用于生产晶体硅基板的方法和设备的制作方法

专利名称：用于生产晶体硅基板的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于生产适用于制造光伏电池的薄的硅基板的方法和设备，并且在它的一个方面，涉及一种用于从它的熔体横向地提拉长的晶体带状物的方法和设备，所述晶体带状物由未加晶种的生长建立起来并且在可强烈变化的热损失辐射控制下实现。
背景技术：
这些年来，研发可替代化石燃料的能源已经变得越来越重要。一种这样的替代能源是太阳能，其中光伏电池等将太阳能直接地转变成有用的电能。通常，多个这些光伏电池被封装在透明薄片(例如玻璃、塑料等)和衬底材料薄片之间以形成平坦的、矩形的模块(有时也被称为"层压板"或者"面板")，该模块则又被安装到现有结构(例如房屋、大楼等)的房顶上以提供被该结构所使用的全部或者至少一部分电能。
多数光伏电池由硅基、晶体基板构成。这些基板能够是从硅锭或者从硅的带状物切割的晶片，其中该晶锭或者带状物是由批量的熔融硅"生长"的。在带状晶体生长和太阳能的早期研发中，研制出几种设备以生产具有良好晶体质量的硅衬底(silicon body)或者硅基板。然而，不幸的是，大多数的这些带状物生长设备都过于专注(a)生产完美晶体质量的带状物(例如，厚度通常在200和400微米之间的纯基板形状(net shape of the substrate))或者(b)完善对于连续生长操作而言所必需的熔化和生长的组合。这导致仅仅生长了小的晶体面积，或者作为选择，由于与生长区相接触的双熔体等温线(dual meltisotherm)，整个操作是不稳定的。
作为这些努力的一部分，还对于向生长区施加冷却气体、主要为氦气以实现对于所期望的晶体生长而言所需要的适当除热给予了重大关注。然而，在于生长操作期间，维持适当体积的冷却气体方面产生困难。S卩，在晶体基板的生长期间，不足的气体流动没有允许去除足够的热以使得足够高的生长速率能够易于在经济方面具有竞争力。另一方面，仅仅将冷却气体流动增加至足以实现所需除热的速率导致了破坏了基板的熔体表面的增加的气流，由此阻碍了所期望的平坦晶体薄片的形成。用于改正这个问题的又一尝试包括降低加热器输入功率，但不幸的是，这导致不良的热梯度控制；即保持稳定的晶体生长前沿而不存在形成枝晶的倾向的能力。
最近，已经提出其它方案以克服与硅基、晶体基板的生长有关的上述问题中的一些问题。例如，美国专利4329195描述了一种用于通过使用冷却气体(即氩气和氢气或者氦气的混合物)和晶种开始基板生长而以较高速率生长薄且宽的基板的技术。然而，由硅进料杆对熔融硅的供应加以补充，该硅进料杆则又被安置到产生附近的晶体薄片的同一熔体区中，由此产生引起控制问题的所不期望的双熔体等温线的难题。另一项技术包括在生长期间使得基板与热沉直接接触以对从基板除热进行控制；见美国专利3681033和"Float Zone Silicon SheetGrowth(浮动区硅薄片生长)"(C.E. Bleil， Final Report-DOE Grant No.DE隱FG45-93R551901， 9/23/93到12/31/96)，这可能会在基板的表面中引起不均匀性。
此外，用于形成晶体基板的很多现有技术依赖于形成弯月面(meniscus)，以用作生长过程的唯一支撑；见美国专利2927008。然而，很多这种自立式弯月面成形和相关技术使用石墨或者碳化硅模具限定带状物，并且据此具有在变化的条件下提供稳定且均匀的带状物厚度的困难。而且，与这些碳源之一的连续和直接接触促使熔体污染 并且限制了最终的太阳能电池的性能。这些类型的技术也依赖于从熔 体竖直提拉，并且因为热将沿着垂直于生长前沿的生长中的带状物的 长度损失，所以能够被去除的总热量受到严重地限制。

