專利名稱：晶體及其鑄造方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及使用籽晶的晶體鑄造法，例如方向凝固鑄造法，包括溫度梯度凝固方法，例如垂直溫度梯度凝固方法(下文也稱為VGF法)或垂直布里奇曼方法(下文也稱為VB法)或垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS法)制造比較大的預(yù)定晶向的晶體材料， 包括多晶和單晶材料，尤其是適用于半導(dǎo)體和光伏應(yīng)用的例如硅或硅鍺材料。
背景技術(shù)：
晶體材料具有基于其特定的微觀結(jié)構(gòu)的適用于工業(yè)應(yīng)用的優(yōu)良性能，此優(yōu)良性能傾向于在制造晶體中被盡可能地追求。以晶硅材料為例，基于晶硅的光電池(或稱光伏電池、太陽能電池)應(yīng)具有最大可能地將太陽能輻射功率轉(zhuǎn)化為電流的效率、以及盡可能長久的使用壽命和衰減速率。這是由多種因素決定的，例如硅原材料的純度，硅晶體的類型 (單晶、多晶)和缺陷、雜質(zhì)分布以及晶向、內(nèi)應(yīng)力。同時(shí)，工業(yè)上制造較大尺寸的硅晶體毛胚(實(shí)體)，可以獲得更高的生產(chǎn)效率；而降低硅晶體的缺陷和內(nèi)應(yīng)力，還有助于提高成品和良品的產(chǎn)出率。已知在硅晶體的類型中，單晶較多晶具有獲得相對最高的光電轉(zhuǎn)化效率的可能。 因此，許多制造硅單晶的裝置和方法被大量使用。典型的就是所謂的單晶提拉方法，也稱之為切克勞斯基(CZ)法，利用籽晶伸入熔化的硅液中，通過提拉引晶和熔硅液面上方的持續(xù)晶體生長，最后獲得單晶硅棒。這種方法通常需要坩堝和生長中的晶棒相對旋轉(zhuǎn)，因而其制造設(shè)備相對復(fù)雜，工藝控制難度較大。CZ法可以獲得性能比較優(yōu)異的單晶硅胚體，但也存在一些明顯的缺點(diǎn)，包括其制造裝置和工藝控制比較復(fù)雜，設(shè)備和生產(chǎn)成本較高，難以獲得較大尺寸的高質(zhì)量單晶胚體(通常只有20cm或25cm的第二大尺寸)，生產(chǎn)效率低，因難以克服其晶體生長中的徑向溫度梯度而存在較大的徑向缺陷包括如漩渦缺陷、氧致堆垛層錯(cuò)缺陷(或OSF環(huán)缺陷)和熱應(yīng)力位錯(cuò)，及摻雜劑密度差異，等等。類似的還有浮區(qū)凝固法，或稱懸浮區(qū)熔法(FZ)，用以生長的多晶硅棒，但具有和CZ法類似的缺陷類型和不足。為此，使用方向凝固法，包括溫度梯度凝固方法，例如垂直方向凝固法，包括例如垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS) 制造多晶材料胚體的方法和裝置被大量應(yīng)用于生產(chǎn)硅晶體，用較低的設(shè)備成本和較簡單的工藝控制，獲得大尺寸的多晶硅錠，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。在VGF法晶體生長工藝中，位于靜止的加熱裝置形成的熱場中的結(jié)晶溫度梯度可移動(dòng)，而晶體保持靜止。在VB 法晶體生長工藝中，保持靜止的加熱裝置形成結(jié)晶溫度梯度靜止的熱場，晶體在其中移動(dòng)。 在VBS法晶體生長工藝中，加熱裝置及其形成的結(jié)晶溫度梯度可移動(dòng)，而晶體保持靜止。實(shí)施這些方法的設(shè)備使用時(shí)都包含有坩堝，其至少有底壁和側(cè)壁，構(gòu)成可以容納晶體原料和及其熔體的容器，以及和坩堝外形配套的熱場系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)，至少包括可以加熱坩堝內(nèi)的原料的加熱裝置，和保持坩堝位置和形狀的支撐裝置。盡管容易獲得大的尺寸、高的生產(chǎn)效率和低的生產(chǎn)成本，多晶硅因其較低的純度、 較小的晶粒尺寸、較多的晶界和晶體缺陷、雜亂的晶向，制成的晶片具有低的載流子壽命和較差的制絨效果，由其制成的電池片效率較低，難以取代單晶硅。為了在較低的設(shè)備和控制成本下，獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，一些基于垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS)的可以生產(chǎn)晶粒較大的多晶硅錠、近單晶硅錠的方法和設(shè)備被開發(fā)出來，這里全文引用以詳細(xì)說明這些方法和設(shè)備的一些文件:CN200810012354. 2、CN200910152970. 2、CN200920115886. 9、 DE10239104A1、CN200780002763. 8、CN200810089545. 9、CN 200780002753. 4、 CN200880025411. 9、CN200880106116. 6、CN201010232453. 9。其中，為獲得生長良好的晶體組織，可以誘導(dǎo)或引導(dǎo)晶體生長的籽晶被引入到硅原料內(nèi)，或在坩堝內(nèi)用籽晶構(gòu)置特定的一些幾何結(jié)構(gòu)。這些方法和設(shè)備的使用，一定程度上增大了多晶硅的晶粒尺寸、減少了晶體缺陷，甚至可以獲得近單晶硅錠，但是，仍然存在著工藝控制難度大、難以確保穩(wěn)定地形成預(yù)期的硅錠晶體結(jié)構(gòu)、缺陷和雜質(zhì)多、雜質(zhì)分布不均、晶錠內(nèi)應(yīng)力偏大加工成晶片損耗較大，和需要消耗大量籽晶等問題。特別是，需要在熔化晶體原料的同時(shí)，保持籽晶的部分為固態(tài)而部分熔化，這通常導(dǎo)致加熱的控制難度增加、籽晶的厚度提高和熱量經(jīng)由籽晶大量耗散損失，尤其是籽晶通常具有遠(yuǎn)高于晶體原料的平均熱導(dǎo)率，使經(jīng)籽晶的熱量耗散成為能耗增加的重要原因。事實(shí)上，采用溫梯法，利用籽晶的單晶誘導(dǎo)作用生長單晶體，很早就提出來了。 CN85100534提出了一種在坩堝底部設(shè)置籽晶槽，生長摻鐿的釔鋁石榴石激光晶體，獲得了很好的效果。但是，該方法迄今為止只見于生長尺寸比較小的晶體，特別是多采用鉬、鎢等金屬或石墨等導(dǎo)熱良好的坩堝，并且也未見于生長大尺寸的硅單晶。尺寸較大時(shí)，由于籽晶和生成的晶體的導(dǎo)熱能力和坩堝底部的散熱問題，使得溫度梯度的控制變得困難以致難以實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種使用籽晶的晶體鑄造法，例如方向凝固鑄造法，包括溫度梯度凝固法，例如(但不限于)VGF或者VB或者VBS方法，以較低的能耗和較容易控制的加熱過程，以及更好的凝固過程的散熱控制，制造高質(zhì)量的晶體材料，例如硅晶體材料，包括低缺陷的晶粒較大的多晶硅錠、單晶硅錠或近單晶硅錠的方法和裝置，其中，特別是提供一種使用籽晶的方向凝固法或溫度梯度凝固法便宜地制造高質(zhì)量的硅單晶體的方法和裝置。本發(fā)明的方法和裝置，也適用于生產(chǎn)其它各種晶體材料，諸如藍(lán)寶石、砷化鎵、釔鋁石榴石等單晶體材料，或近單晶體材料，或雙晶體材料、多晶體材料，以下僅以硅晶體為例說明。對于其他材料，只需要按其熔點(diǎn)相應(yīng)調(diào)整控制熔化和凝固的溫度值，即可將本發(fā)明的方法和裝置用于制造該材料的晶體實(shí)體。本發(fā)明還提供了使用籽晶的方向凝固法，例如VGF或者VB或者VBS方法便宜地制造具有預(yù)定的晶向取向的高質(zhì)量的硅晶體材料胚體(錠)，包括低缺陷的大晶粒晶向預(yù)定的多晶硅錠、單晶硅錠或近單晶硅錠的裝置和方法。這樣的晶錠，在將硅錠制晶片、電池片的過程中，在切割、制絨等方面都具有優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高質(zhì)量的光電池用硅晶片和高光電效率的晶硅電池片的制作。本發(fā)明還提供了一種使用籽晶的方向凝固法，包括溫度梯度凝固法，例如VGF或者VB或者VBS方法便宜地制造大尺寸的單晶硅或近單晶硅胚體的裝置和方法，包括生產(chǎn)更大直徑的晶棒或晶柱、特別是棱柱狀晶體，和更大尺寸的硅錠，特別是更高的硅錠，包括方錠、多面體形錠。采用本發(fā)明裝置和方法生產(chǎn)的單晶硅胚體，或由其制成的單晶片，較CZ 直拉法等獲得的單晶，具有更低的成本，更少的雜質(zhì)，更均勻的電阻率分布，更少的晶體缺陷、例如氧致堆垛層錯(cuò)缺陷、漩渦缺陷、熱應(yīng)力缺陷，以及更優(yōu)異的制絨性能，更高效的p-n 結(jié)制作效率，其制成的光伏電池片具有低的成本和更高更穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換效率，并且，由于更低的晶界雜質(zhì)和缺陷，而具有更長的使用壽命和更低的效率衰減速度；類似地，采用本發(fā)明方法和裝置生產(chǎn)的多晶體，也特異性地區(qū)別于普通VGF等垂直定向凝固方法生產(chǎn)的多晶體，在上述各方面有著顯著的優(yōu)點(diǎn)。因此，本發(fā)明還提供了一種大尺寸的單晶硅或近單晶硅、多晶硅材料(實(shí)體)，以及由這種材料制成的硅晶片和光伏電池，它們因其生產(chǎn)方法而形成的特殊晶體結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)分布模式和良好的光電品質(zhì)，而區(qū)別于普通的多晶硅或單晶硅。本發(fā)明中所采用的術(shù)語“近單晶硅”或“近單晶體”，是指這樣的空間上處處連續(xù)的晶體實(shí)體其作為整體或其主要的部分，其超過50%以上體積的實(shí)體上具有一致的晶體取向，例如，這種近單晶硅可以包含與多晶區(qū)鄰接的單個(gè)晶體硅的實(shí)體，或者它可以包含較大的連續(xù)一致的硅晶體，其中較小的晶體不超過總體積的50%。近單晶硅可以優(yōu)選為比例較少的較小的晶體，例如，不超過25%、或10%或5%的較小的晶體。本發(fā)明中所采用的術(shù)語 “雙晶體”作為近單晶體的一種，是指其實(shí)體包含有一個(gè)作為主要部分的單晶體和另一個(gè)作為次要部分的晶向不同的單晶體。本發(fā)明的裝置和方法所生產(chǎn)的硅晶體材料(胚或錠)，尤其適合于具有較低的材料純度要求(6 8N)、但生產(chǎn)規(guī)模大的光伏用晶體硅材料。本發(fā)明用于生產(chǎn)光伏用硅晶體材料，在獲得高光電效率的同時(shí)，其低的成本和高的生產(chǎn)效率，使得光伏發(fā)電在大規(guī)模應(yīng)用下實(shí)現(xiàn)平價(jià)成為可能。另一方面，作為硅的同族元素，鍺原子具有和硅原子相似的性質(zhì)，可以在硅晶格中替代硅。含鍺50%以下的鍺摻雜硅晶體或硅鍺晶體材料可以替代近乎純的硅晶體制作光伏電池，具有優(yōu)良的機(jī)械性能、低的共晶點(diǎn)和高的光電性能。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的方法和裝置，可以直接用于生產(chǎn)高性能的可用于光伏的鍺摻雜硅晶體或硅鍺晶體材料，尤其是單晶硅鍺材料或近單晶硅鍺材料。當(dāng)含鍺10%以下時(shí)，偏析導(dǎo)致的鍺在晶硅中的差異分布基本上不會(huì)形成鍺在局部占優(yōu)，本發(fā)明定義所述的鍺摻雜硅晶體或摻鍺硅晶體是指鍺含量在約 10%以下的硅晶體，硅晶體也可包含約10%以下的鍺；硅鍺晶體材料則具有約10%或更高的鍺含量。