CN101952489A - 通过定向凝固生产结晶体的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过定向凝固生产结晶体的装置以及方法。该装置包括具有加热腔(12)的熔炉(11)，加热腔内限定了至少一个用于坩埚(8)的支撑表面(13)，和至少一个设置在支撑表面(13)上方的具有面向支撑表面(13)的出气口的气体吹洗装置。该装置技术方案的特征在于：该出气口是由柱塞状物体(2)的下部柱塞表面中的一个或多个开口形成的，其具有适应坩埚(8)内部形状的几何形状，所述形状允许柱塞状物体(2)至少部分插入到坩埚(8)中。该气体吹洗装置和/或支撑表面(13)包括一个调节机械或者设计为可以调节的以使得它们允许调节支撑表面(13)与柱塞状物体(2)之间的垂直距离。该装置和相应的方法允许含碳和含氧物质更加有效地或者以可控制的方式从熔体中排出。因此该装置和方法在一定的限度内允许具体调节晶体的碳和氧含量。

Description

通过定向凝固生产结晶体的装置和方法

技术领域

本发明涉及通过定向凝固生产结晶体的装置，其包括具有加热腔的熔炉，加热腔内限定了至少一个用于坩埚的支撑表面和至少一个设置在支撑表面上方的气体吹洗装置，该气体吹洗装置的出气口面对着支撑表面。本发明还涉及使用该装置通过定向凝固生产结晶体的方法。

除了根据Czochralksi法和浮区法培养单晶硅以外，已知大块硅晶的晶体培养是采用几种已确认的用于生产多晶硅的方法，它们都是基于定向凝固的原理。在通过定向凝固生产结晶体的过程中，首先将原材料熔融，然后在坩埚中通过自底向上的控制热量耗散使其凝固。该生产方法产生多晶材料，例如，用于生产硅基太阳能电池多晶硅材料。另外，该方法还利用了偏析效应来净化冶金硅。

现有技术

然而，通过定向凝固生产多晶硅块可能导致多晶材料中碳和氧浓度的升高。后者由来自炉内固定物、坩埚和硅原材料的物质的不可控污染引起。例如，甚至在结晶工艺以前，在结晶体系中储存和安装过程中处理母料，也可能由于含碳和含氧相粘附到原材料表面而引起不可控污染。另外，目前可获得的结晶体系的内部主要由石墨制得的固定物构成，例如支撑坩埚、加热器或者绝热材料。因此，碳不可避免地并且不可控地以石墨氧化物的形式与原材料或者熔体接触，并且最终结合到凝固的硅中。在这里含碳物质主要通过装置内的气相被运送到原料或者熔体。碳和氧的另一个污染源是坩埚及其Si₃N₄涂层。在这里外来物通过蚀刻和粒子腐蚀，或者是通过来自坩埚材料的扩散，与熔体接触。

如果升高的碳和氧污染发生于硅材料中，则一旦超过了溶解度界限，在熔融或者凝固多晶体中就会形成含氧和含碳夹杂物或者沉积物。这些影响了多晶硅能否用于生产太阳能电池，这是因为多晶硅中的碳和氧对随后太阳能电池的性能具有正面或负面影响。因此，有必要在定向凝固的过程中尽可能有效地监控碳和氧的含量。

一种已知的影响硅中碳和氧浓度的方式需要在熔体表面上实现合适的气体流，其将含碳和氧物质运走。例如，从Czochralski单晶培养硅中我们知道具有限定的碳含量的单晶硅材料可以通过气体吹洗来产生。另外，在通过Czochralski工艺生产硅单晶体时，规定量的气体吹洗也将影响硅熔体表面上的SiO的蒸发，从而影响了晶体中的氧含量。

US 6 378 835B1公开了在通过定向凝固生产多晶硅的过程中，使用气体洗吹来影响随后晶体中的碳和氧含量。在专利公开中的方法使用了具有气体吹洗装置的熔炉，该吹洗装置在熔体表面上方设置了中央固定管道。

然而，由气体供给线路远离熔体表面的气体洗吹单元所带来的风险是在整个熔体表面不能形成定向的向外气流。但是，该流动方式对于有效排出污染物是必需的，并且防止了来自熔炉其它部件的碳和氧被运送到该熔体。距离这么远的距离，可能引起回流效应，其结果是碳或氧被再次运送到熔体的表面，并且可以进入到熔体中。此外，在熔体表面上大的气体量使得可获得的气体流速很低，从而使得污染物的排出不能产生预期的效果。

