[发明专利]硅块、其生产方法、适于实施该方法的透明或不透明熔融硅石的坩埚及其生产方法

说明书

本发明公开了硅块、其生产方法、适于实施该方法的透明或不透明熔融硅石的坩埚及其生产方法。在用于生产具有矩形形状的用于硅的晶体生长法中的太阳能坩埚的已知方法中，其包括提供包含内壁的透明或不透明熔融硅石的坩埚基体，提供含有无定形SiO₂颗粒的分散体，通过使用该分散体以至少0.1 mm的层厚度将含SiO₂浆料层施加至至少一部分的内壁上，干燥浆料层从而形成含SiO₂颗粒层并使该含SiO₂颗粒层热致密化以形成扩散阻挡层。由此开始，为了提供用于生产太阳能坩埚的廉价方法，所述太阳能坩埚使得可能生长高纯度硅块并具有很少的材料损失，本发明建议所述分散体包含分散液和形成粒度为1μm至50μm的粗粒级和粒度小于100 nm的SiO₂纳米颗粒的细粒级的无定形SiO₂颗粒，其中基于分散体的固体含量，所述SiO₂纳米颗粒的重量百分数为2至15 wt%，并且仅通过在晶体生长法中加热硅使含SiO₂颗粒层热致密化为扩散阻挡层。

技术领域

本发明涉及具有单晶或多晶结构的硅块。

此外，本发明还涉及以硅的晶体生长法生产这样的硅块的方法，其通过提供具有包含内壁的透明或不透明熔融硅石的坩埚基体的太阳能坩埚，内壁的至少一部分由含SiO₂颗粒层覆盖，将硅填入太阳能坩埚，加热硅以使形成硅熔体和将硅熔体冷却结晶并形成硅块。

此外，本发明还涉及具有矩形形状的用于晶体生长法的太阳能坩埚，所述坩埚包括包含内壁的透明或不透明熔融硅石的坩埚基体和至少部分地覆盖所述内壁的含SiO₂层。

此外，本发明还涉及用于生产具有矩形形状的用于晶体生长法的太阳能坩埚的方法，其包括提供包含内壁的透明或不透明熔融硅石的坩埚基体，提供包含无定形SiO₂颗粒的分散体，通过使用分散体以至少0.1 mm的层厚度将含SiO₂浆料层(slip layer)施加至至少一部分所述内壁上，干燥浆料层以使形成含SiO₂颗粒层和热致密化含SiO₂颗粒层以使形成扩散阻挡层。

背景技术

根据Bridgman法或Vertical Gradient Freeze (VGF)法，在透明或不透明熔融硅石的太阳能坩埚中使用于太阳能应用的单晶或多晶硅块熔融。

通常借助于陶瓷浆料法(ceramic slip method)生产这些太阳能坩埚，并且其具有多边形的(在最简单情况下，矩形的)坩埚开口。因为成本原因，主要由天然存在的石英原料生产坩埚。因此，坩埚材料的纯度基本上小于合成生产的透明熔融硅石的纯度。在晶体生长法中，在坩埚壁内进行至少局部加热至高于1,410℃的温度。坩埚壁内存在的杂质造成形成方英石的结晶。在冷却期间，称为“方英石跃变(jump)”的结构转变导致坩埚的破坏，因此所述坩埚仅能使用一次。

冷却期间，硅块比坩埚收缩更多。如果附着至坩埚壁，硅块中可能出现应力和裂缝。这与Si₃N₄、SiC等的分离层对抗。

此外，在晶体生长法中金属杂质也被从坩埚壁引入硅中。它们通过体积扩散、表面扩散或通过从熔融硅石主体蒸发挥发性金属化合物，被引入到即液体硅相中并且也被引入到结晶固相中。在过去几年中，杂质含量已经不断下降，并且主要杂质铁，其也代表其它金属杂质，例如Cr或Cu，已经从约100 wt. ppm降至10 wt. ppm。但是铁杂质特别关键，因为它们损害半导体材料的电子特性，并且特别容易扩散。

因此，在固化的硅块(也称为“锭”)上发现了在外围区Fe总浓度提高的区域。该浓度通常为10¹⁴至10¹⁶ 原子/cm³。在不利情况下，外围区表示显著提高了太阳能电池制造成本的材料损失(注：文献通常仅给出间隙地溶入硅晶格的铁的浓度数据，但是以上数据表示铁的总浓度)。