連續澆鑄單晶矽帶的設備的製作方法

2023-06-04 16:26:56 6

專利名稱：連續澆鑄單晶矽帶的設備的製作方法
技術領域：
本申請通常涉及半導體/光電工藝中使用的裝置和系統。
背景技術：
連續澆鑄已長期被用於在冶金工業中製造鋁和其他非鐵金屬的坯體。但是，近 來，該技術已被修改以便製造太陽能電池應用所需的矽(Si)帶。更具體地，一些新興矽 帶技術，例如樹狀網(WEB)、定界覆膜生長(Ere)、條帶(SR)、矽膜(SF)和在襯底上生長帶 (RGS)，已經商業化或正在開發。與諸如卓克拉爾斯基(CZ)或定向結晶系統(DSS)生長的傳統晶體矽技術相比，矽 帶技術淘汰了可消耗超過50%矽生長的傳統的晶片切割工藝。此外，矽帶技術得益於降低 了的能耗且相對於傳統的晶體矽技術而可相當地划算。儘管如上所述，幾乎所有當前可用的矽帶技術製造的矽帶的微結構是等軸的或是 包括柱形矽晶粒。換言之，幾乎所有當前可用的矽帶技術製造的是多晶矽。同樣地，大量晶 粒邊界，與雜質的高濃度以及沿這些邊界的缺陷一起限制了由此製得的太陽能電池的最高 效率。僅有的製造單晶矽的當前可用的矽帶技術為上述的WEB技術。但是，當實施這技 術時，去除伴隨矽生長的樹狀結晶可能成為問題。此外，使用WEB技術生長的矽包含通常形 成在網絡中部的雙晶面。

實用新型內容至少由以上可知，需要提供能相對低成本和高質量地製造單晶矽帶的新裝置和/ 或系統。製得的矽帶也需要能應用於例如太陽能應用。此外，也需要提供製造這種相對低 成本和高質量單晶矽帶的新方法。上述需求在很大程度上通過本實用新型的一個或多個實施例來得以實現。依照這 樣一個實施例，提供一種用於形成矽帶的設備。該設備包括被設置為容納矽熔融物的坩鍋。 該設備也包括與坩鍋相鄰並被設置為允許熔融物流經其中的管道。此外，該設備也包括與 管道相鄰並被設置為控制流經管道的熔融物溫度的管道加熱系統。此外，該設備也包括被 設置為支撐與熔融物接觸的矽種晶並被進一步設置為沿大致水平方向移動矽種晶的固定器。 依照本實用新型的另一實施例，提供一種形成矽帶的方法。該方法包括加熱容器 中的給料(例如固體矽)以形成熔融物。該方法也包括引導一部分熔融物沿大致水平方向 流出容器。此外，該方法也包括通過當部分熔融物從容器移走並固化時將部分熔融物與種 晶接觸從而促進單晶矽形成。依照本實用新型的另一實施例，提供另一種用於形成矽帶的設備。該設備包括用 於加熱矽以形成熔融物的裝置。該設備也包括用於引導一部分熔融物沿大致水平方向流出 加熱用裝置的裝置。此外，該設備也包括用於當部分熔融物從加熱用裝置移走時控制部分熔融物如何快速冷卻的裝置。此外，該設備也包括用於促進單晶矽形成的裝置，其中，當部 分熔融物從加熱用裝置移走並固化時，用於促進的裝置被放置為與部分熔融物接觸。因此已相當廣泛地概述了本實用新型的某些實施例，以便於更好地理解詳細說 明，以及為了更好地評價對現有技術做出的貢獻。當然還有以下將描述的本實用新型的另 外實施例，這些實施例將構成附加至此的權利要求的主題。在這方面，在詳細解釋本實用新型至少一個實施例之前，需要明確的是本實用新 型並非限於其申請的結構細節以及如以下說明或附圖所示的組件的設置。除了那些描述過 和實施過的之外，本實用新型還有其他實施例並可以各種方式實施。此外，需要指出的是， 在說明書以及摘要中使用的措詞和術語是為了說明目的而不可視為限定。同樣地，本領域技術人員可意識到本公開所基於的構思，容易利用該構思為基礎 而設計用於執行本實用新型一些目的的其他結構、方法和系統。因此，重要的是，權利要求 應被視為包括這種不脫離本實用新型精神和範圍的等價結構。

圖1是依照本實用新型實施例的用於形成矽帶的設備的示意圖。圖2是圖1所示設備的熱控制區域內的矽帶的相對溫度特性。圖3是依照本實用新型實施例的形成圖1所示矽帶的方法步驟的流程圖。
具體實施方式
