專(zhuān)利名稱(chēng)：升級(jí)冶金級(jí)硅材料提純的過(guò)程控制的制作方法
升級(jí)冶金級(jí)硅材料提純的過(guò)程控制技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明總體上涉及硅處理的領(lǐng)域，本發(fā)明特別涉及升級(jí)冶金級(jí)硅的提純。
本發(fā)明要求2009年11月11日提交的臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)61Λ60，391的權(quán)益。
背景技術(shù)：
光伏(PV)行業(yè)正在快速增長(zhǎng)，除了更傳統(tǒng)的集成電路(IC)應(yīng)用之外，光伏行業(yè)消耗的硅的數(shù)量也在增長(zhǎng)。目前，太陽(yáng)能電池行業(yè)的硅需求開(kāi)始與IC行業(yè)的硅需求相匹敵。 以目前的制造技術(shù)，集成電路(IC)和太陽(yáng)能電池行業(yè)都需要精煉、提純的硅原料作為原材料。
太陽(yáng)能電池的材料選擇范圍包括從單晶、電子級(jí)(EG)硅到較臟的冶金級(jí)(MG)硅。 EG硅使太陽(yáng)能電池具有接近理論極限的效率，但是價(jià)格過(guò)高。另一方面，MG硅通常不能制造有效的太陽(yáng)能電池。使用多晶硅的早期太陽(yáng)能電池僅能獲得很低的大約6%的效率。本文中，效率是入射到電池上的能量與采集并轉(zhuǎn)化為電流的能量之比的度量。但是，可能存在其他可用于太陽(yáng)能電池制造的半導(dǎo)體材料。但是實(shí)際上，幾乎90%的商用太陽(yáng)能電池由單晶硅制成。
目前，通過(guò)更高純度的材料和改進(jìn)的處理技術(shù)，市售電池的效率可達(dá)到。這些工程進(jìn)步已幫助行業(yè)接近理論極限，即對(duì)于單結(jié)硅太陽(yáng)能電池的效率為31%。
由于獲得和使用高純度硅原料的高成本和復(fù)雜處理要求，并由于與來(lái)自IC行業(yè)的需求的競(jìng)爭(zhēng)，EG、MG或使用已知處理技術(shù)的其他硅生產(chǎn)商不能滿(mǎn)足用于太陽(yáng)能電池的硅需求。只要這種不足狀態(tài)持續(xù)，就不能得到用于大規(guī)模電能制造的經(jīng)濟(jì)的太陽(yáng)能電池。
幾個(gè)因素決定了可用于太陽(yáng)能電池制造的原料硅材料的質(zhì)量。硅原料質(zhì)量經(jīng)常根據(jù)材料中存在的雜質(zhì)的量波動(dòng)。為了提高硅原料質(zhì)量，待控制和去除的主要元素是硼(B)、 磷(P)和鋁(Al)，因?yàn)樗鼈冿@著影響硅的電阻率?；谏?jí)冶金(UM)硅的原料硅材料經(jīng)常包含類(lèi)似量的硼和磷。雖然可以使用化學(xué)分析來(lái)確定特定元素的濃度，但是這種方法要求很小的樣本尺寸(幾克)，并經(jīng)常給出可變的結(jié)果，例如存在的硼的量可能從按質(zhì)量計(jì)的百萬(wàn)分之(ppmw)零點(diǎn)五變化到按質(zhì)量計(jì)的百萬(wàn)分之一。此外，對(duì)不同批的化學(xué)分析給出一致的硼和磷濃度，但是電學(xué)參數(shù)存在巨大變化。這些不可靠的結(jié)果可能是由于相對(duì)較少的雜質(zhì)產(chǎn)生的巨大影響。
電阻率是用于制造太陽(yáng)能電池的硅(Si)的最重要特性之一。這是因?yàn)樘?yáng)能電池效率敏感地取決于電阻率?，F(xiàn)有技術(shù)的太陽(yáng)能電池技術(shù)通常要求電阻率值在0. 5 Ω cm和 5. OQcm之間。目前制造的基于UM硅的原料材料經(jīng)常表現(xiàn)出低于由太陽(yáng)能電池生產(chǎn)商指定的0.5 Ω cm的最小電阻率的基體電阻率。其簡(jiǎn)單原因是用于升級(jí)UM-Si的昂貴工藝主要涉及除掉非金屬，包括摻雜物原子B和P。為了降低成本，顯然的傾向是最小化該處理，即 UM-Si通常仍然包含高濃度的摻雜物原子。
在獲得升級(jí)冶金硅的過(guò)程中，通常使用定向固化過(guò)程中的分凝(segregation)來(lái)實(shí)現(xiàn)提純。雜質(zhì)去除方法包括定向固化，該定向固化將所得硅錠的最后一部分中的雜質(zhì)(例如B、P、A1、C和過(guò)渡金屬元素)濃縮以結(jié)晶——通常在錠的頂部。在理想的情況下，定向固化過(guò)程中的結(jié)晶自上而下是均勻的，并且固液交界面在整個(gè)錠中是平面的。這將導(dǎo)致在錠中自上而下具有一致的雜質(zhì)濃度分布，從而能夠根據(jù)去除錠的頂部的穿過(guò)錠的一次平面切割去除錠中的雜質(zhì)。