发明内容

本发明的目的是提出通过定向凝固生产结晶体的装置和方法，其中含碳和氧的污染物可以更加有效地并且可控地从容体表面排出。

该目的是通过根据权利要求1和2的装置，以及根据权利要求10的方法达到的。该装置和方法的有利技术方案是从属权利要求的主题，或者可以从下面的描述和实施方案中得到。

在第一个可替代方案中，以已知方式提出的装置包括具有加热腔的熔炉，加热腔内形成了至少一个用于具有侧壁和底面的坩埚的支撑表面，和至少一个位于支撑表面之上的气体吹洗装置，该气体吹洗装置具有面对支撑表面的出气口。该装置的特征在于出气口是由柱塞状物体

的下部柱塞表面中的一个或多个开口形成的，其具有适应坩埚内部形状的几何形状，从而允许柱塞状物体与坩埚侧壁保持侧向距离，至少部分地插入坩埚中。该装置的特征进一步在于设置或者安装气体吹洗装置和/或支撑表面以使得可以在轴向上对它们进行调整，从而能够调整或者改变支撑面和柱塞状体之间的垂直距离。

气体吹洗装置的柱塞状物体与支撑表面之间的距离的可调节性，以及由此坩埚或者熔解于坩埚中的物质的熔体表面，以及适应坩埚的柱塞的几何形状的可调整性，使得有可能将出气口设置在熔体表面上方并且与熔体表面相对接近，并将气流聚集在柱塞状物体与熔体表面以及坩埚侧壁之间的间隙。这在熔体上产生了高的气体流速，从而带来了高效的排出处理。高的气体流速还在熔体表面上自动产生了高的剪切力，这正面影响了熔体对流。熔体对流是很重要的，这是因为熔体中的碳和氧必须通过对流被运送到熔体表面。引入的气体可以通过合适的出气口再次从该系统排出。结果是，柱塞状物体与熔体表面之间垂直距离的可调节性，使得有可能更好地控制流动条件，并且从而有可能更好地控制接下来在结晶材料中的碳和氧含量。由于坩埚中材料的填充平面在加工过程中可以变化，所提出的装置通过调整气体吹洗装置和/或支撑表面，使得有可能与熔体表面保持一个恒定的距离。例如，由于起始松散的母料块，填充水平在加热过程中改变，另外不同批次也有差异。在母料熔融以后，所形成填充水平比较低，并且在使用所谓的再装料单元并且再填充母料的时候能够再次改变。该装置还使得柱塞状物体的下部柱塞表面与熔融表面之间的距离在结晶过程中变化，这对于希望的生产结果，特别是对于结晶体中希望的碳和氧含量是必要的。

所提出的装置以及所提出的方法使得有可能使出气口和熔体表面在整个结晶过程中设定和保持临界距离，从而生产了具有限定的碳和氧含量的晶体，特别是多晶硅块。结构设计还允许天然的熔体浴对流由气体吹洗过程驱动，从而使得掺杂物质和外来物更加均匀地分布，这进一步提高了培养的结晶体的材料质量。例如，该装置使得有可能产生具有＜1x10¹⁷原子/cm³的碳浓度和＜1x10¹⁶原子/cm³.的氧浓度的多晶硅体。

根据第二个可替代方案所提出的装置提供了上面已经描述的相同的优点。该第二个可替代方案与已经描述的第一个可替代技术方案的区别仅仅在于该气体吹洗装置具有几个并排的具有相应出气口的柱塞状物体，它们整体适应于坩埚的几何形状。这样的构型最有利的是由于坩埚较大的侧向尺寸而呈现了扩大的熔体表面。上面所描述的装置的柱塞状物体的效果由几个并排设置的柱塞状物体分担，其可以在熔体表面的方向上分别独立调整，但是一般来说它们是一起调整或移动的。

在这里，当将柱塞状物物体或者柱塞状物体组引入到坩埚中的时候，优选柱塞状物体或者柱塞状物体组的几何形状使得柱塞状物体与侧壁保持相同单侧距离。该侧向距离优选≤1cm。在这里，在优选的构型中，柱塞下部是平的，使得与熔体表面也保持总体恒定的垂直距离。

