CN116288238A - 用于化学气相沉积多晶硅的电极以及制造晶体硅材料的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于化学气相沉积多晶硅的电极以及制造晶体硅材料的方法。本发明公开了用于制造可用作生长晶体硅材料直接原料的高通量、低成本管状多晶硅棒料的工艺和系统。在一个实例中，化学气相沉积(CVD)工艺包括在管状电极上沉积多晶硅以形成管状多晶硅棒料。所述管状多晶硅棒料可在浮区工艺中熔化以生长单晶硅材料。

Description

用于化学气相沉积多晶硅的电极以及制造晶体硅材料的方法
本申请是申请日为2016年5月4日、国际申请号为PCT/US2016/030856、发明名称为“高通量化学气相沉积电极”、进入中国国家阶段的申请号为201680026810.1的中国专利申请的分案申请。
本专利申请要求于2016年5月2日提交的先前共同未决的美国非临时专利申请序列号15/144,469的优先权，该申请要求享有于2015年5月8日提交的先前共同未决的美国临时专利申请序列号62/159,159的优先权，其全部公开内容以引用方式并入本文。
背景技术
光伏电池(常被称为太阳能电池)是熟知的用于将太阳辐射直接转换为电能的装置。一般来讲，使用半导体加工技术在半导体基板的表面附近形成p-n结，从而在半导体晶片或基板上制造太阳能电池。照射在基板表面上并进入基板内的太阳辐射在基板块体中形成电子和空穴对。电子和空穴对迁移至基板中的p掺杂区和n掺杂区，从而在掺杂区之间产生电压差。将掺杂区连接至太阳能电池上的导电区，以将电流从电池引导至与其耦接的外部电路。
效率是太阳能电池的重要特性，因其直接与太阳能电池发电能力有关。同样，制备太阳能电池的效率直接与此类太阳能电池的成本效益有关。因此，提高太阳能电池效率的技术或提高制造太阳能电池效率的技术是普遍需要的。
通过使用高质量晶体硅基板制造太阳能电池，可以提高太阳能电池的效率。例如，使用单晶硅晶片制造的太阳能电池通常比使用多晶硅晶片制造的太阳能电池效率更高。光伏行业广泛采用切克劳斯基技术制造单晶基板，主要是因为目前这种方法相对较少采用的浮区技术更具成本效益。但是，浮区技术生产的的单晶基板比由切克劳斯基技术生产的单晶基板质量更高。因此，如果该工艺的成本效益得到改进，就可以成为生长单晶硅材料的优选方法。
发明内容
本公开提供了一种用于化学气相沉积多晶硅的电极，包括：芯管，其具有围绕腔的导电壁，其中腔在芯管的第一端和第二端之间延伸以运载液体冷却剂通过电极；以及围绕导电壁的多层阻挡膜，其中多层阻挡膜包括金属扩散阻挡材料，其中多层阻挡膜中最靠近芯管的阻挡膜的热膨胀系数与芯管的热膨胀系数之间的差异在20％以内，多层阻挡膜中的相邻阻挡膜的热膨胀系数之间的差异小于20％，并且在多层阻挡膜包括三层或更多层阻挡膜的情况下，最外侧阻挡膜层的热膨胀系数与最内侧阻挡膜层的热膨胀系数之间的差异大于20％。
本公开内容还提供了一种用于化学气相沉积多晶硅的电极，包括：芯管，其具有围绕腔的导电壁，其中所述腔在所述芯管的第一端和第二端之间延伸以运载液体冷却剂通过所述电极；以及围绕所述导电壁的多层阻挡膜，其中所述多层阻挡膜包括起伏外表面，其中所述多层阻挡膜中最靠近所述芯管的阻挡膜的热膨胀系数与所述芯管的热膨胀系数之间的差异在20％以内，所述多层阻挡膜中的相邻阻挡膜的热膨胀系数之间的差异小于20％，并且在所述多层阻挡膜包括三层或更多层阻挡膜的情况下，最外侧阻挡膜层的热膨胀系数与最内侧阻挡膜层的热膨胀系数之间的差异大于20％，所述芯管包括从所述腔的中心轴线径向向外延伸的翅片，并且其中所述翅片包含多个谷之间的峰，所述峰相对于所述中心轴线的径向间隔大于相应的所述谷与所述中心轴线的径向间隔。
本公开内容还提供了一种制造晶体硅材料的方法，包括：在电极上沉积多晶硅，其中电极包括芯管，芯管具有围绕腔的导电壁，并且其中沉积多晶硅会在电极周围形成多晶硅管；使液体冷却剂流过芯管的腔，将多晶硅管与电极分开；从多晶硅管中取出电极；以及处理多晶硅管以生长晶体硅材料，其中电极包括围绕导电壁的多层阻挡膜，其中多层阻挡膜中最靠近芯管的阻挡膜的热膨胀系数与芯管的热膨胀系数之间的差异在20％以内，多层阻挡膜中的相邻阻挡膜的热膨胀系数之间的差异小于20％，并且在多层阻挡膜包括三层或更多层阻挡膜的情况下，最外侧阻挡膜层的热膨胀系数与最内侧阻挡膜层的热膨胀系数之间的差异大于20％，并且其中，阻挡膜包括金属扩散阻挡材料和起伏外表面，芯管包括从腔的中心轴线径向向外延伸的翅片，并且翅片包含多个谷之间的峰，峰相对于中心轴线的径向间隔大于相应的谷与中心轴线的径向间隔，使得电极包括具有周向起伏的横截面外缘。