但是，控制定向固化過(guò)程中的熱場(chǎng)是困難的，并經(jīng)常導(dǎo)致硅錠中晶體的不均勻生長(zhǎng)。這導(dǎo)致錠中的不均勻的自上而下的雜質(zhì)濃度分布(即從錠的一端到另一端)。在大量硅的批量生產(chǎn)中這種效果被進(jìn)一步放大。由于錠的不同區(qū)域具有不同的雜質(zhì)分布，并因此具有不同的電阻率分布(resistivity profile)，穿過(guò)錠的平面切割不能在去除大部分濃縮雜質(zhì)的同時(shí)最大化可用硅產(chǎn)物。發(fā)明內(nèi)容
因此需要一種提供優(yōu)化的雜質(zhì)控制的UMG材料提純方法。所述方法必須具有成本效益，以便適當(dāng)?shù)厝コs質(zhì)而不犧牲可用的足夠純的UMG-Si材料。還需要更準(zhǔn)確地識(shí)別 UMG-Si錠中的雜質(zhì)濃度分布以及限定用于雜質(zhì)去除的剪切線(xiàn)，從而制造符合理想雜質(zhì)濃度閾值的UMG-Si。另一個(gè)需要是用于消除UMG-Si錠中的非均勻雜質(zhì)濃度的改良方法。
還需要一種使基于UMG的多晶硅材料具有良好的錠產(chǎn)物以及增強(qiáng)的機(jī)械和電學(xué)特性的材料的簡(jiǎn)單方法，其中電學(xué)特性涉及太陽(yáng)能電池的質(zhì)量。該方法能夠被方便地轉(zhuǎn)用至更高級(jí)別的非UMG原料娃，所述原料硅例如通過(guò)應(yīng)用CZ技術(shù)或FZ技術(shù)而部分地或?qū)ｉT(mén)地用于結(jié)晶單晶硅材料。
根據(jù)所公開(kāi)的主題，提供一種用于提純UMG-Si的方法，其基本上消除或減小與先前開(kāi)發(fā)的UMG-Si提純方法相關(guān)的缺點(diǎn)和問(wèn)題。
本公開(kāi)提供一種根據(jù)定向固化過(guò)程濃縮UMG-Si錠中的雜質(zhì)的方法。所述錠被分割為塊，然后映射每個(gè)塊的電阻率分布，基于所述電阻率分布為每個(gè)塊計(jì)算優(yōu)化的剪切線(xiàn)， 以便去除濃縮的雜質(zhì)。電阻率映射提供錠的雜質(zhì)分布的準(zhǔn)確測(cè)量。然后，沿著優(yōu)化的剪切線(xiàn)剪切每個(gè)塊，獲得顯著提純的UMG-Si。所公開(kāi)的方法使可用的硅產(chǎn)物最大化，同時(shí)去除大多數(shù)雜質(zhì)。
根據(jù)所公開(kāi)的主題的一方面，基于理想的閾值雜質(zhì)濃度計(jì)算優(yōu)化的剪切線(xiàn)。這些雜質(zhì)包括但不限于硼、磷和鋁。根據(jù)所公開(kāi)的主題的另一方面，基于電阻率分布和在電阻率分布中識(shí)別的P/N轉(zhuǎn)換計(jì)算優(yōu)化的剪切線(xiàn)。
根據(jù)所公開(kāi)的主題的再一方面，通過(guò)雙定向固化爐濃縮UMG-Si錠中的雜質(zhì)，以便制造均勻和基本上平面的分凝層。
本公開(kāi)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括提高的可用硅產(chǎn)物、UMG-Si過(guò)程控制改進(jìn)、以及UMG-Si制造和成本改進(jìn)?；阱V的電阻率分布計(jì)算錠的剪切線(xiàn)的另一個(gè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括更一致和準(zhǔn)確的雜質(zhì)濃度測(cè)量。將錠分割為塊的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括提高的硅產(chǎn)物和更有效的可用硅制造過(guò)程。
根據(jù)本文提供的描述，所公開(kāi)的主題以及其他新穎的特征將顯現(xiàn)。發(fā)明內(nèi)容部分不用于詳盡地描述要求保護(hù)的主題，而是功能性地提供一些主題的簡(jiǎn)要概述。通過(guò)考察以下附圖和具體實(shí)施方式
