生產多晶矽的裝置和方法以及多晶矽的錠和片的製作方法

2023-07-08 00:53:06 3

專利名稱：生產多晶矽的裝置和方法以及多晶矽的錠和片的製作方法
生產多晶矽的裝置和方法以及多晶矽的錠和片
本發明涉及通過定向凝固生產晶體矽，特別是多晶矽的裝置和方法， 涉及由多晶矽生產的錠(整塊晶體)和通過將錠分離獲得的矽片，以及 該矽片在生產太陽能電池中的應用。
生產用於光電池或者用於生產太陽能電池的多晶矽的矽原料的定向 (或取向)凝固是已知的並且變得越來越重要，是由於同其它更昂貴、 更複雜的生產技術相比以低成本生產太陽能電池的需要。通過定向凝固 生產多晶矽中的一個特定的問題是獲得的晶體矽錠中外來雜質的外來沉 澱或夾雜物的形成。這樣的沉澱或夾雜物在從所述錠生產的矽片內，因
而在後續生產的太陽能電池內形成幹擾雜質。特別是電活性碳化矽(S ic)
沉澱幹擾，它在最終應用的裝置內的沉澱物區中通過短路轉化為，例如，
局部加熱。基於例如Si^的氮化物，或者基於具有各自不同成分的氧化
物的沉澱或夾雜物也是不希望的。總之，可能影響生產的太陽能電池的 效率和特性。
DE 100 56 726 A (相應於US 2002/0078992 Al )在背景介紹部分 簡要啟示了如碳化矽(SiC)的夾雜物的問題。但是，該文獻原來的啟示 沒有涉及由電活性晶粒邊界引起的晶體缺陷的問題，及其解決辦法。
文獻DE 198 10 019 Al闡述了不希望的問題，不過都是不可避免的 雜質如氧和碳，分別由操作工藝引入的(例如來自石英坩堝的氧，或者 來自晶化裝置的石墨部分的碳)。作為昂貴的、高度純淨的原料的備選 物質，DE 198 10 G19 Al提出預先在原料中添加砷和/或錫雜質，是為 了獲得效率與應用高純度矽原料的多晶矽樣品相當的太陽能電池。
2007年10月18日發布的DE 10 2006 017 622 Al描述了通過定向 凝固生產多晶矽的裝置和方法，其中將蓋子置於裝有熔化的液體矽的坩 堝上而留下內部空間，並且其中備有吹洗氣體入口和吹洗氣體出口用來
6吹洗矽熔體上方的內部空間。所述吹洗氣體將不含氧化碳，優選應用氬 氣，以便在不含氧化碳的內部空間產生 一種氣氛並且將氣體和蒸汽吹走。
這樣，試圖避免熔體內SiC的形成。
但是，矽熔體內碳的存在和產生不可能僅僅來自矽熔體上方的氣氛， 而容易不可避免地結合來自形成矽熔體的原料，還可能來自熔爐或整個 裝置的其它部分的組件。在前述DE 10 2006 017 622 A的系統中，矽熔 體上方的氣體物質不可能達到平衡狀態。
C. Reimann等，在2007年3月7至9日舉行的德國晶體生長協會 (DGKK)年會上，報導了關於太陽能電池的多晶矽的定向凝固中SiC-和Si3N4-沉澱的形成條件分析。證實了從Cs (Si-晶格中的C)的臨界 濃度發生SiC-沉澱的形成。晶隙氧分布反映相界面的形成。試圖解釋 觀察到的Cs-分布，描繪了與遷移的關係圖。但是，即使預料到遷移的 影響或改變作為避免沉澱的解決方法，這也不容易成為可能，無論在技 術上還是以控制方式。此外，這種遷移的變化是否確實會導致避免如SiN -化合物和/或SiC的沉澱還成問題。
