專利名稱：使用低等硅原料制成半導(dǎo)體晶錠的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料(例如硅)的制造中使用的方法和系統(tǒng)，更具體地，本發(fā)明 涉及一種使用低純度半導(dǎo)體原料制成高純度半導(dǎo)體晶錠的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于光伏(PV)行業(yè)的迅速發(fā)展，硅的消耗量越來越大，已經(jīng)超過了傳統(tǒng)應(yīng)用如集 成電路(IC)中的消耗量。目前，太陽能電池行業(yè)與集成電路行業(yè)對硅的需求開始形成競 爭。無論在集成電路行業(yè)還是太陽能電池行業(yè)中，現(xiàn)有的制造技術(shù)都需要一種精練的、高純 度的硅原料作為原始材料。
太陽能電池的原材料范圍包括從單晶的、電子級(electronic-grade) (EG)硅，到 純度相對低一些的冶金級硅(MG)。電子級(EG)硅制成的太陽能電池效率接近理論極限(但 是價格高昂)，而冶金級(MG)硅通常不能用于生產(chǎn)工作的太陽能電池。早期的使用多晶硅 制成的太陽能電池效率相對較低，在6%左右。效率是衡量入射到電池上、由此收集并轉(zhuǎn)換 成電流的能量的標(biāo)準(zhǔn)。但是，也有可能存在對太陽能電池制造業(yè)有用的其它半導(dǎo)體材料。
目前，商業(yè)用電池是使用更高純度的原料和改進的處理技術(shù)制成的，其效率為 對％。這些工程方面的進步使得該行業(yè)的效率達到了單晶硅太陽能電池效率的理論極限值 13%。事實上，90%的商業(yè)用太陽能電池都是采用晶體硅制成的。
決定用于太陽能電池制造業(yè)的硅原材料其質(zhì)量的因素有多種。這些因素包括， 例如，過渡金屬、摻雜物的量和分布。過渡金屬對多晶硅太陽能電池的效率構(gòu)成主要障 礙。多晶硅太陽能電池可容納濃度達到IO16CnT3的過渡金屬如鐵0 )、銅(Cu)、或者鎳 (Ni)，因為多晶硅中的金屬通常是電子活性較小的雜質(zhì)或者沉淀物，且一般位于結(jié)構(gòu)缺陷 (structural defects)(例如晶粒邊界)處而不會自動熔融。
PV行業(yè)使用的低等原材料，如(UMG)高級冶金硅，通常被制成具有相應(yīng)低質(zhì)量的 多晶(mc)硅晶錠或者硅片。高濃度的雜質(zhì)使得多晶(mc)硅晶錠或者硅片的質(zhì)量較低， 最終導(dǎo)致太陽能電池的性能降低。雜質(zhì)再結(jié)合多晶硅(mc-Si)的結(jié)構(gòu)缺陷，使得太陽能 電池性能的降低尤為嚴(yán)重。在這方面，最嚴(yán)重的缺點之一就是晶內(nèi)錯位(intra-granular dislocations)，這些主要是在晶體的冷卻階段中釋放未受控制的應(yīng)力時引起的。
通過各種凈化技術(shù)，比如往熔融硅(molten Si)中通入活性氣體，可以提取出非金 屬雜質(zhì)包括碳(C)和摻雜物(通常為B和P)。一般來說，數(shù)個凈化步驟/技術(shù)的組合可使 mc-Si在結(jié)晶后達到可接受的質(zhì)量級別。由于每增加一個凈化步驟就會增加成本，因此人們 希望盡可能使用低質(zhì)量的原材料。結(jié)果，原材料通常包含大量的C或/和P。如果C的濃度 超過結(jié)晶時的熔融度，碳化硅(SiC)沉淀就會形成晶體/晶錠，而且SiC會使mc-Si大量降 角軍(degrade)。
在結(jié)晶即將結(jié)束時，金屬雜質(zhì)會大量增加。如果定向凝固從熔融硅的底部開始， 如布里奇曼鑄造過程中所發(fā)生的那樣，處于凝固過程中的mc-Si在各個晶錠頂層會受到嚴(yán) 重的污染。由于硅中大多數(shù)質(zhì)量降解的金屬在晶體硅中的擴散相對較快，這些金屬在晶錠冷卻的過程中能部分擴散回到凝固的硅中，導(dǎo)致各個晶錠更深部分的進一步降解。這使得 使用后續(xù)的漸漸降溫(extendedramp-down)進行原位晶錠退火不可能，至少在超過大約 1050°C (此時金屬擴散特別快)的溫度范圍內(nèi)。另一方面，該溫度范圍可能有利于進行原 位退火以改進多晶硅晶錠中的晶體結(jié)構(gòu)和減少多晶硅晶錠中的凍結(jié)壓力。
如果該工藝過程持續(xù)直至熔融硅的凝固完成，那么金屬雜質(zhì)會擴散回硅晶錠中。 若不發(fā)生擴散，則硅晶錠會具有更高的純度。這種反擴散導(dǎo)致晶錠中在反擴散沒發(fā)生時可 用的一些硅變得無法使用。目前還沒有一種處理方法能夠解決這個問題。
