CN102753736B - 一种用于获得多晶硅半导体材料,特别是硅的设备,以及一种控制其温度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于获得多晶硅的设备(1)，包括：用于盛装硅的至少一个由石英制成的坩埚(3)，可移去地装在一个杯形石墨容器(4)内；流体密封的并且能打开的罩(5)；顶部感应线圈(12)，面向所述坩埚设置，两者之间设有石墨板(14)；横向感应线圈(16)，绕石墨容器的侧壁(17)设置；以及底部感应线圈(18)，面向石墨容器的底壁(19)设置并可垂直地移动用于改变其距底壁的距离(D)；以及相互独立地为感应线圈提供电源的第一装置(20)；以及在感应线圈的各中空匝中提供冷却剂的第二装置(21)；底部感应线圈包括4个螺旋绕组(31-34)，根据方格图案在同一平面上彼此相邻设置，所述平面由绝缘支撑板(35)设定；电气开关装置(40)使得4个绕组(31-34)根据不同的配置彼此选择性地连接。

Description

一种用于获得多晶硅半导体材料,特别是硅的设备,以及一种控制其温度的方法
技术领域
本发明涉及一种通过熔化半导体材料并随后对其进行定向凝固获得多晶硅半导体材料，特别是硅的设备，以及一种用于获得对所述半导体材料的温度进行更好控制的方法。
背景技术
对于具有高纯度，被称为“太阳能纯度”(solar purity)的半导体材料特别是硅的需求逐渐增加，所述材料可用于生产高效率光伏电池。
为了获得这样的材料，首先通过传统的冶金工艺进行提纯并且，最终形成锭，然后从中切割出生产光伏电池所需的晶圆。所述锭使用已知的“定向凝固系统”(DSS)的方法形成，即通过在坩埚中熔化半导体材料，然后对其进行定向凝固，最终获得多晶硅。
为获得定向凝固，有必要在坩埚内通过维持锭的垂直温度梯度来进行所述凝固，以获得可使凝固前沿以1-2cm/h速度推进的冷却速度。所述技术的优势在于，出现在起始材料中的杂质优先保留在熔融材料中并随后与凝固前沿一起上升。一旦锭凝固，去除锭自身的顶部就可获得理想纯度的精制多晶硅。
为了获得所述结果，对热流进行十分精准的控制是有必要的。此外，将要精炼的固体半导体材料的熔化步骤需要长时间以及高能耗。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种由半导体材料，特别是具有“太阳能纯度”的多晶硅制成的设备，以及一种用于控制其温度的方法使实施简单并便宜，从而克服现有技术的缺陷，能可靠并有效地控制热流，并能降低必要设备的总体尺寸和能耗水平。
这里和下列所述的“太阳能纯度”是指用于制造高效率光伏电池所需要的纯度。
因此本发明涉及一种根据权利要求1用于对半导体材料进行熔化以及随后的定向凝固的设备，特别是为了获得具有太阳能纯度的多晶硅，还涉及一种根据权利要求9在半导体材料的精制过程中进行控制温度的方法，其中半导体材料被熔化并随后进行定向凝固。
特别的是，本发明设备包括：至少一个用于半导体材料的坩埚，优选由石英或陶瓷材料制成，可移去的装在杯形石墨容器内；可打开的流体密封罩，其内部装所述石墨容器；一个或多个顶部感应线圈，面向石墨容器的开口设置，顶部感应线圈和开口之间设有石墨板；一个或多个横向感应线圈，围绕石墨容器的侧壁设置；一个或多个底部感应线圈，面向石墨容器的底壁设置；用于分别并且独立地供应所述感应线圈的交流供电装置；以及用于在感应线圈的各中空匝中提供冷却剂的冷却装置。
根据本发明的一个方面，感应线圈的底部块包括多个彼此相邻设置的绕组，位于由绝缘支撑板设定的同一个平面上，以及电气开关设备，预先设置在底部感应线圈的绕组和各交流供电装置之间，用于根据不同的配置使绕组彼此选择性地连接，配置的不同之处在于彼此相邻设置的各绕组中电流循环方向。
因此，根据本发明的方法，通过石墨感受器加热装在坩埚中的半导体材料进行熔化步骤，每个石墨感受器与至少一个单独的感应线圈可操作地相关联，并围绕着坩埚设置，而且，为了获得对温度的理想控制，采取以下步骤：
-在坩埚下面设置一个感受器，与至少一个底部感应线圈可操作地相关联，所述感应线圈包括多个彼此相邻设置并位于同一平面的绕组；以及
-使绕组彼此选择性连接并选择性地连接到各交流供电装置上，所述装置根据不同的配置为底部线圈提供电源，所述配置的不同之处在于彼此相邻的各绕组中电流循环方向。
