专利名称：用于制造多晶硅锭的工艺和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制造多晶硅锭的工艺和设备。
背景技术：
在半导体和太阳能电池领域中，已知可通过在熔融容器或坩埚中熔融高纯度硅材料来制造多晶硅锭。例如，文献DE 199 34 94 032描述了用于此目的的相应设备。该设备大体由具有加热元件的隔离箱、坩埚以及隔离箱中的装载单元组成。以下各者设置成加热元件:布置在坩埚下方的底部加热器、布置在坩埚各侧的侧部加热器以及布置在坩埚上方的顶部加热器。在硅锭的制造过程中，当隔离箱打开时，坩埚得到装载，并且此后，颗粒状硅在坩埚中通过加热元件而熔化，其中隔离箱是关闭的。在通过对应的再装载单元而再装载额外的硅材料之后，熔融材料以受控的方式冷却，以实现从下部到上部的定向凝固。在这点上，熔融材料与凝固边界之间的相边界应尽可能平坦，这可通过对材料的熔融-固体部分的温度曲线进行对应调整来实现。在这点上，底部加热器与相对的顶部加热器之间的相互作用适于提供平坦形式的相边界，因为这些加热器的位置能实现了大体垂直延伸的均匀温度梯度。坩埚侧面处损失的温度可通过侧部加热器或适当的绝隔离而得到补偿/最小化。然而对于某些应用，例如非在先公开的DE 10 2010 024 010中所描述，在坩埚上方保留自由空间是有益的。因此，使用顶部加热器并不总是可行或合理的。因此，坩埚中熔融材料的受控冷却可通过对邻近坩埚而布置的底部加热器和/或侧部加热器进行对应控制来实现，而不需要所述顶部加热器的帮助。在只使用底部加热器的情况下，可能不会实现温度曲线的所需控制，因为熔融硅将从底部凝固到顶部，如上文所提及。另一方面，使用侧部加热器会使得相边界在定向凝固过程中产生实质性弯曲。根据已知设备，本发明待解决的问题是，提供一种用于制造多晶硅锭的设备和工艺，这种设备和工艺能够对相边界进行良好控制。
发明内容
根据本发明，提供了根据权利要求1的一种用于生成多晶硅锭的工艺，以及根据权利要求6的一种用于生成多晶硅锭的设备。本发明的其他实施例可根据从属权利要求来了解。在工艺过程中，坩埚位 于工艺腔室中，其中在所述工艺腔室中，所述坩埚填充有固体硅材料。在这点上，所述坩埚相对于对角加热器定位成:相对于即将生成的所述硅锭，所述对角加热器向侧部偏移并且所述对角加热器大体位于即将生成的硅锭的上方。接下来，在工艺腔室保持关闭时，坩埚中的硅材料被加热到其熔融温度以上，从而在坩埚中生成熔融硅，并且随后，熔融硅在坩埚中被冷却到凝固温度以下，其中在硅的冷却过程中，硅材料中的温度分布至少部分地通过至少一个对角加热器来控制。使用对角加热器并因此从上方沿对角线方向将热量引入熔融硅中，能够实现在不使用顶部加热器的情况下形成平坦的相边界。这样，熔融材料上方的空间是开放的，并且因此可以设置(例如)再装载单元。此外，从坩埚流向对角加热器的任何直接气流是用至少一张箔幕来阻挡的，所述箔幕设置成与所述至少一个对角加热器面向坩埚的一侧相邻近，从而保护对角加热器以使其免受来自熔融硅的很可能具有破坏性的烟气的影响。在本发明的一项实施例中，位于工艺腔室中的板元件降低至坩埚上方，其中所述板元件包括用于引入气体的至少一个通道，并且在熔融硅凝固时间中的至少一个时间片段内，气流被引导至熔融硅的表面，其中所述气流至少部分地通过所述板元件中的所述至少一个通道而引导至熔融硅的表面。当然，在加热和/或冷却工艺过程中，气流也可引导至位于i甘祸中的娃的表面。在形成于熔融娃表面与板兀件之间的空间中，将气体弓丨导至熔融硅的表面，能够获得冷却参数的良好可调性并且还能够获得熔融材料表面气氛的良好可调性。术语“熔融硅凝固时间段”是指硅从液相转变为固相的相变时间段。此外，板元件可用作通过对角加热器而得到加热的被动式(passive)加热元件，并且因此能模拟大体可移动的顶部加热器。