專利名稱：連續(xù)澆鑄單晶硅帶的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)通常涉及半導(dǎo)體/光電工藝中使用的裝置和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
連續(xù)澆鑄已長(zhǎng)期被用于在冶金工業(yè)中制造鋁和其他非鐵金屬的坯體。但是，近 來，該技術(shù)已被修改以便制造太陽能電池應(yīng)用所需的硅(Si)帶。更具體地，一些新興硅 帶技術(shù)，例如樹狀網(wǎng)(WEB)、定界覆膜生長(zhǎng)(Ere)、條帶(SR)、硅膜(SF)和在襯底上生長(zhǎng)帶 (RGS)，已經(jīng)商業(yè)化或正在開發(fā)。與諸如卓克拉爾斯基(CZ)或定向結(jié)晶系統(tǒng)(DSS)生長(zhǎng)的傳統(tǒng)晶體硅技術(shù)相比，硅 帶技術(shù)淘汰了可消耗超過50%硅生長(zhǎng)的傳統(tǒng)的晶片切割工藝。此外，硅帶技術(shù)得益于降低 了的能耗且相對(duì)于傳統(tǒng)的晶體硅技術(shù)而可相當(dāng)?shù)貏澦?。盡管如上所述，幾乎所有當(dāng)前可用的硅帶技術(shù)制造的硅帶的微結(jié)構(gòu)是等軸的或是 包括柱形硅晶粒。換言之，幾乎所有當(dāng)前可用的硅帶技術(shù)制造的是多晶硅。同樣地，大量晶 粒邊界，與雜質(zhì)的高濃度以及沿這些邊界的缺陷一起限制了由此制得的太陽能電池的最高 效率。僅有的制造單晶硅的當(dāng)前可用的硅帶技術(shù)為上述的WEB技術(shù)。但是，當(dāng)實(shí)施這技 術(shù)時(shí)，去除伴隨硅生長(zhǎng)的樹狀結(jié)晶可能成為問題。此外，使用WEB技術(shù)生長(zhǎng)的硅包含通常形 成在網(wǎng)絡(luò)中部的雙晶面。

實(shí)用新型內(nèi)容至少由以上可知，需要提供能相對(duì)低成本和高質(zhì)量地制造單晶硅帶的新裝置和/ 或系統(tǒng)。制得的硅帶也需要能應(yīng)用于例如太陽能應(yīng)用。此外，也需要提供制造這種相對(duì)低 成本和高質(zhì)量單晶硅帶的新方法。上述需求在很大程度上通過本實(shí)用新型的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例來得以實(shí)現(xiàn)。依照這 樣一個(gè)實(shí)施例，提供一種用于形成硅帶的設(shè)備。該設(shè)備包括被設(shè)置為容納硅熔融物的坩鍋。 該設(shè)備也包括與坩鍋相鄰并被設(shè)置為允許熔融物流經(jīng)其中的管道。此外，該設(shè)備也包括與 管道相鄰并被設(shè)置為控制流經(jīng)管道的熔融物溫度的管道加熱系統(tǒng)。此外，該設(shè)備也包括被 設(shè)置為支撐與熔融物接觸的硅種晶并被進(jìn)一步設(shè)置為沿大致水平方向移動(dòng)硅種晶的固定器。 依照本實(shí)用新型的另一實(shí)施例，提供一種形成硅帶的方法。該方法包括加熱容器 中的給料(例如固體硅)以形成熔融物。該方法也包括引導(dǎo)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(dāng)部分熔融物從容器移走并固化時(shí)將部分熔融物與種 晶接觸從而促進(jìn)單晶硅形成。依照本實(shí)用新型的另一實(shí)施例，提供另一種用于形成硅帶的設(shè)備。該設(shè)備包括用 于加熱硅以形成熔融物的裝置。該設(shè)備也包括用于引導(dǎo)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(shè)備也包括用于當(dāng)部分熔融物從加熱用裝置移走時(shí)控制部分熔融物如何快速冷卻的裝置。此外，該設(shè)備也包括用于促進(jìn)單晶硅形成的裝置，其中，當(dāng)部 分熔融物從加熱用裝置移走并固化時(shí)，用于促進(jìn)的裝置被放置為與部分熔融物接觸。因此已相當(dāng)廣泛地概述了本實(shí)用新型的某些實(shí)施例，以便于更好地理解詳細(xì)說 明，以及為了更好地評(píng)價(jià)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)做出的貢獻(xiàn)。當(dāng)然還有以下將描述的本實(shí)用新型的另 外實(shí)施例，這些實(shí)施例將構(gòu)成附加至此的權(quán)利要求的主題。