因此，本發明一個目的是提供一種方法和裝置，通過它可在晶體， 特別是多晶矽的定向凝固時消除或避免外來雜質的沉澱或夾雜物，並且 提供由此獲得的，由多晶矽製備的相應的錠和矽片，該矽片適合太陽能 電池的生產。
根據本發明，提供了生產晶體矽的方法，它包括如下步驟
形成矽原料的熔體，
進行所述矽熔體的定向凝固，其中
a) 在所述熔體上提供呈氣體、液體或固體形式的材料的相，以致控 制矽熔體中、從而凝固的晶體矽中選自氧、碳和氮的組的外來原子的濃 度；和/或
b) 調節和/或控制矽熔體上方氣相中氣體組分的分壓，所述氣體組 分選自氧氣、碳氣和氮氣以及含有至少一種選自氧、碳和氮的元素的氣 體物質。根據本發明又一實施方案，還提供了生產晶體矽的方法，它包括如
下步驟
從矽原料形成熔體，
進行所述矽熔體的定向凝固，
a) 其中在一定條件下在坩堝內熔化所述矽原料，其中提供覆蓋在矽 熔體上方的覆蓋料；和/或
b) 其中以一定方式提供坩堝，於是在矽熔體上方形成提供與外部隔 離的受控氣氛的有限氣體空間。
本發明進一步提供了生產晶體矽的裝置或設備，它包括 可裝填矽原料的坩堝(5)，
至少一個用於加熱所述坩堝的加熱器(6， 7)，其中這樣布置所述 設備以致
a)矽熔體(1)中、從而凝固的晶體矽(2)中選自氧、碳和氮的外 來原子的濃度是可控的；和/或
所述氣體組分選自氧氣、碳氣和氮氣以及含有至少一種選自氧、碳和氮 的元素的氣體物質。
本發明進一 步提供通過矽原料的定向凝固由晶體矽製成的錠，其中 該錠不含或基本不含碳化矽(SiC)和/或氮化矽(SiN， Si3N4)的外來沉 澱或夾雜物。
此外，本發明提供了從晶體矽、特別是多晶矽製備的矽片，是通過 從前述錠分離或個別化獲得的。本發明的矽片優選用於生產太陽能電池。
所以，本發明提供了如附後權利要求1、 4、 17、 22、 29和30規定 的主題物質，以及附屬的權利要求規定的優選的實施方案。
下文將闡釋本發明的原理、其它優點和優選的特徵。
的考慮，所述外來雜質例如是氮化物，如通常是Si,Ny (其中x和y，彼此 獨立地，分別表示如1 6的整數)或者具體地是SH碳化物例如SiC 以及氧化物例如SiO和/或Si02。術語"外來雜質"，表示與純矽不同的雜質，特別是外來化合物。採取措施或創造條件而使沉澱或夾雜物的形 成在熱化學上或熱力學上不利，或者甚至完全抑制。作為一個實施方案 的有效可能性，調節矽熔體上方存在的包含氧(包括含氧氣體)、碳(包 括含碳氣體如氧化碳氣體)和/或氮(包括含氬氣體如氧化氮氣體)的氣 體組分的分壓。作為進一步的有效可能性，控制矽熔體中，從而凝固的 多晶石圭中選自氧、碳和/或氮的外來原子的濃度。 一個有效目的在於，盡 可能不引起熔體中的氧濃度降到低於臨界值或水平，並且優選在進行定
向凝固步驟的整個階段。Cs (Si-晶格中的C)的濃度，發現它與氧濃度 反關聯，以其有害效果被補償，或者可容許所述熔體中，從而固體Si中
Cs的更高值或水平。假如根據本發明設定了合適的條件，所述熔體中，
從而凝固的矽(Si)中合適的氧濃度在熱化學上起保護作用以抗外來雜 質的夾雜物或沉澱的形成，特別是抗高度關鍵性碳化矽(SiC)的形成。
類似的熱化學濃度適合形成或避免氮化物。