附图说明
图1是根据一个实施例的沉积电极的透视图。
图2是沿图1A-A线截取的根据一个实施例的沉积电极的剖视图。
图3是根据一个实施例的沉积电极的透视图。
图4是沿图3B-B线截取的根据一个实施例的沉积电极的剖视图。
图5是根据一个实施例的沉积电极的透视图。
图6是根据一个实施例的晶体硅材料制造方法的流程图。
图7A-7D是根据一个实施例使用沉积电极形成的管状多晶硅棒料的剖视图。
图8是根据一个实施例使用浮区方法由管状多晶硅棒料形成的单晶硅材料的局部透视图。
图9是根据一个实施例的用于浮区工艺的RF盘的透视图。
具体实施方式
以下具体实施方式本质上只是例证性的，并非意图限制所述主题的实施例或此类实施例的应用和用途。如本文所用，词语“示例性”意指“用作示例、实例或举例说明”。本文描述为示例性的任何实施未必理解为相比其他实施是优选的或有利的。此外，并不意图受前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中提出的任何明示或暗示的理论的约束。
本说明书包括提及“一个实施例”或“实施例”。短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现不一定是指同一实施例。特定的特征、结构或特性可以任何与本公开一致的合适方式加以组合。
术语。以下段落提供存在于本公开(包括所附权利要求书)中术语的定义和/或语境：
“包括”。该术语是开放式的。如在所附权利要求书中所用，该术语并不排除其他结构或步骤。
“配置为”。各个单元或部件可被描述或声明成“配置为”执行一项或多项任务。在这样的语境下，“配置为”用于通过指示该单元/部件包括在操作期间执行一项或多项任务的结构而暗示结构。因此，可以说是将单元/部件配置成即使当指定的单元/部件目前不在操作(例如，未开启/激活)时也可执行任务。详述某一单元/电路/部件“配置为”执行一项或多项任务明确地意在对该单元/部件而言不援用35 U.S.C.§112第六段。
“第一”、“第二”等。如本文所用，这些术语用作其之后的名词的标记，而并不暗示任何类型的顺序(例如，空间、时间和逻辑等)。例如，提及“第一”阻挡膜层并不一定暗示该阻挡膜层为某一序列中的第一个阻挡膜层；相反，术语“第一”用于区分该阻挡膜层与另一个阻挡膜层(例如，“第二”阻挡膜层)。
“耦接”-以下描述可以指元件或节点或结构特征被“耦接”在一起。如本文所用，除非另外明确指明，否则“耦接”意指一个元件/节点/特征直接或间接连接至另一个元件/节点/特征(或直接或间接与其连通)，并且不一定是机械连接。
此外，以下描述中还仅为了参考的目的使用了某些术语，因此这些术语并非意图进行限制。例如，诸如“上部”、“下部”、“上方”和“下方”之类的术语是指附图中提供参考的方向。诸如“正面”、“背面”、“后面”、“侧面”、“外侧”和“内侧”之类的术语描述部件的某些部分在一致但任意的参照系内的取向和/或位置，通过参考描述所讨论的部件的文字和相关的附图可以清楚地了解所述取向和/或位置。这样的术语可包括上面具体提及的词语、它们的衍生词语以及类似意义的词语。
本文描述了用于经济有效地制造单晶硅材料的工艺和系统。在下面的描述中，给出了许多具体细节，诸如具体的材料管理制度和工艺流程操作，以便提供对本公开的实施例的透彻理解。对本领域的技术人员将显而易见的是，可在没有这些具体细节的情况下实施本公开的实施例。在其他情况中，没有详细地描述熟知的制造技术或参数，诸如常规“西门子”CVD加工技术，以避免不必要地使本公开的实施例难以理解。此外，应当理解在图中示出的多种实施例是示例性的展示并且未必按比例绘制。
浮区技术需要使多晶硅锭通过射频(RF)线圈以产生隔离杂质的熔融区域，从而生长单晶硅材料。尽管单晶硅材料纯度很高，但是作为工艺前体(即原料)的多晶硅锭需要具有非常之大的直径尺寸，以致通过常规化学气相沉积(CVD)工艺(又称“西门子”CVD工艺)生产锭时极其耗时(因此也非常昂贵)。例如，使用“西门子”CVD工艺时，可能需要花费数十个小时，例如150个小时，才能生长出直径适合用于浮区工艺的锭。之所以需要如此长的时间，部分是由于需要将高质量的针状硅籽晶加热(和冷却)到高温(例如1200摄氏度)，以使针状籽晶切换为导通状态，在此状态下可能发生多晶硅沉积的热CVD反应。此外，必须显著减缓沉积工艺的速度，才能达到期望的结构硅质量，以使沉积得到的多晶硅适合用作浮区技术的原料。这种工艺的减缓也导致使用常规“西门子”CVD工艺生产多晶硅棒的时间较为漫长。因此，为了将浮区工艺制造的单晶硅材料的成本降低到太阳能电池制造商可以广泛接受的程度，需要一种更具成本效益的CVD工艺来制造具有必要尺寸和结构质量的多晶硅原料。
