专利名称：连续浇铸单晶硅带的设备和方法
技术领域：
本申请通常涉及半导体/光电工艺中使用的装置和系统。本申请也通常涉及半导 体/光电工艺中使用的方法。
背景技术：
连续浇铸已长期被用于在冶金工业中制造铝和其他非铁金属的坯体。但是，近 来，该技术已被修改以便制造太阳能电池应用所需的硅(Si)带。更具体地，一些新兴硅 带技术，例如树状网(WEB)、定界覆膜生长(Ere)、条带(SR)、硅膜(SF)和在衬底上生长带 (RGS)，已经商业化或正在开发。与诸如卓克拉尔斯基(CZ)或定向结晶系统(DSS)生长的传统晶体硅技术相比，硅 带技术淘汰了可消耗超过50%硅生长的传统的晶片切割工艺。此外，硅带技术得益于降低 了的能耗且相对于传统的晶体硅技术而可相当地划算。尽管如上所述，几乎所有当前可用的硅带技术制造的硅带的微结构是等轴的或是 包括柱形硅晶粒。换言之，几乎所有当前可用的硅带技术制造的是多晶硅。同样地，大量晶 粒边界，与杂质的高浓度以及沿这些边界的缺陷一起限制了由此制得的太阳能电池的最高 效率。仅有的制造单晶硅的当前可用的硅带技术为上述的WEB技术。但是，当实施这技 术时，去除伴随硅生长的树状结晶可能成为问题。此外，使用WEB技术生长的硅包含通常形 成在网络中部的双晶面。
发明内容
至少由以上可知，需要提供能相对低成本和高质量地制造单晶硅带的新装置和/ 或系统。制得的硅带也需要能应用于例如太阳能应用。此外，也需要提供制造这种相对低 成本和高质量单晶硅带的新方法。上述需求在很大程度上通过本发明的一个或多个实施例来得以实现。依照这样一 个实施例，提供一种用于形成硅带的设备。该设备包括被设置为容纳硅熔融物的坩锅。该 设备也包括与坩锅相邻并被设置为允许熔融物流经其中的管道。此外，该设备也包括与管 道相邻并被设置为控制流经管道的熔融物温度的管道加热系统。此外，该设备也包括被设 置为支撑与熔融物接触的硅种晶并被进一步设置为沿大致水平方向移动硅种晶的固定器。依照本发明的另一实施例，提供一种形成硅带的方法。该方法包括加热容器中的 给料(例如固体硅)以形成熔融物。该方法也包括引导一部分熔融物沿大致水平方向流出 容器。此外，该方法也包括通过当部分熔融物从容器移走并固化时将部分熔融物与种晶接 触从而促进单晶硅形成。依照本发明的另一实施例，提供另一种用于形成硅带的设备。该设备包括用于加 热硅以形成熔融物的装置。该设备也包括用于引导一部分熔融物沿大致水平方向流出加热 用装置的装置。此外，该设备也包括用于当部分熔融物从加热用装置移走时控制部分熔融物如何快速冷却的装置。此外，该设备也包括用于促进单晶硅形成的装置，其中，当部分熔 融物从加热用装置移走并固化时，用于促进的装置被放置为与部分熔融物接触。因此已相当广泛地概述了本发明的某些实施例，以便于更好地理解详细说明，以 及为了更好地评价对现有技术做出的贡献。当然还有以下将描述的本发明的另外实施例， 这些实施例将构成附加至此的权利要求的主题。在这方面，在详细解释本发明至少一个实施例之前，需要明确的是本发明并非限 于其申请的结构细节以及如以下说明或附图所示的组件的设置。除了那些描述过和实施过 的之外，本发明还有其他实施例并可以各种方式实施。此外，需要指出的是，在说明书以及 摘要中使用的措词和术语是为了说明目的而不可视为限定。同样地，本领域技术人员可意识到本公开所基于的构思，容易利用该构思为基础 而设计用于执行本发明一些目的的其他结构、方法和系统。因此，重要的是，权利要求应被 视为包括这种不脱离本发明精神和范围的等价结构。
图1是依照本发明实施例的用于形成硅带的设备的示意图。图2是图1所示设备的热控制区域内的硅带的相对温度特性。图3是依照本发明实施例的形成图1所示硅带的方法步骤的流程图。
具体实施例方式本发明以下将参照
