专利名称：用于硅结晶的设备和方法
技术领域：
本发明通常涉及硅，具体为光电电池中使用的硅，的结晶。
背景技术：
WO 2007/148988公开了一种用于结晶用于光电电池的硅的方法和熔炉。该熔炉包括用于容纳硅的一个坩埚或者多个坩埚、用于加热坩埚的加热装置、用于从坩埚放热的放热装置以及包括电磁装置的搅拌装置，其中向该电磁装置供应交变电流用于向坩埚施加交变电磁场。
发明内容
搅拌在硅结晶期间熔融的硅对于在获得硅的单向生长之时去除大量杂质而言最为重要。现有技术的设备看来未公开最优搅拌以便获得可能用于在光电电池中使用的最纯娃。本发明的目的在于提供一种解决上述问题的分别用于结晶的设备和方法。本发明的具体目的在于提供这样的设备和方法，该设备和方法提供在保持单向固化前沿之时增加的结晶硅的纯度。本发明的又一目的在于提供这样的设备和方法，通过这样的设备和方法可以在结晶期间动态地控制搅拌。本发明的又一目的在于提供这样的简单、稳健、可靠和低成本的设备和方法。这些目的以及其它目的根据本发明由如在所附专利权利要求中要求保护的设备和方法实现。根据本发明的第一方面，提供一种设备，该设备包括坩埚，用于容纳硅；加热和散热装置，被提供用于熔融坩埚中容纳的硅并且用于随后固化熔融硅；以及电磁搅拌装置， 被提供用于在熔融硅固化期间搅拌坩埚中的熔融硅。提供控制装置用于控制加热和散热装置以按照指定的固化速率固化熔融硅并且用于响应于熔融硅的指定固化速率，控制电磁搅拌装置以搅拌熔融硅使得熔融硅的速度与固化速率之比在第一阈值以上。第一阈值根据原材料硅的组成和/或结晶硅的预计应用可以是10、100、1000或者10000。另外可以提供控制装置以控制熔融硅的速度在第二阈值以下。在一个实施例中，提供控制装置用于控制电磁搅拌装置以在两个阶段期间搅拌坩埚中的熔融硅使得在所述阶段中的第一阶段中获得熔融硅的第一速度而在所述阶段中的第二阶段中获得熔融硅的第二速度，其中熔融硅的第一速度高于熔融硅的第二速度。在第二阶段期间执行上述控制的固化。在第一阶段期间，提供控制装置用于控制加热和散热装置以保持坩埚中容纳的硅熔融以允许在熔融硅中传送杂质。可替代地，在第一阶段期间提供控制装置用于控制加热和散热装置以固化熔融硅、切除其部分并且随后重新熔融剩余固化硅。 在本发明的又一实施例中，电磁搅拌装置能够更改它的搅拌方向，并且提供控制装置用于控制电磁搅拌装置以在熔融硅固化期间更改坩埚中的熔融硅的搅拌方向。根据本发明的第二方面，提供一种方法，根据该方法，在坩埚中布置硅。熔融坩埚中的硅，并且随后在借助电磁搅拌装置搅拌坩埚中的熔融硅之时固化熔融硅。按照指定的固化速率固化熔融硅，并且响应于固化步骤控制电磁搅拌装置的搅拌使得熔融硅的速度与固化速率之比在第一阈值以上。可以在两个阶段中执行电磁搅拌装置对坩埚中的熔融硅的搅拌，其中搅拌在第一阶段期间更强并且至少第二阶段包括固化熔融硅。借助本发明，可以获得清洁固化前沿并且避免在硅熔融表面重新混合杂质。同时可以实现单向固化前沿。本发明的更多特性及其优点将从下文给出的对本发明优选实施例的以下具体描述以及仅通过示例给出的附图1-4中变得清楚，因此并未限制本发明。
图1在横截面侧视图中示意地示出了根据本发明一个实施例的用于硅结晶的设备。图2-4在侧视图中示意地示出了根据本发明替代实施例的用于硅结晶的设备。
