用于制造硅或其他晶體材料的帶的裝置及制造方法

專利名稱：用于制造硅或其他晶體材料的帶的裝置及制造方法
技術領域：
本發明涉及一種通過受控結晶化(controlled crystallization )來制造晶體 材料的帶的裝置。
背景技術：
通常通過受控結晶化，即，從初始固化部分遷移固化前沿(液態/固態界 面)來獲得從液態硅浴的硅固化，其中該初始固化部分具體為種子或通過局 部冷卻結晶的首層。這樣，固態硅塊從液態硅浴中汲取原料逐漸生長增大。 傳統上采用的兩種方法為柴可拉斯基(Czochralski)方法和布里吉曼 (Bridgman)方法或它們的變體。依照柴可拉斯基方法，將通常相對于固態 硅晶軸取向的種子與熔融物接觸并緩慢提拉。液態硅浴和熱梯度隨后保持不 變，而依照布里吉曼方法，硅浴相對于熱梯度移動，或熱梯度相對于硅浴移 動。
在硅晶片制造方面的技術進步，例如線鋸，與內徑(ID)鋸相比，由于 在執行切割時由于生產率更高和材料損耗減小的不可否認的益處，因而在半 導體工業和光伏工業中實現了巨大的經濟上的進步。盡管如此損耗仍然很 大，而且線鋸設備成本很高。此外，鋸切需要昂貴的附加表面化學清洗和恢 復步驟。
為了克服切割半導體材料的困難，人們提出了各種晶片制造方法，例如 從熔融物中提拉帶或在基板上連續生長帶。然而，在基板上生長帶需要分離 帶和基板的附加步驟，并且會出現帶被基板污染的危險。另一項技術為利用 碳帶，硅結晶在該碳帶上，然后燃燒碳帶而余下兩條硅帶。然而，獲得的晶 片的晶向或多或少難以控制，因此電性能平庸。具體地說，對于光伏方面的 應用，需要少數電荷載流子擴散長度大的設備。例如對于多晶硅的情況，只 有多晶材料晶界與表面垂直，更確切地說，與光伏電池的P/N結垂直，才能 做到這一點。
為了得到結晶化材料質量使得隨后可以制造光伏電池，必須去除來自原料(例如硅給料)的殘留雜質。 一種眾所周知的方法是偏析(segregation) 出具有低偏析系數的成分。然而，對于將殘留在液相內的雜質，必須建立熱 梯度，以使固態/液態界面在給定的該界面的推進速度上保持充分穩定，以避 免硅晶粒的不受控的、等軸的或樹枝狀的生長。
此外，依照現有技術的方法無法將自液態硅生產硅晶片集成到光伏電池 生產線中。
Hide 等人的文章"Cast Ribbon For Low Cost Solar Cells" (0160-8371/88/0000-1400， 1988正EE)描述了鑄造厚0.5mm、寬100mm 的光伏硅帶的方法。該方法使用具有對組合模具的開口的坩堝，該組合模具 置于坩堝的中心開口之下。該組合^f莫具逐漸收縮以形成狹窄而細長的導向通 道，該導向通道構成水平地移動遠離坩堝軸線的細長模具。初始材料為在坩 堝中熔融的電子級質量(electronic quality )的硅。在初始材料完全熔融之后， 硅注入到該組合模具中，由此大氣壓力應用到坩堝。固化發生在狹窄通道中。 晶體在狹窄通道中向上生長，并且固化前沿大幅地傾斜。

發明內容
本發明的目的是克服已知裝置的不足之處，且具體為提供一種通過受控 結晶化來制造晶體材料帶的裝置和方法，使得可以直接從液態原料獲得晶 片，而不需要晶錠切料、將切料過的晶錠切割成晶磚以及用線鋸將晶磚切片 成晶片的附加步驟。本發明進一步的目的是將晶片生產直接集成到光伏電池 生產線中。
依據本發明，通過所附的權利要求，更具體地通過下述事實達到這一目 的該裝置包括具有底部和側壁的坩堝，該坩堝包括水平置于該側壁的底部 的至少一個橫向狹縫，該橫向狹縫的寬度大于50mm、高度介于50至1000
樣吏米之間。
這樣的裝置還可以通過偏析實施凈化，且由此可以從例如冶金級硅的較 低純凈度的硅獲得硅帶，該較低純凈度的硅因此沒有非常純的電子級硅那么昂貴。
本發明進一步的目的是提供一種使用依照本發明的裝置、通過沿著結晶 軸的受控結晶化來制造晶體材料帶的方法，該結晶軸與該裝置的提拉軸大致 上垂直。


從對僅出于非限制性的示例目的而給出并在附圖中示出的本發明具體 實施例的下述描述中，本發明的其他優點與特征將更顯而易見，附圖中
