專利名稱：熔體純化以及輸送系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由熔體形成的板(Sheet)，尤其涉及在由熔體形成板中使用的純化系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
舉例而言，集成電路或太陽能電池產(chǎn)業(yè)中可使用硅晶圓或板。隨著對再生性能源 的需求增加，對太陽能電池的需求亦持續(xù)增加。隨著這些需求增加，太陽能電池產(chǎn)業(yè)的一個 目標(biāo)為降低成本/功率比。存在兩種類型的太陽能電池硅與薄膜。大多數(shù)太陽能電池由 硅晶圓(諸如單晶體硅晶圓)制成。目前，結(jié)晶硅太陽能電池的主要成本為太陽能電池制 造于其上的晶圓。太陽能電池的效率或在標(biāo)準(zhǔn)照明下所產(chǎn)生的功率量部分地受此晶圓的品 質(zhì)限制。制造晶圓的成本在不降低品質(zhì)的情況下的任何減少均將降低成本/功率比，且允 許此干凈能源技術(shù)的較寬可用性。最高效率硅太陽能電池可具有大于20%的效率。這些硅太陽能電池是使用電子級 單晶硅晶圓而制成?？赏ㄟ^從使用Czochralski方法生長的單晶硅圓柱形晶塊(boule)鋸 切薄片層來制成此類晶圓。片層的厚度可小于200 μ m。為維持單晶體生長，所述晶塊必須 從含有熔體的坩堝(crucible)緩慢地生長，諸如小于10 μ m/s。隨后的鋸切制程對每晶圓 導(dǎo)致大約200 μ m的鋸口損失(kerf loss)，或歸因于鋸條(saw blade)的寬度的損失。亦 可能需要使圓柱形晶塊或晶圓成正方形，以制作正方形太陽能電池。使成正方形及鋸口損 失兩者均導(dǎo)致材料浪費(fèi)且材料成本增加。隨著太陽能電池變薄，每次切割浪費(fèi)的硅的百分 比增加。然而，鑄錠(ingot)分割技術(shù)的限制可能阻礙獲得較薄太陽能電池的能力。使用從多晶硅鑄錠鋸切的晶圓來制作其他太陽能電池。多晶硅鑄錠的生長速度 可快于單晶硅的生長速度。然而，所得晶圓的品質(zhì)較低，因?yàn)榇嬖谳^多缺陷及晶界(grain boundaries)，且此較低品質(zhì)導(dǎo)致較低效率的太陽能電池。用于多晶硅鑄錠的鋸切制程與用 于單晶硅鑄錠或晶塊的鋸切制程一樣低效?？蓽p少硅浪費(fèi)的另一解決方案為在離子植入之后使晶圓從硅鑄錠分裂(cleave)。 舉例而言，將氫、氦或其他惰性氣體植入硅鑄錠的表面之下，以形成經(jīng)植入?yún)^(qū)。接著進(jìn)行熱、 物理或化學(xué)處理，以使晶圓沿此經(jīng)植入?yún)^(qū)從鑄錠分裂。雖然經(jīng)由離子植入的分裂可在無鋸 口損失的情況下產(chǎn)生晶圓，但仍有待證明可使用此方法來經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生硅晶圓。又一解決方案為從熔體垂直拉動薄硅帶，且接著允許所拉動的硅冷卻并凝固為 板。此方法的拉動速率可被限制為小于大約ISmm/min。在硅的冷卻及凝固期間所移除的潛 熱(latent heat)必須沿垂直帶移除。此導(dǎo)致沿所述帶的較大溫度梯度。此溫度梯度對結(jié) 晶硅帶加應(yīng)力，且可能導(dǎo)致較差品質(zhì)的多晶粒硅。所述帶的寬度及厚度亦可能由于此溫度 梯度而受限。舉例而言，寬度可被限于小于80nm，且厚度可被限于180 μ m。亦已測試從熔體實(shí)體拉動的水平硅帶。在一種方法中，將附著至一桿的晶種插入 熔體中，且在坩堝的邊緣上以較低角度拉動所述桿及所得板。所述角度及表面張力被平衡， 以防止熔體從坩堝上濺出。然而，難以起始及控制此拉動制程。必須接取坩堝及熔體以插入晶種，此可能導(dǎo)致熱量損失。可將額外熱量添加至坩堝以補(bǔ)償此熱量損失。此可能導(dǎo)致 熔體中的垂直溫度梯度，其可導(dǎo)致非層狀(non-laminar)流體流。而且，必須執(zhí)行可能較 困難的傾斜角度調(diào)節(jié)，以平衡形成于坩堝邊緣處的彎月面(meniscus)的重力與表面張力。 此外，由于熱量是在板與熔體的分離點(diǎn)處被移除，因此作為潛熱被移除的熱量與作為顯熱 (sensible heat)被移除的熱量之間存在突然變化。此可導(dǎo)致此分離點(diǎn)處沿帶的較大溫度 梯度，且可導(dǎo)致晶體中的錯位(dislocations)。錯位及撓曲(warping)可能由于沿板的溫 度梯度而發(fā)生。尚未執(zhí)行從熔體水平分離的薄板的制造，例如使用溢道(spillway)。通過分離從 熔體的水平制造板與從鑄錠分割硅相比可能較便宜，且可能消除鋸口損失或由于使成正方 形而導(dǎo)致的損失。通過分離從熔體的水平制造板與使用氫離子從鑄錠分裂硅或其他拉動硅 帶的方法相比亦可能較便宜。此外，從熔體水平分離板與拉動帶相比可改良板的晶體品質(zhì)。 諸如此可降低材料成本的晶體生長方法將為降低硅太陽能電池的成本的主要啟用步驟。但 雜質(zhì)或溶質(zhì)可能在熔體中聚積(build up)。因此，在此領(lǐng)域中需要一種經(jīng)改良的裝置及純 化熔體的方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一態(tài)樣，提供一種純化的方法。此方法包括于腔室中在第一方向 冷凝熔體的第一部分。在第一方向熔化熔體的第一部分的小部分(fraction)。熔體的第二 部分保持冷凝。從腔室流出熔體以及從腔室移除第二部分。根據(jù)本發(fā)明的第二態(tài)樣，提供一種用以純化熔體的裝置。此裝置包括界定空腔的 腔室。腔室亦界定入口及出口。此裝置也包括冷卻器、加熱器以及轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)沿腔 室在第一方向轉(zhuǎn)換冷卻器及加熱器。根據(jù)本發(fā)明的第三態(tài)樣，提供一種用以形成板的裝置。此裝置包括經(jīng)配置以形成 熔體的坩堝。第一泵與坩堝流體交流。純化系統(tǒng)與第一泵流體交流。第二泵與純化系統(tǒng)流 體交流。板形成裝置沿第一路徑與第二泵流體交流，且板形成裝置經(jīng)配置以冷凝熔體以形 成板。板形成裝置包括容器及冷卻平板，容器界定經(jīng)配置以容納熔體的通道，冷卻平板配置 在熔體上方。