发明内容
本发明提供一种用于从液体硅的熔体池(melt pool)连续地生产
或者形成硅的片材或者带状物、优选地晶体硅的片材或者带状物的设 备和方法。使硅在熔体腔室中熔化并且流入生长托盘中，在该生长托 盘中它形成水平的液体硅熔体池。通过允许热从熔体池向上流经烟囱 状物而以被动的方式除热，该烟囱状物则又位于该熔体腔室的下游。 在经过烟鹵状物发生热损失时，同时对生长托盘加热以保持硅处于它 的液相。在已经发生热损失的点，将模板的一端设置与熔体池相接触， 从而硅开始"凝固"(即固化)并且附着到模板上。从熔体池提拉该 模板，由此生产硅、优选地晶体硅的连续带状物。
更加具体地，本发明提供一种设备和方法，其中硅在坩锅内熔化， 该坩埚则又被安置于加压的水冷却熔炉中。该坩锅支撑在生长板上， 该生长板还支撑该坩锅下游的除热装置(例如烟囱状物)。熔化硅流 经坩锅中的出口并且流入生长托盘中。优选地，当熔化硅填充托盘并 且在托盘内形成基本均匀的、水平的熔体池时，在该出口下方、生长
托盘中的凹座(dimple)和中部托盘突脊有助于使得熔化硅变得平滑。
可调节装置，例如节流板被设置于烟囱状物中，通过该节流板能 够调整从熔体池经过烟囱状物的热流动。辐射热(即热损失)向上流 经烟囱状物并且在熔炉的水冷却壁处消耗掉。在受控热损失引起硅开 始固化由此它附着到模板上的点，模板被安置与熔体池接触。模板被 从生长托盘取出，由此随之一起地提拉正在固化的硅的片材或者带状 物。虽然关于使用硅作为进料材料以形成硅、优选地适用于制造太阳 能电池的晶体硅的带状物对本发明进行描述，但是应该理解，本发明的设备和方法能够用于将其它进料材料转变成这种进料材料的带状 物。这类其它的进料材料能够包括例如其它半导体材料。优选地，所
述其它进料材料具有至少大约120(TC的熔点、高表面张力和比固相更
加致密的液相。当使用除了硅之外的进料材料时，将对用于构造生长 托盘和坩锅的材料进行选择，从而它们与那种特定的液体进料材料相容。


通过参考附图将更好地理解本发明的实际构造操作和明显优点， 附图未必按照比例，其中同样的附图标记表示同样的部件，并且其中-图1是为了示出本发明设备实施方案而被部分地剖开的位于用于
生产晶体基板的设备中的熔炉的简化示意图； 图2是图1设备的放大视图；及 图3是图2设备的分解视图。
虽然将结合它的优选实施方案描述本发明，但是应该理解本发明 不限于此。相反，本发明旨在涵盖可以被包括于如由所附权利要求书 限定的本发明精神和范围中的所有的可替代形式、修改和等同形式。
具体实施例方式
现在参考附图，图1图解说明了根据本发明的熔炉50。熔炉50 由具有允许控制熔炉中的环境条件的水冷却壁52的真空/压力容器51 构成。设备10被安置和支撑于容器51中，该设备10用于根据本发明 方法生产薄的、连续的、优选为晶体的基板或者带状物(在全文中互 换使用)。
设备10由熔体腔室11构成，该熔体腔室11则又由倾注坩锅基座 12构成，该倾注坩锅基座12具有位于其中的倾注坩锅13并且具有在 周围的绝缘层14。如在全文中所使用的术语"基座"指的是一种提供 稳定体的结构，该稳定体(a)在高温下用作机械支撑并且(b)是导电的以从感应加热线圈接收功率。在绝缘层14周围安置了用于供应熔化 倾注埘锅13内的硅所必要的功率的加热装置(例如电感应加热线圈
15)。顶盖16封闭熔体腔室11的顶部并且具有穿过其中的开口 17， 该开口 17用于将固体硅(未示出)进料到倾注坩锅13中，这在下面 更加充分地讨论。
