專利名稱：用于鑄造多晶硅晶錠的裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明的實施方式一般涉及用于制備多晶硅晶錠的方法和相關裝置。本發(fā)明的實 施方式尤其涉及用于與常規(guī)方法相比具有更少晶體缺陷的多晶硅晶錠的定向凝固的裝置 和方法。
背景技術：
作為原油和汽油價格急劇攀升的結(jié)果，替代能源已經(jīng)得到了廣泛的研究。太陽能 是一種很有前途的用于產(chǎn)生清潔的可再生電力的技術。太陽能電池，也稱為光電池，是將 太陽能轉(zhuǎn)換為電力的器件。在過去的20年里，這種電池已經(jīng)得到顯著的發(fā)展，實驗效率從 1980年的小于大約5%提高到2008年的差不多40%。在太陽能電池的早期開發(fā)中，使用單晶或半導體級別的硅。然而，由于與產(chǎn)生所述 晶體結(jié)構(gòu)相關的成本，這種類型的晶體硅晶錠是昂貴的。一種產(chǎn)生硅單晶的常規(guī)方法是通 過Czochralski工藝。在該工藝中，在圓柱形坩堝中熔化多晶硅。可以摻雜所述熔體以產(chǎn)生 η-型或ρ-型硅。將籽晶引入到所述熔體中，導致晶體生長。從所述熔體中拉制出(pulled) 晶體，產(chǎn)生圓柱形單晶晶錠。隨后從該圓柱形晶錠(ingot)中切割出厚度小于300m的單晶 娃晶片。然而，現(xiàn)在已經(jīng)知道，并不需要單晶硅來用于生產(chǎn)有效的太陽能電池。使用定向凝 固工藝，有時稱為取向凝固工藝，可以產(chǎn)生多晶硅晶錠，也稱為多晶。定向凝固常常使用從 側(cè)壁和底部加熱的矩形坩堝。通常，用多晶硅填充所述坩堝并在惰性氣氛中熔化。一旦熔 化，將所述坩堝以受控的方式從底部向上冷卻。通過垂直移動石墨熱屏障，使冷卻期間的熱 量損失發(fā)生在所述坩堝的側(cè)壁，以便損失來自所述坩堝和所述硅的輻射熱量。在冷卻時，發(fā)生形核，導致晶體從所述坩堝底部向上生長。與通過Czochralski工 藝獲得的圓柱形晶錠相反的是所產(chǎn)生的晶錠形狀是矩形的。定向凝固工藝使所述硅中的任 何雜質(zhì)被推進到所述坩堝的頂部，在該頂部處這些雜質(zhì)集中濃縮在所述晶錠的頂層中。隨 后將該雜質(zhì)層從所述晶錠中切除，留下基本上純凈的多晶硅。目前，大多數(shù)太陽能電池都是使用晶體硅晶片來制造的。超過50%的晶體硅太陽 能電池是使用由定向凝固制造的多晶硅晶片來制造的。然而，目前所使用的工藝具有多個 不良方面過多的能量消耗，并且界面總是凹入的，導致所得晶錠中的較高缺陷密度。為了 去除這些缺陷，必須磨掉所述矩形晶錠的側(cè)壁，結(jié)果導致了大約Icm的外層硅表面的損失。因此，在現(xiàn)有技術中持續(xù)存在對于產(chǎn)生具有較低缺陷密度的多晶硅晶錠的方法和 裝置的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各個方面涉及在定向凝固工藝和裝置中在所述坩堝底部處水平移動的 熱屏障的使用。與現(xiàn)有技術中的凹入界面相比，這種方式可以從所述坩堝底部來控制散熱， 結(jié)果使凝固期間的晶體生長得以控制并相比于現(xiàn)有技術中的凹入界面而在固體與液體硅之間形成凸起界面。這種設計還導致了與現(xiàn)有技術相比更為平坦的結(jié)晶界面、更低的缺陷 密度、更小的應力和晶錠中心更少的缺陷。