控制由補償硅原料制成的硅錠中電阻率的方法和系統的制作方法

專利名稱：控制由補償硅原料制成的硅錠中電阻率的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明公開的內容涉及半導體材料(例如硅)生產過程中所采用的方法及系統。 特別涉及P型硅錠(silicon ingot)形成過程中控制電阻率(resistivity)的方法和系統， 該方法和系統可以使用低等級硅原料(silicon feedstock)來制作在太陽能電池或類似產 品中十分有用的硅。
背景技術：
光電產業正在蓬勃快速發展且成為硅消耗增長的原因，硅消耗超過傳統的集成電 路(IC)的應用。如今，太陽能電池產業對硅的需求開始與傳統IC產業形成競爭。隨著現 代的制造技術發展，IC產業和太陽能電池產業需要經過精煉、經過提純的硅原料來作為原 始力口工材料(starting material)。用于太陽能電池的替代材料從單晶電子級(electronic grade)硅到含雜質相對 較多的冶金級(metallurgical grade)硅。電子級硅加工出來的硅具有接近理論值的效率， 但是價格昂貴。另一方面，冶金級硅通常加工不出能正常工作的太陽能電池。早期的太陽 能電池使用多晶硅(polycrystalline)，其只有非常低的大約6%的效率。在本專利上下文 中，效率是指入射到電池上的能量與電池所收集到的并轉化成電流的那部分能量的比值。 然而，也許存在著能用于生產太陽能電池的其他的半導體材料。實際上，幾乎90%的商業太 陽能電池由晶體硅(crystalline silicon)制成。由于高昂的成本及獲得和使用高純度硅原料的錯綜復雜的加工要求及與IC產業 的競爭，對適合用作太陽能電池的硅的要求不可能由電子級硅、冶金級硅或者其他級別硅 的生產者采用已知的加工技術來滿足。只要這種狀況還存在，那么節能的太陽能電池就不 能達到大規模生產。電阻率是衡量用于生產太陽能電池的硅(Si)的最重要的參數之一。這是因為太 陽能電池效率對電阻率比較敏感。最新技術的太陽能電池要求電阻率通常在0.5 Ω cm與 5. OQcm 之間。除了電阻率外，在制造太陽能電池時傳導類型是最重要的。傳導類型需是P型或 者N型，也就是說，電子(electron)或空穴(hole)分別是主要的載流子。在電流電池技術 中，P型硅材料通常摻入硼(B)，這會增加半導體中的空穴，換而言之，在各自的硅中扮演接 受者的作用。N型硅在電流電池技術中用得很少甚至不用。該材料通常摻入磷(P)，其用于 增加電子，換而言之，扮演捐贈者的作用。基于提純的冶金硅(upgraded metallurgical silicon, UM-Si)的硅原料常常 含有基本相同數量的硼和磷。從而硼引入的空穴與磷引入的電子相互抵消，稱為補償。主 要載流子的補償通常導致硅從P型硅(晶化過程的開始階段)轉化為N型硅(晶化過 程的結束階段)。這是這些摻雜元素的不同分離行為所致磷具有比硼更小的分離系數 (segregation coefficient)。因此，在鑄造生產多晶硅的硅錠的情況下，生產過程結束時， 硅錠的底部和中部只有P型硅材料而頂部變成了 N型硅材料，成為廢料。
目前基于提純的冶金硅的硅原料其電阻率通常在最小電阻率0.5 Ω cm以下，該最 小電阻率是太陽能電池生產商指定的數值。出現這種情況有一簡單的原因純化提純的冶 金硅的昂貴的加工過程，該加工過程主要關注排除包括摻雜進入的硼原子核磷原子在內的 非金屬元素。為了降低成本，出現了縮減該加工過程的明顯趨勢，也就是說，提純的冶金硅 通常仍然含有較高濃度的摻雜原子。只要硼是主要的摻雜元素，我們就能獲得電阻率相對 較低的P型硅材料。磷對硼的補償，由于在固化過程中硼和磷相異的結合性(incorporation)在晶體 化過程中加劇，導致在晶體化過程中電阻率增大。因此，在晶體化開始階段通常都是很低的 電阻率，在晶體化過程中增大。但是，如已述的那樣，存在一個普遍的問題由于磷對硼補償 過度，使電阻率增大得太多，導致傳導性從P型轉化為N型。向其中加入硼來抑制這一轉化 是不切實際的，因為這樣會進一步使得多晶硅錠底部和中部的電阻率減小。因此，為了增加硅錠中P型硅材料的份額從而增大該種材料的產出，控制材料的 補償效果是有必要的。