本實用新型以下將參照附圖說明，其中相同參考數字表述相同的部件。圖1為依 照本實用新型實施例的形成矽帶12的設備10的示意圖。如圖1所示，設備10包括坩鍋 14 (也即容器)，被設定為容納(也即固定)矽熔融物16。圖1所示熔融物16在坩鍋14內 通過熔化多晶矽給料而形成。但是，熔融物16也可通過加熱任何其他對本領域技術人員而 言是顯而易見的材料而形成，從而實現本實用新型一個或多個實施例。依照本實用新型某些實施例，坩鍋14為石墨支撐的並大致為矩形石英容器。但 是，石英之外其他材料也可用於形成坩鍋14。此外，其他坩鍋設置/幾何結構也在本實用新 型範圍之內。儘管圖1未示出，依照本發麻某些實施例，一個或多個陶瓷塗層(例如Si3N4、Si02) 可被施加至坩鍋14的部分或全部表面。通常，這些塗層被設置為減少氧從坩鍋14至熔融物 16的分解，並阻止或至少減少矽熔融物附著至坩鍋壁。非陶瓷塗層和/或起其他作用(例 如增加表面硬度/抗劃傷性)的塗層也在本實用新型範圍之內。如圖1所示，坩鍋加熱系統26與坩鍋14相連。依照本實用新型某些實施例，坩鍋 加熱系統26被設置為將矽熔融物16保持在液體狀態。此外，坩鍋加熱系統26也可被設置 為熔化可被導入坩鍋14的固體材料(例如上述給料中的多晶矽)，因此形成矽熔融物16。 在圖1所示本實用新型實施例中，坩鍋加熱系統26包括一對石墨電阻加熱器，安裝在腔18 的側壁上。但是，其他種類的加熱元件和/或其可選位置也在本實用新型範圍之內。例如， 加熱系統26的一部分可位於坩鍋14下面，或被操縱為多區域加熱的設置。圖1所示的坩鍋14和熔融物16被容納(也即封閉)在隔熱腔18內。隔熱腔18 可由任何可減少或最小化熱損失並可經受矽工藝中高溫的隔熱材料製成。進氣口 20位於圖1所示隔熱腔18的頂部，而真空泵22位於隔熱腔18的底部。但是，進氣口 20或真空泵 22的位置沒有特別限制。此外，多個進口 /出口也在本實用新型範圍之內，因此允許冗餘和 /或允許氣體混合物被導入隔熱腔18。依照本實用新型某些實施例，真空泵22被設置為在隔熱腔18內製造真空，而進氣 口 20被設置為將保護性氣體或氣體混合物(例如惰性氣體)導入隔熱腔18。以下將參照 圖3所示流程圖更詳細說明，通過使用圖1所示的進氣口 20和真空泵22，惰性氣氛環境可 被導入隔熱腔18。如此，可通過維持隔熱腔18內的適當的惰性氣體(例如氬氣)壓力來 維持矽熔融物16的質量(也即可保護熔融物16以免被汙染、氧化等等)。此外，熔融物16 流出坩鍋14的流速也可被氣體壓力水平影響。換言之，可增加或降低熔融物16上的氣壓 以或多或少影響矽熔融物16頂部上的壓力。如圖1所示，管道24與坩鍋14相鄰。當位於圖1所示的開啟位置時，管道24允 許矽熔融物流經其中。圖1也顯示了，管道加熱系統28與管道24相鄰。依照本實用新型 某些實施例，管道24和管道加熱系統28的至少一部分、有時是全部被容納於隔熱腔18之 內。通常，管道加熱系統28被設置為控制流經管道24的矽熔融物16的溫度，而熔融物16 進一步從坩鍋14流出並固化。圖1所示設備10的另一組件是固定器30，被設置為支撐矽種晶32。當熔融物16 開始流出坩鍋14時，固定器30最初使得種晶32與熔融物16在坩鍋14外側的預定位置處 接觸。在此位置上，熔融物16的溫度使得種晶32能開始形成圖1所示的單晶矽帶12。除了支撐種晶32，固定器30也被設定為只要上述帶形成開始時就以大致水平方 向將種晶32從坩鍋14移走。換言之，固定器30被設置為通過管道24從如圖1所示的坩 鍋14拉出種晶32和任何粘附其上的固化矽。反過來，這使得更多的熔融物16流出坩鍋14 以固化並形成更多的帶12。圖1中，熱控制區域34顯示為與管道24相鄰並位於隔熱腔18外。依照本實用新 型某些實施例，熱控制區域34被設置為熱處理隨後固化(也即在固體矽帶12形成之後) 的矽熔融物16。更具體地，熱控制區域34用於逐漸降低矽帶12的溫度，因此大致消除了或 至少大大減少了帶12內的熱應力。如果需要的話，熱控制區域34也可被設置為對帶12退 火，因此減少了其中的內部機械應力並進一步減少了帶12破裂的可能性。