利用局部冷卻來生長帶狀晶體的方法和設備的制作方法

專利名稱：利用局部冷卻來生長帶狀晶體的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及晶體生長，并且更加具體地，本發明涉及帶狀晶 體的生長。
背景技術：
硅片是很多種半導體裝置，諸如太陽能電池、集成電路和MEMS 裝置的構造塊。例如，Marlboro, Massachusetts的Evergreen Solar， Inc.
由通過熟知的"帶狀拉制"技術制造的硅片形成太陽能電池。
帶狀拉制技術使用已證實的工藝來生產高質量硅晶。然而，這種 工藝可生產具有容易斷裂的相對薄的區域的帶狀晶體。例如，圖1示 意性示出現有技術帶狀晶體10A的一部分的剖視圖。該剖視圖示出所 謂的"頸部區域12"，該頸部區域相對于帶狀晶體12的其余部分的厚 度是薄的。
為了避免該問題，常規的帶狀拉制熔爐可具有彎月成形器，以改 變生長的帶狀晶體與熔融的硅之間的界面的形狀和高度，因此消除頸 部區域12。雖然對于該問題來說是有利的，但必須以規則的間隔清潔 彎月成形器，以保證適當的熔爐操作。因此，必須暫停整個晶體生長 工藝，以清潔彎月成形器，因此減小產率。此外，彎月成形器清潔需 要手動/操作者干預，因此提高了生產成本。

發明內容
根據本發明的一個實施例， 一種生長帶狀晶體的方法將至少兩根 線穿過熔融材料，以產生部分形成的帶狀晶體。該方法也對流冷卻部 分形成的帶狀晶體的給定部分。部分形成的帶狀晶體具有大體上由所述線中的一根所限定的邊 緣、與該邊緣間隔開的向內部分和在該邊緣與向內部分之間的給定部 分。當對流冷卻時，該方法可使給定部分的厚度大于向內部分的厚度。 在一些實施例中，對流冷卻可包括改變對流冷卻以改變界面的位置。 給定部分因此具有作為界面的位置的函數的厚度。
在各種實施例中，通過將流體流束導向給定部分而實現對流冷卻。 例如，流體輸送設備可導向流體流束，以沖擊給定部分。實際上，流 體流束也可(在接觸給定部分之后)接觸部分形成的帶狀晶體的第二 部分并且也冷卻第二部分。
除了對流冷卻生長的帶狀晶體外，流體輸送設備可輻射冷卻給定 部分。
在生長時，部分形成的帶狀晶體具有帶寬度。給定部分也可具有 不大于大約一半帶寬度的寬度。
根據本發明的另一實施例， 一種生長帶狀晶體的方法提供包含熔 融材料的坩鍋，并將至少兩根線穿過熔融材料，以生產部分形成的帶 狀晶體。然后，該方法將流體導向部分形成的帶狀晶體的給定部分，
以對流冷卻給定部分。
根據本發明的其他實施例， 一種用來形成帶狀晶體的設備具有用 于包含熔融材料的坩鍋。坩鍋形成線孔，該線孔用來將線穿過熔融材 料，以便生長帶狀晶體。該設備也具有氣體噴嘴，該氣體噴嘴的出口 面向內，以便將氣體大致向內導向正在生長的帶狀晶體。
在一些實施例中，氣體噴嘴與坩鍋水平間隔開。此外，在其他實 施例中，該設備具有第二氣體噴嘴。第一氣體噴嘴沿第一方向導向氣
6體，并且第二氣體噴嘴沿第二方向導向氣體。第一和第二方向示例性 地為不同的方向并且大致平行。例如，第一氣體噴嘴和第二氣體噴嘴 可產生大體上共軸的相應的氣體流束。
一些實施例也可包括穿過線孔的線和正在生長的帶狀晶體。


從下面參考緊接概述的附圖論述的"具體實施方式
"，本領域技