，在此提供的其他系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)將對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員變得明顯。本說(shuō)明書(shū)中包含的所有其他的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)都在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。


為了徹底理解所公開(kāi)的主題及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參考結(jié)合附圖的以下描述，圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的特征，其中
圖1 (現(xiàn)有技術(shù))是用于降低硅中的硼、磷和鋁含量的過(guò)程流；
圖2是顯示不同批的UMG原料中的實(shí)際測(cè)量雜質(zhì)的曲線(xiàn)圖3是顯示UMG-Si錠中的雜質(zhì)硼和磷的濃度分布的曲線(xiàn)圖4是顯示圖3中測(cè)量的UMG-Si錠的電阻率分布(計(jì)算的電阻率對(duì)比測(cè)量的電阻率)的曲線(xiàn)圖5顯示定向固化之后的UMG-Si錠的剖面圖像；
圖6是定向固化之后的UMG-Si錠的剖面圖像，其中根據(jù)所公開(kāi)的主題生成剪切線(xiàn).一入 ，
圖7是硅錠的三維固化交界面的圖解描述；
圖8是顯示UMG-Si錠中雜質(zhì)硼、磷和鋁的濃度分布的曲線(xiàn)圖9是圖8中描述的UMG-Si錠的鋁濃度分布的剖面圖像；
圖10是圖8中描述的UMG-Si錠的磷濃度分布的剖面圖像；
圖11是圖8中描述的UMG-Si錠的硼濃度分布的剖面圖像；
圖12是顯示雙定向固化爐中硅材料的固化的側(cè)視圖的過(guò)程流；
圖13是顯示雙定向固化爐中的硅材料的固化的俯視圖的過(guò)程流；
圖14是雙定向固化爐中生成的硅錠的三維固化交界面的圖解描述；
圖15是顯示電阻率分布和用于多種雜質(zhì)濃度的剪切線(xiàn)的曲線(xiàn)圖16至18是顯示硅錠的電阻率分布與雜質(zhì)濃度分布之間的關(guān)系的曲線(xiàn)圖19是顯示圖16至18中的硅錠的電阻率分布(歐姆-厘米關(guān)于固化分?jǐn)?shù))的曲線(xiàn)圖20顯示圖19中的電阻率分布所對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)濃度分布。
具體實(shí)施方式
以下的描述不具有限制性含義，而是用于描述本公開(kāi)的一般原理。本公開(kāi)的范圍應(yīng)參考權(quán)利要求來(lái)確定。雖然參考富鋁UMG硅的提純來(lái)描述本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可將在此討論的原理應(yīng)用于任意的升級(jí)冶金級(jí)材料。
在附圖中顯示所公開(kāi)的主題的優(yōu)選實(shí)施例，相同的附圖標(biāo)記用于指代各圖中的相似或相應(yīng)部件。
圖1顯示用于降低硅中的硼、磷和鋁含量的現(xiàn)有技術(shù)過(guò)程流。在步驟2中，選擇純的原材料(例如石英和煤炭)來(lái)制造具有低硼含量的MG-Si。然后，步驟4通過(guò)MG-Si提純進(jìn)一步降低鋁含量。此外，還可以進(jìn)一步降低硼含量，例如在具有氧燃噴嘴的熔爐中，從而最終獲得UMG-Si。然后，為了進(jìn)一步減少例如硼、磷和鋁的雜質(zhì)，經(jīng)常通過(guò)定向固化系統(tǒng)來(lái)處理UMG-Si，直到硅原料預(yù)備被發(fā)布，這通常是在硼濃度已被降低到低于指定的閾值濃度時(shí)。在第一 DSS通道6和第二 DSS通道8中，錠的具有最高雜質(zhì)濃度的部分被切掉(通常是頂部)，以獲得更純的硅。第一 DSS通道8可以獲得雜質(zhì)例如大于所要求的0. 5ppmw的硅，第二 DSS通道10可以獲得雜質(zhì)小于所要求的0. 5ppmw的硅。
為了提供更純的硅同時(shí)使廢料最小化，需要更有效的雜質(zhì)控制。在第一 DSS通道 8之后并且在去除雜質(zhì)的剪切之前，對(duì)硅錠進(jìn)行電阻率測(cè)量將顯著提高硅產(chǎn)物。類(lèi)似地，在第二 DSS通道10之后并且在去除雜質(zhì)的第二次剪切之前，對(duì)硅錠進(jìn)行電阻率測(cè)量將顯著提高最終硅制品的硅產(chǎn)物。
