CN101755076A - 具有至少一个开口的带状晶拉晶炉后热器 - Google Patents

Abstract

一种带状晶拉晶炉，该带状晶拉晶炉具有用于围绕一个或多个带状晶的至少一部分的内部，并且具有定位在该内部中的后热器。该后热器具有至少一个壁，所述壁具有有助于控制炉内温度分布的一个或多个开口。

Description

具有至少一个开口的带状晶拉晶炉后热器

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2007年6月14日提交的、发明名称为“THERMAL CONTROL FOR RIBBON CRYSTAL PULLINGFURNACES”的美国临时专利申请No.60/944,017的优先权，其全部公开内容以引用的方式并入本文。本专利申请同样涉及发明名称为“REMOVABLE THERMAL CONTROL FOR RIBBON CRYSTALPULLING FURNACES”美国专利申请，该申请于2007年6月14日提交且其全部公开内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及带状晶拉晶炉，并且更具体地，本发明涉及控制带状晶拉晶炉内的热量。

背景技术

硅片是各式各样的半导体器件，例如太阳能电池、集成电路和MEMS装置的构建基块。例如，Marlboro，Massachusetts的EvergreenSolar，Inc由通过已知的“带状拉晶”技术生产的硅片形成太阳能电池。

带状拉晶技术通常使用一种专门的炉，该炉围绕容纳熔融硅的坩埚和正生长的带状晶。该炉通常具有由固体、绝热材料形成的基座，以及位于基座绝热体上方和生长的带状晶附近两处的绝热材料(通称是“后热器”)。

通常，本发明人已知的现有技术的后热器仅在其最接近处提供了有限的温度分布的变化。因此，随着晶冷却，最近生长的带状晶可能包含有应力，该应力对其物理性能有不利影响。该应力能够不合意地降低最终由这种带状晶制造的太阳能电池的转换效率。

发明内容

根据本发明的一个实施例，带状晶拉晶炉具有用于围绕一个或多个带状晶的至少一部分的内部，和位于该内部之内的后热器。该后热器具有至少一个壁，壁带有有助于控制炉体内的温度分布的一个或多个开口。

在相关实施例中，一个或多个开口可具有均一或可变尺寸的细长槽的形式。该一个或多个开口可完全或部分地延伸穿过该壁。炉还可在内部中包括坩埚，而后热器可位于坩埚上方。炉也可包括设置在坩埚附近的基座绝热体，并且后热器可以由基座绝热体支撑。炉也可包括围绕后热器的壳体，并且后热器可以附接到壳体的顶部。该后热器可以包括彼此面对的两个部分，其中每个部分可包括至少一个壁，并且各个壁可以具有一个或多个开口。

炉也可包括具有至少两个线孔的坩埚，所述线孔沿着带状晶生长方向限定垂直延伸的平面，并且一个或多个开口可以与该平面的边缘对齐，以控制线附近的带状晶的厚度。该开口可以沿着该平面的边缘在彼此顶部竖直对齐。

根据本发明的另一实施例，生产带状晶拉晶炉的方法形成用于接纳一个或多个带状晶的至少一部分的内部。该方法还(在该内部内)设置后热器，该后热器具有带一个或多个开口的至少一个壁。

在相关实施例中，该方法可进一步将坩埚设置在内部中，并将后热器定位在坩埚上方。该方法可进一步将基座绝热体设置在坩埚附近，并将后热器支撑在基座绝热体上方。该方法可进一步设置围绕该后热器的壳体，并将后热器附接到壳体的顶部。

在一些实施例中，后热器可包括彼此面对的两个部分。这两个部分可允许带状晶在两个部分的一部分之间穿过。该方法可进一步设置具有至少两个线孔的坩埚，所述线孔沿带状晶生长方向限定垂直延伸的平面，并且将所述开口与该平面的边缘对齐。

根据本发明的其他实施例，冷却带状晶的方法提供了一种具有内部的带状晶拉晶炉，并将后热器设置在内部中。该后热器具有带一个或多个开口的至少一个壁。该方法还使带状晶至少部分穿过炉的内部生长。带状晶的至少一部分在至少一个壁附近生长。