因此，有必要尋找一種硅晶錠原料來滿足太陽能電池行業(yè)對硅的需求，而不會跟 IC行業(yè)對硅的需求產(chǎn)生競爭。
還需要提供硅晶錠，這種硅晶錠使用昂貴的更高純度的原材料和/或昂貴的處理 技術(shù)，能夠形成具有目前可達到的效率的商用太陽能電池。
還需要一種能夠產(chǎn)出更高質(zhì)量的硅晶錠的工序，該工序通過使用低等硅原料來降 低成本。
另外，還需要一種方法和系統(tǒng)，在經(jīng)濟上以及效率上能夠解決硅晶錠形成的最后 階段中雜質(zhì)反擴散的問題。發(fā)明內(nèi)容
此處所公開的技術(shù)用于形成最終可用于制造太陽能電池的硅晶錠。本發(fā)明公開了 一種方法及系統(tǒng)，通過使用較低純度的半導(dǎo)體原材料，生成包含更高純度的半導(dǎo)體原材料 的硅晶錠。例如，使用此處公開的工序得到的硅晶錠，能夠得到具有改進性能/成本比率的 太陽能晶片和太陽能電池。而且，本發(fā)明公開的方法可輕易并高效地同去除與金屬相關(guān)的 缺陷和晶片級改造過程相結(jié)合，以生成高效率PV太陽能電池。
根據(jù)本公開的主題的一個方面，提供了一種半導(dǎo)體晶錠形成方法和相關(guān)系統(tǒng)，使 用低等硅原料在坩堝設(shè)備內(nèi)形成熔融硅(molten silicon)。該處理方法和系統(tǒng)使熔融硅 定向凝固，以在坩堝設(shè)備內(nèi)形成硅晶錠。定向凝固形成一定量的固化硅和一定量的熔融硅。 該方法和系統(tǒng)包括從坩堝設(shè)備中移除至少一部分一定量的熔融硅，同時保留坩堝設(shè)備中一 定量的固化硅。該處理方法和系統(tǒng)進一步控制一定量的固化硅的定向凝固以形成具有比低 等硅原料更高硅等級的硅晶錠。此處公開了用于移除受污染的熔融硅的多種途徑。
本公開主題的這些以及其它優(yōu)點，以及其它新穎的特征，在此處的描述中是顯而 易見的。本發(fā)明內(nèi)容不是對權(quán)利要求的綜合性描述，而是對本主題部分功能的簡要概述。對 于本技術(shù)領(lǐng)域人員來說，在下文中的附圖以及詳細描述的基礎(chǔ)上得出其它系統(tǒng)、方法、特征 和優(yōu)點也是輕而易舉的。


為使本發(fā)明的特征、性質(zhì)及優(yōu)點將變得更為明顯，下面結(jié)合附圖來詳細闡述本發(fā) 明，附圖中的標(biāo)號代表文中自始至終相應(yīng)的部分，其中
圖1為描述了一般公知的太陽能電池生產(chǎn)工藝的現(xiàn)有技術(shù)的流程圖2，相反地，示出了結(jié)合本發(fā)明的啟示的一般整個太陽能電池的生產(chǎn)工藝；
圖3為工藝環(huán)境的一個實施例的示意圖，該工藝環(huán)境中可獲得本發(fā)明的結(jié)果；
圖4為根據(jù)本發(fā)明的由低等硅原料獲得更高純度的硅晶錠工藝流程圖5和圖6為本發(fā)明的熔融硅去除工藝的一個實施例；
圖7和圖8示出了本發(fā)明可應(yīng)用的熔融硅預(yù)處理的多種形式；
圖9至圖11為可應(yīng)用于本發(fā)明的熔融硅去除工藝的一個可選實施例；
圖12和圖13為本發(fā)明范圍內(nèi)的熔融硅去除工藝的另一個可選實施例；以及
圖14和圖15從不同角度示出了可實現(xiàn)本發(fā)明的坩堝設(shè)備。
具體實施方式
本發(fā)明的方法和系統(tǒng)提供了使用低純度或者高雜質(zhì)度的硅或者半導(dǎo)體原料生產(chǎn) 具有更高純度的硅或者半導(dǎo)體晶錠的半導(dǎo)體晶錠制造工藝。本發(fā)明公開的工藝過程通過將 先前的各自獨立的工藝步驟結(jié)合以及更有效地利用硅晶錠形成過程中固有的冷卻階段，省 略了一個熔化工藝過程。本發(fā)明包括一在晶錠形成時去除熔融硅、保留硅晶錠的方法。與 形成的硅晶錠相比，本發(fā)明公開的主題中去除的熔融硅中通常具有更多的雜質(zhì)。
將污染較嚴(yán)重的熔融硅去除能夠避免金屬雜質(zhì)反過來又污染已形成的硅晶錠。在 不考慮這些雜質(zhì)的反擴散的情況下，可以實現(xiàn)對硅晶錠工藝進行更進一步的控制和改進。 例如，可以將晶錠置于高溫環(huán)境下以避免應(yīng)力，否則這些存在于系統(tǒng)中的應(yīng)力會導(dǎo)致系統(tǒng) 無法避免金屬雜質(zhì)的反擴散。隨著應(yīng)力減小，各晶錠中結(jié)構(gòu)缺陷中與應(yīng)力相關(guān)的構(gòu)造也會 減小，因而能夠進一步改善晶錠的質(zhì)量。
