专利名称：用于制造硅或其他晶体材料的带的装置及制造方法
技术领域：
本发明涉及一种通过受控结晶化(controlled crystallization )来制造晶体 材料的带的装置。
背景技术：
通常通过受控结晶化，即，从初始固化部分迁移固化前沿(液态/固态界 面)来获得从液态硅浴的硅固化，其中该初始固化部分具体为种子或通过局 部冷却结晶的首层。这样，固态硅块从液态硅浴中汲取原料逐渐生长增大。 传统上采用的两种方法为柴可拉斯基(Czochralski)方法和布里吉曼 (Bridgman)方法或它们的变体。依照柴可拉斯基方法，将通常相对于固态 硅晶轴取向的种子与熔融物接触并緩慢提拉。液态硅浴和热梯度随后保持不 变，而依照布里吉曼方法，硅浴相对于热梯度移动，或热梯度相对于硅浴移 动。
在硅晶片制造方面的技术进步，例如线锯，与内径(ID)锯相比，由于 在执行切割时由于生产率更高和材料损耗减小的不可否认的益处，因而在半 导体工业和光伏工业中实现了巨大的经济上的进步。尽管如此损耗仍然很 大，而且线锯设备成本很高。此外，锯切需要昂贵的附加表面化学清洗和恢 复步骤。
为了克服切割半导体材料的困难，人们提出了各种晶片制造方法，例如 从熔融物中提拉带或在基板上连续生长带。然而，在基板上生长带需要分离 带和基板的附加步骤，并且会出现带被基板污染的危险。另一项技术为利用 碳带，硅结晶在该碳带上，然后燃烧碳带而余下两条硅带。然而，获得的晶 片的晶向或多或少难以控制，因此电性能平庸。具体地说，对于光伏方面的 应用，需要少数电荷载流子扩散长度大的设备。例如对于多晶硅的情况，只 有多晶材料晶界与表面垂直，更确切地说，与光伏电池的P/N结垂直，才能 做到这一点。
为了得到结晶化材料质量使得随后可以制造光伏电池，必须去除来自原料(例如硅给料)的残留杂质。 一种众所周知的方法是偏析(segregation) 出具有低偏析系数的成分。然而，对于将残留在液相内的杂质，必须建立热 梯度，以使固态/液态界面在给定的该界面的推进速度上保持充分稳定，以避 免硅晶粒的不受控的、等轴的或树枝状的生长。
此外，依照现有技术的方法无法将自液态硅生产硅晶片集成到光伏电池 生产线中。
Hide 等人的文章"Cast Ribbon For Low Cost Solar Cells" (0160-8371/88/0000-1400， 1988正EE)描述了铸造厚0.5mm、宽100mm 的光伏硅带的方法。该方法使用具有对组合模具的开口的坩埚，该组合模具 置于坩埚的中心开口之下。该组合^f莫具逐渐收缩以形成狭窄而细长的导向通 道，该导向通道构成水平地移动远离坩埚轴线的细长模具。初始材料为在坩 埚中熔融的电子级质量(electronic quality )的硅。在初始材料完全熔融之后， 硅注入到该组合模具中，由此大气压力应用到坩埚。固化发生在狭窄通道中。 晶体在狭窄通道中向上生长，并且固化前沿大幅地倾斜。
发明内容
本发明的目的是克服已知装置的不足之处，且具体为提供一种通过受控 结晶化来制造晶体材料带的装置和方法，使得可以直接从液态原料获得晶 片，而不需要晶锭切料、将切料过的晶锭切割成晶砖以及用线锯将晶砖切片 成晶片的附加步骤。本发明进一步的目的是将晶片生产直接集成到光伏电池 生产线中。
依据本发明，通过所附的权利要求，更具体地通过下述事实达到这一目 的该装置包括具有底部和侧壁的坩埚，该坩埚包括水平置于该侧壁的底部 的至少一个横向狭缝，该横向狭缝的宽度大于50mm、高度介于50至1000
樣吏米之间。
这样的装置还可以通过偏析实施净化，且由此可以从例如冶金级硅的较 低纯净度的硅获得硅带，该较低纯净度的硅因此没有非常纯的电子级硅那么昂贵。
本发明进一步的目的是提供一种使用依照本发明的装置、通过沿着结晶 轴的受控结晶化来制造晶体材料带的方法，该结晶轴与该装置的提拉轴大致 上垂直。
从对仅出于非限制性的示例目的而给出并在附图中示出的本发明具体 实施例的下述描述中，本发明的其他优点与特征将更显而易见，附图中