本發(fā)明的方法是這樣實(shí)現(xiàn)提供晶體原料的熔體在其中凝固的無底壁坩堝(或稱坩堝套)或鑄模(或稱鑄模套)，在坩堝套或鑄模套的底部，放置至少一個(gè)籽晶，由該籽晶形成坩堝套或鑄模套的底壁，或底壁的至少一部分，使坩堝套內(nèi)容納的晶體原料熔體接觸籽晶的表面，一旦籽晶表面部分熔化，通過冷卻熔體使其沿籽晶未熔化的固態(tài)表面凝固，并使凝固的界面逐漸遠(yuǎn)離籽晶中心，直到遍及整個(gè)熔體。為控制晶體使其沿籽晶與熔體相接觸的固態(tài)表面生長，通常通過冷卻籽晶而使熔體處于沿遠(yuǎn)離籽晶方向溫度逐漸降低的梯度溫度場中，籽晶與熔體接觸的固態(tài)表面與熔體形成溫度梯度，其中所述的籽晶表面溫度低于熔體的熔點(diǎn)。作為本發(fā)明方法的一個(gè)特例，是提供底壁有缺空(缺口)的熔體容納坩堝或鑄模(或稱漏底坩堝)，在底壁的缺空部位，放置籽晶，使籽晶鋪滿或幾乎鋪滿底壁的缺空部位， 籽晶面向坩堝或鑄模內(nèi)腔的一側(cè)，與熔體接觸，籽晶與熔體接觸的一側(cè)部分熔化后，通過冷卻使熔體沿籽晶未熔化的固態(tài)表面凝固而生長成晶體。由于本發(fā)明中，采用了無底坩堝或鑄模容納熔體，凝固時(shí)，熔體的熱量和凝固釋放的熱量透過晶體和籽晶直接散發(fā)出去，而不需要穿過坩堝或鑄模的底壁，因而不僅大大提高了沿籽晶的熱量散發(fā)效率，也降低了散熱控制的難度。沿籽晶散熱效率的提高，不僅使得籽晶誘導(dǎo)的方向凝固可形成的晶錠的高度和寬度大幅度提高，而且降低了溫度梯度的控制難度，可提高沿凝固方向的最大溫度梯度，提高沿凝固垂直方向的溫度均勻性，從而能提高晶體生長速度和質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率；同時(shí)，使用無底的坩堝或鑄模，也減少了坩堝材料的消耗，并允許使用多瓣或拼合坩堝或鑄模，降低了坩堝或鑄模的制造難度和制造成本。而現(xiàn)有技術(shù)中，用于晶硅工業(yè)生產(chǎn)的坩堝，多使用石英材料，其導(dǎo)熱性很低，使得透過坩堝壁的散熱速度有限，大大限制了所能生長的晶錠的高度。即使對于使用鉬坩堝或石墨坩堝或其他高導(dǎo)熱的坩堝的其他晶體生長來說，雖然金屬鉬或石墨的坩堝底壁散熱能力較大，但是，由于籽晶和坩堝底壁的接觸之間，不可能完全無縫隙，因而在籽晶和坩堝底壁之間也會(huì)形成很大的熱阻，使散熱速度受限。因此，本發(fā)明通過省略坩堝或鑄模的底壁， 或省略至少部分底壁，獲得了使晶體生長的散熱效率大大提高的有益效果。本發(fā)明中，作為待生長晶體的原料的熔體，可以是源自預(yù)先置于所述的無底坩堝或鑄模內(nèi)的晶體原料經(jīng)加熱熔化形成，也可以是以熔體形態(tài)直接加入或澆入到所述的無底坩堝或鑄模內(nèi)，例如預(yù)先熔化的熔體從另一個(gè)容器中傾倒入所述的無底坩堝，或者，通過一個(gè)位于無底坩堝上部的加熱裝置，例如感應(yīng)加熱或電阻加熱裝置，熔化固體原料，生成的流體狀態(tài)的熔體可因重力而降落至所述的底部設(shè)置有籽晶的無底坩堝或鑄模內(nèi)。本發(fā)明的特征包括，熔體在其中生長成晶體的鑄?；蜊釄?，由普通坩堝或鑄模材料和籽晶拼合構(gòu)成，其中，一個(gè)或多個(gè)籽晶構(gòu)成坩堝或鑄模的至少部分底壁，普通坩堝或鑄模材料構(gòu)成坩堝或鑄模的其余部分。為防止坩堝或鑄模內(nèi)的熔體通過籽晶的邊緣泄露，形成底壁或部分底壁的籽晶的四周邊緣最好與坩堝或鑄模緊密貼合，或采用固體材料例如固體晶體原料填充籽晶與坩堝或鑄模間的接觸縫隙，或者，通過邊緣彼此鑲嵌、錯(cuò)位重疊、包覆、焊接或熔接，消除籽晶邊緣與無底或底壁有缺口的坩堝或鑄模的鄰接邊緣之間的間隙。本發(fā)明中，為保持籽晶處于固態(tài)而不熔化，同時(shí)，使熔體通過籽晶散熱降溫而凝固，將散熱裝置置于籽晶的下方，面對籽晶的表面，靠近籽晶或與籽晶接觸，依靠輻射和/ 或傳導(dǎo)，將熔體的熱量透過籽晶散發(fā)出去。所述的散熱裝置可以是高導(dǎo)熱材料制成的吸熱器或散熱器，例如帶有散熱面的石墨散熱裝置，或中空的水冷吸熱器，或中空的液態(tài)金屬冷卻的吸熱器。本發(fā)明中，為進(jìn)一步防止坩堝或鑄模內(nèi)的熔體通過作為底壁的籽晶與坩堝套結(jié)合的間隙泄露，所述的散熱裝置，還可以包含有槽形或池形容納部位，該槽形或池形容納部位包圍所述的籽晶與坩堝套的接合間隙，確保通過此間隙泄露的熔體被收集到槽或池中。所述的槽形或池形容納部位，作為散熱裝置的一部分，可以是獨(dú)立于散熱裝置其他部位的結(jié)構(gòu)體，也可以是與散熱裝置其他部位連接在一起的結(jié)構(gòu)體，其通過散熱器的散熱，保持低于熔體熔點(diǎn)的溫度，以便被收集到其中的熔體能迅速冷卻凝固。所述的籽晶，可以是1個(gè)完整的單晶體，或2個(gè)及2個(gè)以上的單晶體拼成一體的籽晶體，也可以是1個(gè)或1個(gè)以上的多晶體拼成一體。1個(gè)以上的晶體拼成一體時(shí)，優(yōu)選幾何規(guī)則方式排列的晶體。由1個(gè)以上的單晶體拼成一體時(shí)，優(yōu)選晶向相同的單晶體，或具有規(guī)則晶向排列方式的晶體。例如，拼成一體的籽晶體的中部，由1個(gè)或多個(gè)第一種晶向的晶體構(gòu)成，其四周由1個(gè)或多個(gè)第二種晶向的晶體構(gòu)成，形成一種晶向包圍另一種晶向的規(guī)則幾何構(gòu)型的籽晶體。所述的籽晶或籽晶體，其四周側(cè)面可以被包圍在無底坩堝或鑄模的側(cè)壁內(nèi)，也可以部分或接近全部露出所述的側(cè)壁之外，后者可以提高籽晶或籽晶體的散熱能力，并減少坩堝或鑄模側(cè)壁附近設(shè)置的用于熔化晶體原料的加熱器輻射到籽晶的熱量。為確保籽晶在晶體原料加熱熔化時(shí)不被全部熔化，除了在籽晶面對熔體一面的相對的另一面附近設(shè)置散熱裝置外，籽晶的四周側(cè)面附近還可以設(shè)置散熱和/或絕熱裝置， 例如，在籽晶的側(cè)面和用于加熱熔化原料的加熱器之間，設(shè)置絕熱裝置，例如絕熱板，用以隔開加熱器和籽晶；和/或，在絕熱板和籽晶的側(cè)面之間，設(shè)置散熱裝置，例如散熱板。所述的散熱裝置可以由如前所述的散熱裝置的一部分構(gòu)成，例如，由所述的池形容納部位向上伸出的側(cè)壁構(gòu)成。為調(diào)整籽晶體的導(dǎo)熱或散熱能力，并降低可能的接觸或表面暴露對籽晶體的污染，可以使用1個(gè)或多個(gè)晶體或非晶體薄層，覆蓋在籽晶體的面向散熱器的表面。所述的晶體或非晶體薄層，可以由與籽晶相同的材料構(gòu)成，也可以由與籽晶不同的材料構(gòu)成。本發(fā)明中，所述的無底坩堝或鑄模，可以采用適合于晶體材料的任意材料制成，例如，較通用的石墨，例如，對于硅晶體來說采用石英或氮化硅材料，等等；它具有任意形狀的側(cè)壁，但通常取規(guī)則的幾何形狀，例如圓套形、方套形(無底無蓋的方盒形)，以獲得相應(yīng)形狀的晶錠；它可以是形成一體的，也可以是由一個(gè)以上部位拼合或鑲嵌形成的。本發(fā)明中，由于利用籽晶的誘導(dǎo)作用生長晶體材料，需要在原料熔化過程中，確保籽晶不會(huì)全部熔化而保持至少部分固態(tài)，形成籽晶和熔體間的固-液界面，使晶體沿固-液界面生長，因此，需要控制對籽晶的加熱或熱量自原料或熔體向籽晶的傳遞在可接受的范圍內(nèi)。為此，可在籽晶面向坩堝腔體的至少部分表面以外，設(shè)置熱絕緣區(qū)域，將至少部分或全部晶體原料置于坩堝內(nèi)的所述熱絕緣區(qū)域外與籽晶隔開的另一側(cè)，使加熱晶體原料的過程中，熱量較大地局限于晶體原料部分，直到晶體原料全部熔化，繼續(xù)加熱熔化所述的由所述的熱絕緣區(qū)域分隔的其余晶體原料和籽晶的一部分成為熔體，形成連成一體的與籽晶固態(tài)的部分接觸的熔體。所述的熱絕緣區(qū)域較由晶體原料構(gòu)成的相似尺寸的區(qū)域具有較低的熱導(dǎo)率或熱量傳遞能力，優(yōu)選低很多，例如低0. 5 1倍以上，例如低MOO倍，優(yōu)選低17 400倍，例如低47倍；或者，組成熱絕緣區(qū)域的材料，具有低于晶體原料的平均熱導(dǎo)率，優(yōu)選低很多，例如低0. 5 I倍以上，例如低10 400倍，優(yōu)選低17 400倍，例如低37倍。根據(jù)本發(fā)明， 構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的材料或固體在晶體的熔點(diǎn)或熔點(diǎn)以上至少一個(gè)溫度點(diǎn)，具有低于熔體密度的平均密度。其中，根據(jù)一些實(shí)施方案，所述的熱絕緣區(qū)域包含有任選自以下一組材料中的至少一種至少一個(gè)具有確定形狀的連續(xù)固體實(shí)體、至少一個(gè)形成了一個(gè)形狀的多孔隙的固體實(shí)體、許多非連續(xù)的固體材料。其中，具有確定形狀的連續(xù)固體實(shí)體或多孔隙的固體實(shí)體，根據(jù)一些實(shí)施方案，其為板狀或類似形狀的固體，構(gòu)成覆蓋在籽晶朝向坩堝內(nèi)腔的至少一個(gè)面的熱絕緣板；根據(jù)另一些實(shí)施方案，一個(gè)以上的板狀或類似形狀的所述固體實(shí)體圍繞籽晶的一個(gè)以上的表面放置，分隔籽晶和晶體原料的主要部分。所述的熱絕緣區(qū)域包含的許多非連續(xù)的固體材料，根據(jù)一些實(shí)施方案，為任選自包含有纖維、中空纖維、顆粒、中空顆粒、中空塊或粉末狀材料中的至少一種，其堆積或聚集在籽晶朝向坩堝內(nèi)腔的至少一個(gè)面的方向，覆蓋或基本上覆蓋籽晶朝向坩堝內(nèi)腔的至少一個(gè)表面；根據(jù)另一些實(shí)施方案， 所述的許多非連續(xù)的固體材料將籽晶的朝向晶體原料或熔體的面包埋。本發(fā)明中，所述的熔體的冷卻是通過籽晶所在的面排除熱、優(yōu)選通過籽晶排出熱的方式。根據(jù)本發(fā)明，所述的上述構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的固體實(shí)體，其表面可以是任何形貌，例如凹凸不平的、織構(gòu)化的、平坦的、粗糙的、光滑的，但優(yōu)選是平坦的，和優(yōu)選是光滑的，以盡可能降低其熱輻射吸收能力；其朝向籽晶的一面及其相對面，可以具有不同的形貌，但優(yōu)選具有相同的形貌。本發(fā)明的方法所用的籽晶，可以視需要采用單晶體或多晶體，其中，鑄造單晶體時(shí)，采用單晶的籽晶；鑄造多晶時(shí)，采用多晶的籽晶，也可采用多個(gè)單晶的籽晶，或由多個(gè)單晶的籽晶依任選的一定方式排列，鑄造晶向、晶界可預(yù)訂的單晶或多晶的晶體材料，例如對于硅晶體預(yù)訂優(yōu)選適合于制作光伏電池用晶片的<001>或<100>晶向。其中，所獲得的晶體其晶向與所用的引導(dǎo)晶體生長的籽晶的晶向一致，而晶界由籽晶間的界限延續(xù)形成或無晶界。根據(jù)本發(fā)明的方法，籽晶優(yōu)選具有和無底坩堝的側(cè)壁邊緣緊密貼合的至少部分邊緣， 或者具有和缺空底坩堝的底壁缺空邊緣緊密貼合的至少部分邊緣，以阻止熔體泄露。