專利名稱：用于生產(chǎn)晶體硅基板的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)適用于制造光伏電池的薄的硅基板的方法和設(shè)備，并且在它的一個(gè)方面，涉及一種用于從它的熔體橫向地提拉長(zhǎng)的晶體帶狀物的方法和設(shè)備，所述晶體帶狀物由未加晶種的生長(zhǎng)建立起來(lái)并且在可強(qiáng)烈變化的熱損失輻射控制下實(shí)現(xiàn)。
背景技術(shù)：
這些年來(lái)，研發(fā)可替代化石燃料的能源已經(jīng)變得越來(lái)越重要。一種這樣的替代能源是太陽(yáng)能，其中光伏電池等將太陽(yáng)能直接地轉(zhuǎn)變成有用的電能。通常，多個(gè)這些光伏電池被封裝在透明薄片(例如玻璃、塑料等)和襯底材料薄片之間以形成平坦的、矩形的模塊(有時(shí)也被稱為"層壓板"或者"面板")，該模塊則又被安裝到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)(例如房屋、大樓等)的房頂上以提供被該結(jié)構(gòu)所使用的全部或者至少一部分電能。
多數(shù)光伏電池由硅基、晶體基板構(gòu)成。這些基板能夠是從硅錠或者從硅的帶狀物切割的晶片，其中該晶錠或者帶狀物是由批量的熔融硅"生長(zhǎng)"的。在帶狀晶體生長(zhǎng)和太陽(yáng)能的早期研發(fā)中，研制出幾種設(shè)備以生產(chǎn)具有良好晶體質(zhì)量的硅襯底(silicon body)或者硅基板。然而，不幸的是，大多數(shù)的這些帶狀物生長(zhǎng)設(shè)備都過(guò)于專注(a)生產(chǎn)完美晶體質(zhì)量的帶狀物(例如，厚度通常在200和400微米之間的純基板形狀(net shape of the substrate))或者(b)完善對(duì)于連續(xù)生長(zhǎng)操作而言所必需的熔化和生長(zhǎng)的組合。這導(dǎo)致僅僅生長(zhǎng)了小的晶體面積，或者作為選擇，由于與生長(zhǎng)區(qū)相接觸的雙熔體等溫線(dual meltisotherm)，整個(gè)操作是不穩(wěn)定的。
作為這些努力的一部分，還對(duì)于向生長(zhǎng)區(qū)施加冷卻氣體、主要為氦氣以實(shí)現(xiàn)對(duì)于所期望的晶體生長(zhǎng)而言所需要的適當(dāng)除熱給予了重大關(guān)注。然而，在于生長(zhǎng)操作期間，維持適當(dāng)體積的冷卻氣體方面產(chǎn)生困難。S卩，在晶體基板的生長(zhǎng)期間，不足的氣體流動(dòng)沒(méi)有允許去除足夠的熱以使得足夠高的生長(zhǎng)速率能夠易于在經(jīng)濟(jì)方面具有競(jìng)爭(zhēng)力。另一方面，僅僅將冷卻氣體流動(dòng)增加至足以實(shí)現(xiàn)所需除熱的速率導(dǎo)致了破壞了基板的熔體表面的增加的氣流，由此阻礙了所期望的平坦晶體薄片的形成。用于改正這個(gè)問(wèn)題的又一嘗試包括降低加熱器輸入功率，但不幸的是，這導(dǎo)致不良的熱梯度控制；即保持穩(wěn)定的晶體生長(zhǎng)前沿而不存在形成枝晶的傾向的能力。
最近，已經(jīng)提出其它方案以克服與硅基、晶體基板的生長(zhǎng)有關(guān)的上述問(wèn)題中的一些問(wèn)題。例如，美國(guó)專利4329195描述了一種用于通過(guò)使用冷卻氣體(即氬氣和氫氣或者氦氣的混合物)和晶種開(kāi)始基板生長(zhǎng)而以較高速率生長(zhǎng)薄且寬的基板的技術(shù)。然而，由硅進(jìn)料桿對(duì)熔融硅的供應(yīng)加以補(bǔ)充，該硅進(jìn)料桿則又被安置到產(chǎn)生附近的晶體薄片的同一熔體區(qū)中，由此產(chǎn)生引起控制問(wèn)題的所不期望的雙熔體等溫線的難題。另一項(xiàng)技術(shù)包括在生長(zhǎng)期間使得基板與熱沉直接接觸以對(duì)從基板除熱進(jìn)行控制；見(jiàn)美國(guó)專利3681033和"Float Zone Silicon SheetGrowth(浮動(dòng)區(qū)硅薄片生長(zhǎng))"(C.E. Bleil， Final Report-DOE Grant No.DE隱FG45-93R551901， 9/23/93到12/31/96)，這可能會(huì)在基板的表面中引起不均勻性。
