TWM545789U - 多晶矽鑄錠元件以及多晶矽鑄錠 - Google Patents

Description

多晶矽鑄錠元件以及多晶矽鑄錠

本新型創作是有關於一種鑄錠，且特別是有關於一種多晶矽鑄錠。

矽晶圓在半導體產業中扮演著關鍵的角色。若矽晶圓的品質不良，則會對應用所述矽晶圓的半導體元件的效率或電性表現造成負面影響。以太陽能電池為例，太陽能電池的光電轉換效率會受到矽晶圓品質的限制。依據所採用的鑄錠的不同，目前的太陽能電池主要包括單晶矽太陽能電池與多晶矽太陽能電池。相較於單晶矽太陽能電池，多晶矽太陽能電池所使用的多晶矽鑄錠具有成長速率快以及方便裁切等優勢。惟目前多晶矽鑄錠的製造方法無法有效降低多晶矽鑄錠中的缺陷比例，導致多晶矽鑄錠的切片良率不佳，且後續製成的太陽能電池的光電轉換效率不佳。是以，研發出低缺陷比例的多晶矽鑄錠實為研發人員所關注的議題之一。

本新型創作提供多晶矽鑄錠以及多晶矽鑄錠元件，其具有低缺陷比例。

本新型創作的一種多晶矽鑄錠，其外形為長方體。多晶矽鑄錠具有從成長容器脫模的底面。多晶矽鑄錠具有多層。各層包括多個矽晶粒，且第i層位於第（i+1）層與底面之間，i為≥1的正整數，其中第i層的矽晶粒的平均晶粒尺寸小於第（i+1）層的矽晶粒的平均晶粒尺寸。

本新型創作的一種多晶矽鑄錠，其外形為長方體。多晶矽鑄錠包括多個矽晶粒。矽晶粒從多晶矽鑄錠的底面沿成長方向成長，其中矽晶粒的平均晶粒尺寸從底面沿成長方向遞增。

本新型創作的一種多晶矽鑄錠元件，其形成於方形成長容器中。多晶矽鑄錠元件包括成核層以及多晶矽鑄錠。成核層包括多個晶種以及脫模層。脫模層配置在晶種上。多晶矽鑄錠配置在成核層上，且多晶矽鑄錠接觸脫模層以及晶種被脫模層曝露出來的部分。

基於上述，在長晶過程中，晶粒成長是由小而大，在此長晶方法的控制下，有助於晶粒朝單一方向成長，並抑制較差的晶界缺陷形成。是以，本新型創作的多晶矽鑄錠以及多晶矽鑄錠元件可具有低缺陷比例。

為讓本新型創作的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依照本新型創作的一實施例的一種多晶矽鑄錠的示意圖。請參照圖1，多晶矽鑄錠100具有底面SB、多個側壁面SS以及頂面ST。底面SB與頂面ST彼此相對，且側壁面SS連接底面SB與頂面ST。進一步而言，多晶矽鑄錠100的外形為長方體，其具有六個面，且鄰接的面彼此垂直。當六個面皆為相等的正方形時，則稱為立方體（正六面體）。

多晶矽鑄錠100包括多個矽晶粒110。矽晶粒110從多晶矽鑄錠100的底面SB沿成長方向D成長。所述成長方向D平行於側壁面SS且從底面SB指向頂面ST。此外，矽晶粒110的平均晶粒尺寸從底面SB沿成長方向D遞增。換句話說，越靠近底面SB的層的矽晶粒110的平均晶粒尺寸越小。

進一步而言，多晶矽鑄錠100可劃分出多層，且第i層位於第（i+1）層與底面SB之間，i為≥1的正整數。舉例而言，圖1的多晶矽鑄錠100可劃分出4層，如第1層L1、第2層L2、第3層L3以及第4層L4，其中第1層L1位於第2層L2與底面SB之間，第2層L2位於第3層L3與底面SB之間，且第3層L3位於第4層L4與底面SB之間。第1層L1的矽晶粒110的平均晶粒尺寸小於第2層L2的矽晶粒110的平均晶粒尺寸，第2層L2的矽晶粒110的平均晶粒尺寸小於第3層L3的矽晶粒110的平均晶粒尺寸，且第3層L3的矽晶粒110的平均晶粒尺寸小於第4層L4的矽晶粒110的平均晶粒尺寸。