圖2是顯示不同批的UMG原料中選定元素的實(shí)際測(cè)量濃度的按質(zhì)量計(jì)的百萬(wàn)分之幾(ppmw)的曲線(xiàn)圖。注意到不同批的原料之間元素的濃度存在很大變化。該變化主要是由UMG-Si原料的原始材料(例如石英和煤炭)導(dǎo)致的。雜質(zhì)濃度的微小變化可能顯著影響批與批之間錠的自下而上的電阻率以及錠產(chǎn)物(η型部件對(duì)比P型部件)的變化。待控制的主要元素是鋁40、硼42和磷44，因?yàn)樗鼈冿@著影響材料的電阻率。
圖3是顯示UMG-Si錠中的摻雜物硼50和磷52的濃度分布(每立方厘米的原子關(guān)于固化分?jǐn)?shù)g)的曲線(xiàn)圖。在圖3中，硼50的初始濃度是0.48ppmw，磷52的初始濃度是 1.5ppmw。硼和磷的濃度沿固化分?jǐn)?shù)(或錠高度)的變化反映了定向固化過(guò)程中由取決于元素的分凝性能所導(dǎo)致的不均勻分凝。錠中硼和磷的不均勻分凝導(dǎo)致在大約80%的錠高度處出現(xiàn)導(dǎo)電類(lèi)型的變化，即從P型(硼，鋁)變化為η型(磷)。該導(dǎo)電類(lèi)型的變化由Β/Ρ 比M表示(表示為圖3中的差B-P的絕對(duì)值)。從而例如Β/Ρ比M的Β/Ρ比限制了 ρ型材料產(chǎn)物。在UMG原料材料具有較高鋁濃度的情況下，鋁還能通過(guò)偏移各個(gè)電阻率分布來(lái)影響產(chǎn)物。
圖4是顯示圖3所示的UMG-Si錠的電阻率分布(計(jì)算電阻率62和測(cè)量電阻率 60)的曲線(xiàn)圖。電阻率的測(cè)量單位是歐姆-厘米，錠高度的測(cè)量單位是自下而上的百分比 (轉(zhuǎn)化為固化分?jǐn)?shù))。通過(guò)材料的凈摻雜來(lái)確定電阻率，其中材料的凈摻雜是硼和磷的濃度的絕對(duì)差(在圖3中顯示為abs (B-P) 54)。注意到電阻率分布反映了在大約80%的錠高度處由錠中的硼和磷的分凝特性導(dǎo)致的導(dǎo)電類(lèi)型的變化，這與圖3相同。
圖5顯示了定向固化之后的UMG-Si錠的剖面圖像。雜質(zhì)線(xiàn)70反映了在典型的基于富鋁UMG-Si原料的錠中，測(cè)量的導(dǎo)電類(lèi)型的變化。在錠的剖面圖像中，可以觀察到錠產(chǎn)物線(xiàn)的強(qiáng)烈變化(由雜質(zhì)線(xiàn)70表示)——表明在錠的左側(cè)72錠產(chǎn)物接近90%，在錠的右側(cè)74錠產(chǎn)物接近60%。橫跨錠的顯著的產(chǎn)物變化反映了固化過(guò)程中橫跨錠的不均勻的熱條件，這導(dǎo)致對(duì)于摻雜物元素B、P和Al存在不均勻的分凝條件。
定向固化通常將雜質(zhì)濃縮在錠的頂部，然后具有大多數(shù)雜質(zhì)的頂層被除去，留下較純的底層用于進(jìn)一步處理。如圖5所示，層78具有少于層77的雜質(zhì)。但是，定向固化之后，UMG-Si錠很少具有平坦的平面雜質(zhì)分布。平剪切線(xiàn)76顯示通常將用于去除濃縮在錠的頂部的雜質(zhì)的平截?cái)嗑€(xiàn)。但是，平切割沒(méi)有利用材料中雜質(zhì)的不一致和非均勻分布(由雜質(zhì)線(xiàn)70顯示)，從而導(dǎo)致低效和浪費(fèi)的UMG-Si處理。
圖6顯示了定向固化之后的UMG-Si錠的剖面圖像，其中根據(jù)所公開(kāi)的主題生成剪切線(xiàn)。例如硼、磷和鋁的雜質(zhì)活性摻雜在硅中，并影響錠塊的電阻率。通過(guò)電阻率測(cè)量值準(zhǔn)確地確定在哪里去除錠的污染部分，以便在整體上降低錠中的摻雜物和金屬雜質(zhì)的絕對(duì)濃度。
雜質(zhì)的最低濃度出現(xiàn)在冷區(qū)80中(最先固化的區(qū)域)。雜質(zhì)的最高濃度出現(xiàn)在熱區(qū)82中(最后固化的區(qū)域)。雜質(zhì)的分凝集中在定向固化過(guò)程中從熔化狀態(tài)被固化的最后一部分錠中。這導(dǎo)致在錠中區(qū)域與區(qū)域之間的雜質(zhì)分布不同。注意到錠塊86和錠塊94中具有不同的雜質(zhì)水平。錠已經(jīng)被切割為多個(gè)塊，以便通過(guò)定制每個(gè)塊的剪切線(xiàn)來(lái)控制雜質(zhì)去除。定向固化之后，錠塊86、88、90、92和94已經(jīng)被切割。切割線(xiàn)84反映了圖像上的塊分割。