根據(jù)本發(fā)明的方法，在一些實(shí)施方案中，籽晶可以鋪滿或基本上鋪滿無底坩堝圍成的空間的整個(gè)底面部分，形成容納晶體原料的底壁；在另一些實(shí)施方案中，籽晶還鋪滿側(cè)壁的一個(gè)或一個(gè)以上的面，例如鋪滿坩堝的底面，和鋪滿某個(gè)方向的側(cè)壁表面；在另一些實(shí)施方案中，籽晶僅覆蓋坩堝套圍成的空間體(假想此空間充滿某種物質(zhì)而形成的實(shí)體)的某個(gè)或多個(gè)表面的一部分，例如，籽晶覆蓋無底坩堝(或無底鑄模)圍成的空間的底面的0.1 99. 9% 的面積，優(yōu)選覆蓋1 10%的面積；和/或籽晶覆蓋坩堝側(cè)壁的一個(gè)表面的0. 1 99. 9% 的面積，優(yōu)選覆蓋1 10%的面積。當(dāng)籽晶僅覆蓋坩堝套圍成的空間體的某個(gè)表面的部分時(shí)，優(yōu)選居于該表面中央的方式放置。當(dāng)采用多個(gè)籽晶時(shí)，優(yōu)選采用單晶籽晶，優(yōu)選采用具有規(guī)則幾何形狀、尺寸一致的多個(gè)籽晶，并優(yōu)選以形成規(guī)則的幾何形狀的方式排列籽晶形成規(guī)則排列的籽晶體。一個(gè)或多個(gè)籽晶的任意一個(gè)方向上的尺寸，可以從Imm到2000mm，優(yōu)選11 499mm，并進(jìn)一步優(yōu)選40 250mm，并優(yōu)選具有9 49mm的高度。實(shí)施本發(fā)明方法，所用的晶體原料通常是比較純的，以便獲得良好的晶體結(jié)構(gòu)和性能，但一般含有適當(dāng)?shù)膿诫s，例如在鑄造光學(xué)晶體時(shí)，一些摻雜形成晶體的有益特性。在鑄造半導(dǎo)體晶體材料，形成晶體前的原料的摻雜幾乎是必須的，例如對于鑄造半導(dǎo)體硅晶體來說，原料中一般包含有III、V族元素雜質(zhì)，以形成半導(dǎo)體的電特性。本發(fā)明所用的籽晶，一般具有和晶體原料相同或相似的晶體結(jié)構(gòu)，雖然可以用其主成分與晶體原料不同的晶體，但優(yōu)選主成分與晶體原料相同、摻雜雜質(zhì)含量相同或相近的晶體。另一方面，晶體原料的熔體也可添加到坩堝中以補(bǔ)充晶體原料。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案，冷卻熔體是通過熱量主要沿籽晶所在的面流出，優(yōu)選主要沿籽晶所在的部位流出，并優(yōu)選通過籽晶流出。這樣，在籽晶及附近籽晶體的溫度最低，控制適當(dāng)?shù)臏囟炔町?溫度梯度)，在籽晶和熔體的固-液界面處，熔體將率先凝固而引致晶體沿籽晶表面生長，對于放置在無底坩堝底部位置的籽晶的情況，在籽晶所在水平面上設(shè)置以籽晶中心為最低溫度的徑向溫度梯度分布的熱場，可實(shí)現(xiàn)晶體優(yōu)先沿較小尺寸的籽晶的水平方向的四周生長，最終形成從覆蓋坩堝底部的部分表面的籽晶到鋪滿坩堝底部的凝固初期的晶體生長。類似的，也可形成率先鋪滿坩堝側(cè)壁的晶體生長。這種以籽晶中心為最低溫度的沿籽晶最大尺寸的徑向溫度梯度分布的熱場，在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，通過靠近籽晶部位的(坩堝側(cè)壁和缺空的部分底壁外)的導(dǎo)熱部位或散熱部位或散熱裝置的散熱形成；在另一些實(shí)施方案中，利用熱絕緣部位(絕熱部位)包圍或分隔對應(yīng)籽晶部位的導(dǎo)熱部位或均熱部位(或稱熱傳導(dǎo)體)和籽晶部位以外的導(dǎo)熱部位或均熱部位， 降低兩者間的熱傳遞，形成兩者間的溫度梯度分布，從而在籽晶部位形成類似的溫度梯度分布，并降低由外圍的導(dǎo)熱部位或均熱部位傳遞而來透過對應(yīng)籽晶部位的導(dǎo)熱部位或均熱部位傳至籽晶的熱量。所述的靠近籽晶部位的導(dǎo)熱部位或均熱部位由熱傳導(dǎo)材料構(gòu)成，它或可以作為所述的散熱裝置的一部分，通過靠近或接觸籽晶而吸收并傳遞熱量，優(yōu)選形成和籽晶相同或相似的形狀，并優(yōu)選與籽晶共軸心?？梢韵鄬τ谧丫С叽绾兔娣e設(shè)置不同的所述的導(dǎo)熱部位尺寸和面積，例如，其面積為籽晶面積的0. 6 1. 8倍，以調(diào)整其導(dǎo)熱性能， 或強(qiáng)化或減弱導(dǎo)熱性能，加快或減慢凝固速度。其中，所述的熱傳導(dǎo)材料可以使用任何具有相對熱絕緣部位高的導(dǎo)熱性能和鑄造溫度下具有穩(wěn)定性的傳熱材料，例如石墨，碳化硅，高溫金屬例如鎢、鉬、鉭，高溫合金，氮化鋁，陶瓷，優(yōu)選具有高熱導(dǎo)率的材料。根據(jù)一些實(shí)施方案，在晶體材料熔點(diǎn)附近，所述的熱傳導(dǎo)材料與構(gòu)成熱絕緣部位的熱絕緣材料的熱導(dǎo)率比至少為2 1以上，優(yōu)選2 400 1，進(jìn)一步優(yōu)選5 50 1。例如，在1400攝氏度附近， 作為熱傳導(dǎo)材料的石墨的熱導(dǎo)率，與作為熱絕緣材料的碳纖維的熱導(dǎo)率之比，大于40 1。
在另一些實(shí)施方案中，籽晶覆蓋在具有中央缺空的底壁的坩堝的底壁缺空部位時(shí)，通過將具有相對較高導(dǎo)熱性的導(dǎo)熱部位設(shè)置于坩堝底壁下方籽晶對應(yīng)的部位，而設(shè)置具有相對低的導(dǎo)熱性的導(dǎo)熱部位圍繞所述的較高導(dǎo)熱性的導(dǎo)熱部位，也可以在籽晶部位建立起水平徑向溫度梯度分布的熱場，例如，簡單地設(shè)置較薄的對應(yīng)籽晶部位的均熱部位或?qū)岵课?，而用相對較厚的同樣的材料作為非籽晶部位的坩堝底壁外的均熱部位或?qū)岵课?，由于薄的均熱部位或?qū)岵课豢梢愿斓厣l(fā)熱量，亦可形成圍繞籽晶中心的徑向溫度梯度分布熱場。優(yōu)選的一種實(shí)施方案是，在整個(gè)籽晶所在位置及其周圍建立起水平徑向溫度梯度分布的熱場，以便凝固初始階段，沿籽晶四周的晶體生長獲得優(yōu)勢并使晶體通過沿四周的生長而鋪滿整個(gè)坩堝底部。其中，一種實(shí)施方式是，所述的圍繞對應(yīng)籽晶的所述的較高導(dǎo)熱性的導(dǎo)熱部位的具有相對低的導(dǎo)熱性的導(dǎo)熱部位，由導(dǎo)熱性沿軸中心徑向向外逐漸降低的材料構(gòu)成，例如，所述的導(dǎo)熱部位由厚度呈水平方向徑向梯度分布、即從其周邊向軸心方向其厚度逐漸變薄的導(dǎo)熱材料組成，或者，所述的由多孔隙材料制成的導(dǎo)熱部位由密度呈水平方向徑向梯度分布、即從其周邊向軸心方向其密度逐漸增加的導(dǎo)熱材料組成。 這樣，由于導(dǎo)熱能力從軸心部位向四周逐漸降低，坩堝底壁就建立起一個(gè)水平徑向溫度梯度分布的熱場。所述的水平徑向溫度梯度分布的熱場的溫度梯度的數(shù)值范圍，可以參照同樣條件下(晶體材料、熱通量等)的垂直方向凝固方法的垂直溫度梯度數(shù)值范圍。優(yōu)選的實(shí)施方案是，在坩堝底壁下方覆蓋幾乎整個(gè)底壁范圍的導(dǎo)熱部位，由從中心向四周厚度逐漸增加的導(dǎo)熱材料構(gòu)成，例如，具有基本上平的一個(gè)表面和球冠狀的另一個(gè)表面的導(dǎo)熱材料，或者其他任選形狀的從中心向四周厚度逐漸增加的導(dǎo)熱材料。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過上述方式建立起的從中心到四周散熱能力逐漸降低的底部導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，不僅有利于凝固初期的水平徑向溫度梯度的建立，還對在通過諸如以提升隔熱籠等方式從底部冷卻熔體時(shí)垂直方向的晶體生長的保持起到關(guān)鍵作用；保持在整個(gè)冷卻凝固過程中熱場基本上是垂直溫度梯度分布，特別是在使用大尺寸坩堝的情況下，均等的底部散熱能力導(dǎo)致熔體中心更高的溫度而周邊溫度更低，而從中心到四周散熱能力逐漸降低的底部導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，可補(bǔ)償冷卻過程的不均勻散熱而使熱場更加穩(wěn)定和保持需要的模式。通常，為將熱量導(dǎo)出坩堝內(nèi)的熔體，導(dǎo)熱部位直接、或經(jīng)過一個(gè)均熱部位，面對一個(gè)溫度更低的部位的表面、優(yōu)選溫度基本上恒定的吸熱表面，如散熱裝置或冷卻器的表面，或爐體水冷的內(nèi)壁表面，將熱量輻射給后者。本發(fā)明中，“均熱部位”和導(dǎo)熱部位，其構(gòu)成的材料可以一致，但優(yōu)選均熱部位具有更高的導(dǎo)熱性能，以便其不同位置接受不同溫度的輻射時(shí)，其溫度盡可能趨于一致。其中，所述的均熱部位或?qū)岵课?，可以是所述的散熱裝置的一部分，也可以是分隔籽晶和所述的散熱裝置的獨(dú)立結(jié)構(gòu)。所述的均熱部位或?qū)岵课?，可由?dǎo)熱率較高的材料形成的一定形狀的實(shí)體構(gòu)成，例如，由石墨材料構(gòu)成的均熱板或?qū)岚?、或者在硅晶體生長的情況下由碳化硅構(gòu)成的均熱板或?qū)岚澹瑯?gòu)成所述的均熱部位或?qū)岵课?。例如，一個(gè)均熱部位包圍一個(gè)設(shè)置在坩堝底部籽晶下側(cè)的熱絕緣部位，而熱絕緣部位包圍或環(huán)繞另一個(gè)均熱部位的四周，形成由熱絕緣部位分隔的兩個(gè)并列的均熱部位的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)，不僅可形成籽晶部位的水平面徑向溫度梯度分布熱場，而且有助于在坩堝內(nèi)原料熔化階段防止熱量通過均熱部位傳遞到籽晶。對于使用由導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料制成的坩堝的情況，例如石英材料或石英陶瓷材料的坩堝的情況，所述的熱絕緣部位，也可以由對應(yīng)位置的坩堝壁的局部增厚替代。根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施方案，對于包含有放置在坩堝側(cè)壁的籽晶的情況，引導(dǎo)熱量主要沿籽晶部位流出熔體，和/或在籽晶所在立面設(shè)置以籽晶中心為最低溫度的徑向溫度梯度分布的熱場，即可實(shí)現(xiàn)晶體優(yōu)先沿籽晶固體的四周表面生長。根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施方案，在所述的熱絕緣區(qū)域和籽晶之間，還包含有晶體原料，例如和坩堝內(nèi)的其他晶體原料形態(tài)一致或相似的原料，但優(yōu)選具有低導(dǎo)熱性能的形態(tài)的原料，優(yōu)選導(dǎo)熱性能低很多的形態(tài)的原料，例如低1倍或更多，優(yōu)選低2 200倍， 進(jìn)一步優(yōu)選低10 30倍，例如纖維、中空纖維、顆粒、中空顆?；蚍勰畹脑?，或者以上形態(tài)的原料的任意混合物。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，高溫時(shí)熱量的傳遞將以輻射為主，低導(dǎo)熱性能或低熱導(dǎo)率的形態(tài)的原料，將主要接收輻射熱而升溫和熔化。將部分晶體原料、特別是低熱導(dǎo)率的晶體原料放置在所述的熱絕緣區(qū)域和籽晶之間，不僅有助于提高熱絕緣效果，減少晶體原料熔化階段透過籽晶損失的熱量，而且有助于識別和控制熔化的進(jìn)程，更容易控制籽晶部分熔化而部分保持于固態(tài)。