由于可以使用低級原料來實現(xiàn)硅晶錠的定向凝固，最終的優(yōu)勢是整體成本的降 低。與現(xiàn)有的使用低純度原料通過定向凝固技術(shù)制成的晶錠相比，采用本發(fā)明的工藝方法 和系統(tǒng)制成的晶錠具有更高的質(zhì)量。此處描述了幾個技術(shù)優(yōu)勢和成果，其中某些值得注意 的優(yōu)勢包括減少半導(dǎo)體晶錠中的金屬以及非金屬雜質(zhì)的能力，這對太陽能電池制造是有用 的。另一個具體的優(yōu)勢就是能夠避免非金屬(主要是B、P和C)在由UMG-Si原料制成的晶 錠的表面區(qū)域形成高濃度區(qū)。
作為本發(fā)明的鋪墊，圖1描述了公知的始于步驟12的工藝流程10。在步驟12處， MG硅或者其它低級硅進入已知的晶片形成工藝流程10。已知的工藝流程10在步驟14處 從MG硅中提取高級硅。高級硅提取步驟14為高成本工藝過程，經(jīng)過該步驟能夠得到EG硅。 EG硅為用于制造步驟16中的晶錠的硅原料種類。已知的工藝流程10包括硅晶錠切片步 驟，通常使用線鋸(wire-saw)以獲得步驟18中的硅晶片。所獲得的硅晶片然后進入太陽 能電池形成過程20。
圖2概括地描述了太陽能電池形成工藝流程30的新穎方面，其中本發(fā)明表現(xiàn)出極 大的優(yōu)勢。工藝流程30包括在步驟32處使用MG硅，該MG硅在某種程度上被凈化成RMG 硅或者UMG硅。所達到的硅的質(zhì)量仍處于低級硅34的程度。相應(yīng)地，與硅質(zhì)量14相比，硅 質(zhì)量36涉及的成本更低。同樣，與硅質(zhì)量14相比，步驟36中的低級硅的金屬以及其他雜 質(zhì)含量更高。步驟38處可能形成硅晶錠。步驟40表示硅晶片的形成，S卩，將硅晶錠切片。 公開的太陽能電池形成工藝流程30可引入晶片處理步驟40，同樣也叫預(yù)處理過程，該步驟 開始于電池處理步驟之前。最后，太陽能電池形成于步驟42。
在工藝流程30的步驟34和36中，本發(fā)明的啟示會影響硅晶錠的形成。為了詳細 說明本發(fā)明的啟示所應(yīng)用的工藝環(huán)境，圖3示出了工藝環(huán)境50。在圖3中，坩堝M中含有熔融硅52。加熱區(qū)域58環(huán)繞坩堝M的側(cè)邊和底部。隔熱腔60結(jié)合坩堝M進一步建立 一工藝環(huán)境，用于控制溫度并建立一工藝氛圍。水冷卻系統(tǒng)62處于隔熱腔60外圍，攝像機 64可插入隔熱腔60中以觀察熔融硅52。
工藝環(huán)境50具有高度66，坩堝M縱向貫穿。但是，改進的具有半徑70的工藝控 制下降裝置(dropping mechanism)68，可垂直向下移動至底部框架72內(nèi)，以便更迅速地、 或者以更多不同的能指導(dǎo)加熱區(qū)域控制的方式將坩堝M的不同部分暴露在不同溫度的加 熱區(qū)域58內(nèi)。工藝環(huán)境50提供了一密封的真空生長箱，其壓強低于1 X 10_3托，并采用氬 (argon)進行多次循環(huán)清洗至壓強達到lOpsig，以去除生長箱中過剩的氧?？赏ㄟ^一并聯(lián) 電路中的多圈感應(yīng)線圈以及一調(diào)諧電容組對加熱區(qū)域58加熱。
圖4為本發(fā)明公開的硅晶錠形成過程一例示性流程圖80。以步驟82開始，硅晶錠 形成過程80將低等硅原料裝入一坩堝，例如坩堝M或者下述實施例中不同的坩堝。步驟 84處，通過加熱處理由低等硅原料形成了熔融硅。一旦坩堝中形成了一定數(shù)量的熔融硅，步 驟86中就判斷這些熔融硅是否是以預(yù)定的途徑形成的，從而確定是否需要將其去除。如果 是，下一步測試88則確定坩堝中是否需要添加更多的低等硅原料。
基本上，由于熔融硅52的定向凝固會形成較高級的硅晶錠，步驟88中的確定是為 了保證逐漸被污染的熔融硅最終以其熔融狀態(tài)具有其去除的途徑。通過去除所述被污染的 處于熔融狀態(tài)的熔融硅52，能夠防止污染品反擴散至高純度硅晶錠中，這點在下文中會詳 細描述。
現(xiàn)在，只要低等硅原料的量足夠，且熔融硅52存在于坩堝M中，預(yù)先處理熔融硅 52的可選的工藝或者一套工藝是可以實現(xiàn)的。這種預(yù)處理過程可包括上述步驟的一個或者 一組合，用于從低級硅中提取雜質(zhì)。
所述多種熔融硅預(yù)處理過程可包括一氣泡成核(nucleation)步驟90、一超聲能 量攪拌步驟92、或者上述步驟的組合，或如省略94所描述的包括電磁能轉(zhuǎn)移至熔融硅的更 多步驟。此外，如箭頭96所示，這些步驟可跳過。步驟98進一步顯示，所述預(yù)處理過程可 包括一往熔融硅52中添加各種添加劑的步驟。