优选地，额外的硅材料被固定到板元件，然后关闭工艺腔室，使得额外的硅材料的至少一部分在降低板元件时浸入坩埚中的熔融硅中，从而使额外的硅材料熔融，这样能够提高坩埚中熔融硅的填充水平。这样，板元件既用作空气引导元件又用作再装载单元。为了保护对角加热器以使其免受来自坩埚区域的工艺气体的影响，顶部-底部气流在硅材料的加热和/或冷却工艺的至少一部分过程中可经引导而流过对角加热器面向坩埚的至少一侧。为了对硅材料的温度曲线进行所需调整，可设置至少两个对角加热器，一个设置在另一个上方，其中所述对角加热器至少在硅材料的冷却阶段中受到控制，从而使得它们所提供的加热功率至少相差10%。根据本 发明的设备包括:工艺腔室，其可打开和关闭以进行装载和卸载；坩埚固持器，其位于工艺腔室中，用于将坩埚固持在预定位置；以及至少一个对角加热器，其位于工艺腔室中。所述对角加热器经布置，使对角加热器相对于坩埚固持器横向地定位且布置成大体垂直于坩埚固持器，并且在垂直方向上与坩埚固持器间隔一段距离，从而使得对角加热器在垂直方向上大体位于即将形成于坩埚中的多晶硅块或锭的上方。此外，至少一张箔幕设置成与至少一个对角加热器面向坩埚的一侧相邻近，从而阻挡从坩埚流向对角加热器的直接气流。此外，当所述工艺腔室关闭时，所述对角加热器相对于所述坩埚固持器是静止的。这样的设备提供了上文针对该工艺所提及的益处。优选地，在垂直方向上对角加热器与坩埚固持器所固持的坩埚和/或形成于坩埚中的多晶硅锭的重叠量最大为20%，这样才能从上方沿对角线方向提供对硅材料的加热(尤其是在冷却阶段中)。可设置至少两个堆叠起来的对角加热器以方便调整工艺腔室的温度曲线，尤其是硅材料的温度曲线。在这点上，优选方案为，堆叠起来的对角加热器中的至少两者包括至少一个电阻加热元件，其中垂直堆叠的加热元件的单位长度电阻不同，其中单位长度电阻较大的电阻加热元件的单位长度电阻至少比其他电阻加热元件的电阻大10%。在这点上，“对角加热器的单位长度”是指电流流动方向上的尺寸。优选地，较高的电阻加热元件的单位长度电阻较小。优选地，垂直堆叠的对角加热器经由共享电极而连接到共享控制器单元。在本发明的一项实施例中，对角加热器包括电阻加热元件，所述电阻加热元件具有平直区段和拐角区段并且环绕加热腔室，其中电阻加热元件的所述平直区段的单位长度电阻优选为至少比所述拐角区段的电阻大10%。例如，拐角区段可至少比平直区段厚或宽10%。此外，至少一个对角加热器可包括环绕加热腔室的电阻加热元件，所述电阻加热元件具有平直区段和拐角区段，其中拐角区段呈圆弧形。根据又一项实施例，提供以下特征:板元件布置在工艺腔室中且位于坩埚固持器上方，所述板元件包括:至少一个通道；至少一根气体馈送管，所述气体馈送管延伸到板元件中的至少一个通道中或延伸穿过板元件中的至少一个通道；以及至少一个气体馈送单元，所述气体馈送单元位于工艺腔室外部，用于将气流馈送到气体馈送管中并且使气流穿过气体馈送管而到达板元件下方的区域。用这种方法，可在该工艺的至少一部分过程中促进对气体馈送或引导的控制，以将气体馈送或引导至位于坩埚中的硅材料的表面，从而提供上文中已提及的益处。优选地，设置了用于提升板 元件的提升机构，这样能够改变气流并且在适当情况下改变工艺腔室中的温度曲线。优选地，板元件包括用于附接或固持硅材料的装置，因此板元件还用作装载单元。特别地，可通过只移动板元件而将额外的硅材料引入熔融硅材料中，这样便不需要额外的导向元件。根据本发明的一项实施例，膜或箔纸盒(carton)设置成与对角加热器面向坩埚的至少一侧中的一侧相邻近，这样能够阻挡从坩埚流向对角加热器的气流。对加热单元有害的气体为可从熔融硅中逃逸出来的(例如)S1、SiO或O。可设置特定装置来保护对角加热器，所述特定装置所提供的气流经引导而沿着所述至少一个对角加热器从顶部流到底部，所述装置能放出分隔气体。优选地，至少一个连接电极的至少一部分沿着坩埚的宽度尺寸延伸。用这种方法，可在坩埚中的熔融材料中引起搅动。在这点上，所述至少一部分延伸而与形成于坩埚中的多晶硅锭的上三分之一相邻近。