附图说明

下面通过参照概括的附图而讨论说明的“具体实施方式”，本领域的技术人员应当更完全地理解本发明的各种实施例的优点。

图1示意性地示出可以实现本发明的示例性实施例的硅带状晶生长炉。

图2示意性地示出图1所示的带状晶生长炉移除壳体部分的部分剖视图；

图3示意性地示出根据本发明的实施例移除壳体的沿着图2中线A-A的透视剖视图；

图4示意性地示出根据本发明的实施例移除壳体的沿着图2中线A-A的剖视图；

图5示意性地示出根据本发明的实施例移除壳体的带状晶生长炉的透视图；

图6A和6B分别示意性地示出根据本发明的实施例的后热器绝热体的侧视图和透视底视图；

图7示意性地示出根据本发明的另一实施例的后热器绝热体的侧视图；并且

图8示意性地示出无后热器绝热体的基座绝热体和衬里绝热体的透视顶视图。

具体实施方式

在示例性的实施例中，带状晶拉晶炉将后热器绝热体定位在基座绝热体上方并且邻近于生长带状晶。后热器绝热体包括一个或多个开口，以控制生长着的带状晶附近的温度，潜在地降低生长带状晶内的应力。下面要论述示例性的实施例的细节。

图1示意性示出一种可以实现本发明的示例性实施例的硅带状晶拉晶炉10。该炉10包括形成基本上无氧(例如为了防止燃烧)的密闭或密封内部的壳体12。代替氧，内部可以具有某种浓度的另一种气体，比如氩或其他惰性气体，或者气体的混合物。内部包括有坩埚14(如图2-6中所示)及其他组件(其中一些在下面论述)，用于基本上同时生长多个硅带状晶16。尽管图1示出四个硅带状晶，但该炉10可基本上同时生长更多或更少的带状晶。带状晶16可以是单晶硅、复晶硅或多晶硅。壳体12中的进料口18设置有用于将硅原料导向壳体12的内部以进入坩埚14的装置，同时一个或多个可选的窗口20允许对内部和其组件进行观测。

应当注意的是，硅带状晶16的讨论是说明性的，并不意图限制本发明的全部实施例。例如，带状晶16可以由其他材料的原料或者硅和某种其他材料的混合物形成。

图2示意性地示出图1所示的移除一部分壳体12的炉10的部分剖视图。该视图示出其中的上述坩埚14，该坩埚具有可以支撑或容纳熔融材料的基本上平坦的顶表面。坩埚14的该实施例沿着其长度具有纵长的形状，以用于生长硅带状晶16的区域并肩布置。

炉10具有绝热体，绝热体根据炉10内各种区域、例如容纳熔融材料的区域和容纳生长带状晶的区域的热需求进行特别配置。这两个区域基本上形成生长的带状晶16穿过的内部区域。因此，炉10的内部包括基座绝热体24和衬里绝热体26，它们共同形成容纳坩埚14的区域，这将在下文更详细地讨论。该炉同样包括位于基座绝热体24和衬里绝热体26(从附图的透视图中看)上方的后热器28。该后热器28提供了用于使生长的带状晶16随着它从坩埚14中升起而冷却的可控热环境。基座绝热体24、衬里绝热体26和后热器26可以具有相关的但是不同的热需求，因此，可以用不同的材料生产。然而，替代实施例可以在不同区域中具有类似的或相同的绝热材料。

图3和4分别示意性地示出移除壳体的沿着图2的线A-A的透视剖视图和剖视图。如图2-4所示，后热器28大致在基座绝热体24和衬里绝热体26上垂直间隔。后热器28例如可通过支柱(未示出)由基座绝热体24和衬里绝热体26之一或两者加以支撑。此外或可替代地，后热器28可以连接或固定到壳体12的顶端部分12a上。在一些实施例中，后热器28具有两个部分28a、28b，它们位于生长的带状晶16在两侧上。这两个部分28a、28b形成一个或多个通道30(如图3所示)，带状晶穿过所述通道生长。可替代地，后热器28也可以位于生长的带状体晶16的仅一侧上，如图5中所示。