發明內容
本發明披露的方法提供了在使太陽能電池的生產達到量產水平、具經濟可行性的 硅錠形成過程中相關步驟的整合。本發明披露的內容包括用于形成多晶硅錠的方法和系 統，其中硅錠在沿其軸線的全部長度上具有均一的P型半導體材料。通過所披露的加工方 法和系統，硅錠可以直接在硅熔爐中形成。例如，利用本發明中披露的方法形成的硅錠，太 陽能級晶圓(solar wafer)和太陽能電池能以更高的性價比生產出來(基于多晶硅材料)。根據本發明披露內容的一方面，在澆鑄半導體錠體時，通過配制提純的冶金硅原 料來熔融使其形成硅熔液，來控制硅錠形成過程中的電阻率。本發明公開的方法估算所述 提純的冶金硅原料中硼和磷的濃度。步驟是分析由改良的硅原料做成的小尺寸參考錠體 中硼和磷的初始結合狀況。基于這一估算，在熔融前述的大尺寸硅錠之前向提純的冶金硅 原料中加入預定數量的元素周期表中第三簇元素，如Ga和Al。需加入的第三簇元素的預定 數量隨所估算出的硼和磷的濃度而定。本發明披露的內容包括將提純的冶金硅原料及第三簇元素熔融以形成一熔融的 硅熔液，該熔液中包含有預定數量的第三簇元素；將熔融的硅熔液進行定向凝固以形成一 硅錠，且由于加入了預定數量的第三簇元素，可保持硅錠的電阻率一致性遍布整個錠體。通 過這種方式，由提純的冶金補償硅(compensatedUM-Si)原料制作出的P型硅錠的電阻率的 范圍低至大約0. 15 Ω cm。本發明揭露的這些優點以及其他的優點，還有附加的新特征，能顯然地從本發明 所公開的內容中得出。此處的發明內容并不是對要求保護的客體的綜合全面的描述，而只 是對一些客體的功能的簡短描述。此處指出的其他的系統、方法、特征以及優點結合附圖及 詳細描述后對本技術領域的技術人員來說是顯而易見的。


結合附圖，本發明所披露的特征、特點以及優點在以下的詳細描述中變得更加明 顯，相同的參考符號貫用至所有附圖，其中
圖1顯示了本發明所提出的形成硅錠的一種實施情況；圖2概念性地顯示了本發明中形成具有P型硅材料的硅錠的一實施例；圖3概念性地顯示了本發明中形成具有P型硅材料的硅錠的一替選實施例；圖4描繪了提純的冶金補償硅原料制成的硅錠的軸向上的載流子濃度；圖5描繪了由另一種方式的提純的冶金補償硅原料制成的硅錠的軸向上的載流 子濃度；圖6描繪了由另一種提純的冶金補償硅原料制成的硅錠的軸向上的載流子濃度。
具體實施例方式本發明所披露的方法和系統提供了一種半導體錠的形成方法來生產多晶硅錠。通 過采用本發明所披露的技術方案，對低級別半導體材料屬性進行改良，如提純(upgraded)， 得到部分純化的冶金硅。這一改良使得提純的冶金硅應用于生產太陽能電池，用于太陽能 產生及相關用途。此外，本發明所披露的方法和系統特別有利于使用了提純的冶金硅或其 他非電子級硅原料的太陽能電池的生產，而且也能用作電子級硅原料。由雜質種類(impurity-specific)分離所控制，定向凝固 (Directionalsolidification)導致雜質的特征軸向分布(I)。所謂的分離系數S表示了 分離特征，其由下面簡化了的表達式表示S(I) = f (C ⑴一/(^I)melt)其中S⑴表示特定雜質(如摻雜原子)的分離系數，例如I = B或者I = P ；C^Draystal表示凝固的晶體硅中硼和磷的濃度；C(B)fflelt分別表示熔融的硅熔液中硼和磷的濃度。如果在硅的定向凝固結晶過程中所使用的原料中存在硼和磷，從晶體化后的軸向 電阻率的變化來看，得出原料中濃度比率——硼/磷(B/P)是可能的。