參照附圖以更了解本發(fā)明，附圖在此并入本文參考且其中圖1是從熔體分離板的裝置的一實(shí)施例的剖面?zhèn)纫晥D；圖2是從熔體拉動板的裝置的一實(shí)施例的剖面?zhèn)纫晥D；圖3是泵的一實(shí)施例的剖面?zhèn)纫晥D；圖4的A至圖4的D是使用圖3中泵實(shí)施例進(jìn)行泵抽的剖面?zhèn)纫晥D；圖5是過濾器的方塊圖；圖6是微粒捕集阱的第一實(shí)施例的剖面?zhèn)纫晥D；圖7是微粒捕集阱的第二實(shí)施例的剖面?zhèn)纫晥D；圖8是純化系統(tǒng)的第一實(shí)施例的透視圖；圖9的A至圖9的F是使用圖8中純化系統(tǒng)實(shí)施例的純化制程階段的剖面正視圖；圖10是純化系統(tǒng)的第二實(shí)施例的剖面正視圖；圖11是純化系統(tǒng)的第三實(shí)施例的剖面正視圖；圖12是比較溶質(zhì)濃度的曲線圖；圖13是板形成系統(tǒng)的第一實(shí)施例的方塊圖；圖14是板形成系統(tǒng)的第二實(shí)施例的方塊圖；圖15是板形成系統(tǒng)的第三實(shí)施例的方塊圖；圖16是從熔體分離板的裝置的第一實(shí)施例的正視平面圖；圖17是從熔體分離板的裝置的第二實(shí)施例的正視平面圖；以及圖18是板形成系統(tǒng)的第四實(shí)施例的方塊圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合太陽能電池而描述本文的裝置及方法的實(shí)施例。然而，這些實(shí)施例亦可用于 制造(例如)集成電路、扁平面板或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他基板。此外，雖然本文將熔 體描述為硅，但熔體可含有鍺、硅與鍺、鎵、氮化鎵、其他半導(dǎo)體材料，或本領(lǐng)域技術(shù)人員已 知的其他材料。因此，本發(fā)明不限于下文所描述的具體實(shí)施例。圖1為從熔體分離板的裝置的一實(shí)施例的剖面?zhèn)纫晥D。形成板的裝置21具有容 器16以及面板15及20。容器16以及面板15及20可為(例如)鎢、氮化硼、氮化鋁、鉬、 石墨、碳化硅或石英。容器16經(jīng)配置以容納熔體10。熔體10可為硅。在一實(shí)施例中，熔 體10可經(jīng)由進(jìn)料器11補(bǔ)充。進(jìn)料器11可含有固體硅或固體硅與鍺。在另一實(shí)施例中，熔 體10可被泵抽至(pumped into)容器16中。板13將形成于熔體10上。在一種情況下， 板13將至少部分地在熔體10內(nèi)浮動。雖然圖1中將板13說明為在熔體10中浮動，但板 13可至少部分地浸沒于熔體10中，或可浮動于熔體10的頂部。在一種情況下，板13的僅 10%從熔體10的頂部上方突出。熔體10可在裝置21內(nèi)循環(huán)。此容器16界定至少一通道17。此通道17經(jīng)配置以容納熔體10，且熔體10從通道 17的第一點(diǎn)18流動至第二點(diǎn)19。在一種情況下，通道17內(nèi)的環(huán)境仍將防止熔體10中的漣 波(ripples)。熔體10可由于(例如)壓力差、重力、磁流體動力(magnetohydrodynamic) 驅(qū)動、螺旋泵，以及葉輪泵、輪或其他輸送方法而流動。熔體10接著在溢道(spillway) 12 上流動。此溢道12可為斜面、堰(weir)、小提或角落，且不限于圖1中所說明的實(shí)施例。溢 道12可為允許板13從熔體10分離的任何形狀。在此特定實(shí)施例中，面板15經(jīng)配置以部分在熔體10的表面下方延伸。此可防止 波或漣波在板13形成于熔體10上時干擾板13。波或漣波可由于從進(jìn)料器11添加熔體材 料、泵抽或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他原因而形成。在一特定實(shí)施例中，可使容器16以及面板15及20維持在稍高于近似1687K的溫 度。對于硅而言，1687K表示冷凝(freezing)溫度或界面溫度。通過使容器16以及面板15 及20的溫度維持于稍高于熔體10的冷凝溫度，冷卻平板14可使用輻射冷卻來起作用，以 獲得熔體10上或熔體10中的板13的所要冷凝速率。在此特定實(shí)施例中，冷卻平板14由 單個區(qū)段或部分組成，但在另一實(shí)施例中可包含多個區(qū)段或部分?？梢愿哂谌垠w10的熔化溫度的溫度來加熱通道17的底部，以在界面處在熔體10中形成較小的垂直溫度梯度，以防 止成分過冷(constitutional supercooling)或在板13上形成枝狀結(jié)晶(dendrites)或 分支突出部分。然而，容器16以及面板15及20可處于高于熔體10的熔化溫度的任何溫 度。此舉防止熔體10在容器16以及面板15及20上凝固?？赏ㄟ^至少部分地或完全將裝置21封入包體(enclosure)內(nèi)，來使裝置21維持 于稍高于熔體10的冷凝溫度的溫度。若所述包體使裝置21維持于高于熔體10的冷凝溫 度的溫度，則可避免或減少加熱裝置21的需要，且包體中或周圍的加熱器可補(bǔ)償任何熱量 損失。