在本實施例中，多晶矽鑄錠100的第1層L1的高度H1約50mm至100mm之間，且多晶矽鑄錠100的第1層L1的平均晶粒尺寸介於5mm至9mm之間。多晶矽鑄錠100的第2層L2的高度H2約100mm至150mm之間，且多晶矽鑄錠100的第2層L2的平均晶粒尺寸介於9mm至12mm之間。多晶矽鑄錠100的第3層L3的高度H3約150mm至200mm之間，且多晶矽鑄錠100的第3層L3的平均晶粒尺寸介於12mm至16mm之間。多晶矽鑄錠100的第4層L4的高度H3約200mm至250mm之間，且多晶矽鑄錠100的第4層L4的平均晶粒尺寸介於16mm至20mm之間。此外，多晶矽鑄錠100的第1層L1的缺陷比例小於3%。多晶矽鑄錠100的第2層L2的缺陷比例小於5%。多晶矽鑄錠100的第3層L3的缺陷比例小於7%。多晶矽鑄錠100的第4層L4的缺陷比例小於9%。

圖2A至圖2E是圖1的多晶矽鑄錠的一種製造流程的剖面示意圖。請參照圖2A，提供成長容器200。成長容器200例如是方形坩堝，使形成於成長容器200內的多晶矽鑄錠的外形為長方體。方形坩堝可為石英坩堝，但不以此為限。

在將矽原料裝入成長容器200之前，先於成長容器200的底面SB’形成成核層210。成核層210例如包括多個晶種212以及脫模層214。晶種212配置在成長容器200的底面SB’上，其適於提供後續長晶時的成核點。脫模層214配置在晶種212以及被晶種212暴露出來的底面SB’上，且脫模層214的最大厚度約等於晶種212的最大厚度。進一步而言，覆蓋於晶種212上的脫模層214的厚度須夠薄，使得在後續升溫製程中，覆蓋於晶種212上的脫模層214能夠受熱熔融而暴露出晶種212的局部區域，以提供成核點。

形成成核層210的方法可以是將晶種212配置在底面SB’上，再將脫模材料形成（例如噴塗）在晶種212以及被晶種212暴露出來的底面SB’上，以形成脫模層214。或者，也可先將晶種212混入脫模材料中，再將混有晶種212的脫模材料形成（例如噴塗）在底面SB’上。晶種212的材質例如包括二氧化矽，且晶種212的平均尺寸例如介於0.05mm至50mm之間，以提供密集的成核點，來大量降低形成於多晶矽鑄錠100的底部的大尺寸矽晶粒的分佈比例。脫模層214的材質例如包括氮化矽（Si ₃N ₄），但不以此為限。

在本實施例中，還可進一步於成長容器200的側壁面SS’上形成脫模層214’。如此，在後續脫模時，有助於多晶矽鑄錠100的側壁面SS從成長容器200分離。此外，脫模層214’還可具有阻絕雜質的作用，避免矽熔湯在長晶過程中吸附成長容器200中的雜質而影響多晶矽鑄錠100品質。脫模層214’的材質例如包括氮化矽，但不以此為限。

請參照圖2B，於成長容器200中裝入矽原料220。矽原料220包括多個矽塊。矽塊可包括大尺寸矽塊及小尺寸矽塊。

請參照圖2C，將裝入矽原料220的成長容器200放置於定向凝固系統（Directional Solidification System, DSS）中，並加熱成長容器200，使矽原料220全部熔化成矽熔湯230。在此升溫製程中，脫模層214亦受熱熔融而使得晶種212被脫模層214局部裸露出來，且晶種212被裸露出來的部分與矽熔湯230接觸。補充說明的是，矽原料220全部熔化成矽熔湯230的溫度需低於脫模層214’、脫模層214及晶種212的熔點，以避免脫模層214’、脫模層214及晶種212受熱而全部熔融。

請參照圖2D，基於方向性凝固製程，控制成長方向D上的溫度場，使矽熔湯230維持其熔融溫度，且使成長容器200底部的溫度低於矽熔湯230的熔融溫度，以利矽晶粒110在晶種212上成核且沿成長方向D成長。藉由控制固液介面（矽晶粒110與矽熔湯230的介面）的溫度梯度，可降低熱應力，從而減少缺陷的產生。

請參照圖2E，直至矽熔湯230全部凝固，則形成多晶矽鑄錠元件10。多晶矽鑄錠元件10包括成核層210以及未脫模的多晶矽鑄錠100。成核層210包括多個晶種212以及脫模層214。脫模層214配置在晶種212上。多晶矽鑄錠100配置在成核層210上，且多晶矽鑄錠100接觸脫模層214以及晶種212被脫模層214曝露出來的部分。進一步而言，多晶矽鑄錠100的底面SB接觸脫模層214以及晶種212被脫模層214曝露出來的部分，且多晶矽鑄錠100的側壁面SS與脫模層214’接觸。

