專利名稱：控制由補(bǔ)償硅原料制成的硅錠中電阻率的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開的內(nèi)容涉及半導(dǎo)體材料(例如硅)生產(chǎn)過程中所采用的方法及系統(tǒng)。 特別涉及P型硅錠(silicon ingot)形成過程中控制電阻率(resistivity)的方法和系統(tǒng)， 該方法和系統(tǒng)可以使用低等級(jí)硅原料(silicon feedstock)來制作在太陽能電池或類似產(chǎn) 品中十分有用的硅。
背景技術(shù)：
光電產(chǎn)業(yè)正在蓬勃快速發(fā)展且成為硅消耗增長的原因，硅消耗超過傳統(tǒng)的集成電 路(IC)的應(yīng)用。如今，太陽能電池產(chǎn)業(yè)對(duì)硅的需求開始與傳統(tǒng)IC產(chǎn)業(yè)形成競爭。隨著現(xiàn) 代的制造技術(shù)發(fā)展，IC產(chǎn)業(yè)和太陽能電池產(chǎn)業(yè)需要經(jīng)過精煉、經(jīng)過提純的硅原料來作為原 始力口工材料(starting material)。用于太陽能電池的替代材料從單晶電子級(jí)(electronic grade)硅到含雜質(zhì)相對(duì) 較多的冶金級(jí)(metallurgical grade)硅。電子級(jí)硅加工出來的硅具有接近理論值的效率， 但是價(jià)格昂貴。另一方面，冶金級(jí)硅通常加工不出能正常工作的太陽能電池。早期的太陽 能電池使用多晶硅(polycrystalline)，其只有非常低的大約6%的效率。在本專利上下文 中，效率是指入射到電池上的能量與電池所收集到的并轉(zhuǎn)化成電流的那部分能量的比值。 然而，也許存在著能用于生產(chǎn)太陽能電池的其他的半導(dǎo)體材料。實(shí)際上，幾乎90%的商業(yè)太 陽能電池由晶體硅(crystalline silicon)制成。由于高昂的成本及獲得和使用高純度硅原料的錯(cuò)綜復(fù)雜的加工要求及與IC產(chǎn)業(yè) 的競爭，對(duì)適合用作太陽能電池的硅的要求不可能由電子級(jí)硅、冶金級(jí)硅或者其他級(jí)別硅 的生產(chǎn)者采用已知的加工技術(shù)來滿足。只要這種狀況還存在，那么節(jié)能的太陽能電池就不 能達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)。電阻率是衡量用于生產(chǎn)太陽能電池的硅(Si)的最重要的參數(shù)之一。這是因?yàn)樘?陽能電池效率對(duì)電阻率比較敏感。最新技術(shù)的太陽能電池要求電阻率通常在0.5 Ω cm與 5. OQcm 之間。除了電阻率外，在制造太陽能電池時(shí)傳導(dǎo)類型是最重要的。傳導(dǎo)類型需是P型或 者N型，也就是說，電子(electron)或空穴(hole)分別是主要的載流子。在電流電池技術(shù) 中，P型硅材料通常摻入硼(B)，這會(huì)增加半導(dǎo)體中的空穴，換而言之，在各自的硅中扮演接 受者的作用。N型硅在電流電池技術(shù)中用得很少甚至不用。該材料通常摻入磷(P)，其用于 增加電子，換而言之，扮演捐贈(zèng)者的作用。基于提純的冶金硅(upgraded metallurgical silicon, UM-Si)的硅原料常常 含有基本相同數(shù)量的硼和磷。從而硼引入的空穴與磷引入的電子相互抵消，稱為補(bǔ)償。主 要載流子的補(bǔ)償通常導(dǎo)致硅從P型硅(晶化過程的開始階段)轉(zhuǎn)化為N型硅(晶化過 程的結(jié)束階段)。這是這些摻雜元素的不同分離行為所致磷具有比硼更小的分離系數(shù) (segregation coefficient)。因此，在鑄造生產(chǎn)多晶硅的硅錠的情況下，生產(chǎn)過程結(jié)束時(shí)， 硅錠的底部和中部只有P型硅材料而頂部變成了 N型硅材料，成為廢料。