在塊被切割之后，通過(guò)自下而上測(cè)量錠的電阻率以及在曲線(xiàn)圖或三維電阻率測(cè)繪圖上映射這些計(jì)算，生成錠的電阻率分布。錠的電阻率測(cè)量還可以發(fā)生在錠被切割為塊之前。此外，可以根據(jù)許多因素來(lái)定制塊尺寸，這些因素包括但不限于硅錠的尺寸、硅錠的雜質(zhì)濃度、獲得準(zhǔn)確的電阻率分布所需的尺寸、以及生產(chǎn)效率要求。圖6中，雜質(zhì)線(xiàn)反映處于閾值要求水平的錠中的雜質(zhì)濃度。標(biāo)準(zhǔn)切割顯示平剪切線(xiàn)，該平剪切線(xiàn)試圖平衡雜質(zhì)去除與硅材料產(chǎn)物。受控切割顯示基于塊的電阻率分布的用于每個(gè)塊的定制剪切線(xiàn)。受控切割線(xiàn)基于塊的電阻率分布限定為每個(gè)個(gè)別的塊計(jì)算的剪切線(xiàn)，這樣只有那些包含濃縮雜質(zhì)的部分被去除，而保留硅材料產(chǎn)物。這能夠優(yōu)化地去除雜質(zhì)，而不犧牲可用的硅。通過(guò)從每個(gè)塊的頂部到底部測(cè)量電阻率來(lái)計(jì)算切割。傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)切割不執(zhí)行根據(jù)所公開(kāi)的過(guò)程的受控切割，因此可在錠中留下許多雜質(zhì)，例如在塊94的錠區(qū)域中，從而需要執(zhí)行其他的定向固化以進(jìn)一步提純?cè)从谠撳V的材料。圖7是硅錠的三維固化交界面的圖解描述。由于難以控制固化，錠結(jié)晶過(guò)程中的固液交界面不是平面的，并導(dǎo)致不均勻的分凝層，如圖7所示。定向固化之后，雜質(zhì)濃縮在錠的頂部中。但是，固化層90、92和94是顯著非均勻的，即固化層不是平面的，而是在錠中垂直地上下變化，并在整個(gè)錠中具有變化的厚度。這導(dǎo)致錠中區(qū)域與區(qū)域之間的雜質(zhì)分布是不同的，引起非均勻的硅錠雜質(zhì)分布。非均勻的固化層使得難以簡(jiǎn)單有效地去除濃縮的雜質(zhì)而不犧牲高產(chǎn)物的硅，或者在錠中留下太多雜質(zhì)。圖8是顯示UMG材料錠中摻雜物硼100、磷102和鋁106的濃度分布的曲線(xiàn)圖 (每立方厘米的原子關(guān)于錠高度百分比，轉(zhuǎn)換為固化分?jǐn)?shù)g)。圖8中，硼的初始濃度是 0. 411ppmw，磷的初始濃度是1. 3ppmw，鋁的初始濃度是23. 08ppmw。由于定向固化過(guò)程中硼、磷和鋁的不同分凝系數(shù)，在大約87%的錠高度處出現(xiàn)導(dǎo)電類(lèi)型的變化。該變化由硼和磷的絕對(duì)濃度加上鋁的濃度來(lái)反映，即abs(B-P+Al)，如圖8的附圖標(biāo)記104所示，其限定ρ 型材料產(chǎn)物的極限。圖9是圖8中描述的UMG-Si錠的鋁濃度分布的剖面圖像。同樣，由于難以控制定向固化過(guò)程中的熱場(chǎng)，結(jié)晶層變得不均勻，導(dǎo)致不均勻的雜質(zhì)濃度分布。鋁的濃度在錠的頂部增大，并在錠的整個(gè)剖面上波動(dòng)，如雜質(zhì)線(xiàn)110所示。這使得難以在整個(gè)錠中有效地去除鋁和其他雜質(zhì)。圖10是圖8中描述的UMG-Si錠的磷濃度分布的剖面圖像。磷的濃度在錠的頂部增大，并在錠的整個(gè)剖面上波動(dòng)，如雜質(zhì)線(xiàn)112所示。在錠的特定部分中，磷的濃度顯著變高，使得難以通過(guò)沿著整個(gè)錠的一個(gè)平剪切線(xiàn)優(yōu)化地去除磷雜質(zhì)。圖11是圖8中描述的UMG-Si錠的硼濃度分布的剖面圖像。硼的濃度在錠的頂部增大，并在錠的整個(gè)剖面上波動(dòng)，如雜質(zhì)線(xiàn)114所示。在錠的特定部分中，硼的濃度顯著變高，使得難以通過(guò)沿著整個(gè)錠的一個(gè)平剪切線(xiàn)優(yōu)化地去除硼雜質(zhì)。圖 12 是顯示雙定向固化爐(dual directional solidification furnace)中硅材料的固化的側(cè)視圖的過(guò)程流。雙定向固化爐是包括頂部和側(cè)面加熱器的固化爐，通常設(shè)置有加熱錠的頂部的一個(gè)加熱器和加熱錠的側(cè)面的多個(gè)加熱器，該固化爐在所得的硅錠的頂部和一側(cè)濃縮雜質(zhì)。圖12的雙定向固化系統(tǒng)利用頂部加熱器122和側(cè)面加熱器120和 124在接近頂部加熱器122的錠的頂部以及側(cè)面加熱器120所在的硅錠一側(cè)濃縮雜質(zhì)。