图1、 2和4示出了依据本发明的装置的三个具体实施例的截面图。 图3、5和8示出了依据图2的坩埚的三个备选实施例沿着图2的线A-A 截取的截面图。
图6示出了依据本发明的装置直接集成到光伏电池生产线中。
图7示出了依据本发明的装置的一个具体实施例中，坩埚和带的倾斜。
具体实施例方式
图1中示出的装置包括具有底部2和侧壁3的坩埚1。坩埚1包括水平 置于图1中的右侧侧壁的底部部分的横向狭缝4。横向狭缝4具有大于50mm 并优选地介于100mm至500mm之间的宽度L(垂直于图1)。狭缝4的高度 H介于50至IOOO微米之间。这样，通过从横向狭缝4中输出的材料的受控 结晶化获得晶体材料的带R,带R如图1中的箭头5所示被提拉。该晶体材 料例如是硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)等。
带R的厚度由狭缝4的高度H和提拉速率决定。提拉速率越高，带R 的厚度减少得越多。带R的宽度由狭缝4的宽度L决定。带状R随后被切 割成晶片，晶片的表面直接由带R的表面形成。
固化前沿即固体/液体界面，位于狭缝4中。如图1所示，通过依据本发 明的装置，带以及晶片的制造使受控结晶化沿着与该设备的提拉轴T基本上 垂直的结晶轴C完成。
依据本发明，建立基本上垂直于带R和/或该带的该提拉方向的热梯度， 该带自收纳有液态原料的该蚶埚的开口离开。该热梯度优选地定位于该坩埚 的该开口，例如狭缝4。结晶轴C具体地由该热梯度的方向决定。结晶轴C 因此基本上垂直于该带，并因此基本上垂直于该晶片。多晶材料的晶界垂直 于晶片表面，并且对于光伏方面应用，垂直于光伏电池的P/N结，从而改进 材料的电学特性和光伏电池的性能。
该坩埚必须能承受高达1500°C的温度，并表现出与待结晶化的材料例 如与硅的低反应性。坩埚l例如由石英、氮化硅、石墨、覆有氮化硅的石英或其他不易熔材料制成。
图1中，横向狭缝4置于坩埚1的底部2和相应侧壁3之间，该相应侧 壁3于是与底部2保持一定距离。如果需要，狭缝4的高度H可以通过高度 可调的附加壁6进行调整，附加壁6置于该坩埚的外侧上并使横向狭缝4的 高度H可以变化，如图l所示。附加壁6的材料优选地为与坩埚l相同的材 料。
如图2所示，该坩埚可以包括多个横向狭缝4，分别置于例如两个相对 的侧壁3中。这样可以同时获得两个晶体材料的带R。在图2中，横向狭缝 4加工形成于相应侧壁3的底部。图3表明横向狭缝4位于相应侧壁3的底 部，沿其宽度L的方向水平地延伸。
该装置优选地包括向坩埚持续提供待结晶化的材料的供给源7,如图2 中箭头8所示。该材料以其固相或液相供给。后一种情况下，该装置可以集 成到原料净化系统中。例如，可以设想附加的加热系统和虹吸供给，而净化 可以通过例如等离子体完成。为了在坩埚l内建立热梯度，该坩埚在顶部加 热，通过底部2冷却。冷却速率必须调整以使得材料可结晶化并吸收与结晶 化相对应的潜热(latent heat )。取决于杂质，需要考虑到过度冷却 (supercooling)现象。
为了将液/固相的分离定位在横向狭缝4的水平上，坩埚优选地在横向狭 缝4的水平上局部冷却，例如通过与该坩埚的底部2接触安置的若干巻曲冷 却匝(coiled cooling turn )。例如水或氦的冷却剂在巻曲匝中循环。在图4所 示的具体实施例中，该装置包括例如不易熔底盘9和喷雾器10以在不易熔 底盘9上沉积冷却剂。当然可以设想其他任何局部冷却装置。
必须控制冷却的位置以获得在狭缝4的水平上形成的熔融材料的弯月 面，该弯月面在与结晶核接触时能够结晶。以硅为例，相应的固化温度介于 1400。C至1450。C之间，而收纳在坩埚内的硅熔体可以被加热到介于1420°C 至1550。C之间的温度。因此珪流过狭缝4并在从狭缝4输出时结晶。图4 中，侧壁3的厚度随着与狭缝4的距离的增加而增大。
在图4中，该装置还可以包括附加加热元件15,置于狭缝4上方以局部 加热侧壁3和在狭缝4的水平上固化的硅。狭缝4因而布置在置于狭缝4上 方的热源和置于狭缝4下方的冷源之间。这使得在固化过程中在硅内建立并 控制热梯度，从而控制受控结晶化的取向。当使用高度可调的附加壁6时，后者可以与附加加热元件15接触放置。这样附加壁6可以作为热导体供给
