专利名称：用于铸造多晶硅晶锭的装置及方法
技术领域：
本发明的实施方式一般涉及用于制备多晶硅晶锭的方法和相关装置。本发明的实 施方式尤其涉及用于与常规方法相比具有更少晶体缺陷的多晶硅晶锭的定向凝固的装置 和方法。
背景技术：
作为原油和汽油价格急剧攀升的结果，替代能源已经得到了广泛的研究。太阳能 是一种很有前途的用于产生清洁的可再生电力的技术。太阳能电池，也称为光电池，是将 太阳能转换为电力的器件。在过去的20年里，这种电池已经得到显著的发展，实验效率从 1980年的小于大约5%提高到2008年的差不多40%。在太阳能电池的早期开发中，使用单晶或半导体级别的硅。然而，由于与产生所述 晶体结构相关的成本，这种类型的晶体硅晶锭是昂贵的。一种产生硅单晶的常规方法是通 过Czochralski工艺。在该工艺中，在圆柱形坩埚中熔化多晶硅。可以掺杂所述熔体以产生 η-型或ρ-型硅。将籽晶引入到所述熔体中，导致晶体生长。从所述熔体中拉制出(pulled) 晶体，产生圆柱形单晶晶锭。随后从该圆柱形晶锭(ingot)中切割出厚度小于300m的单晶 娃晶片。然而，现在已经知道，并不需要单晶硅来用于生产有效的太阳能电池。使用定向凝 固工艺，有时称为取向凝固工艺，可以产生多晶硅晶锭，也称为多晶。定向凝固常常使用从 侧壁和底部加热的矩形坩埚。通常，用多晶硅填充所述坩埚并在惰性气氛中熔化。一旦熔 化，将所述坩埚以受控的方式从底部向上冷却。通过垂直移动石墨热屏障，使冷却期间的热 量损失发生在所述坩埚的侧壁，以便损失来自所述坩埚和所述硅的辐射热量。在冷却时，发生形核，导致晶体从所述坩埚底部向上生长。与通过Czochralski工 艺获得的圆柱形晶锭相反的是所产生的晶锭形状是矩形的。定向凝固工艺使所述硅中的任 何杂质被推进到所述坩埚的顶部，在该顶部处这些杂质集中浓缩在所述晶锭的顶层中。随 后将该杂质层从所述晶锭中切除，留下基本上纯净的多晶硅。目前，大多数太阳能电池都是使用晶体硅晶片来制造的。超过50%的晶体硅太阳 能电池是使用由定向凝固制造的多晶硅晶片来制造的。然而，目前所使用的工艺具有多个 不良方面过多的能量消耗，并且界面总是凹入的，导致所得晶锭中的较高缺陷密度。为了 去除这些缺陷，必须磨掉所述矩形晶锭的侧壁，结果导致了大约Icm的外层硅表面的损失。因此，在现有技术中持续存在对于产生具有较低缺陷密度的多晶硅晶锭的方法和 装置的需要。
发明内容
本发明的各个方面涉及在定向凝固工艺和装置中在所述坩埚底部处水平移动的 热屏障的使用。与现有技术中的凹入界面相比，这种方式可以从所述坩埚底部来控制散热， 结果使凝固期间的晶体生长得以控制并相比于现有技术中的凹入界面而在固体与液体硅之间形成凸起界面。这种设计还导致了与现有技术相比更为平坦的结晶界面、更低的缺陷 密度、更小的应力和晶锭中心更少的缺陷。本发明还能够在保持所需界面形状(在边缘没 有弯曲和整体凸起形状)的同时实现更快的结晶速率。此外，与现有技术相比，通过所述可 移动的底部热屏障的总散热量将低于结晶期间的散热。本发明的一个或多个实施方式涉及用于通过定向凝固生产多晶硅晶锭的装置。所 述装置包含具有四个侧壁和一个底部的坩埚。基于具体应用，所述坩埚的顶部可以是开口 的或封闭的。将所述坩埚放置在坩埚支架内。多个加热器围绕在所述坩埚支架的至少一部 分周围。所述加热器能够使在所述坩埚中的硅熔化。使至少两个在所述坩埚支架下面的可 移动热屏障适于在与所述坩埚底部相同的平面上移动。可以用任何适用的材料来制造所述 的可移动热屏障，诸如石墨、石墨毡或其它石墨隔层，但是并不仅限制于石墨材料，且也可 以使用诸如钼这类适用的金属用作热反射器来制成。