倾注坩锅13被支撑在生长板18上，该生长板18则又被支撑在生 长托盘基座19上。如图3中所示，生长板18由被机器加工过的石墨 材料构成以提供与用于选择性除热的绝热区域构成整体的支撑区域， 这将在下面解释。上绝缘层20、下绝缘层21和底部绝缘层22安置在 生长托盘基座19周围，并且为了下述目的，生长托盘加热装置(例如 电感应加热线圈23)围绕下绝缘层21。图3没有示出与绝缘层20、 21 和22分离的生长托盘基座19。此外，绝缘的叉形层25 (见图3)在生 长板18的上方并且沿其长度安置(见图2)。倾注柑锅13在它的下端 处具有出口 26，该出口 26穿过层25和生长板18两者中的开口并且通 到生长托盘27中，该生长托盘27则又被支撑在生长托盘基座19上。 挡板26a位于出口 26处以有效地用作过滤器，从而仅仅允许熔融硅(即 熔体池33，图2)流经该出口，而阻断任何未熔化的硅或者其它固体。
为了后述目的，生长托盘27具有直接在出口 26下方的凹座28和 位于出口下游的突脊29。生长板18还支撑除热装置，例如烟囱状物 30，该烟囱状物30与生长托盘27隔开但是与之热连通，这将在下面 描述。烟囱状物30安置在出口 26的下游并且具有可调节装置(例如 在其中可枢轴转动地安装的至少一个节流板31 (示出两个))以控制
经过烟囱状物的热流动，这将在下面进一步描述。
虽然本熔炉的精确细节不是关键性的并且在不同操作中基本上可 以改变，但是下面的讨论仅仅提出所使用的典型尺寸和材料的实施例， 而不应当视为以任何方式进行限制。如所示意地那样，倾注坩锅13可 以具有圆柱形状(例如典型的大于10cm的直径和大于15cm的高度，
10以容纳一定量的进料材料)并且可以由与待熔化的材料相容的材料构 成；即，为了熔化硅，该材料优选地由二氧化硅构成。生长板18是由 导热材料(例如碳-石墨)制成的矩形板，并且如果如图中所示，可以
具有30cm长和15cm宽的典型尺寸。所述具体尺寸能够自由按照对于 所期望的带状物片材宽度而言所需要的任意宽度和对于所期望的带状 物片材提拉速度而言所需要的长度。烟囱状物30优选地被成形为矩形 以匹配生长板18的生长区，并且优选地主要由石墨、石墨绝缘体和陶 瓷构成。生长托盘27也优选地为矩形并且例如能够是60cm乘25cm并 且大致为30mm深，并且优选地由至少98%的二氧化硅构成。已经对 设备IO的构造进行了描述，现在将阐述本发明的方法。
在操作中，通过开口 17，将所期望的量的固体硅(大块状、小片 状、杆状等)装载到倾注坩锅13中、挡板26a的顶部上，并且熔炉50 被关闭和抽空以除去可能污染或者退化带生长过程的氧气。 一旦形成 足够的真空，过程腔室被加热至30(TC，然后至500'C，从而有助于除 去可能吸附在熔炉构件上的任何水分。然后利用惰性气体(例如氩气) 将熔炉回填至环境压力并且带状物出口狭槽53被打开以使得带状物模 板40能够被插入熔炉中。带状物模板40优选地是碳基材料如石墨涂 布的碳或者石墨织物的片材，其具有与大致匹配烟囱状物30的下端宽 度的所期望带状物宽度大致相同的宽度。经过气体注入器34供应恒定 氩气流，以保持正压力并从熔融硅的熔体池33与生长板18之间的顶 部空间向外流动，以及防止空气经过出口狭槽53回流到熔炉腔室中。
倾注坩锅13和生长托盘基座19两者的温度均被升高至大致1400 X:并且被稳定在大致140(TC。带状物模板40的一端被连接到任何类型 的已知提取机构54，并且另一端被移动到靠近生长托盘27中的熔体池 33的位置，在这之后，生长托盘基座19的温度被升高至大致142(TC。
在该实施例中，使输入到围绕倾注坩锅基座12的电感应加热线圈 15的功率增加大致2000瓦特，从而开始熔化在倾注坩锅13中的固体