術人員將更充分地理解本發明的各個實施例的優點。
圖1示意性示出現有技術帶狀晶體的局部剖視圖。
圖2示意性示出可根據本發明的示例性實施例生產的帶狀晶體的
頂視圖。
圖3示意性示出圖2的帶狀晶體跨過線3-3的剖視圖。
圖4示意性示出本發明的示例性實施例的帶狀晶體熔爐實施的一部分。
圖5示意性示出形成工藝中的帶狀晶體。
圖6示出根據本發明的示例性實施例形成帶狀晶體的部分工藝。
具體實施例方式
本發明的示例性實施例形成沒有如圖1中所示的細頸區域的帶狀 晶體。因此，帶狀晶體將較小傾向于在那個通常的區域斷裂。為此， 各種實施例使用對流冷卻技術來局部冷卻正在生長的帶狀晶體的一個 或多個特定區域。下面論述各種實施例的細節。
圖2示意性示出根據本發明示例性實施例配置的帶狀晶體IOB。 以類似于其他帶狀晶體的方式，該帶狀晶體10B具有大致矩形形狀和 其前部上的相對大的表面區域和背面。例如，帶狀晶體10B可具有大 約3英寸的寬度和6英寸的長度。如本領域技術人員已知的，根據帶 狀晶體生長時操作者選擇切割帶狀晶體10B的部位，長度可以顯著變 化。此外，根據其兩根線14 (見圖3)的分離，寬度可變化。因此，特定長度和寬度的論述是示例性的且不意圖限制本發明的各種實施 例。此外，帶狀晶體10B的厚度變化且相對于其長度和寬度尺寸很薄。
更具體地，圖3示意性示出圖2的帶狀晶體10B跨過線3-3的剖 視圖。作為初步方案，應當注意，圖3沒有按比例繪制。而是應當看 作僅用于描述目的的示意圖。特別地，帶狀晶體10B由硅(例如多晶 硅)封裝的一對線14形成。雖然線14由硅包圍，線14和線14外部 的硅大體形成帶狀晶體10B的邊緣。
帶狀晶體10B也可被認為具有三個鄰接部分；即，第一線14穿過 的第一端部段16、中間段18、和第二線14穿過的第二端部段20。在 示例性實施例中，中間段18組成帶狀晶體10B的總長度的大約75%。 因此，第一和第二端部段16和20 —起組成帶狀晶體10B的總長度的 大約25%。
如所示那樣，當從第一端部段16的邊緣橫穿到第一端部段16和 中間段18的邊界時，帶狀晶體10B的厚度大體上增加。該厚度隨后開 始減小，直到中間段18的大約通常的中心，并且隨后從中間段18的 通常的中心增加到中間段18和第二端部段20的邊界。以類似于第一 端部段16的方式，當從第二端部段20的邊緣橫穿到第二端部段20和 中間段18的邊界時，帶狀晶體10B的厚度大體上增加。因此，端部段 16和20均不具有諸如圖1中所示的易碎頸部12。
作為示例，帶狀晶體10B可被認為具有在圖3中箭頭A-A之間(即 第一段內)大體上標識的第一部分，和在圖3中在箭頭B-B之間(即 中間段18內)類似地標識的內部部分。在邊緣與內部部分B-B之間的 第一部分A-A的厚度大于內部部分B-B的厚度。例如，第一部分A-A 可具有大約250微米的厚度，而內部部分B-B可具有大約200微米的 厚度。當然，帶狀晶體10B的不同部分可具有類似于部分A-A與B-B 之間關系的類似關系。例如，帶狀晶體邊緣附件的另一部分可具有比一些更向內的部分大的厚度。
應當注意，相對厚度、尺寸、和大小的論述是示例性的并且不意 圖限制本發明的所有實施例。例如，端部段16和20的厚度可以大體
