用于带状晶拉晶炉的可移除热控制的制作方法

专利名称：用于带状晶拉晶炉的可移除热控制的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及带状晶拉晶炉，并且更具体地，本发明涉及带状晶拉晶炉内的 可移除的绝热体。
背景技术：
硅片是各式各样的半导体器件，例如太阳能电池、集成电路和MEMS装置的构建基 块。例如，Marlboro, Massachusetts的EvergreenSolar， Inc由通过已知的"带状拉晶，，技 术生产的硅片形成太阳能电池。 带状拉晶技术通常使用一种专门的炉，该炉围绕容纳熔融硅的坩埚和正生长的带 状晶体。炉的基座通常由固体的、绝热材料形成。随着时间流逝，这种绝热材料会被泼洒在 其上的熔融硅污染，或以某些方式受到损害，例如材料的碎片剥落并且落入熔料中。不幸地 是，这种绝热材料更换起来通常是昂贵的，并且可以引起不当的停工，以进行修理或更换。

发明内容
根据本发明的一个实施例，带状晶拉晶炉具有基座绝热体和可移除连接到该基座 绝热体的衬里绝热体。衬里绝热体的至少一部分形成用于容纳坩埚的内部。因此，当重新 使用基座绝热体的时候(带有可移除连接的不同的衬里绝热体)，可移位衬里绝热体。
在相关的实施例中，衬里绝热体可以是石墨或碳泡沫材料。基座绝热体可以是陶 瓷材料。基座绝热体可以由化学上和结构上不同于衬里绝热体材料的材料形成。可替代地， 基座绝热体可以由与衬里绝热体相同或类似的材料形成。炉也可以包括坩埚，衬里绝热体 的至少一部分可设置在坩埚附近和或设置在坩埚下方。炉也可以包括位于基座绝热体和衬 里绝热体上方的后热器。后热器可以由基座绝热体支撑。 根据本发明的另一实施例，带状晶体生长方法提供基座绝热体并可移除地将衬里 绝热体连接到基座绝热体上。衬里绝热体的至少一部分形成用于容纳坩埚的内部。在相关 实施例中，该方法还提供了坩埚。衬里绝热体的至少一部分可以位于坩埚附近和/或下方。
根据发明的另一实施例，生长带状晶体的方法提供了具有坩埚的炉，该坩埚具有 多个线孔。该炉也具有带可移除连接的第一衬里的基座绝热体。该方法也将熔融材料添加 到坩埚中，并使线通过线孔和熔融材料，以生长带状晶体。在相关实施例中，该方法也移除 了第一个衬里并将第二衬里可移除地连接到基座绝热体。


下面通过参照概括的附图而讨论说明的"具体实施方式
"，本领域的技术人员应当 更完全地理解本发明的各种实施例的优点。 图1示意性示出可以实现本发明的示例性实施例的硅带状晶生长炉。 图2示意性示出图1所示的带状晶生长炉移除壳体部分的部分剖视图； 图3示意性示出根据本发明的实施例移除壳体的沿着图2中线A-A的透视剖视
图； 图4示意性示出根据本发明的实施例移除壳体的沿着图2中线A-A的剖视图； 图5示意性示出根据本发明的实施例移除壳体的带状晶生长炉的透视图； 图6A和6B分别示意性示出根据本发明的实施例的后热器绝热体的侧视图和透视 底视图； 图7示意性示出根据本发明的另一实施例的后热器绝热体的侧视图；并且 图8示意性示出无后热器绝热体的基座绝热体和衬里绝热体的透视顶视图。
具体实施例方式
在示例性实施例中，带状晶拉晶炉可包括支撑高纯度、相对容易更换的衬里绝热 体的基座绝热体。衬里绝热体在能够容纳熔融硅的坩埚邻近。衬里绝热体由能经受比较高 温的材料制成。必要时，(例如由于损害或污染)该衬里绝热体可以被更换，并且因此，可 移除地连接到基座绝热体上。由于衬里绝热体能够容易地被移除而不会基本上和永久地改 变基座绝热体的整体结构，所以衬里绝热体是可移除连接的。因此，在预期使用期间，移除 衬里绝热体将基本上不会损害基座绝热体。下面讨论示例性实施例的细节。
图1示意性示出可以实现本发明的示例性实施例的硅带状晶拉晶炉10。该炉10 包括形成基本上无氧(例如为了防止燃烧)的密闭或密封内部的壳体12。代替氧，内部可 以具有某种浓度的另一种气体、比如氩或其他惰性气体，或者气体的混合物。内部包括坩埚 14(如图2-6中所示)及其他组件(其中一些在下面论述)，用于基本上同时生长多个硅带 状晶体16。尽管图1示出四个硅带状晶体，但该炉10可基本上同时生长更多或更少的带状 晶体。带状晶体16可以是单晶硅，复晶硅或多晶硅。壳体12中的进料口 18设置有用于将 硅原料导向壳体12的内部以进入到坩埚14的装置，同时一个或多个可选的窗口 20允许对 内部和其组件进行观测。 应当注意的是，硅带状晶体16的讨论是说明性的，并不意图限制本发明的全部实 施例。例如，带状晶体16可以由其他材料的原料或者硅和某种其他材料的混合物形成。