在這方面，在詳細(xì)解釋本實(shí)用新型至少一個(gè)實(shí)施例之前，需要明確的是本實(shí)用新 型并非限于其申請(qǐng)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)以及如以下說明或附圖所示的組件的設(shè)置。除了那些描述過 和實(shí)施過的之外，本實(shí)用新型還有其他實(shí)施例并可以各種方式實(shí)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(shù)語是為了說明目的而不可視為限定。同樣地，本領(lǐng)域技術(shù)人員可意識(shí)到本公開所基于的構(gòu)思，容易利用該構(gòu)思為基礎(chǔ) 而設(shè)計(jì)用于執(zhí)行本實(shí)用新型一些目的的其他結(jié)構(gòu)、方法和系統(tǒng)。因此，重要的是，權(quán)利要求 應(yīng)被視為包括這種不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的等價(jià)結(jié)構(gòu)。

圖1是依照本實(shí)用新型實(shí)施例的用于形成硅帶的設(shè)備的示意圖。圖2是圖1所示設(shè)備的熱控制區(qū)域內(nèi)的硅帶的相對(duì)溫度特性。圖3是依照本實(shí)用新型實(shí)施例的形成圖1所示硅帶的方法步驟的流程圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型以下將參照附圖說明，其中相同參考數(shù)字表述相同的部件。圖1為依 照本實(shí)用新型實(shí)施例的形成硅帶12的設(shè)備10的示意圖。如圖1所示，設(shè)備10包括坩鍋 14 (也即容器)，被設(shè)定為容納(也即固定)硅熔融物16。圖1所示熔融物16在坩鍋14內(nèi) 通過熔化多晶硅給料而形成。但是，熔融物16也可通過加熱任何其他對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而 言是顯而易見的材料而形成，從而實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例。依照本實(shí)用新型某些實(shí)施例，坩鍋14為石墨支撐的并大致為矩形石英容器。但 是，石英之外其他材料也可用于形成坩鍋14。此外，其他坩鍋設(shè)置/幾何結(jié)構(gòu)也在本實(shí)用新 型范圍之內(nèi)。盡管圖1未示出，依照本發(fā)麻某些實(shí)施例，一個(gè)或多個(gè)陶瓷涂層(例如Si3N4、Si02) 可被施加至坩鍋14的部分或全部表面。通常，這些涂層被設(shè)置為減少氧從坩鍋14至熔融物 16的分解，并阻止或至少減少硅熔融物附著至坩鍋壁。非陶瓷涂層和/或起其他作用(例 如增加表面硬度/抗劃傷性)的涂層也在本實(shí)用新型范圍之內(nèi)。如圖1所示，坩鍋加熱系統(tǒng)26與坩鍋14相連。依照本實(shí)用新型某些實(shí)施例，坩鍋 加熱系統(tǒng)26被設(shè)置為將硅熔融物16保持在液體狀態(tài)。此外，坩鍋加熱系統(tǒng)26也可被設(shè)置 為熔化可被導(dǎo)入坩鍋14的固體材料(例如上述給料中的多晶硅)，因此形成硅熔融物16。 在圖1所示本實(shí)用新型實(shí)施例中，坩鍋加熱系統(tǒng)26包括一對(duì)石墨電阻加熱器，安裝在腔18 的側(cè)壁上。但是，其他種類的加熱元件和/或其可選位置也在本實(shí)用新型范圍之內(nèi)。例如， 加熱系統(tǒng)26的一部分可位于坩鍋14下面，或被操縱為多區(qū)域加熱的設(shè)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(nèi)。隔熱腔18 可由任何可減少或最小化熱損失并可經(jīng)受硅工藝中高溫的隔熱材料制成。進(jìn)氣口 20位于圖1所示隔熱腔18的頂部，而真空泵22位于隔熱腔18的底部。但是，進(jìn)氣口 20或真空泵 22的位置沒有特別限制。此外，多個(gè)進(jìn)口 /出口也在本實(shí)用新型范圍之內(nèi)，因此允許冗余和 /或允許氣體混合物被導(dǎo)入隔熱腔18。依照本實(shí)用新型某些實(shí)施例，真空泵22被設(shè)置為在隔熱腔18內(nèi)制造真空，而進(jìn)氣 口 20被設(shè)置為將保護(hù)性氣體或氣體混合物(例如惰性氣體)導(dǎo)入隔熱腔18。以下將參照 圖3所示流程圖更詳細(xì)說明，通過使用圖1所示的進(jìn)氣口 20和真空泵22，惰性氣氛環(huán)境可 被導(dǎo)入隔熱腔18。