上恒定，而中間段18的厚度增加。作為另一示例，由于制造公差，厚 度可能跨過整個帶狀晶體10B大體上一致，或者厚度可替代地在段16、 18或20中的一個或段16、 18和20中超過一個內更大或更小。作為又 一實施例，兩個端部段一起可組成帶狀晶體10B的總長度的超過一半， 而中間段18組成帶狀晶體10B的總長度的小于一半。
示例性實施例可使用圖4中所示的熔爐22來生產圖2和3中所示 的帶狀晶體IOB。圖4示意性示出使用中的這種熔爐22，并且因此示 出熔融的硅和正從熔融的硅拉出的帶狀晶體IOB。具體地，圖4中所示 的熔爐22具有支撐包含所述熔融硅的坩鍋26的支撐結構24。此外， 熔爐22也可具有多個冷卻條28，該冷卻條提供一些輻射冷卻效果。冷 卻條28是可任選的并且因此可從烙爐22省略。
坩鍋26形成一對線孔30 (僅示出其中一個)，以便容納兩根高溫 線14，所述高溫線最終形成正在生長的硅帶狀晶體10B的邊緣區域。 在一些實施例中，坩鍋26具有多對線孔30 (例如四對線孔30)，以 同時生長多根帶狀晶體IOB。
坩鍋26可由石墨形成，并且優選由電阻加熱到能將熔融硅維持在 其熔點之上的溫度。此外，圖4中所示的坩鍋26的長度大于其寬度。 例如，柑鍋26的長度可以是其寬度的三倍或更多倍。當然，在一些實 施例中，坩鍋26不以這種方式延長。例如，坩鍋26可具有稍微正方 形形狀或非矩形形狀。
根據示例性實施例，熔爐22能夠冷卻正在生長的帶狀晶體IOB， 以便大體上消除上面參考圖1論述的易碎頸部12問題。具體地，熔爐22具有冷卻正在生長的帶狀晶體10B的特定部分(例如第一和/或第二
端部段16和20)的冷卻設備，因此有效地在那些區域中增加其厚度。
為此目的，本發明人意外發現，可以使用對流冷卻技術來實現這 個目標。更具體地，熔融的硅典型地維持在很高的溫度，諸如維持在 超過大約1420攝氏度的溫度。例如，熔融的硅可維持在1420攝氏度 與1440攝氏度之間的溫度。如本發明人理解的，本領域技術人員通常 不使用對流冷卻來冷卻接近那些溫度的物體。
然而，本發明人意外發現，對流冷卻在這種情況下滿足要求，尤 其因為每個冷卻設備僅冷卻正在生長的帶狀晶體10B的很小部分。這 種小的區域的總質量相應地很小，并且與其厚度相比具有相對大的表 面面積。因此，給定這些條件，本發明人發現對流冷卻可以滿足期望 的應用。
因此，為此目的，圖4中所示的實施例具有多個氣體噴嘴32，其 出口大體上將氣體導向正在生長的帶狀晶體0B的不同部分。如所示 那樣，每個正在生長的帶狀晶體10B具有兩個相關聯的成對氣體噴嘴 32。 一對氣體噴嘴32冷卻帶狀晶體10B的第一端部段16，而第二對氣 體噴嘴32冷卻帶狀晶體10B的第二端部段20。成對的每個噴嘴32示 例性地冷卻帶狀晶體10B的大體上相同部分的相對側。因此，圖4中 示出的每個噴嘴對中的噴嘴32使氣體流沿大體上平行但相反的方向導 向。例如，噴嘴對中的一個噴嘴32的氣體流束可以與這對噴嘴中的另 一噴嘴32產生的氣體流束大體上同軸(雖然兩個流束由于正在生長的 帶狀晶體IOB提供的分離而不混合)。
為改善冷卻功能的控制，氣體噴嘴32優選向帶狀晶體10B提供大 體上柱狀氣體流。為此目的，示例性實施例使用相對于其內孔的內徑 相對長的管。例如，管的長度對其內徑的比率可以為大約IO或更大。 因此，該管可具有大體上恒定的大約l毫米的內徑和大約12毫米的長度。