圖1、 2和4示出了依據本發明的裝置的三個具體實施例的截面圖。 圖3、5和8示出了依據圖2的坩堝的三個備選實施例沿著圖2的線A-A 截取的截面圖。
圖6示出了依據本發明的裝置直接集成到光伏電池生產線中。
圖7示出了依據本發明的裝置的一個具體實施例中，坩堝和帶的傾斜。
具體實施例方式
圖1中示出的裝置包括具有底部2和側壁3的坩堝1。坩堝1包括水平 置于圖1中的右側側壁的底部部分的橫向狹縫4。橫向狹縫4具有大于50mm 并優選地介于100mm至500mm之間的寬度L(垂直于圖1)。狹縫4的高度 H介于50至IOOO微米之間。這樣，通過從橫向狹縫4中輸出的材料的受控 結晶化獲得晶體材料的帶R,帶R如圖1中的箭頭5所示被提拉。該晶體材 料例如是硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)等。
帶R的厚度由狹縫4的高度H和提拉速率決定。提拉速率越高，帶R 的厚度減少得越多。帶R的寬度由狹縫4的寬度L決定。帶狀R隨后被切 割成晶片，晶片的表面直接由帶R的表面形成。
固化前沿即固體/液體界面，位于狹縫4中。如圖1所示，通過依據本發 明的裝置，帶以及晶片的制造使受控結晶化沿著與該設備的提拉軸T基本上 垂直的結晶軸C完成。
依據本發明，建立基本上垂直于帶R和/或該帶的該提拉方向的熱梯度， 該帶自收納有液態原料的該蚶堝的開口離開。該熱梯度優選地定位于該坩堝 的該開口，例如狹縫4。結晶軸C具體地由該熱梯度的方向決定。結晶軸C 因此基本上垂直于該帶，并因此基本上垂直于該晶片。多晶材料的晶界垂直 于晶片表面，并且對于光伏方面應用，垂直于光伏電池的P/N結，從而改進 材料的電學特性和光伏電池的性能。
該坩堝必須能承受高達1500°C的溫度，并表現出與待結晶化的材料例 如與硅的低反應性。坩堝l例如由石英、氮化硅、石墨、覆有氮化硅的石英或其他不易熔材料制成。
圖1中，橫向狹縫4置于坩堝1的底部2和相應側壁3之間，該相應側 壁3于是與底部2保持一定距離。如果需要，狹縫4的高度H可以通過高度 可調的附加壁6進行調整，附加壁6置于該坩堝的外側上并使橫向狹縫4的 高度H可以變化，如圖l所示。附加壁6的材料優選地為與坩堝l相同的材 料。
如圖2所示，該坩堝可以包括多個橫向狹縫4，分別置于例如兩個相對 的側壁3中。這樣可以同時獲得兩個晶體材料的帶R。在圖2中，橫向狹縫 4加工形成于相應側壁3的底部。圖3表明橫向狹縫4位于相應側壁3的底 部，沿其寬度L的方向水平地延伸。
該裝置優選地包括向坩堝持續提供待結晶化的材料的供給源7,如圖2 中箭頭8所示。該材料以其固相或液相供給。后一種情況下，該裝置可以集 成到原料凈化系統中。例如，可以設想附加的加熱系統和虹吸供給，而凈化 可以通過例如等離子體完成。為了在坩堝l內建立熱梯度，該坩堝在頂部加 熱，通過底部2冷卻。冷卻速率必須調整以使得材料可結晶化并吸收與結晶 化相對應的潛熱(latent heat )。取決于雜質，需要考慮到過度冷卻 (supercooling)現象。
為了將液/固相的分離定位在橫向狹縫4的水平上，坩堝優選地在橫向狹 縫4的水平上局部冷卻，例如通過與該坩堝的底部2接觸安置的若干巻曲冷 卻匝(coiled cooling turn )。例如水或氦的冷卻劑在巻曲匝中循環。在圖4所 示的具體實施例中，該裝置包括例如不易熔底盤9和噴霧器10以在不易熔 底盤9上沉積冷卻劑。當然可以設想其他任何局部冷卻裝置。
必須控制冷卻的位置以獲得在狹縫4的水平上形成的熔融材料的彎月 面，該彎月面在與結晶核接觸時能夠結晶。以硅為例，相應的固化溫度介于 1400。C至1450。C之間，而收納在坩堝內的硅熔體可以被加熱到介于1420°C 至1550。C之間的溫度。因此珪流過狹縫4并在從狹縫4輸出時結晶。圖4 中，側壁3的厚度隨著與狹縫4的距離的增加而增大。
在圖4中，該裝置還可以包括附加加熱元件15,置于狹縫4上方以局部 加熱側壁3和在狹縫4的水平上固化的硅。狹縫4因而布置在置于狹縫4上 方的熱源和置于狹縫4下方的冷源之間。這使得在固化過程中在硅內建立并 控制熱梯度，從而控制受控結晶化的取向。當使用高度可調的附加壁6時，后者可以與附加加熱元件15接觸放置。這樣附加壁6可以作為熱導體供給