接下來，本發(fā)明公開的工藝包括熔融硅52定向凝固的初始化，于步驟100開始形 成硅晶錠。由于熔融硅的定向凝固形成了硅晶錠，硅發(fā)生從液體到固體的物相變化。由于 該物相變化，坩堝M內(nèi)的硅的體積擴大，提升了熔融硅和固化硅組合物的高度，如步驟102 所示。由于坩堝中硅的高度不斷增加，因此會分離熔融硅。該分離過程由于如下文所述的 坩堝52的一個或者多個實施例的物理特征而產(chǎn)生。
隨著熔融硅從晶體硅中分離，如步驟104所指，與形成熔融硅的硅原料相比，坩堝 52中剩余的硅具有更高的純度。提取熔融硅的同時將濃度更高的雜質(zhì)也一并提取。其結(jié)果 是，從本質(zhì)上消除或者大幅度減少熔融硅52中的雜質(zhì)重新擴散回到硅晶錠中的可能性。
由于雜質(zhì)反擴散的可能性降低，步驟106可以進行。在步驟106處，晶錠形成工藝 80減少了處于較快的冷卻工藝中的硅晶錠中的結(jié)晶應(yīng)力(crystallizationstress)。在較 慢的冷卻工藝中較少關(guān)注雜質(zhì)反擴散，能顧及到控制結(jié)晶硅冷卻的速率，以釋放結(jié)晶應(yīng)力。 最終硅晶錠中減少的結(jié)晶應(yīng)力進一步生成一更高純度的硅晶錠，如步驟108所示。
圖5和圖6進一步詳細描述了工藝流程80的步驟102，其中固體或者結(jié)晶形式的 硅的體積膨脹有利于去除漸增的受污染的熔融硅。圖5中示出了過程狀態(tài)110，包括一坩堝112，為去除熔融硅提供了途徑。坩堝112將硅晶錠部分116和熔融硅118都包含在處理容 腔(process volume) 114中。分界面120將硅晶錠部分116和熔融硅118分離開來。坩堝 112進一步包括間隔墻122，用于分離熔融硅流量124與處理量114。
圖6示出了硅晶錠形成工藝80中的處于狀態(tài)130時逐漸上升的分界面120。因 此，隨著固化硅116的體積膨脹，分界面120同時上升，熔融硅118的污染程度也逐漸增加。 其結(jié)果是，熔融硅上升至間隔墻122的較低高度甚至超過該高度。也就是說，間隔墻122的 較低高度成為一去除熔融硅118的途徑132。如下文所述，途徑132可以多種方式形成。但 是，圖5和圖6中的實施例的方式可取且簡單，易于實現(xiàn)將熔融硅118從坩堝12中的硅晶 錠形成處理量114中去除。
為更清楚地描述本發(fā)明公開的工藝能怎樣對熔融硅118進行預(yù)處理，圖7和圖8 分別示出了氣泡成核的使用和氣泡成核與超聲能量攪拌的組合，便于在定向凝固早期過程 中提取雜質(zhì)。因此，參照圖7，處理狀態(tài)140，其中充氣管142可插入熔融硅118中。熔融 硅118可接收充氣管中一定量的氣體，例如氧氣、氮氣、氫氣、水蒸汽、CO2或者含氯氣體例如 HC1、或者上述氣體與其它氣體的組合。這些氣體與雜質(zhì)作用溶解于熔融硅118中，并形成 從熔融硅中蒸發(fā)的易揮發(fā)化合物。這使得在硅晶錠形成工藝80的后續(xù)定向凝固步驟100 中能產(chǎn)生更純的硅晶錠部分116(圖5)。
圖8示出了狀態(tài)150中的一熔融硅118進行預(yù)處理過程98的實施例，其中一超聲 能量源152可與充氣管142連接。也就是說，充氣管142不但可作為傳遞成核氣泡144的 導(dǎo)管，而且可用作超聲能量傳遞路徑，用于將能量從超聲能量源152傳輸至熔融硅118中。 通過從低級硅中提取雜質(zhì)，此處熔融硅118的預(yù)處理進一步提升了熔融硅部分116的純度。
圖9至圖11示出了去除受污染的熔融硅的其它途徑。具體地，圖9中，連同坩堝 一起，例如坩堝54，可存在硅晶錠部分116和熔融硅118以及分界面120。因為，如上文所 述，隨著硅晶錠部分116的增加，雜質(zhì)集中在熔融硅118中。圖9的實施例顯示了一種用于 去除受污染的熔融硅188的途徑。
圖9至圖11使出了工藝階段130，其中的可滲透毛氈裝置(porous felt device) 132提供一原料，該原料的融化溫度要比熔融硅118的融化溫度高得多。通過將可 滲透毛氈裝置132降低至熔融硅118中，來吸收熔融硅118。圖10的處理狀態(tài)134中的可 滲透毛氈裝置132已吸收了全部的熔融硅118或者熔融硅118中相當(dāng)大一部分，以此將受 污染的熔融硅118移出坩堝M。圖11示出了工藝階段136中將可滲透毛氈裝置132以及 受污染的熔融硅118移出坩堝M的過程。