不想受任何理論的約束，可假定下列是引起外來雜質的沉澱或夾雜 物的因素，但是本發明抵消了這些影響因素。就定向凝固體系來說，通 常應用加熱器和石墨製作的其它組件，和/或操作開始時通過殘餘的水或 溼氣將氧和碳引入體系或者來自原料(反過來通過殘餘的水或溼氣或通
過氧化層)。最後，在Si熔體內或在它上方氣體空間可能從這些物質形 成CO，並且在Si熔體內存在元素碳(C)。另外的CO進一步與Si熔體 反應而生成另外的C和Si0。如果不遵循本發明的措施和條件，殘留的 元素碳(C)溶於Si熔體。此外，Si0可能在相對冷的位置冷凝，如生 產裝置的冷壁，或者它可能歧化成Si02和Si。另一方面，Si02坩堝被Si 熔體溶解而形成Si0，它開始先在熔體中轉換成一定的氧濃度，最後作
為氧存存於隙間晶格格位上，或者以更高濃度存在於晶粒邊界/界面。 從熱化學觀點來看，當溶解的氧濃度降到臨界值或水平以下時，有
利於Si熔體中固態沉澱或夾雜物如SiC和Si晶的形成。此外，氮化物 如S i 3N4顆粒可能從坩堝的氮化物塗層中剝離。
隨著焦炭的生成，即Si熔體中碳濃度的繼續增大，和熔體中氧濃度 的降低都是動力學抑制過程，在工藝的開始，體系趨向於不引起沉澱或夾雜物。但是在凝固過程，尤其是當氧濃度降到低於相對於此時存在的
相應C濃度的臨界值或水平的某一時間點，熔體中開始形成SiC顆粒。 在另一時間點，當氧濃度呈很低的值或水平時，有利於氮化物如ShN4顆 粒的形成，包括物理溶於熔體中的氮。這裡應當注意，雖然可能先形成 SiC而後形成Si^顆粒，但是也可能相反。凝固過程進行的時間和外來 雜質形成的順序主務農賴於溫度，壓力和Si熔體中O、 N和C的實際濃 度。通過熔體對流，在相邊界/界面前方以選定的凝固速率驅動形成的外 來雜質並且將在中心集中。當相邊界界面達到該區域時，在凝固的矽材 料中作為粒狀外來雜質以較大的量結合沉澱或夾雜物。
根據本發明，希望下述優選的實施方案，分別單獨或組合地，作為 可能的和特別有效的技術方法和條件
例如，熔融的矽原料在有蓋的與外界完全隔離的坩堝中凝固，坩堝 優選被氣密性密封，任選的例外是，分別提供往矽熔體上方的氣體空間 輸送惰性載氣(如氬)的入口或輸送含有氧、碳、和/或氮的氣體物質(如 C0、 C02、 N0或N0J的入口，用於建立坩堝內的平衡氣體氣氛。優選地 將坩堝設計成可在矽熔體上方提供一個有限、密閉的氣體空間。這在技 術上以特別有效而筒單的方式來實現，即通過加蓋子或罩板密封坩堝。 蓋子或板優選採用耐熱石墨或耐熱陶資製成。以這種方式，可在矽凝固 階段使矽熔體周圍爐子的所有構件達到和/或保持在高於氧化物如氧化 矽(尤其是一氧化矽還可能二氧化矽)的冷凝溫度。通過上述措施和條 件，在矽熔體周圍形成一個具有熱壁的相對氣密的容器，此處SiO不能 在壁上冷凝或歧化，或此處可能在爐壁上形成的CO不能與^ 圭熔體反應。 此外，如前述解釋的影響熱化學和熱力學過程的關鍵性氣體的分壓受有 利的影響，以致將外來雜質如化合物沉澱的形成減到最少或消除。如前 所述，可能的另一個選擇是以可控方式通過適當的源、管子和閥將惰性 氣體和/或含有氧、碳和/或氮的氣態物質通入矽熔體上方的氣體空間， 以便調節最終抑制或阻止化合物沉澱的氣氛平衡。