接下来，将参照附图更详细地阐释本发明；在附图中:图1为用于在填充有硅原料的坩埚中生成多晶硅锭的设备的示意性截面图。图2为类似于图1的示意图，其中坩埚中的硅原料已熔融。图3为类似于图2的示意图，其中额外的硅原料浸没在坩埚中。图4为类似于图3的示意图，所示为冷却阶段。图5为通过使用填充有硅原料的硅坩埚来生成多晶硅锭的替代性设备的示意图。图6为沿着图4中的线IV-1V截得的示意性截面图。
具体实施例方式在以下说明中，顶部、底部、左和右等术语以及其对应术语是针对各图而言的，并且不应当作是限制性术语，这些术语在以下说明中是针对优选实施例而言的。一般而言，除非提及其他范围，用于描述角度和配置的术语应包括上至10°且优选为上至5°的偏差。图1所示为用于生成多晶体娃锭的设备I的示意性截面图。设备I大体包括界定工艺腔室4的隔离箱3。在工艺腔室4中，设置了用于固持坩埚6的固持单元(未详细图示)、底部加热单元7、可选侧部加热单元8以及两个堆叠起来的对角加热单元9a和％。隔离箱3的侧壁的下端处设置有至少一个气体出口 10。坩埚6的固持器上方设置有板元件11，并且还设置有气体加热管13，气体馈送管13从上方延伸通过隔离箱3和板元件11而进入工艺腔室4中。膜幕或箔幕(film or foil curtain) 14设置成与对角加热器9a、9b邻近并且与侧部加热器8的一部分邻近，所述箔幕14固定在最高的对角加热单元9b上方。至少有部分箔幕位于对角/侧部加热单元9a、9b、8与坩埚6之间的空间中。所属领域中已知，隔离箱3由合适的隔离材料制成，因此，不再详细描述隔离箱3。工艺腔室4经由未详细图示的装置而与加热气体和出口管连通，这样能调整工艺腔室4中的确定的工艺气氛。除了气体馈送管13和气体出口 10，这些装置均未详细图示。坩埚6由合适的已知材料制成，例如碳化硅嵌块(quad)、氮化硅或用氮化硅涂覆的嵌块，其中所述材料不影响制造工艺并且能耐受熔化硅材料时的高温。通常，坩埚6在所述工艺过程中已因热膨胀而毁坏，因此，可轻易地移除坩埚6以取出最终的硅锭或硅块。坩埚6形成为顶部开放的碗状物，如图1所示，可用硅原料20填充坩埚6，直到顶部边缘。对于坩埚的填充，例如，可使用硅棒，并且所述硅棒间的空隙中至少有一部分填充有破碎的硅材料，如图1中左侧所示。用这种方法，可实现相对良好的填充度，然而，一些气囊或填充有空气的空隙还存在于装好料的坩埚中。这会使得硅材料20在熔融后不能完全地填充坩埚6，如图2所示，其中阴影线区域描绘了熔融硅22。底部加热单元7设置在坩埚固持器下方或坩埚固持器中，因此当坩埚6位于工艺腔室中时，底部加热单元7位于坩埚6下方。当坩埚6位于工艺腔室4中时，可选的侧部加热单元8径向地环绕坩 埚6。对角加热单元9a和9b以堆叠的方式位于侧部加热单元8上方，并且对角加热单元环绕工艺腔室中位于坩埚6上方的区域。尽管较低对角加热单元9a在图中绘示为完全位于坩埚上方，但是应了解，较低对角加热单元还可与坩埚部分地重叠。接下来，对角加热单元9a为这样的加热单元，其在径向上至少部分地环绕坩埚6上方的空间，并且在垂直方向上分别与坩埚6或形成于坩埚6中的硅块或硅锭重叠，重叠量最大为对角加热单元9a高度的20%，并且优选的最大重叠量为对角加热单元9a高度的10%。对角加热单元9a与坩埚6更大程度地重叠也是有可能的，只要对角加热单元9a与形成于坩埚6中的硅锭的重叠程度不再增加，因为此坩埚或形成于此坩埚6中的熔融硅均构成即将得到对角式加热(即，从上方以一定角度进行加热)的材料。当然，对角加热器也可完全位于坩埚6上方，如图1所示。加热单元7、8、9a和9b中的每一者都是以下类型的加热单元:其能够用合适的方式加热工艺腔室4，尤其是加热坩埚6以及位于坩埚6中的硅原料20，从而使得原料20熔融并形成熔融材料或熔融物22，如图2所示。