較為方便，小塊硅錠 或晶體(例如僅僅一些100克的原料)就足夠獲得可靠的軸向電阻率測試圖(profile)，預 先假定原料取樣反映了原料關于硼和磷濃度的組成。最重要的是在該小塊參考硅錠中硼和 磷的初始結合狀況的估算。我們應用這一方法來研究不同B/P比率的原料。在B/P比率接近2及以下時，我們已經看到在各自的硅錠中從P型傳導轉 化成N型傳導，導致P型材料10%的產出損失。通常，N型材料的那一部分及相應 的P型材料的產出損失可能達到50%。我們發現大大改善由具有這種由補償引起的 (compensation-related)傳導類型轉化的原料制成的硅錠的軸向電阻率分布的方法。這些 方法可以完全抑制轉化成N型材料，以致高達100%的硅錠能被使用。更具代表性的是可用 的P型材料的產出率大約為95%。圖1顯示的圖表10概念性地描繪了出現在用于形成硅錠的硅原料熔液中的硼和 磷的濃度。在圖表10中，縱坐標12涉及硅熔液中摻雜物質的濃度，而軸14代表硅錠形成 的階段，從0% (0.0) 100% (1.0)。圖線16表示硅熔液中硼濃度的變化，而圖線18表示 磷濃度的變化。最初，接近0%的硅錠形成，可能存在B/P比率> 1的狀況。如圖表10所示，由于硼和磷的不同的分離系數，在硅錠形成過程中某些位置，磷 的濃度超過了硼的濃度。因此，開始是P型半導體材料的硅熔液將變成N型半導體材料。這
7從圖線20可以看出。因此，圖線20描繪了在硅變成N型半導體時，硅錠呈現出P-N結。圖2描繪了本發明所披露的加工方法30的一個實施例，其中經補償后的P型提純 的冶金硅32需要一已確定數量的第三簇元素34，特別是鋁和鎵，來形成熔化的硅熔液36。 如果提純的冶金硅32的初始電阻率P在0. 15 Ω cm與0. 5 Ω cm之間，也可以將磷37加入 到上述種類的第三簇元素中。采用硅錠的形成方法，例如常見的鑄造方式，該方法可獲得 100%的P型硅錠38。圖3描述了本發明所披露的方法的一個替選實施例，其中提純的冶金補償P型硅 42具有接近可使用的硅錠50的最小電阻率(約等于0. 15Qcm)的初始電阻率。當接近這 一低電阻率時，例如0. 2 Ω cm，僅僅加入第三簇元素44至熔融硅48中是不充分的。在這種 情況下，為了在結束階段時具有100%的P型硅錠50，以及該硅錠中可用材料具有較高份額 (通常接近整個硅錠的95 % )，加入額外的磷是必須的。圖4至圖6以及附加的文字顯示了圖2和圖3中的加工出的硅錠的軸向電阻率圖 和相應的描述。圖4描繪了由提純的冶金硅原料制成的硅錠的軸向載流子濃度，硅原料具 有濃度為5. OX IO16CnT3的硼和濃度為2. 4X IO16CnT3的磷(B/P比率接近2)。在晶體化的開 始階段，即硅錠的底部處，電阻率是0. 6 Ω cm，其與初始的主要載流子的濃度2. 6X1016cm_3相 應。呈現出沿硅錠高度上的接受者濃度減去捐贈者濃度，g是硅錠的凝固部分g = 0則意 味著硅錠的底部，g = 1意味著硅錠的頂部。因此，圖4顯示了當采用提純的冶金硅原料時硅錠軸向電阻率的圖60。在該情況 下，我們看到導致初始初始電阻率> 0. 5 Ω cm的材料。沿著縱坐標62，有電子捐贈量控制電 阻率的數字Nd，電子接受的負數字Na，如該硅錠(IxlO15 IxIO1VcnT3)顯示的一樣。沿著橫 坐標64，顯示了形成硅錠的完成進度，變化范圍從0. 0至1. 0，此處1. 0表示硅錠的形成已 結束。硅錠的電阻率由初始0. 6 Ω cm開始，圖線66顯示未采用本發明的方法時的情況，具 有0. 8左右的完成進度Nd(實質上等于Na)。在該處，熔融硅中磷的量與硼的量達到平衡。 這種平衡的結果先變成一 P-N結，然后變成N型半導體材料(對于硅錠的剩余部分)。采用 該硅錠將意味著可用P型材料的至少20%的產出損失。