此外，用于形成晶體基板的很多現(xiàn)有技術(shù)依賴于形成彎月面(meniscus)，以用作生長(zhǎng)過(guò)程的唯一支撐；見(jiàn)美國(guó)專利2927008。然而，很多這種自立式彎月面成形和相關(guān)技術(shù)使用石墨或者碳化硅模具限定帶狀物，并且據(jù)此具有在變化的條件下提供穩(wěn)定且均勻的帶狀物厚度的困難。而且，與這些碳源之一的連續(xù)和直接接觸促使熔體污染 并且限制了最終的太陽(yáng)能電池的性能。這些類型的技術(shù)也依賴于從熔 體豎直提拉，并且因?yàn)闊釋⒀刂怪庇谏L(zhǎng)前沿的生長(zhǎng)中的帶狀物的 長(zhǎng)度損失，所以能夠被去除的總熱量受到嚴(yán)重地限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于從液體硅的熔體池(melt pool)連續(xù)地生產(chǎn)
或者形成硅的片材或者帶狀物、優(yōu)選地晶體硅的片材或者帶狀物的設(shè) 備和方法。使硅在熔體腔室中熔化并且流入生長(zhǎng)托盤中，在該生長(zhǎng)托 盤中它形成水平的液體硅熔體池。通過(guò)允許熱從熔體池向上流經(jīng)煙囪 狀物而以被動(dòng)的方式除熱，該煙囪狀物則又位于該熔體腔室的下游。 在經(jīng)過(guò)煙鹵狀物發(fā)生熱損失時(shí)，同時(shí)對(duì)生長(zhǎng)托盤加熱以保持硅處于它 的液相。在已經(jīng)發(fā)生熱損失的點(diǎn)，將模板的一端設(shè)置與熔體池相接觸， 從而硅開(kāi)始"凝固"(即固化)并且附著到模板上。從熔體池提拉該 模板，由此生產(chǎn)硅、優(yōu)選地晶體硅的連續(xù)帶狀物。
更加具體地，本發(fā)明提供一種設(shè)備和方法，其中硅在坩鍋內(nèi)熔化， 該坩堝則又被安置于加壓的水冷卻熔爐中。該坩鍋支撐在生長(zhǎng)板上， 該生長(zhǎng)板還支撐該坩鍋下游的除熱裝置(例如煙囪狀物)。熔化硅流 經(jīng)坩鍋中的出口并且流入生長(zhǎng)托盤中。優(yōu)選地，當(dāng)熔化硅填充托盤并 且在托盤內(nèi)形成基本均勻的、水平的熔體池時(shí)，在該出口下方、生長(zhǎng)
托盤中的凹座(dimple)和中部托盤突脊有助于使得熔化硅變得平滑。
可調(diào)節(jié)裝置，例如節(jié)流板被設(shè)置于煙囪狀物中，通過(guò)該節(jié)流板能 夠調(diào)整從熔體池經(jīng)過(guò)煙囪狀物的熱流動(dòng)。輻射熱(即熱損失)向上流 經(jīng)煙囪狀物并且在熔爐的水冷卻壁處消耗掉。在受控?zé)釗p失引起硅開(kāi) 始固化由此它附著到模板上的點(diǎn)，模板被安置與熔體池接觸。模板被 從生長(zhǎng)托盤取出，由此隨之一起地提拉正在固化的硅的片材或者帶狀 物。雖然關(guān)于使用硅作為進(jìn)料材料以形成硅、優(yōu)選地適用于制造太陽(yáng) 能電池的晶體硅的帶狀物對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明的設(shè)備和方法能夠用于將其它進(jìn)料材料轉(zhuǎn)變成這種進(jìn)料材料的帶狀 物。這類其它的進(jìn)料材料能夠包括例如其它半導(dǎo)體材料。優(yōu)選地，所
述其它進(jìn)料材料具有至少大約120(TC的熔點(diǎn)、高表面張力和比固相更
加致密的液相。當(dāng)使用除了硅之外的進(jìn)料材料時(shí)，將對(duì)用于構(gòu)造生長(zhǎng) 托盤和坩鍋的材料進(jìn)行選擇，從而它們與那種特定的液體進(jìn)料材料相容。