图2示意性示出图1所示的移除一部分壳体12的炉10的部分剖视图。该视图示 出其中的上述坩埚14，该坩埚具有可以支撑或容纳熔融材料的基本上平坦的顶表面。坩埚 14的该实施例沿着其长度具有纵长的形状，以用于生长硅带状晶体16的区域并肩布置。
炉10具有绝热体，绝热体根据炉10内各种区域、例如容纳熔融材料的区域和容纳 生长带状晶体的区域的热需求进行特别配置。这两个区域基本上形成生长的带状晶体16 穿过的内部区域。因此，炉10的内部包括基座绝热体24和衬里绝热体26，它们共同形成容 纳坩埚14的区域，这将在下文更详细地讨论。该炉同样包括位于基座绝热体24和衬里绝
5热体26(从附图的透视图中看)上方的后热器28。该后热器28提供了用于使生长的带状 晶体16随着它从坩埚14中升起而冷却的可控热环境。基座绝热体24、衬里绝热体26和后 热器26可以具有相关的但是不同的热需求，因此，可以用不同的材料制造。然而，替代实施 例可以在不同区域中具有类似的或相同的绝热材料。 图3和4分别示意性示出移除壳体的沿着图2的线A-A的透视剖视图和剖视图。 如图2-4所示，后热器28大致在基座绝热体24和衬里绝热体26上垂直间隔。后热器28例 如可通过支柱(未示出)由基座绝热体24和衬里绝热体26之一或两者加以支撑。此外或 者可替代地，后热器28可以连接或固定到壳体12的顶端部分12a上。在一些实施例中，后 热器28具有两个部分28a， 28b，它们位于生长的带状晶体16在两侧上。这两个部分28a、 28b形成一个或多个通道30(如图3所示)，带状结晶穿过所述通道生长。可替代地，后热 器28也可以位于生长的带状体晶16的仅一侧上，如图5中所示。 后热器28可以由提供适当热需求用于允许带状体晶以可控方式冷却的任何绝热 材料形成。例如，后热器28可以由石墨或碳材料、比如碳泡沫或石墨泡沫绝热材料形成。因 此，后热器28可以由类似于衬里绝热体26的材料形成，这进一步在下文详细讨论。尽管如 此，后热器26形成的区域中的热需求通常不同于包括坩埚14和熔融材料的区域中的热需 求。 在示例性的实施例中，后热器28具有一个或多个开口 32，以用于可控地从穿过通 道30生长的带状晶体16中导出热量。图6A和6B示出这种后热器28的一个实施例。在 该实施例中，后热器28具有面对基座绝热体24和衬里绝热体26的底部34，以及具有开口 32的至少一个垂直延伸的壁36。 在所示的实施例中，开口 32具有狭槽形状，每个狭槽都具有基本上均匀的宽度。 可替代地，该槽也可以具有不同的宽度。在其他实施例中，开口 32也可以具有均匀或变化 的不同形状，例如圆形、矩形或者不规则的形状。开口 32可以彼此相邻设置，开口在竖直方 向上延伸壁36的长度，如图6A所示。可替代地，开口 32可以垂直地排列在彼此的顶部，如 图7所示。期望的生长晶体带状区域的热性能以及后热器28的材料成分和厚度是开口 32 和/或其结构的区域总量的因素。 开口 32的尺寸和形状可以根据带状晶体16的期望厚度而变化。然而，通常，尺寸 和形状不应该太大，因为带状晶体16会在某些区域中变得很厚和/或具有不期望的内应变 或内应力。因而应该小心地控制开口 32的尺寸和形状，以使这种应变或应力最小化，并且 保证适当的带状晶体厚度。 开口 32优选完全延伸穿过后热器28的壁36。然而，在替代实施例中，开口 32仅 可以是后热器28的较薄区域。后热器28的壁36可以具有例如图3和5中所示的变化的 厚度以及具有完全延伸穿过壁36的开口 32。 开口 32示例性地位于指定位置上，以控制生长的带状晶体16的某些特征和品质。 例如，坩埚14可以具有用于接收线42的多个线孔40(见图8)。随着线42穿过坩埚14，熔 融硅凝固到其表面，从而形成生长的带状晶体16。不期望的是，可能有生长的带状晶体16 的部分，所述部分缺乏某些进一步冷却而比意图的(例如形成薄的、易碎"颈区")更薄。因 此，开口 32可以位于生长的带状晶体16的那些部分附近，以保证适当的冷却，并因此保证 期望的厚度。