與圖線66形成對照，圖線68顯示了加入能足夠抵消所增加的磷濃度(相對于硼 而言)的量的鎵元素的效果(如圖1所示)。圖線68顯示出硅錠中電阻率有輕微減少(由 于加入了鎵)。但是，鎵的加入進一步提供維持隊與 之間的差異在硅錠的大部分中幾乎為 常量的有益作用。因此，直到硅錠的完成進度達到約95 %，電阻率在0. 53 Ω cm與0. 76 Ω cm 之間變化，這樣的硅仍然是P型半導體材料，并且完全避免了 P-N結形成。對于正被討論的 特定的硅原料，硅錠的產出損失減少了至少15%，從目前最高技術中的20%降到本發明所 披露的5%左右。另一實質性的優點是非常密集的電阻率范圍，其達到能用的硅錠95%內 的范圍。圖5描繪了不同方式補償后的提純的冶金硅原料制成的硅錠的軸向載流子濃 度情況，其中硼的濃度為7. 6X IO16CnT3，磷的濃度為5. OX IO16CnT3(B/P的比率接近1.5)。 在晶體化的開始階段，即硅錠的底部，電阻率也是0.6 Ω cm，其與初始的主要載流子濃度 2. 6xl016cm-3相應。呈現出的是沿硅錠高度上的接受者濃度減去捐贈者濃度，g是硅錠的凝 固部分g = 0意味著硅錠的底部，g = 1意味著硅錠的頂部。因此，圖5顯示了也采用提純 的冶金硅材料的硅錠的軸向電阻率的圖70，如圖2中所示。縱坐標72為Na-Nd的值，范圍從IxlO15 lxlOVcnT3。沿著橫坐標74，是硅錠的完成進度，范圍從0.0至1.0。硅錠從初 始電阻率0. 6 Ω cm開始，圖線76顯示了未采用本發明的方法時的情況，大約0. 6左右的完 成進度，Nd實質上等于Na。在此處，熔融硅中磷的量與硼的量達到平衡。這種平衡的結果首 先變成一 P-N結，然后，變成N型半導體材料(對于硅錠的剩余部分)。采用該硅錠將意味 著可用P型材料的至少40%的產出損失。與圖線66形成對照，圖線68顯示了加入能足夠抵消所增加的磷濃度(相對于硼 而言)的量的鎵元素的效果。圖線68顯示出硅錠中電阻率有輕微減少(由于加入了鎵)。 但是，鎵的加入進一步提供維持隊與 之間的差異在硅錠的大部分中幾乎為常量的有益作 用。因此，直到硅錠的完成進度達到約0. 95處，電阻率在0. 43 Ω cm與0. 98 Ω cm之間變化， 且因此硅仍舊是可用的P型半導體材料。完全避免了 P-N結形成。圖6描繪了由另一種提 純的冶金補償硅原料制成的硅錠的軸向載流子濃度，其中硼的濃度為186X1017cm_3，磷的 濃度為9. OX IO16CnT3 (B/P的比率接近2)。在晶體化的開始階段，即硅錠的底部，電阻率僅 為0. 2 Ω cm，其與初始的主要載流子濃度9. 6X1016cm_3相應。呈現出的是沿硅錠高度上的接 受者濃度減去捐贈者濃度，g是硅錠的凝固部分g = 0意味著硅錠的底部，g = 1意味著硅 錠的頂部。完全避免了 P-N結形成，且在總個硅錠的95%內電阻率變化仍舊是非常低。因 此，對于討論中的特定的硅原料，在硅錠上的產出損失減少了至少35%，從目前最好技術水 平的40%下降到本發明的大約5%。圖6顯示了硅錠的軸向電阻率的圖80來說明本發明所公開的方法如何仍然有利 地影響原料上有用的電阻率范圍邊緣處的電阻率，如圖3所示。這樣的方法可以用具有明 顯的較低制造成本的高期望特征的提純的冶金硅原料，然而此處只列舉了一勉強合意的電 阻率(如大約0. 2 Ω cm)。圖80中，縱坐標82標示了 Nd-Na的值，其范圍為IxlO15 δχΙ ^/αιΓ3。沿著橫坐標 84，其標示硅錠形成的完成進度，其范圍從0. 0到1.0。圖線86具有初始電阻率0. 2 Ω cm, 其顯示了未采用本發明所披露的方法時的狀況，在完成進度大約0. 8處，Nd實質上等于Na。 圖線90顯示了加入了一定量的鎵的效果，加入的量足夠能抵消所升高的磷濃度(相對于 硼)的作用。但是，幾乎貫穿整個硅錠，由此而得到的電阻率低于已經很低的初始電阻率 0. 