用于熔融半导体材料的容器及其制造方法

用于熔融半导体材料的容器及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及构造成装纳熔融半导体材料的容器。所述容器包括高纯度熔凝二氧化硅内衬和靠近内衬外表面的熔凝二氧化硅背衬，所述高纯度熔凝二氧化硅内衬具有限定了内部空间的基底和侧壁。
【专利说明】用于熔融半导体材料的容器及其制造方法
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002]本申请根据35U.S.C.§ 120，要求2011年4月25日提交的美国申请系列号第13/093，336号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
【技术领域】
[0003]本发明一般地涉及构造成装纳熔融半导体材料的容器，更具体地涉及包含致密、高纯度内衬和能够支撑所述内衬的多孔、绝热背衬的容器。本发明的实施方式还涉及此类容器的制造方法。
技术背景
[0004]半导体材料用于各种应用，可以例如结合入光伏器件之类的电子器件之内。光伏器件通过光电效应将光辐射转化为电能。
[0005]半导体材料的性质可取决于很多的因素，包括晶体结构、本生缺陷的浓度和种类，是否存在掺杂剂和其他杂质，以及它们的分布。在半导体材料中，例如粒度和粒度分布会对制得的器件的性能造成影响。例如，随着颗粒变得更大和更均匀，光伏电池之类的基于半导体的器件的电导率通常会获得改进，因此总体效率会获得改进。
[0006]对于硅基器件，可以使用各种技术对硅进行成形。其例子包括成形为锭块、片材或带材的硅。所述硅可以被下方的基材支承，或者未被支承。
[0007]例如，可以使用丘克拉斯基(Czochralski)工艺或者布里奇曼(Bridgman)工艺生产非支承型单晶半导体材料。但是，在将所述材料切割成薄片或者晶片的时候，此种大批量法可能会不利地造成显著的截口损失。可用来生产非支承型多晶半导体材料的其他方法包括电磁浇铸和直接网形片材生长法，例如带材生长工艺。但是，这些技术很慢，而且很贵。使用硅带材生长技术生产的多晶硅带材通常仅能以大约l-2cm/分钟的速率形成。
[0008]可以以较廉价的方式生产支承型半导体材料片，但是，半导体材料片会受到在其上形成该半导体材料的基材的限制，所述基材可能必须要满足各种工艺要求和应用要求，这些要求可能是相互冲突的。
[0009]在共同拥有的美国专利申请第12/466，143号和第12/394，608号中揭示了用于生产多晶半导体材料的方法，其全文通过引用结合入本文。这些发明通常涉及用于形成多晶半导体材料的外浇铸法，其中，在浸入熔融半导体材料的模具的外表面上形成半导体材料的固体层。通常在耐高温容器中装纳熔融半导体材料。
[0010]在各种应用中，容器在提升的温度下可以是机械和化学稳定的、绝热的、具有高纯度，特别是在与熔融半导体材料接触的内表面处。在一些工艺过程中，熔融半导体材料会被加热至超过1400°c的温度。
[0011]本发明揭示了能够装纳熔融半导体材料的容器。所述容器可以用以下特征进行表征，例如它们的温度稳定性、纯度和/或绝热性质。但是，应理解的是，在各个实施方式中，所述热稳定性、纯度和/或绝热性质可能以较大或较小的程度存在，或者可能完全不存在。所揭示的各个实施方式旨在落在本发明的范围内。

【发明内容】

[0012]构造成装纳熔融半导体材料的容器包括具有第一熔凝二氧化硅的内衬和具有第二熔凝二氧化硅的多孔背衬，所述内衬具有限定了内部空间的基底和侧壁，所述多孔背衬靠近内衬的外表面。所述内衬包含高纯度材料，并且总杂质含量小于或等于lOOppbw。在一些实施方式中，背衬中所含的熔凝二氧化硅没有内衬中所含的熔凝二氧化硅那么致密(即，具有较高的孔隙率)。