本公开的一些实施例可以通过提供用于制造高通量、低成本且可用作浮区工艺直接原料的管状多晶硅棒的工艺和系统来提高太阳能电池的制造效率。在一个实施例中，制造单晶硅材料的方法包括在具有由阻挡膜层围绕的芯管的电极上沉积多晶硅。沉积多晶硅会围绕电极形成多晶硅管。该方法还可以包括从多晶硅管中取出电极。取出电极可以包括使冷却剂流过芯管内腔，使电极收缩到小于多晶硅管的尺寸。如此就可以将多晶硅管与电极分离，从而提供管状多晶硅棒料。该方法还可以包括熔化多晶硅管，例如在浮区工艺中，以生长单晶硅材料。随后可以在各种应用中处理单晶硅材料，例如将单晶锭切片以制造圆形或多边形太阳能电池。
一方面，CVD工艺和系统包括具有芯管的沉积电极。电极的管状结构和芯管的导电性可允许在CVD工艺过程中使用较低的温度，并且实现较高的多晶硅沉积速率。由此，可以提升CVD工艺适合作为浮区工艺原料的管状多晶硅棒料的产量，并且取得相对常规“西门子”CVD工艺生产实芯料的成本优势。
一方面，CVD工艺和系统的电极可以被一系列阻挡膜层覆盖，以防止芯管材料扩散到沉积的多晶硅中。由此，电极可以使CVD工艺生产的管状多晶硅棒料保持较高的多晶硅质量。因此，管状多晶硅棒料可适用于浮区工艺，以生长用于制造光伏电池的高纯度单晶硅材料。
一方面，芯管和阻挡膜层的热膨胀系数相近。因此在CVD工艺过程中，在电极上沉积多晶硅之后，可以使冷却剂通过电极内腔，以使电极快速收缩并与多晶硅管分离。由此可以容易地将电极从多晶硅管中取出，之后可以将多晶硅管用作浮区工艺中的管状多晶硅料棒。
参见图1，其示出了根据一个实施例的沉积电极的透视图。在一个实施例中，用于执行CVD工艺的CVD系统包括用于CVD沉积多晶硅的电极100。电极100可以是中空电极，即管状电极。例如，电极100可以包括芯管102，其具有围绕内腔106的导电壁104。在CVD工艺过程中，内腔106可以在芯管102的第一端108和第二端110之间延伸，以运载液体冷却剂通过电极100。电极100还可以包括阻挡膜112，其围绕芯管102的导电壁104。即，阻挡膜112可以覆盖电极100的第一端108和第二端110之间的芯管102。芯管102可以是电极100的核心部分，为电极100提供机械刚性和稳定性。
参见图2，其示出了沿图1A-A线截取的根据一个实施例的沉积电极的剖视图。在一个实施例中，芯管102的导电壁104可以包括围绕内腔106的内表面和与内表面间隔一个壁厚的外表面。导电壁104可以具有环形横截面，并且由此内表面可以具有内径，外表面可以具有外径。如下所述，横截面的内表面和/或外表面可以具有其他形状，例如多边形、曲线形等，因此外表面和内表面可视为具有外部尺寸而不是外径。
芯管102可以由传导性材料形成，例如导热材料和/或导电材料。在一个实施例中，芯管102的导电壁104由金属形成，如钢合金材料。另选地，芯管102可以由半金属形成，如石墨。与常规“西门子”CVD工艺中将针状硅籽晶从半导体状态切换到导通状态所需的温度相比，导电壁104的传导性可允许CVD工艺降低温度要求。这可能产生两个有利影响。首先，由于不需要多个电源阵列以用于CVD工艺中的不同加热阶段，CVD系统的电源设计可以得到简化。即，具有电极100的CVD系统中可以使用单个电源。其次，较低的加工温度需要的加热和冷却时间较少，这可以缩短加工时间，提升产量。
仍然参见图2，芯管102可以涂覆一个或多个(例如一系列)阻挡膜层，其在CVD工艺过程中可防止芯管材料迁移到周围的多晶硅沉积材料中。在一个实施例中，导电壁104周围的阻挡膜112包括金属扩散阻挡材料。例如，芯管102的导电壁104的外表面可被第一阻挡膜层包围和覆盖，例如内阻挡膜层202。可选地，内阻挡膜层202可以被具有相应金属扩散阻挡材料的第二阻挡膜层包围和覆盖，例如外阻挡膜层204。阻挡膜层可以由相同或不同的材料形成。例如，内阻挡膜层202可以由第一金属扩散阻挡材料形成，而外阻挡膜层204可以由第二金属扩散阻挡材料形成。第一金属扩散阻挡材料和第二金属扩散阻挡材料可以是不同的，例如，第一金属扩散阻挡材料可以是硅和氮的化合物，例如氮化硅，而第二金属扩散阻挡材料可以包括例如钛或氮化钛。一个或多个阻挡膜层可以由硅的氧化物形成，如二氧化硅。一个或多个阻挡膜层可以由其他材料形成，以减小芯管102的金属与待沉积在电极100上的硅材料之间的欧姆接触变化。每个阻挡膜层可以具有与另一个阻挡膜层相同或不同的厚度。在一个实施例中，每层的厚度可以在1微米至1毫米的范围内，例如每层可以在10微米至100微米的范围内。