2 Ω cm(低于該值的電阻率是沒多少用處的)。因此，當使用能導致電阻率在有益范圍的 較低值的硅原料時，單獨加入鎵(或者鋁)實際上是不可能使材料達到更有益的電阻率范 圍(盡管完全抑制了 P-N結形成)。但是，圖線88顯示了不同的結果。圖線88涉及除已經加入的鎵或鋁之外還增加 了不確定量的磷至硅原料中。如圖線88所示，其作用是增加電阻率初始值并避免了 P-N結 形成。因此，硅仍然是P型半導體材料，且在硅錠的大約95%內，電阻率范圍在0. 17 Ω cm至 1.42Qcm之間。僅僅非常小比例的材料在不太有用的范圍(<0.2 Ω cm)，與僅僅只加入第 三簇鎵(或鋁)恰恰相反。總而言之，在相對較高的硅錠電阻率(超過大約0.4 Ω cm)時，僅僅加入鋁或鎵能 有效抵消因磷引起的對硼的補償。周期表中的這些第三簇元素必須在熔融以開始晶體化之 前加入硅原料中。與加入硼的情況相反，當加入鋁或鎵時，可獲得優良的沿晶軸的電阻率一 致性，避免在晶體化早期出現電阻率大幅度減少(其當僅僅加入硼而不是鋁或鎵時發生)。 由鋁和鎵組成的混合物也是可行的。
在相對較低的錠體電阻率(低于大約0. 4 Ω cm)時，可開始加入鎵-磷化合物或用 鋁-磷化合物代替，來有利地抵消補償。在非常低的電阻率時(接近大約0.2 Ω cm)，加入這 樣的第三簇元素和磷形成的化合物是必須的。適用某一 Ga/P比率或用某一 A1/P比率替代 (鎵能部分地用鋁替代，反之亦然)能用來使得可以利用具有很低電阻率的原料，小到大約 0. 15 Ω cm的最小電阻率。如此低品質的材料與低生產成本聯系在一起。我們已經披露了一種用于在由補償后的硅原料形成硅錠時控制電阻率得方法，包 括如下步驟-估算最初加入至由經補償后的硅原料制成的特定硅錠中硼和磷的濃度；-確定適當數量的鎵或/和鋁(用于相對而言較高的電阻率)，或者確定適當數量 的鎵或/和鋁以及附加數量的磷(用于相對而言較低的電阻率)；-準備單獨的硅原料用于熔融，以形成熔融硅，通過加入預定數量的鎵或/和鋁 (如果電阻率相對低就還加入磷)；-使硅熔化然后凝固上述由硅原料及達到平衡數量的鎵或/和鋁(如果電阻率相 對低就還加入磷)；-通過加入預定數量的鎵或/和鋁(如果電阻率相對低就還加入磷)維持貫穿各 硅錠的特定硅錠的電阻率的均勻性。本發明描述的半導體加工特征和功用提供來在P型半導體硅錠的形成過程中進 行電阻率控制。盡管列舉了多個實施例且進行了詳細描述，本技術領域的技術人員可以容 易地設計出許多落入本發明的其他的變型實施例。在前面對優先實施例的描述用于使本技 術領域中任何技術人員制作或使用本發明要求保護的客體。對這些實施例的變型對本領域 的技術人員而言是顯而易見的，本發明界定出的一般原理在不需要創造性勞動的情況下可 以應用于其他實施例。因此，要求保護的客體不只限制在說明書中列出的實施例，而是一個 與本發明披露的原理及新特征一致的最廣的范圍。
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權利要求
在硅錠的形成過程中控制電阻率的方法，包括以下步驟配制一提純的冶金補償硅原料，供熔化來形成一硅熔液，所述提純的冶金補償硅原料包括一P型占大多數的半導體；估算所述的提純的冶金補償硅原料中硼和磷的濃度；向所述的提純的冶金補償硅原料中加入預定數量的元素，該元素從鋁或鎵組成的組中選取，所述元素的預定數量與所述估算出的硼和磷的濃度相關聯。將所述的太陽能冶金級硅原料和選自由鋁或鎵組成的組中的預定數量的元素熔化來形成熔融的硅熔液，該熔融的硅熔液中包括預定數量的所述元素；對所述的熔融的硅熔液進行定向凝固，以形成硅錠，通過加入預定數量的所述元素，所述硅錠在其整個軸向長度上電阻率均勻一致。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述的提純的冶金補償硅原料包括具有初始電阻 率在0. 