接著，藉由脫模製程取下多晶矽鑄錠100。在脫模的過程中，多晶矽鑄錠100的側壁面SS與脫模層214’分離，而多晶矽鑄錠100的底部例如沿圖2E的放大圖中的虛線處斷裂，而使多晶矽鑄錠100的底面SB與成核層210分離。由於斷裂面的面積甚小，對於多晶矽鑄錠100的底面SB的表面粗糙度（Ra）的影響甚微，因此多晶矽鑄錠100的底面SB的表面粗糙度的大小主要由成核層210的脫模層214決定。在脫模層214與脫模層214’採用相同材質的情況下，多晶矽鑄錠100的底面SB與側壁面SS的表面粗糙度會相近。

以下通過圖3A至圖6說明本新型創作的多晶矽鑄錠與習知技術的多晶矽鑄錠的差異。圖3A至圖3C分別是晶片外觀照片，用以顯示本新型創作的一實施例的多晶矽鑄錠在靠近底面的部分、中間部分及靠近頂面的部分的矽晶粒尺寸。圖4A至圖4C分別是晶片外觀照片，用以顯示一比較例的多晶矽鑄錠在靠近底面的部分、中間部分及靠近頂面的部分的矽晶粒尺寸。圖5是一高度-平均晶粒尺寸的關係圖，用以比較本新型創作的一實施例（標示為鑄錠A）與比較例（標示為鑄錠B）的多晶矽鑄錠在不同高度下的平均晶粒尺寸。圖6是一高度-缺陷比例的關係圖，用以比較本新型創作的一實施例（標示為鑄錠A）與比較例（標示為鑄錠B）的多晶矽鑄錠在不同高度下的缺陷比例。所述比較例的多晶矽鑄錠是根據習知技術所提出的方法所製造的多晶矽鑄錠，於此便不再贅述。

請參照圖3A至圖3C、圖5及圖6，本新型創作的一實施例的多晶矽鑄錠（標示為鑄錠A）在高度約50mm至100mm之間的一切片的平均晶粒尺寸介於5mm至9mm之間；在高度約100mm至150mm之間的一切片的平均晶粒尺寸介於9mm至12mm之間；在高度約150mm至200mm之間的一切片的平均晶粒尺寸介於12mm至16mm之間；在高度約200mm至250mm之間的一切片的平均晶粒尺寸介於16mm至20mm之間。換句話說，在本新型創作的一實施例的多晶矽鑄錠中，矽晶粒的平均晶粒尺寸從底面沿成長方向遞增。此外，在高度約50mm至100mm之間的一切片的缺陷比例小於3%；在高度約100mm至150mm之間的一切片的缺陷比例小於5%；在高度約150mm至200mm之間的一切片的缺陷比例小於7%；在高度約200mm至250mm之間的一切片的缺陷比例小於9%。

從圖4A至圖4C的金相照片以及圖5及圖6的關係圖可知，習知技術的多晶矽鑄錠（標示為鑄錠B）在成長容器的底部成長為大晶粒且成為缺陷比例較低的區域。隨著高度的增加，矽晶粒的平均晶粒尺寸降低，但多晶矽鑄錠中的缺陷比例快速增加，致使多晶矽鑄錠整體品質變差。

相較之下，本新型創作的一實施例的多晶矽鑄錠（標示為鑄錠A）藉由設置成核層提供矽熔湯密集的成核點，在成核時，能提供大量的成核點來使晶粒快速長出。晶粒尺寸是由小而大，在此長晶方法的控制下，有助於晶粒朝單一方向成長，並抑制較差的晶界缺陷形成。是以，多晶矽鑄錠可具有低缺陷比例，而後續製成的半導體元件（如太陽能電池元件，但不以此為限）也可具有較佳的效率或電性表現。在一實施例中，還可藉由高純度的晶種進一步降低缺陷比例以及提升多晶矽鑄錠的品質。

雖然本新型創作已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本新型創作的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本新型創作的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧多晶矽鑄錠元件
100‧‧‧多晶矽鑄錠
110‧‧‧矽晶粒
200‧‧‧成長容器
210‧‧‧成核層
212‧‧‧晶種
214、214’‧‧‧脫模層
220‧‧‧矽原料
230‧‧‧矽熔湯
D‧‧‧成長方向
H1、H2、H3、H4‧‧‧高度
L1‧‧‧第1層
L2‧‧‧第2層
L3‧‧‧第3層
L4‧‧‧第4層
SB、SB’‧‧‧底面
SS、SS’‧‧‧側壁面
ST‧‧‧頂面

