專利名稱：用于生產(chǎn)半導(dǎo)體級(jí)硅的裝置和方法
用于生產(chǎn)半導(dǎo)體級(jí)硅的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)半導(dǎo)體級(jí)硅錠塊、包括太陽(yáng)能級(jí)硅錠塊的裝 置和方法。
背景技術(shù)：
在接下來(lái)的數(shù)十年中，預(yù)期世界上的石油供應(yīng)將逐漸耗盡。這意 味著必須在數(shù)十年內(nèi)替換我們?cè)谏蟼€(gè)世紀(jì)的主要能源，既要覆蓋目前 的能量消耗又要覆蓋將來(lái)全球能源需求的增加。
此外，化石能源的使用將地球的溫室效應(yīng)增加至可能變得危險(xiǎn)的 程度，引起了許多關(guān)注。因此，為了我們的氣候和環(huán)境，目前化石燃 料的消耗應(yīng)該優(yōu)選被可再生的和可持續(xù)的能源/載體代替。
這些能源的一種是太陽(yáng)光，其以比目前日消耗(包括任何可預(yù)見 的人類能耗)大許多的能量輻照地球。然而，太陽(yáng)能電池電力迄今為 止仍過于昂貴而不能與核能、熱能等相競(jìng)爭(zhēng)。如果要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池 電力的巨大潛力，這需要改變。
來(lái)自太陽(yáng)能板的電力的成本是能量轉(zhuǎn)換效率與該太陽(yáng)能板生產(chǎn)成 本的函數(shù)值。因此，用于降低太陽(yáng)能電池電力成本的一個(gè)策略是增加 能量轉(zhuǎn)換效率。
現(xiàn)有技術(shù)
在當(dāng)今的光伏(PV)工業(yè)中，從錠塊切割用于PV應(yīng)用的多晶晶 片，該錠塊基于布里奇曼(Bridgman)法通過定向凝固(DS)在熔爐 中鑄造。這些工藝中主要的挑戰(zhàn)是保持硅原料的純度。兩個(gè)引起污染 問題的元素是氧和碳。根據(jù)"Handbook of Photovoltaic Science and Engineering(光伏禾斗學(xué) 和工程手冊(cè))"，John Wiley & Sons, 2003，存在的問題是，氧化物或含 氧化物的材料與熔融金屬接觸(包括通過隔離涂層的遷移)將氧引入 熔融金屬中。氧導(dǎo)致從熔體蒸發(fā)的SiO氣體的形成，并且SiO氣體隨 后將與熱區(qū)中的石墨反應(yīng)形成CO氣體。CO氣體進(jìn)入硅熔體并因此將 碳引入固體硅中。也就是說(shuō)，在熱區(qū)中使用氧化物或含氧化物的材料會(huì) 引起一系列的反應(yīng)，導(dǎo)致將碳和氧均引入固體硅中。與布里奇曼法相關(guān) 的典型數(shù)值是2 6xl0力ci^的間隙氧水平和2 6xl0力ci^的取代碳。
硅金屬中碳的增加會(huì)導(dǎo)致形成針狀SiC晶體，特別是在錠塊的最 高區(qū)域中。這些針狀SiC晶體已知為半導(dǎo)體電池中的短路pn結(jié)，導(dǎo)致 電池效率劇烈降低。間隙氧的增加可能在形成的硅金屬退火后導(dǎo)致氧 沉淀和/或再結(jié)合活性氧絡(luò)合物。
發(fā)明目的
本發(fā)明的主要目的在于提供高純度半導(dǎo)體級(jí)硅錠塊的生產(chǎn)方法， 該方法充分減少/消除了硅金屬的碳和氧的污染問題。
本發(fā)明的另一目的是提供用于實(shí)施本發(fā)明方法的裝置。
本發(fā)明的目的可以通過以下本發(fā)明說(shuō)明書中和/或附隨的權(quán)利要 求中闡明的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)。
發(fā)明概述
本發(fā)明基于以下實(shí)現(xiàn)，即硅的碳和/或氧污染的問題與熔爐中的熱 還原環(huán)境中氧化物或含氧化物材料的存在有關(guān)，且目前在熱區(qū)中使用 的材料，諸如電絕緣、坩堝、承載構(gòu)建元件和熱絕緣可以用不含氧化 物的材料代替。因此，本發(fā)明的第一方面提供了用于生產(chǎn)半導(dǎo)體級(jí)硅錠塊的方法， 其中通過以下步驟充分減少或消除了熱區(qū)中氧的存在
- 在由氮化硅、碳化硅或這些的復(fù)合物制成的坩堝中，結(jié)晶半 導(dǎo)體級(jí)硅錠塊，任選還包括進(jìn)料硅材料的熔融，該坩堝任選用無(wú)氧化 物的隔離涂層涂覆，