目前基于提純的冶金硅的硅原料其電阻率通常在最小電阻率0.5 Ω cm以下，該最 小電阻率是太陽能電池生產(chǎn)商指定的數(shù)值。出現(xiàn)這種情況有一簡單的原因純化提純的冶 金硅的昂貴的加工過程，該加工過程主要關(guān)注排除包括摻雜進(jìn)入的硼原子核磷原子在內(nèi)的 非金屬元素。為了降低成本，出現(xiàn)了縮減該加工過程的明顯趨勢(shì)，也就是說，提純的冶金硅 通常仍然含有較高濃度的摻雜原子。只要硼是主要的摻雜元素，我們就能獲得電阻率相對(duì) 較低的P型硅材料。磷對(duì)硼的補(bǔ)償，由于在固化過程中硼和磷相異的結(jié)合性(incorporation)在晶體 化過程中加劇，導(dǎo)致在晶體化過程中電阻率增大。因此，在晶體化開始階段通常都是很低的 電阻率，在晶體化過程中增大。但是，如已述的那樣，存在一個(gè)普遍的問題由于磷對(duì)硼補(bǔ)償 過度，使電阻率增大得太多，導(dǎo)致傳導(dǎo)性從P型轉(zhuǎn)化為N型。向其中加入硼來抑制這一轉(zhuǎn)化 是不切實(shí)際的，因?yàn)檫@樣會(huì)進(jìn)一步使得多晶硅錠底部和中部的電阻率減小。因此，為了增加硅錠中P型硅材料的份額從而增大該種材料的產(chǎn)出，控制材料的 補(bǔ)償效果是有必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明披露的方法提供了在使太陽能電池的生產(chǎn)達(dá)到量產(chǎn)水平、具經(jīng)濟(jì)可行性的 硅錠形成過程中相關(guān)步驟的整合。本發(fā)明披露的內(nèi)容包括用于形成多晶硅錠的方法和系 統(tǒng)，其中硅錠在沿其軸線的全部長度上具有均一的P型半導(dǎo)體材料。通過所披露的加工方 法和系統(tǒng)，硅錠可以直接在硅熔爐中形成。例如，利用本發(fā)明中披露的方法形成的硅錠，太 陽能級(jí)晶圓(solar wafer)和太陽能電池能以更高的性價(jià)比生產(chǎn)出來(基于多晶硅材料)。根據(jù)本發(fā)明披露內(nèi)容的一方面，在澆鑄半導(dǎo)體錠體時(shí)，通過配制提純的冶金硅原 料來熔融使其形成硅熔液，來控制硅錠形成過程中的電阻率。本發(fā)明公開的方法估算所述 提純的冶金硅原料中硼和磷的濃度。步驟是分析由改良的硅原料做成的小尺寸參考錠體 中硼和磷的初始結(jié)合狀況。基于這一估算，在熔融前述的大尺寸硅錠之前向提純的冶金硅 原料中加入預(yù)定數(shù)量的元素周期表中第三簇元素，如Ga和Al。需加入的第三簇元素的預(yù)定 數(shù)量隨所估算出的硼和磷的濃度而定。本發(fā)明披露的內(nèi)容包括將提純的冶金硅原料及第三簇元素熔融以形成一熔融的 硅熔液，該熔液中包含有預(yù)定數(shù)量的第三簇元素；將熔融的硅熔液進(jìn)行定向凝固以形成一 硅錠，且由于加入了預(yù)定數(shù)量的第三簇元素，可保持硅錠的電阻率一致性遍布整個(gè)錠體。通 過這種方式，由提純的冶金補(bǔ)償硅(compensatedUM-Si)原料制作出的P型硅錠的電阻率的 范圍低至大約0. 15 Ω cm。本發(fā)明揭露的這些優(yōu)點(diǎn)以及其他的優(yōu)點(diǎn)，還有附加的新特征，能顯然地從本發(fā)明 所公開的內(nèi)容中得出。此處的發(fā)明內(nèi)容并不是對(duì)要求保護(hù)的客體的綜合全面的描述，而只 是對(duì)一些客體的功能的簡短描述。此處指出的其他的系統(tǒng)、方法、特征以及優(yōu)點(diǎn)結(jié)合附圖及 詳細(xì)描述后對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。


結(jié)合附圖，本發(fā)明所披露的特征、特點(diǎn)以及優(yōu)點(diǎn)在以下的詳細(xì)描述中變得更加明 顯，相同的參考符號(hào)貫用至所有附圖，其中
圖1顯示了本發(fā)明所提出的形成硅錠的一種實(shí)施情況；圖2概念性地顯示了本發(fā)明中形成具有P型硅材料的硅錠的一實(shí)施例；圖3概念性地顯示了本發(fā)明中形成具有P型硅材料的硅錠的一替選實(shí)施例；圖4描繪了提純的冶金補(bǔ)償硅原料制成的硅錠的軸向上的載流子濃度；圖5描繪了由另一種方式的提純的冶金補(bǔ)償硅原料制成的硅錠的軸向上的載流 子濃度；圖6描繪了由另一種提純的冶金補(bǔ)償硅原料制成的硅錠的軸向上的載流子濃度。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所披露的方法和系統(tǒng)提供了一種半導(dǎo)體錠的形成方法來生產(chǎn)多晶硅錠。通 過采用本發(fā)明所披露的技術(shù)方案，對(duì)低級(jí)別半導(dǎo)體材料屬性進(jìn)行改良，如提純(upgraded)， 得到部分純化的冶金硅。這一改良使得提純的冶金硅應(yīng)用于生產(chǎn)太陽能電池，用于太陽能 產(chǎn)生及相關(guān)用途。