以这种方式，可以极为简单地，以可在一个或相同的过程中多次应用的方式，改变底部石墨感受器供应到坩埚的热量，而不实质性的改变装置的任何其他操作参数，并且尤其是感应线圈的参数。
而且，更佳的是，底部感应线圈是可移动的，使得它和与它相连的感受器之间的距离能在熔化步骤中和凝固步骤中均可改变。特别的是，凝固过程中，底部感应线圈停止工作并与感受器接触，不断向其匝中供应冷却剂来直接地移除感受器中的热量。
附图说明
通过下面描述的本发明的实施方式的非限制性实例，本发明的进一步特征和优点将更加清晰，下面参考附图示意性地描述实施例，其中：
-图1是本发明用于对半导体材料进行熔化和随后的定向凝固的设备沿平行于其垂直对称轴的截面的正视示意图，其中只示出一半，移去的一半是对称的；
-图2是图1设备的底部感应线圈以上四分之三部分的放大尺寸的透视图；以及
-图3和4分别为图2的感应线圈的3种不同的可能操作配置的示意图以及在石墨板上的相应温度分配，所述石墨板设置在感应线圈和装有要进行加热的半导体材料的坩埚之间。
具体实施方式
参考图1和2，用于对半导体材料2进行熔化和随后的定向凝固，特别是为获得具有“太阳能纯度”的多晶硅的设备整体用1表示。
所述设备1包括：至少一个用于半导体材料2的坩埚3，优选由石英或陶瓷材料制成，可移去地装在杯形石墨容器4内；以及流体密封的罩5，在其内部装所述石墨容器4，流体密封的罩5包括杯形底部半轴瓦6和顶部半轴瓦7；所述底部半轴瓦6和顶部半轴瓦7优选由钢制成，通常在其凹面彼此相对的情况下以一个在另一个上面的方式连接(图1)，并且各边缘8，9上设有适当的垫片(未示出)，以流体密封的方式对接在一起。
所述设备1进一步包括装置10，用于从底部半轴瓦6垂直地移去顶部半轴瓦7，使得罩5呈现出一种“敞开的”配置从而能放入石墨容器4。
根据本发明的一个方面，装置1进一步包括：至少一个顶部感应线圈12，在非限制性实施例中用平面配置表示，感应线圈12包括匝13，例如，做成平面螺旋形状，设置所述感应线圈，使其面向石墨容器4的开口，并且与其可操作地关联的石墨板14设置于所述感应线圈和石墨容器4的开口之间；至少一个横向感应线圈16，使用时，围绕石墨容器4的侧壁17连接，并与底部半轴瓦6和顶部半轴瓦7的形状相配合；以及底部感应线圈18，面向石墨容器的底壁19设置。
设备1进一步包括：交流供电装置20，其是已知的因此用方块示意性地表示，用于独立地分别供电给所述感应线圈12，16和18；以及冷却装置21，其也是已知的因此用方块示意性表示，用于在感应线圈12，16和18的匝13内提供冷却剂，所述匝13为中空的可由管状元件构成。
根据本发明的一个方面，底部感应线圈18通过移动装置30可以垂直移动，从而能改变使用时其距底壁19的距离D(图3)，同时横向感应线圈16(图5和6)包括多个平面匝13，即每个匝在同一个平面上，与半轴瓦6，7的对称轴A同轴设置，并且在垂直方向上以一个在另一个上面的方式设置。
根据已知技术，石墨容器4侧壁17和底壁19和石墨板14具有相应的组成和尺寸以构成分别用于横向感应线圈16，底部感应线圈18，以及顶部感应线圈12的电磁感受器。
所采用的冷却装置21可使用导热油，而不是水，作为在中空匝13中循环的冷却剂。以这种方式，在熔化或定向凝固过程中罩5内冷却剂有任何的泄漏，或在坩埚3发生故障时熔融的硅2随之向底部半轴瓦6内溢出的情况下，都没有硅与水发生化学反应引起爆炸的风险。
根据本发明的主要方面，底部感应线圈18(图2)包括多个绕组31，32，33和34，在所示实施例中具有平面配置，所述绕组相邻设置并位于由绝缘支撑板35设定的同一平面上。绝缘支撑板35进一步由轴或毂36所支撑。使用时，轴或毂36可通过移动装置30在半轴瓦6内移动来改变距离D。
此外，根据本发明，还包括电气开关装置40，由方块示意性地表示，而并没有详细描述，这是因为，一旦明确并描述了它们的功能，它们对于本领域技术人员来说就是显而易见的。电气开关装置40预先设置在底部感应线圈18的绕组31-34与各交流供电装置20之间，用于根据不同的配置将绕组31-34选择性地彼此连接以及与装置20连接，所述配置彼此的不同之处在于彼此相邻设置的各绕组31-34中的电流循环方向，例如，图3中示意性地表示。
根据优选的实施例，底部感应线圈18包括4个绕组，由31，32，33，34准确地表示，根据方格图案，每两个相邻设置。