液體硅包含濃縮的雜質(zhì)，也被稱(chēng)作污染區(qū)。在爐溫1500°C，硅完全是液體。在步驟126，爐溫降低到1450°C，熔化的硅部分固化——在錠的底部、熔化硅的下方形成硅的固化層。接近頂部加熱器122的硅保持熔化，而遠(yuǎn)離頂部加熱器122的硅結(jié)晶，雜質(zhì)濃縮在熔化的硅中。在步驟1 中，側(cè)面加熱器120和側(cè)面加熱器IM設(shè)置在相同的溫度，從而形成固化硅的垂直梯度，而硅的水平固化梯度保持一致。在步驟128，在爐溫1420°C，大部分硅結(jié)晶，只有接近頂部加熱器122和側(cè)面加熱器120的區(qū)域是熔化的——其余的硅已經(jīng)結(jié)晶。側(cè)面加熱器124和頂部加熱器122已經(jīng)冷卻，使得接近側(cè)面加熱器1 和頂部加熱器122的硅結(jié)晶，熔化的硅移動(dòng)到側(cè)面加熱器120 附近。雜質(zhì)濃縮在接近側(cè)面加熱器120的錠的頂角中的剩余液體硅中。這樣，雜質(zhì)濃縮在最接近頂部加熱器122和側(cè)面加熱器120的熔化區(qū)域中。這是將要被去除的區(qū)域，以提純完全結(jié)晶的硅錠。雙定向固化爐可以在頂部配備有五個(gè)孔，一個(gè)位于中心，四個(gè)位于角部，以控制和測(cè)量固化的硅部分的高度(經(jīng)常使用簡(jiǎn)單的石英棒)。在步驟130，在爐溫1400°C， 側(cè)面加熱器120被冷卻，硅錠完全固化。雜質(zhì)濃縮在最接近頂部加熱器122和側(cè)面加熱器 120的結(jié)晶區(qū)域中?，F(xiàn)在，錠可用于被分割為塊，并且雜質(zhì)被去除。雙定向固化爐使用接近加熱器的熱區(qū)來(lái)濃縮雜質(zhì)，以便在硅完全結(jié)晶之后有效地去除雜質(zhì)。在過(guò)程中，當(dāng)錠中的熔化硅開(kāi)始固化時(shí)，生成垂直的硅固化梯度。當(dāng)錠的底部中的硅冷卻時(shí)，硅固化，雜質(zhì)(硼、磷和鋁)移動(dòng)到剩余的熔化硅中。在固體/液體交界面到達(dá)導(dǎo)電類(lèi)型轉(zhuǎn)換區(qū)域(通常在80%的錠固化范圍內(nèi))之前，側(cè)面加熱器調(diào)節(jié)溫度以生成水平的硅固化梯度，該梯度將剩余的熔化硅引導(dǎo)到錠的一側(cè)——接近較熱的側(cè)面加熱器的一側(cè)。圖13是顯示雙定向固化爐中的硅材料的固化的俯視圖的過(guò)程流(未顯示頂部加熱器)。一起調(diào)節(jié)側(cè)面加熱器132和側(cè)面加熱器134以生成水平的硅固化梯度，并在側(cè)面加熱器132附近濃縮雜質(zhì)。開(kāi)始，在爐溫1500°C，爐缸中全部的硅熔化。在步驟136，爐溫被調(diào)節(jié)到1450°C，爐缸底部的熔化硅開(kāi)始固化(見(jiàn)圖12的雙定向固化爐中硅固化的側(cè)視圖)，同時(shí)熔化硅移動(dòng)到頂部加熱器附近。在步驟138，在爐溫1420°C，側(cè)面加熱器132被加熱，側(cè)面加熱器134被冷卻，從而生成水平的硅固化梯度。當(dāng)接近側(cè)面加熱器134的硅冷卻并固化時(shí)，熔化硅移動(dòng)到側(cè)面加熱器132附近。雜質(zhì)聚集在接近側(cè)面加熱器132的熔化硅中。在步驟140，當(dāng)爐溫降低到 1400°C時(shí)，具有濃縮雜質(zhì)水平的剩余的熔化硅固化，雜質(zhì)被捕獲在接近側(cè)面加熱器132的錠區(qū)域中。圖14是雙定向固化爐中生成的硅錠的三維固化交界面的圖解描述。如圖所示，在錠結(jié)晶過(guò)程中固液交界面基本上保持為平面，導(dǎo)致基本上均勻和平面的固化層。這樣，對(duì)于硅錠的任意區(qū)域，從上到下的雜質(zhì)分布基本上是相同的。與圖7中的層90、92和94不同， 固化層150、152和IM在整個(gè)錠中是平面的。此外，如俯視圖所示，通過(guò)使用例如圖13所示的雙定向固化爐，污染的固化層已被進(jìn)一步濃縮在側(cè)面156上。這種形式使得雜質(zhì)濃縮在可以根據(jù)所公開(kāi)的方法被輕易剪切的區(qū)域中。優(yōu)選地，使用具有矩形的非二次剖面的爐腔的雙定向固化爐，由此具有較小爐腔的一側(cè)面對(duì)側(cè)面加熱器。