具体实施例方式在图1中图示了用于将太阳级硅结晶成多晶硅的设备。该设备包括用于容纳太阳级硅(低纯度硅)的坩锅11。坩锅11在结晶期间设置于真空熔炉(未图示)中，该真空熔炉包括壳以及可以移开以便加载和卸载的顶盖。提供密封以使熔炉气密。另外可以提供一个或多个流体入口和一个或多个流体出口以便保持熔炉中的惰性氛围并且可选地在结晶期间辅助散热。原材料在结晶过程开始之前放置于坩锅中。在图1中示出了固体晶态硅1 和在固体晶态硅12a上方的熔融硅层12b。该设备还包括加热装置13、15、冷却或者散热装置14以及用于在结晶过程期间提供坩锅中的适当温度和温度梯度的热隔离装置16。也提供加热装置13、15用于使原材料熔融。尽管图示了加热装置13、15为放置于坩锅上方和下方的两个装置，但是本发明可应用于具有仅一个加热装置和多于两个加热装置的设备和/或在其中不同地设置一个或多个加热装置的设备。加热装置13、15可以基于例如供应有直流或者单相或者三相交变电流的电加热元件。加热装置13、15可以是常规加热元件或者感应加热元件或者二者的组合。冷却或者散热装置14直接设置于坩锅11下方并且设置成从坩埚11散热用于固化其中的原材料硅。冷却或者散热装置14可以实现为如在WO 2006/082085中公开的用于循环冷却气体的装置或者通过冷却液体循环的装置。可替代地，冷却或者散热装置14是用于从坩埚11的下部分将热传导开的热传导装置。又可替代地，冷却或者散热装置14是具有用于从坩埚11的下部分将热对流开的可移动部分的装置。提供热隔离装置16用于减少为了熔融原材料硅而需要的热并且用于允许准确和精确控制温度场。在一个实施例中，热隔离装置16可移动或者能够更改它们的热隔离性质
6以便辅助在固化过程期间从坩埚11的散热。加热装置13、15、冷却或者散热装置14并且可选地还有热隔离装置16在下文中称为加热和散热装置。另外，本发明的设备包括电磁搅拌装置17，提供该电磁搅拌装置用于在熔融硅 12b的固化期间搅拌坩埚中的熔融硅12b以便影响掺杂原子的分布以及避免杂质结晶到固化硅铸块内。在铸块的顶部收集并且在将铸块切片成将在光电电池中使用的硅晶片之前去除最大数量的杂质。电磁搅拌装置17包括一个或者若干电磁装置，其中向该电磁装置供应交变电流用于向坩埚11中的熔融硅12b施加交变电磁场。电磁装置可以例如包括适合于在被供应交变电流时提供充分交变电磁场的线圈或者其它类型的电传导轨道。位于电磁搅拌装置17与熔融硅之间的任何材料或者部分应当由非磁性材料(比如奥氏体钢、陶瓷或者聚合物)制成以免增加电磁搅拌装置17的磁阻。加热和散热装置以及电磁搅拌装置17连接到适当电源装置。控制装置18操作地连接到加热和散热装置以及电磁搅拌装置17用于在结晶过程期间控制它们。控制装置18适当地实现为一个或者多个微计算机，其中向该计算机提供适当软件以及与设备的结构、原材料硅的组成以及指定的固化速率和搅拌量有关的输入数据。在图1中，将固化速率Vstjl表示为竖直箭头而将表达为熔融硅12b的速率Vmel的搅拌量表示为水平箭头。通常从下向上执行固化。通常在水平方向上施加搅拌力。熔融硅12b的速度Vnrel可以表达为熔融硅的最高速度、熔融硅的平均速度、熔融硅的部分的最高速度或者熔融硅的部分的平均速度。该部分可以是位于结晶硅12a的固化前沿或者上方、但是与该固化前沿接近的部分。