[0013]本发明还涉及制备这种容器的制造方法。在一个示例性方法中，可以通过形成包含第一熔凝二氧化硅的内衬来制造容器，其中所述内衬具有限定了内部空间的基底和侧壁。可以靠近内衬的外表面形成包含第二熔凝二氧化硅的背衬，所述背衬可以支撑所述内衬。在所揭示的方法中，内衬的总杂质含量小于或等于lOOppbw，并且比背衬更为致密(SP，较少的孔)。
[0014]本发明的其他目的和优点将在以下描述中指出，其中一部分通过该描述不难理解，或者可通过实施本发明而了解。借助所附权利要求中特别指出的要素和组合，将会认识和实现这些目的和优点。
[0015]应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是示例和说明性的，不对权利要求书构成限制。附图被结合在本说明书中，并构成说明书的一部分，【专利附图】

【附图说明】了本发明的一些示例性实施方式，并与描述部分一起用来说明本发明的原理。
[0016]附图简要说明
[0017]图1是根据一个示例性实施方式的容器的透视图；
[0018]图2是根据另一个示例性实施方式的容器的侧视图；
[0019]图3是容器沿图2中3-3线的截面图；
[0020]图4是根据另一个示例性实施方式的容器的侧视图；以及
[0021]图5是根据一个实施方式的具有子内衬的容器的侧视图。
【具体实施方式】
[0022]容器被构造成装纳熔融半导体材料，例如熔融硅，并且可用于将熔融半导体材料装纳在容器中的同时实现对其进行加热。所述容器包括第一熔凝二氧化硅材料的内衬，以及靠近所述内衬的外表面的第二熔凝二氧化硅材料的背衬。所述内衬具有限定了内部空间的基底和侧壁，该内部空间适用于装纳熔融半导体材料，并且所述内衬包括致密、高纯度的材料，该材料的总杂质含量小于或等于lOOppbw，并且总孔隙率小于背衬的孔隙率。
[0023]本文所用术语“半导体材料”包括具有半导体性质的任意材料，例如硅、锗、砷化镓，以及它们的合金和混合物。 [0024]图1是根据一个示例性实施方式的容器10的透视图。图2是容器10的侧视图，图3是图2的容器10沿线3-3的截面侧视图。例如，容器10可以是能够装纳例如被加热至约1450°C的熔融硅的坩锅。在各个实施方式中，容器可以为熔融半导体材料提供绝热，这会有助于用于形成和维持熔体的能量的高效纳入。
[0025]如图2所示，容器10包括内衬12和靠近所述内衬12的外表面的背衬14。所述内衬12包括侧壁16和基底18，它们一起限定了内部空间30。内部空间30能够装纳熔融半导体材料20，其中内衬12的内表面与熔融半导体材料20发生直接物理接触。
[0026]内衬可以由整体部件形成，或者可以由相互固定的分开部件形成。例如，侧壁16可以包括单个区段或者多个相互附连的直的或弯曲的区段，以限定三维结构。在其他实施方式中，侧壁16可以限定具有正方形、矩形、圆形或椭圆形截面的三维形状。可以将基底18与侧壁固定以形成内衬12。
[0027]可以由高纯度、致密的材料形成内衬12，这使得其能够与熔融半导体材料进行直接接触。在各个实施方式中，内衬12是由高纯度熔凝二氧化硅形成的。通过由具有低的总杂质含量的熔凝二氧化硅形成内衬12，可以使得结合进入熔融半导体材料的杂质最少化。
[0028]在一些实施方式中，内衬12的总杂质含量可以小于或等于100重量份数/十亿(ppbw)。在其他实施方式中，内衬12的总杂质含量可以小于50ppbw。
[0029]对于不同的潜在杂质，用于形成内衬的熔凝二氧化硅可以独立地具有30ppbw的碱金属，IOppbw的碱土金属，Ippbw的有色金属，0.05ppbw的难熔金属，0.05ppbw的贵金属和0.05ppbw的稀土金属的最大总浓度,或者它们的组合。