圖12和13描述了本發(fā)明的另一實施例，其中移除熔融硅118的途徑包括一可移 動的流量閥裝置。具體地，圖12描述了一坩堝142實施例的工藝階段140，包括一由二部 分構(gòu)成的流量閥組件144。流量閥組件144包括閥桿146，閥桿146通過坩堝插入間隔墻 (interstitial wall) 152的紋孔外口 148和紋孔內(nèi)口 150。當(dāng)閥桿146插入紋孔外口 148 和紋孔內(nèi)口 150時，熔融硅118流量154為空。
當(dāng)硅晶錠部分116形成時，坩堝處理容腔152內(nèi)的熔融硅118形成于分界面120 和紋孔內(nèi)口 150之上。只要硅晶錠部分大約達到紋孔內(nèi)口 150的高度，閥桿146就從紋孔 內(nèi)口 150中縮回。
圖13示出了過程狀態(tài)160，其中閥桿146從紋孔內(nèi)口 150中縮回且處于紋孔外口148中，以便為熔融硅118留出一流入流量容腔154的通道。熔融硅118通過紋孔內(nèi)口 150 的途徑流入流量容腔154，將受污染的熔融硅118從處理容腔152中移除，能有效防止后續(xù) 處理步驟中污染品的反擴散。
存在一個或者多個坩堝的實施例，這些實施例提供了如上述附圖所描述的途徑。 因此，除了上述的坩堝，圖15和16顯示了適于實現(xiàn)本發(fā)明目的的坩堝設(shè)備170的另一實施 例。具體地，坩堝設(shè)備170可包括處理容腔172，用于容納低等硅原料并對硅晶錠部分進行 加工處理。內(nèi)墻174可環(huán)繞處理容腔172。流量容腔176環(huán)繞內(nèi)墻174，外墻178環(huán)繞流量 容腔176。
圖16進一步描述了坩堝設(shè)備170，包括如上所述的具有閥桿146的流量閥組件 144，閥桿146穿過外墻178的流量容腔外孔180和工藝環(huán)境172內(nèi)孔182。按如上所述方 式操作流量閥組件144，不同之處在于由于流量容腔176圍繞內(nèi)墻174，縮回閥桿146時會 導(dǎo)致熔融硅環(huán)繞內(nèi)墻174。
總之，本發(fā)明提供給了一種方法和系統(tǒng)，用于形成一硅晶錠，包括在一坩堝設(shè)備中 由低等硅原料形成熔融硅，以及在坩堝設(shè)備內(nèi)對熔融硅執(zhí)行定向凝固形成硅晶錠。定向凝 固形成一定量的固化硅和一定量的熔融硅。所述方法和系統(tǒng)包括移除坩堝設(shè)備中至少一部 分一定量的熔融硅，同時保留一定量的固化硅。控制一定量的固化硅的定向凝固，以形成一 具有比低等硅原料高級的硅的硅晶錠。這種控制包括延長一定量的固化硅進行定向凝固的 持續(xù)時間，以減少硅晶錠結(jié)晶過程中產(chǎn)生的原料應(yīng)力(material stress) 0
比如通過將氣泡成核引入熔融硅、將超聲能量或者電磁能量傳輸至熔融硅內(nèi)并將 熔融硅與用于輔助從熔融硅中提取雜質(zhì)的添加劑結(jié)合，所述方法和系統(tǒng)可對熔融硅進行預(yù) 處理(pre-condition)，以提取低等硅原料中的雜質(zhì)。
本發(fā)明的多個實施例包括通過將一定量的熔融硅經(jīng)與坩堝設(shè)備連通的通道引導(dǎo) 流出，實現(xiàn)從坩堝設(shè)備中移除至少一部分一定量的熔融硅。所述通道的實施例可包括一用 于分隔第一容腔與第二容腔的較低間隔墻，坩堝設(shè)備的第一容腔內(nèi)含一定量的固化硅以及 一定量的熔融硅。該實施例中，所述較低間隔墻進一步具有一高度，該高度大約與定向凝固 過程中一定量的固化硅與一定量的熔融硅之間預(yù)定的分界面高度相當(dāng)。較低間隔墻允許至 少一部分一定量的熔融硅從第一容腔中流入第二容腔中，從而將一定量的熔融硅與一定量 的固化硅分離。
另一實施例將一定量的熔融硅引導(dǎo)流入所述環(huán)繞第一容腔的第二容腔中。另一通 道包括一毛氈裝置，用于吸收可能已經(jīng)被一定量的固化硅所浸沒的一定量的熔融硅。所述 熔融硅由毛氈裝置吸收，并以此將一定量的熔融硅中被吸收的部分去除。該途徑包括一排 水管道(drain conduit)以及一與之結(jié)合的插頭裝置來控制一定量的熔融硅通過排水管道 的流量，進一步還包括可控地安裝插頭設(shè)備的步驟，以控制一定量的熔融硅從坩堝中流出 的流量。
本發(fā)明的另一實施例提供了一用于分隔坩堝的第一容腔和第二容腔的排水管道。 一插頭裝置協(xié)助控制一定量的熔融硅通過排水管道的流量。進一步可控地安裝插頭設(shè)備， 以控制熔融硅從坩堝第一容腔中流入第二容腔的流量，從而分離熔融硅。第二容腔可環(huán)繞 第一容腔。