此外，本發(fā)明所披露的方法和系統(tǒng)特別有利于使用了提純的冶金硅或其 他非電子級(jí)硅原料的太陽能電池的生產(chǎn)，而且也能用作電子級(jí)硅原料。由雜質(zhì)種類(impurity-specific)分離所控制，定向凝固 (Directionalsolidification)導(dǎo)致雜質(zhì)的特征軸向分布(I)。所謂的分離系數(shù)S表示了 分離特征，其由下面簡化了的表達(dá)式表示S(I) = f (C ⑴一/(^I)melt)其中S⑴表示特定雜質(zhì)(如摻雜原子)的分離系數(shù)，例如I = B或者I = P ；C^Draystal表示凝固的晶體硅中硼和磷的濃度；C(B)fflelt分別表示熔融的硅熔液中硼和磷的濃度。如果在硅的定向凝固結(jié)晶過程中所使用的原料中存在硼和磷，從晶體化后的軸向 電阻率的變化來看，得出原料中濃度比率——硼/磷(B/P)是可能的。較為方便，小塊硅錠 或晶體(例如僅僅一些100克的原料)就足夠獲得可靠的軸向電阻率測(cè)試圖(profile)，預(yù) 先假定原料取樣反映了原料關(guān)于硼和磷濃度的組成。最重要的是在該小塊參考硅錠中硼和 磷的初始結(jié)合狀況的估算。我們應(yīng)用這一方法來研究不同B/P比率的原料。在B/P比率接近2及以下時(shí)，我們已經(jīng)看到在各自的硅錠中從P型傳導(dǎo)轉(zhuǎn) 化成N型傳導(dǎo)，導(dǎo)致P型材料10%的產(chǎn)出損失。通常，N型材料的那一部分及相應(yīng) 的P型材料的產(chǎn)出損失可能達(dá)到50%。我們發(fā)現(xiàn)大大改善由具有這種由補(bǔ)償引起的 (compensation-related)傳導(dǎo)類型轉(zhuǎn)化的原料制成的硅錠的軸向電阻率分布的方法。這些 方法可以完全抑制轉(zhuǎn)化成N型材料，以致高達(dá)100%的硅錠能被使用。更具代表性的是可用 的P型材料的產(chǎn)出率大約為95%。圖1顯示的圖表10概念性地描繪了出現(xiàn)在用于形成硅錠的硅原料熔液中的硼和 磷的濃度。在圖表10中，縱坐標(biāo)12涉及硅熔液中摻雜物質(zhì)的濃度，而軸14代表硅錠形成 的階段，從0% (0.0) 100% (1.0)。圖線16表示硅熔液中硼濃度的變化，而圖線18表示 磷濃度的變化。最初，接近0%的硅錠形成，可能存在B/P比率> 1的狀況。如圖表10所示，由于硼和磷的不同的分離系數(shù)，在硅錠形成過程中某些位置，磷 的濃度超過了硼的濃度。因此，開始是P型半導(dǎo)體材料的硅熔液將變成N型半導(dǎo)體材料。這
7從圖線20可以看出。因此，圖線20描繪了在硅變成N型半導(dǎo)體時(shí)，硅錠呈現(xiàn)出P-N結(jié)。圖2描繪了本發(fā)明所披露的加工方法30的一個(gè)實(shí)施例，其中經(jīng)補(bǔ)償后的P型提純 的冶金硅32需要一已確定數(shù)量的第三簇元素34，特別是鋁和鎵，來形成熔化的硅熔液36。 如果提純的冶金硅32的初始電阻率P在0. 15 Ω cm與0. 5 Ω cm之間，也可以將磷37加入 到上述種類的第三簇元素中。采用硅錠的形成方法，例如常見的鑄造方式，該方法可獲得 100%的P型硅錠38。圖3描述了本發(fā)明所披露的方法的一個(gè)替選實(shí)施例，其中提純的冶金補(bǔ)償P型硅 42具有接近可使用的硅錠50的最小電阻率(約等于0. 15Qcm)的初始電阻率。當(dāng)接近這 一低電阻率時(shí)，例如0. 2 Ω cm，僅僅加入第三簇元素44至熔融硅48中是不充分的。在這種 情況下，為了在結(jié)束階段時(shí)具有100%的P型硅錠50，以及該硅錠中可用材料具有較高份額 (通常接近整個(gè)硅錠的95 % )，加入額外的磷是必須的。圖4至圖6以及附加的文字顯示了圖2和圖3中的加工出的硅錠的軸向電阻率圖 和相應(yīng)的描述。圖4描繪了由提純的冶金硅原料制成的硅錠的軸向載流子濃度，硅原料具 有濃度為5. OX IO16CnT3的硼和濃度為2. 4X IO16CnT3的磷(B/P比率接近2)。在晶體化的開 始階段，即硅錠的底部處，電阻率是0. 6 Ω cm，其與初始的主要載流子的濃度2. 6X1016cm_3相 應(yīng)。呈現(xiàn)出沿硅錠高度上的接受者濃度減去捐贈(zèng)者濃度，g是硅錠的凝固部分g = 0則意 味著硅錠的底部，g = 1意味著硅錠的頂部。