[0030]碱金属包括锂、钠、钾、铷和铯。碱土金属包括镁、钙、锶和钡。难熔金属可包括钛、fL、错、银、钥、铪、钽、鹤和铼。有色金属包括铬、猛、铁和钴。贵金属包括钌、错、钮、银、锇、依、怕和金。土金属包括锐、?乙、俩、铺、谱、钦、紅、箱、,L、铺、摘、钦、辑、钱、镜和错。
[0031]内衬12可包括氧化铝和氧化硼中的至少一种。可以在内衬中加入氧化铝和/或氧化硼以产生用于杂质(例如碱金属)的陷阱，从而抑制此类杂质从内衬扩散进入熔融半导体材料中。可以分别以O-1OOppbw的原子铝或原子硼的浓度在内衬12的熔凝二氧化硅中结合入氧化铝和氧化硼。
[0032]内衬材料可包含小于或等于约1000重量份数/百万(ppmw)的水。水的存在可降低熔凝二氧化硅的粘度，这可实现熔融半导体材料20加热过程中内衬12的流动或蠕动。内衬在1400°C的粘度可以大于IO8泊。在一些实施方式中，内衬可以包含应变点至少为850°C，退火点至少为1000°C，软化点至少为1490°C的熔凝二氧化硅。
[0033]在一些实施方式中，内衬包含致密或基本致密的熔凝二氧化硅。内衬的总孔隙率可以小于5体积％ (例如小于5、2.5、1、0.5或者0.1体积％的孔隙率)。低孔隙率可导致内衬具有较光滑的内表面42。光滑内表面会具有比粗糙内表面42相对于熔融半导体材料104较小的内衬材料表面积，这能够限制从内衬扩散进入半导体材料的杂质的数量。致密、低孔隙率的内衬还起了扩散阻隔的作用，以抑制或阻止杂质从背衬14扩散进入半导体材料中。在一些实施方式中，内衬12的内表面42可以在500x500微米的面积上具有小于约IOOnm的均方根(RMS)粗糙度(例如，小于100、50、25、10、2.5、1、0.5或者0.lnm)。
[0034]在其他实施方式中，内衬12的外表面44的表面粗糙度可以大于内表面的表面粗糙度。外表面的较大粗糙度可以改善内衬的绝热性质。
[0035]内衬的内表面42可以基本不含内含物。近表面区域(例如从内衬的内表面开始0-2mm的深度)内的内含物水平可以小于2个内含物/cm3 (例如，小于2、1或0.5个内含物/cm3)。根据另一个实施方式，内衬中存储的任意内含物的最大尺寸可以是500 μ m (例如，最高至100、200、300、400或500 μ m的最大尺寸)。
[0036]在各个实施方式中，内衬12的侧壁16可以具有约l_8mm的厚度。例如，侧壁16的厚度范围可以是约2-5_。厚度至少为1mm的内衬侧壁可以提供足够的结构完整性以支撑熔融半导体材料20，还可提供足够的材料以容纳由于暴露于熔融半导体材料所导致的侧壁16的腐蚀所引起的一些材料损失。另一方面，通过将内衬侧壁的厚度限制为8_，可以维持外部加热元件与熔融半导体材料之间的高效能量耦合。内衬的基底的厚度范围可以是约1 -8mm (例如约 2_5mm)。
[0037]在各个实施方式中，内衬12的侧壁16和基底18在圆滑的边缘相交。在采用例如射频能量源来加热熔融半导体材料的一些实施方式中，使得容器内存在的锋利边缘或方角尽可能地少会是有益的。例如，内衬的侧壁和基底可以相交形成曲率半径至少约为2_(例如2-5mm)的圆角内边缘52。
[0038]内衬12具有朝向背衬14的外表面44，所述背衬14靠近内衬12，其可以与内衬12直接接触或者可以与内衬间隔一定的间隙。部分内衬可以与背衬间隔一定间隙，同时部分内衬可以与背衬发生直接物理接触。
[0039]背衬14可包括整体部件，或者可以由多个分开的侧壁区段22形成。例如，如图2所示，背衬14可包括多个相互固定的区段22，并构造成横向包封内衬。背衬14还可包括基底24，侧壁22可任选地固定在所述基底24上。