侧部加热单元8和对角加热单元9a、9b由各个堆叠起来的加热带构成，这些加热带可包括明显不同的电阻并且因此可包括明显不同的加热功率。在这种背景下，较大的单位长度电阻比较小的单位长度电阻至少大10%的这种差异被看作是明显不同。这样，坩埚或位于其中的硅材料各自的已加热侧部区域与硅材料面向气氛的表面之间的关系可通过特定的方式来改变，而不必使用昂贵的、单独可控的加热器。特别地，可采用相同的控制来提供不同的加热功率，因此可在工艺腔室4中调整或设定预定温度曲线。特别地，较高的对角加热单元9b可构成为:使得较高的对角加热单元9b所提供的加热功率比较低的对角加热单元9a要高，同时，二者受到控制的方式相同。加热带中的每一者都可形成为一个单片或可由电连接的多个片段构成，每个加热带优选在用于控制加热带的电极40a、40b和40c的区域中形成(参看图1到图5以及图6)。如图所示，为侧部加热器8以及对角加热器9a和9b提供三个共用电极40a、40b和40c，电极40a、40b和40c连接到用于向反射式加热单元8、9a、9b施加三相电流的合适控制单元。为对角加热器9a、9b以及侧部加热器8提供共享控制单元和共享电极40可带来特别的优势，即，穿过隔离箱3的通道的数量可减少。用这种方法，通道区域中的热量损失可减少。通常情况下(例如)只需要一个变压器，这样可减少成本和出错率。工艺腔室4中所需的温度曲线的调整可通过对加热元件的电阻值进行对应调整来完成，接下来将对此进行更详细的描述。两个电极40a和40b各自具有:第一区段42,所述第一区段在水平方向上延伸并且穿过隔离箱3 ;另一个邻近且基本上水平延伸的区段43，其在隔离箱3中延伸，基本上平行于坩埚6的侧壁区段；另一个邻近且垂直延伸的区段44 ;以及从垂直区段44延伸出去的端区段45、46和47。端区段45、46和47将电极40a和40b的垂直区段44分别连接到侧部加热器8、较低的对角加热器9a和较高的对角加热器％。电极40具有延伸穿过隔离箱的水平区段、紧邻水平区段的垂直延伸区段以及从垂直区段延伸出去的端区段。
对于电极40a、40b和40c中的每一者，只需要一个穿过隔离箱3的通道。电极40a、40b和40c中的每一者都适于将功率提供给侧部加热器8以及对角加热器9a、9b。电极40a和40b(图6)的区段43(其大体平行于坩埚6的侧壁区段而延伸)可能在坩埚中的熔融材料中产生有利的磁导向作用，这是因为有高电流流过熔融材料。为此，区段43优选为延伸到与形成于坩埚6中的硅锭的上三分之一邻近，并且更优选为与其上四分之一邻近。电极40a,40b和40c的垂直延伸区段44大体布置成围绕加热单元8、9a和9b的圆周成相同角距离(angular distance)，因此电极40a、40b和40c的端区段45>46和47也围绕加热单元
8、9a和9b的圆周成相同角距离。侧部加热单元8以及对角加热单元9a和9b的加热带各自具有大体平行于坩埚6侧壁而延伸的平直区段以及拐角区段，如图6所示。在电流方向上，平直区段和拐角区段的每个单位长度可包括明显不同的距离(至少相差10% )，并且因此可包括不同的加热功率。用这种方法，分别输入给坩埚拐角以及坩埚中硅材料的热量，可通过定向的方式来改变。针对减小拐角处的加热功率，可使用较厚末端或较宽加热器(例如，石墨或CFC箔)，或者可使用额外的部件(例如，来自ISO的部件或连铸石墨)，这样能明显降低拐角处的总加热电阻。拐角区段可呈圆弧形，如图6中所示，从而防止拐角连接发生磨损和故障以及变得过热。如果将低成本石墨箔用作加热带，那么这些石墨箔需要通过机械方式进行加固以防偏斜。在这点上，可使用由电绝缘材料(例如，氮化硅)制成的垂直固定脊，因为这样一来，不同的加热带之间不能流过补偿电流，并且加热带可垂直移动，但不可水平移动或扭曲。