因此，圖4顯示了當(dāng)采用提純的冶金硅原料時(shí)硅錠軸向電阻率的圖60。在該情況 下，我們看到導(dǎo)致初始初始電阻率> 0. 5 Ω cm的材料。沿著縱坐標(biāo)62，有電子捐贈(zèng)量控制電 阻率的數(shù)字Nd，電子接受的負(fù)數(shù)字Na，如該硅錠(IxlO15 IxIO1VcnT3)顯示的一樣。沿著橫 坐標(biāo)64，顯示了形成硅錠的完成進(jìn)度，變化范圍從0. 0至1. 0，此處1. 0表示硅錠的形成已 結(jié)束。硅錠的電阻率由初始0. 6 Ω cm開始，圖線66顯示未采用本發(fā)明的方法時(shí)的情況，具 有0. 8左右的完成進(jìn)度Nd(實(shí)質(zhì)上等于Na)。在該處，熔融硅中磷的量與硼的量達(dá)到平衡。 這種平衡的結(jié)果先變成一 P-N結(jié)，然后變成N型半導(dǎo)體材料(對(duì)于硅錠的剩余部分)。采用 該硅錠將意味著可用P型材料的至少20%的產(chǎn)出損失。與圖線66形成對(duì)照，圖線68顯示了加入能足夠抵消所增加的磷濃度(相對(duì)于硼 而言)的量的鎵元素的效果(如圖1所示)。圖線68顯示出硅錠中電阻率有輕微減少(由 于加入了鎵)。但是，鎵的加入進(jìn)一步提供維持隊(duì)與 之間的差異在硅錠的大部分中幾乎為 常量的有益作用。因此，直到硅錠的完成進(jìn)度達(dá)到約95 %，電阻率在0. 53 Ω cm與0. 76 Ω cm 之間變化，這樣的硅仍然是P型半導(dǎo)體材料，并且完全避免了 P-N結(jié)形成。對(duì)于正被討論的 特定的硅原料，硅錠的產(chǎn)出損失減少了至少15%，從目前最高技術(shù)中的20%降到本發(fā)明所 披露的5%左右。另一實(shí)質(zhì)性的優(yōu)點(diǎn)是非常密集的電阻率范圍，其達(dá)到能用的硅錠95%內(nèi) 的范圍。圖5描繪了不同方式補(bǔ)償后的提純的冶金硅原料制成的硅錠的軸向載流子濃 度情況，其中硼的濃度為7. 6X IO16CnT3，磷的濃度為5. OX IO16CnT3(B/P的比率接近1.5)。 在晶體化的開始階段，即硅錠的底部，電阻率也是0.6 Ω cm，其與初始的主要載流子濃度 2. 6xl016cm-3相應(yīng)。呈現(xiàn)出的是沿硅錠高度上的接受者濃度減去捐贈(zèng)者濃度，g是硅錠的凝 固部分g = 0意味著硅錠的底部，g = 1意味著硅錠的頂部。因此，圖5顯示了也采用提純 的冶金硅材料的硅錠的軸向電阻率的圖70，如圖2中所示?？v坐標(biāo)72為Na-Nd的值，范圍從IxlO15 lxlOVcnT3。沿著橫坐標(biāo)74，是硅錠的完成進(jìn)度，范圍從0.0至1.0。硅錠從初 始電阻率0. 6 Ω cm開始，圖線76顯示了未采用本發(fā)明的方法時(shí)的情況，大約0. 6左右的完 成進(jìn)度，Nd實(shí)質(zhì)上等于Na。在此處，熔融硅中磷的量與硼的量達(dá)到平衡。這種平衡的結(jié)果首 先變成一 P-N結(jié)，然后，變成N型半導(dǎo)體材料(對(duì)于硅錠的剩余部分)。采用該硅錠將意味 著可用P型材料的至少40%的產(chǎn)出損失。與圖線66形成對(duì)照，圖線68顯示了加入能足夠抵消所增加的磷濃度(相對(duì)于硼 而言)的量的鎵元素的效果。圖線68顯示出硅錠中電阻率有輕微減少(由于加入了鎵)。 但是，鎵的加入進(jìn)一步提供維持隊(duì)與 之間的差異在硅錠的大部分中幾乎為常量的有益作 用。因此，直到硅錠的完成進(jìn)度達(dá)到約0. 95處，電阻率在0. 43 Ω cm與0. 98 Ω cm之間變化， 且因此硅仍舊是可用的P型半導(dǎo)體材料。完全避免了 P-N結(jié)形成。圖6描繪了由另一種提 純的冶金補(bǔ)償硅原料制成的硅錠的軸向載流子濃度，其中硼的濃度為186X1017cm_3，磷的 濃度為9. OX IO16CnT3 (B/P的比率接近2)。在晶體化的開始階段，即硅錠的底部，電阻率僅 為0. 2 Ω cm，其與初始的主要載流子濃度9. 6X1016cm_3相應(yīng)。呈現(xiàn)出的是沿硅錠高度上的接 受者濃度減去捐贈(zèng)者濃度，g是硅錠的凝固部分g = 0意味著硅錠的底部，g = 1意味著硅 錠的頂部。完全避免了 P-N結(jié)形成，且在總個(gè)硅錠的95%內(nèi)電阻率變化仍舊是非常低。因 此，對(duì)于討論中的特定的硅原料，在硅錠上的產(chǎn)出損失減少了至少35%，從目前最好技術(shù)水 平的40%下降到本發(fā)明的大約5%。