此包體可通過非各向同性傳導(dǎo)性而等溫。在另一特定實(shí)施例中，并不將加熱器安置 于包體上或包體中，而是將加熱器安置于裝置21中。在一種情況下，可通過將加熱器嵌入 容器16內(nèi)及使用多區(qū)溫度控制來將容器16的不同區(qū)加熱至不同溫度。包體可控制裝置21所安置的環(huán)境。在一具體實(shí)施例中，包體含有惰性氣體。可使 此惰性氣體維持于高于熔體10的冷凝溫度。惰性氣體可減少至熔體10中的溶質(zhì)添加，溶 質(zhì)添加可能導(dǎo)致板13的形成制程期間的成分不穩(wěn)定性。裝置21包含冷卻平板14。冷卻平板14允許在板13形成于熔體10上時的排熱。 當(dāng)冷卻平板14的溫度降低至低于熔體10的冷凝溫度時，冷卻平板14可致使板13在熔體 10上或熔體10中冷凝。此冷卻平板14可使用輻射冷卻，或可由(例如)石墨、石英或碳化 硅制造。冷卻平板14可從液態(tài)熔體10快速、均勻且以受控量移除熱量?？蓽p少板13形成 時對熔體10的干擾，以防止板13中的瑕疵。與其他帶拉動(ribbon pulling)方法相比，熔體10的表面上的熔解熱量及來自 熔體10的熱量的排熱可允許較快地產(chǎn)生板13，同時維持板13具有較低缺陷密度。冷卻熔 體10的表面上的板13或在熔體10上浮動的板13允許緩慢地且在較大區(qū)域上移除熔解潛 熱，同時具有較大的水平流動速率。冷卻平板14在長度及寬度上的尺寸可增加。增加長度對于相同垂直生長速率及 所得板13厚度而言，可允許較快的熔體10流動速率。增加冷卻平板14的寬度可導(dǎo)致較寬 的板13。不同于垂直板拉動方法，使用圖1中所述的裝置及方法的實(shí)施例，不存在對板13 的寬度的固有(inherent)實(shí)體限制。在一特定實(shí)例中，熔體10及板13以大約lcm/s的速率流動。冷卻平板14的長度 大約為20cm且寬度大約為25cm。板13可在大約20秒內(nèi)生長至大約100 μ m的厚度。因 此，所述板的厚度可以大約5 μ m/s的速率生長?？梢源蠹sIOm2/小時的速率產(chǎn)生厚度大約 為100 μ m的板13。在一實(shí)施例中，可使熔體10中的熱梯度減至最小。此舉可允許熔體10流穩(wěn)定且 分層。亦可允許使用冷卻平板14經(jīng)由輻射冷卻來形成板13。在一特定情況下，冷卻平板 14與熔體10之間大約300K的溫度差可以大約7 μ m/s的速率在熔體10上或熔體10中形 成板13。通道17的在冷卻平板14下游且在面板20下方的區(qū)可為等溫的(isothermal)。 等溫區(qū)可允許板13的退火。在板13形成于熔體10上之后，使用溢道12使板13從熔體10分離。熔體10從通 道17的第一點(diǎn)18流動至第二點(diǎn)19。板13將與熔體10 —起流動。板13的此輸送可為連 續(xù)運(yùn)動。在一種情況下，板13可大致以熔體10流動的相同速度流動。因此，板13可形成且被輸送，同時相對于熔體10靜止?？筛囊绲?2的形狀或溢道12的定向(orientation)， 以改變?nèi)垠w10或板13的速度分布(profile)。熔體10在溢道12處從板13分離。在一實(shí)施例中，熔體10的流動在溢道12上輸 送熔體10，且可至少部分地在溢道12上輸送板13。此舉可使板13中的晶體破裂減至最少 或防止晶體破裂，因?yàn)闊o外部應(yīng)力施加至板13。在此特定實(shí)施例中，熔體10將在溢道12上 遠(yuǎn)離板13而流動。不可將冷卻應(yīng)用于溢道12處，以防止對板13的熱震(thermal shock)。 在一實(shí)施例中，溢道12處的分離在近等溫條件下發(fā)生。與通過垂直于熔體拉動相比，板13可在裝置21中較快地形成，因?yàn)槿垠w10可以 經(jīng)配置以允許熔體10上的板13以適當(dāng)?shù)乩鋮s及結(jié)晶的速度流動。板13將大致以與熔體 10的流動速度一樣快的速度流動。此舉減小板13上的應(yīng)力。垂直于熔體而拉動帶在速度 上受限，因?yàn)橛捎诶瓌佣谒鰩现糜袘?yīng)力。在一實(shí)施例中，裝置21中的板13可不具有 任何此拉動應(yīng)力。此舉可提升板13的品質(zhì)以及板13的生產(chǎn)速度。在一實(shí)施例中，板13可趨向于直接向前超過溢道12。在一些情況下，可在越過溢 道12之后支撐此板13，以防止斷裂。支撐元件22經(jīng)配置以支撐板13。支撐元件22可使 用(例如)氣體或鼓風(fēng)機(jī)來提供氣體壓力差以支撐板13。在板13從熔體10分離之后，板 13所處的環(huán)境的溫度可緩慢地改變。在一種情況下，隨著板13移動遠(yuǎn)離溢道12，所述溫度 降低。在一種情況下，板13的生長、板13的退火以及使用溢道12之板13從熔體10的 分離可在等溫環(huán)境下發(fā)生。使用溢道12的分離以及板13與熔體10的大致相等的流動速 率使板13上的應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)變減至最小。此舉增加產(chǎn)生單晶體板13的可能性。在另一實(shí)施例中，將磁場施加至裝置21中的熔體10及板13。此舉可消震 (dampen)熔體10內(nèi)的振蕩流(oscillatory flow)，且可改良板13的結(jié)晶化。圖2為從熔體拉動板的裝置的一實(shí)施例的剖面?zhèn)纫晥D。在此實(shí)施例中，裝置23從 熔體10拉動板13。在此實(shí)施例中，熔體10不可在通道17中循環(huán)，且可使用晶種來拉動板 13?？赏ㄟ^冷卻平板14經(jīng)由冷卻來形成板13，且可從熔體10拉出所得板。圖1至圖2的實(shí)施例均使用冷卻平板14。