為了確保當矽在部分矽熔融物16和部分矽帶12之間轉換時矽持續地穿過設備 10，牽引系統36也與管道24相鄰。圖1中，牽引系統36顯示為位於熱控制區域34的與管 道24相反面上。依照本實用新型某些實施例，牽引系統36的速度被小心地控制以確保矽 帶12穩定均勻地形成(也即生長)。如下將更加詳述的，圖1所示的示例性牽引系統36包 括一對滾筒38，與矽帶12的完全固化部分摩擦地接觸。但是，依照本實用新型也可使用其 他牽引系統36的設置，牽引系統36可相對圖1所示設備10的其他組件而移動。工作時，當如圖1所示滾筒38旋轉時(也即上部滾筒逆時針旋轉而下部滾筒順時 針旋轉)，滾筒38之間的矽帶12被從隔熱腔18中移出(也即推出或拉出，取決於所選的參 考結構)。如此，帶12將種晶32從坩鍋14拖出，而更多矽熔融物16可流出坩鍋14。依照本實用新型某些實施例，牽引系統36被設置為使用滾筒38沿大致水平方向 移動矽熔融物16的固化部分(也即矽帶12的一部分)。但是，其他被設置為促進矽帶12 從隔熱腔18中移出的裝置也在本實用新型範圍之內。[0029]除了所有其他上述組件，圖1也顯示了切割系統40，與管道24相鄰並位於牽引系 統36的與熱控制區域34相反面上。依照本實用新型某些實施例，切割系統40被設置為切 割隨後固化的矽熔融物16 (也即在熔融物16已固化為矽帶12後)。為了執行這功能，切割 系統40可包括一個或多個鋸子、一個或多個雷射器和/或其他任何能將矽帶12切割為兩 片或更多片的裝置/組件。圖2為通過圖1所示設備10的矽帶的相對溫度特性圖。如圖2所示，溫度從矽熔 融物16流出坩鍋14並進入加熱管道28的時間開始保持為相對常數。溫度從矽熔融物16 流出加熱管道28的時間開始相對快速下降，此時熔融物16通常開始固化為帶12 (也即溫 度降低至熔點Tmelting以下)。隨後，矽帶12進入熱控制區域34。但是，只要在區域34中， 冷卻速度就減慢以便減少/最小化帶12中的任何熱衝擊。如上所述，依照本實用新型某些實施例，溫度被相對穩定地以選定距離保持在熱 控制區域34內，以便允許帶12內的內部應力退火消除。接下來，當矽帶12靠近熱控制區 域34出口時，溫度被再次允許相對較快地降低。最終，隨後移出熱控制區域34，矽帶12被 允許冷卻在環境條件以下直至最終達到環境溫度。圖3是顯示了依照本實用新型實施例的形成圖1所示矽帶12的方法步驟的流程 圖42。需要指出的是，通過使用依照本實用新型的裝置/系統和/或方法，可形成具有長 的少數載流子壽命、減少的雜質和/或減少的缺陷能級的單晶矽帶。換言之，通過實施本實 用新型某些實施例，可得到具有與單晶矽晶片相同的晶胞性能的矽帶，否則必須通過CZ或 DSS方法形成。依照圖3所示的示意性方法，流程圖42的第一步(也即步驟44)規定，加熱容器 (例如圖1所示坩鍋)中的一批給料(例如固體多晶矽)以形成熔融物(例如上述的矽熔 融物16)。儘管沒有對加熱溫度、待熔化給料的組分(例如雜質含量)或容器的幾何結構 或組分做出特別限定，依照本實用新型某些實施例選擇半導體工業範圍內普遍的參數和組 分。依照步驟46，容器至少大致封閉在隔熱腔(例如隔熱腔18)內。隨後，依照步驟 48，在隔熱腔內製造真空。對隔熱腔所達到的真實壓力沒有特別限定。但是，依照本實用新 型某些實施例，達到5t00r的額定壓力。步驟48之後，如步驟50所示，隔熱腔被填入保護 性(例如惰性)氣體。依照本實用新型某些實施例，氬氣環境在步驟48期間被導入隔熱腔。 但是，也可使用包括其他惰性氣體和/或能阻止矽熔融物經歷化學反應的其他氣體或混合 物的環境。如步驟52所示，一部分熔融物隨後以大致水平方向被導出容器。依照本實用新型 某些實施例，步驟52被依照如步驟54所述的參數而實施，步驟54中規定了選擇流速使得 部分熔融物被導出而使得部分熔融物固化後矽帶形成為具有小於大約250微米的厚度。本 領域技術人員通過實施本實用新型一個或多個實施例將可意識到，例如為圖1所示設備10 的設置/尺寸以及處理溫度(例如矽熔融物16的溫度、熱控制區域34內的溫度等等)的 參數將影響實施步驟54時所選擇的流速。