備選地或者此外，可應用覆蓋矽熔體的覆蓋料，優選用粉狀、粒狀
或熔融的覆蓋料。覆蓋料優選選自元素周期表第m和iv主族元素的純氧化物或純碳化物，或其混合物。合適的覆蓋料實例包括二氧化矽、二氧 化鍺、氧化鋁、氧化硼或上述氧化物的混合物。覆蓋熔體還有利地促使
避免冷凝區域。此外，可從矽熔體中連續除去形成的co。用適當的覆蓋 料可能有助於更有利的效果，即應用覆蓋矽熔體並且包含摻雜化合物， 如氧化硼、氧化鋁和/或氧化鍺的覆蓋料。可通過將粉末、丸或顆粒分布 在矽原料中簡單地應用覆蓋料。
根據一個特定的實施方案，至少在凝固階段，有利地還在加熱和/或 熔融過程，將化學惰性氣體封閉在矽熔體和任選地矽原料上方限定的空 間內，優選以一定的方式使受熱狀態下的化學惰性氣體代表與外界隔離 的空間內唯一或基本唯一的載氣。那麼惰性氣體可有助於控制和保持矽 熔體上方氣相內前述氣體物質的分壓以抑制外來雜質的形成。此外，在 矽熔體上方唯一或幾乎唯一由化學惰性氣體以穩態平衡填充的氣體空間 另外還有助於該效果，即，可預防與周圍系統的熱或冷壁的任何反應，
因此最後Si熔體不受汙染。這裡穩態平衡表示允許受控制的氣氛，有別
於不可控制的衝洗氣流。優選地，所述化學惰性氣體是氬氣。
另一個優選措施是控制和/或減小殘留水分或溼氣的含量，和/或控 制和/或減小來自原料中和/或生產過程中與矽熔體接觸的生產設備組件 的氧化物雜質。以這種方式，通過應用水分含量已減小的矽原料，或在 凝固開始的結晶以前抽空矽材料周圍的空間而抽出殘留溼氣，可減小殘 留水分或溼氣含量。因此，可能優選的是，就在凝固階段充分密封或者 將矽熔體周圍的空間與外部隔離。
因此，上述措施和條件各自單獨或組合地有助於該效果，即，可有 效地預防沉澱或夾雜物的形成。本發明必定能阻止外來雜質的形成，尤
其是SiC沉澱或夾雜物，不因氣相中一定的C0濃度和/或Si熔體中的C 濃度而改變。特別是，控制矽熔體中的氧含量可補償熔體內反關聯的碳 存在。當然還應該阻止SLNy (例如Si晶)的形成，因為在可控量的氧化 物存在下，氮化物其實就不會存在，或者至多以可忽略的水平存在。
因此，根據本發明可提供基於晶體矽，尤其是單晶矽和更優選多晶 矽的矽錠，多晶矽是通過矽原料的定向凝固獲得的且不含或基本不含碳
ii化矽(SiC)和/或氮化矽(SiN、 Si^等)的外來沉澱或夾雜物。這裡， "基本不含外來沉澱或夾雜物"表示根據本發明獲得的晶片或太陽能電 池在正常操作使用中不會出現短路。根據結構分析，意味著當0. 5g獲得 的晶體珪樣品溶於20 ral HF (38%於水中)和HN03 ( 65 %於水中)的混 合物時，保持最大外來沉澱或夾雜物的平均粒徑低於lOjam,更優選低 於1 ium。由於上述技術措施和條件，根據本發明可實現如下特徵的矽錠， 即，"基本"在整個矽錠中氧濃度不降到低於臨界極限，其中"基本"
