一種用雷射提純多晶矽片的方法
2023-06-13 00:22:26
專利名稱：一種用雷射提純多晶矽片的方法
技術領域：
本發明涉及多晶矽片，尤其是涉及一種用雷射提純雜質含量相對多的物理冶金法多晶矽片的方法。
背景技術：
矽材料是製備矽太陽電池、各種矽分立器件和各種矽集成電路的基本原料，是發展太陽能產業和信息微電子產業的戰略物資。雷射技術在工業上一般應用有雷射重熔、雷射拋光、雷射熔覆、雷射合金化與彌散化、雷射彎曲、雷射燒結、雷射生長、材料焊接、材料打孔和雷射切割等。雷射技術也在半導體材料和器件製備工藝中有廣泛應用，如雷射摻雜、雷射退火、雷射注入、雷射劃片和雷射光刻等，但尚未見有雷射提純應用的報導。中國專利CN101092742公開一種採用水平拉伸工藝無切割製備高效太陽能電池用微晶多晶矽片的方法，先將矽晶體原料清洗提純為高純度矽；再將高純度矽添加適量摻雜劑置於電控式高溫熔爐中在無塵環境下加熱至1400 1500°C高溫，使矽材料完全熔化； 然後將矽熔液在水平拉伸設備中控制拉伸速度均勻拉伸或採用液面浮法技術製成0. 2
0.4mm厚度的微晶多晶矽片；最後將製成的晶片整理成符合使用規格的微晶多晶矽片產品。
發明內容
本發明的目的是針對低純度矽片，特別是純度小於6N的物理冶金法多晶矽片的提純所存在的技術問題，提供一種效率較高、工藝簡單、汙染較小的用雷射提純多晶矽片的方法。本發明的具體工藝步驟為1)將多晶矽片清洗、烘乾後，放置加熱平臺上進行預熱；在步驟1)中，所述多晶矽片的純度可小於6N，所述多晶矽片的純度最好為4 6N ；所述多晶矽片的厚度可為0. 1 3mm ；所述預熱的溫度可為100 750°C，預熱的時間可為5 120s。2)用雷射對預熱後的多晶矽片進行輻照；在步驟幻中，所述雷射可採用光斑形狀為矩形、圓形或線形等幾何形狀的雷射，所述雷射的能量分布可為均勻分布或高斯分布等分布方式，所述雷射的波長可為
1.064 μ m、0. 98 μ m或10. 6 μ m等波長，所述雷射的工作方式可為連續雷射或脈衝雷射，所述雷射能量調節到能使矽片發生熔化的雷射以與矽片平面呈任何角度，所述角度最好為 90° 或 60°。3)使雷射對多晶矽片進行輻照掃描處理；在步驟幻中，所述使雷射對多晶矽片進行輻照掃描處理的具體方法可採用移動雷射或通過平臺移動矽片的方法；所述使雷射對多晶矽片進行輻照掃描處理過程中，可向多晶矽片通入惰性氣體進行保護，所述惰性氣體可採用氮氣、氬氣或氦氣等。4)對多晶矽片進行退火處理；在步驟4)中，所述退火處理可在氮氣、氬氣中對多晶矽片進行退火處理；所述退火處理的方法可採用雷射相對多晶矽片產生移動的方法，所述移動的速率可為0 50mm/ s ；所述退火處理可在氣體中進行，所述氣體可為空氣或惰性氣體，所述惰性氣體可採用氮氣、氬氣或氦氣等；所述退火處理的溫度可為300 900°C，退火處理的時間可為1 30mino5)刻蝕多晶矽片表層部分，得到目標產品。在步驟幻中，所述刻蝕多晶矽片表層部分的方法可使用溼法刻蝕或幹法刻蝕的方法，將多晶矽片雷射輻照面刻蝕去除0. 5 100 μ m。本發明利用雷射作為熱源掃描使矽片部分區域發生熔化再凝固，這一過程類似於定向凝固。主要是利用矽中i^、Al、Au等金屬雜質在矽中的平衡分凝係數K遠小於1(即K << 1，平衡分凝係數K被定義為雜質在固相矽中的濃度和在液相矽中濃度之比)的特性， 進行有效的分離提純。一般定向凝固後，提純合格的區域所佔總材料體積比例的大小根據定向凝固的技術水平而定。部分區域雜質含量較高，純度約為5N左右，不能直接製備商用太陽電池，一般需要重新回收再次加工，使得成本提高。