如此，可通過維持隔熱腔18內(nèi)的適當(dāng)?shù)亩栊詺怏w(例如氬氣)壓力來 維持硅熔融物16的質(zhì)量(也即可保護(hù)熔融物16以免被污染、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 以或多或少影響硅熔融物16頂部上的壓力。如圖1所示，管道24與坩鍋14相鄰。當(dāng)位于圖1所示的開啟位置時(shí)，管道24允 許硅熔融物流經(jīng)其中。圖1也顯示了，管道加熱系統(tǒng)28與管道24相鄰。依照本實(shí)用新型 某些實(shí)施例，管道24和管道加熱系統(tǒng)28的至少一部分、有時(shí)是全部被容納于隔熱腔18之 內(nèi)。通常，管道加熱系統(tǒng)28被設(shè)置為控制流經(jīng)管道24的硅熔融物16的溫度，而熔融物16 進(jìn)一步從坩鍋14流出并固化。圖1所示設(shè)備10的另一組件是固定器30，被設(shè)置為支撐硅種晶32。當(dāng)熔融物16 開始流出坩鍋14時(shí)，固定器30最初使得種晶32與熔融物16在坩鍋14外側(cè)的預(yù)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所示的單晶硅帶12。除了支撐種晶32，固定器30也被設(shè)定為只要上述帶形成開始時(shí)就以大致水平方 向?qū)⒎N晶32從坩鍋14移走。換言之，固定器30被設(shè)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硅。反過來，這使得更多的熔融物16流出坩鍋14 以固化并形成更多的帶12。圖1中，熱控制區(qū)域34顯示為與管道24相鄰并位于隔熱腔18外。依照本實(shí)用新 型某些實(shí)施例，熱控制區(qū)域34被設(shè)置為熱處理隨后固化(也即在固體硅帶12形成之后) 的硅熔融物16。更具體地，熱控制區(qū)域34用于逐漸降低硅帶12的溫度，因此大致消除了或 至少大大減少了帶12內(nèi)的熱應(yīng)力。如果需要的話，熱控制區(qū)域34也可被設(shè)置為對(duì)帶12退 火，因此減少了其中的內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力并進(jìn)一步減少了帶12破裂的可能性。為了確保當(dāng)硅在部分硅熔融物16和部分硅帶12之間轉(zhuǎn)換時(shí)硅持續(xù)地穿過設(shè)備 10，牽引系統(tǒng)36也與管道24相鄰。圖1中，牽引系統(tǒng)36顯示為位于熱控制區(qū)域34的與管 道24相反面上。依照本實(shí)用新型某些實(shí)施例，牽引系統(tǒng)36的速度被小心地控制以確保硅 帶12穩(wěn)定均勻地形成(也即生長(zhǎng))。如下將更加詳述的，圖1所示的示例性牽引系統(tǒng)36包 括一對(duì)滾筒38，與硅帶12的完全固化部分摩擦地接觸。但是，依照本實(shí)用新型也可使用其 他牽引系統(tǒng)36的設(shè)置，牽引系統(tǒng)36可相對(duì)圖1所示設(shè)備10的其他組件而移動(dòng)。工作時(shí)，當(dāng)如圖1所示滾筒38旋轉(zhuǎn)時(shí)(也即上部滾筒逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)而下部滾筒順時(shí) 針旋轉(zhuǎn))，滾筒38之間的硅帶12被從隔熱腔18中移出(也即推出或拉出，取決于所選的參 考結(jié)構(gòu))。如此，帶12將種晶32從坩鍋14拖出，而更多硅熔融物16可流出坩鍋14。依照本實(shí)用新型某些實(shí)施例，牽引系統(tǒng)36被設(shè)置為使用滾筒38沿大致水平方向 移動(dòng)硅熔融物16的固化部分(也即硅帶12的一部分)。但是，其他被設(shè)置為促進(jìn)硅帶12 從隔熱腔18中移出的裝置也在本實(shí)用新型范圍之內(nèi)。[0029]除了所有其他上述組件，圖1也顯示了切割系統(tǒng)40，與管道24相鄰并位于牽引系 統(tǒng)36的與熱控制區(qū)域34相反面上。依照本實(shí)用新型某些實(shí)施例，切割系統(tǒng)40被設(shè)置為切 割隨后固化的硅熔融物16 (也即在熔融物16已固化為硅帶12后)。為了執(zhí)行這功能，切割 系統(tǒng)40可包括一個(gè)或多個(gè)鋸子、一個(gè)或多個(gè)激光器和/或其他任何能將硅帶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(shè)備10的硅帶的相對(duì)溫度特性圖。如圖2所示，溫度從硅熔 融物16流出坩鍋14并進(jìn)入加熱管道28的時(shí)間開始保持為相對(duì)常數(shù)。