图示中的两层阻挡膜112仅作为示例，应当理解，阻挡膜112可以仅包括一个阻挡膜层，也可以包括两个以上阻挡膜层。例如，阻挡膜112可以包括设置在内阻挡膜层202和外阻挡膜层204之间的中间阻挡膜层206(由图2中的虚线表示)。中间阻挡膜层206可以包括具有如上所述性质的相应金属扩散阻挡材料。
在一个实施例中，各阻挡膜层的热膨胀系数相近。例如，所有阻挡膜层的热膨胀系数彼此之间的差异可以在20％以内。即，第一金属扩散阻挡材料可以具有第一热膨胀系数，第二金属扩散阻挡材料可以包括第二热膨胀系数，并且第一热膨胀系数与第二热膨胀系数之间的差异可以小于20％。另选地，如在阻挡膜层多于两个(例如内阻挡膜层202与外阻挡膜层204之间的中间阻挡膜层206)的情况下，相邻阻挡膜层的热膨胀系数彼此之间的差异可以小于20％，并且最外侧阻挡膜层的热膨胀系数与最内侧阻挡膜层的热膨胀系数之间的差异可以大于20％。即，内阻挡膜层202的第一金属扩散阻挡材料可以具有第一热膨胀系数，外阻挡膜层204的第二金属扩散阻挡材料可以包括第二热膨胀系数，并且第一热膨胀系数与第二热膨胀系数之间的差异可以大于20％。
在一个实施例中，一个或多个阻挡膜层的热膨胀系数与芯管102的热膨胀系数相近。例如，至少一个层(例如内阻挡膜层202)的热膨胀系数与芯管102的热膨胀系数之间的差异可以在20％以内。
在一个实施例中，电极100可以产生比常规“西门子”CVD工艺固有沉积速率更快的多晶硅沉积速率。多晶硅的沉积速率取决于籽晶结构的直径，例如在常规“西门子”CVD工艺中使用的针状籽晶或下述CVD工艺的CVD系统中使用的电极100。更具体地，沉积速率随籽晶结构的外部尺寸增加而增加。因此，假定电极100的直径可以大于针状籽晶的直径，则与由纯硅形成的针状籽晶相比，由于其初始直径较大，总体沉积速率可以显著增加。此外，电极100可以制成能够增加晶种结构表面积的形状，从而进一步增加多晶硅沉积速率和工艺产量。
参见图3，其示出了根据一个实施例的沉积电极的透视图。电极100的形状可以包括外表面，以进一步增加沉积的表面积，例如阻挡膜112的外表面，其为起伏外表面302。更具体地，起伏外表面302可以沿轴向304变化。例如，起伏外表面302可以包括一个或多个轴向起伏308，例如沿轴向304在一个或多个顶点305和一个或多个沟槽306之间轴向蔓延的表面波浪。即，沿阻挡膜112的起伏外表面302沿轴向304穿过顶点305的花键可以包括与内腔106的中心轴线的径向间隔，其在第一端108和第二端110的芯管102之间变化。更具体地，径向间隔可以沿轴向304增加和减小，使得花键可以被理解为具有轴向起伏308。与沿轴向304具有恒定半径的圆柱形外表面相比，起伏表面可以增加电极100的总体表面积。因此，可以在电极100的形状中引入轴向变化，以增加电极100的表面积，从而增加下述CVD工艺中的多晶硅沉积速率。
参见图4，其示出了沿图3B-B线截取的根据一个实施例的沉积电极的剖视图。电极100可以具有包括在周向402上具有径向变化的起伏外表面302的形状。例如，芯管102可以包括径向起伏，例如从内腔106的中心轴线406沿径向向外延伸的一个或多个翅片404。更具体地，每个翅片404可以包含在多个谷410之间的峰408。即，峰408可以包括与中心轴线406的相应径向间隔，并且谷410可以包括与中心轴线406的相应径向间隔，并且谷410的径向间隔可以小于峰408的径向间隔。因此，起伏外表面302可以围绕中心轴线406沿周向402延伸覆盖翅片404，使得电极100包括具有外缘412的横截面轮廓。由于外缘412可以包括在周向402上与中心轴线406之间的可变间隔，所以外缘412可以包括一个或多个周向波动414。
电极100在任何给定轴向位置处的外缘412可以是曲线形。例如，当起伏表面通过周向起伏414的峰408和谷410平稳过渡时，例如沿着曲率半径，外缘412可以视为曲线形的横截面外缘412。另选地，当起伏表面通过周向起伏414的峰408和谷410急剧过渡时，例如当外表面沿着峰408之间彼此成角度的直线曲折延伸时，外缘412可以视为直线形的横截面外缘412。在两种情况下，外缘412都可以是非圆形的，因此，起伏外表面302可以是非圆柱形的。