使用本發(fā)明的方法和系統(tǒng)，能夠改進低等半導(dǎo)體原料的特性，例如高級冶金硅(UMG)中所發(fā)生的那樣。這種改進使得UMG硅能夠用于生產(chǎn)太陽能電池、用于太陽能發(fā)電及 相關(guān)用途。此外，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)有利于使用UMG或者其它非電子級半導(dǎo)體原料生產(chǎn) 半導(dǎo)體太陽能電池。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可用于生產(chǎn)具有更高質(zhì)量的太陽能電池，且有利于大量生產(chǎn)。
利用此處所描述的工藝和系統(tǒng)特征及功能，可由低純度的硅原料生成一具有更高 純度的硅晶錠。雖然此處結(jié)合本發(fā)明公開的啟示對不同實施例進行了詳細描述，但是本領(lǐng) 域技術(shù)人員可以結(jié)合這些啟示設(shè)計出不同的實施例。因此，上述對優(yōu)選實施例的描述使得 本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造或者使用本發(fā)明。本發(fā)明的實施例的各種其他改變對本領(lǐng)域技術(shù) 人員是顯而易見的，此處所定義的一般性原則也可不加創(chuàng)新地用于其它實施方式。因此，本 發(fā)明的保護范圍不限于實施例所描述的范圍，而是對應(yīng)于與此處公開的原則和新穎性特征 一致的最廣的范圍。
權(quán)利要求
1.一種使用低級硅原料形成硅晶錠的方法，所述硅晶錠包含比所述低級硅原料更高級 的硅，其特征在于所述方法包括以下步驟在一坩堝設(shè)備內(nèi)由低級硅原料形成熔融硅；在坩堝設(shè)備內(nèi)對所述熔融硅進行定向凝固 以形成一硅晶錠，所述定向凝固形成一定量的固化硅以及一定量的熔融硅；將坩堝設(shè)備內(nèi) 至少一部分一定量的熔融硅去除，保留所述一定量的熔融硅；以及控制所述一定量的固化 硅的定向凝固過程以形成一具有比低級硅原料更高級的硅的硅晶錠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法進一步包括延長所述一定量的 固化硅的定向凝固的持續(xù)時間，以減少所述硅晶錠的結(jié)晶過程中產(chǎn)生的材料應(yīng)力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法進一步包括對所述熔融硅進行 預(yù)處理的步驟，以提取所述低級硅中的雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述熔融硅進行預(yù)處理的步驟進一步包 括向所述熔融硅中導(dǎo)入氣泡的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述熔融硅進行預(yù)處理的步驟進一步包 括使用氣體將氣泡成核導(dǎo)入所述熔融硅的步驟，所述氣體包括氧氣、氮氣、氫氣、水蒸汽、 CO2或者含氯氣體中的一種或者多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述熔融硅進行預(yù)處理的步驟進一步包 括向所述熔融硅中傳輸超聲能量或者電磁能量的步驟，以改善所述熔融硅中雜質(zhì)的提取。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述熔融硅進行預(yù)處理的步驟進一步包 括將一添加劑與所述熔融硅結(jié)合，用于輔助從所述熔融硅中提取雜質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法進一步包括一從坩堝設(shè)備中去 除所述一定量的熔融硅中至少一部分的步驟，該步驟通過將所述一定量的熔融硅經(jīng)過與所 述坩堝設(shè)備相連的通道引導(dǎo)流出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述通道包括一用于分隔所述坩堝設(shè)備 的第一容腔與坩堝設(shè)備的第二容腔的較低間隔壁，所述坩堝設(shè)備的第一容腔內(nèi)含一定量的 固化硅以及一定量的熔融硅；所述較低間隔墻進一步具有一高度，該高度大約與定向凝固 過程中一定量的固化硅與一定量的熔融硅之間預(yù)定的分界面高度相當(dāng)；以及所述較低間隔 墻允許至少一部分一定量的熔融硅從第一容腔中流入第二容腔中，從而將一定量的熔融硅 與一定量的固化硅分離。