分，例如至整個矽錠高度的90%,優選至95%，甚至98%。同時，可 避免晶粒邊界/界面的SiOx沉澱或夾雜物。極限水平，低於它氧濃度不會 下降，也取決於同時將觀察到的碳濃度Cs，因為兩個值彼此呈反比關係。 通常，為了確保防止沉澱和夾雜物，氧濃度不能降到低於約3. 5 x 10"cirf3 的極限，優選與至多約lx1018 cm—3的最大碳濃度組合，其中兩個濃度分 別關於相應的凝固矽錠部分定義(即在同一珪錠部分分別測定的0和C 的相應值)。為了進一步預防氧化物或其它雜質的沉澱或夾雜物，另一 方面，在所述高度的至少90%,優選在整個矽錠中的氧濃度優選低於約 lxl019cnf3,更優選低於約lxl018cm—3。至於碳濃度，況且它是足量的，只 要低於約6xl0"cm-3的極限。所述值分別表示從前述方法得到的凝固矽錠 部分，即，適合回收矽片和隨後用於製造太陽能電池的部分。
然後可通過分離或個別化而從上述矽錠獲得所需的由晶體矽，尤其 是單晶矽而優選是多晶矽製備的矽片。合適的分離方法是切割。另一方
面，本發明提供高度有價值的優勢在於，可從矽錠的更大區回收可用的 矽片，可以大為減少原料損耗。另一方面，本發明確保從單一矽錠回收 的所有可用晶片都沒有缺陷。根據本發明獲得的晶片的物理性質和特性 以及整體系統的經濟性都大為改善了 。
因此，這樣獲得的晶體矽，尤其是單晶矽而優選是多晶矽的晶片特 別適合生產太陽能電池。生產太陽能電池所需的步驟是本領域技術人員 熟知的。例如有，形成常規 12層，從而可有利地生產除太陽能電池之外的裝置。另外，可在矽晶體中
摻入摻雜劑，例如，包含元素周期表的至少一種m主族元素和/或至少一
種V主族的元素，如B、 P、 Al、 Ga和/或In。
下面將參照附圖詳細闡釋本發明，但是，其中的圖、實施方案和實 施例只是為了闡述本發明，不應理解為以任何限制方式。


圖1示出根據本發明的一個實施方案，通過定向凝固生產多晶矽的 裝置或設備示意圖2示出根據本發明另一個實施方案，通過定向凝固生產多晶矽的 另一個裝置或設備示意圖3示出根據本發明又一個實施方案，通過定向凝固生產多晶矽的 又一個裝置或設備示意圖；以及
圖4示出關於根據本發明從凝固的晶體矽製備的錠中氧濃度和碳濃 度之間的相互關係，及如何控制這種關係的示意圖。
在圖1、 2和3中，示出了基於凝固原理生產多晶矽的裝置或設備的 備選實施方案和改良，其中同樣的標記符號指示裝置中相應的組件，而 分別有撇號的那些指示改良。將矽原料放入坩堝5中。矽原料可能是未 摻雜的或者如果需要的話可包含合適的摻雜劑，並且相應地是例如分別 用合適的摻雜劑如硼、亞磷等p-摻雜或n-摻雜的。合適的坩堝材料5 有石英(Si02)或石墨，可任選用化學和熱穩定的物質塗覆。經過足夠 長的加熱和熔融階段，矽原料轉化成矽熔體1。如圖1和2所示，圍繞 坩堝的多區段加熱器6在此作為一個產生溫度梯度的加熱器，由此從底 部向上引起凝固而形成多晶矽2。在如圖3所示改良的實施方案中，提 供一個局部固定加熱器6',通過將坩堝下移到沒有固定加熱器構件圍繞 的預期延伸處產生溫度梯度。在圖3中，為闡釋起見還示出爐子的鑄模 10的示意圖。
圖1到3中的標號3代表液態或流體Si -熔體1和固態多晶Si 2之間的相邊界/界面。根據圖l所示的實施方案，通過應用覆蓋物/罩板/