在某些实施方式中，将所述加热器布置在所述坩埚支架的四个侧壁附近。在其它 实施方式中，将一个加热器布置在所述坩埚上方。在另外的其它实施方式中，将一个加热器 布置在所述坩埚下方。于所述坩埚下方的冷却器也可以存在。还可以使用围绕所述装置的 水冷套筒。根据一个或多个实施方式所述的可移动热屏障包括适于移动以便形成具有与所 述坩埚底部相似形状的开口的四个构件。某些实施方式所述的构件可以彼此独立地移动。 一个具体的实施方式具有两个可移动的且部分重叠的屏障。另一个实施方式涉及两个旋转
的重叠屏障。在其它的实施方式中，将一个或多个温度探针布置在所述装置中。可以使用用于 监控所述温度探针的控制机构。所述控制机构也可以能够调整单个可移动的热屏障的位置 和移动的程度，以便从所述坩埚中的熔化硅可控地提取热量。本发明的附加实施方式涉及通过定向凝固生产多晶硅的方法。所述方法包括将硅 传送到位于炉内的坩埚中。所述坩埚可以具有一个底部和四个侧壁。也可以存在有所述坩 埚的顶部。用布置在所述坩埚支架侧壁附近的加热元件加热所述坩埚。至少在底部用可移 动热屏障围绕所述坩埚。通过移动所述热屏障，使在所述坩埚内的硅熔化，随后以受控的方 式使其冷却，以便获得所述硅的受控凝固。制得了相对于在晶锭边缘处的晶粒尺寸而言在 晶锭中心处的晶粒尺寸是基本上相同的多晶硅晶锭。在其它的实施方式中，所述热屏障包括四个适于移动以便可以形成具有与所述坩 埚底部相似形状的开口的构件。本发明的其它实施方式涉及多晶硅晶锭。在凝固期间所述晶锭包含四个侧壁和一 个固-液硅界面。通过移动所述热屏障控制所述固-液界面。某些实施方式的所述多晶硅 晶锭在所述固_液界面与所述坩埚侧壁的交会处具有向下弯曲的界面。其它实施方式的所 述多晶硅晶锭具有与所述晶锭侧壁垂直的界面。其他实施方式的多晶硅晶锭从所述晶锭中 心到所述晶锭边缘具有均一的晶粒尺寸。附图简要说明
图1示出根据本发明的一个或多个实施方式的定向凝固室的示意图；图2A-2D示出根据本发明的一个或多个实施方式的可移动热屏障的定位；图3A-3C示出可移动热屏障的附加实施方式；
图4示出使用根据现有技术的方法和装置获得的固_液硅界面的形状；以及图5A-5B示出使用根据本发明实施方式的方法和装置获得的固_液硅界面的形 状。
具体实施例方式在描述本发明的几个示意性实施方式之前，应该理解，不能将本发明仅限制于下 面的描述中给出的构造或工艺步骤的具体细节。本发明还可以具有其它的实施方式，并且 能够以各种不同的方式来实践或实施。如在本说明书和权利要求中使用的，除非正文中明确指出，单数形式的“一个”和 “这个”包括复数指示物。因此，例如，提及的“一个晶锭”包括两个或多个晶锭的组合，等等。参考图1，示出了根据本发明的一个或多个实施方式的定向凝固室10的示意图。 将坩埚12支撑在布置在石墨封套20内的坩埚支架14中。用由加热器16产生的热量熔化 坩埚12中的硅。一旦熔化，在与坩埚12底部平行的方向上开启热屏障18。以受控方式开 启热屏障18，以便从室10去除热量。在所述坩埚的底部，液体硅22冷却为固体24。形成 在液体硅22与固体硅24之间的界面26。如下面参考图4讨论的，该界面26的形状表示所 形成晶锭的质量。在一个或多个实施方式中，通过控制机构(未示出)开启热屏障18。所述控制机 构可以是简易控制机制，诸如可以用手动开启和关闭热屏障18的把手和/或轨道。在某些 实施方式中，所述控制机构可以包括自动机构，诸如用于控制热屏障18的开口程度的马达 或其它适用的器件。在一具体实施方式