- 在硅錠塊結(jié)晶期間，將坩堝容納在具有惰性氣氛的密封熱區(qū) 中，任選還包括進(jìn)料硅材料的熔融，
- 至少在熱區(qū)中使用包括熱絕緣元件的承載構(gòu)建元件，該構(gòu)建 元件由碳和/或石墨材料制成，并且
- 至少在熱區(qū)中使用電絕緣元件，該電絕緣元件由氮化硅Si3N4 制成。
根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法可以用于任何已知的工藝，包括用于 半導(dǎo)體級(jí)硅錠塊、包括太陽(yáng)能級(jí)硅錠塊的結(jié)晶，諸如布里奇曼法或相 關(guān)的定向凝固方法、塊澆鑄方法和用于硅單晶生長(zhǎng)的CZ法。
本發(fā)明的第二方面提供了用于制造單晶或多晶的半導(dǎo)體級(jí)硅錠塊 的裝置，其包括具有惰性氣氛的密封熱區(qū)，其中
- 至少在熱區(qū)中包括熱絕緣元件的該裝置的所有承載構(gòu)建元件 由碳和/或石墨材料制成，
- 至少在熱區(qū)中的電絕緣由氮化硅Si3N4制成，和
- 坩堝由氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)或者這些的復(fù)合物制
成，任選用無(wú)氧化物的隔離涂層涂覆。
本文使用的術(shù)語(yǔ)"惰性氣氛"意思是，與熱區(qū)中硅金屬和該裝置 的材料相接觸的氣氛，對(duì)于該裝置的材料和硅金屬相，不管是固態(tài)還 是液態(tài)，基本上都是化學(xué)惰性的。本文使用的術(shù)語(yǔ)包括任何氣壓的惰 性氣氛，包括真空。
該裝置可以是任何已知的用于半導(dǎo)體級(jí)硅錠塊、包括太陽(yáng)能級(jí)硅錠塊結(jié)晶的裝置，諸如用于執(zhí)行布里奇曼方法或相關(guān)定向凝固方法的
熔爐、用于完成塊澆鑄方法的結(jié)晶罐、用于完成單晶硅晶體cz生長(zhǎng)的
cz拉晶器。通過在太陽(yáng)能級(jí)硅的熔融和結(jié)晶期間在熱區(qū)中使用非氧化
物的材料，消除/充分減少了硅金屬相的碳和氧污染的問題。這將充分
減少金屬相中碳化硅晶體的形成，提升由晶片制成的PV電池的高太陽(yáng)
能轉(zhuǎn)換效率。另一個(gè)導(dǎo)致較高轉(zhuǎn)換效率的因素是間隙重組活性氧絡(luò)合 物的減少/避免。降低的污染水平還將帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是，由于不存在硬且 易碎的內(nèi)含物(如碳化物和氧化物)，簡(jiǎn)化了硅金屬加工為太陽(yáng)能晶 片的后續(xù)工藝。


圖1是用于半導(dǎo)體級(jí)錠塊定向凝固的現(xiàn)有技術(shù)熔爐示意圖。
本發(fā)明實(shí)施方式的實(shí)施例
通過用于生產(chǎn)多晶硅錠塊的裝置實(shí)施方式的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn) 行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。該實(shí)施例決不應(yīng)解釋為對(duì)通過在熱區(qū)中避免使用 含氧材料來(lái)避免碳和氧污染這一總的發(fā)明構(gòu)思的限制。本發(fā)明思想可
以用于任何已知的制造半導(dǎo)體級(jí)硅的熱區(qū)中。
該選定的實(shí)施例是用于執(zhí)行多晶硅定向凝固的典型熔爐，如圖1
所示，該熔爐是本申請(qǐng)人的國(guó)際專利申請(qǐng)WO 2006/082085圖1的復(fù)制。 該熔爐包括通過圖中標(biāo)示為2的絕緣壁限定的氣密性結(jié)晶室。內(nèi)室由 具有框11的底板9、壁10和蓋5限定。提供用于維持內(nèi)室中惰性氣氛 的抽吸出口 24和注射噴槍12。坩堝1容納有金屬13，并且金屬13首 先被熔融，然后通過調(diào)節(jié)加熱元件8和21以及冷卻回路4， 15， 16， 17， 19， 20， 22和23的運(yùn)行經(jīng)歷定向凝固。
當(dāng)使用該熔爐時(shí)，通過使用氮化硅、碳化硅或這些的復(fù)合物制成、 且任選用無(wú)氧化物的隔離涂層涂覆的坩堝1，可以完成本發(fā)明的目的。 適合的氮化硅坩堝的實(shí)例在NO 317 080中公開，其教導(dǎo)這樣的氮化硅