，其中相同参考数字表述相同的部件。图1为依照本 发明实施例的形成硅带12的设备10的示意图。如图1所示，设备10包括坩锅14(也即容 器)，被设定为容纳(也即固定)硅熔融物16。图1所示熔融物16在坩锅14内通过熔化 多晶硅给料而形成。但是，熔融物16也可通过加热任何其他对本领域技术人员而言是显而 易见的材料而形成，从而实现本发明一个或多个实施例。依照本发明某些实施例，坩锅14为石墨支撑的并大致为矩形石英容器。但是，石 英之外其他材料也可用于形成坩锅14。此外，其他坩锅设置/几何结构也在本发明范围之 内。尽管图1未示出，依照本发麻某些实施例，一个或多个陶瓷涂层(例如Si3N4、Si02) 可被施加至坩锅14的部分或全部表面。通常，这些涂层被设置为减少氧从坩锅14至熔融物 16的分解，并阻止或至少减少硅熔融物附着至坩锅壁。非陶瓷涂层和/或起其他作用(例 如增加表面硬度/抗划伤性)的涂层也在本发明范围之内。如图1所示，坩锅加热系统26与坩锅14相连。依照本发明某些实施例，坩锅加热 系统26被设置为将硅熔融物16保持在液体状态。此外，坩锅加热系统26也可被设置为熔 化可被导入坩锅14的固体材料(例如上述给料中的多晶硅)，因此形成硅熔融物16。在图 1所示本发明实施例中，坩锅加热系统26包括一对石墨电阻加热器，安装在腔18的侧壁上。 但是，其他种类的加热元件和/或其可选位置也在本发明范围之内。例如，加热系统26的 一部分可位于坩锅14下面，或被操纵为多区域加热的设置。图1所示的坩锅14和熔融物16被容纳(也即封闭)在隔热腔18内。隔热腔18 可由任何可减少或最小化热损失并可经受硅工艺中高温的隔热材料制成。进气口 20位于
5图1所示隔热腔18的顶部，而真空泵22位于隔热腔18的底部。但是，进气口 20或真空泵 22的位置没有特别限制。此外，多个进口 /出口也在本发明范围之内，因此允许冗余和/或 允许气体混合物被导入隔热腔18。依照本发明某些实施例，真空泵22被设置为在隔热腔18内制造真空，而进气口 20 被设置为将保护性气体或气体混合物(例如惰性气体)导入隔热腔18。以下将参照图3所 示流程图更详细说明，通过使用图1所示的进气口 20和真空泵22，惰性气氛环境可被导入 隔热腔18。如此，可通过维持隔热腔18内的适当的惰性气体(例如氩气)压力来维持硅熔 融物16的质量(也即可保护熔融物16以免被污染、氧化等等)。此外，熔融物16流出坩 锅14的流速也可被气体压力水平影响。换言之，可增加或降低熔融物16上的气压以或多 或少影响硅熔融物16顶部上的压力。如图1所示，管道24与坩锅14相邻。当位于图1所示的开启位置时，管道24允许 硅熔融物流经其中。图1也显示了，管道加热系统28与管道24相邻。依照本发明某些实 施例，管道24和管道加热系统28的至少一部分、有时是全部被容纳于隔热腔18之内。通 常，管道加热系统28被设置为控制流经管道24的硅熔融物16的温度，而熔融物16进一步 从坩锅14流出并固化。图1所示设备10的另一组件是固定器30，被设置为支撑硅种晶32。当熔融物16 开始流出坩锅14时，固定器30最初使得种晶32与熔融物16在坩锅14外侧的预定位置处 接触。在此位置上，熔融物16的温度使得种晶32能开始形成图1所示的单晶硅带12。除了支撑种晶32，固定器30也被设定为只要上述带形成开始时就以大致水平方 向将种晶32从坩锅14移走。换言之，固定器30被设置为通过管道24从如图1所示的坩 锅14拉出种晶32和任何粘附其上的固化硅。反过来，这使得更多的熔融物16流出坩锅14 以固化并形成更多的带12。图1中，热控制区域34显示为与管道24相邻并位于隔热腔18外。依照本发明某 些实施例，热控制区域34被设置为热处理随后固化(也即在固体硅带12形成之后)的硅 熔融物16。更具体地，热控制区域34用于逐渐降低硅带12的温度，因此大致消除了或至少 大大减少了带12内的热应力。如果需要的话，热控制区域34也可被设置为对带12退火， 因此减少了其中的内部机械应力并进一步减少了带12破裂的可能性。为了确保当硅在部分硅熔融物16和部分硅带12之间转换时硅持续地穿过设备 10，牵引系统36也与管道24相邻。图1中，牵引系统36显示为位于热控制区域34的与管 道24相反面上。依照本发明某些实施例，牵引系统36的速度被小心地控制以确保硅带12 稳定均勻地形成(也即生长)。如下将更加详述的，图1所示的示例性牵引系统36包括一 对滚筒38，与硅带12的完全固化部分摩擦地接触。但是，依照本发明也可使用其他牵引系 统36的设置，牵引系统36可相对图1所示设备10的其他组件而移动。工作时，当如图1所示滚筒38旋转时(也即上部滚筒逆时针旋转而下部滚筒顺时 针旋转)，滚筒38之间的硅带12被从隔热腔18中移出(也即推出或拉出，取决于所选的参 考结构)。如此，带12将种晶32从坩锅14拖出，而更多硅熔融物16可流出坩锅14。依照本发明某些实施例，牵引系统36被设置为使用滚筒38沿大致水平方向移动 硅熔融物16的固化部分(也即硅带12的一部分)。但是，其他被设置为促进硅带12从隔 热腔18中移出的装置也在本发明范围之内。