例如，两个线孔可以被认为沿着带状晶体生长方向形成竖直向上延伸穿过炉10 的平面。如图2中所示，带状晶体16大致平行于该平面生长。开口32可以沿着该平面的 边缘或生长的带状晶体16放置或排列，如图2和5所示，或者可以位于沿着该竖直延伸平 面的任何地方，从而降低炉10的那一区域中的温度。降低那一区域中的温度应该具有增加 相应区域内带状晶体厚度的效果。 随着线42穿过坩埚14，坩埚14内的熔融硅可能会无意泼溅在衬里绝热体26上。 此外，当操作者人工清洗炉10时，衬里绝热体26会受损或被污染。这可以引起该绝热体26 对炉10的那一区域具有不同的、相对不可预知的热效应。同时，在实际使用期间，熔融材料 附近的绝热部分可能剥落进入到坩埚14内，从而与硅熔料混合，这是本技术领域已知的。 因此，期望能保证这些薄片对硅熔料的化学成分以及最终生长的带状晶体没有较大是可忽 略的影响。 为此，衬里绝热体26优选由很纯的、高质量材料形成，该材料能够经得起比较高 的温度。例如，衬里绝热材料优选在从约IOO(TC到约150(TC的温度范围工作。为此，衬里 绝热体26可以由具有各种物理结构的各种材料(例如石墨、碳化硅、石英或氧化铝)形成， 例如低密度、高导热率的材料(例如碳泡沫、碳纤维或石墨泡沫材料)。可接受的衬里绝热 材料市购自Biddeford， ME的Fiber Materials, Inc.或Buffalo Grove， IL的Graphtek， LLC。 在示例性的实施例中，基座绝热体24可以由比衬里绝热体26相对比较不纯的、价 格比较低廉的材料形成。由于基座绝热体26通过衬里绝热体26与高温熔融材料分开，基 座绝热材料24不需要经受衬里绝热体26必须经受的高温。例如，基座绝热材料可以在从 约室温到约100(TC的温度范围操作。基座绝热体24因此可以由满足那些要求的各种材料 形成，例如陶瓷材料(如氧化铝或二氧化硅)。相反，衬里绝热体26由能够经得起较高的温 度的材料形成。为此，衬里绝热体26可以由与基座绝热体30的材料(在化学上和/或结 构上)不同的材料形成。例如，基座绝热体24可以由固体、相对致密的石墨板形成，而衬里 绝热体26可以由石墨或碳泡沫材料形成。在其他的实施例中，基座绝热体24和衬里绝热 体26可以由相同或类似材料形成。 如图3和4中更清楚所示，该衬里绝热体26竖直地沿着基座绝热体24的侧壁设 置(即坩埚14附近)，并且也可以设置在坩埚14的下方。这样，衬里绝热体26有效地形 成用于部分容纳坩埚14的内部。在某些实施例中，炉10可以包括具有连接到供气歧管46 的气体喷口 44的供气系统，以进一步冷却生长的带状晶体。例如，如图3和4所示，衬里绝 热体26包括使气体喷口 44进入到坩埚14附近的内部区域内的开口 ，同时保护供气歧管46 不被熔融材料显著污染。 衬里绝热体26的厚度可以根据许多因素变化，这些因素包括衬里绝热体26和基 座绝热体24的绝热性能以及炉10的期望工作温度。然而，在一个实施例中，衬里绝热体26 可以比基座绝热体24更薄，以降低替换很纯的、高质量的、通常昂贵的材料的成本。
衬里绝热体26预期受最终能够减少其效率的许多环境因素影B向，因此可以认为
具有一定寿命。如上所述，泼溅在衬里绝热体壁上的熔融硅以及通常的薄片会影响衬里绝 热体的效率。因此，在某种程度上，本领域技术人员可以选择替换衬里绝热体26。为此，可 以从衬里绝热体与基座绝热体24的连接中移除衬里绝热体26，随后丢弃。新的衬里绝热体26可移除地连接到基座绝热体24上，能够使炉10回到其更有效率的操作方式(即基本上 没有上述问题且带有新的衬里绝热体26)。 如上所述，在本发明的示例性的实施例中，衬里绝热体26可移除地连接到基座绝 热体24上。许多方法可以用来可移除地把衬里绝热体26与基座绝热体24连接在一起。例 如，多个螺丝(未示出)可以将衬里绝热体26紧固到基座绝热体24上。然而，也可以使用 其他技术，包括卡扣配合结构。 本发明的各种实施例可以相互组合。