中，所述控制机构与可以通过使用策略上穿过室10 放置的温度探针20来测量室10内的温度的传感器实现通讯连接。适用的温度探针可以包 括热电偶或高温计。通过评价在室10内各个不同位置的温度曲线图，所述的控制机构可以 开启任何一个或全部的热屏障18。这可以使用基于来自温度探针28的温度读数调整所述 热屏障的开口程度的反馈控制系统，通过利用微处理器或计算机来实现。由此可以在坩埚 12的底部保持均勻的温度，并制得均勻的晶锭(ingot)。图2A-2D示出本发明的一个或多个实施方式的可移动热屏障18a_18d的示例性配 置。在熔化阶段，如图2A所示，关闭热屏障18a-18d，以便在室10内保持尽可能多的热量。 冷却时，如图2B-2D所示，将热屏障18a-18d开启到不同程度，以便允许热量从室10中散 出。在图2B-2D中，坩埚底部12显示在热屏障18a-18d的中心。如上面提及的，由与温度 探针通讯连接的计算机或微处理器来控制热屏障18a-18d的开启范围或程度。可以将实验 数据用于确定优化的温度和热屏障18a_18d的开启程度或范围，以便在晶锭形成期间优化 在坩埚中的硅冷却期间的所述热屏障的开启速率和程度。图3A示出本发明的一个详细实施方式。可移动热屏障19a和19b交叠。将底部 屏障19a显示为具有三角形的切口，但其也可以是任何所需的形状。将顶部屏障18a显示 为单块，但不是必需要的。可以在由箭头30a和30b指示的方向上移动屏障19a、19b。通过 增加屏障19a、19b之间的距离，暴露底部屏障18a中的切口，由此暴露坩埚12的底部，并实 现所述坩埚的受控冷却。图3B示出另一个详细实施方式。这里，可移动热屏障2Ia和2Ib交叠，其每一个 都具有椭圆形切口 32a和32b。根据需要，屏障21a和21b沿由箭头36a和36b确定的路径旋入或旋出。将屏障21a、21b固定在支点34a和34b处。当枢轴旋转屏障21a、21b以便切 口 32交叠时，在屏障21a、21b中产生开口，由此暴露坩埚12并实现坩埚的受控冷却。图3C示出了与图3B相似的详细实施方式。这里，可移动屏障23a和23b分别在 支点34a和34b处枢轴旋转。矩形切口 32a和32b交叠，在屏障23a、23b中产生开口并暴 露坩埚12。这样就实现了所述坩埚的受控冷却。界面26的形状与所生产的晶锭质量相关。图4示出用常规尺寸的凝固装置获得 的界面26的形状。可以看出，在固体硅24与液体硅22之间的界面26在其与坩埚壁12交 会的位置向下弯曲。该弯曲区域导致晶锭在边缘附近和中心处具有不同的晶粒尺寸。必须 磨掉这些边缘，以便暴露均勻的硅，结果导致大约Icm的硅损失。在图5A和5B中示出了根据本发明的实施方式获得的界面26。图5A示出向下弯 曲的但是在边缘处是平坦的界面26。图5B示出横贯整个液体22-固体24结合处基本平坦 的界面26。这两种界面26均将导致具有横贯晶锭横截面的基本相等的晶粒尺寸的晶锭，由 此消除或显著减少了对于磨掉所述晶锭外部的需要。用于本发明实施方式的坩埚一般是矩形的，且具有四个侧壁和一个底部。可以由 任何适于容纳液体硅而不导致污染的材料(例如，具有氮化硅涂层的石英)制成所述坩埚。 高纯度石英目前是用于生产硅晶锭的优选材料。可以由任何适于保持所述坩埚的材料(例 如，石墨)制成所述的坩埚支架。因此，本发明的一个或多个实施方式涉及用于通过定向凝固生产多晶硅晶锭的装 置。所述装置包括具有四个侧壁和一个底部的坩埚。基于具体应用，所述坩埚的顶部可以 是开口的或封闭的。将所述坩埚放置在坩埚支架内。