圖6顯示了硅錠的軸向電阻率的圖80來說明本發(fā)明所公開的方法如何仍然有利 地影響原料上有用的電阻率范圍邊緣處的電阻率，如圖3所示。這樣的方法可以用具有明 顯的較低制造成本的高期望特征的提純的冶金硅原料，然而此處只列舉了一勉強(qiáng)合意的電 阻率(如大約0. 2 Ω cm)。圖80中，縱坐標(biāo)82標(biāo)示了 Nd-Na的值，其范圍為IxlO15 δχΙ ^/αιΓ3。沿著橫坐標(biāo) 84，其標(biāo)示硅錠形成的完成進(jìn)度，其范圍從0. 0到1.0。圖線86具有初始電阻率0. 2 Ω cm, 其顯示了未采用本發(fā)明所披露的方法時(shí)的狀況，在完成進(jìn)度大約0. 8處，Nd實(shí)質(zhì)上等于Na。 圖線90顯示了加入了一定量的鎵的效果，加入的量足夠能抵消所升高的磷濃度(相對(duì)于 硼)的作用。但是，幾乎貫穿整個(gè)硅錠，由此而得到的電阻率低于已經(jīng)很低的初始電阻率 0. 2 Ω cm(低于該值的電阻率是沒多少用處的)。因此，當(dāng)使用能導(dǎo)致電阻率在有益范圍的 較低值的硅原料時(shí)，單獨(dú)加入鎵(或者鋁)實(shí)際上是不可能使材料達(dá)到更有益的電阻率范 圍(盡管完全抑制了 P-N結(jié)形成)。但是，圖線88顯示了不同的結(jié)果。圖線88涉及除已經(jīng)加入的鎵或鋁之外還增加 了不確定量的磷至硅原料中。如圖線88所示，其作用是增加電阻率初始值并避免了 P-N結(jié) 形成。因此，硅仍然是P型半導(dǎo)體材料，且在硅錠的大約95%內(nèi)，電阻率范圍在0. 17 Ω cm至 1.42Qcm之間。僅僅非常小比例的材料在不太有用的范圍(<0.2 Ω cm)，與僅僅只加入第 三簇鎵(或鋁)恰恰相反。總而言之，在相對(duì)較高的硅錠電阻率(超過大約0.4 Ω cm)時(shí)，僅僅加入鋁或鎵能 有效抵消因磷引起的對(duì)硼的補(bǔ)償。周期表中的這些第三簇元素必須在熔融以開始晶體化之 前加入硅原料中。與加入硼的情況相反，當(dāng)加入鋁或鎵時(shí)，可獲得優(yōu)良的沿晶軸的電阻率一 致性，避免在晶體化早期出現(xiàn)電阻率大幅度減少(其當(dāng)僅僅加入硼而不是鋁或鎵時(shí)發(fā)生)。 由鋁和鎵組成的混合物也是可行的。
在相對(duì)較低的錠體電阻率(低于大約0. 4 Ω cm)時(shí)，可開始加入鎵-磷化合物或用 鋁-磷化合物代替，來有利地抵消補(bǔ)償。在非常低的電阻率時(shí)(接近大約0.2 Ω cm)，加入這 樣的第三簇元素和磷形成的化合物是必須的。適用某一 Ga/P比率或用某一 A1/P比率替代 (鎵能部分地用鋁替代，反之亦然)能用來使得可以利用具有很低電阻率的原料，小到大約 0. 15 Ω cm的最小電阻率。如此低品質(zhì)的材料與低生產(chǎn)成本聯(lián)系在一起。我們已經(jīng)披露了一種用于在由補(bǔ)償后的硅原料形成硅錠時(shí)控制電阻率得方法，包 括如下步驟-估算最初加入至由經(jīng)補(bǔ)償后的硅原料制成的特定硅錠中硼和磷的濃度；-確定適當(dāng)數(shù)量的鎵或/和鋁(用于相對(duì)而言較高的電阻率)，或者確定適當(dāng)數(shù)量 的鎵或/和鋁以及附加數(shù)量的磷(用于相對(duì)而言較低的電阻率)；-準(zhǔn)備單獨(dú)的硅原料用于熔融，以形成熔融硅，通過加入預(yù)定數(shù)量的鎵或/和鋁 (如果電阻率相對(duì)低就還加入磷)；-使硅熔化然后凝固上述由硅原料及達(dá)到平衡數(shù)量的鎵或/和鋁(如果電阻率相 對(duì)低就還加入磷)；-通過加入預(yù)定數(shù)量的鎵或/和鋁(如果電阻率相對(duì)低就還加入磷)維持貫穿各 硅錠的特定硅錠的電阻率的均勻性。本發(fā)明描述的半導(dǎo)體加工特征和功用提供來在P型半導(dǎo)體硅錠的形成過程中進(jìn) 行電阻率控制。盡管列舉了多個(gè)實(shí)施例且進(jìn)行了詳細(xì)描述，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以容 易地設(shè)計(jì)出許多落入本發(fā)明的其他的變型實(shí)施例。在前面對(duì)優(yōu)先實(shí)施例的描述用于使本技 術(shù)領(lǐng)域中任何技術(shù)人員制作或使用本發(fā)明要求保護(hù)的客體。對(duì)這些實(shí)施例的變型對(duì)本領(lǐng)域 的技術(shù)人員而言是顯而易見的，本發(fā)明界定出的一般原理在不需要?jiǎng)?chuàng)造性勞動(dòng)的情況下可 以應(yīng)用于其他實(shí)施例。因此，要求保護(hù)的客體不只限制在說明書中列出的實(shí)施例，而是一個(gè) 與本發(fā)明披露的原理及新特征一致的最廣的范圍。