15 Ω cm and 5. 0 Ω cm范圍之間的太陽能冶金級硅。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述估算所述的提純的冶金補償硅原料中硼和磷 的濃度的步驟由對提純的冶金補償硅參考樣板的軸向電阻率的定值(determination)而 得出。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述估算所述的提純的冶金補償硅原料具有 0. 5 Ω cm以上的電阻率。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述估算所述的提純的冶金補償硅原料包括一 0. 15 Ω cm 0.5 Ω cm之間的電阻率范圍。
6.根據權利要求1所述的方法，其中向所述的提純的冶金補償硅原料中加入元素的步 驟還包括以下步驟，即在初始電阻率處于0. 15 Ω cm與0. 5 Ω cm之間時，向該提純的冶金補 償硅原料中加入預定數量的鋁。
7.根據權利要求1所述的方法，其中向所述的提純的冶金補償硅原料中加入元素的步 驟還包括以下步驟，即在初始電阻率小于0. 4 Ω cm時，向該提純的冶金補償硅原料中加入 預定數量的鋁和預定數量的磷。
8.根據權利要求1所述的方法，特征在于還包括以下步驟，即在電阻率處于0.15 Ω cm 禾口 0. 5 Ω cm之間時，向所述的提純的冶金補償硅原料中加入鋁-磷化合物。
9.根據權利要求1所述的方法，其中向所述的提純的冶金補償硅原料中加入元素的步 驟還包括以下步驟，即向所述的提純的冶金補償硅原料中加入預定數量的鎵元素。
10.根據權利要求1所述的方法，其中向所述的提純的冶金補償硅原料中加入元素的 步驟還包括以下步驟，即在初始電阻率處于0. 15 Ω cm與0. 5 Ω cm之間時，向該提純的冶金 補償硅原料中加入預定數量的鎵。
11.根據權利要求1所述的方法，其中向所述的提純的冶金補償硅原料中加入元素的 步驟還包括以下步驟，即在初始電阻率小于0. 4 Ω cm時，向該提純的冶金補償硅原料中加 入預定數量的鎵和預定數量的磷。
12.根據權利要求1所述的方法，特征在于還包括以下步驟，即在電阻率在0.15Qcm和 0. 5 Ω cm之間時，向所述的提純的冶金補償硅原料中加入鋁-磷化合物。
13.根據權利要求1所述的方法，其中向所述的提純的冶金補償硅原料中加入元素的 步驟還包括以下步驟，即向所述的提純的冶金補償硅原料中加入由預定數量的鋁和預定數量的鎵組成的混合物。
14.根據權利要求1所述的方法，其中對所述的熔融的硅熔液進行定向凝固的步驟還 包括以下步驟，即生產出含有基本一致且遍及整個錠體的P型摻雜分布的硅錠。
15.根據權利要求1所述的方法，其中對所述的熔融的硅熔液進行定向凝固的步驟 還包括以下步驟，即生產出含有100%的P型硅材料的硅錠；該硅錠的95%都具有處于 0. 53 Ω cm和0. 76 Ω cm之間的電阻率。
16.根據權利要求1所述的方法，其中對所述的熔融的硅熔液進行定向凝固的步驟 還包括以下步驟，即生產出含有100%的P型硅材料的硅錠；該硅錠的95%都具有處于 0. 43 Ω cm和0. 98 Ω cm之間的電阻率。
17.一種半導體硅錠，其包括一種硅材料，其由提純的冶金級補償硅原料熔融成硅熔液后制作形成，所述的提純的 冶金級補償硅原料包含主要是P型半導體的硼_磷化合物；所述硅材料還包括一預定數量的用來形成熔融硅熔液的元素，該元素選自由鋁或鎵組 成的組中，該組中的所述的預定數量供在整個硅錠形成過程中維持所述硅熔液處于P型占 大多數的硅材料的狀態；所述硅錠是利用所述的熔融的硅熔液的定向凝固而形成。
18.根據權利要求17所述的半導體硅錠，其中所述的提純的冶金補償硅原料包括初始 電阻率在0. 15 Ω cm與5. 0 Ω cm之間的太陽能冶金級硅。