通過(guò)參考附圖將更好地理解本發(fā)明的實(shí)際構(gòu)造操作和明顯優(yōu)點(diǎn)， 附圖未必按照比例，其中同樣的附圖標(biāo)記表示同樣的部件，并且其中-圖1是為了示出本發(fā)明設(shè)備實(shí)施方案而被部分地剖開(kāi)的位于用于
生產(chǎn)晶體基板的設(shè)備中的熔爐的簡(jiǎn)化示意圖； 圖2是圖1設(shè)備的放大視圖；及 圖3是圖2設(shè)備的分解視圖。
雖然將結(jié)合它的優(yōu)選實(shí)施方案描述本發(fā)明，但是應(yīng)該理解本發(fā)明 不限于此。相反，本發(fā)明旨在涵蓋可以被包括于如由所附權(quán)利要求書 限定的本發(fā)明精神和范圍中的所有的可替代形式、修改和等同形式。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考附圖，圖1圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的熔爐50。熔爐50 由具有允許控制熔爐中的環(huán)境條件的水冷卻壁52的真空/壓力容器51 構(gòu)成。設(shè)備10被安置和支撐于容器51中，該設(shè)備10用于根據(jù)本發(fā)明 方法生產(chǎn)薄的、連續(xù)的、優(yōu)選為晶體的基板或者帶狀物(在全文中互 換使用)。
設(shè)備10由熔體腔室11構(gòu)成，該熔體腔室11則又由傾注坩鍋基座 12構(gòu)成，該傾注坩鍋基座12具有位于其中的傾注坩鍋13并且具有在 周圍的絕緣層14。如在全文中所使用的術(shù)語(yǔ)"基座"指的是一種提供 穩(wěn)定體的結(jié)構(gòu)，該穩(wěn)定體(a)在高溫下用作機(jī)械支撐并且(b)是導(dǎo)電的以從感應(yīng)加熱線圈接收功率。在絕緣層14周圍安置了用于供應(yīng)熔化 傾注塒鍋13內(nèi)的硅所必要的功率的加熱裝置(例如電感應(yīng)加熱線圈
15)。頂蓋16封閉熔體腔室11的頂部并且具有穿過(guò)其中的開(kāi)口 17， 該開(kāi)口 17用于將固體硅(未示出)進(jìn)料到傾注坩鍋13中，這在下面 更加充分地討論。
傾注坩鍋13被支撐在生長(zhǎng)板18上，該生長(zhǎng)板18則又被支撐在生 長(zhǎng)托盤基座19上。如圖3中所示，生長(zhǎng)板18由被機(jī)器加工過(guò)的石墨 材料構(gòu)成以提供與用于選擇性除熱的絕熱區(qū)域構(gòu)成整體的支撐區(qū)域， 這將在下面解釋。上絕緣層20、下絕緣層21和底部絕緣層22安置在 生長(zhǎng)托盤基座19周圍，并且為了下述目的，生長(zhǎng)托盤加熱裝置(例如 電感應(yīng)加熱線圈23)圍繞下絕緣層21。圖3沒(méi)有示出與絕緣層20、 21 和22分離的生長(zhǎng)托盤基座19。此外，絕緣的叉形層25 (見(jiàn)圖3)在生 長(zhǎng)板18的上方并且沿其長(zhǎng)度安置(見(jiàn)圖2)。傾注柑鍋13在它的下端 處具有出口 26，該出口 26穿過(guò)層25和生長(zhǎng)板18兩者中的開(kāi)口并且通 到生長(zhǎng)托盤27中，該生長(zhǎng)托盤27則又被支撐在生長(zhǎng)托盤基座19上。 擋板26a位于出口 26處以有效地用作過(guò)濾器，從而僅僅允許熔融硅(即 熔體池33，圖2)流經(jīng)該出口，而阻斷任何未熔化的硅或者其它固體。
為了后述目的，生長(zhǎng)托盤27具有直接在出口 26下方的凹座28和 位于出口下游的突脊29。生長(zhǎng)板18還支撐除熱裝置，例如煙囪狀物 30，該煙囪狀物30與生長(zhǎng)托盤27隔開(kāi)但是與之熱連通，這將在下面 描述。煙囪狀物30安置在出口 26的下游并且具有可調(diào)節(jié)裝置(例如 在其中可樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝的至少一個(gè)節(jié)流板31 (示出兩個(gè)))以控制