可以容易控制熔融硅12b的速度vMl，因为它针对熔融硅的给定高度而言与电磁搅拌装置17中的电流成比例，并且可以容易控制固化速率，因为它与向固化前沿供应的热与从固化前沿去除的热之差成比例。根据一个实施例，提供控制装置18用于控制加热和散热装置以熔融原材料硅并且随后按照指定的固化速率Vstjl固化熔融硅并且用于响应于熔融硅的固化速率Vstjl控制电磁搅拌装置17以搅拌熔融硅12b使得熔融硅的速度Vmel与固化速率Vstjl之比在第一阈值 TVl以上，也就是说VmelZVsol > TVl第一阈值TVl根据原材料硅的组成和/或结晶硅的预计应用可以是10、100、1000 或者10000。借助根据上述表达式使搅拌与固化速率相关，可以实现清洁和单向固化前沿。可选地，比值VmelA^1应当在第二阈值TV2以下，也就是VmelZVsol < TV2第二阈值TV2根据原材料硅的组成和/或结晶硅的预计应用可以是100000、50000 或者30000。优选地提供控制装置18以控制熔融硅的速度在第三阈值TV3 (也就是最大速度) 以下。这一速度优选地在lcm/s至30cm/s的范围中。借助保持搅拌在最大允许水平(与固化速率有关或者无关)以下，可以实现单向固化前沿。
在另一实施例中，提供控制装置18用于控制电磁搅拌装置17在两个阶段期间搅拌坩埚11中的熔融硅12b使得在所述阶段中的第一阶段中获得熔融硅的第一速度V1而在所述阶段中的第二阶段中获得熔融硅的第二速度V2，其中熔融硅的第一速度高于熔融硅的第二速度，也就是说V1 > V2在第二阶段期间，优选地提供控制装置用于控制加热和散热装置以获得熔融硅的指定固化速率并且用于响应于固化速率控制电磁搅拌装置以获得熔融硅的速度使得熔融硅的速度与固化速率之比满足包含第一和第二阈值的上述表达式中的任何表达式。在第二阶段期间，优选地提供控制装置18以控制熔融硅的速度在第三阈值TV3以下。在第二阶段期间的典型操作数据是熔融硅的速度Vmel为0. 05m/s而固化速率VS()1 为10mm/ho这给出18000的比值VmelA^1。在第一阶段期间，提供控制装置18用于控制加热和散热装置以保持坩锅中容纳的硅熔融以允许在熔融硅中传送杂质。熔融物中的包含物(比如氧、碳、氧化物和碳化物) 可以从熔融硅的内部上传至熔融物表面。可替代地，在第一阶段期间提供控制装置18用于控制加热和散热装置以固化熔融硅、切除其顶部分并且随后重新熔融剩余固化硅。由此实现双铸造过程。在第一次固化期间(在第一阶段期间)，硅的晶体质量和单向生长并非关键，因此可以使用增加的搅拌速率并且也可能使用更高固化速率。在又一实施例中，提供控制装置18用于控制电磁搅拌装置17以获得熔融硅的更改速度并且用于响应于熔融硅的更改速度控制加热和散热装置以优选地在保持固化速率之时更改它的加热和散热。优选地，在向固化前沿供应热之时增加速度并且在从固化前沿去除热之时减少速度而又保持向固化前沿供应的热与从固化前沿去除的热之差基本上不变。由此在增加搅拌时获得在固化前沿的更均勻温度。在又一实施例中，提供控制装置18用于控制电磁搅拌装置17以获得熔融硅的更改(优选增加)速度并且用于响应于熔融硅的更改速度控制加热和散热装置以更改它的加热和散热使得保持熔融硅的速度与指定固化速率之比基本上不变。在结晶过程的后一部分中在固化期间增加搅拌有利于避免熔融硅中的掺杂原子的高浓度。