本發(fā)明還能夠在保持所需界面形狀(在邊緣沒 有彎曲和整體凸起形狀)的同時實現(xiàn)更快的結(jié)晶速率。此外，與現(xiàn)有技術相比，通過所述可 移動的底部熱屏障的總散熱量將低于結(jié)晶期間的散熱。本發(fā)明的一個或多個實施方式涉及用于通過定向凝固生產(chǎn)多晶硅晶錠的裝置。所 述裝置包含具有四個側(cè)壁和一個底部的坩堝?；诰唧w應用，所述坩堝的頂部可以是開口 的或封閉的。將所述坩堝放置在坩堝支架內(nèi)。多個加熱器圍繞在所述坩堝支架的至少一部 分周圍。所述加熱器能夠使在所述坩堝中的硅熔化。使至少兩個在所述坩堝支架下面的可 移動熱屏障適于在與所述坩堝底部相同的平面上移動?？梢杂萌魏芜m用的材料來制造所述 的可移動熱屏障，諸如石墨、石墨氈或其它石墨隔層，但是并不僅限制于石墨材料，且也可 以使用諸如鉬這類適用的金屬用作熱反射器來制成。在某些實施方式中，將所述加熱器布置在所述坩堝支架的四個側(cè)壁附近。在其它 實施方式中，將一個加熱器布置在所述坩堝上方。在另外的其它實施方式中，將一個加熱器 布置在所述坩堝下方。于所述坩堝下方的冷卻器也可以存在。還可以使用圍繞所述裝置的 水冷套筒。根據(jù)一個或多個實施方式所述的可移動熱屏障包括適于移動以便形成具有與所 述坩堝底部相似形狀的開口的四個構(gòu)件。某些實施方式所述的構(gòu)件可以彼此獨立地移動。 一個具體的實施方式具有兩個可移動的且部分重疊的屏障。另一個實施方式涉及兩個旋轉(zhuǎn)
的重疊屏障。在其它的實施方式中，將一個或多個溫度探針布置在所述裝置中?？梢允褂糜糜?監(jiān)控所述溫度探針的控制機構(gòu)。所述控制機構(gòu)也可以能夠調(diào)整單個可移動的熱屏障的位置 和移動的程度，以便從所述坩堝中的熔化硅可控地提取熱量。本發(fā)明的附加實施方式涉及通過定向凝固生產(chǎn)多晶硅的方法。所述方法包括將硅 傳送到位于爐內(nèi)的坩堝中。所述坩堝可以具有一個底部和四個側(cè)壁。也可以存在有所述坩 堝的頂部。用布置在所述坩堝支架側(cè)壁附近的加熱元件加熱所述坩堝。至少在底部用可移 動熱屏障圍繞所述坩堝。通過移動所述熱屏障，使在所述坩堝內(nèi)的硅熔化，隨后以受控的方 式使其冷卻，以便獲得所述硅的受控凝固。制得了相對于在晶錠邊緣處的晶粒尺寸而言在 晶錠中心處的晶粒尺寸是基本上相同的多晶硅晶錠。在其它的實施方式中，所述熱屏障包括四個適于移動以便可以形成具有與所述坩 堝底部相似形狀的開口的構(gòu)件。本發(fā)明的其它實施方式涉及多晶硅晶錠。在凝固期間所述晶錠包含四個側(cè)壁和一 個固-液硅界面。通過移動所述熱屏障控制所述固-液界面。某些實施方式的所述多晶硅 晶錠在所述固_液界面與所述坩堝側(cè)壁的交會處具有向下彎曲的界面。其它實施方式的所 述多晶硅晶錠具有與所述晶錠側(cè)壁垂直的界面。其他實施方式的多晶硅晶錠從所述晶錠中 心到所述晶錠邊緣具有均一的晶粒尺寸。附圖簡要說明

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的定向凝固室的示意圖；圖2A-2D示出根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的可移動熱屏障的定位；圖3A-3C示出可移動熱屏障的附加實施方式；