經(jīng)過(guò)煙囪狀物的熱流動(dòng)，這將在下面進(jìn)一步描述。
雖然本熔爐的精確細(xì)節(jié)不是關(guān)鍵性的并且在不同操作中基本上可 以改變，但是下面的討論僅僅提出所使用的典型尺寸和材料的實(shí)施例， 而不應(yīng)當(dāng)視為以任何方式進(jìn)行限制。如所示意地那樣，傾注坩鍋13可 以具有圓柱形狀(例如典型的大于10cm的直徑和大于15cm的高度，
10以容納一定量的進(jìn)料材料)并且可以由與待熔化的材料相容的材料構(gòu) 成；即，為了熔化硅，該材料優(yōu)選地由二氧化硅構(gòu)成。生長(zhǎng)板18是由 導(dǎo)熱材料(例如碳-石墨)制成的矩形板，并且如果如圖中所示，可以
具有30cm長(zhǎng)和15cm寬的典型尺寸。所述具體尺寸能夠自由按照對(duì)于 所期望的帶狀物片材寬度而言所需要的任意寬度和對(duì)于所期望的帶狀 物片材提拉速度而言所需要的長(zhǎng)度。煙囪狀物30優(yōu)選地被成形為矩形 以匹配生長(zhǎng)板18的生長(zhǎng)區(qū)，并且優(yōu)選地主要由石墨、石墨絕緣體和陶 瓷構(gòu)成。生長(zhǎng)托盤27也優(yōu)選地為矩形并且例如能夠是60cm乘25cm并 且大致為30mm深，并且優(yōu)選地由至少98%的二氧化硅構(gòu)成。已經(jīng)對(duì) 設(shè)備IO的構(gòu)造進(jìn)行了描述，現(xiàn)在將闡述本發(fā)明的方法。
在操作中，通過(guò)開(kāi)口 17，將所期望的量的固體硅(大塊狀、小片 狀、桿狀等)裝載到傾注坩鍋13中、擋板26a的頂部上，并且熔爐50 被關(guān)閉和抽空以除去可能污染或者退化帶生長(zhǎng)過(guò)程的氧氣。 一旦形成 足夠的真空，過(guò)程腔室被加熱至30(TC，然后至500'C，從而有助于除 去可能吸附在熔爐構(gòu)件上的任何水分。然后利用惰性氣體(例如氬氣) 將熔爐回填至環(huán)境壓力并且?guī)钗锍隹讵M槽53被打開(kāi)以使得帶狀物模 板40能夠被插入熔爐中。帶狀物模板40優(yōu)選地是碳基材料如石墨涂 布的碳或者石墨織物的片材，其具有與大致匹配煙囪狀物30的下端寬 度的所期望帶狀物寬度大致相同的寬度。經(jīng)過(guò)氣體注入器34供應(yīng)恒定 氬氣流，以保持正壓力并從熔融硅的熔體池33與生長(zhǎng)板18之間的頂 部空間向外流動(dòng)，以及防止空氣經(jīng)過(guò)出口狹槽53回流到熔爐腔室中。
傾注坩鍋13和生長(zhǎng)托盤基座19兩者的溫度均被升高至大致1400 X:并且被穩(wěn)定在大致140(TC。帶狀物模板40的一端被連接到任何類型 的已知提取機(jī)構(gòu)54，并且另一端被移動(dòng)到靠近生長(zhǎng)托盤27中的熔體池 33的位置，在這之后，生長(zhǎng)托盤基座19的溫度被升高至大致142(TC。
在該實(shí)施例中，使輸入到圍繞傾注坩鍋基座12的電感應(yīng)加熱線圈 15的功率增加大致2000瓦特，從而開(kāi)始熔化在傾注坩鍋13中的固體
11硅。在熔點(diǎn)(例如1412°C)下，每秒應(yīng)該熔化大致1.1克的硅。與進(jìn) 行補(bǔ)充所需的硅的量成比例地改變所增加的功率量。當(dāng)熔化發(fā)生時(shí)， 更加致密的熔融或者液體硅移動(dòng)到坩鍋13的底部并且經(jīng)過(guò)出口 26流 出而流入生長(zhǎng)托盤27中。擋板26a僅僅允許液體硅經(jīng)過(guò)出口 26而阻斷 任何固體的流動(dòng)。
液體硅經(jīng)過(guò)出口 26并且直接地到達(dá)生長(zhǎng)托盤27中的凹座28上。 凹座28降低了硅的濺落深度并且由此限制波紋形成。中部托盤突脊29 限制進(jìn)入生長(zhǎng)區(qū)中的波傳播，由此向托盤27中的液體硅熔體池33提 供更加平滑的表面。熔融硅將擴(kuò)散到深度大致為10mm的淺池中。淺 熔體池有助于抑制引起帶狀物的局部化熱斑和不均勻的厚度生長(zhǎng)速率 的對(duì)流。本質(zhì)上，熔融硅具有非常高的表面張力，這可以引起它重新 聚集并且不自由地流入所期望的液體薄層中。如果這成為一個(gè)問(wèn)題， 則它能夠通過(guò)使得氣體例如氮?dú)饨?jīng)過(guò)氣體入口 34流動(dòng)到熔體池33上 以改變?nèi)垠w池的表面性質(zhì)而被減輕。