11硅。在熔点(例如1412°C)下，每秒应该熔化大致1.1克的硅。与进 行补充所需的硅的量成比例地改变所增加的功率量。当熔化发生时， 更加致密的熔融或者液体硅移动到坩锅13的底部并且经过出口 26流 出而流入生长托盘27中。挡板26a仅仅允许液体硅经过出口 26而阻断 任何固体的流动。
液体硅经过出口 26并且直接地到达生长托盘27中的凹座28上。 凹座28降低了硅的溅落深度并且由此限制波纹形成。中部托盘突脊29 限制进入生长区中的波传播，由此向托盘27中的液体硅熔体池33提 供更加平滑的表面。熔融硅将扩散到深度大致为10mm的浅池中。浅 熔体池有助于抑制引起带状物的局部化热斑和不均匀的厚度生长速率 的对流。本质上，熔融硅具有非常高的表面张力，这可以引起它重新 聚集并且不自由地流入所期望的液体薄层中。如果这成为一个问题， 则它能够通过使得气体例如氮气经过气体入口 34流动到熔体池33上 以改变熔体池的表面性质而被减轻。
应该指出，在本发明的一个优选实施方案中，经过气体入口34供 应的气体并非为了促进冷却熔体池，而是为了清扫或者净化熔体池的 表面并且除去可能存在于熔体池33和生长板18之间的空间中的气态 的杂质和小的颗粒杂质。如将在下面进一步解释地，生长板18为达到 所期望生长参数所需的从熔融硅除去热、优选地全部热作准备。因为 将要形成的带状物非常薄，在与熔体池33分离的点，在它的顶表面和 底表面之间优选地将仅仅存在非常小的热梯度(例如大致0.3"C)。
当熔体池33达到预定深度(例如10mm)时，输入线圈15的功 率被降低2000瓦特并且模板40被移动从而在接触点40a与熔体池33 接触以湿润模板边缘。节流板31被打开以调整能够被从生长板18排 除的辐射热量。生长板在熔体和熔炉的冷壁之间用作气体屏障和调节 器，使得通过节流板的打开/关闭角度控制它的调节。该热将经过烟囱 状物30而从模板40的表面和/或生长中的带状物40b辐射到生长板18，并且辐射到在将其消耗的熔炉50的水冷却壁52。优选地，节流板被顺 序地打开，使得最靠近接触点40a的节流板被首先打开，从而允许薄的 硅晶体带状物40b开始在模板40接触液体硅的区域40a处生长。
如已知的那样，在固体硅和液体硅之间的相变是一个等温过程(均 在1412°C)，并且非常类似于水，大量的能量(热)能够被除去或者 添加而不改变温度。在固化时所释放热的仅仅一部分被辐射到生长板 18 (有用功)，而其余部分则经过与刚刚形成的固体相接触的液体被 传导出去。当节流板31被打开时，辐射功率的一小部分被添加到围绕 生长基座19的线圈23，以保证适当的熔化温度梯度以及防止在生长晶 体上形成枝晶。如在这里所使用，"辐射功率"指的是经过相对于传 导或者对流的辐射而损失的功率。
应该指出，在优选操作模式中，当形成带状物时，节流板31是唯 一的熔体冷却控制源。节流板被主动地控制以开始生长以及控制所形 成带状物的厚度。节流板的打开允许在它的凝固点下对来自熔体池33 的热流动进行调整，而不显著地降低存在于固体带状物下面的液体硅 的温度。如上所指出的，线圈23为生长板基座19提供感应加热源， 当从熔体池提拉带状物时，该生长板基座19则又加热熔体池33的本 体并且保持熔体池33的本体处于熔融状态。