圖4示出使用根據(jù)現(xiàn)有技術的方法和裝置獲得的固_液硅界面的形狀；以及圖5A-5B示出使用根據(jù)本發(fā)明實施方式的方法和裝置獲得的固_液硅界面的形 狀。
具體實施例方式在描述本發(fā)明的幾個示意性實施方式之前，應該理解，不能將本發(fā)明僅限制于下 面的描述中給出的構(gòu)造或工藝步驟的具體細節(jié)。本發(fā)明還可以具有其它的實施方式，并且 能夠以各種不同的方式來實踐或?qū)嵤Ｈ缭诒菊f明書和權利要求中使用的，除非正文中明確指出，單數(shù)形式的“一個”和 “這個”包括復數(shù)指示物。因此，例如，提及的“一個晶錠”包括兩個或多個晶錠的組合，等等。參考圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的定向凝固室10的示意圖。 將坩堝12支撐在布置在石墨封套20內(nèi)的坩堝支架14中。用由加熱器16產(chǎn)生的熱量熔化 坩堝12中的硅。一旦熔化，在與坩堝12底部平行的方向上開啟熱屏障18。以受控方式開 啟熱屏障18，以便從室10去除熱量。在所述坩堝的底部，液體硅22冷卻為固體24。形成 在液體硅22與固體硅24之間的界面26。如下面參考圖4討論的，該界面26的形狀表示所 形成晶錠的質(zhì)量。在一個或多個實施方式中，通過控制機構(gòu)(未示出)開啟熱屏障18。所述控制機 構(gòu)可以是簡易控制機制，諸如可以用手動開啟和關閉熱屏障18的把手和/或軌道。在某些 實施方式中，所述控制機構(gòu)可以包括自動機構(gòu)，諸如用于控制熱屏障18的開口程度的馬達 或其它適用的器件。在一具體實施方式
中，所述控制機構(gòu)與可以通過使用策略上穿過室10 放置的溫度探針20來測量室10內(nèi)的溫度的傳感器實現(xiàn)通訊連接。適用的溫度探針可以包 括熱電偶或高溫計。通過評價在室10內(nèi)各個不同位置的溫度曲線圖，所述的控制機構(gòu)可以 開啟任何一個或全部的熱屏障18。這可以使用基于來自溫度探針28的溫度讀數(shù)調(diào)整所述 熱屏障的開口程度的反饋控制系統(tǒng)，通過利用微處理器或計算機來實現(xiàn)。由此可以在坩堝 12的底部保持均勻的溫度，并制得均勻的晶錠(ingot)。圖2A-2D示出本發(fā)明的一個或多個實施方式的可移動熱屏障18a_18d的示例性配 置。在熔化階段，如圖2A所示，關閉熱屏障18a-18d，以便在室10內(nèi)保持盡可能多的熱量。 冷卻時，如圖2B-2D所示，將熱屏障18a-18d開啟到不同程度，以便允許熱量從室10中散 出。在圖2B-2D中，坩堝底部12顯示在熱屏障18a-18d的中心。如上面提及的，由與溫度 探針通訊連接的計算機或微處理器來控制熱屏障18a-18d的開啟范圍或程度。可以將實驗 數(shù)據(jù)用于確定優(yōu)化的溫度和熱屏障18a_18d的開啟程度或范圍，以便在晶錠形成期間優(yōu)化 在坩堝中的硅冷卻期間的所述熱屏障的開啟速率和程度。圖3A示出本發(fā)明的一個詳細實施方式。可移動熱屏障19a和19b交疊。將底部 屏障19a顯示為具有三角形的切口，但其也可以是任何所需的形狀。將頂部屏障18a顯示 為單塊，但不是必需要的?？梢栽谟杉^30a和30b指示的方向上移動屏障19a、19b。通過 增加屏障19a、19b之間的距離，暴露底部屏障18a中的切口，由此暴露坩堝12的底部，并實 現(xiàn)所述坩堝的受控冷卻。