應(yīng)該指出，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，經(jīng)過(guò)氣體入口34供 應(yīng)的氣體并非為了促進(jìn)冷卻熔體池，而是為了清掃或者凈化熔體池的 表面并且除去可能存在于熔體池33和生長(zhǎng)板18之間的空間中的氣態(tài) 的雜質(zhì)和小的顆粒雜質(zhì)。如將在下面進(jìn)一步解釋地，生長(zhǎng)板18為達(dá)到 所期望生長(zhǎng)參數(shù)所需的從熔融硅除去熱、優(yōu)選地全部熱作準(zhǔn)備。因?yàn)?將要形成的帶狀物非常薄，在與熔體池33分離的點(diǎn)，在它的頂表面和 底表面之間優(yōu)選地將僅僅存在非常小的熱梯度(例如大致0.3"C)。
當(dāng)熔體池33達(dá)到預(yù)定深度(例如10mm)時(shí)，輸入線圈15的功 率被降低2000瓦特并且模板40被移動(dòng)從而在接觸點(diǎn)40a與熔體池33 接觸以濕潤(rùn)模板邊緣。節(jié)流板31被打開(kāi)以調(diào)整能夠被從生長(zhǎng)板18排 除的輻射熱量。生長(zhǎng)板在熔體和熔爐的冷壁之間用作氣體屏障和調(diào)節(jié) 器，使得通過(guò)節(jié)流板的打開(kāi)/關(guān)閉角度控制它的調(diào)節(jié)。該熱將經(jīng)過(guò)煙囪 狀物30而從模板40的表面和/或生長(zhǎng)中的帶狀物40b輻射到生長(zhǎng)板18，并且輻射到在將其消耗的熔爐50的水冷卻壁52。優(yōu)選地，節(jié)流板被順 序地打開(kāi)，使得最靠近接觸點(diǎn)40a的節(jié)流板被首先打開(kāi)，從而允許薄的 硅晶體帶狀物40b開(kāi)始在模板40接觸液體硅的區(qū)域40a處生長(zhǎng)。
如已知的那樣，在固體硅和液體硅之間的相變是一個(gè)等溫過(guò)程(均 在1412°C)，并且非常類似于水，大量的能量(熱)能夠被除去或者 添加而不改變溫度。在固化時(shí)所釋放熱的僅僅一部分被輻射到生長(zhǎng)板 18 (有用功)，而其余部分則經(jīng)過(guò)與剛剛形成的固體相接觸的液體被 傳導(dǎo)出去。當(dāng)節(jié)流板31被打開(kāi)時(shí)，輻射功率的一小部分被添加到圍繞 生長(zhǎng)基座19的線圈23，以保證適當(dāng)?shù)娜刍瘻囟忍荻纫约胺乐乖谏L(zhǎng)晶 體上形成枝晶。如在這里所使用，"輻射功率"指的是經(jīng)過(guò)相對(duì)于傳 導(dǎo)或者對(duì)流的輻射而損失的功率。
應(yīng)該指出，在優(yōu)選操作模式中，當(dāng)形成帶狀物時(shí)，節(jié)流板31是唯 一的熔體冷卻控制源。節(jié)流板被主動(dòng)地控制以開(kāi)始生長(zhǎng)以及控制所形 成帶狀物的厚度。節(jié)流板的打開(kāi)允許在它的凝固點(diǎn)下對(duì)來(lái)自熔體池33 的熱流動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，而不顯著地降低存在于固體帶狀物下面的液體硅 的溫度。如上所指出的，線圈23為生長(zhǎng)板基座19提供感應(yīng)加熱源， 當(dāng)從熔體池提拉帶狀物時(shí)，該生長(zhǎng)板基座19則又加熱熔體池33的本 體并且保持熔體池33的本體處于熔融狀態(tài)。