溫度從硅熔融物16 流出加熱管道28的時(shí)間開始相對(duì)快速下降，此時(shí)熔融物16通常開始固化為帶12 (也即溫 度降低至熔點(diǎn)Tmelting以下)。隨后，硅帶12進(jìn)入熱控制區(qū)域34。但是，只要在區(qū)域34中， 冷卻速度就減慢以便減少/最小化帶12中的任何熱沖擊。如上所述，依照本實(shí)用新型某些實(shí)施例，溫度被相對(duì)穩(wěn)定地以選定距離保持在熱 控制區(qū)域34內(nèi)，以便允許帶12內(nèi)的內(nèi)部應(yīng)力退火消除。接下來，當(dāng)硅帶12靠近熱控制區(qū) 域34出口時(shí)，溫度被再次允許相對(duì)較快地降低。最終，隨后移出熱控制區(qū)域34，硅帶12被 允許冷卻在環(huán)境條件以下直至最終達(dá)到環(huán)境溫度。圖3是顯示了依照本實(shí)用新型實(shí)施例的形成圖1所示硅帶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(shí)用新型的裝置/系統(tǒng)和/或方法，可形成具有長(zhǎng) 的少數(shù)載流子壽命、減少的雜質(zhì)和/或減少的缺陷能級(jí)的單晶硅帶。換言之，通過實(shí)施本實(shí) 用新型某些實(shí)施例，可得到具有與單晶硅晶片相同的晶胞性能的硅帶，否則必須通過CZ或 DSS方法形成。依照?qǐng)D3所示的示意性方法，流程圖42的第一步(也即步驟44)規(guī)定，加熱容器 (例如圖1所示坩鍋)中的一批給料(例如固體多晶硅)以形成熔融物(例如上述的硅熔 融物16)。盡管沒有對(duì)加熱溫度、待熔化給料的組分(例如雜質(zhì)含量)或容器的幾何結(jié)構(gòu) 或組分做出特別限定，依照本實(shí)用新型某些實(shí)施例選擇半導(dǎo)體工業(yè)范圍內(nèi)普遍的參數(shù)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(nèi)。隨后，依照步驟 48，在隔熱腔內(nèi)制造真空。對(duì)隔熱腔所達(dá)到的真實(shí)壓力沒有特別限定。但是，依照本實(shí)用新 型某些實(shí)施例，達(dá)到5t00r的額定壓力。步驟48之后，如步驟50所示，隔熱腔被填入保護(hù) 性(例如惰性)氣體。依照本實(shí)用新型某些實(shí)施例，氬氣環(huán)境在步驟48期間被導(dǎo)入隔熱腔。 但是，也可使用包括其他惰性氣體和/或能阻止硅熔融物經(jīng)歷化學(xué)反應(yīng)的其他氣體或混合 物的環(huán)境。如步驟52所示，一部分熔融物隨后以大致水平方向被導(dǎo)出容器。依照本實(shí)用新型 某些實(shí)施例，步驟52被依照如步驟54所述的參數(shù)而實(shí)施，步驟54中規(guī)定了選擇流速使得 部分熔融物被導(dǎo)出而使得部分熔融物固化后硅帶形成為具有小于大約250微米的厚度。本 領(lǐng)域技術(shù)人員通過實(shí)施本實(shí)用新型一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例將可意識(shí)到，例如為圖1所示設(shè)備10 的設(shè)置/尺寸以及處理溫度(例如硅熔融物16的溫度、熱控制區(qū)域34內(nèi)的溫度等等)的 參數(shù)將影響實(shí)施步驟54時(shí)所選擇的流速。硅帶的預(yù)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(guī)定了通過當(dāng)部分熔融物流出容器并固化時(shí)將部分 熔融物與種晶接觸而促進(jìn)單晶硅的形成。參照?qǐng)D1，步驟56期間，當(dāng)熔融物16開始流出坩鍋14時(shí)種晶32開始與硅熔融物16接觸。隨后，當(dāng)種晶32移出隔熱腔18并流向熱控制區(qū) 域34時(shí)，熔融物16連同晶體32 —起被拖拽、冷卻并最終固化。步驟56之后，步驟58規(guī)定，當(dāng)部分移出容器時(shí)熱控制部分熔融物固化的速度。依 照本實(shí)用新型某些實(shí)施例，步驟56所述的熱控制導(dǎo)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(shí)用新型范圍之內(nèi)，包括并不依賴于熱控制區(qū)域34的那些特性。依照步驟60，在步驟58所述的固化之后，步驟58中提到的部分熔融物被熱處理以 減少其中的內(nèi)應(yīng)力。換言之，在部分硅熔融物16已固化為圖1所示的部分硅帶12之后，部 分硅帶12被有效地退火。圖3所述的下一步驟是步驟62，規(guī)定了在部分熔融物固化之后使用機(jī)械裝置完成 部分熔融物沿大致水平方向的移動(dòng)。