矽帶的預期尺寸(例如厚度和寬度)也可影響 所選擇的流速。圖3所示的下一步是步驟56，規定了通過當部分熔融物流出容器並固化時將部分 熔融物與種晶接觸而促進單晶矽的形成。參照圖1，步驟56期間，當熔融物16開始流出坩鍋14時種晶32開始與矽熔融物16接觸。隨後，當種晶32移出隔熱腔18並流向熱控制區 域34時，熔融物16連同晶體32 —起被拖拽、冷卻並最終固化。步驟56之後，步驟58規定，當部分移出容器時熱控制部分熔融物固化的速度。依 照本實用新型某些實施例，步驟56所述的熱控制導致圖2所示的至少部分冷卻特性。但是， 其他冷卻特性也也在本實用新型範圍之內，包括並不依賴於熱控制區域34的那些特性。依照步驟60，在步驟58所述的固化之後，步驟58中提到的部分熔融物被熱處理以 減少其中的內應力。換言之，在部分矽熔融物16已固化為圖1所示的部分矽帶12之後，部 分矽帶12被有效地退火。圖3所述的下一步驟是步驟62，規定了在部分熔融物固化之後使用機械裝置完成 部分熔融物沿大致水平方向的移動。依照本實用新型某些實施例，使用與圖1所示的基於 滾筒的牽引系統36類似或相同的設備。但是，其他允許和/或促進和/或實現矽當矽從熔 融物固化為帶時沿大致水平方向移動的裝置也在本實用新型範圍之內。流程圖42中最後步驟是步驟64，在固化之後切割部分熔融物。如上所述，與圖1 所示的切割系統40相比，步驟64可通過例如使用包括至少一個鋸或雷射器的裝置或系統 而實現。但是，依照本實用新型某些實施例，也可使用任何其他能將矽帶切割為兩片或更多 片的系統/裝置。由詳細說明可明確本實用新型的很多特徵和優點，因此所附權利要求的目的在於 覆蓋所有本實用新型的這些特徵和優點，使其落入本實用新型的真實精神和範圍之內。此 外，由於本領域技術人員能容易地做出很多修改和變化，不期望將本實用新型限定於所示 和所述的精確結構和操作，並因此所有恰當的修改和等價物均可歸於落入本實用新型的範 圍之內。
權利要求一種設備，用於形成矽帶，該設備包括一坩鍋，被設置為容納矽熔融物；一管道，與坩鍋相鄰並被設置為允許熔融物流經其中；一管道加熱系統，與管道相鄰並被設置為控制流經管道的熔融物的溫度；以及一固定器，被設置為支撐矽種晶與熔融物接觸並進一步被設定為沿大致水平方向移動矽種晶。
2.如權利要求1所述的設備，進一步包括 一隔熱腔，坩鍋被容納在隔熱腔內。
3.如權利要求2所述的設備，其中管道和管道加熱元件被容納在隔熱腔內。
4.如權利要求2所述的設備，進一步包括 一進氣口，被設置為將保護性氣體導入隔熱腔。
5.如權利要求2所述的設備，進一步包括 一真空泵，被設置為在隔熱腔內製造真空。
6.如權利要求1所述的設備，進一步包括一熱控制區域，與管道相鄰並被設置為在熔融物固化之後熱處理熔融物。
7.如權利要求1所述的設備，進一步包括一切割系統，與管道相鄰並被設置為在熔融物固化之後切割熔融物。
8.如權利要求1所述的設備，進一步包括一牽引系統，與管道相鄰並被設置為沿大致水平方向牽引熔融物的固化部分。
9.如權利要求1所述的設備，進一步包括一坩鍋加熱系統，與坩鍋相鄰並被設置為將矽熔融物維持在液體狀態。
10.一種設備，用於形成矽帶，該設備包括 用於加熱矽以形成熔融物的裝置；用於將部分熔融物沿大致水平方向導出加熱用裝置的裝置； 用於當部分用加熱用裝置移出時控制部分熔融物如何快速冷卻的裝置；以及 用於促進單晶矽形成的裝置，其中用於促進的裝置被放置為當部分熔融物從加熱用裝 置移出並固化時與部分熔融物接觸。
專利摘要一種用於形成單晶矽帶的設備。該設備包括矽熔融物在其中形成的坩堝。熔融物被允許大致垂直地流出坩堝並在固化之前與矽種晶接觸。在固化為帶之後，帶的進一步冷卻在受控條件下發生，而帶最終被切割。
文檔編號C30B29/06GK201620208SQ20102017962
公開日2010年11月3日 申請日期2010年4月20日 優先權日2010年1月12日
發明者克諾佩爾·德魯, 李濤, 潘慶樂 申請人:斯必克公司