氣流流束中每一個示例性地直接沖擊帶狀晶體10B的相對小的部 分。實際上，這個相對小的部分可以小于意圖冷卻的整個段/部分、諸 如第一端部段16。例如，柱狀氣體流束的通常的中心可以旨在接觸帶 狀晶體IOB，豎直地離開晶體邊緣大約1毫米，并且水平地位于熔融的 硅和正在生長的帶狀晶體10B的界面(在下面論述并且由附圖標記34 標識)的上方大約1毫米處。然而，與該相對小的部分的接觸可將氣 體的溫度增加到一定程度，但不一定消除其后續的冷卻效果。因此， 在沖擊帶狀晶體10B的這個小的部分之后，氣體移動到接觸帶狀晶體 IOB的另一部分，因此通過設計也冷卻那個另一部分。最后，氣體耗散 且/或剩余氣體變熱到不再具有冷卻帶狀晶體10B的能力的溫度。因此， 可認為該氣體在其接觸帶狀晶體10B時形成冷卻梯度。因此，通過示 例的方式，氣體噴嘴32可通過這種主和次冷卻效果大體上冷卻帶狀晶 體10B的整個第一端部段16。
冷卻的區域的總尺寸取決于許多不同因素。特別地，這種因素可 包括氣體流率、氣體類型、噴嘴32尺寸、正在生長的晶體10B的速度、 熔融的硅的溫度和氣體噴嘴32的位置。
示例性實施例可使用許多類型氣體和流率中的任何氣體和流率來 控制正在生長的帶狀晶體10B的局部厚度。例如， 一些實施例使用以 等于每分鐘40升的速率流動的氬氣。流率應當基于許多因素來確定， 這些因素包括從噴嘴32的出口到正在生長的帶狀晶體10B的距離、帶 狀晶體10B的期望冷卻面積、正在生長的帶狀晶體10B的質量和氣體 的溫度。然而，應當注意，保證流率不大到它能損壞正在生長的帶狀 晶體10B的程度。因此，雖然較大的流率可改善冷卻，但它可能損壞 帶狀晶體IOB。
此外，在上面的示例中，可以從噴嘴32在100攝氏度與400攝氏度之間的溫度(例如200攝氏度)發射出氬氣。當然，可以使用具有 其他特性的其他氣體。因此，氬氣和特定溫度的論述不應當限制本發 明的各個方面。
除了對流冷卻正在生長的帶狀晶體10B夕卜，氣體噴嘴32也可充當 輻射冷卻的源。具體地，在示例性實施例中，氣體噴嘴32由有效充當 散熱器的材料形成。例如，氣體噴嘴32可由石墨形成。因此，當布置 成相對緊密靠近正在生長的帶狀晶體10B時，氣體噴嘴材料局部吸收 熱，因此增進對正在生長的帶狀晶體10B的期望部分的冷卻效果。因 此，可認為每個氣體噴嘴32提供兩個冷卻源；即對流冷卻和輻射冷卻 的源。
然而，在替代實施例中，氣體噴嘴32不是由能夠輻射冷卻正在生 長的帶狀晶體10B的材料形成。替代的，噴嘴32可由一種材料形成， 對正在生長的帶狀晶體IOB，該材料沒有提供比可忽略的冷卻效果更多 的效果。
應當注意，特定的氣體噴嘴32能夠放置在任何數量的不同部位。 例如，勝于(或除了)將它們布置成冷卻第一和第二端部段16和20 的部分或全部，氣體噴嘴32也可布置成冷卻中間段18的部分或全部。 作為另一示例，熔爐22可在帶狀晶體10B的一側上比帶狀晶體10B的 另一側上具有更多氣體噴嘴32。因此，應用的性質決定氣體噴嘴32的 數量和位置。