与沿横截面周向具有恒定半径的圆柱形外表面相比，周向起伏414可以增加电极100的总体表面积。举例而言，在圆柱形电极的情况下，电极上两点之间的表面积可以与两点之间的弧长成正比。然而，在电极100具有翅片404的情况下，当翅片404限定在间隔为弧长的两个点处的两个谷410之间时，翅片404表面上的距离可以是例如两倍弧长，因此，电极100的表面积可以是圆柱形电极100表面积的大约两倍。
参见图5，其示出了根据一个实施例的沉积电极的透视图。如上所述，电极100可以具有包括起伏外表面302的形状，其具有一个或多个轴向和/或径向变化。例如，起伏外表面302可以同时具有轴向和径向变化。在一个实施例中，起伏外表面302包括围绕电极100蔓延的螺旋结构，例如螺纹502，并且同时包括轴向和周向分向量，例如螺旋形状。更具体地，起伏外表面302可以包括翅片404，其围绕芯管102第一端108和第二端110之间内腔106的中心轴线406螺旋延伸，使得电极100包括螺纹502。如上所述，与圆柱形外表面相比，螺纹502的轴向和径向变化可以增加电极100的总体表面积。
如上所述，电极100可以包括通过电极100长度的至少一部分的内腔106。图示中内腔106为圆柱形，即由包括圆形横截面的芯管102的内表面限定。然而，内表面可以包括类似于上述相对于电极100外表面变化的轴向或径向变化。此外，内表面可以具有内径，其大小允许在下面描述的CVD工艺过程中引入冷却剂，如液氮。例如，内径可以在5-50毫米的范围内。
参见图6，其示出了根据一个实施例的晶体硅材料(例如单晶硅材料)制造方法的流程图。在操作602中，将多晶硅沉积在电极100上，以在电极100周围形成多晶硅管。更具体地，可以使用包含电极100的CVD系统在CVD工艺中进行多晶硅的沉积。即，上述电极100可以包含在已知用于将多晶硅沉积到针状纯硅籽晶上的多种CVD工艺中的任何一种中。此类工艺包括在低压CVD系统中利用反应从三氯硅烷或硅烷沉积多晶硅。这样，反应可能在较高的温度下进行。然而，如上所述，多晶硅沉积到电极100上所需的温度可以低于具有针状纯硅籽晶的常规“西门子”系统所需的温度。因此，与常规“西门子”CVD工艺相比，使用具有电极100的CVD系统的CVD工艺产量可以提升。
参见图7A，其示出了在CVD工艺早期阶段，CVD系统的电极100上形成的管状多晶硅棒料的剖视图。多晶硅管702可以在较高的温度下沉积在阻挡膜112的外阻挡膜层204上。在较高的温度下，如果不存在阻挡，芯管102的材料可能有扩散到多晶硅中的趋势。因此，阻挡膜112可以防止这种扩散，使电极100周围形成的多晶硅管702具有非常纯的整体质量。
参见图7B，其示出了在多晶硅管702达到期望的晶锭直径之后，CVD系统的电极100上形成的管状多晶硅棒料的剖视图。更具体地，多晶硅管702可以具有适合于在浮区工艺中使用多晶硅管702作为直接棒料的外径。在一个实施例中，多晶硅管702的外径可以在15-20厘米的范围内。如上所述，电极100可以减少从图7A所示的CVD工艺的早期阶段进展到图7B所示的阶段所需的时间。例如，使用包含电极100的CVD工艺和系统可以将使用常规“西门子”CVD工艺和系统的大约150小时减少至更短的时间。时间的减少可以取决于电极100的外径，但是在一个实施例中，可以减少使用传统的“西门子”CVD工艺和系统的一半或以上时间。
应当理解，沉积后多晶硅管702的内径与多晶硅管702的外径之间的比例可以在足够大以便表面区域快速沉积和足够小以便可以使用二次工艺(例如浮区处理，如下所述)将多晶硅管702转化成实心棒之间取得平衡。更具体地，多晶硅管702具有的外径和内径可使得将管熔化成棒形并由此消除内径之后，最终外径是适用于制造光伏电池的预定直径。例如，沉积后多晶硅管702的内径可以在5-50毫米的范围内，并且预定的最终外径可以是200毫米。
再次参见图6，在操作604中，通过CVD工艺生长多晶硅管702之后，可以使冷却剂流过导电壁104内芯管102的内腔106。冷却剂可以包括具有温度和/或热容的流体，例如液体或气体，以提供芯管102的冷却。例如，冷却剂可以包括冷的液体，即温度低于室温的液体，例如液氮或冷冻水。冷却剂可以包括冷的气体，例如冷却到室温以下的惰性气体。在一个实施例中，冷却剂包括接近室温的液体或气体，例如在16-27℃的范围内。液体或气体的比热容可以大于1.5，例如大于2.0或4.0。因此，冷却剂的温度和/或热容可以实现芯管102和围绕芯管102的多晶硅管702的快速冷却。