蓋子8，產生一個與外界完全隔離的有限氣體空間4 (如陰影線部分所 示)，於是可控制熔體上方氣相中的熱化學過程。還可調節相關氣體組 分的分壓。除了所述覆蓋物/罩板/蓋子8以外，或者代替它，還可提供 另外的構件用來控制和/或保持熔體上方氣相中含有氧-，碳-和/或氮 的氣體組分的固定分壓，這樣還可防止Si熔體和Si晶體2中SiC和/ 或SiA (如Si晶)沉澱或夾雜物的形成。例如，可提供相應的氣源、輸 送管和控制閥分別單獨的或組合向氣體空間4輸入或導出相應的氣源， 從而任選進一步控制含有氧-、碳-和/或氮的氣體物質的分壓。
蓋板或蓋子8可由耐溫材料構成，例如任選塗有合適的化學和熱穩 定物質的陶瓷或石墨。在所述覆蓋物/罩板/蓋子8的上方提供覆蓋物加 熱器7用於進一步加熱覆蓋物/罩板/蓋子8，於是確保避免氣體組分例 如SiOx (如SiO)的冷凝，因此對熱化學反應產生有利影響。
根據圖2的改良實施方案，代替所述覆蓋物/罩板/蓋子8和任選代 替覆蓋物加熱器7，在Si熔體上方形成呈顆粒狀或熔融物質形式的覆蓋 料9，因此可進一步將坩堝中存在的Si熔體與外界隔離。這裡，覆蓋料 9由例如Si02的粉末或碎片構成。備選地或另外，可應用其它覆蓋料， 例如不僅能起覆蓋作用還可對固態矽摻雜的那些，例如為了覆蓋和硼摻 雜的氧化硼(B203 )。
根據圖3的改良實施方案，預備罩板8，(它的形貌與圖l所示的罩 板相比改良了 )和覆蓋料9覆蓋熔體相結合。
圖4給出示意圖並且包括曲線圖，它們示出凝固的晶體矽形成的錠 中氧濃度和碳濃度之間的相互關係。為解釋起見，這裡示出對比矽錠2， 從底部到錐形頂部的部分。參照該對比多晶矽的錠2，，也就是與本發明 無關的樣品，上方的圖(位於矽錠2，右邊)表示晶體2，中從底部延伸 到頂部的剖面中氧濃度和碳濃度各自的分布圖(由矽錠2，中相應的底 部/頂層陰影線表示)，而左側的圖(在矽錠尖上方)表示晶體2，的左 邊和右邊側面之間延伸的剖面中的氧濃度和碳濃度各自的分布。沒有遵 守本發明的前述措施和條件，陰影線所示部分出現在對比晶體2，中，這些部分對形成外來雜質的沉澱和夾雜物至關重要。這些關鍵部分不可 避免的出現，因為-參考規定的系統和沒有遵守合適的條件-不能有目 的地控制矽熔體中，因而凝固的多晶矽中選自氧、碳和氮(尤其是氧和/
或碳)的外來原子的濃度。結果，產生對比矽錠2，的部分，其中氧-碳的濃度或氧-氮的濃度的反比關係，從促進沉澱或夾雜物形成的條件 來看是不利的。
另一方面，在矽熔體中，因而經歷凝固的多晶矽中氧-碳濃度比， 和/或氧-氮濃度比受到如曲線中箭頭所示的有利影響，以致相對於臨界 部分中的比較來說氧濃度升高和碳濃度(或類似地，氮濃度)降低。因 此，可有效地預防本發明的Si晶體中的臨界部分(如圖4中對比晶體2， 的陰影線部分所示)。
與上面示出的和詳細描述的實施方案相比，可應用其它備選的或改 良的實施方案。例如，備選地或除了覆蓋Si熔體以外，包含氧(包括含 氧氣體)、碳(尤其包括氧化碳氣體)和氮(尤其包括氧化氮氣體)的 氣體物質的各自的分壓，尤其是氧和碳的分壓(尤其包括氧化碳氣體) 可通過相應的氣源和通入氣體空間4的導氣管而得到調節和適當的控 制，以便進一步抑制或預防化合物沉澱或夾雜物的形成。此外，可將系 統設計成可生產通常適用於光電池或太陽能電池(所謂的"太陽能級矽，，) 的矽。因此，代替多晶矽，可獲得單晶矽或其它形式的晶體矽，只要是 可通過定向凝固獲得。
