[发明专利]利用空气环境用冶金级硅粒子生产半导体级硅球产品

说明书

本发明涉及一种用冶金级硅粒子形太阳电池级的单晶硅球的方法。

在如太阳电池、集成电路、晶体管等半导体器件的生产中，所使用的基本材料是高纯度的硅。太阳电池级的不如半导体级的那么纯，但它用于太阳电池是足够的。

因此有必要使用许多标准的和众所周知的方法中的任一种来净化冶金级硅。由于净化所需的技术成本高，对于地面太阳电池来说一个基本问题就是太阳电池级硅造价太高。因此在工艺上希望能提供使用现有的自然硅资源生产太阳电池级的单质硅，而用此方法生产要比用已知技术生产来得便宜。

根据本发明，提出了一种能由冶金级硅提供太阳电池级单晶硅球的方法，该方法的生产成本是从冶金级硅制备太阳电池级硅的现有成本的几分之一，虽然所有的讨论都针对硅，但这里可以用锗或砷化镓代替硅。

简要地说，根据本发明，所提供的任何形成的冶金级硅都是以在体积上近似地对应于直径大约为0.25-1.00mm的球体的不规则的小粒子形式出现。虽然用该方法生产非球形要满意些但较好的粒子形状是球状的。可以用许多方法中的一种提供冶金级的适当尺寸的硅原料。例如以众所周知的方法将冶金级硅粉碎并通过合适的筛网提供在预定粒度范围内的粒子，这种粒度范围一般是为了提供上述型式的粒子体积而预先确定的。硅原料也可以用如在美国专利号4,188,177所描述的雾化方法之一进行生产。然后根据李维(Levine)等专利号4,430,150的工艺规程将所要尺寸的粒子分离并进行起始处理，在此过程中使用空气环境取代了氧气O₂或氧化亚氮N₂O的环境。

当李维(Levine)等揭示了在加热炉中用氧气或氧化亚氮气体作为氧化环境并建议其它气体可以适用，就是没有提到空气，也应注意到在半导体材料的制备中空气基本上从来没有作为氧化环境气体被使用过，这是由于其中含有杂质和污染物，尽管其已有可行性，已经发现在现在的方法中使用空气环境所得到的优良结果在于粒子的球状化要比以前的工艺环境中来的更快，由空气带到粒子上的污染物很快地移动到表面层上，然后很容易地同移到表面层上的其他杂质一起被清除掉。因此对李维(Levine)等的专利中作为杂质吸收器的表面层的认识就允许用空气环境。这是另外的没有预期到的结果。与用纯氧气或氮气相反用空气作为环境的优点在于没有必要对加热炉进行清洁或可以很快地清洁，运转周期因而实际上缩短。且加热炉内的压力与外界环境压力相同，因此不需要可加压操作的或设计成与从外界环境来的污染物隔离的昂贵的加热器。李维(Levine)等的专利号4,430,150在这里列为参考。

根据在李维(Levine)等的专利中所提出的过程，需要在该粒子上涂覆以不同材料如氧化硅的表面层或形成该表面层的涂层，然后将每个表面层内的材料熔化，其后在反应气体存在下冷却，这样融熔材料凝固在单晶结构，围绕单晶结构留有表面层。当李维(Levine)等的专利只涉及单晶硅形成的时候，申请者现已在此确定根据在以上提到的李维(Levine)等的专利中所提供的方法形成单晶硅的期间，不同材料的表面层起吸收的作用并吸收位于其中所用的太阳电池级硅上的杂质或从冶金级硅粒子上带来的杂质，接着表面层用腐蚀清除掉。因此已发现，在重复的基础上运用李维(Levine)等的专利的概念，在带有慢冷却周期的每个再熔化操作后对表面层进行清除，冶金级硅可以被用作一种原料，将硅最终纯化到所需纯度等级以便提供太阳电池级单晶硅球。这种球在太阳电池领域中大量地使用，只是因为氧化物的再熔化步骤产生了单晶材料，最大量的杂质在单晶上从核心被扫到表面层上才使这些方法成为可能。否则，杂质将集中在晶粒边缘，因为通常它们不达到表面层，就无法用腐蚀清除他们。