依照本實(shí)用新型某些實(shí)施例，使用與圖1所示的基于 滾筒的牽引系統(tǒng)36類似或相同的設(shè)備。但是，其他允許和/或促進(jìn)和/或?qū)崿F(xiàn)硅當(dāng)硅從熔 融物固化為帶時(shí)沿大致水平方向移動(dòng)的裝置也在本實(shí)用新型范圍之內(nèi)。流程圖42中最后步驟是步驟64，在固化之后切割部分熔融物。如上所述，與圖1 所示的切割系統(tǒng)40相比，步驟64可通過例如使用包括至少一個(gè)鋸或激光器的裝置或系統(tǒng) 而實(shí)現(xiàn)。但是，依照本實(shí)用新型某些實(shí)施例，也可使用任何其他能將硅帶切割為兩片或更多 片的系統(tǒng)/裝置。由詳細(xì)說明可明確本實(shí)用新型的很多特征和優(yōu)點(diǎn)，因此所附權(quán)利要求的目的在于 覆蓋所有本實(shí)用新型的這些特征和優(yōu)點(diǎn)，使其落入本實(shí)用新型的真實(shí)精神和范圍之內(nèi)。此 外，由于本領(lǐng)域技術(shù)人員能容易地做出很多修改和變化，不期望將本實(shí)用新型限定于所示 和所述的精確結(jié)構(gòu)和操作，并因此所有恰當(dāng)?shù)男薷暮偷葍r(jià)物均可歸于落入本實(shí)用新型的范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求一種設(shè)備，用于形成硅帶，該設(shè)備包括一坩鍋，被設(shè)置為容納硅熔融物；一管道，與坩鍋相鄰并被設(shè)置為允許熔融物流經(jīng)其中；一管道加熱系統(tǒng)，與管道相鄰并被設(shè)置為控制流經(jīng)管道的熔融物的溫度；以及一固定器，被設(shè)置為支撐硅種晶與熔融物接觸并進(jìn)一步被設(shè)定為沿大致水平方向移動(dòng)硅種晶。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括 一隔熱腔，坩鍋被容納在隔熱腔內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中管道和管道加熱元件被容納在隔熱腔內(nèi)。
4.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括 一進(jìn)氣口，被設(shè)置為將保護(hù)性氣體導(dǎo)入隔熱腔。
5.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括 一真空泵，被設(shè)置為在隔熱腔內(nèi)制造真空。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括一熱控制區(qū)域，與管道相鄰并被設(shè)置為在熔融物固化之后熱處理熔融物。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括一切割系統(tǒng)，與管道相鄰并被設(shè)置為在熔融物固化之后切割熔融物。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括一牽引系統(tǒng)，與管道相鄰并被設(shè)置為沿大致水平方向牽引熔融物的固化部分。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括一坩鍋加熱系統(tǒng)，與坩鍋相鄰并被設(shè)置為將硅熔融物維持在液體狀態(tài)。
10.一種設(shè)備，用于形成硅帶，該設(shè)備包括 用于加熱硅以形成熔融物的裝置；用于將部分熔融物沿大致水平方向?qū)С黾訜嵊醚b置的裝置； 用于當(dāng)部分用加熱用裝置移出時(shí)控制部分熔融物如何快速冷卻的裝置；以及 用于促進(jìn)單晶硅形成的裝置，其中用于促進(jìn)的裝置被放置為當(dāng)部分熔融物從加熱用裝 置移出并固化時(shí)與部分熔融物接觸。
專利摘要一種用于形成單晶硅帶的設(shè)備。該設(shè)備包括硅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并在固化之前與硅種晶接觸。在固化為帶之后，帶的進(jìn)一步冷卻在受控條件下發(fā)生，而帶最終被切割。
文檔編號(hào)C30B29/06GK201620208SQ20102017962
公開日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2010年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月12日
發(fā)明者克諾佩爾·德魯, 李濤, 潘慶樂 申請(qǐng)人:斯必克公司