同样条件下不掺氮的铸造多晶硅的室温断 裂机械强度为180N/mm2，本实施例的掺氮铸造多晶硅比不掺氮的铸 造多晶硅机械强度增加20%。采用u-PCD法测得在未钝化表面复合 的情况下，本实施例得到的掺氮铸造多晶硅片的少子寿命为3.5ps， 可用于太阳能电池。
实施例2
将240kg的多晶硅原料置于坩埚，掺入6g的掺杂剂镓，实现装 炉。然后将炉室抽成真空通入高纯氩气，将多晶硅原料和镓逐渐加热 到1450°C，直至完全熔化得到硅熔体。在开始铸造多晶硅时，将氩 气换成浓度为99.9999°/。的氮气，并控制氮气压力为100Torr，氮气流 量为100L/min;以4mm/min的速度提升炉内保温罩，同时在坩埚底 部通入冷却水，使得硅熔体的热交换主要发生在坩埚底部，这样，硅 熔体从底部向上逐渐定向凝固形成掺氮多晶硅。形成的掺氮多晶硅中 镓浓度为1 x 1015/cm3、氮浓度为1 x 1015/cm3。通过三点弯法测试本实施例得到的掺氮铸造多晶硅的室温断裂
机械强度为270N/mm2,而同样条件下不掺氮的铸造多晶硅的室温断 裂机械强度为180N/mm2,本实施例的掺氮铸造多晶硅比不掺氮的铸 造多晶硅机械强度增加50%。采用u-PCD法测得在未钝化表面复合 的情况下，本实施例得到的掺氮铸造多晶硅片的少子寿命为3网，可 用于太阳能电池。
权利要求
1、在氮气下铸造氮浓度可控的掺氮多晶硅的方法，包括以下步骤(1)将多晶硅原料置于坩埚内，加入电活性掺杂剂，装炉；其中，电活性掺杂剂为硼、镓或磷；(2)氩气保护下将多晶硅原料及电活性掺杂剂加热至完全融化，加热温度为硅熔点以上；(3)将氩气换成氮气，氮气的压力为5～200Torr，流量为1～200L/min，以1～4mm/min的速度提升炉内保温罩并冷却坩锅底部，定向凝固形成含氮浓度为1×1013～5×1015/cm3的掺氮多晶硅；所述的电活性掺杂剂的加入量以形成的掺氮多晶硅中含有的硼、镓或磷浓度为1×1015～1×1017/cm3计。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中，所 述的加热温度为1420~ 1450°C。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)中，所 述的氮气的压力为80~ 150Torr，流量为60~ 120L/min。
4、 根据权利要求1 ~ 3任一所述的方法得到的掺氮多晶硅，其特 征在于含有浓度为"1015~ lxlO力cn^的硼、镓或磷，还含有浓度 为lxlO" 5xlO"/cm3的氮。
全文摘要
本发明公开了在氮气下铸造氮浓度可控的掺氮多晶硅的方法，通过在氮气保护下定向凝固铸造多晶硅，实现在多晶硅中掺氮，并通过改变氮气的压力和流量来控制掺氮的浓度，定向凝固铸造得到氮浓度可控的掺氮多晶硅，其具有较高的机械强度，用于太阳能电池中可切割为更薄的硅片，从而降低太阳能电池的生产成本；还可进一步用于生产机械强度可控的掺氮多晶硅。本发明还公开了上述方法得到的掺氮多晶硅，含有浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm³的硼、镓和磷，还含有浓度为1×10¹³～5×10¹⁵/cm³的氮。
文档编号C30B28/06GK101597792SQ20091009999
公开日2009年12月9日 申请日期2009年6月24日 优先权日2009年6月24日
发明者余学功, 杨德仁, 阙端麟 申请人:浙江大学