例如，只有當(dāng)大部分籽晶外側(cè)的原料熔化后，籽晶才開始熔化。而位于熱絕緣區(qū)域和籽晶間的熔化的原料，將與熱絕緣區(qū)域以外的已熔化的原料部分連通，促使構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的材料改變其形態(tài)或/和離開其位置，此時(shí)，熱量將很快地傳遞給籽晶并促使籽晶熔化，如此，可將熱絕緣區(qū)域的材料的形態(tài)和/或位置改變，作為啟動(dòng)或延遲一段時(shí)間后啟動(dòng)凝固過程的信號。采用本發(fā)明的方法制造的晶體，其凝固起始部位含有籽晶；而在設(shè)置了所述的熱絕緣區(qū)域的實(shí)施方案中，凝固終了部位可以覆蓋或含有構(gòu)成所述的熱絕緣區(qū)域的材料，例如熱絕緣材料，覆蓋在熔體上部的熱絕緣材料在晶體生長中進(jìn)一步減少了能耗和雜質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入晶體。其中，根據(jù)本發(fā)明方法鑄造的單晶體，通常具有和籽晶相同的晶向和晶格結(jié)構(gòu)，并且，不含或基本上不含CZ法單晶體含有的漩渦缺陷和氧致堆垛層錯(cuò)缺陷和其他旋轉(zhuǎn)性缺陷。根據(jù)本發(fā)明方法鑄造的多晶體，通常具有和籽晶中的微小單晶體對應(yīng)的沿凝固方向的長柱狀單晶體，和對應(yīng)于籽晶中的晶界，因此，所獲得的多晶體具有更整齊的晶格排列和更大的晶粒尺寸。由于在晶體原料熔化后，構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的絕熱材料穿過整個(gè)熔體而浮起或分離到熔體表面，或采用非連續(xù)的絕熱材料時(shí)，絕熱材料均勻分散于熔體中，絕熱材料的空隙或表面將吸附和/或附著熔體中的雜質(zhì)顆?；驃A雜物或沉淀物，起到了過濾熔體中的雜質(zhì)顆粒或夾雜物的效果，從而獲得了降低熔體和獲得的晶體中的雜質(zhì)顆粒或夾雜物或沉淀物的效果。可以簡單地通過調(diào)整絕熱材料的數(shù)量或孔隙度或顆粒度，獲得更強(qiáng)大的對熔體中的雜質(zhì)顆?；驃A雜物或沉淀物的過濾效果，使獲得的晶體不含或基本上不含雜質(zhì)顆?；驃A雜物或沉淀物。例如對于鑄造硅晶體來說，采用本發(fā)明的方法，獲得的硅晶體，例如單晶體或多晶體，可以不含或基本上不含諸如碳化硅、氮化硅沉淀或顆粒，及其他夾雜物， 因而獲得更純凈的晶體和更好的性能，例如作為半導(dǎo)體或光伏電池的電和熱性能。即使在原料純度較低的情況下，采用本發(fā)明方法，也可以獲得其主要有用部分不含或基本上不含雜質(zhì)顆?；驃A雜物或沉淀物的晶體。這里所述的晶體(指錠)的主要有用部分，即除去邊皮、凝固頭尾等雜質(zhì)含量高的部位后的剩余部分。本發(fā)明中，分隔籽晶和晶體原料的熱絕緣區(qū)域，其包含有形成某種形狀的固體材料時(shí)，優(yōu)選形成覆蓋籽晶的帽狀形態(tài)，例如，倒扣在籽晶上的帽狀或淺桶狀體，具有較好的熱絕緣效果?？梢圆捎脽峤^緣材料直接制成整體的帽狀，但優(yōu)選由至少2部分熱絕緣固體拼成各部分可自行分離的帽狀，例如一個(gè)板狀固體作為帽蓋，而圍成一圈的另一個(gè)、優(yōu)選多個(gè)板狀固體形成帽身。另一種實(shí)施方式中，構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的材料是蓋板狀，例如基本上平的蓋板，或者，周邊朝向籽晶底部所在平面彎曲的蓋板。所述的多個(gè)板狀固體優(yōu)選具有其最大尺寸沿水平方向的平衡中心，以便其能平浮在熔體表面。本發(fā)明中，所述的分隔籽晶和晶體原料的熱絕緣區(qū)域所包含的材料，優(yōu)選為晶體原料，并且優(yōu)選具有較低熱導(dǎo)率的形態(tài)的晶體原料，例如，為鑄造硅晶體，優(yōu)選采用硅原料構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的材料，并優(yōu)選纖維、中空纖維、顆粒、中空顆粒或粉末狀的硅材料，另一種方案是使用中空的具有一定形狀的硅材料，如中空的硅塊，或多孔隙的硅塊，構(gòu)成熱絕緣區(qū)域。依據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施方案，所述的分隔籽晶和晶體原料的熱絕緣區(qū)域所包含的材料，優(yōu)選為含有晶體原料構(gòu)成的元素成分的物質(zhì)，例如，為鑄造硅晶體，優(yōu)選采用含硅元素的材料構(gòu)成熱絕緣區(qū)域，例如，采用二氧化硅材料如石英砂、石英纖維、石英板、泡沫石英板、多孔石英陶瓷構(gòu)成熱絕緣區(qū)域，或者，采用氮化硅材料構(gòu)成熱絕緣區(qū)域，或者，采用氧化硅(SiO)材料為主構(gòu)成熱絕緣區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明，再一種實(shí)施方案是，采用構(gòu)成坩堝的材料構(gòu)成熱絕緣區(qū)域或其主要部分。例如，在使用石墨質(zhì)的坩堝的情況下，使用石墨材料，優(yōu)選具有較低熱導(dǎo)率的形態(tài)的石墨材料，例如，纖維狀、中空纖維狀、顆粒狀、中空顆粒狀或粉末狀的石墨材料，如石墨氈， 構(gòu)成熱絕緣區(qū)域。W028]石墨材料制成的低導(dǎo)熱性能的石墨體，例如石墨氈(碳?xì)?、石墨纖維板、膨脹石墨，或性能類似的碳素材料，是本發(fā)明的一種優(yōu)選的構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的材料，它基本上具有普適性，適合鑄造大部分種類的晶體材料。根據(jù)本發(fā)明的方法，其另一種實(shí)施方案是，采用構(gòu)成坩堝內(nèi)壁脫離涂層的材料構(gòu)成熱絕緣區(qū)域或其主要部分；或者采用含構(gòu)成坩堝內(nèi)壁脫離涂層的材料的元素的材料，構(gòu)成熱絕緣區(qū)域或其主要部分。例如，在含氧化鋇的脫離涂層的情況下，使用含氧化鋇的，或者含鋇元素的材料，優(yōu)選具有較低熱導(dǎo)率的形態(tài)的材料，例如，纖維、中空纖維、顆粒、中空顆粒、中空塊或粉末狀的含氧化鋇或者含鋇元素的材料，構(gòu)成熱絕緣區(qū)域；又例如，在含氮化硅的脫離涂層的情況下，使用含氮化硅的，或者含硅元素的材料，優(yōu)選具有較低熱導(dǎo)率的形態(tài)的材料，例如，纖維、中空纖維、顆粒、中空顆粒、中空塊或粉末狀的含氮化硅或者含硅元素的材料，構(gòu)成熱絕緣區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明，所述的熱絕緣區(qū)域包含的材料(實(shí)體)，優(yōu)選其在晶體的熔點(diǎn)或熔點(diǎn)以上至少一個(gè)溫度點(diǎn)，具有不高于、優(yōu)選低于熔體密度的平均密度。通常，多孔或疏松的固體材料(實(shí)體)，在各種溫度下都具有較低的平均密度，因此是本發(fā)明的優(yōu)選的構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的材料。作為元素或合金晶體的一個(gè)例子，同樣元素的氧化物很多具有低于元素物質(zhì)的密度，因此，也可作為優(yōu)選的構(gòu)成所述的熱絕緣區(qū)域的材料。例如，鑄造硅晶體時(shí)使用二氧化硅材料作為熱絕緣區(qū)域的材料。二氧化硅在硅熔點(diǎn)附近其密度低于熔硅。另一個(gè)實(shí)施方案是，采用二氧化硅和其他物質(zhì)組成的混合物，如含鋇或含鈉的石英玻璃，作為構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的材料，進(jìn)一步優(yōu)選的方案是，使用多孔隙的石英陶瓷材料，或者表面涂敷有與坩堝內(nèi)壁脫離涂層類似的涂層的石英或石英陶瓷材料作為構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的材料。根據(jù)本發(fā)明，所述的熱絕緣區(qū)域包含的材料，優(yōu)選具有不低于、進(jìn)一步優(yōu)選具有高于所鑄造的晶體的熔點(diǎn)。此外，構(gòu)成所述的熱絕緣區(qū)域的材料，也可以是無固定熔點(diǎn)的玻璃態(tài)物質(zhì)，例如以二氧化硅為主成分的石英玻璃。根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)成所述的熱絕緣區(qū)域的材料，優(yōu)選與晶體原料具有相同或相近的純度級別。根據(jù)本發(fā)明的方法，還可以檢測或觀察所述的熱絕緣區(qū)域的材料的位置和形態(tài)變化，由此判斷熔化的進(jìn)程，并進(jìn)而在熔化結(jié)束后，適時(shí)啟動(dòng)凝固過程。對于不同材料構(gòu)成的熱絕緣區(qū)域，可采取不同的檢測方式。例如，對于主要由許多非連續(xù)的固體材料構(gòu)成的熱絕緣區(qū)域，熱絕緣區(qū)域周圍的晶體原料大部分熔化后，由于熔體對非連續(xù)的固體材料的分散作用，構(gòu)成熱絕緣區(qū)域材料將逐漸分散而使熱絕緣區(qū)域逐漸解體，表現(xiàn)為在其初始位置所述的熱絕緣區(qū)域逐漸消失；對于主要由形成有一個(gè)形狀的一個(gè)或多個(gè)固體實(shí)體材料構(gòu)成的熱絕緣區(qū)域，隨著其附近的原料熔化成熔體，該固體實(shí)體材料將從其初始位置漂移開來， 并且，在其具有低于熔體的平均密度的情況下，浮起在熔體表面。特別的一種情況下，在鑄造硅晶體時(shí)，當(dāng)使用硅固體作為構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的主要材料時(shí)，一旦熱絕緣區(qū)域附近充滿了硅熔體，所述的硅固體因其低于硅熔體的密度而將在其全部熔化前浮離其初始位置，并最終熔于熔體而消失，由此可作為籽晶即將開始部分熔化的信號，經(jīng)適當(dāng)延遲，啟動(dòng)凝固過程。所述的延遲時(shí)間，可以依據(jù)加熱的熱通量和籽晶熔化的吸收熱之間的比值，和需要熔化的籽晶的量，精確計(jì)算。本發(fā)明中，優(yōu)選將籽晶安放在無底坩堝的底部位置而凝固沿籽晶主要向上方作方向凝固，這時(shí)，可以采用通用的垂直方向凝固裝置，例如VGF、VB、VBS裝置，例如DSS裝置， 經(jīng)按照本發(fā)明的方法和要求，作適當(dāng)調(diào)整而作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的專用裝置。例如，按前面的要求和實(shí)施方案，改變坩堝底部的導(dǎo)熱部位或均熱部位，和/或在坩堝底部位置設(shè)置特定的所述的散熱裝置；或者，當(dāng)使用鋪滿坩堝套所圍成的腔體底部的籽晶時(shí)，設(shè)置絕熱部位圍繞坩堝側(cè)壁的底部，分隔加熱器和籽晶，而在籽晶底部下方設(shè)置均熱部位或散熱裝置，其中，絕熱部位沿坩堝側(cè)壁的高度，優(yōu)選接近或超過覆蓋坩堝套底部的籽晶的高度；其中，優(yōu)選絕熱部位構(gòu)成坩堝側(cè)支撐壁的一部分。