后热器28可以由提供适当热需求用于允许带状体晶以可控方式冷却的任何绝热材料形成。例如，后热器28可以由石墨或碳材料、比如碳泡沫或石墨泡沫绝热材料形成。因此，后热器28可以由类似于衬里绝热体26的材料形成，这进一步在下文详细讨论。尽管如此，后热器26形成的区域中的热需求通常不同于包括坩埚14和熔融材料的区域中的热需求。

在示例性的实施例中，后热器28具有一个或多个开口32，以用于可控地从穿过通道30生长的带状晶16中导出热量。图6A和6B示出这种后热器28的一个实施例。在该实施例中，后热器28具有面对基座绝热体24和衬里绝热体26的底部34，以及具有开口32的至少一个竖直延伸的壁36。

在所示的实施例中，开口32具有细长槽形状，每个细长槽都具有基本上均匀的宽度。可替代地，该槽也可以具有不同的宽度。在其他实施例中，开口32也可以具有均匀或变化的不同形状，例如圆形、矩形或者不规则的形状。开口32可以彼此相邻设置，开口在竖直方向上延伸壁36的长度，如图6A所示。可替代地，开口32可以垂直地排列在彼此的顶部，如图7所示。期望的生长晶带状区域的热性能以及后热器28的材料成分和厚度是开口32和/或其结构的区域总量的因素。

开口32的尺寸和形状可以根据带状晶16的期望厚度而变化。然而，通常，尺寸和形状不应该太大，因为带状晶16会在某些区域中变得很厚和/或具有不期望的内应变或内应力。因而应该小心地控制开口32的尺寸和形状，以使这种应变或应力最小化，并且保证适当的带状晶厚度。

开口32优选完全延伸穿过后热器28的壁36。然而，在替代实施例中，开口32仅可以是后热器28的较薄区域。后热器28的壁36可以具有例如图3和5中所示的变化的厚度以及具有完全延伸穿过壁36的开口32。

开口32示例性地位于指定位置上，以控制生长的带状晶16的某些特征和品质。例如，坩埚14可以具有用于接纳线42的多个线孔40(见图8)。随着线42穿过坩埚14，熔融硅凝固到其表面，从而形成生长的带状晶16。不期望的是，可能存在生长的带状晶16的部分，所述部分缺乏某些进一步冷却而比意图的(例如形成薄的、易碎“颈区”)更薄。因此，开口32可以位于生长的带状晶16的那些部分的附近，以保证适当的冷却，并因此保证期望的厚度。

例如，两个线孔可以被认为沿着带状晶生长方向形成竖直向上延伸穿过炉10的平面。如图2中所示，带状晶16大致平行于该平面生长。开口32可以沿着该平面的边缘或生长的带状晶16放置或排列，如图2和5所示，或者可以位于沿着该竖直延伸平面的任何地方，从而降低炉10的那一区域中的温度。降低那一区域中的温度应具有增加相应区域内带状晶厚度的效果。

随着线42穿过坩埚14，坩埚14内的熔融硅可能会无意泼溅在衬里绝热体26上。此外，当操作者人工清洁炉10时，衬里绝热体26会受损或被污染。这可以引起该绝热体26对炉10的那一区域具有不同的、相对不可预知的热效应。同时，在实际使用期间，熔融材料附近的绝热部分可能剥落进入到坩埚14内，从而与硅熔料混合，这是本技术领域已知的。因此，期望能保证这些薄片对硅熔料的化学成分以及最终生长的带状晶没有较大的可忽略的影响。

为此，衬里绝热体26优选由很纯的、高质量材料形成，该材料能够经得起比较高的温度。例如，衬里绝热材料优选在从约1000℃到约1500℃的温度范围工作。为此，衬里绝热体26可以由具有各种物理结构的各种材料(例如石墨、碳化硅、石英或氧化铝)形成，例如低密度、高导热率的材料(例如碳泡沫、碳纤维或石墨泡沫材料)。可接受的衬里绝热材料市购自Biddeford，ME的Fiber Materials，Inc.或Buffalo Grove，IL的Graphtek，LLC。