圖3B示出另一個詳細實施方式。這里，可移動熱屏障2Ia和2Ib交疊，其每一個 都具有橢圓形切口 32a和32b。根據(jù)需要，屏障21a和21b沿由箭頭36a和36b確定的路徑旋入或旋出。將屏障21a、21b固定在支點34a和34b處。當樞軸旋轉(zhuǎn)屏障21a、21b以便切 口 32交疊時，在屏障21a、21b中產(chǎn)生開口，由此暴露坩堝12并實現(xiàn)坩堝的受控冷卻。圖3C示出了與圖3B相似的詳細實施方式。這里，可移動屏障23a和23b分別在 支點34a和34b處樞軸旋轉(zhuǎn)。矩形切口 32a和32b交疊，在屏障23a、23b中產(chǎn)生開口并暴 露坩堝12。這樣就實現(xiàn)了所述坩堝的受控冷卻。界面26的形狀與所生產(chǎn)的晶錠質(zhì)量相關。圖4示出用常規(guī)尺寸的凝固裝置獲得 的界面26的形狀?？梢钥闯?，在固體硅24與液體硅22之間的界面26在其與坩堝壁12交 會的位置向下彎曲。該彎曲區(qū)域?qū)е戮уV在邊緣附近和中心處具有不同的晶粒尺寸。必須 磨掉這些邊緣，以便暴露均勻的硅，結(jié)果導致大約Icm的硅損失。在圖5A和5B中示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式獲得的界面26。圖5A示出向下彎 曲的但是在邊緣處是平坦的界面26。圖5B示出橫貫整個液體22-固體24結(jié)合處基本平坦 的界面26。這兩種界面26均將導致具有橫貫晶錠橫截面的基本相等的晶粒尺寸的晶錠，由 此消除或顯著減少了對于磨掉所述晶錠外部的需要。用于本發(fā)明實施方式的坩堝一般是矩形的，且具有四個側(cè)壁和一個底部?？梢杂?任何適于容納液體硅而不導致污染的材料(例如，具有氮化硅涂層的石英)制成所述坩堝。 高純度石英目前是用于生產(chǎn)硅晶錠的優(yōu)選材料?？梢杂扇魏芜m于保持所述坩堝的材料(例 如，石墨)制成所述的坩堝支架。因此，本發(fā)明的一個或多個實施方式涉及用于通過定向凝固生產(chǎn)多晶硅晶錠的裝 置。所述裝置包括具有四個側(cè)壁和一個底部的坩堝?；诰唧w應用，所述坩堝的頂部可以 是開口的或封閉的。將所述坩堝放置在坩堝支架內(nèi)。多個加熱器圍繞所述坩堝支架的至少 一部分。所述加熱器能夠使所述坩堝內(nèi)的硅熔化。使至少兩個在所述坩堝支架下面的可移 動熱屏障適于在與所述坩堝底部相同的平面上移動。可以由任何適用的材料制成所述可移 動熱屏障，諸如石墨、石墨氈或其它石墨隔層，但并不僅限于石墨材料。在某些實施方式中將加熱器布置在所述坩堝支架的四個側(cè)壁附近。在其它實施方 式中，將一個加熱器布置在所述坩堝上方。在其它實施方式中，將一個加熱器布置在所述坩 堝下方?？梢源嬖谟形挥谒鲔釄逑路降睦鋮s器。也可以使用圍繞所述裝置的水冷套筒。一個或多個實施方式的可移動熱屏障包括多達四個的適于移動以便形成具有與 所述坩堝底部相似形狀的開口的構(gòu)件。某些實施方式的所述構(gòu)件可以彼此獨立地移動。其 它實施方式包括兩個當關閉時交疊的可線性移動的屏障(圖3A)；兩個旋轉(zhuǎn)熱屏障(圖3B 和 3C)。在其它實施方式中，將一個或多個溫度探針設置在所述裝置中?？梢源嬖谟杏糜?監(jiān)控所述溫度探針的控制機構(gòu)。