7不能潤(rùn)濕液態(tài)硅，使得坩鍋易于滑動(dòng)固化的金屬，該氮化硅總開孔率
在40體積％與60體積％之間且其中表面上至少50%的孔大于SisN4粒 子的平均直徑。然而，可以使用任何僅由氮化硅制成的并且不會(huì)潤(rùn)濕 液態(tài)硅的坩堝。純氮化硅坩堝不包含或包含可忽略量的氧/氧化物。因 此消除了氧從該坩堝到液態(tài)金屬的遷移，使得充分減少或消除了固態(tài) 金屬中的間隙氧的水平和SiO的形成。為了消除熱區(qū)中所有的氧源， 根據(jù)本發(fā)明DS熔爐的實(shí)施例，使用碳制成的壁IO、具有框ll的底板 9、蓋5和噴槍24和12。因此不存在限定結(jié)晶室內(nèi)部密封區(qū)域的含氧 元件，使得實(shí)際上消除了氧遷移到熔體中以及與熔體接觸得到的co氣 體的形成。
權(quán)利要求
1.用于生產(chǎn)半導(dǎo)體級(jí)硅錠塊的方法，其中通過以下步驟充分減少或消除了熱區(qū)中氧的存在-在由氮化硅、碳化硅或這些的復(fù)合物制成的坩堝中，結(jié)晶半導(dǎo)體級(jí)硅錠塊，任選還包括進(jìn)料硅材料的熔融，-在硅錠塊結(jié)晶期間，將所述坩堝容納在具有惰性氣氛的密封熱區(qū)中，任選還包括進(jìn)料硅材料的熔融，-在熱區(qū)中使用包括熱絕緣元件的承載構(gòu)建元件，該承載構(gòu)建元件由碳和/或石墨材料制成，和-在熱區(qū)中使用由氮化硅Si3N4制成的電絕緣元件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述坩堝用無(wú)氧化物的隔離 涂層涂覆。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述半導(dǎo)體級(jí)結(jié)晶方法是布 里奇曼法或相關(guān)的定向凝固法、塊澆鑄法、或者用于單晶硅晶體生長(zhǎng)的cz法。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的方法，其中形成的硅錠塊是 太陽(yáng)能級(jí)硅錠塊。
5. 用于制造半導(dǎo)體級(jí)硅錠塊的裝置，其包括具有惰性氣氛的熱區(qū)，其中- 在熱區(qū)中包括熱絕緣元件的所述裝置的所有承載構(gòu)建元件由 碳和/或石墨材料制成，- 在熱區(qū)中的所述電絕緣元件由氮化硅Si3N4制成，和- 坩堝由氮化硅Si3N4、或者碳化硅SiC或者這些的復(fù)合物制成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中用無(wú)氧化物的隔離涂層涂覆所述坩堝。
7. 澆鑄用于光伏應(yīng)用的多晶晶片生產(chǎn)用錠塊的結(jié)晶爐，其特征在 于在熱區(qū)中的所有承載和功能元件由非氧化物的材料制成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5或7所述的熔爐，其中所述澆鑄坩堝由氮化硅 Si3N4、碳化硅SiC或者這些的復(fù)合物制成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5或7所述的熔爐，其中所述電絕緣元件由Si3N4 制成。全文摘要
本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)半導(dǎo)體級(jí)硅錠塊、包括太陽(yáng)能級(jí)硅錠塊的裝置和方法，其中通過在熔融和結(jié)晶工藝的熱區(qū)中使用沒有氧化物的材料充分減少或除去了熱區(qū)中氧的存在。所述方法可以用于任何現(xiàn)有工藝中，包括用于半導(dǎo)體級(jí)硅錠塊、包括太陽(yáng)能級(jí)硅錠塊結(jié)晶的工藝，比如布里奇曼工藝、塊澆鑄工藝和用于生長(zhǎng)單晶硅晶體的CZ工藝。本發(fā)明還涉及用于實(shí)施該熔融和結(jié)晶工藝的裝置，其中所述熱區(qū)的材料中沒有氧化物。
文檔編號(hào)C30B29/06GK101495681SQ200780023487
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2007年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月23日
發(fā)明者施泰因·朱爾斯魯?shù)? 蒂克·勞倫斯·納斯 申請(qǐng)人:Rec斯坎沃佛股份有限公司