本發明是將這些低純度的矽錠切成矽片，利用雷射作為熱源，對多晶矽片進行掃描處理，將純度相對低的多晶矽片進行熔化再結晶，使得多晶矽片的純度得到提高。具有一定的研究價值和商業價值。與現有的多晶矽的提純方法相比，本發明具有以下突出優點1)質譜分析表明，本發明可一次將多晶矽片中部分區域的鐵含量降低2 3個數量級。2)本發明針對的是片狀多晶矽材料的提純，提純後可直接應用於太陽電池等應用。3)本發明直接加工低純度的多晶矽片，減少矽產業中低純度矽的重新回收加工。4)雷射相對於矽片移動掃描，可以大批量連續生產。5)由於磷的蒸氣壓高，通過雷射熔化矽片再凝固也可以降低多晶矽片中磷的含
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圖1為雷射輻照掃描前後多晶矽片表面形貌對比圖。在圖1中，a為雷射輻照前， b為雷射輻照後。圖2為原始多晶矽片中!^e含量SIMS(二次離子質譜分析)分析圖。在圖2中， 橫坐標為深度(μπι)，縱坐標為濃度(atoms/cm3)；標記 代表原始多晶矽片晶粒中的！^含量，▲代表多晶矽片晶界上的狗含量。圖3為經雷射熔化凝固後的多晶矽片中狗含量SIMS分析圖。在圖3中，橫坐標為深度(μπι)，縱坐標為濃度(atoms/cm3)；標記 代表雷射熔凝後的矽片中的！^含量，晶界已觀察不到。
具體實施方式
實施例1將厚度為180 μ m的多晶矽片，經過清洗烘乾後，將矽片放置在石英片上，石英片放置在加熱平臺上，防止加熱平臺對矽片的汙染。預熱溫度300°C，預熱時間30s。然後使用光斑形狀為矩形，長20mm，寬0. 5mm，雷射功率均勻分布，雷射功率為230W的連續Nd: YAG 雷射，雷射光束與矽片平面呈90°，以相對矽片3mm/s的速率移動掃描。然後取出矽片，在氮氣氛圍中700°C退火15min。取出矽片，用等離子體刻蝕矽片的雷射輻照面，刻蝕氣體為 SF6,氣體流量為2kccm，刻蝕4 μ m後SP得目標矽片。用SIMS檢測樣品10 μ m深度內的鐵含量表明原始矽片中晶粒中鐵含量在IO15 1017atoms/cm3數量級。經過雷射輻照掃描後的矽片表明看不到晶界，其鐵含量降低到小於 5 X 1014atoms/cm3。實施例2將厚度為190 μ m的多晶矽片，經過清洗烘乾後，將矽片放置在石英片上，石英片放置在加熱平臺上，防止加熱平臺對矽片的汙染。預熱溫度250°C，預熱時間60s。然後使用光斑形狀為矩形，長20mm，寬0. 5mm，雷射功率均勻分布，雷射功率為220W的連續Nd: YAG 雷射，雷射光束與矽片平面呈90°，以相對矽片2mm/s的速率移動掃描。然後取出矽片，在氮氣氛圍中600°C退火20min。取出矽片，用等離子體刻蝕矽片的雷射輻照面，刻蝕氣體為 SF6,氣體流量為2kccm，刻蝕3 μ m後即得目標矽片。檢測出鐵含量從原始矽片中鐵含量在IO15 1017atOmS/Cm3數量級，其鐵含量降低到小於4X 1014atoms/cm3，即鐵含量小於IOppb。實施例3將厚度為200 μ m的多晶矽片，經過清洗烘乾後，將矽片放置在石英片上，石英片放置在加熱平臺上，防止加熱平臺對矽片的汙染。預熱溫度450°C，預熱時間30s。然後使用光斑形狀為圓形，直徑2cm，功率分布為高斯分布，雷射功率為300W的連續Nd:YAG雷射， 雷射光束與矽片平面呈90°，以相對矽片4mm/s的速率移動掃描。然後取出矽片，在氮氣氛圍中700°C退火20min。取出矽片，用等離子體刻蝕矽片的雷射輻照面，刻蝕氣體為3&，氣體流量為2kccm，刻蝕3 μ m後即得目標矽片。檢測出鐵含量從原始矽片中鐵含量在IO15 1017atOmS/Cm3數量級，其鐵含量降低到小於 2X1014atoms/cm3。