如果使用CFC加热带，那么可使用尤其适合所需几何形状的预制式元件，例如，拐角处的圆弧形加热带。这样的加热带可制成一片或可划分为多个片段(例如，三个片段)，有利地，所述片段可在电极处夹紧并接触。这样，安装和维护工作可明显减少。以上针对侧部加热单元8和对角加热单元9a和9b所论述的特性和特征的存在是有利的，不管是否使用对角加热器，因此这些特性和特征适用于不具备对角加热器的系统。位于坩埚6上方的板元件11由合适的材料制成，该材料不会在用于熔融硅原料的温度下熔融并且不会将污染物引入工艺中。此外，板元件是容易通过对角加热单元9a、9b以被动方式进行加热的材料制成。板元件11可通过工艺腔室内部的机构(未详细图示)来抬升和降低，下文将参考图3和图4对此进行更详细的描述。在板元件11的底侧，设置有固持单元24，所述固持单元能够固持板元件11下方的额外的硅原料，例如硅棒26。在根据图1的布置中，示出了 4根硅棒26，这些硅棒排成一行位于板元件11下方。所属领域的技术人员容易了解，这些额外的固持元件沿深度进行设置(即，垂直于图纸层)，其中设置了额外的固持元件来固持额外的硅棒26。此外，固持元件24还可承载长度不同的盘或棒区段形式的硅原料。所示固持元件为普通棒，例如，通过螺纹连接到硅棒的普通棒。此外，固持元件还可为适于承载硅棒26的夹钳或其他元件。同样地，固持元件应该由不对熔融娃造成污染的耐热材料制成。
板元件11的圆周形状大致对应于坩埚6的内圆周。此外，板元件具有中间通道30，并且气体加热管13延伸通过该通道。气体馈送管13由石墨等合适的材料制成。气体馈送管从工艺腔室4开始延伸，穿过隔离箱3延伸到外部，并且连接到合适的气体供应源，例如氩气供应源。气体可通过气体馈送管13而馈送到工艺腔室4中，这将在下文中详细说明。气体馈送管13可用于在板元件11的抬高和降低过程中引导板元件11。图中所示的箔幕14的固定元件位于较高的对角加热单元9b上方(图1)。连接到所述固定元件的箔幕14延伸到坩埚上方的空间与对角加热单元9a、9b之间的区域，以及侧部加热单元8与坩埚6之间的区域，如图1到图4所示。可选地，箔幕也可至少覆盖工艺腔室4的部分顶部区域(图6)。箔幕14由耐热的气密材料制成，该材料能阻止不需要的污染物进入工艺腔室中，例如石墨箔。箔幕14还可直接从隔离箱3的顶板开始延伸并且可封接到所述顶板。箔幕的下末端还可封接到隔离箱3的侧壁，从而形成用于固持侧/对角加热器的密封空间。下文中将参考图1和图4对设备I的操作进行更详细的说明，其中各图示出了不同的工艺步骤中的同一设备。图1所示为生产工艺本身开始之前的设备I。坩埚6填充有硅原料20，该填充达到了坩埚6的上边缘。在图中，已使用硅棒和颗粒状硅来填充坩埚6。硅棒26通过固持元件24固定到板元件11。在用这种方式准备好设备I之后，硅原料20通过底部加热单元7、侧部加热单元8以及对角加热单元9a、9b的热量输入而熔融于坩埚6中。加热单元7、8、9a和9b在该工艺过程中受到控制，以使热量输入首先从下方开始，这样，通过板元件11而固持在坩埚6上方的硅棒26将变得温热但不熔化。在硅原料20完全熔融之后，熔融硅或硅熔融物22在坩埚6中形成，如图2所示。固定到板元件11的硅棒26在此时间点还未熔融。此后，板元件11通过提升机构(未详细示出)而降低，从而将硅棒26浸没在熔融硅22中，如图3所示。这样，坩埚中熔融硅22的填充水平大幅提高，如图3所示。由于浸没的硅棒26与熔融硅22接触，因此浸没的硅棒26完全熔融并且与熔融材料22混合，根据具体情况，还可通过底部加热器7和侧部加热器8所提供的额外的热量输入来熔融硅棒26。接下来，只要固持元件24未接触熔融硅22，板元件就可维持在图3中的位置。如果固持元件接触熔融硅，那么板元件11将被略微抬高，以便从熔融材料22中提升固持元件24，如图4所示。在此时间点，由加热单元输入的热量可大幅减少或可切断，从而实现坩埚6中熔融硅22的冷却。在此过程中，所述冷却尤其通过对角加热单元9a、9b来控制，以使熔融材料22以定向的方式从底部凝固至顶部。在熔融硅22与凝固部分32之间，可通过控制对角加热器9a、9b来获得浅薄或平坦的相边界，如图4所示。