10.根據(jù)權(quán)利9所述的方法，其特征在于所述第二容腔環(huán)繞第一容腔，且進一步包括 一將所述一定量的熔融硅的至少一部分引導(dǎo)流入環(huán)繞第一容腔的第二容腔內(nèi)的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利1所述的方法，其特征在于所述通道包括一毛氈裝置，用于吸收可能已 經(jīng)被一定量的固化硅所浸沒的一定量的熔融硅，并進一步包括以下步驟將所述毛氈裝置浸入所述一定量的熔融硅；允許所述一定量的熔融硅中至少一部分由所述毛氈裝置吸收；以及將所述包含一定量的熔融硅中被吸收的部分的毛氈裝置從所述坩堝設(shè)備內(nèi)移除。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述通道包括一排水管道 (drainconduit)以及一與之結(jié)合的插頭裝置來控制一定量的熔融硅通過排水管道的流量， 進一步還包括可控地安裝插頭設(shè)備的步驟，以控制一定量的熔融硅從坩堝中設(shè)備流出的流 量，以此將所述一定量的熔融硅中至少一部分與所述一定量的固化硅分離。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述通道包括用于所述分隔坩堝的第一 容腔和第二容腔的排水管道，以及一用于協(xié)助控制一定量的熔融硅通過排水管道的流量的 插頭裝置，并進一步包括可控地安裝插頭設(shè)備的步驟，以控制所述一定量的熔融硅從坩堝 第一容腔中流入第二容腔的流量，從而將所述一定量的熔融硅中至少一部分與所述一定量 的固化硅分離。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于所述第二容腔環(huán)繞第一容腔，并進一步 包括將所述一定量的熔融硅中至少一部分引導(dǎo)流入所述環(huán)繞第一容腔的第二容腔內(nèi)的步 馬聚ο
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述控制步驟進一步包括將晶錠置于 高溫環(huán)境下以避免應(yīng)力的步驟，以及將去除步驟以消除所述硅晶錠中的應(yīng)力相關(guān)的結(jié)構(gòu)缺 陷，以改進硅晶錠的質(zhì)量。
16.一種使用低級硅原料形成一硅晶錠的系統(tǒng)，所述硅晶錠包含比所述低級硅原料高 級的硅，其特征在于所述系統(tǒng)包括一坩堝設(shè)備，用于容納并加熱低等硅原料，所述低等硅原料用于在所述加熱過程中形 成熔融硅；溫度控制裝置，用于對所述熔融硅執(zhí)行定向凝固，以在所述坩堝設(shè)備內(nèi)形成一硅晶錠，所述定向凝固形成一定量的固化硅和一定量的熔融硅；一移除機構(gòu)，用于從所述坩堝設(shè)備中將所述一定量的熔融硅中至少一部分移除，并保 留所述一定量的固化硅；以及所述溫度控制裝置進一步用于控制所述一定量的固化硅的定向凝固，以形成具有比所 述低級硅原料更高級的硅的硅晶錠。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)進一步包括對所述熔融硅進 行預(yù)處理的裝置，以提取所述低級硅中的雜質(zhì)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)進一步包括一與所述坩堝設(shè) 備相連的氣泡成核源，通過將氣泡導(dǎo)入所述熔融硅內(nèi)對所述熔融硅進行預(yù)處理。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于將氣泡導(dǎo)入所述熔融硅內(nèi)的氣泡成核 源所使用的氣體包括氧氣、氮氣、氫氣、、水蒸汽、(X)2或者含氯氣體中的一種或者多種。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)進一步包括一與所述坩堝設(shè) 備相連的超聲能量源，用于將一超聲能量傳輸至所述熔融硅內(nèi)，以增強所述熔融硅中雜質(zhì) 的提取。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述熔融硅的預(yù)處理步驟進一步包括 將所述熔融硅與一添加劑結(jié)合的步驟，用于輔助從所述熔融硅中提取雜質(zhì)。