在所示實施方案中，應用了垂直梯度冷凍(VGF)法。然而，可根據 另一方法原理進行定向凝固，例如Bridgman凝固(BS)，熱交換法(HEM) 或相似的方法。定向凝固的其它可能性是，例如鑄造技術，尤其是電磁 鑄造(EMC)。在基於定向凝固的操作原理的技術中，可能移動坩堝或爐 子、和/或移動溫度場。
基於上述本發明的概念可預期許多另外的改良和實施方案的組合， 而不偏離本發明。
權利要求
1.生產晶體矽的方法，它包括如下步驟·形成矽原料的熔體，·進行所述矽熔體的定向凝固，其中a)在所述熔體上方提供呈氣體、液體或固體形式的材料的相，以致控制矽熔體中、從而凝固的晶體矽中選自氧、碳和氮的外來原子的濃度；和/或b)調節和/或控制矽熔體上方氣相中氣體組分的分壓，所述氣體組分選自氧氣、碳氣和氮氣以及含有至少一種選自氧、碳和氮的元素的氣體物質。
2. 權利要求l的方法，其特徵在於，在同外部隔離的加蓋坩堝內凝 固所述石圭熔體。
3. 權利要求1或2的方法，其中用熱壁包圍由矽原料形成的熔體， 從而預防矽熔體上方氣相中的含氧氣體組分的凝聚。
4. 生產晶體矽的方法，它包括如下步驟 從矽原料形成熔體， 進行所述矽熔體的定向凝固，a) 其中在一定條件下在坩堝內熔化所述矽原料，其中提供覆蓋在矽 熔體上方的覆蓋料；和/或b) 其中以一定方式提供坩堝，使得在矽熔體上方形成提供與外部隔離的受控氣氛的有限氣體空間。
5. 權利要求4的方法，其特徵在於，對包圍所述氣體空間的壁加熱 以防氣體空間的組分凝聚。
6. 前述權利要求任一項的方法，其中粒狀或熔融的物質形式的覆蓋 料遮蓋所述矽熔體，它完全地或部分地遮蓋所述熔體。
7. 權利要求4至6任一項的方法，其中所述覆蓋料選自元素周期表 III和IV主族的元素的氧化物或碳酸鹽，及其混合物。
8. 權利要求7的方法，其中所述覆蓋料是或者包含二氧化矽、二氧 化鍺、氧化鋁、氧化硼或所述氧化物的混合物。
9. 權利要求8的方法，其中將所述呈Si02或B203的粉末或碎片形式 的覆蓋料應用於所述矽原料上。
10. 前述權利要求任一項的方法，其中至少在凝固矽的階段的過程 中使包圍矽熔體或者與其連通的坩堝或熔爐的全部組分達到和/或保持 在一定的溫度，該溫度高於氧化矽的凝聚溫度。
11. 前述權利要求任一項的方法，其中至少在凝固階段的過程中， 優選還在加熱和/或熔化階段的過程中，在平衡條件下將惰性氣體輸送入 在矽熔體上方和任選地在矽原料上方的空間，這樣惰性氣體就是唯一的 載氣。
12. 前述權利要求任一項的方法，其中根據選自Bridgman凝固 (BS)、垂直梯度冷凍(VGF)或熱交換法(HEM)的方法原理進行定向凝 固。
13. 前述權利要求任一項的方法，其中控制和/或減少氧源，所述氧 源源於選自下列的任一來源殘餘溼氣、原料的氧化物組分以及通過氣 相與矽熔體連通的生產裝置的元素的氧化物組分。
14. 權利要求13的方法，其中這樣減少源於殘餘溼氣的氧源通過 應用已減少了水含量的矽原料，或者在進行凝固以前排空圍繞矽熔體的 空間中的殘餘溼氣。