在图4所示的工艺过程时间点，坩埚中硅材料的较低部分32已凝固，而顶部仍然存在熔融硅22。平坦相边界是通过对角加热器9a、9b与板元件11的组合来获得的，这样能模拟顶部加热器并因此而促使位于坩埚6中的硅材料的温度在水平方向上基本相同。当然，这种情况也可在没有板元件11的情况下实现，因为对角加热器能从上方沿对角线方向或以一定角度对坩埚6中的硅材料进行加热。因此，板元件11是有利但可选的特征且可省略，并且，可根据情况用另一个再装载单元来替换。在该工艺过程中的一个时间点处，并且尤其是在熔融阶段的开始阶段和整个过程中，氩气等对硅呈惰性的气体通过气体馈送管13引导至熔融硅22的表面。气体流过熔融硅22的表面而到达外部，随后，气体流到坩埚6与箔幕14之间，然后到达气体出口 10，如图4所示。箔幕14用于保护对角加热单元9a、9b以及侧部加热单元8，以防止这些加热单元接触到经引导而流过熔融硅表面的气体(包括气态硅、SiO或氧气)。对角加热单元9a、9b和侧部加热单元8可以可选地由额外的气体环绕，所述额外的气体(例如)单独地引入箔幕14与隔离箱3之间，其中所述额外的气体不与加热单元9a、9b、8的材料或经引导而经过熔融硅表面的气流(例如，氩气或另一种惰性气体)发生化学反应。这样能防止经引导而流过熔融硅22并且包括气态硅的气体到达加热单元9a、9b、8。经引导而流过加热单元9a、9b、8的额外气体以及经引导而流过熔融硅22的气体可经由气体出口 10而排出。一旦溶融娃22完全凝固，娃徒即在樹祸6中形成,该娃徒为最终广物。该徒可在工艺腔室4中进一步冷却到处理温度，然后该锭从工艺腔室4中移除。如上所述，在硅材料的熔融过程中以及随后的冷却工艺过程中，加热单元8、9a和9b可受到控制，例如，使这些加热单元对从侧向/沿对角线而提供的加热功率分别贡献约10%、30%和60%。这可通过这些单元的各别控制或这些单元的内在构造(具有不同电阻)来实现，其中共享控制可用在第二种情况中。图5所示为根据本发明的用于生成多晶硅锭的设备I的替代性实施例。图5中使用相同参考符号来表示描述的是相同或相似的元件。同样地，设备I基本上由隔离箱3组成，并且工艺腔室4形成于所述隔离箱内部。坩埚6的固持器设置在工艺腔室4中。 此外，底部加热单元7以及对角加热单元9a和9b设置在工艺腔室中。然而，此实施例中未设置侧部加热单元。气体出口导向器10设置在隔离箱的较低区域中。此外，箔幕14设置在工艺腔室4中。气体供应器(gas supply)40设置在隔离箱3的上表面。第一实施例中设置的板元件在该实施例中设置，但可以可选地设置所述板元件。同样地，坩埚填充有硅原料20，其中硅原料20堆叠至坩埚6的上边缘上方，其形式主要是棒材料，这样才能在熔融工艺之后实现坩埚6中熔融硅的所需填充水平。这样一来，可省略再装载单元。如果不按照图中所示将棒材料堆叠起来，也可将棒材料大体垂直地布置在坩埚中。如上文所提及，可用破碎的硅来填充空隙，直到坩埚高度。为了避免硅材料掉到坩埚6的边缘上，可为坩埚设置辅助壁，其中所述辅助壁可使用若干次。底部加热单元7可具有上文所述的构造，对角加热单元9a、9b也如此。在所示的实施例中，较低的对角加热单元9a制成比坩埚长并且与坩埚以及可能位于坩埚中的硅锭部分地重叠。在这点上，与坩埚或硅锭的重叠长度的最大值应分别为对角加热器长度的20%。箔幕14的构成材料可与上文所述相同，并且还可至少部分地沿着隔离箱3的较高区域延伸。箔幕14如同天幕或伞盖般覆盖坩埚，其中对角加热单元9a、9b不位于覆盖区域中。气流可通过气体供应器40馈送到工艺腔室4中，其中所述气流由箔幕14引导而流过对角加热单元9a、9b，从而保护对角加热单元9a、9b以使其免受来自坩埚6区域的工艺气体的影响。该工艺大体类似于上文所述的工艺，其中没有设置用于再装载的板元件，并且其中硅材料的加热是专门通过底部加热单元7以及对角加热单元9a和9b来完成的。上文中，已借助于本 发明的优选实施例更详细地描述了本发明，但本发明不限于特定实施例。应注意，不同实施例中的元件可彼此组合，或者各元件可在不同实施例中交换。可选择用气幕来代替箔幕，所述气幕由经引导而从顶部流至底部的气流构成，并且因此而保护对角加热器以使其免受有害工艺气体的影响。