熱量至狹縫4。
該熱梯度基本上垂直，并且當冷卻時在硅中必須介于5至20。C/cm之間。 這個梯度是偏析雜質以及沿著基本上垂直的熱軸生長晶粒所必需的。因此， 該晶粒的生長方向垂直于帶R的頂部表面。
該裝置包括設備11，用于夾持通過坩堝1的橫向狹縫4輸出的晶體材料 帶R。設備11包括例如持有結晶化種子13的支架12,以將種子13布置為 與從橫向狹縫4輸出的材料接觸。優選地，沿著慢生長速率軸例如<112>或 <110>晶向切割單晶或多晶硅的種子13，以限制沿提拉方向的晶粒生長。該 種子材料優選地與正在結晶化的材料相同。然而，該種子可以用與結晶化材 料不同的材料制成，例如石英、氮化物、多晶硅或多鋁紅柱石(mullite), 其本質特征是防止熔融并且不產生雜質。種子13的厚度和寬度與帶R的厚 度和寬度一致。
優選地，設備11還包括用于提拉晶體材料帶R的位移電動機，如圖4 中的箭頭14所示。這樣帶R可以被提拉到期望長度，然后在狹縫4的水平 切斷。
圖5示出依據本發明的裝置的另一具體實施例，該裝置包括布置于坩堝 的同一側壁3中的多個橫向狹縫4，每個狹縫具有例如150mm的寬度。
進一步地，坩堝中的硅被加熱，通過例如感應、電阻、紅外輻射或這些 方法的結合。方法的選擇與使用的材料密切相關。
其他步驟和處理可以隨后加入同樣的生產線中。離開坩堝l后，帶R用 例如激光來切割。優選地，通過提拉速度的突然加速使帶R斷裂，由此切割 帶R。這樣帶R與自狹縫4輸出的材料分離，可以安裝第二夾持設備11以 夾持后續帶R的起始部分。備選地，橫向夾持系統使一個或多個帶(或晶片， 取決于切割程度)一個接一個地移動。
即使在從狹縫4輸出的晶體材料帶R被切割成晶片之前，該制造裝置可 以直接以連續的形式集成到光伏電池生產線中。為此，圖6示出了可直接導 入帶R的擴散爐16。具體地說，帶R的夾持和移動設備11可將帶R送至爐 16。由于從坩堝輸出的帶R已經處于高溫，可以省去將帶R導入爐16內之 前的附加預熱步驟。
這樣就獲得了從預凈化液態硅到最后光伏模塊的裝配完整集成生產。事實上該裝置既可以與用于接收原料的上線裝置相集成，也可以與用于光伏電 池生產步驟的下線裝置相集成。優選地，該方法包括將結晶化種子13與通過橫向狹縫4輸出的材料接觸的步驟，以及帶R的水平位移步驟14。在圖7中，通過任何合適的機械裝置，例如旋轉支架，使坩堝1相對于 水平面17傾斜角度a。帶R的提拉方向以及因此帶R,相對于水平面17傾 斜角度P。具體地說，這促進了與帶R的平面垂直的結晶化生長。事實上， 提拉速率越快，結晶軸C相對于該裝置的提拉軸T的傾斜越大。坩堝1和/ 或提拉方向的傾斜使得可以校正這種效應以及獲得垂直于帶R的結晶軸C。 也可以設想用負數的或具有相反符號的角度a和(3來控制結晶軸C。如圖8所示，依據本發明的具體實施例，狹縫4由一系列孔18形成， 孔18間隔布置使得穿過孔18的材料絲(thread)在孔出口處互相結合形成 帶R。事實上孔18之間的間距可以調整，以使通過孔18輸出的各條絲通過 毛細作用互相結合。本發明不限于所示的實施例。具體地可以設想在生產線中集成依據本發 明的多個坩堝。這樣，取決于坩堝中硅熔體的摻雜，第一坩堝可生產N型材 料帶R，而第二坩堝可生產P型材料帶R。橫向狹縫4置于坩堝的側壁3的底部，狹縫4的深度D與壁的厚度一致， 介于2.5mm和15mm之間，優選地介于4mm至10mm之間。這樣坩堝具有 相應長度即數毫米的非常短的出口通道。如圖4所示，當側壁3的厚度可變 時，橫向狹縫4的深度對應于在狹縫水平的側壁3的厚度。無論何種情況， 狹縫4的深度D,或通常而言出口通道的長度，介于2.5mm和15mm之間、 優選地介于4mm和10mm之間。依據每一成分的偏析系數，固化造成雜質的偏析，即固相中雜質濃度的 減小和液相中雜質濃度的增大。考慮到依據本發明的狹縫，固化前沿置于該 蚶堝的主要容積(main volume)內或至少與其非常接近。因此雜質散布在該 坩堝的整個容積中，具體地由于常見的攪動效應。因此固相比液相更加純凈。 從而，本發明的裝置有效地使得可以使用純度低于所需最終硅的初始硅，并 且在結晶化過程中凈化該初始硅。相反地，在Hide等人的上述文章中描述的裝置局限于使用具有極少雜 質的電子級硅。事實上依據Hide等人的該裝置不能獲得遍布整個液相容積中的良好的雜質分布，由于在固化前沿的水平上的偏析造成雜質被限制在狹 窄的通道內。該通道內的雜質隨后一定包括在固相中，具體而言在帶的頂層 中，這表現為帶質量的下降。