一旦帶狀物開(kāi)始形成，模板40便被從熔體池33取出并且以與經(jīng) 過(guò)生長(zhǎng)板18的熱損失成比例的速率行進(jìn)。以為帶狀物形成作準(zhǔn)備的取 出角度a取出其上附著帶狀物40b的模板40，以相對(duì)于液體硅的浮力/ 重量，它的表面張力，及在液體熔體池33、固體帶狀物與環(huán)境氣體之 間的三點(diǎn)彎月面保持力的平衡，舉例來(lái)說(shuō)，該取出角度a諸如是相對(duì) 于水平方向的從大約r至大約15° (例如大致4。)的角度(見(jiàn)圖l)。 因?yàn)樾纬晒鑾钗锏谋痉椒ú⒉灰笫褂脝尉ЬХN作為模板，所以它 能夠避免通常與之相關(guān)的很多問(wèn)題。而且，通過(guò)允許帶狀物采取脫離 熔體池33的自然懸鏈線形狀，能夠降低在帶狀物中的誘導(dǎo)應(yīng)力。通過(guò)圍繞提取引導(dǎo)裝置54的各種絕緣裝置，能夠獨(dú)立于生長(zhǎng)速率調(diào)節(jié)所形 成帶狀物的冷卻剖面，因此允許定制硅的電學(xué)性質(zhì)。
因?yàn)閹钗镌谛纬珊蟛痪?例如大約3分鐘以下)便離開(kāi)熔爐50，
所以能夠使用直接厚度測(cè)量從而微細(xì)地調(diào)節(jié)(a)節(jié)流板31以調(diào)整經(jīng)過(guò)
煙囪狀物30的熱損失量，(b)提拉速度以改變駐留時(shí)間，和/或(c)
輸入加熱線圈的功率量以影響凈熱損失。當(dāng)帶狀物形成時(shí)，提取引導(dǎo)
裝置54能夠被用于保持平滑且一致的取出角度，而在熔爐外部的臂或
者其它提取機(jī)構(gòu)55 (例如相對(duì)輥筒、"節(jié)節(jié)向上的(hand over hand)"
捏夾(pinch grip)或者其它連續(xù)進(jìn)料裝置)能夠被調(diào)節(jié)以保持速率和
連續(xù)帶狀物生長(zhǎng)。 一旦一部分連續(xù)帶狀物已經(jīng)行進(jìn)過(guò)了提取機(jī)構(gòu)，它
能夠被劃線并且被從正在形成的帶狀物除去，被切割為成品基板尺寸， 或者被留作連續(xù)帶狀物的部分以便在下游操作中進(jìn)行進(jìn)一步處理。
此外，如在本技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)該理解地，固體硅進(jìn)料機(jī)構(gòu)(未示出) 能夠與傾注坩鍋13上的頂蓋18中的開(kāi)口 17配合以根據(jù)需要將硅片添 加到傾注坩鍋中從而保持操作連續(xù)。通常在熔體添加之間的停產(chǎn)期間 添加硅片，從而在下一循環(huán)開(kāi)始之前，使固體硅達(dá)到預(yù)熔化溫度。通 過(guò)改變固體硅添加的性質(zhì)(摻雜劑)，對(duì)于所形成的帶狀物的電阻率 的調(diào)節(jié)能夠被改變。因?yàn)橄到y(tǒng)的駐留時(shí)間短，所以這種調(diào)節(jié)能夠被比 較快速地完成以保持所形成的帶狀物處于所期望的電阻率范圍內(nèi)。而 且，如果生長(zhǎng)穩(wěn)定性和形成帶狀物模板需要的話，則通過(guò)在氬氣環(huán)境 中經(jīng)過(guò)氣體入口 34添加少量氮?dú)?，能夠原位形成非均質(zhì)晶種表面。這 在熔體池33的表面上形成非常薄(〈10mm)的氮化硅/氧氮化硅表皮層， 從而為在下面的晶體硅生長(zhǎng)提供模板。
當(dāng)生長(zhǎng)托盤或者傾注坩鍋已經(jīng)達(dá)到它們的可用壽命的終點(diǎn)，或者 硅熔體池已經(jīng)聚集雜質(zhì)或者摻雜劑至不能夠再生產(chǎn)出足夠質(zhì)量的帶狀 物的點(diǎn)時(shí)，該連續(xù)過(guò)程將被中斷。此時(shí)，能夠?qū)⑷蹱t冷卻、更換已被 磨損的構(gòu)件和硅，并且該方法重新開(kāi)始。于2006年9月28日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 60/827246通過(guò)
引用而被整體并入本文中。
權(quán)利要求