19.根據權利要求17所述的半導體硅錠，其中所述的提純的冶金級補償硅原料包括電 阻率在0. 5 Ω cm以上的太陽能冶金級硅。
20.根據權利要求17所述的半導體硅錠，其中向所述的提純的冶金級補償硅原料中加 入元素的步驟還包括以下步驟，即在初始電阻率處于0. 15 Ω cm與0. 5 Ω cm之間時，向該提 純的冶金級補償硅原料中加入預定數量的鋁。
21.根據權利要求17所述的半導體硅錠，其中向所述的提純的冶金級補償硅原料中加 入元素的步驟還包括以下步驟，即在初始電阻率小于0. 4 Ω cm時，向該提純的冶金級補償 硅原料中加入預定數量的鋁和預定數量的磷。
22.根據權利要求17所述的半導體硅錠，特征在于其可利用以下步驟來形成， 即向所述的提純的冶金級補償硅原料中加入鋁-磷化合物來抵消在當電阻率處于 0. 2 Ω cm和0. 5 Ω cm之間時進行的定向凝固的步驟中發生的電阻率調整(resistivity compensation)。
23.根據權利要求17所述的半導體硅錠，特征在于其可利用以下步驟來形成，即向所 述的提純的冶金級補償硅原料中加入鋁_磷化合物來抵消在當電阻率處于0. 2 Ω cm以下時 進行的定向凝固的步驟中發生的電阻率調整。
24.根據權利要求17所述的半導體硅錠，其中進行所述熔融的硅熔液的定向凝固的步 驟還包括以下步驟，即生產出含有100%的P型硅材料的硅錠；該硅錠的95%都具有處于 0. 53 Ω cm和0. 76 Ω cm之間的電阻率。
25.根據權利要求17所述的半導體硅錠，利用向所述的提純的冶金級補償硅原料中加 入元素的步驟還包括以下步驟，即在電阻率接近0. 5 Ω cm時，向該提純的冶金級補償硅原 料中加入預定數量的鎵。
26.一種供形成大粒多晶半導體硅錠的系統，其包括一熔爐，其用于接收并熔融提純的冶金級補償硅原料來形成以硅熔液，所述的提純的 冶金級補償硅原料包含一P型占大多數的半導體；一估算裝置，其用于估算所述的提純的冶金級補償硅原料中硼和磷的濃度； 一元素加入裝置，其用于向所述的提純的冶金級補償硅原料中加入預定數量、選自由 鋁或鎵形成的組中的元素，元素的預定數量與所估算的硼和磷的濃度相關；一加熱裝置，其用于熔化所述冶金級硅原料及所述選自由鋁或鎵形成的組中的元素以 形成熔融的硅熔液，該硅熔液中包含所述的預定數量的、選自由鋁或鎵形成的組中的元素； 以及一硅凝固裝置，其用于對所述的硅熔液進行定向凝固，來形成一硅錠；并且，利用所加 入的選自由鋁或鎵形成的組中的、預定數量的所述元素來維持該硅錠的電阻率在其整個錠 體中具有一致性。
27.根據權利要求26所述的系統，特征在于還包括電阻率估算器具，其用來估算從提 純的冶金補償硅參考樣板的軸向電阻率定值中推理出的太陽能冶金級硅中硼和磷的濃度。
全文摘要
本發明公開了一種用于控制從補償硅原料形成硅錠過程中的電阻率的方法，本方法配制一用于熔融形成硅熔液的提純的冶金補償硅。提純的冶金補償硅原料提供一P型占大多數的半導體，本方法估算提純的冶金補償硅原料中硼和磷的濃度并加入預定數量的鋁或/和鎵；本方法進一步將硅原料與預定數量的鋁或/和鎵熔化來形成一熔融的硅熔液，進行定向凝固；并且，通過加入鋁或/和鎵來維持該硅錠的電阻率在其整個錠體中具有一致性。在各硅錠中硅原料引起低電阻率的情況下(通常是在0.4Ωcm以下)，磷的差額可以隨意加入至鋁或/和鎵中。在低電阻率(通常接近0.2Ωcm或稍低)時，加入磷是必須的。
文檔編號C01B33/26GK101918314SQ200880105605
公開日2010年12月15日 申請日期2008年6月27日 優先權日2007年6月27日
發明者D·林克, F·基爾希特, J·P·拉克特里拉, K·安拉杰拉, M·豪雅, V·阿布羅斯莫娃 申請人:卡利太陽能有限公司