多个加热器围绕所述坩埚支架的至少 一部分。所述加热器能够使所述坩埚内的硅熔化。使至少两个在所述坩埚支架下面的可移 动热屏障适于在与所述坩埚底部相同的平面上移动。可以由任何适用的材料制成所述可移 动热屏障，诸如石墨、石墨毡或其它石墨隔层，但并不仅限于石墨材料。在某些实施方式中将加热器布置在所述坩埚支架的四个侧壁附近。在其它实施方 式中，将一个加热器布置在所述坩埚上方。在其它实施方式中，将一个加热器布置在所述坩 埚下方。可以存在有位于所述坩埚下方的冷却器。也可以使用围绕所述装置的水冷套筒。一个或多个实施方式的可移动热屏障包括多达四个的适于移动以便形成具有与 所述坩埚底部相似形状的开口的构件。某些实施方式的所述构件可以彼此独立地移动。其 它实施方式包括两个当关闭时交叠的可线性移动的屏障(图3A)；两个旋转热屏障(图3B 和 3C)。在其它实施方式中，将一个或多个温度探针设置在所述装置中。可以存在有用于 监控所述温度探针的控制机构。所述控制机构也可以能够调整单个可移动热屏障(heat shield)的位置，以便从所述坩埚中的熔化硅可控地提取热量。本发明的附加实施方式涉及通过定向凝固生产多晶硅晶锭的方法。所述方法包括 将硅传送到放置在炉内的坩埚中。所述坩埚可以具有一个底部和四个侧壁。也可以存在有 所述坩埚的顶部。将所述坩埚保持在坩埚支架内。用放置在所述坩埚支架侧壁附近的加热 元件加热所述坩埚。至少在坩埚的底部上用可移动热屏障围绕所述坩埚。将所述坩埚中的 硅熔化并随后通过移动所述热屏障以受控方式使其冷却，以便获得所述硅的受控凝固。生 产出晶锭边缘处的晶粒尺寸与晶锭中心的晶粒尺寸基本相同的多晶硅晶锭。
在其它实施方式中，所述热屏障包括四个适于移动以便可以形成具有与所述坩埚 底部相似形状的开口的构件。应该理解，图2A-2B中示出的四个热屏障配置仅是示范性的。 因此，根据可替代的实施方式可以使用少于或多于四个可移动热屏障。例如，可以使用两个 对向的热屏障。其它的各种变化，诸如图3中示出的那些变型也属于本发明的范围。本发明的其它实施方式涉及多晶硅晶锭。在凝固期间所述晶锭包含四个侧壁和一 个固-液硅界面。通过移动所述热屏障控制所述固-液界面。某些实施方式的所述多晶硅 晶锭在所述固_液界面与所述坩埚侧壁的交会处具有向下弯曲的界面。其它实施方式的所 述多晶硅晶锭具有与所述晶锭侧壁垂直的界面。其它实施方式的所述多晶硅晶锭显示出了 从所述晶锭中心到所述晶锭边缘相同的晶粒尺寸。在本说明书全文中提及“一个实施方式”、“某些实施方式”、“一个或多个实施方 式”或“某个实施方式”意味着在本发明的至少一个实施方式包括结合所述实施方式描述的 特定性质、结构、材料或特征。因此，在本说明书中不同位置出现的短语“在一个或多个实施 方式中”、“在某些实施方式中”、“在一个实施方式中”或“在某个实施方式中”不是必须指本 发明的同一实施方式。另外，可以以任何适当的方式在一个或多个实施方式中结合所述各 个特定性质、结构、材料或特征。虽然在此已经参照具体的实施方式描述了本发明，应该理解，这些实施方式仅是 阐述本发明的原理和应用。对于本领域技术人员，显而易见的是，不偏离本发明的精神和范 围，可以对本发明的方法和装置作出不同修改和改变。因此，本发明意欲包括落入所附权利 要求书及其等同物范围内的各种改进和变型。
8
权利要求