在示例性的实施例中，基座绝热体24可以由比衬里绝热体26相对比较不纯的、价格比较低廉的材料形成。由于基座绝热体26通过衬里绝热体26与高温熔融材料分开，基座绝热材料24不需要经受衬里绝热体26必须经受的高温。例如，基座绝热材料可以在从约室温到约1000℃的温度范围操作。基座绝热体24因此可以由满足那些要求的各种材料形成，例如陶瓷材料(如氧化铝或二氧化硅)。相反，衬里绝热体26由能够经得起较高温度的材料形成。为此，衬里绝热体26可以由与基座绝热体30的材料(在化学上和/或结构上)不同的材料形成。例如，基座绝热体24可以由固体、相对致密的石墨板形成，而衬里绝热体26可以由石墨或碳泡沫材料形成。在其他的实施例中，基座绝热体24和衬里绝热体26可以由相同或类似材料形成。

如图3和4中更清楚所示，该衬里绝热体26竖直地沿着基座绝热体24的侧壁设置(即坩埚14附近)，并且也可以设置在坩埚14下方。这样，衬里绝热体26有效地形成用于部分容纳坩埚14的内部。在某些实施例中，炉10可以包括具有连接到供气歧管46的气体喷口44的供气系统，以进一步冷却生长的带状晶。例如，如图3和4所示，衬里绝热体26包括使气体喷口44进入到坩埚14附近的内部区域内的开口，同时保护供气歧管46不被熔融材料显著污染。

衬里绝热体26的厚度可以根据许多因素变化，这些因素包括衬里绝热体26和基座绝热体24的绝热性能以及炉10的期望工作温度。然而，在一个实施例中，衬里绝热体26可以比基座绝热体24更薄，以降低替换很纯的、高质量的、通常昂贵的材料的成本。

衬里绝热体26预期受最终能够减少其效率的许多环境因素影响，因此可以认为具有一定寿命。如上所述，泼溅在衬里绝热体壁上的熔融硅以及通常的薄片会影响衬里绝热体的效率。因此，在某种程度上，本领域技术人员可以选择替换衬里绝热体26。为此，可以从衬里绝热体的与基座绝热体24的连接中移除衬里绝热体26，随后丢弃。新的衬里绝热体26可移除地连接到基座绝热体24上，能够使炉10回到更有效率的操作方式(即基本上没有上述问题且带有新的衬里绝热体26)。

如上所述，在本发明的示例性的实施例中，衬里绝热体26可移除地连接到基座绝热体24上。许多方法可以用来可移除地把衬里绝热体26与基座绝热体24连接在一起。例如，多个螺丝(未示出)可以将衬里绝热体26紧固到基座绝热体24上。然而，也可以使用其他技术，包括卡扣配合结构。

本发明的各种实施例可以相互组合。例如，后热器28可移除地连接到基座绝热体24或衬里绝热体26上，因此也相对容易更换。此外，基座绝热体24可以具有开口32，该开口有效地充当坩埚14附近区域中的热排气口。因此，不同的实施例的这些方面中每一个的整体上分开讨论并不意图限制所有实施例。

因此，本发明的各种实施例允许需要时更换炉10内的绝热体而不改变炉的基本结构。另外，其他的实施例能够通过在后热器28或基座绝热体24中具有开口32来对炉10内的热分布进行更好的控制。这些开口32实际上充当了通热口。

虽然上述讨论公开了本发明的各种示例性的实施例，但对于本领域技术人员而言显而易见的是，能够在不背离本发明的实际保护范围的情况下进行各种的修改，以实现本发明的一些优点。

Claims (29)