[0040]背衬14可包含具有最少化杂质的材料，从而使得传输到熔融半导体材料20的杂质最少化。在各个实施方式中，背衬14可包括熔凝二氧化硅。但是，由于背衬不与熔融半导体材料发生直接接触，所以背衬14的熔凝二氧化硅的杂质含量可以大于形成内衬12的熔凝二氧化硅的杂质含量。在各个实施方式中，背衬14内的总杂质含量可以小于或等于IOppmw,例如小于或等于lppmw。 [0041]背衬14可任选地含有氧化铝或氧化硼。如同内衬12，可以在背衬中加入氧化铝和/或氧化硼以产生用于杂质(例如碱金属)的陷阱，从而抑制此类杂质从内衬扩散进入熔融半导体材料中。此类凹陷或陷阱可使得从背衬14扩散进入到内衬12的杂质最少化。
[0042]可以以例如IOOppbw至20重量％的原子铝的浓度，在背衬的熔凝二氧化硅中结合入氧化铝。可以以例如IOOppbw至I重量％的原子硼的浓度，在背衬的熔凝二氧化硅中结合入氧化硼。在至少一些实施方式中，可优选在背衬中加入氧化铝而不是加入氧化硼，因此氧化硼会不合乎希望地降低背衬的粘度。
[0043]在各个实施方式中，背衬材料的密度可以小于内衬材料的密度。在类似的容器中，背衬的孔隙率可以大于内衬的孔隙率。例如，背衬的孔隙率可以为5-80体积％(例如，小于
5、10、20、30、40、50、60、70或80体积％)。在某些实施方式中，在加热熔融半导体材料的过程中，背衬中的较高孔隙率能更有效地对内衬以及其中所含的熔融半导体材料进行绝热。
[0044]为了加热熔融半导体材料并维持熔融半导体材料的熔融状态，可以靠近背衬14的外表面放置加热元件50，例如RF感应线圈。不希望受到理论的限制，为了促进RF能量有效地耦合进入熔融半导体材料，RF线圈应该尽可能地靠近熔融半导体材料。因此，可能希望容器的总厚度，包括内衬和背衬侧壁各自的厚度尽可能地小。
[0045]在各个实施方式中，背衬14的侧壁22的厚度可以小于或等于约20mm。在某些实施方式中，内衬12的侧壁16和背衬14的侧壁22的总厚度可以小于或等于约20mm，从而使得来自加热元件50的能量可以有效地与容器10内的熔融半导体材料20耦合。
[0046]如图2和3所示，可以在内衬12的外表面和背衬14的内表面之间限定物理间隙40。该间隙的宽度可以约为Omm至3mm。间隙宽度可以是恒定的，或者在一些实施方式中，间隙宽度可以随位置变化而变化。内衬外表面与背衬内表面之间的可测量的间隙确保了在一些实施方式中，可以将内衬插于背衬中。组装之后，内衬的外表面可以基本平行于背衬的相应内表面。在组装的容器中，内衬的基底可以与背衬的基底发生物理接触(例如，没有明显的间隙)。
[0047]在使用容器的过程中，当在其中放置熔融半导体材料20时，侧壁间(例如内衬外侧壁和背衬内侧壁)的间隙宽度会在内衬12的外表面和背衬14的外表面之间的特定位置增加或减小，这是因为熔凝二氧化硅材料的变形或蠕动所导致的。
[0048]在各个示例性实施方式中，例如如图5所示，可任选地在内衬12和背衬14之间结合入一个或多个中间衬里60。如果使用的话，所述中间衬里60可使得熔融半导体材料20中的杂质最少化和/或为熔融半导体材料20提供绝热。所述中间衬里60可以包含熔凝二氧化硅，并且可以与内衬12和背衬14中的一个或两个发生物理接触或者不发生物理接触。
[0049]本发明的其他实施方式涉及所揭示的容器的制造方法。可以通过靠近内衬的外表面设置背衬14来形成容器10。可以通过，例如对预先形成的内衬区段(例如，管状侧壁和基底)进行组装来形成内衬。可以通过，例如粉浆浇铸整体部件或者将预先形成(例如粉浆浇铸)的背衬区段组装成所需的形状来形成背衬，所述形状构造成装纳内衬。
[0050]内衬和背衬都可以相互独立地作为整体部件形成。在内衬和/或背衬作为整体部件形成的实施方式中，它们可以通过，例如对用于形成各个部件的材料(例如熔凝二氧化硅)的固体片材进行研磨或水喷射来形成。