坩鍋26可以從熔爐22拆卸。為了這么做，當關閉熔爐22時，操 作者可僅從熔爐22豎直地提起坩鍋26。為了簡化拆卸，氣體噴嘴32 優選從柑鍋26的豎直平面水平間隔開，以方便拆卸。例如，如果坩鍋 26具有大約4厘米的寬度，則給定對的氣體噴嘴32間隔開大于大約4 厘米，因此提供足夠的空隙，以便易于拆卸坩鍋。此外，每個氣體噴嘴32的豎直位置影響帶狀晶體10B的厚度。具
體地，如背景技術那樣，正在生長的帶狀晶體10B會合熔融的硅的點 通常稱為"界面"。如圖5中所示，界面34有效地形成從熔融的硅的 頂表面豎直向上延伸的彎月的頂部。彎月的高度影響帶狀晶體厚度。 特別地，當與較短的彎月的頂部處的厚度相比時，高的彎月在其頂部 具有很薄的厚度。
如本領域技術人員已知那樣，這個區域處和附近的厚度決定正在 生長的帶狀晶體10B的厚度。換句話說，正在生長的帶狀晶體10B的 厚度是界面34的位置或高度的函數。如本領域技術人員也已知那樣， 彎月周圍區域的溫度控制彎月/界面34高度。具體地，如果那個區域的 溫度較低，則彎月/界面34將比溫度較高的情況低。
因此，氣體噴嘴32的冷卻效果直接控制彎月的高度，彎月的高度 因而控制正在生長的帶狀晶體10B的厚度。因此，熔爐22構造成控制 系統參數，諸如氣體流率、氣體流的溫度、氣體噴嘴32的間隔等，從 而控制界面34的高度。這可以在生長期間或在開始生長工藝之前改變， 從而改變界面34的位置。
在一些實施例中，氣體噴嘴32是可拆卸的。例如，氣體噴嘴32 可固定地布置，但可樞轉。作為另一示例，氣體噴嘴32可以以可滑動 的方式連接，以沿熔爐22水平移動。
圖6示出形成帶狀晶體10B的部分的簡化的工藝。在第一步驟之 前，柑鍋26填充有熔融的硅。因此，該工藝在步驟600開始，步驟600 將線14穿過坩鍋26中的線孔30。在線從熔融的硅露出時，這些線14 有效地形成正在生長的帶狀晶體IOB。
該工藝繼續到步驟602，步驟602冷卻正在生長的帶狀晶體10B 的一個或多個部分。如上所述，該工藝可以僅對流冷卻，或者對流冷卻和輻射冷卻。
因此，通過對流冷卻正在生長的帶狀晶體IOB，示例性實施例顯 著減輕由上述頸部引起的斷裂問題。這將增加產率，而不需要對為類 似目的而添加的部件進行勞動密集的清潔操作。
雖然上面論述公開了本發明的各種示例性實施例，但顯而易見的 是，本領域技術人員可以作出實現本發明的一些優點的各種修改，而 不偏離本發明的真實范圍。
權利要求
1.一種生長帶狀晶體的方法，所述方法包括將至少兩根線穿過熔融材料，以產生部分形成的帶狀晶體；以及對流冷卻所述部分形成的帶狀晶體的給定部分。
2. 如權利要求l所限定的方法，其中所述部分形成的帶狀晶體具有大體上由所述線中的一根限定的邊緣，所述部分形成的帶狀晶體也 具有與所述邊緣間隔開的向內部分，所述給定部分處于所述邊緣與所 述向內部分之間，對流冷卻步驟包括使所述給定部分的厚度大于所述 向內部分的厚度。
3. 如權利要求1所限定的方法，其中所述部分形成的帶狀晶體與所述熔融材料形成界面，其中對流冷卻步驟包括改變所述對流冷卻以 改變所述界面的位置，所述給定部分具有作為所述界面的位置的函數 的厚度。
4. 如權利要求1所限定的方法，其中對流冷卻步驟包括導向流體 流束朝向所述給定部分。
5. 如權利要求4所限定的方法，其中流體輸送設備導向所述流體 流束以沖擊所述給定部分，所述流體流束在接觸所述給定部分之后接 觸所述部分形成的帶狀晶體的第二部分，所述流體流束冷卻所述第二 部分。