每个绕组31-34特别地呈平面螺旋形(图2)，通过将铜管本身多次弯曲以形成中空的匝13并将感应线圈18细分为各相邻区域，在图4中示意性地表示，其中绕组31-34用循环箭头也被示意性地表示出来，所述循环箭头具有同绕组中电流循环一致的循环方向，区域中由感应线圈18产生的磁场的通量L的各磁通量线具有相似的图形。
然后开关装置40被设计成能够选择性地确定相邻区域之间通量L的磁通量线的图形，即，相对于相邻区域之间的边界线k分别为正切的(例如图4a)，或正交的(图4c)，或混合的(图4b)。
如上所述，至少底部感应线圈18的冷却装置21被设置为通过毂或轴36和各个管的接头50，向底部感应线圈18的中空的匝13中供应导热油或者水，例如，每个接头50用于绕组31-34中的一个；特别是，每个绕组31，32，33，和34在其开始端和终止端都有一个开口60(图2)，所述开口60通过在毂或轴36中的液压管路61与管的接头50连接，这些管接头50以已知方式与冷却装置21连接。
可能的，如果需要，可在绕组31-34与冷却装置21之间提供液压开关装置70(图1)，用于在多个绕组31-34的匝13中供应不同的冷却剂流。
基于以上描述，清楚的是，通过设备1，可有效实施一种用于对半导体材料2定向凝固过程的温度进行控制的方法，其中对所述材料进行熔化并随后进行受控凝固，其中通过石墨感受器14，17，19加热装在坩埚3中的半导体材料进行所述熔化步骤，每个石墨感受器14，17，19分别与至少一个感应线圈12，16，和18可操作地相关联，并围绕着坩埚3设置。
特别的是，用于控制坩埚3中硅2的温度的方法包括以下步骤：
-在坩埚3的下面设置感受器19，由设定了容器4的底壁的底板构成，与底部感应线圈18可操作地相关联，底部感应线圈包括多个绕组31-34，具有平面配置并位于同一平面彼此相邻设置；以及
-选择性地使绕组31-34彼此连接并使所述线圈31-34与各交流供电装置20连接，用于与根据不同的配置为底部线圈18提供电源，在图3中示意性地表示，所述配置的彼此不同之处在于彼此相邻设置的各绕组31-34(在图3中用循环箭头示意性地表示)中电流的循环方向(用循环箭头的方向示意性地表示)。
特别的是，底部感应线圈18的绕组31-34彼此连接使得每个绕组31，32，33，和34设定了感应线圈18的一个区域，其中磁场的通量L的各磁通量线具有相似的图形，使得组合的相邻区域通量L的磁通量线具有与相邻区域之间的边界线K通常成正切(图3a)或正交(图3c)的图形。
此外，底部感应线圈18和与其连接的相应的石墨感受器19之间的距离D可根据本发明的方法及需要而变化，特别是，在定向凝固的步骤中，通过切断底部感应线圈18的供电，但在其中空匝13中保持冷却剂的循环，并使感应线圈18接近与其相关联的感受器19直到两者相接触，使用导热油或水作为冷却剂，已经提过。
为了这个目的，所述感应线圈18设置在一个由围绕着感受器14，17，19的隔热元件100所设定的隔间中，其中感应线圈12和16优选设置在所述隔间的外侧，因此，隔热元件100设置在感应线圈12和16和与两者相关联的感受器14，17之间。
以这种方式，经试验已经发现，如图4中所突显，可以极为简便地并以在同一过程中多次应用的方式，改变底部石墨感受器19供应到所述坩埚3的热量。图4a特别显示了当绕组31-34中的电流配置是图3a时，感受器19中温度的图形(具有较高温度的区域较亮，根据图4中照片所使用的灰度级)。图4b和4c同样显示了当绕组31-34中电流的配置分别是图4b和4c时，在感受器19中的温度分布表现。
此外，在感应线圈与其自身的交流供电装置20断开而停止工作后，通过感应线圈18特殊的结构配置以及将其用作热交换器，也显著地促进了凝固过程中硅2温度的控制。

Claims (13)

1.一种用于半导体材料(2)的熔化和随后定向凝固，以获得具有“太阳能”纯度的多晶硅的设备(1)，包括至少一个用于所述半导体材料的坩埚(3)，可移去地装在杯形石墨容器(4)内；至少一个顶部感应线圈(12)，面向所述石墨容器的开口(15)设置，顶部感应线圈(12)和开口(15)之间至少设有与顶部感应线圈(12)可操作的相关联的石墨板(14)；至少一个横向感应线圈(16)，围绕所述石墨容器的侧壁(17)设置；至少一个底部感应线圈(18)，面向所述石墨容器的底壁(19)设置；用于分别并且独立地供应所述感应线圈(12,16,18)的交流供电装置(20)；以及用于在所述感应线圈的各中空匝(13)中提供冷却剂的冷却装置(21)；作为整体，所述设备的特征在于：