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權(quán)利要求
在硅錠的形成過程中控制電阻率的方法，包括以下步驟配制一提純的冶金補(bǔ)償硅原料，供熔化來形成一硅熔液，所述提純的冶金補(bǔ)償硅原料包括一P型占大多數(shù)的半導(dǎo)體；估算所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料中硼和磷的濃度；向所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料中加入預(yù)定數(shù)量的元素，該元素從鋁或鎵組成的組中選取，所述元素的預(yù)定數(shù)量與所述估算出的硼和磷的濃度相關(guān)聯(lián)。將所述的太陽能冶金級(jí)硅原料和選自由鋁或鎵組成的組中的預(yù)定數(shù)量的元素熔化來形成熔融的硅熔液，該熔融的硅熔液中包括預(yù)定數(shù)量的所述元素；對(duì)所述的熔融的硅熔液進(jìn)行定向凝固，以形成硅錠，通過加入預(yù)定數(shù)量的所述元素，所述硅錠在其整個(gè)軸向長度上電阻率均勻一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料包括具有初始電阻 率在0. 15 Ω cm and 5. 0 Ω cm范圍之間的太陽能冶金級(jí)硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述估算所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料中硼和磷 的濃度的步驟由對(duì)提純的冶金補(bǔ)償硅參考樣板的軸向電阻率的定值(determination)而 得出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述估算所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料具有 0. 5 Ω cm以上的電阻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述估算所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料包括一 0. 15 Ω cm 0.5 Ω cm之間的電阻率范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中向所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料中加入元素的步 驟還包括以下步驟，即在初始電阻率處于0. 15 Ω cm與0. 5 Ω cm之間時(shí)，向該提純的冶金補(bǔ) 償硅原料中加入預(yù)定數(shù)量的鋁。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中向所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料中加入元素的步 驟還包括以下步驟，即在初始電阻率小于0. 4 Ω cm時(shí)，向該提純的冶金補(bǔ)償硅原料中加入 預(yù)定數(shù)量的鋁和預(yù)定數(shù)量的磷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，特征在于還包括以下步驟，即在電阻率處于0.15 Ω cm 禾口 0. 5 Ω cm之間時(shí)，向所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料中加入鋁-磷化合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中向所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料中加入元素的步 驟還包括以下步驟，即向所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料中加入預(yù)定數(shù)量的鎵元素。