参见图7C，其示出了根据一个实施例，从管状多晶硅棒料中取出的CVD系统电极100的剖视图。快速冷却芯管102可以使芯管102和围绕芯管102的阻挡膜112直径减小。由于芯管102和阻挡膜112的热膨胀系数可以相近，因此冷却剂通过可以导致电极100的组件以相近的速率收缩。因此，阻挡膜112的外表面直径可以与芯管102一起减小。此外，用于形成多晶硅管702的多晶硅材料的热膨胀系数可以不同，例如低于电极100组件的热膨胀系数。因此，当电极100冷却时，电极100与多晶硅管702之间可以形成间隙704。即，多晶硅管702可以与电极100分离。
再次参见图6，在操作606中，可以将电极100从多晶硅管702中取出。在多晶硅管702与电极100分离之后，可以从多晶硅管702的内腔取出电极100。在一个实施例中，可重复使用电极100以执行若干另外的沉积工艺并形成另外的多晶硅管702。阻挡膜112可以在图6描述的工艺开始之前沉积在芯管102上，由此，电极100可以作为消耗部件供应，用于现有的沉积设备中。因此，在执行操作606之后，可以将电极100重新插入到相同的沉积设备中，或者用在不同的沉积设备中。更具体地，在阻挡膜112保持完好的情况下，电极100可用于另外的沉积工艺并形成另外的多晶硅管702。如果阻挡膜112在沉积工艺中遭到损坏，可剥离和/或重新涂覆阻挡膜112以便重新使用。因此，电极100可以是可重复使用的，并且不需要根据使用现有籽晶棒技术的情况，在沉积工艺之后丢弃。
参见图7D，其示出了根据一个实施例的管状多晶硅棒料的剖视图。取出电极100之后，多晶硅管702可以用作浮区工艺的直接棒料。与常规多晶硅棒料不同，多晶硅管702包括具有内表面706和外表面708的管状结构。这种独特的结构可以允许在浮区工艺中相对常规浮区工艺进行各种改变。例如，可以修改浮区工艺中使用的RF元件(如RF线圈)以适应管状结构。此外，在浮区工艺过程中，管状结构可以通过外表面708和/或内表面706固定。例如，多晶硅管702可以由插入多晶硅管702内腔106中的卡盘或销握持。
再次参见图6，在操作608中，可以熔化多晶硅管702以生长晶体硅材料。例如，多晶硅管702可在浮区工艺中熔化以生长单晶硅材料。参见图8，其示出了根据一个实施例使用浮区方法由管状多晶硅棒料形成的单晶硅材料806的局部透视图。多晶硅管702包括由内表面706限定的内腔，因此可以称为管状多晶硅棒料(与实心多晶硅棒料相对)，可直接通过浮区反应器的RF线圈802进料(或者另选地，可使RF线圈802沿轴向通过多晶硅管702)以在多晶硅管702中产生熔化区域，即液化区804。液化区804中的杂质倾向于保留在液化区804中，因此当多晶硅管通过RF线圈802进料时，杂质会从多晶硅管702的一端迁移到多晶硅管702的另一端。更具体地，在多晶硅管702通过RF线圈802向下进料的情况下，如图8所示，液化区804将向上延伸并将杂质推向多晶硅管702的上端。
参见图9，其示出了根据一个实施例的用于浮区工艺的RF盘的透视图。RF元件可以是在浮区工艺中使用以熔化多晶硅管702的RF盘902，因此可以包括特定于这种工艺的特征。例如，RF盘902可以代替RF线圈802，并且可以包括其中形成通道的盘形板，以允许液化区804从盘的一侧转移到另一侧。更具体地，通道可以包括中心模孔904，其具有小于多晶硅管702外表面708外径的直径。RF盘902还可以包括从中心模孔904横向延伸的多个流动通气孔906。流动通气孔906可以沿着等距离的径向线横向延伸，例如在有四个流动通气孔906的情况下，各个流动通气孔906之间可以间隔九十度。RF盘902可以由传导RF能量以促进多晶硅管702加热和熔化并形成液化区804的材料形成。因此，多晶硅管702可以穿过RF盘902的流动通气孔906和中心模孔904以生长单晶硅材料806。
可对使用管式多晶硅棒料通过浮区工艺生产的高质量单晶硅材料806进行后续处理，以用于需要单晶硅以达到最佳性能和效率的光伏、半导体和/或其它应用。例如，可以切割单晶硅材料806以生产用于组成太阳能电池板的圆形或多边形太阳能电池。
因此，已公开了一种高产量的CVD工艺和系统，其用于制造可用作浮区工艺直接原料的低成本管状多晶硅棒。
本公开还可以具有以下配置：
1.一种用于化学气相沉积多晶硅的电极，包括：
芯管，其具有围绕腔的导电壁，其中所述腔在所述芯管的第一端和第二端之间延伸以运载液体冷却剂通过所述电极；以及
围绕所述导电壁的阻挡膜，其中所述阻挡膜包括金属扩散阻挡材料。
2.根据方案1所述的电极，其中所述阻挡膜包括覆盖所述导电壁的内阻挡膜层和覆盖所述内阻挡膜层的外阻挡膜层。
3.根据方案2所述的电极，其中所述内阻挡膜层包括所述金属扩散阻挡材料，并且其中所述外阻挡膜层包括第二金属扩散阻挡材料。