权利要求
1.一种用于生成多晶硅锭的工艺，其中所述工艺包括以下步骤: 将坩埚放置在工艺腔室中，其中，所述坩埚填充有固体硅材料，或所述坩埚在所述工艺腔室中填充硅材料，其中所述坩埚相对于至少一个对角加热器布置成:相对于即将生成的所述硅锭，所述对角加热器向侧部偏移并且所述对角加热器大体位于即将生成的所述硅锭的上方； 将所述坩埚中的所述固体硅材料加热到所述硅材料的熔融温度以上，从而在所述坩埚中形成熔融硅； 将所述坩埚中的所述硅材料冷却到所述熔融硅的凝固温度以下，其中，在冷却步骤中，所述硅材料中的温度分布至少部分地通过所述至少一个对角加热器来进行控制；以及 用至少一张箔幕(14)来阻挡从所述坩埚(6)流向所述对角加热器(9a、9b)的任何直接气流，所述至少一张箔幕设置成与所述至少一个对角加热器(9a、9b)面向所述坩埚的一侧相邻近。
2.根据权利要求1所述的用于生成多晶硅锭的工艺，其进一步包括: 降低板元件，所述板元件位于所述工艺腔室中且通过所述至少一个对角加热器而得到被动式加热，并且所述板元件包括气体供应器所用的至少一个通道；以及 在所述熔融硅的凝固时间段的至少一个时间片段中，将气流引导至所述坩埚中的所述熔融硅的表面，其中所述气流至少部分地通过所述板元件中的所述至少一个通道而引导至所述熔融硅的所述表面。
3.根据权利要求2所述的用于生成多晶硅锭的工艺，其进一步包括: 将额外的固体硅材料固定到所述板元件，然后对所述坩埚中的所述硅材料进行加热，以使所述额外的硅材料 的至少一部分在所述板元件的降低过程中浸没到所述坩埚中的所述熔融硅中，从而熔融，藉此提高了所述坩埚中的所述熔融硅的填充水平。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的用于生成多晶硅锭的工艺，其进一步包括: 在所述硅材料的加热和/或冷却步骤的至少一部分中，引导顶部-底部气流流过所述对角加热器面向所述坩埚的至少一侧。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的用于生成多晶硅锭的工艺，其中设置了至少两个堆叠起来的对角加热器，所述对角加热器至少在所述硅材料的冷却步骤中受到控制，从而使所述对角加热器所放出的加热功率至少相差10%。
6.一种用于生成多晶硅锭的设备(I)，所述设备包括: 工艺腔室(4)，其可打开和关闭，从而进行装载和卸载； 坩埚固持器，其位于所述工艺腔室(4)内部，用于将坩埚(6)固持在预定位置； 至少一个对角加热器(9a、9b)，其相对于所述坩埚固持器横向地定位在所述工艺腔室(4)中，所述对角加热器大体垂直于所述坩埚固持器并且在垂直方向上与所述坩埚固持器间隔一段距离，从而使得所述对角加热器(9a、9b)在垂直方向的定位大体位于即将形成于所述坩埚中的多晶硅锭的上方，并且其中当所述工艺腔室关闭时所述对角加热器(9a、9b)相对于所述坩埚固持器是静止的；以及 至少一张箔幕(14)，其设置成与所述至少一个对角加热器(9a、9b)面向所述坩埚的一侧相邻近，从而阻挡从所述坩埚(6)流向所述对角加热器(9a、9b)的直接气流。
7.根据权利要求6所述的用于生成多晶硅锭的设备，其中所述对角加热器(9a)在垂直方向上与所述坩埚固持器所固持的坩埚和/或形成于所述坩埚中的多晶硅锭的重叠量最大为20%。
8.根据权利要求6或7所述的用于生成多晶硅锭的设备，其中设置了至少两个堆叠起来的对角加热器(9a、9b)。