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中向所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料中加入元素的 步驟還包括以下步驟，即在初始電阻率處于0. 15 Ω cm與0. 5 Ω cm之間時(shí)，向該提純的冶金 補(bǔ)償硅原料中加入預(yù)定數(shù)量的鎵。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中向所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料中加入元素的 步驟還包括以下步驟，即在初始電阻率小于0. 4 Ω cm時(shí)，向該提純的冶金補(bǔ)償硅原料中加 入預(yù)定數(shù)量的鎵和預(yù)定數(shù)量的磷。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，特征在于還包括以下步驟，即在電阻率在0.15Qcm和 0. 5 Ω cm之間時(shí)，向所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料中加入鋁-磷化合物。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中向所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料中加入元素的 步驟還包括以下步驟，即向所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料中加入由預(yù)定數(shù)量的鋁和預(yù)定數(shù)量的鎵組成的混合物。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對(duì)所述的熔融的硅熔液進(jìn)行定向凝固的步驟還 包括以下步驟，即生產(chǎn)出含有基本一致且遍及整個(gè)錠體的P型摻雜分布的硅錠。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對(duì)所述的熔融的硅熔液進(jìn)行定向凝固的步驟 還包括以下步驟，即生產(chǎn)出含有100%的P型硅材料的硅錠；該硅錠的95%都具有處于 0. 53 Ω cm和0. 76 Ω cm之間的電阻率。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對(duì)所述的熔融的硅熔液進(jìn)行定向凝固的步驟 還包括以下步驟，即生產(chǎn)出含有100%的P型硅材料的硅錠；該硅錠的95%都具有處于 0. 43 Ω cm和0. 98 Ω cm之間的電阻率。
17.一種半導(dǎo)體硅錠，其包括一種硅材料，其由提純的冶金級(jí)補(bǔ)償硅原料熔融成硅熔液后制作形成，所述的提純的 冶金級(jí)補(bǔ)償硅原料包含主要是P型半導(dǎo)體的硼_磷化合物；所述硅材料還包括一預(yù)定數(shù)量的用來形成熔融硅熔液的元素，該元素選自由鋁或鎵組 成的組中，該組中的所述的預(yù)定數(shù)量供在整個(gè)硅錠形成過程中維持所述硅熔液處于P型占 大多數(shù)的硅材料的狀態(tài)；所述硅錠是利用所述的熔融的硅熔液的定向凝固而形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體硅錠，其中所述的提純的冶金補(bǔ)償硅原料包括初始 電阻率在0. 15 Ω cm與5. 0 Ω cm之間的太陽能冶金級(jí)硅。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體硅錠，其中所述的提純的冶金級(jí)補(bǔ)償硅原料包括電 阻率在0. 5 Ω cm以上的太陽能冶金級(jí)硅。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體硅錠，其中向所述的提純的冶金級(jí)補(bǔ)償硅原料中加 入元素的步驟還包括以下步驟，即在初始電阻率處于0. 15 Ω cm與0. 5 Ω cm之間時(shí)，向該提 純的冶金級(jí)補(bǔ)償硅原料中加入預(yù)定數(shù)量的鋁。