圖15是顯示電阻率分布(描繪為歐姆-厘米關(guān)于固化分?jǐn)?shù)g)和用于多種雜質(zhì)濃度的剪切線(xiàn)的曲線(xiàn)圖。電阻率分布顯著地取決于雜質(zhì)濃度。從而能夠確定電阻率分布上的每一點(diǎn)的雜質(zhì)濃度。剪切線(xiàn)166、168和170取決于錠的電阻率分布。可以基于最終制品允許的閾值硅雜質(zhì)濃度確定剪切線(xiàn)。錠電阻率分布160具有0. 45ppmw的硼濃度、1. 59ppmw的磷濃度和0. 087ppmw的鋁濃度。剪切線(xiàn)166對(duì)應(yīng)于電阻率分布160，并且是為電阻率分布160獲得正確的雜質(zhì)濃度閾值量的受控切割線(xiàn)。錠電阻率分布162具有0. 45ppmw的硼濃度、1. 45ppmw的磷濃度和0. 079ppmw的鋁濃度。剪切線(xiàn)168對(duì)應(yīng)于電阻率分布162，并且是為電阻率分布162獲得正確的雜質(zhì)濃度閾值量的受控切割線(xiàn)。錠電阻率分布164具有0. 45ppmw的硼濃度、1. 59ppmw的磷濃度和0. 119ppmw的鋁濃度。剪切線(xiàn)170對(duì)應(yīng)于電阻率分布164，并且是為電阻率分布164獲得正確的雜質(zhì)濃度閾值量的受控切割線(xiàn)。圖16至18是顯示錠的電阻率分布與相同錠的雜質(zhì)濃度分布之間的關(guān)系的曲線(xiàn)圖。可以根據(jù)特定雜質(zhì)的理想閾值濃度來(lái)計(jì)算受控剪切線(xiàn)。圖16至18顯示基于0. 5ppmw 的鋁濃度的剪切線(xiàn)，但是剪切線(xiàn)也可以基于具有任意濃度的各種雜質(zhì)(例如硼或磷)。圖16顯示根據(jù)電阻率分布和雜質(zhì)濃度分布對(duì)相同的硅錠進(jìn)行的剪切線(xiàn)計(jì)算。上方的曲線(xiàn)顯示具有0. 45ppmw的硼濃度、1. 45ppmw的磷濃度和0. 079ppmw的鋁濃度的硅錠的電阻率分布182 (歐姆-厘米關(guān)于固化分?jǐn)?shù)百分比)。下方的曲線(xiàn)顯示相同的錠的硼186、磷 184和鋁188的濃度分布(每立方厘米的原子關(guān)于固化分?jǐn)?shù)百分比)。對(duì)于0. 5ppmw的鋁濃度，在84. 5%的錠高度處計(jì)算了剪切線(xiàn)180。這表示剪切線(xiàn)180下方的錠具有低于0. 5ppmw 的鋁濃度，剪切線(xiàn)180上方的錠具有高于0. 5ppmw的鋁濃度。圖17顯示根據(jù)電阻率分布和雜質(zhì)濃度分布對(duì)相同的硅錠進(jìn)行的剪切線(xiàn)計(jì)算。上方的曲線(xiàn)顯示具有0. 45ppmw的硼濃度、1. 45ppmw的磷濃度和0. 117ppmw的鋁濃度的硅錠的電阻率分布202 (歐姆-厘米關(guān)于固化分?jǐn)?shù)百分比)。下方的曲線(xiàn)顯示相同的錠的硼208、磷 204和鋁206的濃度分布(每立方厘米的原子關(guān)于固化分?jǐn)?shù)百分比)。對(duì)于0. 5ppmw的鋁濃度，在77%的錠高度處計(jì)算了剪切線(xiàn)200。這表示剪切線(xiàn)200下方的錠具有低于0. 5ppmw 的鋁濃度，剪切線(xiàn)200上方的錠具有高于0. 5ppmw的鋁濃度。圖18顯示根據(jù)電阻率分布和雜質(zhì)濃度分布對(duì)相同的硅錠進(jìn)行的剪切線(xiàn)計(jì)算。上方的曲線(xiàn)顯示具有0. 45ppmw的硼濃度、1. 8ppmw的磷濃度和0. 079ppmw的鋁濃度的硅錠的電阻率分布2 (歐姆-厘米關(guān)于固化分?jǐn)?shù)百分比)。下方的曲線(xiàn)顯示相同的錠的硼228、磷 2 和鋁230的濃度分布(每立方厘米的原子關(guān)于固化分?jǐn)?shù)百分比)。對(duì)于0. 5ppmw的鋁濃度，在84. 5%的錠高度處計(jì)算了剪切線(xiàn)222。這表示剪切線(xiàn)222下方的錠具有低于0. 5ppmw 的鋁濃度，剪切線(xiàn)222上方的錠具有高于0. 5ppmw的鋁濃度。還根據(jù)電阻率分布在P/N轉(zhuǎn)換的83%的錠高度處計(jì)算了剪切線(xiàn)220。剪切線(xiàn)反映了從錠中保留ρ型硅材料的最高產(chǎn)量的切割線(xiàn)。圖19是顯示圖16至18中的硅錠的電阻率分布(歐姆-厘米關(guān)于固化分?jǐn)?shù)百分比)的曲線(xiàn)圖。