除了所有其他上述组件，图1也显示了切割系统40，与管道24相邻并位于牵引系 统36的与热控制区域34相反面上。依照本发明某些实施例，切割系统40被设置为切割随 后固化的硅熔融物16 (也即在熔融物16已固化为硅带12后)。为了执行这功能，切割系 统40可包括一个或多个锯子、一个或多个激光器和/或其他任何能将硅带12切割为两片 或更多片的装置/组件。图2为通过图1所示设备10的硅带的相对温度特性图。如图2所示，温度从硅熔 融物16流出坩锅14并进入加热管道28的时间开始保持为相对常数。温度从硅熔融物16 流出加热管道28的时间开始相对快速下降，此时熔融物16通常开始固化为带12 (也即温 度降低至熔点Tmelting以下)。随后，硅带12进入热控制区域34。但是，只要在区域34中， 冷却速度就减慢以便减少/最小化带12中的任何热冲击。如上所述，依照本发明某些实施例，温度被相对稳定地以选定距离保持在热控制 区域34内，以便允许带12内的内部应力退火消除。接下来，当硅带12靠近热控制区域34 出口时，温度被再次允许相对较快地降低。最终，随后移出热控制区域34，硅带12被允许冷 却在环境条件以下直至最终达到环境温度。图3是显示了依照本发明实施例的形成图1所示硅带12的方法步骤的流程图42。 需要指出的是，通过使用依照本发明的装置/系统和/或方法，可形成具有长的少数载流子 寿命、减少的杂质和/或减少的缺陷能级的单晶硅带。换言之，通过实施本发明某些实施 例，可得到具有与单晶硅晶片相同的晶胞性能的硅带，否则必须通过CZ或DSS方法形成。依照图3所示的示意性方法，流程图42的第一步(也即步骤44)规定，加热容器 (例如图1所示坩锅)中的一批给料(例如固体多晶硅)以形成熔融物(例如上述的硅熔 融物16)。尽管没有对加热温度、待熔化给料的组分(例如杂质含量)或容器的几何结构或 组分做出特别限定，依照本发明某些实施例选择半导体工业范围内普遍的参数和组分。依照步骤46，容器至少大致封闭在隔热腔(例如隔热腔18)内。随后，依照步骤 48，在隔热腔内制造真空。对隔热腔所达到的真实压力没有特别限定。但是，依照本发明某 些实施例，达到5t00r的额定压力。步骤48之后，如步骤50所示，隔热腔被填入保护性(例 如惰性)气体。依照本发明某些实施例，氩气环境在步骤48期间被导入隔热腔。但是，也可 使用包括其他惰性气体和/或能阻止硅熔融物经历化学反应的其他气体或混合物的环境。如步骤52所示，一部分熔融物随后以大致水平方向被导出容器。依照本发明某些 实施例，步骤52被依照如步骤54所述的参数而实施，步骤54中规定了选择流速使得部分 熔融物被导出而使得部分熔融物固化后硅带形成为具有小于大约250微米的厚度。本领域 技术人员通过实施本发明一个或多个实施例将可意识到，例如为图1所示设备10的设置/ 尺寸以及处理温度(例如硅熔融物16的温度、热控制区域34内的温度等等)的参数将影 响实施步骤54时所选择的流速。硅带的预期尺寸(例如厚度和宽度)也可影响所选择的 流速。图3所示的下一步是步骤56，规定了通过当部分熔融物流出容器并固化时将部分 熔融物与种晶接触而促进单晶硅的形成。参照图1，步骤56期间，当熔融物16开始流出坩 锅14时种晶32开始与硅熔融物16接触。随后，当种晶32移出隔热腔18并流向热控制区 域34时，熔融物16连同晶体32 —起被拖拽、冷却并最终固化。步骤56之后，步骤58规定，当部分移出容器时热控制部分熔融物固化的速度。依照本发明某些实施例，步骤56所述的热控制导致图2所示的至少部分冷却特性。但是，其 他冷却特性也也在本发明范围之内，包括并不依赖于热控制区域34的那些特性。依照步骤60，在步骤58所述的固化之后，步骤58中提到的部分熔融物被热处理以 减少其中的内应力。换言之，在部分硅熔融物16已固化为图1所示的部分硅带12之后，部 分硅带12被有效地退火。图3所述的下一步骤是步骤62，规定了在部分熔融物固化之后使用机械装置完成 部分熔融物沿大致水平方向的移动。依照本发明某些实施例，使用与图1所示的基于滚筒 的牵引系统36类似或相同的设备。但是，其他允许和/或促进和/或实现硅当硅从熔融物 固化为带时沿大致水平方向移动的装置也在本发明范围之内。流程图42中最后步骤是步骤64，在固化之后切割部分熔融物。如上所述，与图1 所示的切割系统40相比，步骤64可通过例如使用包括至少一个锯或激光器的装置或系统 而实现。但是，依照本发明某些实施例，也可使用任何其他能将硅带切割为两片或更多片的