在实施该方法的过程中，优选以这样的方式选择或者设定气体流量以及与熔体表面及坩埚侧壁的距离，以在柱塞状物体与熔体或者坩埚之间的缝隙中获得层流。在这里可以向不同尺寸和几何形状的坩埚提供不同的柱塞状物体，当将一个坩埚用另一个具有不同几何形状的坩埚替换时，同时也替换气体吹洗装置的柱塞状物体。以这种方式，可以在气体吹洗装置中使用总是按照坩埚量身订做的柱塞状物体。

在这里，气体吹洗装置优选由不含石墨的材料构成，以防止通过气体吹洗单元将含碳材料带到熔体表面。

因此，所例举的装置和相应的方法使得有可能在整个培养过程中，控制凝固晶体材料中的来自气相的碳和氧含量。出气口被结合到柱塞状物体中，并且其与熔体表面的距离可以调整，使得有可能在熔体上设定一临界高度，并且确保对于该装置的包封部分构成屏蔽。在合适的加工时间提供限定流量的惰性气体流，以控制各种不希望物质的进出运输。在这里，升高的气体吹洗量还影响了固有的熔体浴对流。根据熔体表面固有对流的进行方向，气体流可以促进熔体中的流动或者使该流动减速。由于该气体/熔体的相互作用，可以获得外来物或者掺杂物在结晶体内更均匀的辐射状分布。

在所提出的装置中，优选调节气体吹洗装置使其与熔体表面间隔开。然而，当然，作为替换或者结合，坩埚支撑表面在设计上是可以垂直调整的。在这里，该调整既可以手动并且通过驱动器(例如马达)进行。

在操作该装置用于生产结晶体的过程中，可以改变不同的参数。例如，在该过程中气体流量或者与熔体表面的距离可以改变。另外，在培养工艺的过程中可以将不同的气体用于气体吹洗。

该装置和方法非常有利地适合于生产用于太阳能电池中的多晶硅体。然而，当然该装置也可以用于通过定向凝固生产其它结晶体，例如，单晶半导体或者光学晶体。该装置还适合于纯化冶金硅。

附图说明

下面将基于实施方案和所示的附图再次简单地描述所提出的装置和伴随的方法：

图1是用于装置技术方案一个实例的示意图；

图2是用于装置技术方案另一个实例的示意图；

图3是多晶硅凝固块高度上碳和氧浓度与所使用的气体吹洗量x的函数关系；

图4多晶硅凝固块高度上的碳浓度与所使用的气体吹洗装置的函数关系；

图5是熔体浴的流速与所用的气体吹洗量的函数关系；以及

图6是数字确定的液-固相界弯曲程度与所用的气体吹洗量的函数关系。

具体实施方式

图1表示了所提出的装置技术方案第一个实例的示意图。在这里图1a表示在熔融过程之前以及熔融过程中的状态，而图1b描述了结晶过程中的状态。该示例方案中的装置主要特征在于已知装置的气体吹洗单元的构型。该装置包括熔炉11，其结合有加热元件6、绝缘材料10和加热腔12，加热腔具有用于坩埚8的支撑表面13。不含石墨的气体吹洗装置包括由氧化铝制得的管子1，在管子1上通过线形插塞连接器(Drahtsteckverbindung)3固定了由氧化铝制得的柱塞2，例如，该线形插塞连接器由钼镧线构成。气体吹洗装置被结合到熔炉11的加热腔12，并且通过熔炉盖中的中心孔拧到后者。在该实例中选择的管1和熔炉盖之间的压接头(Quetschverschraubung)4，使得有可能在不同的系统压力和整个过程中以确定的方式改变柱塞2的轴向位置，如图1的双箭头表示的那样。在这里加热腔12中的系统气氛不能与外部气氛相互作用，这是因为压接头是气体密封的。与氧化铝管1上端连接的外部供气管线5可以用来将净化气体在硅原料或者硅熔体上以限定高度引入加热腔12的中心。在这里硅原料7a被引入到坩埚8中，在该实例中坩埚由石英玻璃构成并且具有Si₃N₄涂层。坩埚8被设置在石墨支撑坩埚9上，支撑坩埚9位于加热腔12的支撑表面13上。