一种用于通过定向凝固生产多晶硅晶锭的装置，所述装置包括包含侧壁和底部的坩埚；用于保持所述坩埚的包括侧壁和底部部分的坩埚支架；多个围绕所述坩埚支架的至少一部分的固定加热器，所述加热器能够将硅加热到熔化温度；以及至少两个在所述坩埚支架底部部分的可移动热屏障，所述热屏障可以控制在与所述坩埚底部相同的平面内移动。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述加热器设置在所述坩埚支架的侧壁附近。
3.如权利要求1所述的装置，其中一个或多个热扩张器设置在所述加热器与所述坩埚 支架侧壁之间。
4.如权利要求1所述的装置，其还包括设置在所述坩埚上方的加热器。
5.如权利要求1所述的装置，其还包括设置在所述坩埚下方的加热器。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述可移动热屏障包括石墨隔层。
7.如权利要求1所述的装置，其还包括设置在所述坩埚下方的冷却器。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述坩埚底部包含四个布置成形成具有与所述坩埚 相似形状的开口的构件。
9.如权利要求1所述的装置，其还包括用于监控温度的温度探针，所述温度探针与用 于调整所述可移动热屏障位置的控制机构通讯连接，以便控制从所述坩埚中熔化硅提取的 热量速率。
10.如权利要求1所述的装置，其还包括在所述装置周围的水冷套筒。
11 如权利要求1所述的装置，其中每个可移动热屏障适于独立于其它热屏障而移动。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述坩埚和所述坩埚支架包括四个侧壁。
13.如权利要求12所述的装置，其中在凝固期间所述晶锭包含四个侧壁和由所述可移 动热屏障控制的固_液硅界面，并且所述固_液界面在其与所述坩埚侧壁的交会处向下弯 曲ο
14.如权利要求12所述的装置，其中由所述装置产生的所述界面与所述晶锭侧壁垂直。
15.如权利要求12所述的装置，其中由所述装置产生的所述晶锭从所述晶锭中心到所 述晶锭边缘具有相同的晶粒尺寸。
16.一种用于通过定向凝固生产多晶硅晶锭的方法，所述方法包括将硅传送到位于炉内的坩埚中，所述坩埚包含底部和侧壁并且所述坩埚容纳在坩埚支 架内；用位于所述坩埚支架侧壁附近的加热元件加热所述坩埚；至少在所述坩埚底部上用可移动热屏障围绕所述坩埚；在所述坩埚中熔化所述硅；以及通过改变所述热屏障相对于所述坩埚底部的位置，以受控方式冷却所述坩埚中的所述 熔化硅，以实现受控凝固。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述坩埚包括四个侧壁并且所述坩埚底部包含四 个适于移动以便可以形成具有与所述坩埚底部相似形状的开口的构件。
18.如权利要求16所述的方法，其中生产晶锭中心的晶粒尺寸与晶锭边缘的晶粒尺寸 基本相同的多晶硅晶锭。
19.一种使用如权利要求16所述的装置制备的多晶硅晶锭，所述晶锭具有顶部表面、 四个侧壁和由固-液界面限定的界面。
20.如权利要求19所述的多晶硅晶锭，其中所述界面在所述固-液界面与所述坩埚侧 壁的交会处向下弯曲。
21.如权利要求19所述的多晶硅晶锭，其中所述界面与所述晶锭侧壁垂直。
全文摘要
用于通过定向凝固制造多晶硅晶锭的装置和方法包括两个或两个以上位于坩埚下面的可移动热屏障，以受控方式开启所述热屏障，以便去除热量并生产高质量硅晶锭。
文档编号C30B29/06GK101899707SQ20091014522
公开日2010年12月1日 申请日期2009年5月27日 优先权日2009年5月27日
发明者克拉玛达提·V·拉韦, 汉斯·J·瓦利茨基 申请人:应用材料股份有限公司