热量至狭缝4。
该热梯度基本上垂直，并且当冷却时在硅中必须介于5至20。C/cm之间。 这个梯度是偏析杂质以及沿着基本上垂直的热轴生长晶粒所必需的。因此， 该晶粒的生长方向垂直于带R的顶部表面。
该装置包括设备11，用于夹持通过坩埚1的横向狭缝4输出的晶体材料 带R。设备11包括例如持有结晶化种子13的支架12,以将种子13布置为 与从横向狭缝4输出的材料接触。优选地，沿着慢生长速率轴例如<112>或 <110>晶向切割单晶或多晶硅的种子13，以限制沿提拉方向的晶粒生长。该 种子材料优选地与正在结晶化的材料相同。然而，该种子可以用与结晶化材 料不同的材料制成，例如石英、氮化物、多晶硅或多铝红柱石(mullite), 其本质特征是防止熔融并且不产生杂质。种子13的厚度和宽度与带R的厚 度和宽度一致。
优选地，设备11还包括用于提拉晶体材料带R的位移电动机，如图4 中的箭头14所示。这样带R可以被提拉到期望长度，然后在狭缝4的水平 切断。
图5示出依据本发明的装置的另一具体实施例，该装置包括布置于坩埚 的同一侧壁3中的多个横向狭缝4，每个狭缝具有例如150mm的宽度。
进一步地，坩埚中的硅被加热，通过例如感应、电阻、红外辐射或这些 方法的结合。方法的选择与使用的材料密切相关。
其他步骤和处理可以随后加入同样的生产线中。离开坩埚l后，带R用 例如激光来切割。优选地，通过提拉速度的突然加速使带R断裂，由此切割 带R。这样带R与自狭缝4输出的材料分离，可以安装第二夹持设备11以 夹持后续带R的起始部分。备选地，横向夹持系统使一个或多个带(或晶片， 取决于切割程度)一个接一个地移动。
即使在从狭缝4输出的晶体材料带R被切割成晶片之前，该制造装置可 以直接以连续的形式集成到光伏电池生产线中。为此，图6示出了可直接导 入带R的扩散炉16。具体地说，带R的夹持和移动设备11可将带R送至炉 16。由于从坩埚输出的带R已经处于高温，可以省去将带R导入炉16内之 前的附加预热步骤。
这样就获得了从预净化液态硅到最后光伏模块的装配完整集成生产。事实上该装置既可以与用于接收原料的上线装置相集成，也可以与用于光伏电 池生产步骤的下线装置相集成。优选地，该方法包括将结晶化种子13与通过横向狭缝4输出的材料接触的步骤，以及带R的水平位移步骤14。在图7中，通过任何合适的机械装置，例如旋转支架，使坩埚1相对于 水平面17倾斜角度a。带R的提拉方向以及因此带R,相对于水平面17倾 斜角度P。具体地说，这促进了与带R的平面垂直的结晶化生长。事实上， 提拉速率越快，结晶轴C相对于该装置的提拉轴T的倾斜越大。坩埚1和/ 或提拉方向的倾斜使得可以校正这种效应以及获得垂直于带R的结晶轴C。 也可以设想用负数的或具有相反符号的角度a和(3来控制结晶轴C。如图8所示，依据本发明的具体实施例，狭缝4由一系列孔18形成， 孔18间隔布置使得穿过孔18的材料丝(thread)在孔出口处互相结合形成 带R。事实上孔18之间的间距可以调整，以使通过孔18输出的各条丝通过 毛细作用互相结合。本发明不限于所示的实施例。具体地可以设想在生产线中集成依据本发 明的多个坩埚。这样，取决于坩埚中硅熔体的掺杂，第一坩埚可生产N型材 料带R，而第二坩埚可生产P型材料带R。横向狭缝4置于坩埚的侧壁3的底部，狭缝4的深度D与壁的厚度一致， 介于2.5mm和15mm之间，优选地介于4mm至10mm之间。这样坩埚具有 相应长度即数毫米的非常短的出口通道。如图4所示，当侧壁3的厚度可变 时，横向狭缝4的深度对应于在狭缝水平的侧壁3的厚度。无论何种情况， 狭缝4的深度D,或通常而言出口通道的长度，介于2.5mm和15mm之间、 优选地介于4mm和10mm之间。依据每一成分的偏析系数，固化造成杂质的偏析，即固相中杂质浓度的 减小和液相中杂质浓度的增大。考虑到依据本发明的狭缝，固化前沿置于该 蚶埚的主要容积(main volume)内或至少与其非常接近。因此杂质散布在该 坩埚的整个容积中，具体地由于常见的搅动效应。因此固相比液相更加纯净。 从而，本发明的装置有效地使得可以使用纯度低于所需最终硅的初始硅，并 且在结晶化过程中净化该初始硅。相反地，在Hide等人的上述文章中描述的装置局限于使用具有极少杂 质的电子级硅。事实上依据Hide等人的该装置不能获得遍布整个液相容积中的良好的杂质分布，由于在固化前沿的水平上的偏析造成杂质被限制在狭 窄的通道内。该通道内的杂质随后一定包括在固相中，具体而言在带的顶层 中，这表现为带质量的下降。