4.根据方案3所述的电极，其中所述金属扩散阻挡材料具有第一热膨胀系数，所述第二金属扩散阻挡材料具有第二热膨胀系数，并且其中所述第一热膨胀系数与所述第二热膨胀系数之间的差异小于20％。
5.根据方案3所述的电极，还包括在所述内阻挡膜层和所述外阻挡膜层之间的中间阻挡膜层，其中所述金属扩散阻挡材料具有第一热膨胀系数，其中所述第二金属扩散阻挡材料具有第二热膨胀系数，并且其中所述第一热膨胀系数与所述第二热膨胀系数之间的差异大于20％。
6.一种用于化学气相沉积多晶硅的电极，包括：
芯管，其具有围绕腔的导电壁，其中所述腔在所述芯管的第一端和第二端之间延伸以运载液体冷却剂通过所述电极；以及
围绕所述导电壁的阻挡膜，其中所述阻挡膜包括起伏外表面。
7.根据方案6所述的电极，其中所述芯管包括从所述腔的中心轴线径向向外延伸的翅片，并且其中所述翅片包含多个谷之间的峰，所述峰相对于所述中心轴线的径向间隔大于相应的所述谷与所述中心轴线的径向间隔。
8.根据方案7所述的电极，其中所述起伏外表面围绕所述中心轴线沿周向延伸覆盖所述翅片，并且包括曲线形的横截面外缘。
9.根据方案7所述的电极，其中所述起伏外表面围绕所述中心轴线沿周向延伸覆盖所述翅片，并且包括直线形的横截面外缘。
10.根据方案7所述的电极，其中所述峰和所述中心轴线之间的径向间隔在所述芯管的所述第一端和所述第二端之间变化，使得所述电极包括轴向起伏。
11.根据方案7所述的电极，其中所述翅片围绕所述芯管的所述第一端和所述第二端之间的所述中心轴线螺旋地延伸，使得所述电极包括螺纹。
12.一种制造晶体硅材料的方法，包括：
在电极上沉积多晶硅，其中所述电极包括芯管，所述芯管具有围绕腔的导电壁，并且其中沉积所述多晶硅会在所述电极周围形成多晶硅管；
使液体冷却剂流过芯管的腔，将所述多晶硅管与所述电极分开；
从所述多晶硅管中取出所述电极；以及
处理所述多晶硅管以生长晶体硅材料。
13.根据方案12所述的方法，其中所述电极包括围绕所述导电壁的阻挡膜，并且其中所述阻挡膜包括金属扩散阻挡材料和起伏外表面。
14.根据方案13所述的方法，其中所述阻挡膜包括覆盖所述导电壁的内阻挡膜层和覆盖所述内阻挡膜层的外阻挡膜层，其中所述内阻挡膜层包括所述金属扩散阻挡材料，并且其中所述外阻挡膜层包括第二金属扩散阻挡材料。
15.根据方案13所述的方法，其中所述芯管包括从所述内腔的中心轴线径向向外延伸的翅片，并且所述翅片包含多个谷之间的峰多个谷之间的峰，所述峰相对于所述中心轴线的径向间隔大于相应的所述谷与所述中心轴线的径向间隔，使得所述电极包括具有周向起伏的横截面外缘。
16.根据方案15所述的方法，其中所述峰和所述中心轴线之间的径向间隔在所述芯管的所述第一端和所述第二端之间变化，使得所述电极包括轴向起伏。
17.根据方案12所述的方法，其中所述液体冷却剂的温度低于室温。
18.根据方案12所述的方法，其中所述液体冷却剂的比热容大于1.5。
19.根据方案12所述的方法，其中处理所述多晶硅管包括熔化所述多晶硅管以生长单晶硅材料。
20.根据方案12所述的方法，其中处理所述多晶硅管包括熔化所述多晶硅管以生长多晶硅材料。
尽管上面已经描述了具体实施例，但即使相对于特定的特征仅描述了单个实施例，这些实施例也并非旨在限制本公开的范围。在本公开中所提供的特征的例子旨在为例证性的而非限制性的，除非另有说明。例如，在一个实施例中，使用具有电极100的CVD工艺和系统形成的多晶硅管702随后可以用作生产单晶硅材料的常规切克劳斯基晶锭生长方法的原料。在另一个实施例中，使用具有电极100的CVD工艺和系统形成的多晶硅管702随后可以用于多晶硅制造技术的铸锭生长方法中。以上描述旨在涵盖将对本领域的技术人员显而易见的具有本公开的有益效果的那些替代形式、修改形式和等效形式。
本公开的范围包括本文所(明示或暗示)公开的任何特征或特征组合，或其任何概括，不管其是否减轻本文所解决的任何或全部问题。因此，可以在本申请(或要求其优先权的申请)的审查过程期间针对任何此类特征组合提出新的权利要求。具体而言，参考所附权利要求书，来自从属权利要求的特征可与独立权利要求的那些特征相结合，来自相应的独立权利要求的特征可以按任何适当的方式组合，而并非只是以所附权利要求中枚举的特定形式组合。

Claims (16)

1.一种用于化学气相沉积多晶硅的电极，包括：
芯管，其具有围绕腔的导电壁，其中所述腔在所述芯管的第一端和第二端之间延伸以运载液体冷却剂通过所述电极；以及
围绕所述导电壁的多层阻挡膜，其中所述多层阻挡膜包括金属扩散阻挡材料，