在结晶过程开始时减少搅拌增加固化硅(铸块)的下部分中的掺杂原子数量。图2-4在侧视图中示意地示出了根据本发明替代实施例的用于硅结晶的设备。每个设备包括多个坩埚11以及用于熔融和固化坩埚11中的硅的加热或者散热装置。坩埚11 以及加热和散热装置容置于真空熔炉(未图示)中。图2的实施例包括电磁搅拌装置21，该电磁搅拌装置沿着坩埚11参照彼此根据双箭头22水平可移动使得电磁搅拌装置21可以在熔融硅固化期间一个接一个地搅拌坩埚 11中的熔融硅。电磁搅拌装置21可以借助电动机沿着装配于真空熔炉的顶板中的轨道可移动。图3的实施例包括电磁搅拌器装置31，该电磁搅拌器装置在形状和尺寸上适应坩埚11的数目使得电磁搅拌器装置31可以在熔融硅固化期间并行搅拌所有坩埚11中的熔融硅。
图4的实施例包括电源42和数目与坩埚11的数目对应的多个电磁搅拌器单元 41。每个电磁搅拌器单元41由共同电源42供电并且适于在熔融硅固化期间搅拌相应一个坩埚11中的熔融硅。通常，每个电磁搅拌器单元41由单个控制器控制。根据本发明的又一实施例提供一种用于硅结晶的方法。根据该方法，在第一步骤中在坩埚中布置硅。在第二步骤中熔融坩埚中容纳的硅。随后在第三步骤中在借助电磁搅拌装置搅拌坩埚中的熔融硅之时固化熔融硅。在第三步骤中按照指定的固化速率控制熔融硅的固化并且响应于固化速率控制电磁搅拌装置的搅拌使得熔融硅的速度与固化速率之比在第一阈值以上。控制可以由控制装置自动、半自动或者人工执行。可以根据本发明的任何其它实施例修改本发明的这一实施例。用于硅结晶的典型现有技术的设备的问题在于硅的结晶沿着固化前沿不均勻从而导致由结晶硅制造的光电电池的恶化性能。为了解决上述问题并且促进硅的单向生长，提供如下用于硅结晶的设备，该设备与图1中所示设备相同，但是在该设备中提供控制装置18用于以新颖方式控制电磁搅拌装置17。在熔融硅固化期间，控制装置18被设置成控制电磁搅拌装置16以优选地反复或者连续更改它的搅拌方向。在一个实施例中，优选地借助使电磁搅拌装置17中的电流反向来使电磁搅拌装置17的搅拌方向反向。在另一实施例中，电磁搅拌装置17包括电路和旋转装置，其中提供该旋转装置用于在控制装置18的控制之下旋转电路、由此在熔融硅固化期间旋转坩埚中的熔融硅的搅拌方向。在熔融硅固化期间改变搅拌方向在固化前沿提供更均勻温度分布，这促进硅的单向生长。
权利要求
1.一种用于硅结晶的设备，包括-坩埚(11)，用于容纳硅；-加热和散热装置(13-15)，被提供用于熔融所述坩埚中容纳的硅(lh-b)并且用于随后固化熔融硅；以及-电磁搅拌装置(17)，被提供用于在所述熔融硅固化期间搅拌所述坩埚中的熔融硅， 其特征在于-控制装置(18)，被提供用于控制所述加热和散热装置以按照指定的固化速率固化所述熔融硅并且用于响应于所述熔融硅的指定的固化速率，控制所述电磁搅拌装置以搅拌所述熔融硅使得所述熔融硅的速度与指定的固化速率之比在优选为10、更优选为100、进一步更优选为1000并且最优选为10000的第一阈值以上。
2.根据权利要求1所述的设备，其中提供所述控制装置以响应于所述熔融硅的指定的固化速率搅拌所述熔融硅使得所述熔融硅的速度与所述指定的固化速率之比在比所述第一阈值更高的优选为100000、更优选为50000并且最优选为30000的第二阈值以下。