[0051]在一个示例性方法中，可以分开组装内衬14和背衬16，然后相互配准。例如，可以将预组装的内衬以可滑动的方式啮合在预组装的背衬内。在另一个示例性方法中，可以组装内衬14，然后可以在将背衬靠近内衬的外表面放置的过程中组装背衬16。例如，背衬16可以包括多个背衬区段，在将所述多个背衬区段与内衬的外表面配准时将它们组装在一起。可任选地，可在内衬和背衬之间的界面处限定间隙。
[0052]在替代方法中，可以由两个或多个各自的区段来分别组装内衬和背衬。可以通过，例如对区段进行整体或局部(例如区段相交的位置)加热，将区段熔融在一起，使得用于形成内衬或背衬的区段结合在一起并接合。可以通过任意已知的方法将区段熔融在一起，例如将区段保持在一起，并将至少一部分的区段在合适的温度加热合适的时间。
[0053]分开区段的熔融粘结会取决于温度、时间、施加到要接合的区段上的作用力以及要接合的界面的纯度和表面精整。熔融粘结的温度可以是500-1550°C(例如500、750、1000、1250、1500或者1550°C)，熔融粘结的时间可以是I秒至I周。熔融粘结温度应该足够高，以形成熔融粘结，但是不应该高到引起经加热部件不合乎希望的变形或弯垂。
[0054]在一些实施方式中，可以对要接合的界面进行抛光，从而促进不允许熔融半导体材料的任意泄漏的熔融粘结。通过提供完好的表面，可以避免不完整或非有效的熔融粘结(例如包含空气袋或未粘结材料部分的界面)。虽然并不是所有的实施方式都需要对表面进行抛光以接合，但是至少在某些实施方式中，抛光可以降低使片材相互固定的温度。
[0055]在组装之前或之后，但是在使用之前，可以对内衬和/或背衬通过例如酸蚀刻进行清洁，以去除碎片或其他表面污染。在一些实施方式中，如果在熔凝粘结分开的区段之前对内衬或背衬进行了酸蚀刻，则可以在要接合的表面上形成保护涂层(例如聚合物层)，从而保护这些表面免受酸蚀刻。
[0056]应注意的是，除非另有说明，否则本文所揭示的方法不应被理解为常规依次步骤，仅仅是包括在本领域技术人员已知的任意顺序的所列出的操作之内。也可任选地省略某些揭示的步骤，或者加入未提及的步骤，这仍属于本发明的范围内。
[0057]除非另外说明，否则，说明书和权利要求书中使用的所有数值都理解为在所有情况下用术语“约”修饰，而不管是否确有“约”。也应理解，本发明说明书和权利要求书所用的精确数值构成本发明的附加实施方式。
[0058]本文所用的“该”、“一个”或“一种”表示“至少一个(一种)”，不应局限为“仅一个(一种)”，除非明确有相反的说明。因此，例如，“该侧面”或“侧面”旨在表示至少一个侧面。
[0059]还要注意本文关于将本发明的部件“构造成”或“使其适于”是以特定的方式起作用的描述。关于这方面，将这样一个部件“构造成”或“使其适于”体现特定的性质，或者以特定的方式起作用，这样的描述是结构性的描述，而不是对预定应用的描述。更具体来说，本文所述的将部件“构造成”或“使其适于”的方式表示该部件现有的物理条件，因此可以将其看作该部件的结构特征的限定性描述。
[0060]对本领域技术人员显而易见的是，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下对本发明作出各种修改和变化。因为本领域技术人员可以结合本发明的精神和实质，对所述的实施方式进行各种改良组合、子项组合和变化，应认为本发明包括所附权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。
[0061]本领域的技术 人员通过考虑说明书和实施本文所述的发明，将会明显看出本发明的其他实施方式。本说明书和实施例仅是示例性的，本发明真正的范围由所附权利要求书来限定。
【权利要求】