1. 一種用于生產(chǎn)進(jìn)料材料的連續(xù)帶狀物的設(shè)備，所述設(shè)備包括用于熔化所述進(jìn)料材料的熔體腔室，所述熔體腔室具有出口；被安置為從所述熔體腔室的所述出口接納熔化的進(jìn)料材料的生長(zhǎng)托盤；和位于所述熔體腔室的所述出口下游的除熱裝置，該除熱裝置與所述生長(zhǎng)托盤中的所述熔化的進(jìn)料材料隔開(kāi)但是與該熔化的進(jìn)料材料熱連通，所述除熱裝置包括可調(diào)節(jié)裝置，該可調(diào)節(jié)裝置適于調(diào)節(jié)從所述生長(zhǎng)托盤中的所述熔化的進(jìn)料材料中輻射的熱量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的設(shè)備，所述設(shè)備包括擋板，所述擋板位于所述熔體腔室的所述出口中并且適于僅僅允 許熔化的進(jìn)料材料流經(jīng)所述出口并且流入所述生長(zhǎng)托盤中，而將任何 固體保留在所述熔體腔室中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述除熱裝置包括 位于在所述熔體腔室的所述出口的下游的所述生長(zhǎng)板上的煙囪狀物，所述煙囪狀物適于允許熱從所述生長(zhǎng)托盤中的所述熔化的進(jìn)料材 料經(jīng)過(guò)所述煙囪狀物向上輻射；并且其中所述可調(diào)節(jié)裝置包括可樞轉(zhuǎn)地安裝于所述煙囪狀物中并且可移動(dòng)以控制經(jīng)過(guò)所述煙囪 狀物的熱通道面積的至少一個(gè)節(jié)流板。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，包括所述生長(zhǎng)托盤中的位于所述熔體腔室的所述出口下方的凹座，當(dāng) 熔化的進(jìn)料材料流經(jīng)所述出口并且流入所述生長(zhǎng)托盤中時(shí)，所述凹座 適于降低所述熔化的進(jìn)料材料的濺落深度并且限制所述熔化的進(jìn)料材 料的波紋形成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的設(shè)備，包括所述生長(zhǎng)托盤中的位于所述凹座下游并且適于限制在所述生長(zhǎng)托 盤中的所述熔化的進(jìn)料材料中的波傳播的突脊。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，包括 使所述生長(zhǎng)托盤支撐在其上的生長(zhǎng)托盤基座；和電加熱裝置，該電加熱裝置用于通過(guò)所述生長(zhǎng)托盤基座向所述生 長(zhǎng)托盤供應(yīng)感應(yīng)熱，以在所述連續(xù)帶狀物生長(zhǎng)期間保持熔化的進(jìn)料材 料處于液相。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中所述熔體腔室包括 傾注坩鍋基座，在其上支撐所述傾注坩鍋和所述擋板；和電加熱裝置，該電加熱裝置用于通過(guò)所述傾注坩鍋基座向所述傾 注塒鍋供應(yīng)感應(yīng)熱，以保持進(jìn)料材料稍微低于它的熔點(diǎn)并且根據(jù)要求 調(diào)節(jié)熱輸入以控制熔化速率。
8. —種用于生產(chǎn)進(jìn)料材料的連續(xù)帶狀物的方法，所述方法包括 在熔體腔室中熔化所述進(jìn)料材料；使得所述熔化的進(jìn)料材料從所述熔體腔室流入生長(zhǎng)托盤中并且允許所述熔化的進(jìn)料材料在所述生長(zhǎng)托盤中形成水平的淺熔體池；通過(guò)從所述熔體池向上經(jīng)過(guò)煙囪狀物的熱輻射而允許從所述熔體池的熱損失，所述煙囪狀物位于所述熔體腔室下游；在所述熔體池已經(jīng)經(jīng)歷所述熱損失的點(diǎn)，安置與所述熔體池接觸的模板，由此使所述模板在所述點(diǎn)處接附到所述熔化的進(jìn)料材料；以及從所述熔體池拉離所述模板由此生產(chǎn)所述帶狀物。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中相對(duì)于所述熔體池的表面以大約 1°到大約15°的角度從所述熔體池拉離所述模板。