冷卻平板14的長度上的不同冷卻溫度、 熔體10的不同流動速率或板13的拉動速度、裝置21或裝置23的各個部分的長度，或在裝 置21或裝置23內(nèi)的時序(timing)可用于制程控制。若熔體10為硅，則可在裝置21中形 成多晶板13或單晶體板13。在圖1或圖2的實(shí)施例中，裝置21或裝置23可包含于包體 中。圖1及圖2僅為可在熔體10中形成板13的裝置的兩個實(shí)例。垂直及水平板13 生長的其他裝置或方法為可能的。本文所描述的方法及裝置的實(shí)施例可應(yīng)用于任何垂直或 水平板13生長方法或裝置，且并非僅限于圖1至圖2的具體實(shí)施例。圖3為泵的一實(shí)施例的剖面?zhèn)纫晥D。在溫度高于熔體10的冷凝溫度時，泵30經(jīng) 配置以傳輸熔體10。在一種情況下，熔體10是硅并且可以在高于硅的冷凝溫度的溫度下操 作泵30。泵30可以位于熱絕緣的腔室中維持在熔體10的冷凝溫度之上。泵30包括泵腔室31，其界定空腔39、接近第一管路34的入口閥32以及接近第二 管路35的出口閥33。第一管路34可以是熔體10的入口而第二管路35可以是熔體10的 出口。氣體源36提供諸如用以控制壓力的氬氣。雖然氬氣在此具體地被列出，但也可以使用其他惰性氣體或鈍氣。氣體源36可以包括氣體閥，以控制從氣體源36到腔室31的氣體 流。氣體閥允許氣體流進(jìn)或流出腔室31。與熔體10接觸的泵30的所有組件是由無污染 的材料所組成，例如氮化硼、石英、碳化硅或是氮化硅。泵30的壓力將引入(draw in)熔體 10中并且在所要的壓力下把熔體10泵抽出來。泵30是由氣體源36所驅(qū)動。在高于第一 管路34的的壓力(亦即P。)的任何所要壓力下(亦即Pf)，泵30可以提供熔體10的幾近 連續(xù)的傳輸。在圖3所示的實(shí)施例中，入口閥32與出口閥33是止回閥(check valve)，但是也 可以使用其他種類的閥。止回閥是一種防止回流的閥或是單向閥，其只允許流體以單一方 向流經(jīng)此閥。在此特定實(shí)施例中，入口閥32與出口閥33分別包括主體37與底座(seat) 38。 在此實(shí)施例中，主體37呈圓形，但也有可能是其他形狀。主體37經(jīng)配置裝配在底座38內(nèi)， 在一實(shí)施例中底座38可以是插槽(socket)。當(dāng)入口閥32或出口閥33被密封時，主體37 靠著底座38靜止。主體37可以涂布氮化硼、石英、氮化硅或碳化硅或是由上述材質(zhì)所制造。圖4的A至圖4的D為使用圖3中泵實(shí)施例進(jìn)行泵抽的剖面?zhèn)纫晥D。圖4的A表 示泵腔室31中的壓力⑵與第一管路34中的壓力(Ptl)大約相同(P = P0)時的初始狀態(tài)。 因此，入口閥32與出口閥33都是關(guān)閉的。在圖4的B中，降低泵腔室31中的壓力。這個 狀態(tài)可以用方程式PCPtTPghi表示，其中P是熔體10的密度、g是重力、而h是熔體10 必需流經(jīng)入口閥32的上方以進(jìn)入泵腔室31的高度40 (以直線代表)。由于泵腔室31中的 壓力低于第一管路34中的壓力，因此入口閥32開啟并且熔體10填充泵腔室31。泵腔室31 中的低壓力將會使出口閥33保持關(guān)閉。在圖4的C中，泵腔室31中的壓力會因?yàn)槭褂脧?氣體源36來的氣體而增加。使得泵腔室31中的壓力約莫大于第二管路35中的壓力。此 狀態(tài)可以方程式P > VPghi來表示。由于泵腔室31中的壓力高于第二管路35的壓力， 因此出口閥33開啟并且熔體10從泵腔室31排空。泵腔室31中的高壓力會使入口閥32 保持關(guān)閉。在圖4的D中，泵30恢復(fù)到圖4的A的初始狀態(tài)，其中泵腔室31中的壓力大約 等于第一管路；34中的壓力(P = P0)。可以重復(fù)圖4的A至圖4的D的制程以產(chǎn)生熔體10流。如果需要的話，可以調(diào)整 熔體10流的速度?？梢詥为?dú)或至少部分地使用或多個泵30，以確保適當(dāng)?shù)娜垠w10流或熔 體10速度。例如兩個泵可以平行使用，如此一來當(dāng)來自第一泵的熔體10流結(jié)束時，來自第 二泵的熔體10流可以開始。這樣可以確保恒定的熔體10傳送。圖5為過濾器的方塊圖。在此特定實(shí)施例中，過濾器51位于高壓區(qū)50與低壓區(qū) 52之間。高壓區(qū)50與低壓區(qū)52之間的壓力差會使熔體10在方向53流經(jīng)過濾器51。過 濾器51可以移除熔體10中的微粒，例如二氧化硅或是碳化硅。過濾器51可以是(例如) 氮化硅網(wǎng)篩或薄膜。氮化硅網(wǎng)篩或薄膜可以由諸如Nanc^tructures公司或是DUR-SIN 制 造。在其他實(shí)施例中，過濾器51可以包括氮化硼細(xì)粒。圖6為微粒捕集阱(particle trap)的第一實(shí)施例的剖面?zhèn)纫晥D。當(dāng)熔體10流經(jīng) 微粒捕集阱62時，微粒捕集阱62收集在熔體10中的微粒65，例如二氧化硅、硼、鐵或是碳 化硅。碳化硅、鐵、硼以及一些形式的二氧化硅的密度高于硅熔體10的密度。舉例來說，硅 熔體10的密度約為2. 49g/cc，而二氧化硅的密度約為2. 65g/cc、碳化硅的密度約為3. Ig/ cc。微粒65將會沉淀在微粒捕集阱62的底部，而熔體10會在方向63從熔體入口 60經(jīng)由 微粒捕集阱62流至熔體出口 61。因?yàn)閴毫Σ畹年P(guān)系，熔體10可以在方向63流動。