根據(jù)本發(fā)明的上述含有圍繞所述的坩堝側(cè)壁的底部的絕熱部位的晶體鑄造裝置，優(yōu)選其圍繞所述的坩堝的發(fā)熱器(加熱器)的底部邊緣，例如電阻加熱器或感應(yīng)發(fā)熱器的底部邊緣，設(shè)置為不低于、優(yōu)選高于所述的側(cè)壁的底部的絕熱部位的上邊緣，以減少熱能的損耗。在一些實(shí)施方案中，凝固時(shí)，所述的絕熱部位可以移開而暴露其覆蓋的坩堝側(cè)壁局部于更多的熱通量中以防止局部過冷而形成多晶的生長。本發(fā)明中，為減少設(shè)置于籽晶附近的散熱裝置在晶體原料加熱熔化過程中的散熱，可在籽晶和所述的散熱裝置之間設(shè)置絕熱裝置，分隔籽晶和所述的散熱裝置。例如，將絕熱板設(shè)置在籽晶和所述的散熱裝置之間作為所述的絕熱裝置。這樣可減少加熱熔化原料時(shí)的能量消耗。為避免所述的該絕熱裝置影響到熔體凝固時(shí)通過籽晶的散熱，可以在凝固過程中，移開所述的絕熱裝置?；蛘?，根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案，采用可轉(zhuǎn)變導(dǎo)熱性能的材料制成所述的絕熱裝置，所述的絕熱裝置具有在例如超過一定溫度時(shí)可自行轉(zhuǎn)變導(dǎo)熱體的性能，在其附近物體例如籽晶的溫度接近硅熔點(diǎn)時(shí)，所述的絕熱裝置轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)熱體，從而起到原料熔化前絕熱、晶體生長開始后導(dǎo)熱、散熱的作用。例如，在硅晶體鑄造中，采用硅合金材料如鋁硅合金材料制成所述的絕熱裝置，調(diào)整鋁硅合金材料的成分配比使其熔點(diǎn)略低于硅熔點(diǎn)，將其制成例如多孔狀的絕熱體，或空心球聚集體，一旦晶體原料熔化完成，籽晶溫度上升到接近硅熔點(diǎn)，該鋁硅合金制成的多孔狀的絕熱體或空心球聚集體將熔化成導(dǎo)熱性良好的鋁硅熔體，該鋁硅熔體由任選的置于其下方的具有容留熔體部位的導(dǎo)熱部位或散熱裝置容留，保持高導(dǎo)熱的熔體狀態(tài)或凝固成高導(dǎo)熱的固體實(shí)體，起到導(dǎo)熱和散熱作用，或自行流動(dòng)而從籽晶附近移走、解除了對籽晶的絕熱作用。所述的可容留由絕熱體熔化形成的熔體的導(dǎo)熱部位或散熱裝置，可以是置于籽晶下方、在晶體材料熔體凝固時(shí)排除籽晶和熔體的熱量的導(dǎo)熱部位或散熱裝置，也可以是遠(yuǎn)離籽晶的其他導(dǎo)熱部位或散熱裝置，后者借助散熱作用使遠(yuǎn)離籽晶的絕熱體熔化形成的熔體凝固。事實(shí)上，多種硅合金，其熔點(diǎn)都低于硅。用來制作本發(fā)明的所述的絕熱裝置的硅合金的另一些例子包括硅鍺合金、硅鈦合金， 硅鐵合金，等等。為避免所述的多孔狀的絕熱體熔化后影響到對籽晶的支撐，優(yōu)選將所述的絕熱體置于導(dǎo)熱部位或均熱部位下方。本發(fā)明中，還可以在籽晶附近、例如籽晶下方設(shè)置輔助加熱裝置，用于熔化原料時(shí)的輔助加熱或保溫。其中，一種實(shí)施方案是，所述的輔助加熱裝置采用電阻加熱器，并任選與籽晶附近的導(dǎo)熱部位或均熱部位合為一體，通電時(shí)，起加熱作用，停止通電時(shí)，起導(dǎo)熱或均熱作用。這樣，可以提高加熱熔化原料的效率，降低生產(chǎn)周期。本發(fā)明通過在諸如方向鑄造裝置的晶體制造設(shè)備設(shè)置無底坩堝，并進(jìn)而在坩堝內(nèi)外設(shè)置所述的熱絕緣區(qū)域和所述的絕熱部位、絕熱裝置，改變了熱場結(jié)構(gòu)，減少了熱量的損耗，提高了晶體原料熔化的效率，降低了熔化過程中的控制難度，減少或消除了熔體中的顆粒物、夾雜物、沉淀物，并通過熱場的精細(xì)調(diào)整和控制，使新生晶體能夠精確地沿著籽晶固態(tài)的表面生長，從而獲得了按照籽晶結(jié)構(gòu)預(yù)訂的晶體生長，得到顆粒物、夾雜物、沉淀物大大降低的優(yōu)質(zhì)單晶或多晶的材料。根據(jù)本發(fā)明，還提供了半導(dǎo)體晶片或器件的制造方法，包括提供根據(jù)本發(fā)明的方法制取的摻雜的P型或η型半導(dǎo)體晶體實(shí)體，由該晶體實(shí)體形成晶片，在該晶片上，任選形成至少一個(gè)ρ-η結(jié)，任選形成導(dǎo)電觸點(diǎn)(或線/帶)，任選封裝該晶片，任選將附加的器件連接該晶片上。根據(jù)本發(fā)明，還提供了光電池片或光電池的制造方法，包括提供根據(jù)本發(fā)明的方法制取的摻雜的半導(dǎo)體晶體實(shí)體；由該實(shí)體至少形成一個(gè)晶片；任選對晶片實(shí)施熱處理步驟；任選在晶片表面實(shí)施清洗步驟；任選在該表面上實(shí)施制絨步驟；形成p-n結(jié)；任選在該表面上沉積抗反射涂層；任選形成選自背面電場和鈍化層的至少一層；以及在晶片上形成導(dǎo)電觸點(diǎn)(線、帶)；任選將晶片封裝并引出導(dǎo)電線。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。


圖1示意本發(fā)明所述的熔體凝固的無底坩堝(鑄模)及籽晶、熱絕緣區(qū)域、晶體原料及散熱裝置。圖2示意本發(fā)明的一種實(shí)施方式中所述的熔體凝固坩堝套、籽晶和晶體原料的位置關(guān)系。圖3示意本發(fā)明的一種實(shí)施方式中所述的熔體凝固坩堝套、籽晶和晶體原料的位置關(guān)系。圖4示意本發(fā)明的再一種實(shí)施方式中所述的熔體凝固坩堝套、籽晶和晶體原料的位置關(guān)系。圖5示意本發(fā)明的晶體鑄造裝置的再一種實(shí)施方式中的所述的熔體凝固的坩堝套、籽晶、加熱器、坩堝套支撐裝置、絕熱裝置、散熱裝置的位置關(guān)系。圖6示意本發(fā)明的晶體鑄造裝置的再一種實(shí)施方式中的所述的熔體凝固的坩堝套(鑄模套)、籽晶、加熱器、坩堝套支撐裝置、絕熱裝置、散熱裝置的位置關(guān)系。圖7示意本發(fā)明的晶體鑄造裝置的一種實(shí)施例。圖8示意本發(fā)明方法所使用的籽晶的一種實(shí)施例。圖9示意采用本發(fā)明方法的一些實(shí)施方案鑄造獲得的晶體錠。本發(fā)明的裝置的示意圖均為剖面示意圖，圖中各部位所顯示的相對大小，依清楚地展示和方便繪圖的需要做了調(diào)整，并不代表實(shí)際的比例或尺寸。附圖標(biāo)記說明1、無底坩堝(鑄模)套；2、21、22、籽晶；3、31、熱絕緣區(qū)域；32、熱絕緣材料；4、41、晶體原料；42、晶體 (錠)；5、均熱部位或?qū)岵课?散熱裝置；51、導(dǎo)熱部位或均熱部位；6、61、絕熱部位或絕熱裝置；7、加熱器/晶體錠
具體實(shí)施例方式圖1示意本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)施方式中的所述的熔體凝固的無底坩堝套、籽晶、熱絕緣區(qū)域、晶體原料和散熱裝置的位置關(guān)系。圖1中，無底坩堝套1的底部放置有籽晶2，籽晶基本上覆蓋整個(gè)坩堝套的底部，構(gòu)成坩堝套的底壁，與坩堝套一起形成容納熔體的坩堝。置于坩堝內(nèi)的任選的熱絕緣區(qū)域3分隔籽晶2和晶體原料4或原料的熔體，由熱絕緣體構(gòu)成。其中，在熱絕緣區(qū)域和籽晶之間，還任選包含有部分微粒狀的晶體原料41，構(gòu)成分隔熱絕緣區(qū)域和籽晶的部分晶體原料分隔區(qū)域。熱絕緣區(qū)域可由多孔隙的與坩堝脫離涂層材料一致的材料組成，并具有低于晶體熔體的平均密度。在籽晶的下方，設(shè)置有由導(dǎo)熱材料構(gòu)成的導(dǎo)熱部位或均熱部位5，其作為散熱裝置或散熱裝置的一部分，與坩堝內(nèi)的籽晶相對應(yīng)，基本上覆蓋整個(gè)坩堝底部、包括籽晶的下方。實(shí)施本發(fā)明的方法，主要從坩堝套的上方和/或側(cè)上方提供熱量，加熱熔化所述的晶體原料和籽晶的一部分但保持籽晶的下部分為固態(tài)，此時(shí)，任選的所述的構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的材料從熔體中上浮到熔體表面，冷卻熔體， 其中，熱量主要從籽晶向散熱裝置流出，使熔體沿籽晶未熔化的固態(tài)表面凝固，并使凝固的界面逐漸遠(yuǎn)離籽晶中心，直到全部熔體凝固，獲得本發(fā)明的鑄造晶體，它在凝固起始部位包含有籽晶，同時(shí)在凝固終了部位包含有任選的構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的材料。使用本發(fā)明的晶體時(shí)，可以將上述構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的材料從晶體中分離出去。根據(jù)本發(fā)明的再一種實(shí)施方案，也可以省略上述的部分晶體原料分隔區(qū)域，由熱絕緣區(qū)域直接覆蓋或隔空覆蓋籽晶。本發(fā)明所述的坩堝套或鑄模套可以由任何合適的材料制成，例如，對于硅晶體制造，可采用的合適的坩堝材料，包括但不限于氧化物材料例如石英、石英陶瓷，單質(zhì)材料例如石墨，或含硅元素的材料例如氮化硅或氮化硅結(jié)合碳化硅材料。圖2示意本發(fā)明的再一種實(shí)施方式中所述的熔體凝固坩堝套、籽晶和晶體原料的位置關(guān)系。圖中，方形或圓筒形的坩堝套1的內(nèi)側(cè)下部基本上被籽晶體2覆蓋，與籽晶體形成一個(gè)可以容納晶體原料的坩堝。晶體原料4置于坩堝套內(nèi)的籽晶上方。加熱熔化原料4 時(shí)，籽晶通過散熱裝置(未示出)保持低于熔點(diǎn)以下的溫度。本發(fā)明中，籽晶邊緣盡可能與坩堝套內(nèi)壁貼合，籽晶邊緣和坩堝套之間的微小縫隙，可由晶體原料或流下的熔體遇冷凝固而充填。圖3示意本發(fā)明的再一種實(shí)施方式中所述的熔體凝固坩堝套、籽晶和晶體原料的位置關(guān)系。圖中，方形或圓筒形的坩堝套1具有含有缺空中央部位的部分底壁，其缺空部位被籽晶體2完全覆蓋，與籽晶體形成一個(gè)可以容納晶體原料的坩堝。晶體原料4置于坩堝套內(nèi)的籽晶上方。加熱熔化原料4時(shí)，籽晶通過散熱裝置(未示出)保持低于熔點(diǎn)以下的溫度。本實(shí)施方案的再一種變化方式是，所述的籽晶在所述的坩堝套底部的缺空部位向下成平臺凸起，凸起伸出到至少和坩堝套的部分底壁平齊，這種方式可確保籽晶與下方的散熱裝置或?qū)帷⒕鶡岵课豢拷?，使熱量能快速傳遞出去。圖4示意本發(fā)明的再一種實(shí)施方式中所述的熔體凝固坩堝套、籽晶和晶體原料的位置關(guān)系。圖中，方形或圓筒形的坩堝套1具有含有缺空中央部位的部分底壁，其缺空部位被與缺空部位形狀和尺寸幾乎一致的籽晶體2完全填塞，坩堝套1與籽晶體形成一個(gè)可以容納晶體原料的坩堝。晶體原料4置于坩堝套內(nèi)的籽晶上方。加熱熔化原料4時(shí)，籽晶通過散熱裝置(未示出)保持低于熔點(diǎn)以下的溫度。凝固時(shí)，熱量通過籽晶傳遞到冷凝器(未示出)。圖5示意本發(fā)明的晶體鑄造裝置的再一種實(shí)施方式中的所述的熔體凝固的坩堝套、籽晶、加熱器、坩堝套支撐裝置、絕熱裝置、散熱裝置的位置關(guān)系。圖中，坩堝套1底部表面放置有籽晶2，籽晶覆蓋整個(gè)坩堝套底部，與坩堝套一起形成容納晶體原料的容器，加熱器7提供晶體熔化和保持熔體熔化狀態(tài)的熱量，并通過坩堝套支撐裝置51 (導(dǎo)熱部位)將熱量傳遞給晶體原料。在坩堝套的底部外側(cè)，設(shè)置有絕熱裝置6，包圍籽晶，將籽晶2和加熱器7分隔開來，以減少熔化原料過程中傳遞到籽晶的熱量。籽晶的下方，還設(shè)置有池狀的散熱裝置，用以在原料加熱時(shí)保持籽晶處于熔點(diǎn)以下溫度和熔體凝固時(shí)維持籽晶良好的散熱。圖中，池狀的散熱裝置的池墻部分，包圍籽晶下部分的四周。本實(shí)施方案的一種改進(jìn)方式是，所述的池墻向上進(jìn)一步延伸到包圍坩堝套底部的部分側(cè)壁，可進(jìn)一步避免可能的熔體泄露。采用本發(fā)明的晶體鑄造裝置鑄造晶體時(shí)，先在坩堝套內(nèi)形成原料熔體，高溫的熔體熔化籽晶的上部分，而籽晶的下部分通過散熱保持固態(tài)；使熱量沿籽晶傳出而冷卻熔體，使熔體沿籽晶的固-液界面凝固，形成新的固-液界面，使固-液界面逐漸遠(yuǎn)離籽晶直到熔體全部凝固，就獲得和籽晶晶體結(jié)構(gòu)一致的晶體。根據(jù)本發(fā)明，坩堝套內(nèi)的原料熔體可以是固體原料經(jīng)加熱熔化形成，也可以是熔體直接澆入坩堝套內(nèi)形成，或者兩者兼而有之。根據(jù)本發(fā)明，本實(shí)施方案中，可以任選在籽晶上方覆蓋熱絕緣材料，形成熱絕緣區(qū)域，以確保籽晶在原料加熱過程中不會(huì)被完全熔化。