1.一种带状晶拉晶炉，包括：

内部，所述内部用于围绕一个或多个带状晶的至少一部分；和

后热器，所述后热器位于所述内部中，所述后热器具有至少一个壁，所述壁具有一个或多个开口。

2.如权利要求1所述的带状晶拉晶炉，其中，所述一个或多个开口包括细长槽。

3.如权利要求2所述的带状晶拉晶炉，其中，所述槽的尺寸是可变的。

4.如权利要求1所述的带状晶拉晶炉，其中，所述一个或多个开口完全延伸穿过所述壁。

5.如权利要求1所述的带状晶拉晶炉，其中所述一个或多个开口部分地延伸穿过所述壁。

6.如权利要求1所述的带状晶拉晶炉，还包括所述内部中的坩埚，其中，所述后热器位于所述坩埚上方。

7.如权利要求6所述的带状晶拉晶炉，还包括设置在所述坩埚附近的基座绝热体，其中，所述后热器由所述基座绝热体支撑。

8.如权利要求1所述的带状晶拉晶炉，还包括围绕所述后热器的壳体，所述后热器附接到所述壳体的顶部。

9.如权利要求1所述的带状晶拉晶炉，其中，所述后热器包括彼此面对的两个部分，所述两个部分中的每个都具有至少一个壁，每个所述壁都具有一个或多个开口。

10.如权利要求1所述的带状晶拉晶炉，还包括具有至少两个线孔的坩埚，所述线孔沿着带状晶的生长方向限定竖直延伸的平面，所述至少一个或多个开口与所述平面的边缘对齐。

11.如权利要求10所述的带状晶拉晶炉，其中，所述一个或多个开口包括沿着所述平面的边缘在彼此顶部上竖直对齐的多个开口。

12.一种生产带状晶拉晶炉的方法，包括：

形成用于容纳一个或多个带状晶的至少一部分的内部；并且

在所述内部中设置后热器，所述后热器具有至少一个壁，所述壁具有一个或多个开口。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述一个或多个开口包括细长槽。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述槽的尺寸是可变的。

15.如权利要求12所述的方法，其中，所述一个或多个开口完全延伸穿过所述壁。

16.如权利要求12所述的方法，其中，所述一个或多个开口部分地延伸穿过所述壁。

17.如权利要求12所述的方法，还包括：

在所述内部中设置坩埚；并且

将所述后热器定位在所述坩埚上方。

18.如权利要求17所述的方法，还包括：

在所述坩埚附近设置基座绝热体；并且

将所述后热器支撑在所述基座绝热体上。

19.如权利要求12所述的方法，还包括：

设置围绕所述后热器的壳体；并且

将所述后热器附接到所述壳体的顶部。

20.如权利要求12所述的方法，其中，所述后热器包括彼此面对的两个部分，所述两个部分构造成允许所述至少一个带状晶在所述两个部分中的至少一部分之间行进。

21.如权利要求12所述的方法，还包括：

设置具有至少两个线孔的坩埚，所述线孔沿着带状晶的生长方向限定垂直延伸的平面；并且

使所述一个或多个开口与所述平面的边缘对齐。

22.一种按照权利要求12所述方法生产的带状晶拉晶炉。

23.一种冷却带状晶的方法，所述方法包括：

设置具有内部的带状晶拉晶炉；

将后热器定位在所述内部中，所述后热器具有至少一个壁，所述壁具有一个或多个开口；并且

使得带状晶至少部分地穿过所述炉的所述内部来生长，所述带状晶的至少一部分在所述至少一个壁的附近生长。

24.如权利要求23所述的方法，其中，所述一个或多个开口包括细长槽。

25.如权利要求24所述的方法，其中，所述槽的尺寸是可变的。

26.如权利要求23所述的方法，其中，所述一个或多个开口完全延伸穿过所述壁。

27.如权利要求23所述的方法，其中，所述一个或多个开口部分地延伸穿过所述壁。

28.如权利要求23所述的方法，其中，所述后热器包括彼此面对的两个部分，所述两个部分形成有通道，所述带状晶穿过所述通道来生长。

29.如权利要求23所述的方法，还包括：

使所述一个或多个开口与所述带状晶的边缘对齐。

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