3.根据权利要求1或者2所述的设备，其中所述熔融硅的速度是所述熔融硅的最高速度、所述熔融硅的平均速度、所述熔融硅的部分的最高速度或者所述熔融硅的部分的平均速度，所述部分优选为位于或者接近于所述固化熔融硅的固化前沿。
4.根据权利要求1-3中的任一权利要求所述的设备，其中提供所述控制装置用于控制所述电磁搅拌装置以在两个阶段期间搅拌所述坩埚中的熔融硅使得在所述阶段中的第一阶段中获得所述熔融硅的第一速度而在所述阶段中的第二阶段中获得所述熔融硅的第二速度，所述熔融硅的第一速度高于所述熔融硅的第二速度。
5.根据权利要求4所述的设备，其中在所述第二阶段期间提供所述控制装置用于控制所述加热和散热装置以获得所述熔融硅的指定的固化速率并且用于响应于所述指定的固化速率控制所述电磁搅拌装置以获得所述熔融硅的速度使得所述熔融硅的速度与所述指定的固化速度之比在所述指定范围内。
6.根据权利要求4或者5所述的设备，其中在所述第二阶段期间提供所述控制装置以控制所述熔融硅的速度在第三阈值以下。
7.根据权利要求4-6中的任一权利要求所述的设备，其中在所述第一阶段期间提供所述控制装置用于控制所述加热和散热装置以保持所述坩埚中容纳的所述硅熔融以允许在所述熔融硅中传送杂质。
8.根据权利要求4-6中的任一权利要求所述的设备，其中在所述第一阶段期间提供所述控制装置用于控制所述加热和散热装置以固化所述熔融硅、切除其部分并且随后熔融剩余固化硅。
9.根据权利要求1-8中的任一权利要求所述的设备，其中所述电磁搅拌装置能够更改它的搅拌方向，并且提供所述控制装置用于控制所述电磁搅拌装置以在所述熔融硅固化期间更改所述坩埚中的熔融硅的搅拌方向。
10.根据权利要求1-9中的任一权利要求所述的设备，其中提供所述控制装置用于控制所述电磁搅拌装置以获得所述熔融硅的更改速度并且用于响应于所述熔融硅的更改速度控制所述加热和散热装置以优选地在保持所述指定的固化速率之时更改它的加热和散热。
11.根据权利要求1-10中的任一权利要求所述的设备，其中提供所述控制装置用于控制所述电磁搅拌装置以在所述熔融硅固化期间获得所述熔融硅的增加的速度。
12.根据权利要求1-11中的任一权利要求所述的设备，包括用于容纳硅的多个坩埚， 其中-提供所述加热和散热装置用于熔融所述坩埚中容纳的所述硅并且用于随后固化所述熔融硅；并且-提供所述电磁搅拌装置用于在所述熔融硅固化期间搅拌所述坩埚中的熔融硅。
13.根据权利要求12所述的设备，包括移动装置，用于参照彼此移动所述电磁搅拌装置和所述坩埚使得所述电磁搅拌装置可以在所述熔融硅固化期间一个接一个地搅拌所述坩埚中的熔融硅。
14.根据权利要求12所述的设备，其中所述电磁搅拌器装置(31)的尺寸适应所述坩埚的数目使得所述电磁搅拌器装置可以在所述熔融硅固化期间并行搅拌所述坩埚中的熔融娃。
15.根据权利要求12所述的设备，其中-所述电磁搅拌器装置包括电源0 和数目与所述坩埚的数目对应的多个电磁搅拌器单元(41)，并且-每个所述电磁搅拌器单元由所述电源供电并且适于在所述熔融硅固化期间搅拌所述坩埚中的相应一个坩埚中的熔融硅。
16.一种用于硅结晶的方法，包括-在坩埚(11)中布置硅；-熔融所述坩埚中容纳的所述硅；并且-随后在借助电磁搅拌装置(17)搅拌所述坩埚中的熔融硅之时固化所述熔融硅，其特征在于以下步骤-按照指定的固化速率固化所述熔融硅；并且-响应于固化步骤，控制所述电磁搅拌装置的搅拌使得所述熔融硅的速度与所述指定的固化速率之比在第一阈值以上。