系统/装置。由详细说明可明确本发明的很多特征和优点，因此所附权利要求的目的在于覆盖 所有本发明的这些特征和优点，使其落入本发明的真实精神和范围之内。此外，由于本领域 技术人员能容易地做出很多修改和变化，不期望将本发明限定于所示和所述的精确结构和 操作，并因此所有恰当的修改和等价物均可归于落入本发明的范围之内。
权利要求
1.一种设备，用于形成硅带，该设备包括 一坩锅，被设置为容纳硅熔融物；一管道，与坩锅相邻并被设置为允许熔融物流经其中； 一管道加热系统，与管道相邻并被设置为控制流经管道的熔融物的温度；以及 一固定器，被设置为支撑硅种晶与熔融物接触并进一步被设定为沿大致水平方向移动 硅种晶。
2.如权利要求1所述的设备，进一步包括 一隔热腔，坩锅被容纳在隔热腔内。
3.如权利要求2所述的设备，其中管道和管道加热元件被容纳在隔热腔内。
4.如权利要求2所述的设备，进一步包括 一进气口，被设置为将保护性气体导入隔热腔。
5.如权利要求2所述的设备，进一步包括 一真空泵，被设置为在隔热腔内制造真空。
6.如权利要求1所述的设备，进一步包括一热控制区域，与管道相邻并被设置为在熔融物固化之后热处理熔融物。
7.如权利要求1所述的设备，进一步包括一切割系统，与管道相邻并被设置为在熔融物固化之后切割熔融物。
8.如权利要求1所述的设备，进一步包括一牵引系统，与管道相邻并被设置为沿大致水平方向牵引熔融物的固化部分。
9.如权利要求1所述的设备，进一步包括一坩锅加热系统，与坩锅相邻并被设置为将硅熔融物维持在液体状态。
10.一种方法，用于形成硅带，该方法包括 加热容器中的硅以形成熔融物；沿大致水平方向将部分熔融物导出容器；以及当部分熔融物移出容器并固化时，通过将部分熔融物与种晶接触来促进单晶硅的形成。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括 将容器大致封闭在隔热腔内。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括 在隔热腔内制造真空。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括 将隔热腔大致填充保护性气体。
14.如权利要求10所述的方法，进一步包括当部分熔融物移出容器时，热控制部分熔融物固化的速度。
15.如权利要求14所述的方法，其中热控制步骤和固化发生在包括容器的隔热腔内。
16.如权利要求10所述的方法，进一步包括选择流速使得部分熔融物被导出以使得部分熔融物固化之后形成具有少于大约250 微米的厚度的硅带。
17.如权利要求10所述的方法，进一步包括在固化之后热处理部分熔融物以减小其中的内部应力。
18.如权利要求10所述的方法，进一步包括在部分熔融物固化之后使用机械装置实现部分熔融物沿大致水平方向的移动。
19.如权利要求10所述的方法，进一步包括 在固化之后切割部分熔融物。
20.一种设备，用于形成硅带，该设备包括 用于加热硅以形成熔融物的装置；用于将部分熔融物沿大致水平方向导出加热用装置的装置； 用于当部分用加热用装置移出时控制部分熔融物如何快速冷却的装置；以及 用于促进单晶硅形成的装置，其中用于促进的装置被放置为当部分熔融物从加热用装 置移出并固化时与部分熔融物接触。
全文摘要
一种用于形成单晶硅带的设备。该设备包括硅熔融物在其中形成的坩锅。熔融物被允许大致垂直地流出坩锅并在固化之前与硅种晶接触。在固化为带之后，带的进一步冷却在受控条件下发生，而带最终被切割。此外，提供一种用于形成单晶硅带的使用前述设备的方法。
文档编号C30B15/06GK102127805SQ20101016537
公开日2011年7月20日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年1月12日
发明者克诺佩尔·德鲁, 李涛, 潘庆乐 申请人:斯必克公司