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體硅錠，其中向所述的提純的冶金級(jí)補(bǔ)償硅原料中加 入元素的步驟還包括以下步驟，即在初始電阻率小于0. 4 Ω cm時(shí)，向該提純的冶金級(jí)補(bǔ)償 硅原料中加入預(yù)定數(shù)量的鋁和預(yù)定數(shù)量的磷。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體硅錠，特征在于其可利用以下步驟來形成， 即向所述的提純的冶金級(jí)補(bǔ)償硅原料中加入鋁-磷化合物來抵消在當(dāng)電阻率處于 0. 2 Ω cm和0. 5 Ω cm之間時(shí)進(jìn)行的定向凝固的步驟中發(fā)生的電阻率調(diào)整(resistivity compensation)。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體硅錠，特征在于其可利用以下步驟來形成，即向所 述的提純的冶金級(jí)補(bǔ)償硅原料中加入鋁_磷化合物來抵消在當(dāng)電阻率處于0. 2 Ω cm以下時(shí) 進(jìn)行的定向凝固的步驟中發(fā)生的電阻率調(diào)整。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體硅錠，其中進(jìn)行所述熔融的硅熔液的定向凝固的步 驟還包括以下步驟，即生產(chǎn)出含有100%的P型硅材料的硅錠；該硅錠的95%都具有處于 0. 53 Ω cm和0. 76 Ω cm之間的電阻率。
25.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體硅錠，利用向所述的提純的冶金級(jí)補(bǔ)償硅原料中加 入元素的步驟還包括以下步驟，即在電阻率接近0. 5 Ω cm時(shí)，向該提純的冶金級(jí)補(bǔ)償硅原 料中加入預(yù)定數(shù)量的鎵。
26.一種供形成大粒多晶半導(dǎo)體硅錠的系統(tǒng)，其包括一熔爐，其用于接收并熔融提純的冶金級(jí)補(bǔ)償硅原料來形成以硅熔液，所述的提純的 冶金級(jí)補(bǔ)償硅原料包含一P型占大多數(shù)的半導(dǎo)體；一估算裝置，其用于估算所述的提純的冶金級(jí)補(bǔ)償硅原料中硼和磷的濃度； 一元素加入裝置，其用于向所述的提純的冶金級(jí)補(bǔ)償硅原料中加入預(yù)定數(shù)量、選自由 鋁或鎵形成的組中的元素，元素的預(yù)定數(shù)量與所估算的硼和磷的濃度相關(guān)；一加熱裝置，其用于熔化所述冶金級(jí)硅原料及所述選自由鋁或鎵形成的組中的元素以 形成熔融的硅熔液，該硅熔液中包含所述的預(yù)定數(shù)量的、選自由鋁或鎵形成的組中的元素； 以及一硅凝固裝置，其用于對(duì)所述的硅熔液進(jìn)行定向凝固，來形成一硅錠；并且，利用所加 入的選自由鋁或鎵形成的組中的、預(yù)定數(shù)量的所述元素來維持該硅錠的電阻率在其整個(gè)錠 體中具有一致性。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，特征在于還包括電阻率估算器具，其用來估算從提 純的冶金補(bǔ)償硅參考樣板的軸向電阻率定值中推理出的太陽能冶金級(jí)硅中硼和磷的濃度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于控制從補(bǔ)償硅原料形成硅錠過程中的電阻率的方法，本方法配制一用于熔融形成硅熔液的提純的冶金補(bǔ)償硅。提純的冶金補(bǔ)償硅原料提供一P型占大多數(shù)的半導(dǎo)體，本方法估算提純的冶金補(bǔ)償硅原料中硼和磷的濃度并加入預(yù)定數(shù)量的鋁或/和鎵；本方法進(jìn)一步將硅原料與預(yù)定數(shù)量的鋁或/和鎵熔化來形成一熔融的硅熔液，進(jìn)行定向凝固；并且，通過加入鋁或/和鎵來維持該硅錠的電阻率在其整個(gè)錠體中具有一致性。在各硅錠中硅原料引起低電阻率的情況下(通常是在0.4Ωcm以下)，磷的差額可以隨意加入至鋁或/和鎵中。在低電阻率(通常接近0.2Ωcm或稍低)時(shí)，加入磷是必須的。
文檔編號(hào)C01B33/26GK101918314SQ200880105605
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者D·林克, F·基爾希特, J·P·拉克特里拉, K·安拉杰拉, M·豪雅, V·阿布羅斯莫娃 申請(qǐng)人:卡利太陽能有限公司