圖1是依照本新型創作的一實施例的一種多晶矽鑄錠的示意圖。 圖2A至圖2E是圖1的多晶矽鑄錠的一種製造流程的剖面示意圖。 圖3A至圖3C分別是晶片外觀照片，用以顯示本新型創作的一實施例的多晶矽鑄錠在靠近底面的部分、中間部分及靠近頂面的部分的矽晶粒尺寸。 圖4A至圖4C分別是晶片外觀照片，用以顯示一比較例的多晶矽鑄錠在靠近底面的部分、中間部分及靠近頂面的部分的矽晶粒尺寸。 圖5是一高度-平均晶粒尺寸的關係圖，用以比較本新型創作的一實施例與比較例的多晶矽鑄錠在不同高度下的平均晶粒尺寸。 圖6是一高度-缺陷比例的關係圖，用以比較本新型創作的一實施例與比較例的多晶矽鑄錠在不同高度下的缺陷比例。

100‧‧‧多晶矽鑄錠

110‧‧‧矽晶粒

D‧‧‧成長方向

H1、H2、H3、H4‧‧‧高度

L1‧‧‧第1層

L2‧‧‧第2層

L3‧‧‧第3層

L4‧‧‧第4層

SB‧‧‧底面

SS‧‧‧側壁面

ST‧‧‧頂面

Claims (14)

1. 一種多晶矽鑄錠，其外形為一長方體，且該多晶矽鑄錠具有從一成長容器脫模的一底面，該多晶矽鑄錠具有多層，各該層包括多個矽晶粒，且第i層位於第（i+1）層與該底面之間，i為≥1的正整數，其中第i層的該些矽晶粒的平均晶粒尺寸小於第（i+1）層的該些矽晶粒的平均晶粒尺寸。
2. 如申請專利範圍第1項所述的多晶矽鑄錠，其中該多晶矽鑄錠的第1層的高度約50mm至100mm之間，且該多晶矽鑄錠的第1層的平均晶粒尺寸介於5mm至9mm之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述的多晶矽鑄錠，其中該多晶矽鑄錠的第2層的高度約100mm至150mm之間，且該多晶矽鑄錠的第2層的平均晶粒尺寸介於9mm至12mm之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述的多晶矽鑄錠，其中該多晶矽鑄錠的第3層的高度約150mm至200mm之間，且該多晶矽鑄錠的第3層的平均晶粒尺寸介於12mm至16mm之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述的多晶矽鑄錠，其中該多晶矽鑄錠的第4層的高度約200mm至250mm之間，且該多晶矽鑄錠的第4層的平均晶粒尺寸介於16mm至20mm之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述的多晶矽鑄錠，其中該多晶矽鑄錠的第1層的高度約50mm至100mm之間，且該多晶矽鑄錠的第1層的缺陷比例小於3%。
7. 如申請專利範圍第1項所述的多晶矽鑄錠，其中該多晶矽鑄錠的第2層的高度約100mm至150mm，且該多晶矽鑄錠的第2層的缺陷比例小於5%。
8. 如申請專利範圍第1項所述的多晶矽鑄錠，其中該多晶矽鑄錠的第3層的高度約150mm至200mm，且該多晶矽鑄錠的第3層的缺陷比例小於7%。
9. 如申請專利範圍第1項所述的多晶矽鑄錠，其中該多晶矽鑄錠的第4層的高度約200mm至250mm之間，且該多晶矽鑄錠的第4層的缺陷比例小於9%。
10. 一種多晶矽鑄錠，其外形為一長方體，該多晶矽鑄錠包括多個矽晶粒，該些矽晶粒從該多晶矽鑄錠的底面沿一成長方向成長，其中該些矽晶粒的平均晶粒尺寸從該底面沿該成長方向遞增。
11. 一種多晶矽鑄錠元件，形成於一方形成長容器中，該多晶矽鑄錠元件包括： 一成核層，包括多個晶種以及一脫模層，該脫模層配置在該些晶種上；以及 一多晶矽鑄錠，配置在該成核層上，且該多晶矽鑄錠接觸該脫模層以及該些晶種被該脫模層曝露出來的部分。
12. 如申請專利範圍第11項所述的多晶矽鑄錠元件，其中該多晶矽鑄錠是一長方體。
13. 如申請專利範圍第11項所述的多晶矽鑄錠元件，其中該多晶矽鑄錠具有一底面以及多個側壁面，且該底面以及該些側壁面為粗糙面。
14. 如申請專利範圍第11項所述的多晶矽鑄錠元件，其中該多晶矽鑄錠具有多層，各該層包括多個矽晶粒，且第i層位於第（i+1）層與該底面之間，i為≥1的正整數，其中第i層的該些矽晶粒的平均晶粒尺寸小於第（i+1）層的該些矽晶粒的平均晶粒尺寸。