所述控制機構(gòu)也可以能夠調(diào)整單個可移動熱屏障(heat shield)的位置，以便從所述坩堝中的熔化硅可控地提取熱量。本發(fā)明的附加實施方式涉及通過定向凝固生產(chǎn)多晶硅晶錠的方法。所述方法包括 將硅傳送到放置在爐內(nèi)的坩堝中。所述坩堝可以具有一個底部和四個側(cè)壁。也可以存在有 所述坩堝的頂部。將所述坩堝保持在坩堝支架內(nèi)。用放置在所述坩堝支架側(cè)壁附近的加熱 元件加熱所述坩堝。至少在坩堝的底部上用可移動熱屏障圍繞所述坩堝。將所述坩堝中的 硅熔化并隨后通過移動所述熱屏障以受控方式使其冷卻，以便獲得所述硅的受控凝固。生 產(chǎn)出晶錠邊緣處的晶粒尺寸與晶錠中心的晶粒尺寸基本相同的多晶硅晶錠。
在其它實施方式中，所述熱屏障包括四個適于移動以便可以形成具有與所述坩堝 底部相似形狀的開口的構(gòu)件。應該理解，圖2A-2B中示出的四個熱屏障配置僅是示范性的。 因此，根據(jù)可替代的實施方式可以使用少于或多于四個可移動熱屏障。例如，可以使用兩個 對向的熱屏障。其它的各種變化，諸如圖3中示出的那些變型也屬于本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的其它實施方式涉及多晶硅晶錠。在凝固期間所述晶錠包含四個側(cè)壁和一 個固-液硅界面。通過移動所述熱屏障控制所述固-液界面。某些實施方式的所述多晶硅 晶錠在所述固_液界面與所述坩堝側(cè)壁的交會處具有向下彎曲的界面。其它實施方式的所 述多晶硅晶錠具有與所述晶錠側(cè)壁垂直的界面。其它實施方式的所述多晶硅晶錠顯示出了 從所述晶錠中心到所述晶錠邊緣相同的晶粒尺寸。在本說明書全文中提及“一個實施方式”、“某些實施方式”、“一個或多個實施方 式”或“某個實施方式”意味著在本發(fā)明的至少一個實施方式包括結(jié)合所述實施方式描述的 特定性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、材料或特征。因此，在本說明書中不同位置出現(xiàn)的短語“在一個或多個實施 方式中”、“在某些實施方式中”、“在一個實施方式中”或“在某個實施方式中”不是必須指本 發(fā)明的同一實施方式。另外，可以以任何適當?shù)姆绞皆谝粋€或多個實施方式中結(jié)合所述各 個特定性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、材料或特征。雖然在此已經(jīng)參照具體的實施方式描述了本發(fā)明，應該理解，這些實施方式僅是 闡述本發(fā)明的原理和應用。對于本領域技術人員，顯而易見的是，不偏離本發(fā)明的精神和范 圍，可以對本發(fā)明的方法和裝置作出不同修改和改變。因此，本發(fā)明意欲包括落入所附權利 要求書及其等同物范圍內(nèi)的各種改進和變型。
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權利要求
一種用于通過定向凝固生產(chǎn)多晶硅晶錠的裝置，所述裝置包括包含側(cè)壁和底部的坩堝；用于保持所述坩堝的包括側(cè)壁和底部部分的坩堝支架；多個圍繞所述坩堝支架的至少一部分的固定加熱器，所述加熱器能夠?qū)⒐杓訜岬饺刍瘻囟?；以及至少兩個在所述坩堝支架底部部分的可移動熱屏障，所述熱屏障可以控制在與所述坩堝底部相同的平面內(nèi)移動。