圖7為微粒捕集阱的第二實(shí)施例的剖面?zhèn)纫晥D。諸如碳、氮?dú)饣蚴强諝獾哪承┪?粒66的密度低于硅熔體10的密度。微粒66將會在微粒捕集阱64的上方漂浮，而熔體10 會在方向63從熔體入口 60經(jīng)由微粒捕集阱64流至熔體出口 61。因?yàn)閴毫Σ畹年P(guān)系，熔體 10可以在方向63流動。微粒捕集阱64也會捕集在熔體10中的揮發(fā)物質(zhì)。微粒捕集阱64 也可包括勺斗(scoop)、斜面或是漏杓(skimmer)以從熔體10移除一些微粒。圖8是純化系統(tǒng)的第一實(shí)施例的透視圖。這個系統(tǒng)可以從熔體10中移除偏析系 數(shù)(segregation coefficient)小于1的污染物，例如碳或是金屬。在物質(zhì)中，溶質(zhì)的偏析 系數(shù)(Y)是指鄰近固液介面的固態(tài)與液態(tài)中的溶質(zhì)平衡濃度的比例。當(dāng)Y < 1，溶質(zhì)從固 態(tài)析出(rejected)而進(jìn)入液態(tài)。當(dāng)Y > 1，溶質(zhì)由液態(tài)析出而進(jìn)入固態(tài)。裝置80由無污染材料所組成，例如氮化硼、石英、碳化硅或氮化硅。熔體10經(jīng)入 口埠81填充裝置80。在此特定實(shí)施例中，入口埠81位于裝置80的頂部。熔體10使用出 口埠82從裝置80排出。在此特定實(shí)施例中，出口埠82位于裝置80的底部。入口埠81與 出口埠82可以位于裝置80的同一側(cè)或是圖8中裝置80以外的其他側(cè)。出口埠82位在溶 質(zhì)塊體(slug)83的上方，其中塊體83在純化制程中會形成在裝置80的底部。塊體83是 溶質(zhì)的高濃度冷凍塊。圖9的A至圖9的F為使用圖8中純化系統(tǒng)實(shí)施例的純化制程的剖面正視圖。圖 9的A至圖9的F是根據(jù)時間先后而發(fā)生，但也可能是其他實(shí)施例與方法。熔體10經(jīng)入口 埠81填充裝置80。裝置80包括冷卻器90與加熱器91，冷卻器90與加熱器91至少在第 一方向可以相對于裝置80而轉(zhuǎn)換(translate)。在一實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換是一致的(uniform)， 并且轉(zhuǎn)換的速度允許冷凝及熔化。冷卻器90與加熱器91的每一個可以具有防護(hù)與隔熱。 從冷卻器90與加熱器91轉(zhuǎn)移出或轉(zhuǎn)移進(jìn)的熱可以是傳導(dǎo)性、對流性、輻射性或是上述三種 熱轉(zhuǎn)移形式的任意結(jié)合。雖然顯示兩個冷卻器90與兩個加熱器91，但冷卻器90與加熱器 91的數(shù)目也可能是本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的其他數(shù)目。在一種情況下，冷卻器90與加熱器91為環(huán)繞裝置80的帶或環(huán)。在另一種情況 下，冷卻器90與加熱器91為靠近裝置80的平板或是區(qū)塊。在此實(shí)施例中，冷卻器90與加 熱器91可以使用轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)以操作性連接；或者是彼此分開地或單獨(dú)地轉(zhuǎn)換。在又一種情況 下，可以將冷卻器90與加熱器91嵌入裝置80中，并且隨著時間過去選擇性地啟動不同的 加熱或冷卻區(qū)。冷卻器90與加熱器91還有系統(tǒng)的其他部分之間有輻射的遮蔽，以減小溫度的擾 動。在一實(shí)施例中，在低于熔體10的冷凝溫度的溫度下操作冷卻器90。因此，冷卻器90與 熔體10可以被冷卻至低于熔體10的冷凝溫度。加熱器91包含歐姆加熱器、感應(yīng)線圈、或 是熱阻加熱器，但是其他形式的加熱也是可能的。在一實(shí)施例中，流至冷卻器90的流體可 以調(diào)節(jié)冷卻器90的溫度，不過其他冷卻方法也是可能的。在圖9的A至圖9的F的特定實(shí)施例中，冷卻器90與加熱器91相對于裝置80轉(zhuǎn) 換，也可以從例如頂部到底部(圖9的A至圖9的F)來冷凝裝置80內(nèi)所有的熔體10。這 會形成凝固熔體92 (以陰影線顯示)。許多溶質(zhì)在固體中比在熔體中具有較低的溶解度，所以溶質(zhì)的濃度在固體中被降 低。當(dāng)所有的熔體10被冷凝而形成凝固熔體92時，在熔體10與凝固熔體92之間的界面 將會形成較高濃度溶質(zhì)區(qū)。這個界面緩慢地從裝置80的一端移動到另一端，最后形成包含高溶質(zhì)濃度的塊體83。此制程可以與所有具有偏析系數(shù)的溶質(zhì)一起進(jìn)行。y = CsZC1 < 1其中Y是偏析系數(shù)、Cs是在固態(tài)中的濃度、而C1是在液態(tài)中的濃度。因此，這些處 于固液界面的溶質(zhì)在固態(tài)中比在液態(tài)中是比較不溶的。許多化合物例如銀、鋁、金、銅、碳、 鐵、鋰、錳、鎳、硫、與鉭都可以以此種方式從熔體10移除。其他本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的溶質(zhì) 也可以同樣的方式從熔體移除。冷卻器90與加熱器91的參數(shù)經(jīng)配置以移除至少一些氧或 硼。例如，需要多次的過濾或是冷凝與熔化循環(huán)以移除氧或硼。此制程的效果顯示在圖12中。在圖12中，當(dāng)冷卻器90與加熱器91在裝置80中 (在χ軸方向)轉(zhuǎn)換時，凝固熔體92中的溶質(zhì)濃度(C)增加。接著凝固熔體92使用加熱器91重新被熔化而再一次形成熔體10 (顯示在圖9的 C至圖9的D中)。這將會在裝置80的底部留下具有高濃度溶質(zhì)的塊體83。在一實(shí)施例 中，可以重復(fù)此制程以獲得所要的熔體10純度。這需要重新熔化塊體83或是以多次的冷 凝及熔化循環(huán)來長成塊體83。在圖9的E中，經(jīng)由出口埠82移除熔體10。