圖6示意本發(fā)明的晶體鑄造裝置的再一種實(shí)施方式中的所述的熔體凝固的坩堝套(鑄模套)、籽晶、加熱器、坩堝套支撐裝置、絕熱裝置、散熱裝置的位置關(guān)系。圖中，坩堝套1底部放置有籽晶2，籽晶覆蓋整個(gè)坩堝套底部，與坩堝套一起形成容納晶體原料的容器，加熱器7提供晶體熔化和保持熔體熔化狀態(tài)的熱量，并通過坩堝套支撐裝置51 (作為導(dǎo)熱部位)將熱量傳遞給晶體原料。在坩堝套的底部外側(cè)，設(shè)置有絕熱裝置6，包圍籽晶，將籽晶2和加熱器7分隔開來，以減少熔化原料過程中傳遞到籽晶的熱量。籽晶的下方，還設(shè)置有絕熱裝置61，用以在加熱過程中減少通過籽晶散熱的熱量損耗。絕熱裝置61的下方，設(shè)置有散熱裝置，用以在原料加熱時(shí)保持籽晶處于熔點(diǎn)以下溫度和熔體凝固時(shí)維持籽晶良好的散熱。采用本發(fā)明的晶體鑄造裝置鑄造晶體時(shí)，先加熱坩堝套內(nèi)的原料使熔化成熔體，高溫的熔體熔化籽晶的上部分；移開絕熱裝置61，熔體的熱量經(jīng)固態(tài)的籽晶傳遞到散熱裝置而冷卻熔體，使熔體沿籽晶的固-液界面凝固，形成晶體生長和新的固-液界面，使固-液界面逐漸遠(yuǎn)離籽晶直到熔體全部凝固，就獲得和籽晶晶體結(jié)構(gòu)一致的晶體。根據(jù)本發(fā)明，本實(shí)施方案中，絕熱裝置61可以采用例如由合金或單質(zhì)或化合物制成的多孔狀絕熱體，選取其熔點(diǎn)低于晶體的熔點(diǎn)的合金或單質(zhì)或化合物，當(dāng)籽晶底部附近溫度高于其熔點(diǎn)時(shí)，多孔狀絕熱體熔化形成導(dǎo)熱性良好的熔體，該熔體流走或留在原位形成高導(dǎo)熱性的導(dǎo)熱部位， 可將熱量高效率地傳遞到散熱裝置，使凝固時(shí)的通過籽晶的有效散熱得以實(shí)現(xiàn)。圖7示意本發(fā)明的晶體鑄造裝置的一種實(shí)施例。圖中，底壁包含有缺空部位的坩堝1的底壁缺空處由籽晶2覆蓋，晶體原料4置于坩堝1中。籽晶的下方設(shè)置有導(dǎo)熱部位或均熱部位51，吸收籽晶的熱量以確保籽晶不會(huì)完全熔化并傳遞熔體凝固時(shí)產(chǎn)生的熱量。所述的導(dǎo)熱部位或均熱部位51，優(yōu)選具有和籽晶相似的形狀，和具有籽晶面積的51 149%， 以形成良好的吸熱效果。導(dǎo)熱部位或均熱部位51所吸收的熱量，經(jīng)由散熱裝置5吸收。由于籽晶的面積遠(yuǎn)小于坩堝底部的截面積，小于欲生長的晶體的橫向尺寸，因此，采用本發(fā)明裝置和方法鑄造晶體，在熔體開始凝固階段，優(yōu)選控制熔體沿籽晶四周優(yōu)先凝固，以形成向籽晶周邊的晶體生長優(yōu)勢，擴(kuò)大晶體生長的固-液界面的橫向尺寸，為此，沿籽晶所在部位水平方向上形成以籽晶中心部位溫度最低的徑向溫度梯度分布熱場，是優(yōu)選的熱場溫度控制方式?？刂茖?dǎo)熱部位或均熱部位51適當(dāng)?shù)某叽绾兔娣e，或者，任選在導(dǎo)熱部位或均熱部位51周邊，設(shè)置絕熱部位或絕熱裝置6，由絕熱裝置6包圍導(dǎo)熱部位51，也有助于形成所述的徑向溫度梯度熱場。采用本發(fā)明的上述晶體鑄造裝置鑄造晶體時(shí)，任選在籽晶的上方設(shè)置由低導(dǎo)熱材料構(gòu)成的熱絕緣區(qū)域(圖中未示出)，分隔籽晶和晶體原料，以降低加熱熔化晶體原料時(shí)熱量通過籽晶的散發(fā)和防止籽晶過早熔化。通過這種方法，可以由尺寸較小的籽晶，獲得尺寸較大的晶體，從后者可以制作尺寸較大的晶體，用作本發(fā)明方法的新的籽晶，從而獲得更大的晶體。由此，可以從尺寸很小的籽晶，獲得幾乎任意尺寸的大尺寸晶體， 包括大尺寸單晶體。本發(fā)明除了用于獲得單晶體外，還可以獲得雙晶體或具有幾何規(guī)則排列的多晶體。圖8示意本發(fā)明方法所使用的籽晶的一種實(shí)施例。圖中，至少一個(gè)晶向?yàn)榈谝蝗∠虻木w21的四周由另一個(gè)(或一些)晶向?yàn)榈诙∠虻木w22包圍，形成本發(fā)明的方法所用的籽晶2。例如，所述的第一晶體取向?yàn)?lt;100>，第二晶體取向?yàn)?lt;111>。本發(fā)明方法使用這樣的籽晶誘導(dǎo)晶體生長，能夠獲得雙晶體，其中，周邊的第二取向的晶體作為籽晶引導(dǎo)熔體的晶體生長，可以抑制晶體生長過程中雜晶的形成。根據(jù)本發(fā)明，其中，居中的第一取向的晶體優(yōu)選具有較大的尺寸或面積，以誘導(dǎo)形成晶體的主要部分。實(shí)施例；使用內(nèi)壁涂有淡化硅涂層的石英坩堝套，將一塊或多塊拼成一體的單晶硅籽晶鋪滿或幾乎鋪滿坩堝套的底部、形成籽晶層底壁，與坩堝套一起構(gòu)成坩堝，籽晶層的厚度可取1 1000mm，優(yōu)選10 50mm，本例中取40mm。任選一層厚度約20mm的硅粉或中空的硅球覆蓋在籽晶上，任選取厚度約25mm的表面涂有氮化硅的石英陶瓷板，覆蓋在所述的一層硅粉或硅球上，形成熱絕緣區(qū)域，將硅原料裝入坩堝內(nèi)堆積在所述的石英陶瓷板上方。在籽晶下方，設(shè)置有由導(dǎo)熱材料構(gòu)成的導(dǎo)熱部位或均熱部位，以允許凝固時(shí)熔體的熱量由籽晶經(jīng)由該導(dǎo)熱部位或均熱部位傳遞出去。坩堝的側(cè)壁底部附近，任選設(shè)置有圍繞坩堝的絕熱部位，由絕熱材料構(gòu)成，優(yōu)選陶瓷材料或碳?xì)?，其下緣臨近籽晶下方的導(dǎo)熱部位，其上緣鄰近坩堝側(cè)壁外或有的導(dǎo)熱部位或加熱部位的下緣，該導(dǎo)熱部位或加熱部位支撐坩堝套，熱量從該導(dǎo)熱部位或加熱部位傳遞給坩堝內(nèi)的硅原料。其中，所述的絕熱部位的上緣， 臨近坩堝內(nèi)熱絕緣區(qū)域上緣所在的水平面。通過設(shè)置在坩堝側(cè)壁和/或上口的加熱器，例如電阻或感應(yīng)加熱器，主要從側(cè)上方和上方提供熱量，加熱熔化坩堝內(nèi)的硅原料，直到構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的石英陶瓷板浮起在熔體表面，繼續(xù)加熱使籽晶層的上部約1 30mm厚度的籽晶部位熔化，停止熔化原料的加熱過程，開始冷卻和凝固過程，使熱量主要透過籽晶的剩余固體部分傳遞到籽晶下方的導(dǎo)熱部位或均熱部位，并通過散熱裝置傳遞出去，而使熔體沿籽晶的固態(tài)表面凝固，并使凝固的界面上移，直到凝固遍及所有熔體，獲得鑄造的晶體。其最后凝固的上表面可覆蓋有一層石英陶瓷材料，其初始凝固的部位包含有籽晶層。切除該石英陶瓷材料，切下包含籽晶的40mm厚度的下部分晶體，所獲得的40mm厚板狀晶體可以作為本發(fā)明方法的籽晶使用，優(yōu)選清潔后作為籽晶使用，供再一次的晶體鑄造。其余的硅錠， 從切面觀察，可以看到形成的是硅單晶。重復(fù)加料試驗(yàn)，通過更快地散熱或通過部分側(cè)壁排除部分熱，而提高凝固速度，所獲得的晶體為近單晶體，在主要的單晶結(jié)構(gòu)之外，還包含有少量雜晶和晶界。本實(shí)施例的一種變化的方式是，所述的籽晶下方的導(dǎo)熱部位或均熱部位， 由初始呈低熱導(dǎo)性的多孔鋁硅合金板形成，在加熱熔化晶體原料過程中，起到阻止沿籽晶的熱量散發(fā)作用。當(dāng)晶體原料和部分籽晶熔化后，所述的多孔鋁硅合金板熔化成熔體，獲得較高的導(dǎo)熱性能，在隨后的熔體冷卻和晶體生長過程中，起到傳遞熱量的作用。為使獲得的硅晶體適合于半導(dǎo)體或光伏的用途，所述的硅原料優(yōu)選具有5η或6η 以上的純度，并摻雜有任選自硼、鋁、鎵、銦之一的電性摻雜劑，并允許含有相比III族元素不占優(yōu)勢的V族元素雜質(zhì)，例如氮、磷、砷，可獲得P型硅晶體，例如硅單晶，從中切取厚或薄的硅晶片，可用于制造半導(dǎo)體元件，例如制造包含ρ-η結(jié)的半導(dǎo)體晶片，或光伏電池片。由于后面將要描述的晶體的優(yōu)良性能，所制造的半導(dǎo)體晶片，或光伏電池片，相比同等級的原料以常規(guī)方法制取的硅晶體材料制造的半導(dǎo)體晶片或光伏電池片，具有更優(yōu)良的性能。圖9示意采用本發(fā)明方法的一些實(shí)施方案鑄造獲得的晶體錠7，它可以是單晶錠、 近單晶錠、雙晶體錠或多晶錠，例如，硅單晶錠。其中，晶體錠的最上部是凝固終了的部位， 它含有熱絕緣材料32 ；晶體錠的最下部是凝固起始的部位，它包含有籽晶2，籽晶2可以覆蓋幾乎整個(gè)底部或僅覆蓋部分底部或少部分底部，可以凸出于晶體底部，或者埋于晶體的底部。晶體錠7的晶體部分具有與籽晶2—致或相似的晶體結(jié)構(gòu)和晶向。根據(jù)本發(fā)明，由于晶體錠的籽晶部分、特別是籽晶的外部，不與或基本上不與坩堝壁或坩堝壁上的脫離涂層接觸，在原料加熱和熔體凝固的整個(gè)晶體鑄造過程中，構(gòu)成坩堝壁或坩堝壁上的脫離涂層的材料或其包含的雜質(zhì)成分不會(huì)或基本上不會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入籽晶、特別是不會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入所述的籽晶的外部，從而極大地減少或避免了所述的坩堝壁或坩堝壁上的脫離涂層的材料或其包含的雜質(zhì)對籽晶的污染。為進(jìn)一步防止其他來源的雜質(zhì)例如來自所述的導(dǎo)熱部位或散熱裝置的雜質(zhì)對籽晶的污染，本發(fā)明還通過在籽晶表面覆蓋一薄層與籽晶材料相同的晶體或非晶體材料，保護(hù)籽晶。對根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案，單晶或多晶的晶體錠7不含或基本不含夾雜物、沉淀物、顆粒物；不含或基本上不含漩渦缺陷和不含或基本上不含氧致層錯(cuò)堆垛缺陷，不含或基本上不含其他旋轉(zhuǎn)性雜質(zhì)條紋缺陷。根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施方案，晶體錠7可以是ρ型的或η型的半導(dǎo)體晶體，取決于鑄造的原料種類及其優(yōu)勢摻雜雜質(zhì)的種類。 