根据坩埚8的几何形状调整柱塞2使得该柱塞2至少部分插入到坩埚中，同时与坩埚侧壁保持一定距离。柱塞的下侧具有供给净化气体的出气口，其由图上的虚线表示。如果坩埚具有圆横截面，则该柱塞的几何形状是圆的，如果坩埚具有带角横截面，则柱塞的几何形状相应地为有角的。在距离柱塞底部一定距离处，图1a中的柱塞具有连续的突起，通过该突起可以完全盖住坩埚8的上缘。

气体吹洗装置的这一构型使得有可能通过外部供气管线5，在硅原料7a或者硅熔体7b上以限定高度引入清洗气体(参见图1b)。另外，可以使用周向质量流量调节器(未显示)来设定通过管1和柱塞2进入坩埚8中的气体流量。气体吹洗装置获得最佳性能的关键是调节所使用的柱塞2的形状。为了获得所使用气相与原材料或者熔体之间最佳的交互作用，在后者或者其表面之间必须实现临界距离。所提出的具有调节的柱塞几何形状和可调节距离的气体吹洗装置构型，使得有可能在整个过程中，在柱塞下部和原材料或者熔体表面之间保持该临界距离。结果是，还有可能通过轴向移动柱塞2，在坩埚中熔融硅原料的同时，平衡由松散倒入的原材料7a到液体熔融物7b的过程中填充水平的变化。在这里柱塞2被移动到坩埚8中，但是没有与坩埚8或熔体接触。这描述于图1b，在这里柱塞2更深地进入坩埚8，以与由于熔融过程而凹陷的表面保持恒定的距离。具有气体吹洗单元，特别是具有管子1、柱塞2和由不含石墨材料构成的气体进料器5使得气体吹洗单元的操作更加有效。

有效操作气体吹洗单元的另一个重要参数是气体吹洗量。其影响了带到原材料或熔体或者从原材料或熔体带出的含碳和氧物质的量。在这里坩埚参数被认为是柱塞2下的坩埚中的气体体积与所引入的气体吹洗量之间的比率。在这里图3a和3b描述了用该装置所生产的多晶硅中的碳和氧含量与所使用的气体吹洗量x的函数关系。由所示的测量结果清楚显示，使用具有升高的气体吹洗量的气体吹洗装置确保了碳和氧含量的显著降低。借助气体吹洗量可以具体设置所希望的固体中相应外来物浓度。

图4显示了气体吹洗装置的材料对结晶培养结果的影响。在一种情况下选择了由不含石墨的材料制备的气体吹洗单元，在另一种情况下，选择了由含石墨材料制备的气体吹洗单元。由该图非常明显地看到，所培养的多晶硅体碳浓度的明显差异。

所提出的气体吹洗装置具有可以接近熔体表面设置的柱塞状物体的方案，还使得有可能使用气体流量来正面影响熔体浴中的对流。在这里，图5显示了增加气体吹洗量导致了熔体内部流速的增加。如图6所示，这降低了固液相界的偏离(Durchbiegung)，从而使杂质和外来物在多晶硅材料内部更加均匀的辐射状分布。

最后，图2显示了所提出装置技术方案的另一个实例，其中在该实例中在气体吹洗装置中一个挨一个地使用了两个柱塞2。在这里坩埚8可以具有延长的矩形形状，其中该坩埚的横截面基本上被两个柱塞2所覆盖，也就是说，除了朝着坩埚8侧壁的缝隙以外。该装置中与图1中装置相同部件采用了相同的附图标记，在此不再对它们相同的设计和功能进行详细地讨论。该实例提供了两个外部气体供料器5，它们与两个管1连接。两个管1每一个都具有柱塞2，其在柱塞底部具有出气口。两个柱塞2都可以如双箭头所示轴向移动，使得有可能设置与原材料7a或者熔体的希望距离。该装置以与图1的装置相同的方式操作，其中在这里两个柱塞2同时移动。这样的构型确保了使用具有较大侧向尺寸的坩埚8，而对用于各个柱塞2的悬挂装置的机械稳定性没有固定的要求。

参考列表

1管

2柱塞

3线形插塞连接器

4压接头

5气体供料器

6加热元件

7a原材料

7b熔体

8坩埚

9支撑坩埚

10绝缘体

11熔炉

12加热腔

13支撑表面

Claims (16)