15. 前述權利要求任一項的方法，其中生產了錠，矽片是從所述錠 分離或個別化的。
16. 權利要求15分離或個別化的矽片在生產太陽能電池中的應用。
17. 生產晶體石圭的裝置，它包括 可裝填矽原料的坩堝(5)， 至少一個用於加熱所述蚶堝的加熱器(6， 7),其中這樣布置所述 裝置以致a)矽熔體(1)中、從而凝固的晶體矽(2)中選自氧、碳和氮的外 來原子的濃度是可控的；和/或所述氣體組分選自氧氣、碳氣和氮氣以及含有至少一種選自氧、碳和氮 的元素的氣體物質。
18. 權利要求17的裝置，其中封蓋所述坩堝而在所述熔體(1)上 方形成由熱壁完全限定的氣體空間(4)。
19. 權利要求17或18的裝置，其中用由耐溫材料製成的蓋子(8) 覆蓋所述坩堝(5)而使其與外部隔離。
20. 權利要求17至19任一項的裝置，其中這樣設置裝有矽原料的 坩堝(5 )以致在矽原料上方和矽熔體(1)上方提供粒狀和/或熔化的覆 蓋料(9 )。
21. 權利要求20的裝置，其中所述覆蓋料包含選自Si02、Ge02、Al203、 CaC03或BA或其混合物的材料的粉末、顆粒或熔體。
22. 通過矽原料的定向凝固由晶體矽製成的錠，其中該錠不舍或基 本不含碳化矽(SiC)和/或氮化矽(SiN， Si3N4)的外來沉澱或夾雜物。
23. 權利要求22的錠，其中整塊錠高度的至少90%中的氧濃度不降 到低於約3. 5xl0"cnf3的極限。
24. 權利要求22或23的錠，其中整塊錠高度的至少90%中的氧濃 度在約3. 5xl017 cm—3至約lxl019 cm—3的範圍內。
25. 權利要求22或23的錠，其中整塊錠高度的至少90%中的氧濃 度在約4xl017 cm—3至約lx1018 cm—3的範圍內。
26. 權利要求22至25任一項的錠，其中整塊錠高度的至少90%中 的碳濃度處於約lx1018 cm—3的極限以下。
27. 權利要求22至25任一項的錠，其中整塊錠高度的至少90%中 的碳濃度處於約6xl017 cm—3的極限以下。
28. 權利要求22至27任一項的錠，其中通過定向凝固生產的矽是p -或n-摻雜的。
29. 由晶體矽形成的矽片，它是通過將權利要求22至28任一項的 由晶體矽製成的錠個別化而獲得的。
30. 權利要求29的矽片在生產太陽能電池中的應用。
全文摘要
描述了生產晶體矽，特別是多晶矽的方法和裝置，其中形成矽原料的熔體，接著以定向的取向使矽熔體凝固。以這種方式在所述熔體上方提供呈氣體、液體或固體形式的相或物質，以致矽熔體中、從而凝固的晶體矽中選自氧、碳和氮的外來原子的濃度是可控的；和/或矽熔體上方氣相中氣體組分的分壓是可調和/或可控的，所述氣體組分選自氧氣、碳氣和氮氣以及含有至少一種選自氧、碳和氮的元素的氣體物質。根據本發明可有效地抑制和預防影響太陽能電池的電性能的雜質化合物沉澱或夾雜物，特別是碳化矽的形成。
文檔編號C30B29/06GK101680110SQ200780053018
公開日2010年3月24日 申請日期2007年12月21日 優先權日2007年4月27日
發明者B·溫納特, M·尤裡施, S·艾什勒 申請人:弗賴貝格化合物原料有限公司