切除其包含熱絕緣材料的部分，制取至少一個(gè)晶片或稍厚的晶元，在其上部分摻雜制作至少一個(gè)ρ-η結(jié)，即獲得含至少一個(gè)ρ-η結(jié)的晶片或晶元，可用作各種半導(dǎo)體元件，或光伏電池片，例如，砷化鎵的半導(dǎo)體元件、光伏電池片，或者晶硅半導(dǎo)體元件、晶硅光伏電池片。所述的切下的熱絕緣材料，經(jīng)過例如清洗或純化處理，除去雜質(zhì)和夾雜物、吸附或夾帶的顆粒物、沉淀物，可以用作本發(fā)明方法的構(gòu)成熱絕緣區(qū)域的材料，再次使用。根據(jù)本發(fā)明的方法，晶體錠7可以具有在實(shí)用的范圍內(nèi)幾乎任意大小的尺寸，適用于高的生產(chǎn)效率和優(yōu)良的產(chǎn)品質(zhì)量，晶體錠7具有各自為至少約^cm的2個(gè)尺寸和至少約20cm的第三尺寸。采用本發(fā)明的方法，制造硅晶體，特別是適合半導(dǎo)體用途的硅晶體，例如，制作二極管、三極管、晶閘管的晶元，或者光伏電池的晶片，一般采用摻雜有III、V族元素雜質(zhì)的高純硅原料，例如，摻有硼的硅原料，或者摻雜有硼并有少部分磷雜質(zhì)的硅原料，其中，硼居于優(yōu)勢數(shù)量并使獲得的晶體呈現(xiàn)為P型半導(dǎo)體。從這樣獲得的P型半導(dǎo)體晶體制取P型晶片或晶元，經(jīng)部分摻雜V族元素，在其中形成至少一個(gè)Ρ-η結(jié)，就獲得可直接制成半導(dǎo)體器件或光伏電池的晶片或晶元。根據(jù)本發(fā)明，由于籽晶具有對晶體生長的良好誘導(dǎo)作用，并降低生長界面的活化能，使得晶體生長優(yōu)先沿籽晶表面以籽晶的晶體結(jié)構(gòu)生長，因此，特別適合于鑄造單晶體或近單晶體，和特定晶向的晶體。例如，硅單晶和近單晶硅，以及具有預(yù)定晶向的單晶或近單晶。作為比較，根據(jù)常規(guī)的生長硅單晶體的CZ法，通過從熔融的硅池中拉出圓柱形狀的晶棒，由于拉晶的旋轉(zhuǎn)對稱性、徑向熱梯度以及過程中的固有旋轉(zhuǎn)，漩渦缺陷和OSF環(huán)缺陷均出現(xiàn)在單晶硅的晶棒中。FZ法獲得的多晶硅或單晶硅棒，具有相似的缺陷。相反，可以通過根據(jù)本發(fā)明的方法制備的硅單晶體，其不會(huì)表現(xiàn)出這種漩渦缺陷和OSF環(huán)缺陷和其他旋轉(zhuǎn)性雜質(zhì)條紋缺陷。在整個(gè)凝固和冷卻過程中穿過硅錠的等溫線基本上是平坦的過程中，凝固過程期間所引入的缺陷基本上隨機(jī)地分布到不受旋轉(zhuǎn)影響的生長界面上。由此可獲得不含或基本上不含漩渦缺陷以及不含或基本上不含OFS缺陷的低位錯(cuò)密度晶硅，尤其是單晶硅和近單晶硅。其較FZ或CZ法生長單晶硅，可以容易地獲得具有更大截面的晶錠， 提高生產(chǎn)率，降低能耗。另一方面，根據(jù)本發(fā)明，坩堝套內(nèi)的熔硅從一個(gè)橫截面較小的籽晶容納部位開始凝固，從籽晶的上部固-液界面開始凝固，其即使采用多晶硅的籽晶，其生長成硅多晶，也將具有極顯著少的晶粒和晶界、較大的其高度最高可以與硅錠的垂直尺寸一樣長的晶粒尺寸，以及預(yù)定的晶向，并提高了生長速度。由此獲得的多晶硅錠，具有特定的而不是隨機(jī)的晶界和特定(大的)晶粒尺寸，及較高的機(jī)械強(qiáng)度，具有比普通的垂直方向凝固法獲得的多晶硅錠更優(yōu)良的適宜制作光電池的品質(zhì)。采用本發(fā)明的裝置和方法，由于可以獲得較完美的晶體生長，尤其是減少了晶界和雜質(zhì)，減少了夾雜物和沉淀物、顆粒物，可以使用純度約5N的原料而獲得良好的太陽能級硅晶體，甚至一些情況下，例如硼、磷、鋁較低的情況下，可以使用純度約4N的原料進(jìn)行晶體生長而獲得實(shí)體的大部分滿足太陽能級硅晶體要求的晶體胚體或晶錠。根據(jù)本發(fā)明制成的硅錠在水平截面(即與晶體生長方向垂直的方向)的尺寸上限僅由方向凝固裝置及坩堝套的制造技術(shù)所確定，不是由發(fā)明方法本身或籽晶的尺寸所確定。根據(jù)本發(fā)明可以制造出水平尺寸上至少有1個(gè)約Im以上的尺寸，以及截面面積至少 lm2及至多4 8m2的晶錠，包括單晶硅錠和近單晶硅錠。由于決定生產(chǎn)周期的是晶體沿垂直方向的生長時(shí)間，制造大的水平截面尺寸的晶錠，能獲得較高的生產(chǎn)效率。類似地，晶錠高度的上限可能與較長的周期時(shí)間有關(guān)，而不是與制造過程的基礎(chǔ)有關(guān)。至多約51cm至約 81cm、甚至IOlcm的錠高度是可能的。沿合適的方向切割所獲得的晶錠，從中制取晶片，其中，該晶片適合用于制作半導(dǎo)體器件例如光電池，而較大的晶片可以獲得更高的光電池制造效率和轉(zhuǎn)換效率。由此，本發(fā)明還提供了具有確定晶向的單晶硅片或近單晶硅片，及較大的晶粒尺寸和確定的晶向的多晶硅片，其具有較少的缺陷，包括摻雜的不含或基本上不含漩渦缺陷以及不含或基本上不含OFS缺陷、不含或基本上不含顆粒物、沉淀物或夾雜物，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和易加工性、以及較長的少數(shù)載流子壽命和使用壽命、并適合制作光電池。本發(fā)明的摻雜為ρ型或η型的單晶錠，比較常規(guī)CZ或FZ法獲得的單晶錠，因凝固行程較短，頭尾之間電阻率變化較小，用于制作半導(dǎo)體晶片或光電晶片，不僅材料利用率提高，并且降低了后續(xù)處理的工藝控制難度，適合大批量生產(chǎn)電阻率均勻的晶片和光電池。根據(jù)本發(fā)明的晶片，其尺寸的上限僅由本發(fā)明提供的晶錠的尺寸和晶片的制造技術(shù)所確定。根據(jù)本發(fā)明可以制造出至少有2個(gè)約51mnK2英寸)以上的尺寸，例如約IOcm 或25cm或約35cm或約45cm，以及表面面積至少IOOcm2及至多約0. 3 Im2的晶片。該晶片可用作光學(xué)或半導(dǎo)體晶片、基片。例如，大尺寸的藍(lán)寶石LED基片。將獲得的晶片進(jìn)一步按半導(dǎo)體元、器件工藝加工，獲得半導(dǎo)體元、器件。例如按光電池的工藝加工，即獲得光電池，它較普通的單晶硅錠制成的電池，具有高的光能轉(zhuǎn)換效率和使用壽命。由此本發(fā)明提供了一種光電池，包括由連續(xù)的本發(fā)明的晶硅實(shí)體形成的晶片，該實(shí)體具有預(yù)定排列的晶粒取向，優(yōu)選共極方向垂直于該實(shí)體的表面，該實(shí)體進(jìn)一步具有各自任選為至少約Ilcm的至少2個(gè)尺寸和至少約5. lcnK2英寸)的第三尺寸。該晶片進(jìn)一步具有各自為至少約50mm的至少2個(gè)尺寸；晶片中的p-η結(jié)；晶片表面上任選的抗反射涂層；任選自背面電場和鈍化層的至少一層；以及晶片上的導(dǎo)電觸點(diǎn)；任選的封裝晶片的透光玻璃和背板，和任選的從晶片上的導(dǎo)電觸點(diǎn)引出的導(dǎo)電線。通常，由附加金屬構(gòu)成的光電池片或光電池上的相同極性的導(dǎo)電觸點(diǎn)彼此鄰接成連續(xù)的線帶狀。申請人:發(fā)現(xiàn)，包括本發(fā)明的各具體實(shí)施方式
和實(shí)施例中，凡是使用硅材料制造晶體的，也適用于摻鍺的硅材料和硅鍺材料制造晶體。其中，籽晶的成份優(yōu)選與原料的成分相同或相近，也可不同，例如采用硅單晶作為籽晶而原料使用摻鍺的硅或硅鍺材料，或者相反。采用本發(fā)明可以制造適合光伏的摻鍺的硅晶體和硅鍺晶體材料，例如，制造含鍺約0. 5 5ppm的摻鍺的硅晶體，含鍺約5 IOOOOppm的硅晶體，含鍺約1 10%的硅晶體， 含鍺約10 49%的硅鍺晶體，等等。其中，采用含鍺的普通金屬硅原料，經(jīng)純化處理，再使用本發(fā)明的裝置和方法制造晶體，可不需添加鍺，可直接獲得含鍺約0. 5 5ppm的硅晶體。本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見，在不偏離本發(fā)明的范圍或構(gòu)思的情況下，可以對所披露的結(jié)構(gòu)和方法做出各種修改和變形。例如，所披露的與形成單晶硅有關(guān)的過程及方法也適用于形成近單晶硅、大晶粒特定晶向的多晶硅或其組合。以上各實(shí)施方案和實(shí)施例，同樣可以用于采用基于VG法、VB法、VBS法、HEM熱交換法的鑄造方式的晶體生長工藝中。此外，雖然本發(fā)明描述了硅和硅鍺的鑄造，但在不偏離本發(fā)明的范圍和構(gòu)思的情況下，也可以鑄造其他半導(dǎo)體材料和金屬及非金屬晶體材料，包括任何其從熔體凝固后的狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)為晶體、或與準(zhǔn)晶體或近晶體相同或相似。作為例子，本發(fā)明所鑄造的物質(zhì)包括元素周期表里從第3號到第118號元素中在常溫下或者加溫加壓下處于固態(tài)或液態(tài)并在溫度較高時(shí)有液態(tài)狀態(tài)的任一種元素，以及這些元素化合而成的單一成分的化合物，包括金屬、非金屬、半導(dǎo)體材料、陶瓷，包括碳族、氮族、氧族、商族的化合物，包括金屬化合物，包括半導(dǎo)體元素的化合物，包括金屬間化合物，以及上述這些單質(zhì)和化合物的任意組合物。例如，本發(fā)明人已經(jīng)設(shè)想了與本發(fā)明實(shí)施方案一致的其他材料，例如鍺、砷化鎵、氮化鎵、氧化鋁(包括藍(lán)寶石)、氧化鋅、硫化鋅、砷化銦鎵、銻化銦、釔鋇氧化物、鑭系元素氧化物、III-V 族元素化合物材料、II-VI族元素化合物材料，以及其他半導(dǎo)體、氧化物和與液相的金屬間化合物的鑄造。本發(fā)明的說明書和實(shí)施方案只是示例性的，考慮到說明書以及實(shí)踐本文中披露的發(fā)明精神，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以顯而易見本發(fā)明的其他實(shí)施方案。作為本發(fā)明的方法和裝置鑄造的化合物或合金材料或金屬間化合物或陶瓷材料的具體例子，包括(但不限于)自以下物質(zhì)中任選的一種或一種以上的組合物AlSb、 A12S3、A12Se3, A12Te3, Sb203、Sb2S3、Sb2Se3、Sb2Te3、As2S3、As2Se3, As2Te3, Bi2Se3, Bi2Te3、Bi203、Bi2S3、CdAs2、Cd3As2、CdSb, CdSe, CdS, CdTe, Cu2S、CuGaSe2, CuGaTe2, CuInS2、CuInSe2、CuInTe2、CuTlSe2、CuTlTe2、GaAs、GaSb、Ga203、GaS、Ga2S3、GaSe、Ga2Se3、 GaTe> GeS、GeS2、GeSe、GeSe2、GeTe、HgS> HgSe> HgTe> InBi > InAs> InSb、In203、InP、InSe、 In2Se3、In2S3、InTeO, InSeO, InTe, In2Te3、PbO、PbS、PbSe、PbTe, AlTe、Mg2Si、Mg3Bi2、 MgGe, MgSn, Mg2Pb、SnS, SnSe, SnSe2, NiS、SnTe, Ag2S、Ag2Se、Ag2Te、AgGaSe2, AgGaTe2, AgInS2、AgInSe2, AgInTe2, AgTlSe2, AgTlTe2, Te02, Sn02、SnO, SnSe, SnSe2, SnTe, TISe、 T12S,ZnAs2,Zn3As2,ZnSb,Zn3P2,ZnS,ZnSe,WSe2,ZnTe,Si02,Ti02,Ti305,Ti203,A1203, MgO, CaO, Cu20、Nd203、Gd203、Y203、CaF2、LaF3、CeF2、Ce6K7F31、PrF3、NdF3、GdF3、DyF3、 YF3、SeN, YN、La2S3、CuInSe2, CuInGeSe2, Cu (InxGa(1_x)) Se2、Cu2ZnSnS4、Ti3Al、TiAl、 Ni3Al、FeAl、Fe3Al、MoFe2、WFe2、NbFe2、TiFe2、MgCu2、MgNi2、釹鐵硼合金、釔鋇銅氧化物、A1203-YAG、A1203-GAP、A1203_Zr02、A1203-EAG、A1203-EAG_Zr02、A1203_(RE)A103、 Zr02-Ca0、CaF2_Mg0、MgO-MgAl204, NiO-CaO,Ni0_Y203。作為本發(fā)明的方法構(gòu)成分隔籽晶和晶體原料的熱絕緣區(qū)域的材料，可以包含至少一種周期表中的金屬元素的氧族元素化合物、碳族元素化合物、氮族元素化合物、硼化物， 以及III和V族元素之間的化合物例如氮化硼，以及至少一種上段中所列的其他物質(zhì)。