在圖9的F中， 從裝置80移除塊體83。上述的移除可以從裝置80滴下(dropping)、通過重新熔化塊體并 且從裝置80排出或是泵抽、或是通過一些其他的移除方法。較高純度的熔體10可以降低熔體10中結(jié)構(gòu)性過冷的可能性。熔體的冷凝溫 度可以因?yàn)槿苜|(zhì)的存在而降低。當(dāng)熔體10被冷凝時，此結(jié)構(gòu)性過冷會產(chǎn)生枝狀結(jié)晶 (dendrites) 0高純度的熔體10也會降低沉淀的可能性或是小晶片(platelet)的形成，或 是任何沉淀或是小晶片附著在凝固熔體10的可能性。此外，由于減少雜質(zhì)，高純度的熔體 10可以制造出高效率的太陽能電池。所以，在一實(shí)施例中，熔體10具有低于10_8的溶質(zhì)質(zhì) 量分率(mass fraction)。雖然在圖9的A至圖9的F中的制程顯示為垂直組態(tài)，其使用重力與固態(tài)硅漂浮在 液態(tài)硅上的特性，但是此制程也可以用水平的方式實(shí)施。為了要以水平的方式執(zhí)行此制程， 裝置80的尺寸要被縮小如此重力效應(yīng)才不會干擾此制程。在圖11中替代的實(shí)施例中，在 任何給定的時間只有液態(tài)熔體10的小區(qū)域形成凝固熔體92。這樣形成了凝固區(qū)110。當(dāng) 冷卻器90與加熱器91相對裝置80而轉(zhuǎn)換時，凝固區(qū)110沿著裝置80的長度進(jìn)行。當(dāng)凝 固區(qū)110從裝置80的一端進(jìn)行到另一端時，凝固區(qū)110的頂部被重新熔化至熔體10。為了 防止凝固熔體92往上漂浮，設(shè)置可移動的鋸齒壁以防止凝固熔體92從裝置80的一端移動 到另一端。為了較大產(chǎn)量，多個裝置80可以串接(in tandem)操作。圖10是純化系統(tǒng)的第二 實(shí)施例的剖面正視圖。在此特定實(shí)施例中，冷卻器90與加熱器91 一起被轉(zhuǎn)換，但是對個別 裝置80的冷卻器90與加熱器91也可以單獨(dú)地被轉(zhuǎn)換。通過錯開每個裝置80的時間點(diǎn)， 這樣可以允許產(chǎn)量增加。圖13是板形成系統(tǒng)的第一實(shí)施例的方塊圖。系統(tǒng)132包括坩堝130與送料閘 (load-lock) 131、泵133、以及具有至少一裝置80的純化系統(tǒng)134、泵135與136、與板形成 裝置137。系統(tǒng)132可以形成板13。泵133、135、136可以對應(yīng)泵30或是一些其他的泵。板 形成裝置137可以對應(yīng)裝置21、裝置23、或是本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的其他垂直或水平的板 形成系統(tǒng)。系統(tǒng)132還包括過濾器51、微粒捕集阱62、或微粒捕集阱64，其例如在純化系統(tǒng) 134的上游、或在泵135、136與板形成裝置137之間。在此實(shí)施例中，在沒有接觸到空氣的情況下，提供純化的熔體10給板形成裝置137，因此避免了直接添加原料(feedstock)至板 形成裝置137的方法中的氧化。在一實(shí)施例中，一開始可以使用坩堝130形成熔體10。然后從坩堝130中泵抽熔 體10。在一實(shí)施例中，坩堝130是由無污染的材料組成，例如氮化硼或是氮化硅。在另一實(shí) 施例中，坩堝130由包括碳的材料例如碳化硅或石墨組成。然而，利用包括碳的材料可能需 要接著把熔體10過濾或是純化。坩堝130也可以由含氧的化合物組成，例如硅土(silica) 或石英。坩堝130可以包括加熱器。這些可以例如是感應(yīng)式的、熱阻式的、或歐姆加熱器。 在一特定的實(shí)施例中，坩堝130是熱隔絕的，可以維持在熔體10中高于熔體10的冷凝溫度 以上的均勻溫度，并降低熔化熔體10所需的功率。坩堝130可以包括送料閘131以允許添加原料材料至熔體10。送料閘131可以合 并在坩堝130內(nèi)或是與坩堝130分開的單元。在引入原料材料例如硅后，送料閘131與坩 堝130會關(guān)閉及排空。然后使用氣體源138于坩堝130內(nèi)填充鈍氣，例如氬氣或是其他惰 性氣體，并且加熱以熔化原料材料至熔體10中。由于氧化硅的氣化，在坩堝130中可以從熔體10移除氧。氧化硅在硅熔化溫度以 下的溫度是揮發(fā)性的。在一特定的實(shí)施例中，一次或多次地以氬氣與氧化硅凈化(purge) 并且重新一次或多次地以氬氣填充，以移除來自送料閘131或坩堝130的氧。如果送料閘 131或坩堝130的壁含有碳，例如在碳化硅表面或石墨加熱器，可能會形成一氧化碳。一氧 化碳需要被泵抽出以防止污染熔體10。在一實(shí)施例中，添加例如氫至送料閘131或坩堝130 來作為還原劑或是提升從熔體10中移除的氧。在一種情況下，原料例如硅被添加至坩堝130的送料閘131。硅在等級上以及 形狀或形式上可以有所變化。在一特定的實(shí)施例中，使用具有大氧化面積的硅小球顆粒 (pellets)。然后送料閘131關(guān)閉、排空與被泵抽至真空以移除氧或其他氣體。原料被運(yùn)送 至坩堝130，送料閘131與坩堝130填充鈍氣例如氬氣，并且原料被熔化形成熔體10。當(dāng)有 需要時，以氬氣凈化以移除氧化硅與一氧化碳的污染。然后泵133泵抽熔體10至純化系統(tǒng) 134。在進(jìn)入純化系統(tǒng)134之前，經(jīng)由過濾器51、微粒捕集阱62、或是微粒捕集阱64泵抽熔 體10。在圖9的A至圖9的F中顯示裝置80填充熔體10并且開始純化熔體10。純化的 熔體10填充至少泵135、136的其中之一，并且以控制的速率被泵抽至板形成裝置137。此 控制的速率與形成板13的板形成裝置137中結(jié)晶化的速率相同。