[发明专利]氮化硅基坩埚

说明书

本发明涉及一种可重复使用的含氮化硅坩埚以及该可重复使用的含氮化硅坩埚用于结晶硅的用途。

背景：

熔融石英和石英坩埚(fused silica and quartz crucible)是最常用的用于太阳能电池晶体硅锭生产的坩埚。这些坩埚只能使用一次，因此导致高的生产成本。坩埚需要用来结晶硅，其能够制造太阳能电池。含氮化硅坩埚的优点是，它们是可重复使用的，且具有降低太阳能电池生产成本的较高潜力。坩埚的可重复使用性也已经得到证明。太阳能电池产生的电力在今天比常规电力贵得多。因此，对于太阳能产业非常重要的是要降低太阳能电池的生产成本。一种新的可重复使用的氮化硅基坩埚可能有助于此。氮化硅基坩埚，不仅必须是可重复使用的，而且也能生产与标准熔融石英或石英坩埚相比更好的或相等的硅锭质量。本专利涉及在氮化硅基坩埚中生产的硅锭的质量。

由专利NO317080可知一种用来产生可重复使用的氮化硅坩埚的方法。它使用一种由Elkem AS生产的称为Silgrain的硅粉作为生产坩埚的原料。由相同原料生产的氮化硅坩埚现已通过在此坩埚生长多晶晶锭进行了测试。令人惊讶的是，硅锭含有比预期高得多的硼和磷含量。硅锭具有正常量级的如铁、铝和钙等元素。晶锭中相对较高含量的B和P导致与硅锭预期的电阻率有较大的偏差。用于生产太阳能电池的硅锭需要特定的电阻率，以具有良好的太阳能电池性能。

本发明的目的是提供用于生产太阳能电池及硅片的令人满意的晶锭质量。此外，本发明的目的是制备旨在取代标准熔融石英坩埚的可重复使用的氮化硅基坩埚。标准熔融石英坩埚在下文中作为参考标准。

发明概述

本发明提供了一种可重复使用的含氮化硅的结晶硅用坩埚，其中该坩埚包括下面的至少一种：浓度＜19ppmw的硼或含硼化合物；以及还包括下面的至少一种：浓度＜3.7ppmw的磷或含磷化合物。

此外，本发明涉及氮化硅坩埚用于结晶硅的用途，该坩埚包括下面的至少一种：浓度＜19ppmw的硼(B)或含硼化合物；以及还包括浓度＜3.7ppmw的磷(P)或含磷化合物。

发明详述

制备含氮化硅的坩埚的通常原料是硅、碳化硅和氮化硅。购买到的这些原材料品质有不同，具有不同数量的杂质。普遍存在的元素是Al、Ca、Fe、Ti、B和P。

主要由于杂质含量较低，高纯度的氮化硅基坩埚与标准熔融石英和石英坩埚相比将对晶锭有较少的污染。氮化硅基坩埚与熔融石英和石英坩埚相比也具有不同的材料性能。它们主要含有氮化物杂质，高温不会软化。熔融石英和石英坩埚主要含有氧化物形式的杂质，这些坩埚高温会软化。

坩埚总是涂覆有氮化硅粉，使得坩埚从来不与硅直接接触。来自坩埚的任何污染，一定是从坩埚扩散并通过涂层。挥发性化合物可快速扩散。固体化合物必须根据比气体扩散慢得多的固-固扩散进行扩散。熔融石英和石英坩埚由于存在氧化物且它们会高温软化，可能具有比氮化硅基坩埚更高含量的挥发性化合物。

覆盖坩埚至少一部分的涂层也会导致晶锭的污染。高纯度的涂层确实生产出较高质量的晶锭。使用改进涂覆材料的效果已经由E.Olsen等进行了探讨：“Silicon Nitride Coating and Crucible-Effects of Using Upgraded Materials in the Casting of Multicrystalline Silicon Ingots”，Progress in Photovoltaics(2008)，16(2)，93-100。在某些时候，来自涂层的污染将会主导来自坩埚的污染。那么，改进涂层是必要的。

为了能够生产优质的坩埚，使用高纯硅原料可能是个挑战。已知纯硅与氮反应缓慢，因此，难以实现高转化。一些含量的杂质，如Fe、Al、Ca和Zr会改善氮化。

可以认为，氮化硅坩埚中B和P可能以氧化物形式存在。B和P的氧化物在1400-1500℃有相对较高的蒸气压，该温度是熔化坩埚中的硅的温度。硅锭的B和P污染可能是由于挥发性的硼化合物和磷化合物的存在。其他元素如Fe、Al、Ca和Ti，尽管以比B和P高得多的浓度存在，但并不污染晶锭。已经发现，氮化硅基坩埚中的B含量必须低于19ppmw，以便不对硅锭产生任何重大的污染。优选地，B的含量＜1ppmw。此外，氮化硅基坩埚中的P含量必须低于3.7ppmw，以便不对硅锭产生任何重大的污染。优选地，P含量＜0.5ppmw。