-所述至少一个底部感应线圈(18)包括多个绕组(31-34)，所述多个绕组彼此相邻设置并位于由绝缘支撑板(35)所设定的同一平面上；
-电气开关装置(40)，预先设置在所述至少一个底部感应线圈(18)的绕组(31-34)与各交流供电装置(20)之间，用于根据不同的配置选择性地互相连接交流供电装置(20)和绕组(31-34)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述不同的配置的不同之处在于彼此相邻设置的各绕组(31-34)中的电流循环方向。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个底部感应线圈(18)包括4个所述绕组(31-34)，根据方格图案，每两个相邻设置。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，相邻设置的所述绕组(31-34)具有平面螺旋形状。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述绕组(31-34)将所述至少一个底部感应线圈(18)划分为各个相邻的区域，所述区域中由感应线圈(18)产生的磁场的通量L的各磁通量线具有相似的图形；所述开关装置(40)被设计为选择性地确定相邻区域之间通量L的磁通量线的图案，使其与该相邻区域之间的边界线(K)成正切或正交。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个底部感应线圈(18)是可垂直移动的，使用时能改变其距所述石墨容器(4)底壁(19)的距离(D)。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个底部感应线圈(18)的冷却装置(21)被设计为在所述至少一个底部感应线圈(18)的中空匝(13)中供应导热油。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括可打开的流体密封罩(5)，其内部装所述石墨容器(4)以及所述感应线圈(12,16,18)。
9.一种用于对半导体材料(2)定向凝固过程的温度进行控制的方法，其中所述半导体材料被熔化并随后进行受控凝固，通过石墨感受器(14,17,19)加热装在坩埚(3)内的半导体材料进行所述熔化步骤，每个石墨感受器(14,17,19)与至少一个感应线圈(12,16,18)可操作地相关联，并围绕所述坩埚设置，所述方法的特征在于，包括以下步骤：
-在所述坩埚(3)的下面设置感受器(19)，所述感受器(19)与至少一个底部感应线圈(18)可操作地相关联，所述底部感应线圈(18)包括多个位于同一平面且彼此相邻设置的绕组(31-34)；以及
-选择性地使所述绕组(31-34)彼此连接并与各交流供电装置(20)连接，用于根据不同的配置为所述底部线圈供应电源，所述配置彼此的不同之处在于在彼此相邻设置的所述各绕组中电流循环的方向。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述至少一个底部感应线圈(18)的绕组(31-34)彼此相互连接使得每个绕组设定出所述感应线圈的一个区域，所述区域中磁场的通量L的各磁通量线具有相似的图形；并且相邻区域的通量L的磁通量线具有与该相邻区域之间的边界线K成正切或正交的图形。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述至少一个底部感应线圈(18)和与其相关联的石墨感受器(19)之间的距离(D)是变化的。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述受控凝固步骤是如下进行的，中断所述至少一个底部感应线圈(18)的供电，保持所述底部感应线圈(18)的各中空匝(13)中冷却剂循环，并将所述感应线圈(18)接近与其相关联的感受器(19)直至两者相接触。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，导热油被用作冷却剂。
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