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，包括在所述帶狀物生產(chǎn)期間，向所述生長(zhǎng)托盤供熱以保持所述熔體池 中的所述進(jìn)料材料處于它的液相。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括通過(guò)調(diào)節(jié)經(jīng)過(guò)所述煙囪狀 物的流來(lái)調(diào)整從所述熔體池的所述熱損失。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll的方法，其中通過(guò)在所述煙囪狀物中移動(dòng)至 少一個(gè)節(jié)流板以增加或者降低經(jīng)過(guò)所述煙囪狀物的熱流動(dòng)面積而調(diào)整 所述熱損失。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述煙囪狀物具有跨所述煙囪 狀物中的流動(dòng)面積并排安置的第一節(jié)流板和第二節(jié)流板，所述第一節(jié) 流板比所述第二節(jié)流板更加靠近在所述模板和所述熔體池之間的所述 接觸點(diǎn)，并且其中所述方法還包括順序地打開(kāi)所述節(jié)流板，且所述第一節(jié)流板被首先打開(kāi)以允許所 述帶狀物開(kāi)始生長(zhǎng)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，包括利用流動(dòng)氣體清掃所述熔體池的表面以除去可能存在于所述熔體 池上方的氣態(tài)雜質(zhì)和小顆粒雜質(zhì)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述氣體由氬氣和氮?dú)饨M成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，包括 調(diào)節(jié)所述氣體的組成以改變所述熔體的表面性質(zhì)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述模板由碳基材料片材組成。
18. 根據(jù)權(quán)利要求l的設(shè)備，其中所述進(jìn)料材料包括半導(dǎo)體材料。
19. 根據(jù)權(quán)利要求l的設(shè)備，其中所述進(jìn)料材料包括硅。
20. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述進(jìn)料材料包括半導(dǎo)體材料。
21. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述進(jìn)料材料包括硅。
全文摘要
一種用于從液體進(jìn)料材料例如硅的熔體池連續(xù)地生產(chǎn)晶體帶狀物的設(shè)備和方法。使硅熔化并且流入生長(zhǎng)托盤中以提供液體硅的熔體池。通過(guò)允許熱從熔體池向上流經(jīng)煙囪狀物而被動(dòng)地除熱。在經(jīng)過(guò)煙囪狀物發(fā)生熱損失時(shí)，同時(shí)對(duì)生長(zhǎng)托盤加熱以保持硅處于它的液相。當(dāng)經(jīng)過(guò)煙囪狀物損失熱時(shí)，模板被設(shè)置成與熔體池接觸，從而硅開(kāi)始“凝固”(即固化)并且附著到模板上。然后從熔體池提拉模板，由此生產(chǎn)晶體硅的連續(xù)帶狀物。
文檔編號(hào)C30B15/06GK101522960SQ200780036545
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2007年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
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