17.根据权利要求16所述的方法，其中在两个阶段中执行所述电磁搅拌装置对所述坩埚中的熔融硅的搅拌使得在所述阶段中的第一阶段中获得所述熔融硅的第一速度而在所述阶段中的第二阶段中获得所述熔融硅的第二速度，所述熔融硅的第一速度高于所述熔融硅的第二速度。
18.根据权利要求17所述的方法，其中在所述第二阶段期间执行固化所述熔融硅和控制所述搅拌的步骤。
19.根据权利要求17或者18所述的方法，其中在所述第二阶段期间执行控制所述搅拌的步骤使得保持所述熔融硅的速度在第二阈值以下。
20.根据权利要求17-19中的任一权利要求所述的方法，其中在所述第一阶段期间保持所述坩埚中容纳的所述硅熔融以允许在所述熔融硅中传送杂质。
21.根据权利要求17-19中的任一权利要求所述的方法，其中在所述第一阶段期间固化所述熔融硅、切除其部分并且随后重新熔融剩余固化硅。
22.一种用于硅结晶的设备，包括-坩埚(11)，用于容纳硅；-加热和散热装置(13-15)，被提供用于熔融所述坩埚中容纳的硅并且用于随后固化熔融硅；以及-电磁搅拌装置(17)，被提供用于在所述熔融硅固化期间搅拌所述坩埚中的熔融硅， 其特征在于-提供所述电磁搅拌装置用于在所述熔融硅固化期间更改它对所述坩埚中的熔融硅的搅拌方向。
23.根据权利要求22所述的设备，其中提供所述电磁搅拌装置用于在所述熔融硅固化期间，优选地借助使所述电磁搅拌装置中的电流反向来使它对所述坩埚中的熔融硅的搅拌方向反向。
24.根据权利要求22所述的设备，其中所述电磁搅拌装置包括电路和旋转装置，其中提供所述旋转装置用于旋转所述电路、由此在所述熔融硅固化期间旋转所述坩埚中的熔融硅的搅拌方向。
25.根据权利要求22-24中的任一权利要求所述的设备，其中提供所述电磁搅拌装置用于在所述熔融硅固化期间反复或者连续地更改它对所述坩埚中的熔融硅的搅拌方向。
26.一种用于硅结晶的方法，包括-在坩埚(11)中布置硅；-熔融所述坩埚中容纳的硅并且随后固化所述熔融硅；并且-借助电磁搅拌装置(17)在所述熔融硅固化期间搅拌所述坩埚中的熔融硅，其特征在于以下步骤-在所述坩埚中的熔融硅搅拌期间更改所述电磁搅拌装置的搅拌方向。
27.根据权利要求沈所述的方法，其中在所述坩埚中的熔融硅搅拌期间使所述电磁搅拌装置的搅拌方向反向。
28.根据权利要求沈所述的方法，其中在所述坩埚中的熔融硅搅拌期间旋转所述电磁搅拌装置的搅拌方向。
29.根据权利要求沈所述的方法，其中在所述坩埚中的熔融硅搅拌期间反复或者连续地更改所述电磁搅拌装置的搅拌方向。
全文摘要
一种用于硅结晶的设备，包括坩埚(11)，用于容纳硅；加热和散热装置(12)，被提供用于熔融坩埚中容纳的硅并且用于随后固化熔融硅；以及电磁搅拌装置(13)，被提供用于在熔融硅固化期间搅拌坩埚中的熔融硅。提供控制装置(14)用于控制加热和散热装置以按照指定的固化速率固化熔融硅并且用于响应于熔融硅的指定固化速率控制电磁搅拌装置以搅拌熔融硅使得熔融硅的速度与指定的固化速率之比在第一阈值以上。
文档编号C30B29/06GK102575376SQ200980161514
公开日2012年7月11日 申请日期2009年9月18日 优先权日2009年9月18日
发明者J-E·埃里克森, O·乔斯塔姆, U·桑德 申请人:Abb公司