電阻率分布182顯示圖16中的錠的電阻率和對(duì)于0.5ppmw的鋁濃度在84. 5%的錠高度處計(jì)算的剪切線(xiàn)180。電阻率分布102顯示圖17中的錠的電阻率和對(duì)于 0. 5ppmw的鋁濃度在77%的錠高度處計(jì)算的剪切線(xiàn)200。電阻率分布2M顯示圖18中的錠的電阻率和在P/N轉(zhuǎn)換的83. 5%的錠高度處計(jì)算的剪切線(xiàn)220。圖20顯示圖19中的電阻率分布182、202和2 所對(duì)應(yīng)的硼、磷和鋁的濃度分布。在操作中，所公開(kāi)的主題提供一種從UMG-Si錠中去除雜質(zhì)的方法，其基于錠的電阻率分布識(shí)別受控的UMG-Si錠雜質(zhì)去除剪切線(xiàn)。為了提高可用的硅產(chǎn)物，錠被分割為塊， 并且基于塊的電阻率分布為每個(gè)塊計(jì)算剪切線(xiàn)。雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了所公開(kāi)的主題，但是應(yīng)理解，可以進(jìn)行各種變化、替換和改變，其不偏離由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種UMG-Si提純方法，所述方法包括以下步驟執(zhí)行熔化UMG-Si的定向固化，以形成硅錠；將所述硅錠分割為多個(gè)塊；映射所述多個(gè)塊的每一個(gè)的電阻率分布；為所述多個(gè)塊的每一個(gè)計(jì)算剪切線(xiàn)，以便基于所述電阻率映射去除濃縮的雜質(zhì)；以及沿著所述剪切線(xiàn)剪切所述多個(gè)塊的每一個(gè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述計(jì)算剪切線(xiàn)的步驟進(jìn)一步包括基于閾值雜質(zhì)濃度計(jì)算所述剪切線(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述計(jì)算剪切線(xiàn)的步驟進(jìn)一步包括基于閾值硼濃度計(jì)算所述剪切線(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述計(jì)算剪切線(xiàn)的步驟進(jìn)一步包括基于閾值磷濃度計(jì)算所述剪切線(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述計(jì)算剪切線(xiàn)的步驟進(jìn)一步包括基于閾值鋁濃度計(jì)算所述剪切線(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述計(jì)算剪切線(xiàn)的步驟進(jìn)一步包括基于所述硅錠的P/N轉(zhuǎn)換計(jì)算所述剪切線(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述執(zhí)行定向固化的步驟使用雙定向固化爐，所述雙定向固化爐將雜質(zhì)濃縮在所述硅錠的頂部和一個(gè)側(cè)面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述映射電阻率分布的步驟進(jìn)一步包括將電阻率分布映射為三維固化交界面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述硅錠分割為多個(gè)塊的步驟進(jìn)一步包括將所述硅錠分割為多個(gè)小于18千克的塊。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于UMG-Si提純的過(guò)程控制方法，其執(zhí)行熔化UMG-Si的定向固化以形成硅錠。所述錠被分割為多個(gè)塊，并映射每個(gè)硅塊的電阻率分布?；陔娮杪视成?，計(jì)算用于去除定向固化過(guò)程中濃縮和捕捉在錠中的雜質(zhì)的剪切線(xiàn)。然后，通過(guò)沿著塊的計(jì)算的剪切線(xiàn)剪切每個(gè)塊，去除濃縮的雜質(zhì)。
文檔編號(hào)C01B33/02GK102498062SQ201080018680
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)明者A·儒伊尼, A·布洛斯, F·基施特, K·歐納杰拉, M·瓦萊蕾西亞卡, M·霍伊爾, O·西德克海爾 申請(qǐng)人:卡利太陽(yáng)能有限公司