權利要求
1.一種通過受控結晶化制造晶體材料的帶(R)的裝置，其特征在于，所述裝置包括具有底部(2)和側壁(3)的坩堝(1)，所述坩堝(1)包括水平布置于所述側壁(3)的底部的至少一個橫向狹縫(4)，所述橫向狹縫(4)具有大于50mm的寬度(L)以及介于50和1000微米之間的高度(H)。
2、 根據權利要求1的裝置，其特征在于，所述橫向狹縫(4)的寬度介 于100mm和500mm之間。
3、 根據權利要求1或2的裝置，其特征在于，所述橫向狹縫(4)布置 于所述坩堝(1)的所述底部(2)和一個所述側壁(3)之間。
4、 根據權利要求1至3中任一項的裝置，其特征在于，所述橫向狹縫 (4)加工形成于所述側壁(3)中。
5、 根據權利要求1至3中任一項的裝置，其特征在于，所述橫向狹縫 (4)具有可變的高度(H)。
6、 根據權利要求1至5中任一項的裝置，其特征在于，所述裝置包括 向所述坩堝(1)供給待結晶化的原料的持續供給裝置(7)。
7、 根據權利要求1至6中任一項的裝置，其特征在于，所述裝置包括 在所述橫向狹縫(4)的水平上局部冷卻所述坩堝(1)的所述底部(2)的 冷卻裝置(9、 10)。
8、 根據權利要求1至7中任一項的裝置，其特征在于，所述裝置包括 在所述橫向狹縫(4)的水平上局部加熱所述側壁(3)的加熱裝置(15)。
9、 根據權利要求1至8中任一項的裝置，其特征在于，所述裝置包括 通過所述坩堝(1)的所述橫向狹縫(4)輸出的晶體材料帶(R)的夾持裝 置(12)。
10、 根據權利要求1至9中任一項的裝置，其特征在于，所述裝置包括 提拉晶體材料的帶(R)的位移裝置(11)。
11、 根據權利要求1至10中任一項的裝置，其特征在于，所述狹縫(4) 由一系列孔(18)形成，所述一系列孔(18)間隔布置使得穿過孔(18)的 材料絲在孔(18)出口處互相結合形成所述帶(R)。
12、 一種使用權利要求1至11中任一項的裝置，通過沿結晶軸(C)的 受控結晶化的晶體材料的帶(R)的制造方法，其特征在于，所述結晶軸(C)垂直于所述裝置的提拉軸(T)。
13、 根據權利要求12的制造方法，其特征在于，所述結晶材料通過所述橫向狹縫(4)輸出，所述方法包括將結晶化種子(13)與通過所述橫向 狹縫(4)輸出的材料接觸的步驟，以及所述帶(R)的水平位移步驟(14)。
14、 根據權利要求12或13的制造方法，其特征在于，所述制造方法包 括將所述制造裝置直接集成到光伏電池生產線中。
15、 根據權利要求12至14中任一項的制造方法，其特征在于，所述制 造方法包括使所述坩堝(1 )和/或所述帶(R)相對于水平面(17)的傾斜。
全文摘要
本發明涉及一種裝置，該裝置包括具有底部(2)和側壁的坩堝(1)。坩堝(1)包括至少一個水平布置于側壁(3)的底部的橫向狹縫(4)。橫向狹縫(4)具有大于50mm的寬度，優選地介于100mm和500mm之間。狹縫(4)的寬度(H)介于50和1000微米之間。晶體材料通過橫向狹縫(4)從該坩堝輸出，以形成晶體帶(R)。該方法包括將結晶化核與通過橫向狹縫(4)輸出的材料接觸的步驟，以及帶(R)的水平位移步驟(14)。
文檔編號H01L31/18GK101300686SQ200680040466
公開日2008年11月5日 申請日期2006年10月19日 優先權日2005年10月26日
發明者休伯特·勞弗雷, 弗朗索瓦·利薩爾德, 羅蘭·艾因豪斯 申請人:阿波朗·索拉爾公司;西伯斯塔公司