例如，后热器28可移除地连接到基座绝热体 24或衬里绝热体26上，因此也相对容易更换。此外，基座绝热体24可以具有开口 32，该开 口有效地充当坩埚14附近区域中的热排气口。因此，不同的实施例的这些方面中每一个的 整体上分开讨论并不意图限制所有实施例。 因此，本发明的各种实施例允许需要时更换炉10内的绝热体而不改变炉的基本 结构。另外，其他的实施例能够通过在后热器28或基座绝热体24中具有开口 32来对炉10 内的热分布进行更好的控制。这些开口 32实际上充当了通热口。 虽然上述讨论公开了本发明的各种示例性的实施例，但对于本领域技术人员而言 显而易见的是，能够在不背离本发明的实际保护范围的情况下进行各种的修改，以实现本 发明的一些优点。
权利要求
一种带状晶拉晶炉，包括基座绝热体；和衬里绝热体，所述衬里绝热体以可移除方式连接到所述基座绝热体，其中，所述衬里绝热体的至少一部分形成用于容纳坩埚的内部。
2. 如权利要求1所述的带状晶拉晶炉，其中，所述衬里绝热体包括石墨。
3. 如权利要求1所述的带状晶拉晶炉，其中，所述衬里绝热体包括碳泡沫材料。
4. 如权利要求1所述的带状晶拉晶炉，其中，所述基座绝热体包括陶瓷材料。
5. 如权利要求1所述的带状晶拉晶炉，其中，形成所述基座绝热体的材料的化学属性 和结构均不同于形成所述衬里绝热体的材料。
6. 如权利要求1所述的带状晶拉晶炉，其中，所述基座绝热体由与所述衬里绝热体相 同的材料形成。
7. 如权利要求1所述的带状晶拉晶炉，进一步包括坩埚，所述衬里绝热体的至少一部 分定位在所述坩埚附近。
8. 如权利要求1所述的带状晶拉晶炉，进一步包括坩埚，所述衬里绝热体的至少一部 分定位在所述坩埚下方。
9. 如权利要求1所述的带状晶拉晶炉，进一步包括定位在所述基座绝热体和所述衬里 绝热体上方的后热器，所述后热器由所述基座绝热体支撑。
10. —种带状晶生长方法，包括 设置基座绝热体；并且将衬里绝热体以可移除方式连接到所述基座绝热体，其中，所述衬里绝热体的至少一 部分形成用于容纳坩埚的内部。
11. 如权利要求10所述的方法，其中，所述衬里绝热体包括石墨。
12. 如权利要求10所述的方法，其中，所述衬里绝热体包括碳泡沫材料。
13. 如权利要求10所述的方法，其中，所述基座绝热体包括陶瓷材料。
14. 如权利要求IO所述的方法，其中，形成所述基座绝热体的材料的化学属性和结构 均不同于形成所述衬里绝热体的材料。
15. 如权利要求IO所述的方法，其中，所述基座绝热体由与所述衬里绝热体相同的材 料形成。
16. 如权利要求10所述的方法，进一步包括 设置坩埚，将所述衬里绝热体的至少一部分定位在所述坩埚附近。
17. 如权利要求10所述的方法，进一步包括 设置坩埚，将所述衬里绝热体的至少一部分定位在所述坩埚下方。
18. —种使带状晶生长的方法，所述方法包括设置具有坩埚的炉，所述坩埚具有多个线孔，所述炉还具有基座绝热体，所述基座绝热 体具有以可移除方式连接的第一衬里； 将熔融材料添加到所述坩埚；并且 将线穿过所述线孔和所述熔融材料，以生长出带状晶。
19. 如权利要求18所述方法，进一步包括 移除所述第一衬里；并且以可移除的方式将第二衬里连接到所述基座绝热体。
20. 如权利要求18所述的方法，其中，所述衬里绝热体包括石墨或碳泡沫材料。
21. 如权利要求18所述的方法，其中，所述基座绝热体包括陶瓷材料。
22. 如权利要求18所述的方法，其中，所述基座绝热体由与所述衬里绝热体相同的材 料形成。
23. 如权利要求18所述的方法，其中，所述衬里绝热体的至少一部分定位在所述坩埚 附近。
24. 如权利要求18所述的方法，其中，所述衬里绝热体的至少一部分定位在所述坩埚 下方。
全文摘要
一种带状晶拉晶炉，该带状晶拉晶炉具有基座绝热体和可移除地连接到该基座绝热体的衬里绝热体。衬里绝热体的至少一部分形成用于容纳坩埚的内部。
文档编号C30B15/14GK101715496SQ200880018611
公开日2010年5月26日 申请日期2008年6月13日 优先权日2007年6月14日
发明者克里斯汀·理查森, 大卫·哈维, 斯科特·赖特斯玛, 理查德·华莱士, 黄卫东 申请人:长青太阳能股份有限公司