一旦带状物开始形成，模板40便被从熔体池33取出并且以与经 过生长板18的热损失成比例的速率行进。以为带状物形成作准备的取 出角度a取出其上附着带状物40b的模板40，以相对于液体硅的浮力/ 重量，它的表面张力，及在液体熔体池33、固体带状物与环境气体之 间的三点弯月面保持力的平衡，举例来说，该取出角度a诸如是相对 于水平方向的从大约r至大约15° (例如大致4。)的角度(见图l)。 因为形成硅带状物的本方法并不要求使用单晶晶种作为模板，所以它 能够避免通常与之相关的很多问题。而且，通过允许带状物采取脱离 熔体池33的自然悬链线形状，能够降低在带状物中的诱导应力。通过围绕提取引导装置54的各种绝缘装置，能够独立于生长速率调节所形 成带状物的冷却剖面，因此允许定制硅的电学性质。
因为带状物在形成后不久(例如大约3分钟以下)便离开熔炉50，
所以能够使用直接厚度测量从而微细地调节(a)节流板31以调整经过
烟囱状物30的热损失量，(b)提拉速度以改变驻留时间，和/或(c)
输入加热线圈的功率量以影响净热损失。当带状物形成时，提取引导
装置54能够被用于保持平滑且一致的取出角度，而在熔炉外部的臂或
者其它提取机构55 (例如相对辊筒、"节节向上的(hand over hand)"
捏夹(pinch grip)或者其它连续进料装置)能够被调节以保持速率和
连续带状物生长。 一旦一部分连续带状物已经行进过了提取机构，它
能够被划线并且被从正在形成的带状物除去，被切割为成品基板尺寸， 或者被留作连续带状物的部分以便在下游操作中进行进一步处理。
此外，如在本技术领域中应该理解地，固体硅进料机构(未示出) 能够与倾注坩锅13上的顶盖18中的开口 17配合以根据需要将硅片添 加到倾注坩锅中从而保持操作连续。通常在熔体添加之间的停产期间 添加硅片，从而在下一循环开始之前，使固体硅达到预熔化温度。通 过改变固体硅添加的性质(掺杂剂)，对于所形成的带状物的电阻率 的调节能够被改变。因为系统的驻留时间短，所以这种调节能够被比 较快速地完成以保持所形成的带状物处于所期望的电阻率范围内。而 且，如果生长稳定性和形成带状物模板需要的话，则通过在氩气环境 中经过气体入口 34添加少量氮气，能够原位形成非均质晶种表面。这 在熔体池33的表面上形成非常薄(〈10mm)的氮化硅/氧氮化硅表皮层， 从而为在下面的晶体硅生长提供模板。
当生长托盘或者倾注坩锅已经达到它们的可用寿命的终点，或者 硅熔体池已经聚集杂质或者掺杂剂至不能够再生产出足够质量的带状 物的点时，该连续过程将被中断。此时，能够将熔炉冷却、更换已被 磨损的构件和硅，并且该方法重新开始。于2006年9月28日提交的美国临时专利申请No. 60/827246通过
引用而被整体并入本文中。
权利要求
1. 一种用于生产进料材料的连续带状物的设备，所述设备包括用于熔化所述进料材料的熔体腔室，所述熔体腔室具有出口；被安置为从所述熔体腔室的所述出口接纳熔化的进料材料的生长托盘；和位于所述熔体腔室的所述出口下游的除热装置，该除热装置与所述生长托盘中的所述熔化的进料材料隔开但是与该熔化的进料材料热连通，所述除热装置包括可调节装置，该可调节装置适于调节从所述生长托盘中的所述熔化的进料材料中辐射的热量。
2. 根据权利要求l的设备，所述设备包括挡板，所述挡板位于所述熔体腔室的所述出口中并且适于仅仅允 许熔化的进料材料流经所述出口并且流入所述生长托盘中，而将任何 固体保留在所述熔体腔室中。
3. 根据权利要求2的设备，其中所述除热装置包括 位于在所述熔体腔室的所述出口的下游的所述生长板上的烟囱状物，所述烟囱状物适于允许热从所述生长托盘中的所述熔化的进料材 料经过所述烟囱状物向上辐射；并且其中所述可调节装置包括可枢转地安装于所述烟囱状物中并且可移动以控制经过所述烟囱 状物的热通道面积的至少一个节流板。
4. 根据权利要求3的设备，包括所述生长托盘中的位于所述熔体腔室的所述出口下方的凹座，当 熔化的进料材料流经所述出口并且流入所述生长托盘中时，所述凹座 适于降低所述熔化的进料材料的溅落深度并且限制所述熔化的进料材 料的波纹形成。