在一種情況下，當(dāng)熔體10從例如泵135被泵抽出，填充泵136的熔體10在純化系 統(tǒng)134中被純化。計(jì)時(timed)此純化制程，使得當(dāng)原本填充的泵135變成空的或之前，泵 136準(zhǔn)備好泵抽至板形成裝置137，以允許熔體10持續(xù)輸送至板形成裝置137。圖14是板形成系統(tǒng)的第二實(shí)施例的方塊圖。系統(tǒng)140包括從板形成裝置137至 泵136的回收141。如此可以允許在板形成裝置137中熔體10的持續(xù)循環(huán)。圖15是板形成系統(tǒng)的第三實(shí)施例的方塊圖。系統(tǒng)150包括從板形成裝置137至 純化系統(tǒng)134與泵136的回收151 (以虛線顯示)。在另一實(shí)施例中，此回收只與純化系統(tǒng) 134流體交流(in fluid communication) 0這樣允許熔體10在板形成裝置137中持續(xù)循 環(huán)，并且純化添加至板形成裝置137或系統(tǒng)150其他地方中的任何溶質(zhì)熔體10。因此，熔體 10不會因?yàn)槿苜|(zhì)或雜質(zhì)而強(qiáng)化(intensify)。如果板13是由板形成裝置137所制成，根據(jù) 下列的方程式，偏析系數(shù)小于1的溶質(zhì)將會在熔體10中強(qiáng)化 φ idV(dt) (dV/dt),“、—= V Γ, % ~ V τ7 f
dt V0V0其中Vtl是坩堝130或板形成裝置137的體積，χ是在熔體10中的溶質(zhì)濃度，k是 溶質(zhì)偏析系數(shù)，而V是凝固體積速率(在一種情況下，可以等于熔體10至板形成裝置137 的輸入速率)。在例如坩堝130中，x(t)會從Xtl變動。例如，在具有1. 6L尺寸的熔體10制作系統(tǒng)中，其制作10m2/h的100 μ m的厚板13， 偏析系數(shù)小于0.01的溶質(zhì)濃度會在大約16小時內(nèi)以數(shù)量級(order of magnitude)增加。 當(dāng)在板形成裝置137中制作板13，純化系統(tǒng)134中純化熔體10的相同現(xiàn)象會造成溶質(zhì)的強(qiáng) 化。因此，在板形成裝置137中制作板13所“產(chǎn)生”的這些溶質(zhì)，這些所有的溶質(zhì)會以相同 的速率被移除。當(dāng)板13被制作時，這樣允許純?nèi)垠w10或在熔體10中低溶質(zhì)濃度的連續(xù)狀 態(tài)。在另一實(shí)施例中，另一相似于純化系統(tǒng)134的純化系統(tǒng)只與板形成裝置137相連 接。如此只會流回至板形成裝置137。這樣允許回收流中溶質(zhì)的移除，此回收流與來自純化 系統(tǒng)134的流是分離的。圖16是從熔體中分離板的裝置的第一實(shí)施例的上視平面圖。此實(shí)施例的裝置21 包括泵160。雖然在圖16中顯示兩個泵160，其他實(shí)施例可以使用一個或兩個以上的泵160。 這些泵160對應(yīng)圖3的泵30。泵160使熔體10以方向162以及方向161流入壁163附近 并且流過溢道12。泵160可以在裝置21中提供不間斷的熔體10流。熔體10可以利用泵 160泵抽至較高的垂直位置。圖17是從熔體中分離板的裝置的第二實(shí)施例的上視平面圖。除了包括泵160，此 實(shí)施例的裝置21包括單元170。單元170可以對應(yīng)例如圖5至7中的過濾器51、微粒捕集 阱62、或微粒捕集阱64。單元170也可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的過濾系統(tǒng)。圖18是板形成系統(tǒng)的第四實(shí)施例的方塊圖。系統(tǒng)180包括坩堝130與送料閘131、 氣體源138、泵133與181、以及板形成裝置137。系統(tǒng)180可以形成板13。泵133與181 對應(yīng)泵30或一些其他的泵。板形成裝置137對應(yīng)裝置21、裝置23，或本領(lǐng)域技術(shù)人員所知 的垂直或水平的板形成系統(tǒng)。系統(tǒng)180可以還包括過濾器51、微粒捕集阱62、或微粒捕集 阱64，其例如在板形成裝置137或泵181上游。系統(tǒng)180還包括閥182與出口管路183。在此實(shí)例中，熔體10是電子等級的硅。 熔體10使用泵181經(jīng)板形成裝置137持續(xù)地循環(huán)。當(dāng)熔體10中溶質(zhì)濃度的程度高出某個 臨界值或是在板13上發(fā)生枝狀結(jié)晶成長之前，閥182開啟并且熔體10使用出口管路183 從板形成裝置137被排出。在一種情況下，此臨界值為溶質(zhì)質(zhì)量比率大于10_8。此溶質(zhì)質(zhì) 量比率足夠造成熔體10的結(jié)構(gòu)性不穩(wěn)定以及在板13成長枝狀結(jié)晶。坩堝130會制作用于板形成裝置137的新熔體10，其使用泵133被泵抽至板形成 裝置137。泵抽允許板形成裝置137的持續(xù)操作。在一種情況下，新熔體10可以具有溶質(zhì) 質(zhì)量比率約為10,。在這種情況下，使用出口管路183排出的熔體10是較低等級的硅并且 可以用作其他用途。例如，使用出口管路183排出的熔體10可以作為太陽能等級的硅。在一特定的實(shí)施例中，系統(tǒng)180還包括低溶質(zhì)濃度熔體10用的儲存器。當(dāng)使用出 口管路183排出熔體10時，儲存器可以允許板形成裝置137的持續(xù)操作。儲存器位于泵 133的下游以及板形成裝置137的上游。