其中所述多层阻挡膜中最靠近所述芯管的阻挡膜的热膨胀系数与所述芯管的热膨胀系数之间的差异在20％以内，所述多层阻挡膜中的相邻阻挡膜的热膨胀系数之间的差异小于20％，并且在所述多层阻挡膜包括三层或更多层阻挡膜的情况下，最外侧阻挡膜层的热膨胀系数与最内侧阻挡膜层的热膨胀系数之间的差异大于20％。
2.根据权利要求1所述的电极，其中所述阻挡膜包括覆盖所述导电壁的内阻挡膜层和覆盖所述内阻挡膜层的外阻挡膜层。
3.根据权利要求2所述的电极，其中所述内阻挡膜层包括所述金属扩散阻挡材料，并且其中所述外阻挡膜层包括第二金属扩散阻挡材料。
4.根据权利要求3所述的电极，其中所述金属扩散阻挡材料具有第一热膨胀系数，所述第二金属扩散阻挡材料具有第二热膨胀系数，并且其中所述第一热膨胀系数与所述第二热膨胀系数之间的差异小于20％。
5.根据权利要求3所述的电极，还包括在所述内阻挡膜层和所述外阻挡膜层之间的中间阻挡膜层，其中所述金属扩散阻挡材料具有第一热膨胀系数，其中所述第二金属扩散阻挡材料具有第二热膨胀系数，并且其中所述第一热膨胀系数与所述第二热膨胀系数之间的差异大于20％。
6.一种用于化学气相沉积多晶硅的电极，包括：
芯管，其具有围绕腔的导电壁，其中所述腔在所述芯管的第一端和第二端之间延伸以运载液体冷却剂通过所述电极；以及
围绕所述导电壁的多层阻挡膜，其中所述多层阻挡膜包括起伏外表面，
其中所述多层阻挡膜中最靠近所述芯管的阻挡膜的热膨胀系数与所述芯管的热膨胀系数之间的差异在20％以内，所述多层阻挡膜中的相邻阻挡膜的热膨胀系数之间的差异小于20％，并且在所述多层阻挡膜包括三层或更多层阻挡膜的情况下，最外侧阻挡膜层的热膨胀系数与最内侧阻挡膜层的热膨胀系数之间的差异大于20％，所述芯管包括从所述腔的中心轴线径向向外延伸的翅片，并且其中所述翅片包含多个谷之间的峰，所述峰相对于所述中心轴线的径向间隔大于相应的所述谷与所述中心轴线的径向间隔。
7.根据权利要求6所述的电极，其中所述起伏外表面围绕所述中心轴线沿周向延伸覆盖所述翅片，并且包括曲线形的横截面外缘。
8.根据权利要求6所述的电极，其中所述起伏外表面围绕所述中心轴线沿周向延伸覆盖所述翅片，并且包括直线形的横截面外缘。
9.根据权利要求6所述的电极，其中所述峰和所述中心轴线之间的径向间隔在所述芯管的所述第一端和所述第二端之间变化，使得所述电极包括轴向起伏。
10.根据权利要求6所述的电极，其中所述翅片围绕所述芯管的所述第一端和所述第二端之间的所述中心轴线螺旋地延伸，使得所述电极包括螺纹。
11.一种制造晶体硅材料的方法，包括：
在电极上沉积多晶硅，其中所述电极包括芯管，所述芯管具有围绕腔的导电壁，并且其中沉积所述多晶硅会在所述电极周围形成多晶硅管；
使液体冷却剂流过芯管的腔，将所述多晶硅管与所述电极分开；
从所述多晶硅管中取出所述电极；以及
处理所述多晶硅管以生长晶体硅材料，
其中所述电极包括围绕所述导电壁的多层阻挡膜，
其中所述多层阻挡膜中最靠近所述芯管的阻挡膜的热膨胀系数与所述芯管的热膨胀系数之间的差异在20％以内，所述多层阻挡膜中的相邻阻挡膜的热膨胀系数之间的差异小于20％，并且在所述多层阻挡膜包括三层或更多层阻挡膜的情况下，最外侧阻挡膜层的热膨胀系数与最内侧阻挡膜层的热膨胀系数之间的差异大于20％，并且
其中所述阻挡膜包括金属扩散阻挡材料和起伏外表面，所述芯管包括从所述腔的中心轴线径向向外延伸的翅片，并且所述翅片包含多个谷之间的峰，所述峰相对于所述中心轴线的径向间隔大于相应的所述谷与所述中心轴线的径向间隔，使得所述电极包括具有周向起伏的横截面外缘。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述阻挡膜包括覆盖所述导电壁的内阻挡膜层和覆盖所述内阻挡膜层的外阻挡膜层，其中所述内阻挡膜层包括所述金属扩散阻挡材料，并且其中所述外阻挡膜层包括第二金属扩散阻挡材料。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述峰和所述中心轴线之间的径向间隔在所述芯管的所述第一端和所述第二端之间变化，使得所述电极包括轴向起伏。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述液体冷却剂的温度低于室温。
15.根据权利要求11所述的方法，其中处理所述多晶硅管包括熔化所述多晶硅管以生长单晶硅材料。
16.根据权利要求11所述的方法，其中处理所述多晶硅管包括熔化所述多晶硅管以生长多晶硅材料。
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