5. 根据权利要求4的设备，包括所述生长托盘中的位于所述凹座下游并且适于限制在所述生长托 盘中的所述熔化的进料材料中的波传播的突脊。
6. 根据权利要求1的设备，包括 使所述生长托盘支撑在其上的生长托盘基座；和电加热装置，该电加热装置用于通过所述生长托盘基座向所述生 长托盘供应感应热，以在所述连续带状物生长期间保持熔化的进料材 料处于液相。
7. 根据权利要求6的设备，其中所述熔体腔室包括 倾注坩锅基座，在其上支撑所述倾注坩锅和所述挡板；和电加热装置，该电加热装置用于通过所述倾注坩锅基座向所述倾 注埘锅供应感应热，以保持进料材料稍微低于它的熔点并且根据要求 调节热输入以控制熔化速率。
8. —种用于生产进料材料的连续带状物的方法，所述方法包括 在熔体腔室中熔化所述进料材料；使得所述熔化的进料材料从所述熔体腔室流入生长托盘中并且允许所述熔化的进料材料在所述生长托盘中形成水平的浅熔体池；通过从所述熔体池向上经过烟囱状物的热辐射而允许从所述熔体池的热损失，所述烟囱状物位于所述熔体腔室下游；在所述熔体池已经经历所述热损失的点，安置与所述熔体池接触的模板，由此使所述模板在所述点处接附到所述熔化的进料材料；以及从所述熔体池拉离所述模板由此生产所述带状物。
9. 根据权利要求8的方法，其中相对于所述熔体池的表面以大约 1°到大约15°的角度从所述熔体池拉离所述模板。
10. 根据权利要求9的方法，包括在所述带状物生产期间，向所述生长托盘供热以保持所述熔体池 中的所述进料材料处于它的液相。
11. 根据权利要求10的方法，还包括通过调节经过所述烟囱状 物的流来调整从所述熔体池的所述热损失。
12. 根据权利要求ll的方法，其中通过在所述烟囱状物中移动至 少一个节流板以增加或者降低经过所述烟囱状物的热流动面积而调整 所述热损失。
13. 根据权利要求12的方法，其中所述烟囱状物具有跨所述烟囱 状物中的流动面积并排安置的第一节流板和第二节流板，所述第一节 流板比所述第二节流板更加靠近在所述模板和所述熔体池之间的所述 接触点，并且其中所述方法还包括顺序地打开所述节流板，且所述第一节流板被首先打开以允许所 述带状物开始生长。
14. 根据权利要求13的方法，包括利用流动气体清扫所述熔体池的表面以除去可能存在于所述熔体 池上方的气态杂质和小颗粒杂质。
15. 根据权利要求14的方法，其中所述气体由氩气和氮气组成。
16. 根据权利要求15的方法，包括 调节所述气体的组成以改变所述熔体的表面性质。
17. 根据权利要求13的方法，其中所述模板由碳基材料片材组成。
18. 根据权利要求l的设备，其中所述进料材料包括半导体材料。
19. 根据权利要求l的设备，其中所述进料材料包括硅。
20. 根据权利要求8的方法，其中所述进料材料包括半导体材料。
21. 根据权利要求8的方法，其中所述进料材料包括硅。
全文摘要
一种用于从液体进料材料例如硅的熔体池连续地生产晶体带状物的设备和方法。使硅熔化并且流入生长托盘中以提供液体硅的熔体池。通过允许热从熔体池向上流经烟囱状物而被动地除热。在经过烟囱状物发生热损失时，同时对生长托盘加热以保持硅处于它的液相。当经过烟囱状物损失热时，模板被设置成与熔体池接触，从而硅开始“凝固”(即固化)并且附着到模板上。然后从熔体池提拉模板，由此生产晶体硅的连续带状物。
文档编号C30B15/06GK101522960SQ200780036545
公开日2009年9月2日 申请日期2007年9月26日 优先权日2006年9月28日
发明者罗杰·F·克拉克 申请人:Bp北美公司