2.如權利要求1所述的裝置，其中所述加熱器設置在所述坩堝支架的側(cè)壁附近。
3.如權利要求1所述的裝置，其中一個或多個熱擴張器設置在所述加熱器與所述坩堝 支架側(cè)壁之間。
4.如權利要求1所述的裝置，其還包括設置在所述坩堝上方的加熱器。
5.如權利要求1所述的裝置，其還包括設置在所述坩堝下方的加熱器。
6.如權利要求1所述的裝置，其中所述可移動熱屏障包括石墨隔層。
7.如權利要求1所述的裝置，其還包括設置在所述坩堝下方的冷卻器。
8.如權利要求1所述的裝置，其中所述坩堝底部包含四個布置成形成具有與所述坩堝 相似形狀的開口的構(gòu)件。
9.如權利要求1所述的裝置，其還包括用于監(jiān)控溫度的溫度探針，所述溫度探針與用 于調(diào)整所述可移動熱屏障位置的控制機構(gòu)通訊連接，以便控制從所述坩堝中熔化硅提取的 熱量速率。
10.如權利要求1所述的裝置，其還包括在所述裝置周圍的水冷套筒。
11 如權利要求1所述的裝置，其中每個可移動熱屏障適于獨立于其它熱屏障而移動。
12.如權利要求1所述的裝置，其中所述坩堝和所述坩堝支架包括四個側(cè)壁。
13.如權利要求12所述的裝置，其中在凝固期間所述晶錠包含四個側(cè)壁和由所述可移 動熱屏障控制的固_液硅界面，并且所述固_液界面在其與所述坩堝側(cè)壁的交會處向下彎 曲ο
14.如權利要求12所述的裝置，其中由所述裝置產(chǎn)生的所述界面與所述晶錠側(cè)壁垂直。
15.如權利要求12所述的裝置，其中由所述裝置產(chǎn)生的所述晶錠從所述晶錠中心到所 述晶錠邊緣具有相同的晶粒尺寸。
16.一種用于通過定向凝固生產(chǎn)多晶硅晶錠的方法，所述方法包括將硅傳送到位于爐內(nèi)的坩堝中，所述坩堝包含底部和側(cè)壁并且所述坩堝容納在坩堝支 架內(nèi)；用位于所述坩堝支架側(cè)壁附近的加熱元件加熱所述坩堝；至少在所述坩堝底部上用可移動熱屏障圍繞所述坩堝；在所述坩堝中熔化所述硅；以及通過改變所述熱屏障相對于所述坩堝底部的位置，以受控方式冷卻所述坩堝中的所述 熔化硅，以實現(xiàn)受控凝固。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述坩堝包括四個側(cè)壁并且所述坩堝底部包含四 個適于移動以便可以形成具有與所述坩堝底部相似形狀的開口的構(gòu)件。
18.如權利要求16所述的方法，其中生產(chǎn)晶錠中心的晶粒尺寸與晶錠邊緣的晶粒尺寸 基本相同的多晶硅晶錠。
19.一種使用如權利要求16所述的裝置制備的多晶硅晶錠，所述晶錠具有頂部表面、 四個側(cè)壁和由固-液界面限定的界面。
20.如權利要求19所述的多晶硅晶錠，其中所述界面在所述固-液界面與所述坩堝側(cè) 壁的交會處向下彎曲。
21.如權利要求19所述的多晶硅晶錠，其中所述界面與所述晶錠側(cè)壁垂直。
全文摘要
用于通過定向凝固制造多晶硅晶錠的裝置和方法包括兩個或兩個以上位于坩堝下面的可移動熱屏障，以受控方式開啟所述熱屏障，以便去除熱量并生產(chǎn)高質(zhì)量硅晶錠。
文檔編號C30B29/06GK101899707SQ20091014522
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權日2009年5月27日
發(fā)明者克拉瑪達提·V·拉韋, 漢斯·J·瓦利茨基 申請人:應用材料股份有限公司