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述溫度控制裝置進一步包括延長所 述一定量的固化硅的所述定向凝固的持續(xù)時間的裝置，以減少所述硅晶錠結(jié)晶過程中產(chǎn)生 的原料應(yīng)力。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)進一步包括一與所述坩堝設(shè) 備相連的通道，通過引導(dǎo)所述一定量的熔融硅經(jīng)所述通道流出，實現(xiàn)將一定量的熔融硅的 至少一部分從所述坩堝設(shè)備中去除。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于所述通道包括一較低間隔墻，用于分隔所述坩堝設(shè)備的第一容腔與第二容腔，所述坩堝設(shè)備的第一容腔包含所述一定量的固化硅和所述一定量的熔融硅；所述較低間隔墻進一步具有一高度，該高度大約與定向凝固過程中一定量的固化硅與 一定量的熔融硅之間預(yù)定的分界面高度相當(dāng)；以及所述較低間隔墻允許至少一部分一定量的熔融硅從所述坩堝設(shè)備的第一容腔中流入 第二容腔中，從而將所述一定量的熔融硅與所述一定量的固化硅分離。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于所述第二容腔圍繞所述第一容腔，用于 將所述一定量的熔融硅中至少一部分引導(dǎo)流入所述圍繞第一容腔中的第二容腔中。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于所述通道包括一毛氈裝置，用于吸收可能已經(jīng)被一定量的固化硅所浸沒的一定量的熔融硅的至少一 部分；以及用于將所述包含一定量的熔融硅中被吸收的部分的毛氈裝置從所述坩堝設(shè)備內(nèi)移除 的機構(gòu)。
27.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述通道包括一排水管道以及一與之 結(jié)合的插頭裝置來控制所述一定量的熔融硅通過排水管道的流量，用于可控地安裝插頭設(shè) 備，以控制一定量的熔融硅從坩堝中設(shè)備流出的流量，以此將所述一定量的熔融硅中至少 一部分與所述一定量的固化硅分離。
28.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述通道包括一用于分隔所述坩堝的 第一容腔和第二容腔的排水管道，以及一插頭裝置，用于協(xié)助控制所述一定量的熔融硅通 過排水管道的流量，以可控地安裝插頭設(shè)備，控制熔融硅從第一容腔中流入第二容腔的流 量，從而將所述一定量的熔融硅的至少一部分與所述一定量的固化硅分離。
29.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的系統(tǒng)，其特征在于所述第二容腔環(huán)繞所述第一容腔，以將 所述一定量的熔融硅的至少一部分引導(dǎo)流入環(huán)繞第一容腔的第二容腔內(nèi)。
30.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述溫度控制裝置進一步用于控制所 述硅晶錠的溫度，通過在取出所述一定量的熔融硅后將所述硅晶錠置于高溫環(huán)境下，來去 除所述硅晶錠中應(yīng)力相關(guān)的結(jié)構(gòu)缺陷，從而提高硅晶錠的質(zhì)量。
全文摘要
本發(fā)明公開了硅晶錠生成技術(shù)使用低級硅原料在一坩堝設(shè)備內(nèi)由低級硅原料形成熔融硅并對坩堝設(shè)備內(nèi)的熔融硅進行定向凝固。所述定向凝固形成一定量的固化硅和一定量的熔融硅。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)包括將坩堝設(shè)備內(nèi)的所述一定量的熔融硅的至少一部分去除，同時保留所述一定量的固化硅。對所述一定量的固化硅的定向凝固進行控制，同時去除受污染的熔融硅，能夠形成一具有比低等硅原料更高級的硅的硅晶錠。
文檔編號C30B9/04GK102037163SQ200880109607
公開日2011年4月27日 申請日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月26日
發(fā)明者D·林克, F·基爾希特, J·P·拉克特里拉, K·安拉杰拉, M·豪雅, V·阿布羅斯莫娃 申請人:卡利太陽能有限公司