权利要求
1.一种通过受控结晶化制造晶体材料的带(R)的装置，其特征在于，所述装置包括具有底部(2)和侧壁(3)的坩埚(1)，所述坩埚(1)包括水平布置于所述侧壁(3)的底部的至少一个横向狭缝(4)，所述横向狭缝(4)具有大于50mm的宽度(L)以及介于50和1000微米之间的高度(H)。
2、 根据权利要求1的装置，其特征在于，所述横向狭缝(4)的宽度介 于100mm和500mm之间。
3、 根据权利要求1或2的装置，其特征在于，所述横向狭缝(4)布置 于所述坩埚(1)的所述底部(2)和一个所述侧壁(3)之间。
4、 根据权利要求1至3中任一项的装置，其特征在于，所述横向狭缝 (4)加工形成于所述侧壁(3)中。
5、 根据权利要求1至3中任一项的装置，其特征在于，所述橫向狭缝 (4)具有可变的高度(H)。
6、 根据权利要求1至5中任一项的装置，其特征在于，所述装置包括 向所述坩埚(1)供给待结晶化的原料的持续供给装置(7)。
7、 根据权利要求1至6中任一项的装置，其特征在于，所述装置包括 在所述横向狭缝(4)的水平上局部冷却所述坩埚(1)的所述底部(2)的 冷却装置(9、 10)。
8、 根据权利要求1至7中任一项的装置，其特征在于，所述装置包括 在所述横向狭缝(4)的水平上局部加热所述侧壁(3)的加热装置(15)。
9、 根据权利要求1至8中任一项的装置，其特征在于，所述装置包括 通过所述坩埚(1)的所述横向狭缝(4)输出的晶体材料带(R)的夹持装 置(12)。
10、 根据权利要求1至9中任一项的装置，其特征在于，所述装置包括 提拉晶体材料的带(R)的位移装置(11)。
11、 根据权利要求1至10中任一项的装置，其特征在于，所述狭缝(4) 由一系列孔(18)形成，所述一系列孔(18)间隔布置使得穿过孔(18)的 材料丝在孔(18)出口处互相结合形成所述带(R)。
12、 一种使用权利要求1至11中任一项的装置，通过沿结晶轴(C)的 受控结晶化的晶体材料的带(R)的制造方法，其特征在于，所述结晶轴(C)垂直于所述装置的提拉轴(T)。
13、 根据权利要求12的制造方法，其特征在于，所述结晶材料通过所述横向狭缝(4)输出，所述方法包括将结晶化种子(13)与通过所述横向 狭缝(4)输出的材料接触的步骤，以及所述带(R)的水平位移步骤(14)。
14、 根据权利要求12或13的制造方法，其特征在于，所述制造方法包 括将所述制造装置直接集成到光伏电池生产线中。
15、 根据权利要求12至14中任一项的制造方法，其特征在于，所述制 造方法包括使所述坩埚(1 )和/或所述带(R)相对于水平面(17)的倾斜。
全文摘要
本发明涉及一种装置，该装置包括具有底部(2)和侧壁的坩埚(1)。坩埚(1)包括至少一个水平布置于侧壁(3)的底部的横向狭缝(4)。横向狭缝(4)具有大于50mm的宽度，优选地介于100mm和500mm之间。狭缝(4)的宽度(H)介于50和1000微米之间。晶体材料通过横向狭缝(4)从该坩埚输出，以形成晶体带(R)。该方法包括将结晶化核与通过横向狭缝(4)输出的材料接触的步骤，以及带(R)的水平位移步骤(14)。
文档编号H01L31/18GK101300686SQ200680040466
公开日2008年11月5日 申请日期2006年10月19日 优先权日2005年10月26日
发明者休伯特·劳弗雷, 弗朗索瓦·利萨尔德, 罗兰·艾因豪斯 申请人:阿波朗·索拉尔公司;西伯斯塔公司