本發(fā)明的范疇不受本文所描述的具體實(shí)施例限制。事實(shí)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員從前 面的描述內(nèi)容及附圖將明白除本文所述的實(shí)施例及修改之外的本發(fā)明的其他各種實(shí)施例 及修改。因此，其他實(shí)施例及修改意欲屬于本發(fā)明的范疇。此外，盡管本文已出于特定目的 在特定環(huán)境中的特定實(shí)施方案的上下文中描述本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，本發(fā) 明的有用性不限于此，且可出于任何數(shù)目的目的，在任何數(shù)目的環(huán)境中有益地實(shí)施本發(fā)明。 因此，應(yīng)鑒于如本文所述的本發(fā)明的完整范圍及精神來解釋本文所陳述的申請專利范圍。
權(quán)利要求
1.一種純化的方法，包括于腔室中在第一方向冷凝熔體的第一部分；在所述第一方向熔化所述熔體的所述第一部分的小部分，使所述熔體的第二部分保持 冷凝；從所述腔室流出所述熔體；以及 從所述腔室移除所述第二部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熔體選自由硅、硅與鍺、鎵以及氮化鎵所組成 的族群。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，在所述冷凝期間還包括在所述熔體及所述第二部分中 濃縮溶質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述移除包括從所述腔室滴下所述第二部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述移除包括熔化所述第二部分以及從所述腔室 流出所述第二部分。
6.一種用以純化熔體的裝置，包括 腔室，界定空腔、入口及出口 ； 冷卻器；加熱器；以及轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，經(jīng)配置以沿所述腔室在第一方向轉(zhuǎn)換所述冷卻器及所述加熱器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述加熱器包括歐姆加熱器、感應(yīng)線圈以及電阻 加熱器中的至少一個。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，還包括在所述冷卻器及所述加熱器之間的絕緣體。
9.一種用以形成板的裝置，包括 坩堝，經(jīng)配置以形成熔體；第一泵，與所述坩堝流體交流； 純化系統(tǒng)，與所述第一泵流體交流； 第二泵，與所述純化系統(tǒng)流體交流；以及板形成裝置，經(jīng)配置以冷凝所述熔體以形成板，所述板形成裝置沿第一路徑與所述第 二泵流體交流，所述板形成裝置包括容器及冷卻平板，所述容器界定經(jīng)配置以容納所述熔 體的通道，所述冷卻平板配置在所述熔體上方。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述板形成裝置包括溢道，且所述熔體及所述板 在所述通道內(nèi)流向所述溢道。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述純化系統(tǒng)包括 腔室，界定空腔、入口及出口 ；冷卻器； 加熱器；以及轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，經(jīng)配置以沿所述腔室在第一方向轉(zhuǎn)換所述冷卻器及所述加熱器。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，還包括過濾器。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，還包括微粒捕集阱。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，還包括第三泵，所述第三泵與所述純化系統(tǒng)流體交流，其中所述板形成裝置與所述第三泵流體交流。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，還包括所述板形成裝置及所述第二泵之間的第二路 徑，所述第二路徑經(jīng)配置以允許所述熔體循環(huán)至所述板形成裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述板形成裝置與所述純化系統(tǒng)流體交流。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述第一泵及所述第二泵包括 腔室，界定經(jīng)配置以容納所述熔體的空腔；氣體源，與所述腔室流體交流；第一管路，與所述腔室流體交流；第二管路，與所述腔室流體交流；第一閥，配置在所述第一管路與所述腔室之間；以及第二閥，配置在所述腔室及所述第二管路之間。
全文摘要
揭示一種純化熔體的裝置。于腔室中在第一方向冷凝熔體的第一部分。在第一方向熔化第一部分的小部分。熔體的第二部分保持冷凝。從腔室流出熔體，以及從腔室移除第二部分。冷凝以在溶體及第二部分中濃縮溶質(zhì)。第二部分可以是高溶質(zhì)濃度的塊體。此系統(tǒng)可以并入板形成裝置及其他組件，例如泵、過濾器或微粒捕集阱。
文檔編號C30B13/14GK102119242SQ200980131176
公開日2011年7月6日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
發(fā)明者彼德·L·凱勒門, 朱利安·G·布雷克, 法蘭克·辛克萊, 菲德梨克·卡爾森 申請人:瓦里安半導(dǎo)體設(shè)備公司