6. 如權利要求4所限定的方法，其中流體輸送設備導向所述流體 流束朝向所述給定部分，所述流體輸送設備輻射地冷卻所述給定部分。
7. 如權利要求l所限定的方法，其中所述部分形成的帶狀晶體與 所述熔融材料形成界面，此外，對流冷卻步驟包括導向氣體的流束以接觸所述給定部分的特定位置，所述特定位置與所述界面間隔開。
8. 如權利要求l所限定的方法，其中所述部分形成的帶狀晶體具 有帶寬度，所述給定部分具有不大于大約所述帶寬度一半的寬度。
9. 一種生長帶狀晶體的方法，所述方法包括 提供容納熔融材料的坩鍋；將至少兩根線穿過所述熔融材料，以產生部分形成的帶狀晶體；以及將流體導向所述部分形成的帶狀晶體的給定部分，所述流體對流 冷卻所述給定部分。
10. 如權利要求9所限定的方法，其中所述部分形成的帶狀晶體具有大體上由所述線中的一根限定的邊緣，所述部分形成的帶狀晶體 也具有從所述邊緣間隔開的向內部分，所述給定部分處于所述邊緣與所述向內部分之間，導向步驟包括使所述給定部分的厚度大于所述向 內部分的厚度。
11. 如權利要求9所限定的方法，其中導向步驟包括提供將所述 流體導向所述給定部分的噴嘴，所述噴嘴輻射地冷卻所述給定部分。
12. 如權利要求11所限定的方法，其中所述噴嘴導向所述流體流束以沖擊所述給定部分，所述流體流束在接觸所述給定部分之后接觸 所述部分形成的帶狀晶體的第二部分，所述流體流束冷卻所述第二部 分。
13. 如權利要求9所限定的方法，其中所述流體包括從噴嘴向所 述給定部分吹出的氣體，所述氣體處于大約100-400攝氏度之間的溫 度。
14. 如權利要求9所限定的方法，其中所述部分形成的帶狀晶體 與所述熔融材料形成界面，此外，所述流體接觸所述給定部分的特定 位置，所述特定位置與所述界面間隔開。
15. —種用于形成帶狀晶體的設備，所述設備包括坩鍋，所述坩堝用于容納熔融材料，所述坩鍋形成線孔，所述線 孔用于將線穿過所述熔融材料，以便生長帶狀晶體；和氣體噴嘴，所述氣體噴嘴具有面向內的出口，以便將氣體大致向 內地導向所述正在生長的帶狀晶體。
16. 如權利要求15所限定的設備，其中所述氣體噴嘴包括輻射冷卻材料。
17. 如權利要求16所限定的設備，其中所述輻射冷卻材料包括石墨。
18. 如權利要求15所限定的設備，其中所述氣體噴嘴與所述坩鍋 水平間隔開。
19. 如權利要求15所限定的設備，還包括第二氣體噴嘴，第一氣 體噴嘴在第一方向上導向氣體，第二氣體噴嘴在第二方向上導向氣體， 所述第一和第二方向為不同的方向且大體平行。
20. 如權利要求19所限定的設備，其中所述第一氣體噴嘴和第二 氣體噴嘴產生大體上共軸的相應的氣體流束。
21. 如權利要求15所限定的設備，還包括穿過所述線孔的線和正 在生長的帶狀晶體。
全文摘要
一種生長帶狀晶體的方法，該方法提供容納熔融材料的坩鍋，并將至少兩根線穿過熔融材料，以生產部分形成的帶狀晶體。然后，該方法將流體導向部分形成的帶狀晶體的給定部分，以對流冷卻給定部分。
文檔編號C30B15/14GK101688324SQ200880017732
公開日2010年3月31日 申請日期2008年5月27日 優先權日2007年6月8日
發明者大衛·哈維, 斯科特·賴特斯瑪, 理查德·華萊士, 黃衛東 申請人:長青太陽能股份有限公司