權(quán)利要求
1.制造晶體、特別是單晶體的方法，包括提供無底坩堝套或底壁有缺口的坩堝，在坩堝套的底部或坩堝的底壁缺口處放置至少一個(gè)籽晶，與坩堝套一起形成晶體原料熔體在其中凝固的坩堝，熔化所述的籽晶的一部分使其成為與剩余籽晶的固體表面相接觸的晶體原料熔體的一部分，冷卻熔體使其沿籽晶未熔化的固態(tài)表面凝固，并使凝固的界面逐漸遠(yuǎn)離籽晶中心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，在籽晶面向所述的坩堝套或坩堝腔體的至少部分表面以外，設(shè)置熱絕緣區(qū)域，將至少部分晶體原料置于所述的坩堝腔體內(nèi)的所述熱絕緣區(qū)域外與籽晶隔開的另一側(cè)，加熱熔化所述的晶體原料和籽晶的一部分，形成連成一體的與籽晶的固態(tài)部分接觸的熔體，冷卻熔體使其沿籽晶未熔化的固態(tài)表面凝固。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，所述的熱絕緣區(qū)域包含有任選自以下一組材料中的至少一種至少一個(gè)具有確定形狀的連續(xù)固體實(shí)體、至少一個(gè)形成了一個(gè)形狀的多孔隙的固體實(shí)體、許多非連續(xù)的固體材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，所述的熱絕緣區(qū)域包含的許多非連續(xù)的固體材料為任選自纖維、中空纖維、顆粒、中空顆?；蚍勰畈牧现械闹辽僖环N。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，在所述的熱絕緣區(qū)域和籽晶之間，還包含有任選自塊狀、纖維、中空纖維、顆粒、中空顆粒、中空塊或粉末狀原料的至少一種晶體原料。
6.根據(jù)權(quán)利要求2 5的方法，其中，所述的熱絕緣區(qū)域包含有任選自以下一組材料中的至少一種碳或石墨材料、晶體原料、含有晶體原料構(gòu)成成分包含的元素的材料、構(gòu)成坩堝套內(nèi)壁的材料、構(gòu)成坩堝(套)內(nèi)壁脫離涂層的材料、含有坩堝(套)內(nèi)壁的構(gòu)成成分包含的元素的材料、含有坩堝(套)內(nèi)壁脫離涂層的構(gòu)成成分包含的元素的材料、其他氧族元素化合物、其他碳族元素化合物、其他氮族元素化合物、其他硼化物、其他III和V族元素之間的化合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求2 5的方法，其中，包括檢測所述的熱絕緣區(qū)域的材料的形態(tài)和/或位置的變化，當(dāng)其與預(yù)先設(shè)置的參數(shù)符合時(shí)，啟動(dòng)或延遲一個(gè)預(yù)定的時(shí)間啟動(dòng)凝固步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求2 5的方法，其中，在晶體原料幾乎完全熔化成熔體后，構(gòu)成所述的熱絕緣區(qū)域的材料從熔體的下部浮起到熔體表面并覆蓋熔體的至少部分表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 5的方法，其中，所述的籽晶下方設(shè)置有和籽晶的尺寸或形狀相對應(yīng)或按比例相似的熱傳導(dǎo)體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 5的方法，其中，所述的籽晶覆蓋所述的坩堝腔體底部面積的 0. 1 99. 9%、優(yōu)選 1 10%。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，凝固初期，在所述的籽晶所在部位還提供以籽晶中央為低溫點(diǎn)的水平徑向溫度梯度分布熱場。
12.鑄造晶體的裝置，所述的裝置包括無底或漏底坩堝，用于支撐所述的坩堝的部位，其中，晶體材料的熔體在所述的無底或漏底坩堝中凝固；覆蓋所述的坩堝底部的均熱部位或?qū)岵课?；坩堝?cè)壁外的發(fā)熱器；包圍坩堝側(cè)壁底部的絕熱部位。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的鑄造晶體的裝置，其中，位于坩堝側(cè)壁的發(fā)熱器的下邊緣，不低于、優(yōu)選高于所述的絕熱部位的上邊緣。
14.鑄造晶體的裝置，所述的裝置包括無底或漏底坩堝，用于支撐所述的坩堝的部位，其中，晶體材料的熔體在所述的坩堝中凝固；面向坩堝底部并列的至少一個(gè)均熱部位或?qū)岵课缓椭辽僖粋€(gè)絕熱部位，其中，所述的其中一個(gè)絕熱部位包圍所述的均熱部位或?qū)岵课坏闹苓叀?br> 15.鑄造晶體的裝置，所述的裝置包括無底或漏底坩堝，用于支撐所述坩堝的部位，其中，晶體材料的熔體在所述的坩堝中凝固；面向所述的坩堝底部的并列的至少2個(gè)導(dǎo)熱部位，其中，一個(gè)導(dǎo)熱部位面對坩堝底部放置的籽晶，另一個(gè)導(dǎo)熱部位圍繞其周邊，其中，所述的面對坩堝底部放置的籽晶的導(dǎo)熱部位的導(dǎo)熱性高于所述的另一個(gè)導(dǎo)熱部位。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中，所述的面對坩堝底部放置的籽晶的導(dǎo)熱部位的厚度薄于所述的另一個(gè)導(dǎo)熱部位。
17.鑄造晶體的裝置，所述的裝置包括無底或漏底坩堝，用于支撐所述坩堝的部位，其中，晶體材料的熔體在所述的坩堝中凝固；面向坩堝底部的導(dǎo)熱部位，其中，從中心到四周，導(dǎo)熱部位的導(dǎo)熱性能逐漸降低。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，其中，從中心到四周，導(dǎo)熱部位的厚度逐漸增加。
19.鑄造晶體的裝置，所述的裝置包括無底或漏底坩堝，用于支撐所述坩堝的部位，其中，晶體材料的熔體在所述的坩堝中凝固；面向坩堝底部的絕熱裝置。
20.鑄造晶體的裝置，所述的裝置包括用于支撐無底或有底坩堝的部位，其中，晶體材料的熔體在所述的坩堝中凝固； 面向坩堝底部的絕熱裝置，其中，所述的絕熱裝置由熔點(diǎn)低于晶體熔點(diǎn)的材料構(gòu)成； 以及任選的可容留所述的絕熱裝置材料熔化形成的熔體的導(dǎo)熱部位或散熱裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求12 20的裝置，還包含覆蓋在無底或漏底坩堝底部無底壁部位的至少一個(gè)籽晶，和任選的覆蓋籽晶的絕熱區(qū)域。
22.使用權(quán)利要求12 21的裝置鑄造晶體的方法，其中，移動(dòng)所述的絕熱部位以增加熱量的流通。
23.單晶、近單晶或多晶的晶體材料，包含有靠近凝固起始部位的籽晶部位，覆蓋在晶體凝固終了部位的至少部分表面的熱絕緣材料，其特征是，所述的籽晶部位至少在其外側(cè)不含或基本上不含來源于晶體在其中生長的坩堝或坩堝內(nèi)壁脫離涂層的污染雜質(zhì)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的晶體，所述的晶體材料或其主要有用部分不含或基本不含雜質(zhì)顆粒、夾雜物或沉淀物，及任選不含或基本上不含漩渦缺陷，任選不含或基本上不含氧致層錯(cuò)堆垛缺陷，任選不含或基本上不含其他旋轉(zhuǎn)性雜質(zhì)條紋缺陷。
25.根據(jù)權(quán)利要求M的晶體，所述的晶體是硅晶體，所述的雜質(zhì)顆粒、夾雜物或沉淀物包括碳化硅和/或氮化硅的沉淀或顆粒。
26.半導(dǎo)體晶片或器件的制造方法，包括提供根據(jù)權(quán)利要求1 5、22的方法制取的摻雜的半導(dǎo)體晶體實(shí)體，由該晶體形成晶片，在該晶片上，任選形成至少一個(gè)p-n結(jié)，任選形成導(dǎo)電觸點(diǎn)(或線/帶)，任選封裝該晶片，任選將附加的器件連接該晶片上。
27.光電池片或光電池的制造方法，包括提供根據(jù)權(quán)利要求1 5的摻雜的半導(dǎo)體晶體實(shí)體；由該實(shí)體至少形成一個(gè)晶片；任選對晶片實(shí)施熱處理步驟；任選在晶片表面實(shí)施清洗步驟；任選在該表面上實(shí)施制絨步驟；在晶片上形成P-n結(jié)；任選在該表面上沉積抗反射涂層；任選形成選自背面電場和鈍化層的至少一層；以及在晶片上形成導(dǎo)電觸點(diǎn)(線、帶)；任選將晶片封裝并引出導(dǎo)電線。
28.根據(jù)權(quán)利要求23J4或25的晶體，其用于制作任選自ρ型、η型、含至少一個(gè)ρ_η 結(jié)的晶片或半導(dǎo)體器件之一的用途。
29.根據(jù)權(quán)利要求1 5的方法，其中，所述的籽晶由至少一個(gè)第一晶體取向的單晶和至少一個(gè)第二晶體取向的單晶形成，優(yōu)選第二晶體取向的單晶包圍第一晶體取向的單晶。
30.根據(jù)權(quán)利要求1 5的方法，所述的方法還包括使用從根據(jù)所述方法預(yù)先鑄造的晶體主體切割出來的籽晶，形成另一個(gè)晶體主體。
全文摘要
本發(fā)明一般涉及使用籽晶的晶體鑄造法，例如方向凝固鑄造法，包括溫度梯度凝固方法，制造比較大的預(yù)定晶向的晶體材料，包括多晶和單晶材料，尤其是適用于半導(dǎo)體和光伏應(yīng)用的例如硅或硅鍺材料?，F(xiàn)有的使用籽晶的晶體鑄造方法，存在著能耗大、控制難度大、雜質(zhì)顆粒多、容易生成雜晶、難以獲得大尺寸單晶材料等問題，本發(fā)明采用無底或底壁有缺口的坩堝、以及設(shè)置熱絕緣區(qū)域和絕熱部位，消除了上述問題，獲得良好的晶體生長效果，得到的鑄造單晶或多晶體材料，例如硅或硅鍺晶體，其缺陷和夾雜少、質(zhì)量好、性能優(yōu)良，適合于半導(dǎo)體和光伏領(lǐng)域應(yīng)用。
文檔編號C30B11/00GK102383184SQ20101027094
公開日2012年3月21日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者趙鈞永 申請人:趙鈞永