本發明提供了一種快速、有效提高多晶矽片純度的提純方法，特別是一種去除物理冶金法多晶矽片中金屬雜質的純化技術。本發明中通過雷射輻照掃描矽片，雜質在多晶矽片中分凝聚集，而使矽片純度提高。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種用雷射提純多晶矽片的方法，其特徵在於其具體工藝步驟為1)將多晶矽片清洗、烘乾後，放置加熱平臺上進行預熱；2)用雷射對預熱後的多晶矽片進行輻照；3)使雷射對多晶矽片進行輻照掃描處理；4)對多晶矽片進行退火處理；5)刻蝕多晶矽片表層部分，得到目標產品。
2.如權利要求1所述的一種用雷射提純多晶矽片的方法，其特徵在於在步驟1)中，所述多晶矽片的純度彡6N。
3.如權利要求2所述的一種用雷射提純多晶矽片的方法，其特徵在於在步驟1)中，所述多晶矽片的純度為4 6N。
4.如權利要求1或2或3所述的一種用雷射提純多晶矽片的方法，其特徵在於在步驟 1)中，所述多晶矽片的厚度為0. 1 3mm。
5.如權利要求1所述的一種用雷射提純多晶矽片的方法，其特徵在於在步驟1)中，所述預熱的溫度為100 750°C，預熱的時間為5 120s。
6.如權利要求1所述的一種用雷射提純多晶矽片的方法，其特徵在於在步驟2)中，所述雷射採用光斑形狀為矩形、圓形或線形；所述雷射的能量分布為均勻分布或高斯分布。
7.如權利要求1或6所述的一種用雷射提純多晶矽片的方法，其特徵在於在步驟2) 中，所述雷射的波長為1. 064 μ m、0. 98 μ m或10. 6 μ m,所述雷射的工作方式為連續雷射或脈衝雷射，所述雷射能量調節到能使矽片發生熔化的雷射以與矽片平面呈任何角度，所述角度最好為90°或60°。
8.如權利要求1所述的一種用雷射提純多晶矽片的方法，其特徵在於在步驟3)中，所述使雷射對多晶矽片進行輻照掃描處理的具體方法採用移動雷射或通過平臺移動矽片的方法；所述使雷射對多晶矽片進行輻照掃描處理過程中，向多晶矽片通入惰性氣體進行保護；所述惰性氣體最好採用氮氣、氬氣或氦氣。
9.如權利要求1所述的一種用雷射提純多晶矽片的方法，其特徵在於在步驟4)中，所述退火處理在氮氣、氬氣中對多晶矽片進行；所述退火處理的方法採用雷射相對多晶矽片產生移動的方法，所述移動的速率最好為0 50mm/s ；所述退火處理在氣體中進行，所述氣體為空氣或惰性氣體，所述惰性氣體可採用氮氣、氬氣或氦氣；所述退火處理的溫度最好為 300 900°C，退火處理的時間最好為1 30min。
10.如權利要求1所述的一種用雷射提純多晶矽片的方法，其特徵在於在步驟5)中，所述刻蝕多晶矽片表層部分的方法是使用溼法刻蝕或幹法刻蝕的方法，將多晶矽片雷射輻照面最好刻蝕去除0. 5 100 μ m。
全文摘要
一種用雷射提純多晶矽片的方法，涉及多晶矽片。提供一種效率較高、工藝簡單、汙染較小的用雷射提純多晶矽片的方法。將多晶矽片清洗、烘乾後，放置加熱平臺上進行預熱；用雷射對預熱後的多晶矽片進行輻照；使雷射對多晶矽片進行輻照掃描處理；對多晶矽片進行退火處理；刻蝕多晶矽片表層部分，得到目標產品。質譜分析表明，可一次將多晶矽片中部分區域的鐵含量降低2～3個數量級；提純後可直接應用於太陽電池等應用。直接加工低純度的多晶矽片，減少矽產業中低純度矽的重新回收加工。可大批量連續生產。通過雷射熔化矽片再凝固也可以降低多晶矽片中磷的含量。
文檔編號C01B33/037GK102275932SQ20111020274
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月19日 優先權日2011年7月19日
發明者龐愛鎖, 陳朝 申請人:廈門大學