9.根据权利要求8所述的用于生成多晶硅锭的设备，其中所述至少两个堆叠起来的对角加热器(9a、9b)包括至少一个电阻加热元件，其中堆叠起来的所述电阻加热元件包括不同的单位长度电阻，其中具有较大单位长度电阻的所述电阻加热元件包括的单位长度电阻至少比其他电阻加热元件的单位长度电阻大10%。
10.根据权利要求9所述的用于生成多晶硅锭的设备，其中较高的电阻加热元件具有较小的单位长度电阻。
11.根据权利要求9或10所述的用于生成多晶硅锭的设备，其中所述堆叠起来的对角加热器(9a、9b)经由共享电极连接到共享控制单元。
12.根据权利要求6到11中任一权利要求所述的用于生成多晶硅锭的设备，其中所述对角加热器(9a、9b)包括电阻加热元件，所述电阻加热元件具有平直区段和拐角区段并且环绕加热空间，其中所述平直区段的单位长度电阻至少比所述拐角区段的单位长度电阻大10%。
13.根据权利要求6到12中任一权利要求所述的用于生成多晶硅锭的设备，其中所述对角加热器(9a、9b)包括电阻加热元件，所述电阻加热元件具有平直区段和拐角区段并且环绕加热空间，其中所述拐角区段呈圆弧形。
14.根据权利要求6到13中 任一权利要求所述的用于生成多晶硅锭的设备，其进一步包括至少一个板元件(11)，所述至少一个板元件布置在所述工艺腔室中且位于所述坩埚固持器的上方，所述板元件包括至少一个通道(30)； 至少一根气体馈送管(13)，所述气体馈送管延伸到所述至少一个通道(30)和所述板元件(11)中，或延伸穿过所述至少一个通道(30)和所述板元件(11);以及 至少一个气体馈送单元，所述气体馈送单元位于所述工艺腔室(4)外部，用于将气流馈送到所述气体馈送管中并且使气流穿过所述气体馈送管而到达所述板元件(11)下方的区域中。
15.根据权利要求14所述的用于生成多晶硅锭的设备，其中针对所述板元件(11)设置了提升机构。
16.根据权利要求14或15所述的用于生成多晶硅锭的设备(I)，其中所述板元件(11)包括用于固定硅材料(26)的装置。
17.根据权利要求6到16中任一权利要求所述的用于生成多晶硅锭的设备(1)，其中设置用于沿所述至少一个对角加热器(9a、9b)产生顶部-底部气流的装置(14、40)。
18.根据权利要求6到17中任一权利要求所述的用于生成多晶硅锭的设备(1)，其中至少一个端电极(40a、40b)具有沿着坩埚宽度的宽度尺寸延伸的区段(43)。
19.根据权利要求18所述的用于生成多晶硅锭的设备(1)，其中所述端电极(40a、40b)的所述至少一个区段(43)延伸而与形成于所述坩埚(6)中的多晶硅锭的上三分之一邻近。
全文摘要
本申请案描述了一种用于制造多晶硅锭的工艺和设备。在所述工艺过程中，坩埚布置在工艺腔室中，其中，所述坩埚填充有固体硅材料或所述坩埚在所述工艺腔室中填充硅材料。所述坩埚相对于至少一个对角加热器定位成相对于即将生成的所述硅锭，所述对角加热器向侧部偏移并且所述对角加热器大体位于即将生成的所述硅锭的上方。此后，所述坩埚中的固体硅材料被加热到所述硅材料的熔融温度以上，从而在所述坩埚中形成熔融硅，并且此后，所述坩埚中的所述硅材料被冷却到所述熔融硅的凝固温度以下，其中冷却阶段中所述硅材料的温度曲线至少部分地通过所述至少一个对角加热器来控制。所述设备包括工艺腔室、位于所述工艺腔室内部的坩埚固持器以及位于所述工艺腔室中的至少一个对角加热器。所述对角加热器相对于所述坩埚固持器横向地定位且大体垂直于所述坩埚固持器而延伸，并且在垂直方向上与所述坩埚固持器间隔一段距离，从而使得所述对角加热器在垂直方向上定位成大体位于即将形成于所述坩埚中的多晶硅锭的上方。当所述工艺腔室关闭时，所述对角加热器相对于所述坩埚固持器是静止的。
文档编号F27D99/00GK103080387SQ201180039246
公开日2013年5月1日 申请日期2011年6月10日 优先权日2010年6月16日
发明者史蒂芬·胡希, 欧雷三达·普若可盆科, 拉佛·克鲁斯, 克利斯天·后俄斯 申请人:山特森西特股份有限公司