1.一种通过定向凝固生产结晶体的装置，其包括具有加热腔(12)的熔炉(11)，加热腔内限定了至少一个用于具有侧壁和底面的坩埚(8)的支撑表面(13)，和至少一个设置在支撑表面(13)上方的具有面向支撑表面(13)的出气口的气体吹洗装置，其特征在于：该出气口是由柱塞状物体(2)的下部柱塞表面中的一个或多个开口形成的，其具有适应坩埚(8)内部形状的几何形状，从而允许柱塞状物体(2)与坩埚(8)侧壁保持侧向距离至少部分插入到坩埚(8)中，并且气体吹洗装置和/或支撑表面(13)的设置或者安装使得可以在轴向上对它们进行调整，由此能够改变支撑面(13)和柱塞状物体(2)之间的垂直距离。

2.一种通过定向凝固生产结晶体的装置，其包括具有加热腔(12)的熔炉(11)，加热腔内限定了至少一个用于具有侧壁和底面的坩埚(8)的支撑表面(13)，和至少一个设置在支撑表面(13)上方的具有面向支撑表面(13)的出气口的气体吹洗装置，其特征在于：该出气口是由一组几个并排柱塞状物体(2)的下部柱塞表面中的一个或多个开口形成的，其具有适应坩埚(8)内部形状的几何形状，从而允许这组柱塞状物体(2)与坩埚(8)侧壁保持侧向距离至少部分插入到坩埚(8)中，并且气体吹洗装置和/或支撑表面(13)的设置或者安装使得可以在轴向上对它们进行调整，由此能够改变支撑面(13)和柱塞状物体(2)之间的垂直距离。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于该柱塞状物体(2)的几何形状使得柱塞状物体(2)与侧壁保持相同单侧距离至少部分插入坩埚(8)中。

4.根据权利要求1或3的装置，其特征在于柱塞状物体(2)在距离底部柱塞表面一定距离处具有连续侧向突起，使其能覆盖坩埚(8)的上缘。

5.根据权利要求2的装置，其特征在于该组柱塞装物体(2)的几何形状使得该组柱塞装物体(2)与侧壁保持相同单侧距离至少部分插入到坩埚(8)中。

6.根据权利要求2或5的装置，其特征在于柱塞状物体(2)在距离底部柱塞表面一定距离处具有连续侧向突起，使其能覆盖坩埚(8)的上缘。

7.根据权利要求1-6任一项中的装置，其特征在于下部柱塞表面是平的并且平行于支撑表面(13)设置。

8.根据权利要求1-7任一项中的装置，其特征在于选择柱塞状物体(2)或者一组柱塞状物体(2)的几何形状，以使得距离坩埚(8)侧壁的侧向距离≤1cm。

9.根据权利要求1-8任一项的装置，其特征在于气体吹洗装置由不含碳的材料构成。

10.一种在根据权利要求1-9任一项的装置中通过定向凝固生产结晶体，特别是生产由多晶硅构成的物体的方法，其中

-在坩埚(8)中将用于生产结晶体的母料(7a)熔融，形成熔体(7b)，

-设置气体吹洗装置下部柱塞表面与熔体(7b)或者母料(7a)的距离，以通过气体吹洗装置供给清洗气体来从熔体(7b)或者母料(7a)表面除去不希望的物质，

-通过气体吹洗装置供给清洗空气来在熔体(7b)或者母料(7a)的表面上形成气体流，并且

-在供给清洗气体的过程中由下向上固化熔体(7b)。

11.根据权利要求10的方法，其中在定向固化的过程中改变气体流量。

12.根据权利要求10或11的方法，其中在定向凝固的过程中，改变熔体(7b)表面与下部柱塞表面之间的距离。

13.根据权利要求10或11的方法，其中在定向固化的过程中，使熔体(7b)表面与下部柱塞表面之间的距离保持恒定。

14.根据权利要求10-13任一项的方法，其中设置熔体(7b)表面与下部柱塞表面之间的距离以及气体流量，以经由柱塞状物体(2)和坩埚(8)的侧壁之间的缝隙形成气流以从熔体(7b)除去不希望的材料。

15.根据权利要求10-14任一项的方法，其中设置熔体(7b)表面与下部柱塞表面之间的距离以及气体流量，以由该气体流量影响熔体(7b)内的流速。

16.根据权利要求10-15任一项的方法，其中设置熔体(7b)表面与下部柱塞表面之间的距离以及气体流量，以由该气体流量影响熔体(7b)中液固相界的弯曲程度。

Images