1.一种构造成装纳熔融半导体材料的容器，所述容器包括: 包含第一熔凝二氧化硅的内衬，所述内衬具有限定了内部空间的基底和侧壁；以及 包含第二熔凝二氧化硅的背衬，该背衬靠近所述内衬的外表面，其中 所述内衬的总杂质含量小于或等于IOOppbw,并且 所述第一熔凝二氧化硅的孔隙率小于所述第二熔凝二氧化硅的孔隙率。
2.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述第一熔凝二氧化硅的杂质含量为:小于或等于30ppbw的碱金属，小于或等于IOppbw的碱土金属，小于或等于Ippbw的有色金属，小于或等于0.05ppbw的难熔金属，小于或等于0.05ppbw的贵金属，以及小于或等于0.05ppbw的稀土金属。
3.如权利要求1-2中任一项所述的容器，其特征在于，所述第一熔凝二氧化硅包含小于或等于1000ppm的水。
4.如权利要求1-3中任一项所述的容器，其特征在于，所述内衬还包含至少一种选自氧化铝和氧化硼的杂质。
5.如权利要求1-4中任一项所述的容器，其特征在于，所述第一熔凝二氧化硅的总杂质含量小于所述第二熔凝二氧化硅的总杂质含量。
6.如权利要求1-5中任一项所述的容器，其特征在于，所述第一熔凝二氧化硅的总孔隙率小于或等于5体积％。`
7.如权利要求1-6中任一项所述的容器，其特征在于，所述第二熔凝二氧化硅的总孔隙率小于或等于80体积％。
8.如权利要求1-7中任一项所述的容器，其特征在于，所述内衬的内表面的RMS表面粗糙度小于IOOnm。
9.如权利要求1-8中任一项所述的容器，其特征在于，所述内衬的外表面的RMS表面粗糙度大于lnm。
10.如权利要求1-9中任一项所述的容器，其特征在于，内衬侧壁的内含物密度小于2个内含物/cm3。
11.如权利要求1-10中任一项所述的容器，其特征在于，内衬侧壁的厚度为1_8_。
12.如权利要求1-11中任一项所述的容器，其特征在于，所述背衬的侧壁厚度小于或等于20_。
13.如权利要求1-12中任一项所述的容器，其特征在于，所述内衬的外表面与所述背衬的内表面发生紧密物理接触。
14.如权利要求1-13中任一项所述的容器，其特征在于，所述内衬的外表面与所述背衬的内表面发生紧密物理接触，并且容器侧壁的总厚度小于或等于20mm。
15.如权利要求1-14中任一项所述的容器，其特征在于，所述内衬的外表面和所述背衬的内表面在它们之间限定了间隙。
16.如权利要求1-15中任一项所述的容器，其特征在于，所述内衬包括第一子层和第二子层，所述第二子层位于所述第一子层和背衬之间。
17.如权利要求1-16中任一项所述的容器，其特征在于，所述内衬的基底和内衬的侧壁在曲率半径至少为2_的角处相交。
18.如权利要求1-17中任一项所述的容器，其特征在于，所述内衬构造成抑制背衬的杂质扩散进入内部空间中所装纳的熔融半导体材料中。
19.如权利要求1-18中任一项所述的容器，其特征在于，所述背衬构造成对内衬以及内部空间中所装纳的熔融半导体材料进行绝热。
20.一种制造容器的方法，该容器构造成装纳熔融半导体材料，所述方法包括: 形成包含第一熔凝二氧化硅制品的内衬，所述内衬具有限定了内部空间的基底和侧壁；以及 形成包含第二熔凝二氧化硅制品的背衬，该背衬靠近所述内衬的外表面，其中 所述内衬的总杂质含量小于或等于IOOppbw,并且 所述第一熔凝二 氧化硅的孔隙率小于所述第二熔凝二氧化硅的孔隙率。
【文档编号】C30B29/06GK103635614SQ201280020156
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年3月27日 优先权日:2011年4月25日
【发明者】G·B·库克, K·E·贺迪纳, C·S·托马斯, J·F·小怀特 申请人:康宁股份有限公司